一种页岩矿物微结构体的数字化表征方法

本发明涉及岩石数字化表征，具体涉及一种页岩矿物微结构体的数字化表征方法。

背景技术：

1、岩石是由多种矿物颗粒、孔隙和胶结物组成的混合体。经过亿万年的地质变动和复杂多变的构造运动，其内部产生了大量随机分布的微裂隙、微孔洞、节理、断层等缺陷，因此，岩石既不是一种理想的连续介质，如存在宏、细、微观的不连续性，又不是严格意义上的离散介质，如结晶材料。目前的连续性假设多基于宏观力学现象，并未基于岩石的微观结构角度解释复杂的岩石力学及工程问题，亟需建立微观结构与宏观现象之间的联系，从而揭示岩石力学问题的物理本质，由此指导制定科学的工程应对措施。

2、页岩是由粒径小于0.0625mm、含量大于50％的碎屑沉积物固结而成的岩石，且具纹层和页理构造的特征，是沉积岩的一种。页岩是多孔黏土夹杂矿物组分的沉积岩，夹杂多种尺寸的矿物颗粒；其中黏土矿物主要包括高岭石、伊利石、蒙脱石，夹杂的非黏土矿物通常为石英、长石、方解石。

3、石油工程涉及诸多页岩的岩石力学问题，例如吸附及解吸附的渗流力学问题，页岩的变形及破碎问题，地应力与钻井耦合的地质力学问题，完井及压裂阶段的多场耦合作用下裂缝起裂机制问题。页岩是一种成分复杂的沉积岩，非均质性强，在不同尺度下具有不同结构。首先，根据页岩多矿物组构特征，提出页岩多尺度组成分类，将尺寸划分为五个尺度：尺度1-微观尺度：由单晶黏土矿物结构体和纳米孔隙组成页岩黏土矿物的基本物质单元；尺度2-微观尺度：由单晶黏土矿物堆叠及粒间孔隙组成的单矿物聚合体，可用以区分单矿物体的边界；尺度3-微观尺度：由黏土矿物、非黏土矿物夹杂物及有机质形成的复合介质。尺度1、尺度2以及尺度3均为微观尺度，主要用来分析多孔黏土介质的组成，以及微结构与力学性质之间的关系。尺度4-细观尺度：纹理状的细观页岩片层；尺度5-宏观尺度：实验室尺度的页岩圆柱体样品。页岩样品包括毫米和微米级粒度尺寸颗粒与层理面，这些特征对页岩的地质力学特征和岩石的破坏起关键作用。

4、如上所述，页岩的矿物结构及力学特征十分复杂，将不同尺度下页岩的特征联系起来并构成跨尺度的工程地质体存在困难。目前常用的研究岩石力学特征的方法有通过高精度电子计算机断层扫描(computed tomography，ct)、扫描电子显微镜(scanningelectron microscope，sem)等微观实验手段形成刻画微观结构的数字化图像，借助数值算法建立包含微观矿物、孔隙及裂缝特征的二维或三维数字化岩心。该类方法注重于刻画微观孔喉、裂缝等物理属性，并未耦合力学性质，无法从物理层面实现页岩的力学行为预测。另一类研究岩石力学特征的方法为利用露头或现场地层岩心，通过室内常规三轴实验测试岩石力学参数。由于岩心非均质性强，实验结果的重复性差，开展大量多因素变量的岩心实验耗费大量人力和物力。其次，由于设备的限制，岩石微观颗粒的破坏机理仅能以定性形式描述，无法定量化揭示微观破坏规律。第三类为基于宏观连续介质力学的数值方法，以有限元、有限差分、相场法等为代表，但这些数值方法针对非均质岩体力学模拟的收敛性差，难以复现岩石非连续变形特征，且无法实现跨尺度的数值仿真，不能精细刻画岩石破坏的微观机制。最后一类方法采用离散元方法表征非连续性岩体。该方法符合岩石非连续的物理属性，但目前仅考虑以细观颗粒为基础单元，模型未能体现页岩矿物的微观组成，使得针对导致页岩微观破坏的物理机理认识不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种页岩矿物微结构体的数字化表征方法，以解决现有技术中无法基于页岩矿物的微观结构角度对页岩的力学行为进行解释及预测的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、本发明提供一种页岩矿物微结构体的数字化表征方法，包括：

