技术领域
[0001] 本
发明属于油气勘探技术领域，具体涉及一种泥页岩前期固结压力确定方法。
背景技术
[0002] 随着北美页岩气勘探开发取得的巨大成功，页岩气在
能源领域倍受关注。无论是在页岩气勘探还是开发阶段，泥页岩的脆/延性都是重要的参数，因为泥页岩的储集性能、可钻性、可压性、渗透性以及页岩气的保存条件和勘探潜力评价等都与泥页岩的脆/延性有关。泥页岩的脆延性除了与泥页岩本身的矿物成分、黏土矿物类型、现今埋深等因素有关外，还与前期固结压力之间具有显著的相关性，因此，前期固结压力对泥页岩的脆延性影响显著。
[0003] 前期固结压力又称先期固结压力或名义固结压力，是指土层在历史上经受过的最大有效固结压力(或者说最大垂直有效
应力)(李广信，2004)。用符号Pc表示。前期固结压力是判断天然土层所处固结状态的一个重要指标，也是考虑应力历史对土层
变形量影响的一个重要计算参数(杨斌娟，2001)。当样品在受力过程中，荷载未达到前期固结压力之前，土表现出弹性应变状态，但当样品受到的荷载超过前期固结压力时，土进入塑性状态。因此，前期固结压力是土的弹性和塑性状态的临界应力。通过前期固结压力Pc，可以判断土层的压密状态(即超压密、正常压密、欠压密)，并计算土的超固结比(OCR)。目前，针对土层的前期固结压力的确定方法主要有3种：(1)卡萨格兰地法：Casagrande在1936年提出利用e-lgP曲线最小
曲率半径求取Pc的经验作图法(Casagrande，A，1936)；(2)布氏法：Burmister在20世纪40年代利用回弹和再压曲线构成的特征三
角形来确定Pc值(Burmister，D M，1945)；(3)史沫特曼法：Schmertmann在1955年根据室内压缩曲线和现场压缩曲线两者的孔隙比差异特点来确定Pc值(Schmertmann，J H，1955)。其中，Casagrande方法最简单，也是土力学中最常用的一种方法。
[0004] 但是，对于经历了一定成岩固结作用的泥页岩来说，前期固结压力与松散的未成岩的土层的前期固结压力完全不同。泥页岩的前期固结压力由两部分组成，一部分来源于垂向负载，即垂直有效压力，是机械作用产生的固结作用(mechanical solidification)，另一部分来自于成岩演化过程中的化学胶结、矿物转化、长期压塑及蠕变等作用产生的固结效应，是非机械作用产生的固结作用(non-mechanical solidification)。因此，沉积盆地中泥页岩的前期固结压力是由机械作用和非机械作用两部分构成的，由于中国南方海相层系高演化泥页岩经历了早期深埋和晚期抬升，所受的垂直有效应力随盆地的沉降和抬升剥蚀而动态演化。土力学中常用的前期固结压力确定方法，不适合沉积盆地中经历过成岩固结作用的泥页岩。因此，不能简单采用土力学的方法来确定。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种如何确定泥页岩前期固结压力的技术方法。
[0006] 根据本发明提供了一种泥页岩前期固结压力确定方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一：对泥页岩样品进行单轴应变试验，获得厚壁套筒的环向变形；
[0008] 步骤二：利用厚壁套筒的环向变形，计算样品所受的侧向应力；
[0009] 步骤三：在线性
坐标系下绘制轴向-侧向应力曲线图；
[0010] 步骤四：根据轴向-侧向应力曲线图确定前期固结压力。
[0011] 在一个
实施例中，所述步骤一的单轴应变实验具体包括以下步骤：
[0012] (1)在新鲜的
岩石面上钻取圆柱形泥页岩样品；
[0013] (2)将泥页岩样品放入厚壁套筒中，利用厚壁套筒的筒壁对泥页岩样品的侧向变形进行约束；
[0014] (3)在厚壁套筒外壁的中部沿环向均匀地粘贴六个应变片，用于测量套筒的环向变形εθ；
[0015] (4)将带有泥页岩样品的厚壁套筒放置在高温高压岩石三轴试验系统中；
[0016] (5)对样品匀速加载单向轴向应力，连接应变片的应变仪同步测量厚壁套筒的环向变形εθ。
[0017] 在一个实施例中，所述步骤二中样品的侧向应力的计算步骤具体如下：
[0018] 根据厚壁套筒理论弹性力学原理，利用
钢质模具外侧测量的环向变形εθ计算作用在样品
侧壁的侧向应力，即实验样品所受的侧向应力；
[0019]
[0020]
[0021] 其中，Kd为应变片的动态灵敏度系数；Rg为应变片
电阻；Rc为应变仪的标定电阻；ΔUc为标定
电压值；ΔUc为记录脉冲
波形采样值；a、b、E1为厚壁套筒的内、外半径和钢的
杨氏模量，单位分别为cm、cm、Pa；P1为作用在厚壁套筒内壁上的侧向应力，单位为Pa；
[0022] 根据数据Kd、Rg、Rc、ΔUc、ΔUc，并带入公式(1)中，获得厚壁套筒的环形变形εθ；
