基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及的是岩石力学工程、石油工程、储层改造等领域中的一种储层岩石脆性评价技术，具体涉及的是基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置及方法。

背景技术

页岩储层通常需要大规模水力压裂改造才能形成有效的产能。大规模水力压裂改造技术费用昂贵，在开展压裂改造前需要对目的层段进行储层岩石的脆性评价，以遴选满足压裂要求的、具有压裂增产潜力的高品质页岩层段。由于国内页岩油气开采技术成型较晚，储层脆性评价方法都是采用矿山和建筑领域的材料脆性评价方法。矿山领域岩石主要受到山体挤压或构造运动产生的三向压缩应力，岩石表现为压缩载荷下的压剪破坏，但页岩储层水力压裂过程中，主要依靠水力裂缝来贯通储层，而水力裂缝本质是拉伸载荷条件下形成的拉伸破坏，两者具有本质区别。因此，发明一种适用于页岩储层拉伸断裂的脆性测试以及评价方法是十分必要的。

目前，页岩储层脆性测试手段都源自于其它领域，主要包括4类：第一类是脆性矿物评价方法，即采用石英等脆性矿物含量百分比来确定岩石脆性，这种方法源自材料力学，但是岩石是经过漫长的成岩作用形成的产物，其脆性受到地应力以及围压的影响；第二类是岩石强度参数脆性评价方法，最常使用的是岩石抗压强度和抗拉强度的比值，该方法来自建筑领域，常用于评价混凝土的脆性水平，但页岩是典型的非均质、各向异性材料，无法同时测得一块页岩试样的抗压强度和抗拉强度；第三类是岩石变形参数的脆性评价方法，这类方法是通过计算材料破坏前的变形量来衡量脆性的，然而页岩脆性评价的是裂缝扩展以及形成多裂缝的能力，仅考虑变形的方法难以有效反应页岩储层的真实脆性水平。

现有脆性测试以及评价方法反映的都是岩石在压缩条件下充分破碎的能力，都无法反映页岩储层压裂裂缝扩展以及行程多裂缝的能力。可见，研究一种适用于页岩储层水力压裂裂缝扩展的脆性测试以及评价方法，对页岩开发过程中的有利层位评价具有重要应用价值。

发明内容

本发明的一个目的是提供基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置，这种基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置用于解决页岩中裂缝扩展能力的定量分析问题；本发明的另一个目的是提供基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置的测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置包括围压加载系统、数据测试系统、页岩试样、裂缝扩展观测窗口，围压加载系统的可视化围压加载腔室设置页岩试样，加载框体四面各设置一个扁千斤顶，扁千斤顶由管线连接到油压泵；两组透明有机玻璃板和金属垫块由长螺栓固定在页岩试样的上下表面构成裂缝扩展观测窗口，四个扁千斤顶分别位于页岩试样的四个侧面；数据测试系统包括位移引伸计、应变片、液压传感器、微处理器，页岩试样从一个侧面向内切出初始裂纹，初始裂纹的端部设置流体注入孔，流体注入孔与注入管线连接，注入管线从加载框体上端口伸出，初始裂纹端部两侧设置安装槽，页岩试样设置于数据测试系统上，位移引伸计卡装在安装槽内，液压传感器安装在流体注入孔处，初始裂纹根部粘贴应变片，液压传感器、位移引伸计连接微处理器，应变片的数据线连接微处理器的数据线。

上述方案中金属垫块为金属框，金属框的四个角具有螺栓孔，四个长螺纹栓将金属垫块从透明有机玻璃板外侧把页岩试样固定在中心。

上述基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置的测试方法：

一、页岩试样制备：制备页岩试样时，利用数控线切割将储层岩石切割成一定尺寸的页岩试样，页岩试样为长方体试样，在预定位置切割初始裂缝、流体注入孔以及安装槽；

二、裂缝扩展能量测试是将页岩试样放置在可视化围压加载腔室内，对页岩试样进行围压加载后，利用高速恒压泵由初始裂纹出注入高压流体，使初始裂纹在页岩试样内扩展，并由液压传感器、位移引伸计和应变片记录测试过程的应力-位移曲线，计算裂缝扩展能量；

