页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法

1.本发明涉及页岩油气开发技术领域，尤其涉及一种页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法。


背景技术：

2.水力压裂是通过水基高压流体在储层内形成高导流能力复杂裂缝网络，从而提高油气产能。水力裂缝的扩展是由裂缝内水的楔张作用产生的，工程实践和室内模拟实验结果表明，水力裂缝的扩展主要受地应力场和低强度结构面的控制，裂缝面一般垂直于最小水平主应力扩展，主要为拉张破坏，存在弱面时有可能沿着弱面扩展，主要为剪切破坏。页岩油气储层受沉积充填和构造演化的控制，储层岩体中发育不连续面和力学强度相对较低、易开裂的地质界面，包括天然裂隙、节理、岩性层面等，定义为结构面。水力压裂过程中激活储层岩体结构面，形成拉张裂缝与剪切裂缝交错网络，是提高体积压裂缝网复杂度的关键。
3.因此，根据油气储层结构面的实际产状，考虑地应力场、孔隙压力等结构面赋存环境，结合水力压裂工程条件，如何分析评价油气储层岩体结构面的受力条件、发生剪切破坏的边界条件，是水力压裂激活储层结构面的重要依据。现有技术中缺乏储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法，不利于优化水力压裂施工参数以提高页岩油气井产能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法，以解决缺乏储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法，不利于优化水力压裂施工参数，提高结构面激活比例，增加水力压裂缝网复杂程度，从而提高页岩油气井产能的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：一种页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法，包括如下步骤：岩体结构面描述表征；结构面抗拉强度测试；结构面抗剪切强度测试；确定各种结构面的粘聚力c、摩擦系数μ；计算各个结构面所受的正应力σn、剪应力τ；建立结构面水力压裂剪切破坏判据。
6.进一步的，岩体结构面描述表征步骤中，通过成像测井数据和钻井取芯测量观察，将结构面进行分类并描述结构面的产状信息以及结构面对应的深度与充填胶结情况。
7.进一步的，结构面分为有胶结充填、无胶结充填和岩性层面三类。
8.进一步的，结构面抗拉强度测试步骤中，选取有胶结充填样品和岩性层面样品，以结构面为中心加工标准样品，每组样品数量不少于2个，样品尺寸φ25mm
×
25mm或者φ50mm
×
25mm，采用巴西劈裂夹具，以0.3mpa/s-0.5mpa/s的加载速度，进行间接拉伸抗压强度测试，每组样品抗拉强度求平均值作为该结构面的抗拉强度。
9.进一步的，结构面抗剪切强度测试步骤中，选取有胶结充填样品与岩性层面样品，以结构面为中心加工标准样品，每组样品数量不少于3个，样品尺寸30mm
×
30mm
×
30mm，采
用变角度剪切夹具，确保结构面位于剪切中心位置，设置剪切角度为40
°
、50
°
、60
°
三个角度，以0.5mpa/s-1.0mpa/s的加载速度，进行变角度剪切试验，计算每个角度剪切试验样品剪切破坏的正应力和剪应力。
10.进一步的，确定各种结构面的粘聚力c、摩擦系数μ步骤中，根据byerlee定律，无胶结充填结构面的粘聚力c取值0、摩擦系数μ取值0.6；有胶结充填结构面和岩性层面结构面的粘聚力c、摩擦系数μ取自结构面抗拉强度测试步骤和结构面抗剪切强度测试步骤的结果，每组样品进行正应力、剪应力和抗拉强度数据拟合以确定该组样品对应的结构面的粘聚力c和摩擦系数μ。
11.进一步的，计算各个结构面所受的正应力σn、剪应力τ步骤中，根据测井解释三向主应力剖面和主应力方向，提取对应结构面深度的三向主应力大小、方向，通过三向主应力和结构面相对于应力场的方向，利用方向余弦，计算结构面所受的正应力σn、剪应力τ的大小。
12.进一步的，建立结构面水力压裂剪切破坏判据步骤中，根据结构面所受的正应力σn、剪应力τ的大小，在三维mohr圆中投图确定结构面的受力状态；根据确定的各种结构面的粘聚力c和摩擦系数μ，依据coulomb准则，建立各种结构面的剪切破裂线。
13.进一步的，水力压裂过程中随着储层水压力的不断升高，各种结构面的剪切破裂线向三维mohr圆正应力σn增大的方向移动，结构面的受力状态处于破裂线左侧时表明结构面的剪应力τ克服了摩擦阻力，结构面发生剪切滑移破坏。
14.进一步的，结构面的三向主应力包括最小水平主应力，储层水压力不超过最小水平主应力。
