毕业论文

第一章前言

1.1研究的目的与意义

页岩气作为一种新型清洁能源，具有资源分布范围广泛、储量丰富以及开釆寿命长等优势，已成为全球油气勘探开发的焦点。随着美国在页岩气开发的成功，它同时成为我国未来一段时期内重点发展的非常规能源之一。我国页岩气储量丰富。经初步评价，我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25.08万亿立方米(不含青藏区)。其中，已获工业气流或有页岩气发现的评价单元，面积约88万平方公里，地质资源为93.01万亿立方米，可采资源为15.95万亿立方米，是目前页岩气资源落实程度较高，较为现实的勘查开发地区。总体上，我国页岩气资源基础雄厚。页岩气储量大，效益好，因此页岩气的勘探开发对改善我国的能源结构具有重要意义。

页岩是由极细的粘土、泥质，经过紧压固结、脱水、重结晶后形成的，具有薄页状层理构造的粘土岩。页岩作为致密低渗的一种沉积岩，通常被作为油气的盖层,在含油气页岩中，页岩气层既是储层又是烃源岩，是一种典型的自生自储的天然气聚集。页岩气层具有致密、低孔、特低渗的特点。由于页岩气层的致密低孔，其中的裂缝孔隙就比正常的地层要少的很多，因此，页岩储层需要压裂来造缝造孔，来实现对页岩气的采集。页岩储层的压裂最重要的是实现“体积压裂”，即形成网状裂缝。页岩储层只有通过体积压裂形成复杂裂缝网络才能获得较理想的产能,体积压裂的是通过大排量、大液量以及大量转向材料等的应用迫使裂缝转向，打碎有效储集体，沟通裂缝网络，创造油气运移通道，增大裂缝面与基质接触面积，从而实现基质中油气从任意方向向裂缝最短距离渗流。

已有研宄表明，岩石脆性不光能显著影响岩石可钻性和井眼稳定性，同时还关系到设备效率和安全钻进的泥装密度的选择。而压裂的效果不光受到施工参数和规模的影响，还受到地质条件的影响，地层本身的特征统称为地质条件，地质条件是否有利于页岩地层被有效压裂是体积改造成败的决定因素。研究表明，页岩地层的压裂效果受岩石脆性、层理与裂缝发肓和地应力场等地质因素的影响。其中岩石脆性被视为岩石压裂设计和效果评价的重要指标，对于页岩气层，认为其脆性越强,越容易形成网状缝网,能够有效的改善其地层渗流条件，而脆性越弱，则地层不易压裂开或易形成对称缝。

岩石脆性作为页岩的重要评价指标，已经越来越受国内外学者的关注，但是对于岩石脆性的研究，国内外仍有不同的评价标准，因此,研究页岩在储层条件下的变形破坏特征，揭示其脆性破裂机理,找出影响页岩破裂的受控因素，从破裂机理出发建立一套客观评价页岩脆性的方法,对于评判一套页岩储层是否具有较高的脆性，是否能够被有效压裂进而增产具有重要的指导意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1脆性定义

对于脆性的定义，相关学者根据自己的理解，给出了不同的解释。Heard(1944)把破裂前应变不超过3%的破裂视为脆性破裂；Morley(1944)、Hetenyi(1966)等将脆性定义为材料塑性的缺失；Ramsey(1967)认为岩石内聚力被破坏时，材料即发生脆性破坏；Obert和Duvall(1967)认为试样达到或稍超过屈服强度即破坏的性质为脆性；Evans(1990)把试样破坏时变形小于1%定义为脆性,介于1%和5%之间为脆性-延性过渡，大于5%定义为延性；George(1995)定义当对岩石施加超过产生微裂纹所需应力时，岩石连续变形而不产生永久形变的能力为岩石脆性；Goktan和GunesYilmaz(2005)定义脆性为低应力下无明显变形的断裂倾向；李庆辉(2012)认为脆性是材料的综合特性，在自身非均质性和载荷作用下产生内部非均勾应力，导致局部破坏，形成多维破裂面的能力；Tarasov和Potvin(2013)认为脆性是在自身天然非均质性和外在特定加载条件下材料弹性能量积累而在峰后破坏过程中表现出的自我维持的宏观破坏的岩石能力。

