一種基于巖屑微觀特征的頁巖可壓裂性評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于巖屑微觀特征的頁巖可壓裂性評價方法，屬于非常規(guī)油氣開 發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其針對于頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，我國成為世界第二大原油進口國，對外依存 度已逼近60%。因此，在加大油氣新區(qū)新領(lǐng)域的勘探開發(fā)力度的同時，尋找新型接替能源已 經(jīng)成為保障國家能源安全和國家安全的重要戰(zhàn)略舉措。為了實現(xiàn)我國能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā) 展，需加強頁巖油氣、煤層氣和天然氣水合物等非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)和利用。我國主 要盆地地區(qū)的頁巖氣資源量約為15萬億~30萬億立方米，經(jīng)濟價值巨大，可開發(fā)利用的潛 力大。
[0003] 與常規(guī)的油氣開采不同，頁巖的開發(fā)手段主要依靠長水平井大規(guī)模水力壓裂。頁 巖的脆性和初始損傷程度對壓裂的效果影響顯著，也是評價頁巖儲層力學特性的關(guān)鍵指 標，對井壁的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生顯著的影響。因此對頁巖儲層的可壓裂性進行科學準確地評 價直接關(guān)系到頁巖油氣的開發(fā)效果。
[0004] 現(xiàn)有的頁巖可壓裂性室內(nèi)評價技術(shù)考慮因素較為簡單。常見的方法主要基于巖石 礦物組分、巖石力學參數(shù)和巖石斷裂面特征等。上述方法難W反映頁巖的初始損傷復(fù)雜、層 理極為發(fā)育、成分非均質(zhì)等特性，導(dǎo)致在壓裂設(shè)計時層位選擇盲目，施工過程中井下事故頻 發(fā)、體積壓裂效果差等后果。而且，破碎性地層取忍率低，能用于力學實驗的全直徑巖樣少， 總實驗成本高、代表性差。故急需一種新型的綜合評價頁巖可壓裂性的方法用W指導(dǎo)頁巖 氣壓裂開發(fā)設(shè)計，該方法簡單有效，成本低。
[000引另一方面，相關(guān)巖石組分定量分析測試、室內(nèi)力學測試、激光和電子掃描巖石表面 裂縫成像技術(shù)發(fā)展迅猛，為本方法奠定了實驗基礎(chǔ)。本方法設(shè)及到相關(guān)技術(shù)有:X射線衍射 技術(shù)、納米壓痕技術(shù)、掃描電鏡測試技術(shù)、3D激光掃描技術(shù)。
[0006] X射線衍射技術(shù)經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)標定了各種礦物的標準圖譜，包括石英、鐘 長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦等近30種礦物成分。相關(guān)X射線圖譜分析軟件商業(yè)化 程度高，能快速、準確地分析得到巖石樣品的礦物種類及其相對含量。
[0007] 納米壓痕技術(shù)也稱深度敏感壓痕技術(shù)，特別適用于測量微小體積材料力學參數(shù)， 可在納米尺度上測量材料的各種力學性質(zhì)，如載荷-位移曲線、彈性模量等，是現(xiàn)階段最準 確最常用的測試材料力學性質(zhì)的方法之一。VikasKumar,CarlH.Sondergeld和化an化a S.Rai等人曾成功地利用納米壓痕技術(shù)測得了頁巖的硬度、彈性模量等一系列參數(shù)化umar V,SondergeldCH,RaiCS.Nanotomacromechanicalcharacterizationofshale [C]//SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition.SocietyofPetroleum Engineers, 2012.)。其工作原理為將一特定形狀和尺寸的壓頭在計算機控制的垂直壓力作 用下壓入試樣，通過壓頭載荷的連續(xù)變化，實時監(jiān)測壓深量，可W獲得小到納米級的壓深。 當壓力撤除后，通過測量壓痕的斷截面面積，人們可W得到被測材料的硬度和其他力學參 數(shù)。近年來，該技術(shù)在巖石材料力學參數(shù)測量方面也應(yīng)用廣泛，只需較小的巖樣碎片即可測 得對應(yīng)巖樣的力學性質(zhì)。納米壓痕技術(shù)與傳統(tǒng)井下取忍和野外露頭取樣進行力學實驗相 比，具有處理方法簡單快捷，且準確度高，代表性強，費用更低等優(yōu)點。
