基于微米压痕的页岩软化特性研究

发布时间：2020-11-05 22:00

　　 开展微米压入实验主要是考虑到在钻遇页岩层段以及深井和水平井等复杂井段,由于页岩的发育特征,以及页岩脆性易裂性等岩石特性,进行宏观岩石力学实验需要的完整岩心获取难度大,微米压入实验测试岩样则可以利用岩屑及碎岩块进行制备,弥补了宏观实验取心的难题。对于页岩储集层,钻完井过程中经常遇到页岩水化的现象,首先是由于水化导致页岩结构发生变化引起井壁失稳问题;此外,对于水力压裂开采页岩气的压裂裂缝会造成一定程度的封堵和弱化,导致页岩气产量下降,所以本文通过岩石力学参数测量对页岩软化特性进行初步研究。针对测试材料页岩的非均质性以及压入时存在弹塑性过度现象,本研究选择基于名义硬度和压入比功确定材料弹性模量的方法计算杨氏模量和硬度值,测量结果稳定可靠。在计算断裂韧性的方法选择上,引用了纯塑性能和裂缝扩展所产生的断裂能进行数据处理,比传统的载荷-压痕裂纹扩展长度所得数据更加精确和可靠。通过对实验数据分析得到以下几点结论:(1)水平层理面的岩样测试结果所得平均值,硬度2.4 Gpa,杨氏模量47.74 Gpa,断裂韧性2.58 MPa.m0.5;垂直层理面的测试结果为硬度1.96 Gpa,杨氏模量41.79 Gpa,断裂韧性1.84 MPa.m0.5。水平层理面所测得力学参数均大于垂直层理面所测参数,页岩微米压入力学参数存在各向异性;(2)页岩测试岩样的硬度、杨氏模量,随浸泡处理时间的延长均具有减小的趋势,根据实验数据可以得出参数下降的数值和比率在浸泡3天、7天和15天数值较大,21天后趋于平稳。(3)页岩测试岩样的断裂韧性,随浸泡处理时间的延长具有增加的趋势,这是由于页岩水化软化后,脆性降低塑性增加,会影响岩石压裂和岩石裂缝扩展。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE37
【部分图文】：

头几何形状的常数，对于 Berkovich 压头，ε = 0.75；S 为材料的弹性模量可通过下式计算：iEvEvEi22r1-11- (5) 和 v 分别为测试材料页岩的弹性模量和泊松比，Ei和 vi分模量和泊松比。对于金刚石压头，Ei=1141 GPa 和 vi=0.07。约化弹性模量，通过下式计算：SAEcr 2 (6)Ac是纳米压痕实验曲线中到达最大荷载和最大压入深度时深度 hmax的函数，可通过对已知弹性模量的材料进行纳米是接触刚度，可通过纳米压痕实验卸载段初始点的斜率计

图 2.2 微米压痕典型荷载—位移示意图Fig. 2.2 Micro-indentation typical load-displacement diagram图 2.3 微米压入测试示意图Fig. 2.3 Microindentation test schematic

- 10 -图 2.3 微米压入测试示意图Fig. 2.3 Microindentation test schematic入比功确定弹性模量法在各类商业纳米压入仪等微区力学测材料也存在一定的限制和精度问题。O压入点周围凹陷变形的材料时，测量数凹凸不平或者鼓凸时测量数据偏差较大基于线弹性小变形假设，而无法准确针
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本文编号：2872243