一种利用声发射法检测岩石脆度的方法和装置

摘要

本发明涉及石油工程技术领域，特别是涉及石油工程水力压裂储层岩石脆度实验方法。为了克服现有岩石脆度检测评价方法适用性较差及对实验设备条件要求高的缺陷，本发明提供一种利用声发射法检测岩石脆度的方法和装置。所述装置包括材料试验机、声发射采集系统、超声波传感器、电缆；所述材料试验机对样品进行加载，超声波传感器监测样品发出的超声波并将声信号输入声发射采集系统，所述声发射采集系统对声发射参数进行处理。利用声发射采集系统对同步采集的振铃数进行处理，根据振铃数量与时间关系、总振铃数的上升形态判断岩石的脆度。该方法和装置能够快速、简便、准确地检测各类岩石脆度。

说明书

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，特别是涉及石油工程水力压裂储层岩石 脆度实验方法。

背景技术

水力压裂技术是提高单井产量的重要手段，近年来随着北美页岩气水力 压裂改造理念和工艺措施的创新，使得大量非常规油气的经济有效开发成为 可能。其中岩石脆度参数是水力压裂选井选层和水力压裂优选、设计的基础。

国外以Rickman为代表，在SPE协会2008SPEAnnualTechnical ConferenceandExhibition会议论文“APracticalUseofShalePetrophysicsfor StimulationDesignOptimization:AllShalePlaysAreNotClonesoftheBarnett Shale”中，针对页岩提出了脆度指数的概念用于指导现场，但由于其采用的 脆度指数是用杨氏模量和泊松比两个弹性参数或者“脆性矿物”的含量确定， 而岩石的脆度是与破坏相关的参数，两种计算脆度的方法均没有反映岩石破 坏的性质，因此其适用性受到限制，即在国外某些区域的页岩内适用性强， 而对其它区域、其它岩性适用性较差。

针对岩石脆度评价的方法，国内学者提出了新的测量方法，代表性文献 为《岩石力学与工程学报》的“页岩脆性的室内评价方法及改进”，主要为基 于岩石的全应力-应变曲线的特征参数测定表征岩石的脆度，特征参数主要为 岩石的峰值强度和残余强度。但由于获得全应力-应变曲线对压机刚度、控制 系统要求高，常规压机难以获得岩石峰后特征，因此难以获得全应力-应变曲 线，特别对于页岩更为如此。

综合上述两种方法，目前岩石脆度检测评价方法存在的主要技术问题包 括：

(1)适用性不强，目前方法仅对某些地区的页岩适用，而对其余岩性脆 度的评价适用性较差；

(2)对实验设备条件要求高，操作复杂，成功率低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用声发射法 检测岩石脆度的方法和装置。该方法和装置能够快速、简便、准确地检测各 类岩石脆度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种利用声发射法检测岩石脆度的方法，它的特点是，所述方法包括如 下步骤：

(1)制备岩心样品；

(2)在材料试验机上安装岩心样品，将超声波传感器耦合固定于岩心上；

(3)将超声波传感器与声发射采集系统连接起来；

(4)利用材料试验机对岩心样品进行加载至破坏，并利用声发射采集系统同 步采集整个加载过程中的声发射参数；所述声发射参数包括振铃数、总振铃 数，上升时间参数；

(5)利用声发射采集系统对同步采集的振铃数进行处理，根据振铃数量与时 间关系、总振铃数的上升形态判断岩石的脆度。总振铃数为台阶式上升，岩 石的脆度强；总振铃数为斜坡式上升，岩石的脆度弱。

所述声发射参数还包括超声波的波形、能量。所述声发射采集系统包括 计算机。所述声发射采集系统包括外参数输入端。

对于脆度强的岩石，前期声发射事件少，总振铃数(累计振铃数)为台 阶式上升，即岩石为爆发性破坏；对于脆度弱的岩石，声发射事件持续发生， 累计振铃数为斜坡式上升，即岩石为持续性微破坏。

按照国际岩石力学协会岩石力学实验要求对岩心长度、平行度及其端面 进行加工处理，制备得到岩心样品。

上述方法中，利用常规材料试验机通过单轴或三轴压缩对岩心样品进行 加载。

上述方法中，利用电缆将超声波传感器与声发射采集系统连接起来。所 述电缆为单芯同轴屏蔽电缆。

进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述步骤(3)中， 利用单芯同轴屏蔽电缆将超声波传感器与声发射采集系统连接起来，所述声 发射采集系统设定相应信道参数。

进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述步骤(3)中， 所述相应信道参数包括：声发射采集门槛值、峰值定义时间、振铃定义时间、 振铃闭锁时间和最大持续时间等。例如：声发射采集门槛值设为30dB，峰值 定义时间设为200微秒，振铃定义时间(Hit定义时间)设为800微秒，振铃 闭锁时间(Hit闭锁时间)设为100微秒，最大持续时间设为50毫秒。

