一种致密砂岩储层微观可压性的定量评价方法

本发明属于岩石评价领域，尤其涉及一种致密砂岩储层微观可压性的定量评价方法。

背景技术：

1、储层可压性的定量评价对于深层致密砂岩储层的工程甜点优选和压裂改造设计优化具有十分重要的指导意义。目前研究主要采用宏观岩石力学参数和矿物含量脆性指数对致密砂岩储层可压性进行定量评价。首先岩石力学参数作为其中一个重要的评价指标，其不但影响着天然裂缝的形成演化，同时也控制着人工裂缝的扩展。目前岩石力学参数主要通过实验测试手段获取静态参数或是利用地球物理测井数据计算获取动态参数。

2、前者利用三轴岩石力学实验，通过对岩石样品加载围压，模拟深部地层的三向应力状态，利用传感器测量岩样的轴向、横向应变及轴向载荷，直至岩样产生破坏，最后通过得到的应力-应变曲线，计算求取静态岩石力学参数；后者利用阵列声波测井数据中的纵、横波速度及密度资料求取反映地层在瞬间加载时力学性质的动态岩石力学参数。再综合动态岩石力学参数数据量大和静态岩石力学参数相对更为真实的特点，建立数学模型进行动静态岩石力学参数校正，从而得到地层条件下连续的岩石力学分布。

3、矿物含量脆性指数法则是通过计算致密砂岩储层中脆性矿物(如石英、碳酸盐矿物)的含量来定量表征储层可压性。最后再利用岩石力学参数和脆性指数综合建立储层可压性指数模型，进而实现对致密砂岩储层可压性的定量表征。

4、致密砂岩内部复杂的微观结构和矿物组成使其具有较强的非均质性，与此同时，致密砂岩形成时受到矿物类型和沉积物源及环境力学特性的影响，以及其内部发育的微孔隙、微裂隙和裂缝均导致致密砂岩的力学性质表现出强烈的各向异性。目前利用三轴岩石力学实验等方法求取储层岩石力学参数，并未充分考虑致密砂岩储层的非均质性，而其非均质性会导致实验数据离散性较大，这就需要大量的实验数据来克服该问题。

5、但传统实验需要较大尺寸的岩心且无法重复利用，加之钻井取心成本高、难度大，一般情况下很难获得大量的岩心。而为了消除其各向异性对实验结果的影响，则需要对垂直层理方向及与层理有一定夹角方向分别取样，该试样制作难度较大且成功率不高，所以导致实验结果可靠性同样无法得到有效提高。而声波测井数据由于受到井眼质量、钻井液体系等多方面因素的影响，导致通过其计算得到的岩石力学参数存在较大误差，很难满足钻完井设计和数值模拟分析。并且由于矿物或有机质自身的力学性质、含量以及其微观力学性质等都会强烈影响储层的岩石力学性质，而且上述方法无法获取单个矿物的岩石力学性质，也无法准确表征含天然弱结构面下岩石的岩石力学性质。

6、而对于脆性指数的计算，仅考虑了矿物种类及其含量，并未充分考虑岩石内部组构与弱结构面等因素，且目前对于脆性矿物的定义仍较为模糊，无法准确的表征岩石的脆性特征。

7、因此，上述方法均无法为致密砂岩储层可压性定量评价提供稳定可靠的技术支撑。

技术实现思路

1、为解决背景技术中致密砂岩储层非均质性导致的宏观岩石力学参数测试值误差大，未充分考虑天然裂缝、层理等天然弱结构面对致密砂岩储层可压性影响而导致的综合可压裂性评价模型准确性不高等问题，本发明提供了一种致密砂岩储层微观可压性的定量评价方法。

2、通过纳米压痕实验克服了现有岩石力学测试技术成本高、岩心不易获取的缺点。再建立微观矿物组分综合体等效岩石力学参数模型提高了强非均质性致密砂岩岩石力学参数的精度。并考虑天然微裂缝、层理等天然弱结构面对致密砂岩储层可压性的影响，构建了天然弱结构面发育程度的定量评价指数。综合矿物的力学参数、矿物组分特征、天然弱结构面等因素，建立多因素耦合下的储层可压性定量综合评价模型。