15.综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：本发明提供的页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法包括如下步骤：岩体结构面描述表征；结构面抗拉强度测试；结构面抗剪切强度测试；确定各种结构面的粘聚力c、摩擦系数μ；计算各个结构面所受的正应力σn、剪应力τ；建立结构面水力压裂剪切破坏判据。
16.本发明提供的页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法通过采集结构面的数据并建立水力压裂剪切破坏判据，以判断各种结构面在水压力作用下的破裂情况，为优化水力压裂施工参数、提高结构面激活比例、提高页岩油气井产能提供理论依据。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法的储层岩体结构面相对应力场方向示意图；图2三维mohr圆中结构面受力状态示意图；图3为水力压裂结构面剪切破坏判据示意图。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.现有技术中缺乏储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法，不利于优化水力压裂施工参数以提高页岩油气井产能。
23.有鉴于此，本发明提供了一种页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法，包括如下步骤：岩体结构面描述表征；结构面抗拉强度测试；结构面抗剪切强度测试；确定各种结构面的粘聚力c、摩擦系数μ；计算各个结构面所受的正应力σn、剪应力τ；建立结构面水力压裂剪切破坏判据。
24.本发明提供的页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法通过采集结构面的数据并建立水力压裂剪切破坏判据，以判断各种结构面在水压力作用下的破裂情况，为优化水力压裂施工参数、提高结构面激活比例、提高页岩油气井产能提供理论依据。
25.以下结合图1-图3对本实施例提供的页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法进行详细说明：本实施例提供的页岩油气储层岩体结构面水力压裂剪切破坏分析方法的具体步骤如下：s100-岩体结构面描述表征:受沉积充填和多期次构造演化的控制，储层发育天然裂隙、节理、岩性层面等岩体结构面，通过成像测井数据和钻井取芯测量观察，将结构面进行分类并描述结构面的产状信息以及结构面对应的深度与充填胶结情况。
26.其中结构面分为有胶结充填、无胶结充填和岩性层面三类，产状信息包括倾角、倾向、走向等。
27.s200-结构面抗拉强度测试:选取有胶结充填样品和岩性层面样品，以结构面为中心加工标准样品，每组样品数量不少于2个，样品尺寸φ25mm
×
25mm或者φ50mm
×
25mm，采用巴西劈裂夹具，在0.3mpa/s-0.5mpa/s的加载速度范围内选取一加载速度，进行间接拉伸抗压强度测试，每组样品抗拉强度求平均值作为该结构面的抗拉强度。
28.需要说明的是，部分天然裂隙结构面、节理结构面为无胶结充填结构面，部分天然裂隙结构面、节理结构面为有胶结充填结构面。
29.s300-结构面抗剪切强度测试:选取有胶结充填样品与岩性层面样品，以结构面为中心加工标准样品，每组样品
数量不少于3个，样品尺寸30mm
×
30mm
×
30mm，采用变角度剪切夹具，确保结构面位于剪切中心位置，设置剪切角度为40
°
、50
°
、60
°
三个角度，在0.5mpa/s-1.0mpa/s的加载速度范围内选取一加载速度，进行变角度剪切试验，计算每个角度剪切试验样品剪切破坏的正应力和剪应力。
30.s400-确定各种结构面的粘聚力c、摩擦系数μ:根据byerlee定律，无胶结充填结构面的粘聚力c取值0、摩擦系数μ取值0.6；有胶结充填结构面和岩性层面结构面的粘聚力c、摩擦系数μ取自所述结构面抗拉强度测试步骤和所述结构面抗剪切强度测试步骤的结果，每组样品进行正应力、剪应力和抗拉强度数据拟合以确定该组样品对应的结构面的粘聚力c和摩擦系数μ。
31.具体的，有胶结充填结构面和岩性层面结构面的粘聚力c、摩擦系数μ根据每组样品进行正应力、剪应力和抗拉强度数据拟合所得的直线τ=c μσ确定，以σ为横坐标，τ为纵坐标。其中，σ为抗剪切强度测试中的正应力，τ为抗剪切强度测试中的剪应力。抗拉强度可用于修正直线，对应的坐标点为（-σ，0），即剪应力为0，抗拉强度的大小取负数的坐标点。
32.即在步骤s200、步骤s300中对每一种结构面均选取一组样品，结构面的种类如图3所示，包括粘土加方解石纹层、粘土加白云石纹层等。
33.通过步骤s200、s300和s400得到各种结构面的粘聚力c和摩擦系数μ。
34.s500-计算各个结构面所受的正应力σn、剪应力τ:根据测井解释三向主应力剖面和主应力方向，提取对应结构面深度的三向主应力大小、方向，三向主应力分别为垂向主应力σv、最小水平主应力σh和最大水平主应力σh，通过三向主应力和结构面相对于应力场的方向，利用方向余弦，计算结构面所受的正应力σn、剪应力τ的大小。