[0008] 掃描電鏡測試技術(shù)在石油工程領(lǐng)域，被大量應(yīng)用于與巖石微觀形貌有關(guān)的研究， 是一項成熟的微觀觀察分析技術(shù)。通過此技術(shù)，研究人員可獲得巖石裂縫的具體形態(tài)特征。 大量研究人員通過實驗和理論研究，認為巖石微觀裂縫的形態(tài)近似符合分形理論相關(guān)特 征。巖石裂縫的形態(tài)、內(nèi)在的復(fù)雜程度、不規(guī)則等特性在統(tǒng)計學上均具有自相似性(陸冰洋. 巖石類材料損傷演化的分形幾何行為特征及其分形機理研究[D].貴州大學，2007 .)。自二 十世紀屯十年代法裔美國數(shù)學家曼德爾布羅特(MandelbrotBB.)創(chuàng)立分形幾何學W來 (MandelbrotBB.Thefractalgeometryofna1:ure[M].Macmillan, 1983.)，分形在理論 和應(yīng)用方面都取得了很大的發(fā)展。在地層石油裂縫研究領(lǐng)域，分形為石油能源的充分開采 提供了新的方法，且應(yīng)用隨機分形描述頁巖裂縫形態(tài)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。故可引入分形 理論對巖石形成裂縫的復(fù)雜程度進行科學定量評價。
[0009] 3D激光掃描技術(shù)是20世紀90年代中期發(fā)展起來的高新技術(shù)，利用激光測距原理， 記錄被測物體表面大量密集的點的Ξ維坐標、反射率、紋理等信息，復(fù)建出被測物體表面準 確起伏模型。3D激光掃描技術(shù)具有精度高，掃描速度快等特點。在巖石表面特征和裂縫特征 研究方面，復(fù)建得到被測巖樣表面模型后，經(jīng)過軟件處理即可計算得出物體表面真實表面 積，并結(jié)合斷裂面投影面積求得粗糖度。粗糖度也是實際材料破壞時的臨界擴展力與理想 脆性材料的臨界擴展力之比的脆性指數(shù)。粗糖度越大，其開裂消耗的非彈性能越大，巖石的 脆性就越小(嚴安，吳科如，張東，姚武.高強混凝±的脆性與斷裂面特征的關(guān)系[J].同濟大 學學報（自然科學版），2002,01:66-70.)。
[0010] 上述技術(shù)、理論已經(jīng)被多次應(yīng)用于石油相關(guān)領(lǐng)域，尤其是非常規(guī)油氣開發(fā)領(lǐng)域，且 基礎(chǔ)研究充分，技術(shù)規(guī)范完善，基礎(chǔ)設(shè)備商用化程度高。本專利方法將上述研究手段有機地 結(jié)合起來，針對取忍碎屑、鉆井巖屑進行系統(tǒng)地評價，用W指導(dǎo)非常規(guī)油氣資源的開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于有效地評價頁巖儲層的可壓裂性，克服現(xiàn)有技術(shù)僅針對影響縫 網(wǎng)形成的單一因素進行分析、實驗成本昂貴、鉆井取忍率低且耗時長等缺陷，提出一種基于 巖屑微觀特征的頁巖可壓裂性評價方法。本方法綜合巖石礦物組分、微觀力學性質(zhì)、裂縫分 形特征、巖屑表面粗糖度四方面因素。評價方法直觀可靠，準確有效，需要巖石樣品少，有利 于現(xiàn)場推廣和應(yīng)用，對于頁巖氣或致密砂巖氣開發(fā)的理論研究和現(xiàn)場應(yīng)用都具有積極的指 導(dǎo)意義。
[0012] 本發(fā)明的目的通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0013] 本發(fā)明一種基于巖屑微觀特征的頁巖可壓裂性評價方法，該方法包括W下步驟：
[0014] ①取油氣井中儲層特定深度的頁巖巖屑，準確拱取巖屑，并按規(guī)定的時間距實測 遲到時間，保證巖屑的連續(xù)性和代表性，剔除假巖屑（非目的層的巖屑）；或直接采用已取屯、 的井下巖屯、的碎屑。
[0015] ②對巖屑進行X射線衍射實驗，得到巖樣的X射線衍射圖譜，通過計算機軟件分析 得出全巖礦物的相對含量，根據(jù)劉致水等巧IJ致水，孫贊東.新型脆性因子及其在泥頁巖儲 集層預(yù)測中的應(yīng)用[J].石油勘探與開發(fā)，2015,01:117-124.)提出的基于礦物組成的脆性 評價方法，計算出該層段巖屑礦物脆性指數(shù)Ii。
[0016]③對巖屑進行納米壓痕測試，根據(jù)測試結(jié)果求得巖屑硬等微觀力學參數(shù)。定義了 一個頁巖微觀力學參數(shù)評價因子G，G與頁巖彈性模量及泊松比有關(guān)，計算方法見公式（1)， 再根據(jù)類似于化ckman基于巖石力學參數(shù)的脆性評價方法(RickmanR,MullenM,化treE, etal.APracticalUseofShalePetrophysicsforStimulationDesign Optimization：AllShalePlaysAreNotClonesoftheBarnettShale.SPE115258， SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition,21-24September,Denver, Colorado，USA，2008)，求得微觀力學脆性指數(shù)l2,相關(guān)計算公式如下：<