3、一种致密砂岩储层微观可压性的定量评价方法，包括以下步骤：

4、步骤一：利用x射线衍射(xrd)全岩分析技术和能量色散x射线荧光光谱(eds)技术分析致密砂岩储层矿物组分，并明确各矿物组分占比。

5、步骤二：按照纳米压痕实验要求对致密砂岩岩心样品进行切割制样，样品需保证为内部完整的小块样，利用微观成像技术对选点矿物进行靶向纳米压痕实验。

6、步骤三：记录纳米压痕过程中的载荷-位移曲线(p-h曲线)，利用oliver-pharr(o-p)方法识别弹性模量e、压入硬度h及断裂韧性k，具体计算方法如下：

7、

8、

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10、对于压痕裂纹清晰的压点，根据压头在试件表面产生的径向裂纹长度确定断裂韧性k，具体计算方法如下：

11、

12、对于压痕裂纹形态复杂、长度难以测量的压点，一般采用能量分析法确定断裂韧性k，具体计算方法如下：

13、ut＝ue+upp+uc＝ue+uir

14、

15、

16、

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18、式中：a为压头接触面积(m2)；amax为压头最大接触面积(m2)；ei为金刚石压头的弹性模量，取1140gpa；er为压入折合模量(pa)；pmax为最大压入载荷(n)；h为压头接触深度(m)；s为接触刚度(n/m)；v为试样的泊松比，取0.25；vi为金刚石压头的泊松比，取0.07；α为与压头几何形状有关的常数，玻氏压头取1.034；k为岩石的断裂韧性；δ为压头形状参数：对于立方体压头，δ＝0.032；而对于berkovich型压头，δ＝0.016；c为平均裂纹长度；ut为总能量；ue为弹性能；upp为塑性能；uc为断裂能；uir为不可逆能；gc临界能量释放率；hf为完全卸载后的压痕深度；通过该实验，可以获取致密砂岩储层中不同矿物的力学参数，选取矿物力学参数测试值的均值，作为该类典型矿物的力学参数值。

19、步骤四：建立致密砂岩矿物组分综合体等效岩石力学参数计算模型，将致密砂岩微观弹性模量参数、硬度参数、断裂韧性参数按照不同矿物类型进行组合，进而实现尺度升级，具体计算方法如下：

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21、

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23、式中，ez为致密砂岩尺度升级后弹性模量，mpa；e1、e2、e3、e4、e5为致密砂岩中粘土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石的弹性模量，mpa；

24、hz为致密砂岩尺度升级后岩石硬度，mpa；h1、h2、h3、h4、h5分别为致密砂岩中粘土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石的硬度，mpa；

25、kz为致密砂岩尺度升级后断裂韧性，mpa·m1/2；k1、k2、k3、k4、k5为致密砂岩中粘土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石的断裂韧性，mpa·m1/2；

26、f1、f2、f3、f4、f5分别为该深度致密砂岩中粘土矿物、石英、钾长石、斜长石、方解石的含量,且f1+f2+f3+f4+f5＝1

27、步骤五：综合考虑天然微裂缝与层理发育程度，建立相应数学模型，最后将上述两参数进行整合，得到反映天然弱结构面发育程度的指数模型，具体流程如下：

28、(1)利用天然微裂缝面密度来定量刻画微观裂缝发育程度，：

29、

30、式中，i z为天然微裂缝面密度；l为单条为裂缝长度；n为薄片上可见微裂缝条数；ab为薄片面积。

31、(2)采用对应力弱面响应较大的石英、方解石矿物含量建立回归模型，求取层理发育指数：

32、sz＝f(f2，f5)