35.计算储层岩体结构面正应力、剪应力的方法如下：（1）结构面上的正应力σn=a
112
σ1 a
222
σ2 a
332
σ3；（2）结构面上的剪应力τ=a
11a12
σ1 a
12a22
σ2 a
13a33
σ3；（3）方向余弦a
ij
表示为：式中：垂向主应力；最大水平主应力；最小水平主应力；正应力；τ剪应力；a
ij
方向余弦；β1是结构面法线与的夹角；β2是结构面在-平面内的走向投影与的夹角，储层岩体结构面相对应力场方向示意如图1所示，方向p即结构面的法向。
36.通过步骤s500得到需要压裂的储层中所测结构面的正应力σn、剪应力τ的大小。
37.s600-建立结构面水力压裂剪切破坏判据:根据结构面所受的正应力σn、剪应力τ的大小，在三维mohr圆中投图确定结构面的受力状态；根据确定的各种结构面的粘聚力c和摩擦系数μ，依据coulomb准则，建立各种结构面的剪切破裂线。
38.水力压裂过程中随着储层水压力的不断升高，各种结构面的剪切破裂线向三维mohr圆正应力σn增大的方向移动，结构面的受力状态处于破裂线左侧时表明结构面的剪应
力τ克服了摩擦阻力，结构面发生剪切滑移破坏。
39.需要注意的是，储层水压力不超过最小水平主应力σh，当储层水压力大于结构面的最小水平主应力σh时会发生塌孔，因此，储层水压力的上限为最小水平主应力σh。
40.具体的，判据的构成如图2所示，由一种结构面的粘聚力c和摩擦系数μ得到此种结构面的破裂线，其中纵坐标为剪应力，横坐标为正应力。随着储层水压力增大，破裂线向右平移，直至储层水压力等于无胶结充填结构面的最小水平主应力σh；将测得的对应种类的结构面的正应力σn、剪应力τ在三维mohr圆中投图，得到图2中的三个半圆，半径最大的半圆与两个半径最小的半圆不重合的区域即此结构面的受力状态。当破裂线与半圆相交时，即表示此结构面在最大水压力作用下可以破裂，若不能相交则表示此结构面不能破裂。
41.进一步的，为得到更直观更全面的结构面水力压裂剪切破坏判据，还需根据各种结构面的粘聚力c和摩擦系数μ得到相应的破裂线，然后将横坐标减去对应深度的最大储层水压力，以获得图3中所示的各种结构面的破裂线。储层水压力的范围在对应深度的原始孔隙压力和对应结构面的最小水平主应力σh之间。图2中，原始孔隙压力即p
p
点，最大储层水压力等于σh。由于图2中的破裂线是无胶结充填结构面摩擦系数μ为0.6的破裂线，因此在减去最大储层水压力后得到图3中经过坐标原点的摩擦系数μ为0.6的破裂线。
42.同时还需将步骤s500中测得的各个结构面的正应力σn减去相同深度下的最大储层水压力，即减去各个结构面自身的最小水平主应力σh，从而得到图3中的各个结构面应力状态。相当于图2中的破裂线随水压力的升高向右平移后破裂线与结构面应力状态的关系。然后将所得的各种结构面的破裂线和各个结构面的应力状态放到相同的坐标系中即得到图3所示的结构面水力压裂剪切破坏判据，用以判断各个结构面能否在最大储层水压力下破裂。
43.简而言之，根据步骤s200、s300、s400确定的各种结构面的粘聚力c、摩擦系数μ获得各种结构面的破裂线；将步骤s500中的测井解释并计算得到的各个结构面实际所受的正应力σn、剪应力τ投图到破裂线所在坐标系中，即图3中表示结构面应力状态的圆球，最终得到结构面水力压裂剪切破坏判据，从而判断步骤s500所测结构面是否能发生破裂。
44.即结构面水力压裂剪切破坏判据由各种结构面的破裂线和所测结构面的结构面应力状态组成，其中横坐标需减去相同深度下的最大储层水压力以便直接查看结构面是否能够破裂，从而消除深度的影响。
45.当所测结构面的应力状态位于对应破裂线的左上方时，该结构面可以在水压力作用下破裂，当所测结构面的应力状态位于对应破裂线的右下方时，该结构面不能在水压力作用下破裂。
46.需要说明的是，由于不同储层深度下结构面的受力状态不同，故减去对应深度的最大储层水压力，以得到有效的正应力，从而消除深度对破裂线的影响，使破裂线可以适用于不同深度的结构面。另外，各种结构面的破裂线的斜率是恒定的，无需重复进行步骤s200、s300、s400,在判断结构面能否破裂时，只需针对需要判断的结构面进行步骤s500、s600即可得到所需判断的结构面能否破裂的结构面水力压裂剪切破坏判据。
47.本发明根据有效主应力和结构面相对于应力场的方向，计算正应力σn和剪应力τ，分析不同产状结构面的受力条件。基于三维莫尔圆分析结构面在水力压裂过程中随着裂缝内水压力的变化，判断结构面发生剪切滑移破坏的边界条件，从而依据储层结构面的受力
条件和剪切破坏边界条件，优化水力压裂施工参数，提高结构面激活比例，增加水力压裂缝网复杂程度，进而提高页岩油气井产能。
48.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。