[发明专利]一种通过细/微观力学测试来确定页岩宏观模量的方法

说明书

一种通过细/微观力学测试来确定页岩宏观模量的方法，包括单轴压缩试验获取宏观试验结果，对岩石切片先后进行纳米压痕测试和原子力显微镜测试，得到样品细观和微观尺度下的杨氏模量。对获得的数据耦合分析并进行宏观尺度的升级。首先分析了纳米压痕和原子力显微镜的结果来确定页岩的细/微观尺度模量。随后，综合MLA结果，根据模量差异对矿物组成进行分类，采用Mori‑Tanaka均一化方法对细观和微观尺度下的力学参数了升级，进而确定页岩宏观模量。该方法可用于快速预测材料的弹性模量、硬度等力学参数，在钻井过程中可利用岩屑进行MLA、AFM和纳米压痕试验获得宏观力学参数，既降低了试验费用，又大大缩短了实验周期。

技术领域

本发明属于岩石力学领域，是一种通过细/微观力学测试来确定页岩宏观模量的方法，是对传统页岩力学分析方法的一种改进，尤其适合快速预测页岩的力学性能。

背景技术

随着新技术的出现，页岩气和石油是当前能源市场的关键商品。在油气勘探开发过程中，岩石的弹性模量及其各向异性等力学特性对地震资料的解释和地质模型的建立有重要影响。此外，在钻井过程中，页岩力学性质受到井筒失稳、钻井速度慢等方面的较大影响。因此，有必要准确确定岩石模量、硬度和强度参数，以明确复杂的井筒条件，防止发生事故。在水力压裂过程中，要评价储层的可压缩性，必须确定其硬度和弹性模量。此外，岩石力学特性对完井、分段、可压性评价、支撑剂选择等方面具有指导意义。

页岩是一种多孔介质，由有机质和多种矿物组成，包括在沉积和构造演化过程中发育的若干片层、裂缝和节理。不同矿物的力学性能存在显著差异，当形成生内孔隙和微裂缝时，这种差异更加显著。此外，由于受沉积、成岩作用和热演化史的影响，页岩孔隙结构分布具有较强的非均质性。在地质历史过程中，岩体在外力作用下可能发生不可逆变形，导致宏观裂缝和变形。这种宏观和微观结构造成了页岩的不连续性、不均匀性和各向异性，对钻井和工程中岩石的变形行为产生了很大影响。因此，页岩的地质演化、矿物颗粒的取向以及取心过程中产生的裂缝的叠加，使得页岩具有较强的非均质性。

虽然测井曲线，如声波和密度测井资料，已广泛用于模拟力学参数，但室内试验资料更广泛用于实现工程设计和不同岩性岩石对比。常规岩石力学试验，包括单轴和三轴压缩试验，常用来获得相关参数。然而，在时间敏感的页岩气生产过程中，由于取样过程耗时，而且对试样的大小和完整性有限制性要求所以采用常规岩心测试是有致命缺陷的。为了克服这些限制，人们越来越多地使用显微方法来检查特定矿物的微观力学性质。这些方法包括X射线衍射(XRD)和基于纳米压痕试验方法阐明压痕曲线影响因素，背散射电子(BSE)衍射和纳米压痕试验研究储层岩石的机械性能，原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)研究一定的弹性参数域。随着微纳测量技术的发展，评价宏观力学参数的等效均匀化理论也被建立。这种均质化的基础是建立岩石成分与弹性常数之间的关系，进而利用微观特征来揭示宏观行为。

在这项工作中，岩石的宏观模量是基于纳米尺度和微观尺度的测量。结合AFM和纳米压痕技术检查岩石样品的微观力学性能。随后，通过将纳米和微米尺度的结果提高到毫米和厘米尺度来评估这些技术的有效性。由于岩屑即可用于获得宏观弹性常数，因此，研究结果可使钻井过程中迅速确定页岩的力学特性。

发明内容

本发明一种通过细/微观力学测试来确定页岩宏观模量的方法，用于解决常规力学测试方法的局限性及连续介质理论不能精确表述多相介质力学特性的技术问题，本发明同时进行宏观尺度和微观尺度的试验，以对比和验证结果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种通过细/微观力学测试来确定页岩宏观模量的方法，包括以下步骤：

（1）对平行于层理和垂直于层理两个方向分别钻取标准岩石样品a和样品b，测量并记录采集的样品a和样品b的直径及高度；

（2）对样品a和样品b进行单轴压缩试验，得到宏观尺度上的杨氏模量和泊松比；