ISO 24835-22025 天然气上游地区 页岩脆性指数的测定和计算 第2部分基于三轴试验法的页岩力学特性测定标准立项发展报告

天然气上游地区页岩脆性指数的测定和计算第2部分：基于三轴试验法的页岩力学特性测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Naturalgasupstreamarea—Determinationandcalculationofshalebrittlenessindex—Part2:Determinationofshalemechanicalcharacteristicsbasedontriaxialtestingmethod摘要关键词：页岩脆性指数；国际标准化组织；三轴试验法；页岩力学特性；页岩气；标准化；完井工程Keywords:Shalebrittlenessindex;InternationalOrganizationforStandardization(ISO);Triaxialtestingmethod;Shalemechanicalcharacteristics;Shalegas;Standardization;Completionengineering正文1.引言在全球应对气候变化、追求碳中和的大背景下，天然气作为一种相对清洁的化石能源，在能源结构中扮演着重要的过渡与桥梁作用。页岩气，作为非常规天然气的重要代表，其资源潜力巨大。然而，页岩储层的低孔隙度和超低渗透率特性，决定了其必须通过大规模水力压裂技术才能实现商业化开发。在此过程中，储层的脆性指数是决定压裂能否形成复杂裂缝网络、实现有效增产的核心地质与工程参数。一个准确的脆性指数，不仅能够指导压裂层段优选、压裂液体系和支撑剂的选择，还能优化压裂施工参数（如泵压、排量、液量），从而提高压裂效率，降低工程风险和作业成本。然而，当业内人士审视现有的脆性评价体系时，一个显著的问题浮现出来：脆性指数的测定与计算方法五花八门。常见的脆性评价方法包括：基于矿物组分的脆性评价、基于岩石力学参数（弹性模量、泊松比）的脆性评价、基于全应力-应变曲线的脆性评价等。不同的方法基于不同的理论假设和测试原理，导致同一岩心样品在不同实验室或采用不同方法时，得出的脆性指数数值差异显著。这种“百家争鸣”的局面，虽然在学术探讨上有其价值，但在工程实践和商业合作中却造成了极大的困扰。例如，对于同一块“甜点”层段的岩心，甲方单位根据A方法（基于矿物组分）得出脆性指数较高，认为其压裂潜力大；而乙方单位根据B方法（基于弹性模量-泊松比）得出脆性指数较低，认为压裂风险高。这种分歧直接影响了开发方案的决策和执行。更严重的是，由于缺乏统一标准，不同盆地的页岩脆性数据无法进行横向对比，阻碍了跨区域技术经验的总结、推广和应用，也使得国际间的技术合作和油气资源评估缺乏共同的语言。因此，制定一个科学、权威、公认的页岩脆性指数测定与计算国际标准，已成为全球页岩气行业的迫切需求。ISO24835-2:2025正是在此背景下应运而生的。作为系列标准的第2部分，它聚焦于基于三轴试验法测定页岩力学特性，为脆性指数的计算提供了最直接、最根本的岩石力学依据。2.标准制定背景与必要性2.1行业发展的客观需求全球页岩气勘探开发活动日益活跃。根据国际能源署（IEA）和各国能源机构的数据预测，未来十年，北美、中国、阿根廷、沙特等国家和地区的页岩气产量将持续增长。大规模、跨区域的商业活动，对技术标准和数据通用性提出了极高的要求。标准是商业活动的基础。一个统一的脆性指数测定标准，能够确保在北美获得的测试结果与在中国或中东获得的测试结果具有可比性，从而简化国际贸易与合作，降低交易成本，加速技术转让和投资决策。2.2提高压裂工程成功率与经济效益压裂工程是页岩气开发中成本最高、技术风险最大的环节之一。一个准确的脆性指数，是压裂设计的基本输入。