三、页岩试样脆性评价采用能量法，通过应力-位移曲线计算裂缝扩展的积累弹性能、耗散能以及断裂能，以耗散能和断裂能之和与弹性能的比值作为页岩脆性的评价指标。

一种基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试及评价方法，步骤如下：

一、页岩试样制备：

（1）将井下取出的天然页岩加工成标准尺寸的页岩试样，页岩试样为长方体页岩试样；

（2）利用数控线切割分别在页岩试样上切出初始裂纹、流体注入孔以及安装槽；

（3）将页岩试样安装到可视化围压加载腔室，在初始裂纹根部和端部安装引伸计和应变片；

（4）在页岩试样上下表面安装透明有机玻璃板，并用金属垫块进一步固定；

二、页岩脆性测试：

（1）利用4个扁千斤顶进行围压加载；

（2）利用恒速恒压泵通过注入管线将高压流体注入到流体注入孔内，初始裂纹在高压流体驱动下开始扩展，测试记录注入压力和裂缝扩展的张开位移；

（3）将流体压力和裂缝张开位移绘制成曲线，曲线以下表示裂缝扩展的能量变化，以弹性能、耗散能、断裂能三种能量之和与弹性能的比值作为脆性衡量指标，脆性指标越接近1，表明页岩试样1的脆性程度越高。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置，能够通过裂缝扩展过程反映出的能量演化规律，对页岩脆性进行定量评价，相比现有强度、脆性矿物以及应变的脆性测试方法，更为全面和综合；

2、本发明测试的脆性结果，反映的是页岩拉伸断裂过程的脆性水平，相比现有压缩条件下的脆性评价方法，更接近页岩压裂裂缝扩展的本质，是一种完全由裂缝扩展机制出发，适用于页岩储层压裂效果评价的脆性测试方法；

3、本发明中页岩试样上下表面由透明有机玻璃板固定，能够配合高速射线机，分析裂缝扩展的动态数据，为脆性评价提供更多的参数支持；

4、本发明中采用引伸计测量裂缝扩展的张开位移，结合注入孔的压力数据，能够实时计算裂缝扩展时的能量演化过程，为后续页岩压裂优化设计具有指导意义。

附图说明：

图1是本发明中脆性测试装置三维视图；

图2是本发明中不带可视化窗口的脆性测试装置俯视图；

图3是本发明中带可视化窗口的脆性测试装置俯视图；

图4是本发明中页岩试样安装图；

图5是本发明中裂缝扩展能量脆性评价法。

图中，1.页岩试样 2.围压加载系统 3.裂缝扩展观测窗口 4.数据测试系统5.加载框体 6.扁千斤顶 7.透明有机玻璃板 8.金属垫块 9.长螺栓 10.流体注入孔11.位移引伸计 12.应变片 13.液压传感器 14.初始裂纹 15.注入管线 16.弹性能17.耗散能 18.断裂能。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1-图4所示，这种基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试装置包括围压加载系统、数据测试系统、页岩试样、裂缝扩展观测窗口，围压加载系统2由加载框体5连接4个扁千斤顶6构成，扁千斤顶6由管线连接到油压泵，为页岩试样1提供水平方向的围压；围压加载系统2的可视化围压加载腔室设置页岩试样1，加载框体5四面各设置一个扁千斤顶6，扁千斤顶6由管线连接到油压泵；两组透明有机玻璃板7和金属垫块8由长螺栓9固定在页岩试样1的上下表面构成裂缝扩展观测窗口3，页岩试样1四周固定好的4个扁千斤顶6，通过液压泵施加围压，恒速恒压泵通过注入管线15将高压流体注入到流体注入孔10内。