[0023] 根据实验获得厚壁套筒的环向变形的数据εθ，带入公式(2)中计算实验样品任一轴向应力下对应的侧向应力P1。
[0024] 在一个实施例中，所述步骤三
中轴向-侧向应力曲线图绘制步骤为：以实验过程中施加的轴向应力为纵坐标，以侧向应力P1为横坐标，绘制轴向-侧向应力曲线图。
[0025] 在一个实施例中，所述步骤四中前期固结压力的确定方法为：在施加的轴向压力足够大的情况下，轴向-侧向应力曲线图上有两个拐点，其中，第二个拐点所对应的轴向应力即前期固结压力。
[0026] 在一个实施例中，所述步骤二中步骤(1)中的泥页岩样品用保鲜膜、
牛皮纸包裹后再蜡封，避免运输过程中失
水损坏。
[0027] 在一个实施例中，所述步骤二中步骤(5)中的加载的速率为0.06mm/min。
[0028] 在一个实施例中，所述泥页岩样品的尺寸为50×100mm。
[0029] 在一个实施例中，所述应变片按四分之一桥式连接。
[0030] 在一个实施例中，所述厚壁套筒由45#钢制成。
[0031] 本发明建立了一套确定泥页岩前期固结压力的方法：通过单轴应变试验获得厚壁套筒外侧的环向变形；基于环向变形计算厚壁套筒内壁的应力；编制轴向应力-侧向应力曲线图；由曲线图第2个拐点所对应的轴向应力确定前期固结压力。此方法确定的泥页岩的前期固结压力，既包含机械固结作用又包含非机械固结作用的对前期固结压力的贡献，反映了成岩演化、地质年龄、胶结作用、长期蠕变变形等非机械因素对前期固结压力的影响，有别于土力学中前期固结压力的确定方法。获得的泥页岩的前期固结压力对计算泥页岩的超固结比OCR，揭示特定地质条件下泥页岩的脆延性特征，判识泥页岩裂缝形成演化特征，遴选页岩气“地质甜点”和“工程甜点”具有重要应用价值。
附图说明
[0032] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0033] 图1显示了本发明泥页岩前期固结压力确定方法技术
流程图；
[0034] 图2显示了本发明重庆某地区志留系泥页岩单轴应变实验轴向-侧向应力曲线图。
[0035] 在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
[0036] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。借此对本发明如何应用技术手段解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入
权利要求的范围内的所有技术方案。
[0037] 如图1为根据本发明一个实施例的方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种泥页岩前期固结压力确定方法，包括以下步骤：
[0038] 步骤一S110：对泥页岩样品进行单轴应变试验，获得厚壁套筒的环向变形；
[0039] 步骤二S110：利用厚壁套筒的环向变形，计算样品所受的侧向应力；
[0040] 步骤三S110：在线性坐标系下绘制轴向-侧向应力曲线图；
[0041] 步骤四S110：根据轴向-侧向应力曲线图确定前期固结压力。
[0042] 其中，步骤一S110中的单轴应变实验具体包括以下步骤：
[0043] (1)在新鲜的岩石面上钻取圆柱形泥页岩样品；
[0044] (2)将泥页岩样品放入厚壁套筒中，利用厚壁套筒的筒壁对泥页岩样品的侧向变形进行约束；
[0045] (3)在厚壁套筒外壁的中部沿环向均匀地粘贴六个应变片，用于测量套筒的环向变形εθ；
[0046] (4)将带有泥页岩样品的厚壁套筒放置在高温高压岩石三轴试验系统中；
[0047] (5)对样品匀速加载单向轴向应力，连接应变片的应变仪同步测量厚壁套筒的环向变形εθ。
[0048] 在本实施例中，选择重庆某地区龙
马溪组高成岩演化泥页岩为研究对象，在步骤一的步骤(1)中钻取的泥页岩样品的尺寸为50×100mm，采集的泥页岩样品用保鲜膜、牛皮纸包裹后再蜡封，以避免运载过程中因干燥失水而损坏。
[0049] 在步骤一S110的步骤(2)中厚壁套筒为由45#钢制成的钢质套筒。其中，厚壁套筒的筒壁厚12mm，内径a的尺寸为23.24mm，外径b的尺寸为35.5mm，厚壁套筒的高度为140mm。
[0050] 此外，步骤一S110的步骤(3)中应变片的型号为BFH120-3AA，应变片的阻值为：120Ω；六个应变片按四分之一桥式连接。用于测量厚壁套筒的环向变形的装置为扬州泰司
电子有限公司生产的TS3890静态电阻应变仪，此应变仪性能稳定、零点漂移较小。
[0051] 步骤一S110的步骤(4)的单轴应变实验采用西南科技大学的DYS3700S高温高压岩石三轴试验系统，DYS3700S高温高压岩石三轴试验系统：主要包括液压私服油、三轴压力室、电脑
操作系统三部分。压力室最大输出压力2500KN，最大输出围压200MPa，