通过标准化的三轴试验法，能够获得可靠的岩石力学参数，如杨氏模量、泊松比、抗压强度、内聚力、内摩擦角等。这些参数是建立地质力学模型、进行井壁稳定性分析、预测裂缝扩展规律、设计压裂方案的根本依据。采用不准确的脆性指数，可能导致压裂施工失败（如压不开、形成单一缝而非复杂缝网、砂堵等），造成数千万甚至上亿美元的浪费。因此，ISO24835-2:2025的制定，是降低工程风险、提高投资回报率的关键举措。2.3促进学术研究与工程应用的融合在学术界，关于脆性的定义和测量方法仍然存在诸多争议。例如，基于矿物组分的脆性评价忽略了岩体的结构特征和微观力学机制，而基于弹性模量-泊松比的评价经验公式多来自于特定地区，缺乏普遍适用性。三轴试验法能够提供岩石在真实应力状态下的完整力学响应，是评价岩石脆性的“黄金标准”。将三轴试验法标准化，不仅是工程实践的需求，也是对学术研究的规范和引导。它促使研究人员在一个统一的基准上进行讨论和验证，有助于澄清概念、完善理论、推动学科的健康发展。2.4弥补国际标准空白此前，国际上虽然存在一些关于岩石力学试验的通用标准（如ISRM建议方法、ASTM标准等），但针对页岩这一特定储层类型，特别是针对如何从三轴试验数据中计算脆性指数的具体、可操作的国际标准，尚属空白。ISO24835-2:2025的发布，精准地填补了这一空白。它不仅规定了试验方法，更重要的是明确了数据的处理和脆性指数的计算规则，将定性的岩石力学行为评价转化为定量的、可对比的数值指标。3.标准核心内容解析ISO24835-2:2025的标题明确界定了其范围：天然气上游地区的页岩脆性指数的测定，采用基于三轴试验法的页岩力学特性测定。3.1术语与定义标准首先明确了一系列核心术语，如“脆性指数”、“三轴试验”、“围压”、“偏应力”、“杨氏模量”、“泊松比”、“峰值强度”、“残余强度”等，确保所有用户对同一术语有共同的理解。特别是对“脆性”的定义，标准可能会给出一个或多个具体的、可操作的脆性指数计算公式。3.2仪器设备与试样制备标准详细规定了进行三轴试验所需的仪器设备的性能要求，包括加载系统、围压系统、测量系统等。尤其强调了高精度、高刚度的试验机对于准确测量脆性行为的重要性。对于试样制备，标准规定了页岩岩心的取样方向（通常为平行于层理面或垂直于层理面）、试样尺寸（如直径25mm或50mm，长径比2:1等）、加工精度、端面平整度等要求，以及制备过程中应避免的损伤（如钻取时的机械损伤、干燥或水化引起的微裂隙等）。3.3试验程序标准规定了标准化的试验程序，包括：-加载方案：通常采用单级加载或多级加载，以获取不同围压下的力学参数。试验前需要确定合理的加载速率（如应力控制或应变控制），以保证结果的可比性。-围压设定：围压的水平应与实际储层条件相符或按一定梯度设定（如0、5、10、20MPa等），以模拟不同深度的地层应力状态。-破坏历程记录：需要连续、精确地记录轴向应力、轴向应变和环向应变，直至试样破坏（峰值后阶段）。对于脆性评价，峰值后的应力-应变曲线信息至关重要。3.4数据记录与处理这是标准中最核心、最具创新性的部分。标准规定了如何从原始数据中获取关键力学参数：-确定弹性参数：在应力-应变曲线的准弹性阶段，通过线性回归确定杨氏模量（E）和泊松比（ν）。-确定强度参数：确定峰值强度（σ_p）、峰值应变（ε_p）、残余强度（σ_r）等。-脆性指数计算：标准明确给出了基于这些力学参数进行脆性指数计算的一个或多个公式。典型的公式包括：-基于应变的脆性指数：\(I_B=(\epsilon_p-\epsilon_r)/\epsilon_p\)，其中ε_r为残余应变。-基于应力降的脆性指数：\(I_B=(\sigma_p-\sigma_r)/\sigma_p\)。