目前来说，脆性没有统一的定义，都是学者在室内或室外通过实验或理论分析后得出的，总的来说，大都是岩石受应力作用后，破裂明显，都有相应的评价方法。

1.2.2脆性评价方法研究现状

对于脆性的定义有很多种，相应的脆性评价方法也就有很多种。

硬度测试：1956年H.Honda和Y.Sanada用硬度测试的方法研究煤层硬度时，提出用微观硬度和宏观硬度值来表征脆性，并给出了计算方法(Honda.H,1956)。微观硬度即在微压痕实验中测得的硬度，宏观硬度即在宏观压痕实验中测得的硬度，脆性指数用两者的差值与一个常数的比值来表示。

普氏冲击试验：1963年M.M.Protodyakonov在研究岩石的可钻性时用普氏冲击试验的方法，提出岩石抗压强度来表征脆性，用粒径小于0.6mra的碎屑百分比作为修正系数，用两者的乘积作为脆性指数(Protodyakonov.M.M,1963)。

应力-应变测试：工程上一般以5%为标准进行划分，总应变大于5%者为塑性材料，小于5%者为脆性材料(刘佑荣,1999)。1963年Heard(刘佑荣,1999)提出以3%和5%为界限，将总应变小于3%的划为脆性岩石，总应变在3%-5%的划为半脆性或者脆-塑性岩石，总应变大于5%的划为塑性岩石。依此划分标准，大多数地表岩石在低围压条件下都是脆性或半脆性的。1967年A.WBishop用应力一应变测试曲线的方法，提出用峰值强度和残余强度来表征脆性，用两者的差值与峰值强度的比值作为脆性指数(Bishop.A.W,1967)。1974年V.Hucka和B.Das总结对比不同岩石的应力-应变曲线，并通过大量的岩石试验研究，提出几种用不同参数表示的脆性指数计算方法(Hucka.V,1974)：通过应力-应变曲线，用可恢复应

变与总应变的比值作为脆性指数；在应力-应变曲线上，用可恢复应变能与总应变能的比值作为脆性指数；通过岩石力学实验，用岩石的抗拉强度和抗压强度比值作为脆性指数；针对用抗拉强度、抗压强度表征脆性的方法，提出另一种基于这两个参数的计算公式；通过莫尔应力圆计算岩石内摩擦角，用内摩擦角的正弦值作为脆性指数；用应力-应变测试方法计算岩石的破裂角，用破裂角的大小作为脆性指数。1995年G.E.Aandreev用应力-应变测试的方法，提出用试样破坏时不可恢复的轴向应变值作为脆性指数(Andreev.G.E,1995)。2003年H.Vahid和K.Peter通过应力-应变测试的方法，提出用峰值应变和残余应变作为脆性的表征参数，用两者差值与峰值应变的比值作为脆性指数。同时V.Kaiser在莫尔-库企准则的基础上釆用CWFS模型解释岩石的脆性破坏过程，并用应变值作为脆性表征参数。该模型很好地反映了岩石破坏过程中點聚力的弱化和内摩擦力的强化机制(Hajiabdolnmjid.V,2003)。R.Altindag(2003)同样用应力-应变测试的方法，研究了9组不同钻进工艺、不同岩石的钻进效率与岩石力学性质之间的关系，提出用抗压强度和抗拉强度作为参数，比较了四种不同脆性指数计算方法的脆性与钻进效率的相关关系，认为用抗压强度和抗拉强度的乘积作为脆性指数具有较高的相关性。

硬度和韧性测试：1979年https://www.360docs.net/doc/488066147.html,wn和D.B.Marshall在研究岩石的硬度、韧性与脆性关系时提出基于硬度和郁性的测试方法，用硬度和断裂韧性的比值作为脆性指数的计算方法(Lawn.B.R,1979)。

陶制材料测试：1997年J.B.Quinn和G.D.Quinn通过对陶制材料的实验测试，引入弹性模量这一参数来表征脆性，认为弹性模量在一定程度与裂缝的形成能力成正比，与断裂初性成反比，并给出了脆性指数的具体计算方法(Quinn.J.B,1997)。

冲击试验：J.B.Quinn和G.D.Quinn又提出了另一种脆性指数的计算方法，即通过对大量冲击试验的观察总结，用粒径小于11.2niin的碎屑百分比含量表示脆性指数。

应力测量：1999年G.M.Ingram和J.LUrai以土力学为基础，引入超固结率的概念，即历史最大垂向有效应力与现今最大垂向有效应力的比值，用固结率来表征脆性指数(Ingram.G.M,1999)。R.M.Nyg&rd等人在研究泥岩和页岩的脆-塑性转变关系时，为了保证脆性指数值大于2，对G.M.Ingram和J.LUrai的方法做出改进，用固结率的指数函数表示脆性，并给出了指数常数(Nygard.R.M,2006)。同时在其文章中研究了泥页岩的历史最大垂向有效应力与无侧向围压抗压强度之间的关系。P.Horsrud对北海页岩录井数据和室内岩石力学实验数据研究(Horsrud.P,2001)，发现页岩的抗拉强度和P波波速之间存在一定的线性关系，拟合出了二者的相关性方程，使得钻井过程中能够通过测井数据得出连续的页岩地层脆性指数数值。