温度调控范围10℃-250℃。
[0052] 步骤一S110的步骤(5)中加载采用单轴位移控
制模式，在整个实验过程中，加载的速率为0.06mm/min。轴向应力和钢质厚壁套筒外壁的环向变形同步进行测量。为减少
偏压对实验的影响，加载前需先用水平管对中装置进行调平，并对样品进行预加载，观察应变仪所采集的数据是否出现负值(表示装置受拉)，如出现负值，则需卸载，调整装置
位置再进行预加载，直至数据全为正值。当应变仪某一通道采集的微应变达到2100时(根据厚壁套筒理论弹性力学原理此时作用的钢质套筒上的内侧径向力为300MPa，钢质套筒仍于弹性阶段)，即可停止试验。
[0053] 步骤二S120中样品的侧向应力的计算步骤具体如下：
[0054] 根据厚壁套筒理论弹性力学原理，利用钢质模具外侧测量的环向变形εθ计算作用在样品侧壁的侧向应力，即实验样品所受的侧向应力；
[0055]
[0056]
[0057] 其中，Kd为应变片的动态灵敏度系数；Rg为应变片电阻；Rc为应变仪的标定电阻；ΔUc为标定电压值；ΔUc为记录脉冲波形采样值；a、b、E1为厚壁套筒的内、外半径和钢的杨氏模量，单位分别为cm、cm、Pa；P1为作用在厚壁套筒内壁上的侧向应力，单位为Pa；
[0058] 根据数据Kd、Rg、Rc、ΔUc、ΔUc，并带入公式(1)中，获得厚壁套筒的环形变形εθ；
[0059] 根据实验获得厚壁套筒的环向变形的数据εθ，带入公式(2)中计算实验样品任一轴向应力下对应的侧向应力P1。
[0060] 步骤三S130中轴向-侧向应力曲线图绘制步骤为：以实验过程中施加的轴向应力为纵坐标，以侧向应力P1为横坐标，绘制轴向-侧向应力曲线图。如图2所示，显示了本发明重庆某地区志留系泥页岩单轴应变实验轴向-侧向应力曲线图。
[0061] 步骤四S140中前期固结压力的确定方法为：在施加的轴向压力足够大的情况下，轴向-侧向应力曲线图上有两个拐点，其中，第2个拐点所对应的轴向应力即前期固结压力。从图2中，可以清楚地看出，曲线上存在两个拐点，第1个拐点对应的轴向应力σH.1为126MPa，侧向应力σv.1为3.3MPa；第2个拐点对应的轴向应力σH.2为520MPa，侧向应力σv.2为140MPa。
[0062] 在第1个拐点出现之前，轴向应力σH.1增长迅速，而侧向应力σv.1增加缓慢。此过程类似于单轴压缩状态的压密阶段，轴向应力作用为孔隙缩小所消耗，样品的径向变形小，对厚壁套筒侧向的作用力小。
[0063] 当轴向应力达到某一临界值时，回弹孔隙完全被压缩，样品不能进一步压密，此时的轴向应力即为最大埋深时样品所受的最大垂直有效应力时。当轴向应力进步增加时，轴向应力和侧向应力同步增大。样品被完全压密之后，继续增加轴压，必然导致发生侧向变形，从而对厚壁套筒内侧产生力的作用。随着轴向应力的增大，侧向应力亦同时增大。侧向应力增大，相当于样品所受的围压增大，当围压增大到某一临界值时，出现第2个拐点。从第2个拐点之后，轴向应力变化相对缓慢，侧向应力变化快。当轴向应力达到单轴抗压强度时，样品产生较大的侧向变形，在钢质厚壁套筒的约束下又不会产生裂缝而破坏。随着轴向应力的增大，侧向应力也迅速增大，二者成线性关系。在这过程中，由于样品与厚壁套筒紧密相贴，厚壁套筒完全约束了样品的径向变形，轴向变形通过压
缩孔隙体积来实现，发生弹性变形。轴向应力基本保持不变，而侧向应力迅速增大。由于样品已经进入不可压缩状态，轴向变形只能通过向外
挤压样品实现，样品的受力特性与
流体的塑性流动相类似，发生脆延转化。因此，第2个拐点对应的轴向应力即为前期固结压力。
[0064] 与
现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过单轴应变试验获得厚壁套筒外壁的环向变形；基于环向变形计算厚壁套筒内壁的环向应力；并绘制轴向应力-侧向应力的曲线图；通过曲线图的第2个拐点所对应的轴向应力确定前期固结压力。此方法适合于沉积盆地中泥页岩的前期固结压力确定，既包含机械固结作用又包含非机械固结作用的对前期固结压力的贡献，反映了成岩演化、地质年龄、胶结作用、长期蠕变变形等非机械因素对前期固结压力的影响，有别于土力学中前期固结压力的确定方法。获得的泥页岩的前期固结压力对计算泥页岩的超固结比OCR，揭示特定地质条件下泥页岩的脆延性特征，判识泥页岩裂缝形成演化特征，获得的成果数据在页岩气勘探开发评价中，页岩气“地质甜点”和“工程甜点”的遴选等方面具有重要应用价值。
[0065] 虽然已经参考如上优选实施例对本发明进行了描述，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的
修改与变化，但本发明的
专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