33、

34、式中，sz为层理发育指数，f2为石英含量，f5为方解石含量。

35、(3)将天然微裂缝面密度i z和层理发育指数sz整合，建立可定量评价微裂缝和层理对致密砂岩储层可压性影响的天然弱结构面指数：

36、

37、式中，fz为天然弱结构面指数；sz为层理发育指数；i z为天然微裂缝面密度。

38、步骤六：在建立综合可压性评价模型时，各评价指标ez、hz、kz、fz拥有不同量纲，需要对各参数采用极差变换标准化方法进行归一化处理。归一化后的弹性模量ezj、归一化后的硬度hzj和归一化后的天然结构弱面指数fzj为正向指标，归一化后的断裂韧性kzj为负向指标。具体计算方法如下：

39、

40、

41、

42、

43、步骤七：利用归一化后的各参数建立最终的致密砂岩储层综合可压性模型，并采用层次分析法两两比较确定每一层次中各元素的相对重要性及标度，以该标度值建立判断矩阵，采用和积法确定该判断矩阵的特征向量，特征向量中的元素即为四个参数的权重系数。具体计算方法如下：

44、j＝aezj+bhzj+ckzj+dfzj

45、a+b+c+d＝1

46、式中，a、b、c、d、e为各种特征参数反映致密砂岩储层可压性的权重系数。

47、计算后的可压性指数可将致密砂岩储层分为以下三类，可压性系数分布在0-0.3为ⅲ级储层，表明可压性较差；而可压性指数分布在0.3-0.6之间为ⅱ级储层，表明可压性一般；当可压性指数在0.6-1之间为ⅰ级储层，表明可压性较好，并用实际压裂后的产量校验可压裂性模型的准确性。

48、有益效果：

49、本发明基于纳米压痕实验测量不同矿物的微观岩石力学参数并对其进行矿物组分综合体等效岩石力学参数尺度升级，不仅解决了常规测量岩石力学参数实验成本高制样难度大等问题，还从微观尺度上解决了致密砂岩非均质性导致的数据离散性大且准确性低等问题。同时在构建综合可压性指数模型时，考虑了易被忽略的天然弱结构面对储层可压性的影响，并对其进行定量整合建立天然弱结构面指数。可更加全面、合理并准确的预测深层致密砂岩储层可压性，可为后续致密砂岩储层的压裂改造优化及甜点区评价提供更为科学的依据。

50、步骤一、步骤二所述的利用x射线衍射(xrd)全岩分析技术和能量色散x射线荧光光谱(eds)技术，分析致密砂岩储层矿物组分并进行靶向纳米压痕实验，很好的解决了常规三轴岩石力学实验成本高、耗时长及岩心样品获取困难的问题，且具有针对性的测量了不同矿物组分的微观岩石力学性质。

51、步骤四所述的建立致密砂岩组分综合体等效岩石力学参数计算模型进行微观岩石力学参数尺度升级，有效解决了由于脆性矿物不明确而导致的矿物含量脆性指数可靠性不高的问题，更加合理的表征了致密砂岩真实脆性特征。其充分考虑了致密砂岩储层的非均质性，从而削弱了矿物自身力学性质、矿物组分含量等因素对致密砂岩宏观岩石力学参数的影响，使得尺度升级后的岩石力学参数具有更高的准确性。

52、步骤五所述的通过整合天然微裂缝发育程度和层理发育程度，建立天然弱结构面指数模型，从而定量表征微裂缝、层理等天然结构弱面对于致密砂岩储层可压性的影响，使得后续建立的可压性模型可信性更高且更具可行性。

53、步骤六、步骤七所述的对可压性各评价指标进行归一化处理并建立致密砂岩储层可压性指数模型，通过极差变换标准化方法统一所有参数的量纲，实现了不同含义参数下的统一评价，再采用层次分析法确定四个参数的权重系数，使该可压性模型更具科学性。并按照可压性指数的大小范围将致密砂岩储层划分为三类，更加直观的评价其可压性，为致密砂岩储层的压裂改造及甜点区评价等勘探开发研究提供了可靠的科学依据及理论支撑。