数据测试系统包括位移引伸计11、应变片12、液压传感器13、微处理器、壳体，壳体为金属壳体，微处理器设置于壳体内，位移引伸计11设置于壳体一侧，液压传感器13一半位于半圆形槽内，半圆形槽设置于位移引伸计11设置于同一侧的壳体上。页岩试样1从一个侧面向内切出初始裂纹14，初始裂纹14的端部设置流体注入孔10，流体注入孔10与注入管线15连接，注入管线15从加载框体5上端口伸出，初始裂纹14端部两侧设置安装槽，页岩试样1设置于数据测试系统4上，位移引伸计11卡装在安装槽内，液压传感器13另一半安装在流体注入孔10处，初始裂纹14根部粘贴应变片12（初始裂纹14尖端粘贴应变片12），液压传感器13、位移引伸计11分别通过采集片与微处理器连接，应变片12的数据线连接微处理器的数据线。试验中由恒速恒压泵注入高压流体使初始裂纹14扩展，位移引伸计11、应变片12构成位移传感器，位移引伸计11和应变片12用于测量裂缝扩展过程的张开位移。

可视化围压加载腔室由4个扁千斤顶6进行水平方向4个面的围压加载，上下两个面采用有机玻璃进行密封，有机玻璃采用树脂胶与页岩试样1粘合。金属垫块8为金属框，金属框的四个角具有螺栓孔，四个长螺栓9将金属垫块8从透明有机玻璃板7外侧把页岩试样1固定在中心。

基于裂纹扩展能量演化的页岩储层脆性测试方法包括页岩试样制备和脆性测试两个部分，具体步骤如下，参阅图5：

1、页岩试样制备

（1）井下取出的天然页岩通常为直径100mm的圆柱体，通过数控线切割将天然页岩切割成长度80mm，宽度60mm，高度20mm的长方体页岩试样1，保证岩块表面不平整度0.02mm；

（2）在页岩试样1一侧标记初始裂纹14位置，采用数控线切割切出直径8mm半圆形流体注入孔10和长度20mm的初始裂纹14，初始裂纹厚度为0.8mm，随后切割出位移引伸计11的安装槽；

（3）将加工好的页岩试样1安装到数据测试系统4上，引伸计11卡入页岩试样的安装槽内，在页岩试样1的初始裂纹14尖端粘贴应变片12，将应变片12连接线与数据测试系统4的数据线连接。

2、页岩脆性测试

（1）将页岩试样1安装到裂缝扩展观测窗口3内：将已经与数据测试系统4连接的页岩试样1的上下表面均匀涂抹环氧树脂胶，将2个透明有机玻璃板7按照预定位置粘贴在页岩试样1的上下表面，安装金属垫块8，并用4组长螺栓9进行夹紧和固定；

（2）静置24h后，页岩试样1和裂缝扩展观测窗口3已经完全粘合，将页岩试样1和裂缝扩展观测窗口3一同放入到围压加载系统2内，固定好4个扁千斤顶6，启动和扁千斤顶6连接的液压泵，按照实验方案加载一定的围压，对页岩试样1施加预定的围压，通过液压泵提供扁千斤顶6液压施加载荷完成；

（3）围压加载后，包压30min，开始试验，启动恒速恒压泵及数据测试系统4，恒速恒压泵以一定流量通过注入管线15将高压流体注入到流体注入孔10内，由液压传感器13记录流体压力数据，由引伸计11和应变片12记录裂缝扩展的张开位移；当流体压力增大到一定数值后，初始裂纹14开始扩展，由位移引伸计11和应变片12记录裂缝扩展的张开位移；

（4）通过透明有机玻璃板7观测，当裂缝完全贯通页岩试样1后，停止试验，将流体压力和裂缝张开位移绘制成曲线，曲线以下表示裂缝扩展的能量变化，包括弹性能16、耗散能17、断裂能18，求得弹性能16、耗散能17、断裂能18，根据脆性材料裂纹扩展特征，理想脆性材料裂纹扩展不存在能量耗散和断裂能，因此，以弹性能16、耗散能17、断裂能18三种能量之和与弹性能16的比值作为脆性衡量指标。脆性指标越接近1，表明页岩试样1的脆性程度越高。