基于页岩力学特性试验的脆性评价方法

论文摘要

随着我国非常规油气田的勘探与开发,评价页岩气储层的脆性特征显得尤为重要。然而随着历史的变迁,储层经历了多期的地质构造运动,地层发生过压实、抬升、剥蚀、沉积、风化、地震、断裂等等,即区域储层经历了天然的加荷、卸荷过程。深入研究加荷、卸荷机理,评价页岩的力学特性,对储层脆性评价具有重要意义。本文通过矿物组分测试试验、电镜扫描分析试验,单轴、三轴压缩试验、三轴加轴压卸围压试验,以及同步开展的声发射监测试验,深入研究了页岩的矿物组分和微观结构,探讨了页岩在加荷与卸荷时的强度、变形及破裂特征,分析了卸荷速率对其力学参数的影响,阐述了卸荷速率与声发射参数的关系,提出了基于卸荷弹性模量Eu与总弹性模量Et的脆性评价方法,并采用卸荷脆性评价参数Bu1与Bu2评价不同卸荷速率试验下的岩石脆性特征。本文主要取得以下研究成果:（1）通过X射线衍射技术（XRD）和电镜扫描分析技术（SEM）对页岩进行矿物成分和微观孔隙结构分析,结果表明:页岩的矿物成分以石英、钠长石与黄铁矿等脆性矿物为主,含量占比为64.73%～72.64%;以方解石、白云石和铁白云石为主的碳酸盐类矿物,含量占比为6.11%～15.54%;以伊利石、蒙脱石和高岭石为主的黏土类矿物,含量占比为17.71%～21.25%;与北美Barnett页岩相比,脆性指数较为良好,且页岩孔隙尺度范围在47.43 nm～749.43 nm之间,有利于储层的可压性改造。（2）在MTS三轴实验机上,开展尺寸为50 mm*100 mm圆柱试样的单轴压缩试验,以及围压强度分别为20MPa、40MPa、60MPa、80MPa的三轴压缩试验,获得页岩试样的基础力学参数。结果表明:页岩试样的单轴抗压强度在90MPa～108MPa之间,破坏形式包括剪胀破坏、X状共轭斜面剪切破坏等;在三轴压缩条件下,页岩试样的轴向应变、峰值强度、弹性模量等参数随着围压的提升显著提高,在80MPa围压下达到最大的峰值强度为386MPa;破坏形式以单斜截面剪切破坏为主,剪切带贯穿整个页岩试样;利用Mohr-Coulomb强度准则拟合不同围压下的σ1与σ3,得到拟合系数R2为0.97,表明页岩试样均质性较为良好。（3）针对储层地质构造变化,在室内开展三轴加轴压、卸围压试验模拟储层抬升剥蚀的地质作用,探讨不同卸荷速率条件下的页岩破坏特征,并同步开展声发射监测试验。结果表明:卸荷速率的增加对部分页岩力学参数具有弱化作用,峰值强度、残余应力、破坏围压与卸荷速率之间具有明显的线性关系;低卸荷速率条件下页岩试样的破坏特征为单一斜截面剪切破坏,高卸荷速率条件下页岩试样的破坏特征为多条剪切带共生、且伴有层理开裂;当岩样发生破裂时,声发射的能量会成倍数量级的增加,表明此时页岩试样内部会释放大量能量,裂隙裂萌生、扩展并孕育宏观裂纹。（4）在分析国内外学者基于不同理论提出的30多种脆性评价方法的基础上,利用矿物组分分析法与应力应变曲线分析法探讨了页岩试样的脆性特征,验证了脆性指标Bd1与Bd2在三轴加载试验中的可行性,指出了Bd1与Bd2在三轴卸荷试验中的短板与弊端。在此基础上,提出基于卸荷弹性模量uE与总弹性模量tE的脆性评价方法,进一步优化了Bd1与Bd2,并采用卸荷脆性评价参数Bu1与Bu2,评价不同卸荷速率试验下的岩石脆性特征。该方法中φ与γ的取值可以充分考虑卸荷点的不同以及卸荷速率的大小,α与β的取值可以衡量应力、应变对脆性特征的不同影响;且良好的验证了该脆性评价方法的可行性;随着卸荷速率的提高,Bu1与Bu2均呈现出上升趋势,表现为脆性逐渐增强;与Bu2在高卸荷速率下出现小幅波动相比,Bu1可以更好的表征页岩试样的脆性变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩石加荷力学特性研究
•     1.2.2 岩石卸荷力学特性研究
•     1.2.3 岩石脆性评价方法研究
•   1.3 研究内容与技术路线
• 2 试验概况及微观组构分析
•   2.1 岩芯采集与物理测试
•     2.1.1 试样采集
•     2.1.2 试样加工与制备
•     2.1.3 基本物理参数测试
•   2.2 矿物组分试验分析
•     2.2.1 测试设备介绍
•     2.2.2 矿物组分分析
•   2.3 扫描电镜试验分析
•     2.3.1 测试设备介绍
•     2.3.2 微观结构分析
•   2.4 本章小结
• 3 页岩常规三轴压缩试验
•   3.1 试样设备与方案设计
•     3.1.1 试验仪器介绍
•     3.1.2 试样方案设计
•   3.2 页岩单轴压缩试验研究
•   3.3 页岩三轴压缩试样研究
•     3.3.1 三轴应力应变曲线分析
•     3.3.2 三轴拟合曲线分析
•   3.4 页岩单三轴破坏形态分析
•     3.4.1 单轴破坏形态
•     3.4.2 三轴破坏形态
•   3.5 本章小结
• 4 页岩卸荷力学特性试验研究
•   4.1 三轴卸荷试验研究
•     4.1.1 卸荷试验概况及方案设计
•     4.1.2 卸荷全过程应力应变曲线研究
•     4.1.3 加荷、卸荷偏应力应变曲线对比研究
•   4.2 卸荷速率对页岩力学参数的影响
•     4.2.1 卸荷速率对峰值强度的影响
•     4.2.2 卸荷速率对破坏围压的影响
•     4.2.3 卸荷速率对残余应力的影响
•   4.3 卸荷速率页岩破坏特征的影响
•   4.4 卸荷过程声发射分析
•   4.5 本章小结
• 5 页岩脆性特征评价
•   5.1 岩石脆性评价方法
•     5.1.1 矿物组分分析法
•     5.1.2 应力应变曲线分析法
•   5.2 基于卸荷应力应变曲线的脆性方法
•     5.2.1 现有脆性评价方法
•     5.2.2 考虑卸荷条件的脆性评价方法的优化
•     5.2.3 脆性方法的验证
•     5.2.4 脆性方法的对比
•   5.3 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间的学术成果
• 附录 B 参与的科研项目与学术会议

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周小贵

导师: 刘海明

关键词: 页岩,脆性评价,力学特性,卸荷速率,破坏特征

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 昆明理工大学

基金: 国家重大科技专项(大型油气田及煤层气开发)子课题:页岩顶底板应力与应变特征研究(2017ZX05036-003-004)

分类号: P618.13

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.001720

总页数: 96

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