4、选取预定层位的井下页岩岩心，通过实验测定该页岩岩心中矿物的组分比例，并获取各矿物组分微结构体的形态特征和微观力学参数；

5、根据各矿物的组分比例和形态特征，采用离散元建模法分别建立黏土矿物和非黏土矿物的离散元模型；

6、在离散元模型中选取包含有黏土矿物和非黏土矿物的集合区域，根据实验测定的矿物组分比例将黏土矿物和非黏土矿物组装并构建代表性片层体积单元；

7、将若干代表性片层体积单元按照随机分布的方式组装并构建细观尺度的页岩单纹层；

8、将若干页岩单纹层按照设定的形状组装并构建宏观尺度的数字化页岩岩心。

9、进一步地，数字化表征方法还包括页岩岩心中矿物组分比例的测定方法：对选取的页岩岩心取样并研磨制备成页岩粉末，通过x射线衍射实验分析页岩岩心中黏土矿物和非黏土矿物的组分，并采用气测法测定页岩岩心的孔隙度，通过计算确定页岩岩心中各矿物成分的组成比例以及页岩岩心的孔隙度数据。

10、进一步地，数字化表征方法还包括各矿物组分微结构体的形态特征获取方法：对选取的页岩岩心取样并切割制备成切面，通过扫描电子显微镜实验识别各矿物组分微结构体的形状、尺寸、排列组合方式、接触方式以及页岩岩心的孔隙形态。

11、进一步地，数字化表征方法还包括各矿物组分微结构体的微观力学参数获取方法：对选取的页岩岩心取样并抛光打磨页岩样品的表面，通过纳米压痕实验测量各矿物组分微结构体的微观力学参数，并在微观尺度上确定各矿物组分的弹性模量数值排序。

12、进一步地，数字化表征方法还包括黏土矿物的建模方法：根据实验测定的黏土矿物组分比例和形态特征，确定黏土矿物的表征为若干黏土片层结构堆叠形成，并选用板状刚体块作为模拟黏土片层，采用离散元建模法构建若干模拟黏土片层堆叠的离散元模型，并通过试错法标定若干模拟黏土片层间的微观参数。

13、进一步地，数字化表征方法还包括若干模拟黏土片层间微观作用力的建模方法：将实验获取的黏土矿物微观力学参数引入黏土矿物的离散元模型中，通过模型计算得到若干模拟黏土片层间的范德华力、双电层斥力以及机械接触力。

14、进一步地，数字化表征方法还包括非黏土矿物的建模方法：根据实验测定的非黏土矿物组分比例和形态特征，确定非黏土矿物的表征为颗粒结构，并选用二维圆板作为模拟非黏土颗粒，采用离散元建模法构建若干模拟非黏土颗粒随机分布的离散元模型，并通过试错法标定若干模拟非黏土颗粒间的微观参数。

15、进一步地，数字化表征方法还包括若干模拟非黏土颗粒间微观作用力的建模：将实验获取的非黏土矿物微观力学参数引入非黏土矿物的离散元模型中，通过模型计算得到若干模拟非黏土颗粒间的机械接触力。

16、进一步地，数字化表征方法还包括数字化页岩岩心的建模方法：将若干页岩单纹层按照设定的形状组装，并通过试错法标定数字化页岩岩心的模型参数。

17、进一步地，数字化表征方法还包括数字化页岩岩心模型参数的标定方法：将实验测定选取页岩岩心的各矿物微观力学参数引入数字化页岩岩心的离散元模型中，通过模型计算得到数字化页岩岩心的模型参数，对数字化页岩岩心进行三轴压缩模拟试验并计算得到数字化页岩岩心压缩变形的模拟应力应变曲线，另通过实验测定选取页岩岩心的真实应力应变曲线，将模拟应力应变曲线与真实应力应变曲线比较，基于令模拟应力应变曲线接近真实应力应变曲线的方式调整数字化页岩岩心的模型参数。

18、本发明由于采取以上技术方案，其具备以下有益效果：

19、基于离散元建模法，通过先对真实的页岩岩心样品进行实验测定，从而获取页岩岩心的矿物组分比例、矿物微结构体的形态特征以及矿物微观力学参数，进而根据实验测定的页岩微结构体模型数据分别建立黏土矿物片层和非黏土矿物颗粒的离散元模型，通过依次完成代表性片层体积单元、页岩单纹层以及数字化页岩岩心的构建，实现了从微观黏土矿物片层结构、代表性片层单元体积微结构体、细观纹层结构、宏观页岩岩心的跨尺度数字化表征，从而以黏土矿物片层结构为最小微观尺度，刻画跨尺度的岩石非连续特征，使得本发明的方法能够在本质上揭示岩石变形破坏过程中微观结构的演化机制，同时可分析温度、压力变化对页岩性质的影响，并随着计算机算力的提升，可分析工程尺度下页岩岩层的微观力学机理，由此提出科学的工程对策。