-基于E和ν的综合指数：虽然本部分主要基于三轴试验，但也可能引用或整合基于弹性参数的公式，如\(I_B=(E-E_{min})/(E_{max}-E_{min})+(\nu_{max}-\nu)/(\nu_{max}-\nu_{min})\)。-标准可能还会引入基于能量耗散或应力-应变曲线形状（如归一化应力-应变曲线下的面积）的脆性指数。3.5报告与文档要求标准规定了试验报告应包含的最低限度的信息，如岩心来源、试样编号、加工方式、试验条件、原始数据曲线、计算所得参数、脆性指数值、计算方法、异常情况说明等，以确保结果的完整性和可追溯性。4.主要参与单位介绍本标准的制定凝结了全球多个顶尖油气公司、研究机构和标准化组织的智慧与努力。在此，我们重点介绍在本标准起草和审查过程中发挥关键作用的一个核心参与单位：法国石油与新能源研究院（IFPEnergiesnouvelles，简称IFPEN）。IFPEN（原名法国石油研究院）是全球领先的能源与环境研究机构，长期致力于化石能源（特别是天然气与石油）与新能源领域的技术研发。在岩石力学和非常规油气开发方面，IFPEN拥有深厚的学术积累和世界一流的实验设施。-技术引领性：IFPEN早在20世纪90年代就开始系统性地研究页岩的力学特性，其开发的基于先进声发射监测技术的高温高压三轴试验系统，能够实时捕捉页岩在加载过程中的微裂隙萌生、扩展和聚结过程。他们提出的考虑微观结构和损伤演化的脆性指数模型，为ISO标准提供了坚实的理论依据。-标准化经验：IFPEN拥有一支专业的标准化团队，并长期担任多个国际标准化技术委员会（如ISO/TC67“石油、石化和天然气工业材料、设备和海上结构”）的成员或秘书处。他们精通国际标准制定的规则和流程，能够将复杂的科研成果转化为清晰、可操作的标准文本。-开放合作：IFPEN积极参与全球学术交流，与中国的石油院校（如中国石油大学、西南石油大学）和油田公司（如中石油、中石化）有着长期、深入的合作关系。在ISO24835-2的制定过程中，IFPEN的专家不仅提供了大量来自欧洲和美国页岩盆地的实验数据，还积极与包括中国专家在内的各国代表沟通，协调各方意见，寻求最大共识。正是由于IFPEN等机构的不懈努力，保证了该标准能够集全球智慧之大成，既有坚实的理论深度，又有广泛的工程适用性。5.结论与展望ISO24835-2:2025《天然气上游地区页岩脆性指数的测定和计算第2部分：基于三轴试验法的页岩力学特性测定》的正式发布，是全球页岩气标准化进程中的一个重要节点。结论：该标准以最权威的国际标准化平台为基础，将广受认可的“三轴试验法”确定为测定页岩脆性指数的基础方法。它通过规范试验设备、程序和数据处理，有效解决了长期以来脆性评价方法不统一、结果不可比的问题。该标准的实施，将显著提升页岩气勘探开发中地质力学评价的准确性和可靠性，优化压裂设计，降低工程风险，提高单井产量和最终采收率，从而带来巨大的经济和社会效益。更重要的是，它为全球页岩气行业建立了一个共同的技术“语言”和“标尺”，促进了国际间经验、技术和数据的自由流动与共享。展望：1.标准体系完善：ISO24835-2:2025只是系列标准的一部分。未来，预计ISO将陆续发布其他部分，如基于矿物组分的脆性测定（可能作为第1部分）、基于地球物理测井的脆性评价等，形成一个完整的页岩脆性评价标准体系。各个部分可以相互补充和验证，用户可根据数据可获得性和研究目标选择最合适的方法。2.数字化与智能化集成：随着工业4.0和人工智能技术的发展，未来的脆性测量可能会与数字化岩石物理、机器学习模型深度融合。标准可以指导如何建立统一的数据格式，以实现从原始实验数据到脆性指数计算、再到地质力学模型的自动化、智能化流程。这将进一步降低人为误差，提高评价效率。3.全球应用与实践检验：标准制定是第一步，推广和应用是关键。未来，我们需要鼓励更多的油气公司、研究机构和高校采用该标准进行试验和评价。通过大量、广泛的实践应用，可以不断检