贯入试验：H.Copur(2003)在通过贯入实验研究岩石的切削性质和岩性之间关系时，提出用荷载增量与荷载减量的作为脆性表征参数，用二者的比值作为脆

性指数。2006年S.Yagiz(2006)在研究岩石强度与脆性关系时通过贯入实验的方法，提出用荷载和贯入深度两个参数作为脆性表征参量，认为荷载越大，贯入深度越小则脆性越大，并把两者比值作为脆性指数。

矿物组分分析：2008年R.Rickman(2008)通过对北美大量页岩气储层生产实践数据的统计，提出了一种基于岩石物理参数(杨氏模量和泊松比)的脆性指数计算方法：认为杨氏模量越大，泊松比越小，页岩脆性越大。在该方法中杨氏模量和泊松比这两个参数对脆性的影响权重相同，各占50%，并将这两个岩石物理参数做归一化处理。

2012年李庆辉(2012)通过室内岩石力学测试实验，认为页岩脆性是页岩岩体的综合特性，受到自身非均匀性和外界测试环境的共同影响，全应力-应变曲线上峰前和峰后特征均是表征脆性的关键因素。试样破坏前抵抗非弹性变形的能力和破坏后承载力丧失速度的快慢是脆性强弱在力学上的主要表现。他提出一种同时考虑峰前和峰后特征的脆性指数计算方法：对于峰前曲线特征主要表征参数为峰值应变，根据页岩种类和样本容量的不同，确定出参数的不同取值范围；对于峰后曲线特征主要通过应力降落幅度来表征。在分析了北美Barnett 页岩和中国龙马溪组页岩后，分别给出了不同的取值参数。

通过以上的信息，可以看出岩石脆性评价方法历史进程与变化，每个学者或科学家对于当时的环境条件，研究出了自己认为适宜的脆性评价方法，脆性评价方法在历史的进程中也不断的完善，更加的客观，更加有利于对岩石脆性的研究。

不同学者提出的不同脆性评价方法及计算公式，见表1-1。

表1-1 脆性评价方法及计算公式

公式

公式含义、变量说明测试方法提出学者 ()K H H B m -=1

宏观硬度H 和微

硬度测试

H.Honda 和 Y .Sanada

观硬度m H 差异

c q B σ=2

q 为小于0.6mm 碎

屑百分比，c σ为抗

压强度

普氏冲击试验

M.M.Protodyakono

()p r p B τττ-=3

p τ为峰值强度，r τ为残余强度

应力-应变测试 A.W.Bishop

t r B ε=4

r ε为可恢复应变，

t ε为总应变

应力-应变测试

V .Hucka 和B.Das

t r w w B =5

r w 为可恢复应变

能，t w 为总应变能

应力-应变测试

V .Hucka 和B.Das

4506?

破裂角关于内摩擦角?的函数应力-应变测试

V .Hucka 和B.Das

%1007?=L B ε

为试样破坏L ε时不可恢复轴应变

应力-应变测试 G.E.Andreev

()p r p B εε-=8

p ε为峰值应变，r

ε为残余应变

应力-应变测试 H.Vahid 和K.Peter

t B σσ=

c σ为抗压强度，t

σ为抗拉强度

应力-应变测试 R.Altindag

10c

t B σσ=

c σ为抗压强度，t

σ为抗拉强度应力-应变测试 R.Altindag

()2

11υ+=

E B

弹性模量E 和泊松比υ归一化后均

值

应力-应变测试 R.Rickman

c p

c p f B εεε-=

12 p f ε破坏时塑性切

应变，p c ε破坏后残余塑性切应变

应力-应变测试

V .Hajiabdolmajid 和P.Kaiser

IC K H B =13

硬度H 与断裂韧

度IC K 之比

硬度和韧性测试

https://www.360docs.net/doc/488066147.html,wn 和D.B.Marshall 214IC

K HE B =

E 为弹性模量，

IC K 为断裂韧性陶制材料测试

J.B.Quinn 和G.D.Quinn 2015S B =

20S 为小于11.2mm

碎屑百分比

冲击试验

J.B.Quinn 和G.D.Quinn

v v B ???

? ??=σσmax 16

max v σ为历史最大

垂向有效应力，v σ现今最大垂向有效应力，b 指数常

数

应力测量

G.M.Ingram 和J.L.Urai

t c B σσ=17

c σ为抗压强度，t

σ为抗拉强度

强度比值 V .Hucka 和B.Das

c t

c B σσσσ+-=

c σ为抗压强度，t

σ为抗拉强度

强度比值 V .Hucka 和B.Das ?sin 19=B

?为内摩擦角

莫尔圆

V .Hucka 和B.Das

dec inc P P B =20

荷载增量inc P 与荷

载减量dec P 的比值

贯入试验 H.Copur

P F B max 21=

max F 荷载，P 为贯

入深度贯入试验 S.Yagiz

q w w w B +=

脆性矿物含量

c q w w +与总矿物含量t w 之比

矿物组分分析 R.Rickman

1.3主要研究内容及技术路线

第二章页岩矿物组成

页岩的脆性特征影响着压裂效果的好坏以及压后缝网的长效性，本章通过页岩自身矿物组成对页岩脆性进行评价。本章选取了大港、胜利、江汉等四套页岩储层共计59块页岩岩心，利用X射线衍射仪分别获取了不同区块、不同类型、不同围压以及不同取心角度下岩心的矿物组成以及力学特征。并利用Jarvie矿物脆性指数对不同储层的矿物脆性进行评价，通过国内外矿物组成差异性以及力学环境的差异性分析了Jarvie矿物脆性指数在评价脆性时存在的问题。

2.1页岩矿物组成及脆性特征

页岩储层中矿物组成是其吸附能力及孔隙度的基础，石英、方解石含量对于基质中裂缝发育程度具有重要影响。等认为矿物成分中石英含量是影响基质储集体被有效打碎的主要因素，直接影响着页岩储集体是否能被有效压裂的性质，提出了采用石英含量表征脆性的方法。因此，开展了针对四套页岩储层的矿物成分分析，对脆性指数的适应性进行分析。

2.1.1实验样品采集

从大港、江汉、胜利等地迎个泥页岩层段共釆集岩样59块，其中大港取心层段分别为孔二段及岐口页岩段，孔二段釆集岩心22块，岐口页岩17块，江汉潭口地区页岩10块，胜利罗家地区页岩10块。为克服同一层位样品矿物组成在纵向剖面的差异性，在选取样品时根据储层深度上、中、下不同层段选取样品数量进行控制，以增强分析的代表性。实验样品采集信息见表2-1。

表2-1 实验样品采集信息

利用X射线衍射仪对取得的岩样进行了矿物组成分析（依据SY/T6210-1996）、粘土矿物含量X射线衍射分析（依据SY/T5163-1995）。

2.1.2测试结果与分析

为便于论述和绘制三角图，将泥页岩中主要矿物分为3类：①硅质矿物，主要包含石英、钾长石、斜长石等；②粘土矿物，主要包含蒙脱石、伊利石、高岭石等；③碳酸盐岩矿物，主要为方解石和白云石。根据衍射实验结果，绘制了不同区块的矿物组成三角图（见图2.1~2.4），分析了各区块页岩矿物组成特征。

胜利罗家地区页若岩性主要为碳酸盐岩、粉砂质页岩组成。其矿物组成中石

英、长石等陆源碎屑矿物含量为17.3%~66.1%，平均为25.6%。碳酸盐岩矿物含量为20%~75.21%，平均为55%，含量较高。粘土矿物含量为5.06%~27.3%，平均为17.15%。脆性矿物总含量为66.2%~91.43%，平均为75.4%。

图2-1 胜利罗家地区岩样矿物组分三角图

江汉谭口页岩岩性主要为白云质泥岩，白云岩含量较高。其矿物组成中石英、长石等陆源碎屑矿物含量为9.95%~90%，平均为40%。碳酸盐岩矿物含量为5%~75.63%，平均为37.49%。粘土矿物含量为3.78%~34.44%，平均为20%。脆性矿物总含量为9%~41%，平均为56.8%。

图2-2江汉谭口岩样矿物组分三角图

岐口页岩岩性主要为白云质页岩和硅质页岩组成。其矿物组成差异较大，石英等碎屑矿物含量为6.78%~88.6%，平均为38%。碳酸盐岩矿物含量为1.2%~82.6%，平均为32%。粘土矿物含量为8.5%~47.5%，平均为25%。脆性矿物总含量为28.9%~90.35%，平均为54%。

图2-3岐口岩样矿物组分三角图

孔二段页岩岩性主要为泥质粉砂岩、白云质页岩、粉砂质页岩以及纯泥岩组成。其矿物成分主要为粘土、石英、方解石、白云石等，石英、长石、黄铁矿等占25%~78%，平均为51%。碳酸盐矿物占4.5%~95%，差异较大，平均为27.5%。粘土矿物为3.4%~30.2%，平均为19.7%。脆性矿物总含量为24.3%~95.3%，平均为50.9%。

图2-4孔二段岩样矿物组分三角图

2.2本章总结

通过上述，可以看出胜利罗家地区的脆性矿物含量相对最高，孔二段性矿物含量相对最低。脆性含量高的页岩脆性大，因此脆性矿物例如石英含量高的对页岩岩石脆性影响较大。

第三章页岩岩石力学实验

本章选取了辽河油田页岩储层共计14块页岩岩心，利用TAW－2000电液伺服岩石三轴试验系统获取了试样的三抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。利用Rickman脆性指数对不同页岩储层的力学脆性进行了评价，并开展了不同围压以及不同岩性下声波测试实验，分析了Rickman 脆性指数在从力学角度评价脆性时存在的问题。

3.1实验设备

TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机是一种符合现代岩土力学研究领域，研究岩石(土)力学特性的新型试验设备。该试验机可根据用户不同要求配置围压系统、岩石引伸计、高低温系统、孔隙水压系统、岩石直剪试验系统、及岩石剪切、劈裂夹具等。可自动完成岩石在不同围压下的三轴压缩试验，孔隙渗透试验、高低温环境试验等并可进行单向低周循环及用户自行设置的组合波形程序控制等多种控制方式的三轴试验。在试验中采用宽调速范围的高性能电液伺服比例阀组及计算机数字控制等先进技术，组成全数字式闭环调速控制系统，在试验过程中能够自动精确地控制及显示试验力、围压、轴向变形、径向变形等，可实时地采集、存储、处理、显示试验数据及试验曲线，打印试验报告。控制范围宽、功能多、全部操作键盘化，各种试验参数由计算机进行控制、测量、显示、处理并打印，集成度高，使用方便可靠。

该岩石三轴试验机测控系统采用美国AD公司原装进口器件制造，采用计算机总线设计，测量系统具有自动调零、自动标定、连续全程测量不分档，测量分辨率高达1/200000。可进行试验力、变形、位移等速率控制及恒试验力、恒变形、恒位移控制。无级调速,在试验过程中各种控制方式及速率可任意平滑切换，可实现全量程的全数字闭环控制。

图3-1 TAW－2000电液伺服岩石三轴试验系统

TAW－2000电液伺服岩石三轴试验系统的主要功能特点：

◆可精确地绘出岩石全过程曲线。

◆可实时动态显示轴向、径向应力一应变曲线。

◆可自动测量轴向、径向变形，自动求出弹性模量及泊松比。

◆压力室采用先进的密封技术及自平衡结构，轴压与围压互不影响。

◆测量控制系统先进，控制精度及自动化程度高，容错性强。

◆试验软件采用VC十十语言编程，模块化设计，具有完善的软件自捡功能，便于维护。

系统组成试验机由主机(可选门式加载框架或四柱式加载框架)、轴向伺服油源、三轴压力室(放置于下压板移动小车之上)、围压系统(包括增压器，围压伺服油源) 、计算机测控系统等部分组成。可根据需要配孔隙水压伺服系统、高低温环境装置、岩石直剪试验装置等。

3.2试验过程描述

测试环境条件：

温度：25℃

湿度：50%

（1）制样

试件采取岩心加工制成试件，试件为天然状态，圆柱体，直径为约为25mm，试件高度与直径之比约为2.0-2.5。试件两端面不平整度误差小于0.05mm，沿试件高度直径的误差小于0.3mm，端面垂直于试件轴线最大偏差小于0.25°；试验试件状态为天然状态。

（2）试验

压缩变形试验采用引申计测量试件的轴向和径向变形，力传感器动态测量轴向力，由于部分样品脆性破坏的特性，试验采用轴向变形应力控制的方式加载，加载速率为0.005 m/s。

（3）数据处理

按照规范要求计算试样的三抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。本试验报告分为纸质和电子两种形式，电子报告包括试验前后样品全方位照片，软件、试验过程数据、岩石应力应变曲线等。

（4）提供的成果

扫描电子显微镜检验报告（1）