进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述方法包括如 下步骤：

(1)制备岩心样品；

(2)在材料试验机上安装岩心样品，将超声波传感器耦合固定于岩心上，并 在岩心样品上安装轴向、径向应变规；

(3)利用单芯同轴屏蔽电缆将超声波传感器与声发射采集系统连接起来，并 设定声发射采集系统的相应信道参数；将应变规与声发射采集系统连接起来； 将材料试验机与声发射采集系统连接起来；所述材料试验机的同步输出参数 (如应力和位移)输入声发射采集系统的外参数输入端；

(4)利用材料试验机对岩心样品进行加载至破坏，并利用声发射采集系统同 步采集整个加载过程中的声发射参数及应力-应变参数；所述声发射参数包括 振铃数、总振铃数，总振铃数上升时间参数；

(5)声发射采集系统对同步采集的应力-应变参数、振铃数参数进行处理，根 据其振铃数量与时间关系、总振铃数的上升形态判断岩石的脆度。

对高刚度材料，材料试验机可采用合适加载方式获得全应力-应变曲线。

上述利用声发射法检测岩石脆度的方法，是从岩石脆度的实质出发，基 于岩石的声发射特征对岩石的脆度进行表征。

进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述超声波传感 器采集超声波带宽为50KHz-750KHz。进一步的，所述声发射采集系统采样频 率为10-40MHz。

进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述步骤(2)中， 在岩心表面对称安放2-6个超声波传感器。进一步的，在岩心表面对称安放4 个超声波传感器。

本发明还提供一种利用声发射法检测岩石脆度的装置，它的特点是：所 述装置包括材料试验机、声发射采集系统、超声波传感器、电缆；所述超声 波传感器通过电缆与声发射采集系统连接。所述电缆为单芯同轴屏蔽电缆。

所述材料试验机对样品进行加载，超声波传感器监测样品发出的超声波 并将声发射信号输入声发射采集系统，所述声发射采集系统对采集到的声发 射参数进行处理。

所述利用声发射法检测岩石脆度的装置能够对岩石的声发射信号进行信 号采集、储存、分析及处理。

利用上述装置检测岩石脆度的过程如下：所述材料试验机对样品进行加 载，超声波传感器同步接收样品发出的超声波并转化为电信号，声发射采集 系统接收超声波传感器传来的电信号并进行处理，从而获得声发射参数，例 如振铃数及总振铃数，并对其进一步进行处理，得到振铃数与时间的关系曲 线，进一步得到总振铃数与时间的关系曲线。振铃数与样品发出的超声波相 对应，样品发出的超声波频率越高，声发射采集系统显示的振铃数越多。

进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述装置还包 括应变规，应变规通过电缆与声发射采集系统连接。材料试验机对样品进行 加载，超声波传感器监测样品发出的超声波并将声发射信号输入声发射采集 系统，应变规监测样品的应变参数并将应变信号输入声发射采集系统，所述 材料试验机的同步输出参数(如应力和位移)输入声发射采集系统的外参数 输入端；所述声发射采集系统对声发射参数和应力-应变参数进行处理。

进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述声发射采 集系统，实时同步采集声发射参数及材料试验机压力(应力)参数、应变规 应变参数。

进一步的，所述声发射采集系统采样频率为10-40MHz。优选的，所述声 发射采集系统采样频率为20-40MHz。进一步优选的，所述声发射采集系统采 样频率为30-40MHz。

进一步的，所述超声波传感器采集超声波带宽为50KHz-750KHz。

进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述超声波传 感器的尺寸小，频带范围大。所述超声波传感器为圆柱形，采集超声波带宽 为50KHz-750KHz。

进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述材料试验 机为500KN材料试验机；所述声发射采集系统采样频率为10-40MHz，系统 死时间短；所述超声波传感器为圆柱形，尺寸为：直径8mm，高8mm，采集 超声波带宽为50KHz-750KHz。

死时间是能够将两个事件(或脉冲)区分开的最小时间间隔。系统死时 间主要由采集能力和电子处理能力决定。

声发射采集系统的采样系统记录数据量极大。这就会在数据传输和存储 过程中产生大量“死时间”(所有数据需要从数据采集系统的高速缓存器中， 通过通讯接口转移到计算机的外存储器上。数据转移需要占用相当的时间， 在转移过程中，整个采集系统处于关闭等待状态，因此这段时间被称为“死 时间”)。但是，在岩石失稳破坏阶段，声发射事件发生频度可能达到每秒钟 上千次，可能产生的突发数据量将达到每秒几百万字节。从高速缓存器中把 如此巨大的数据量高速转移到计算机的外存储设备上，会由于存在大量的死 时间而造成丢失大量的声发射数据，使后续分析产生很大偏差。因此需要系 统死时间短。

本发明提供的利用声发射法检测岩石脆度的装置具有以下优点：1、结构 简单，操作简便，对材料试验机要求低；2、适用范围广，能够准确、有效地 检测各类岩性岩石的脆度。本发明提供的利用声发射法检测岩石脆度的方法 对岩石脆度评价适应性强，由于其从岩石脆度的实质出发，基于岩石的声发 射特征对岩石的脆度进行表征，能够准确、有效地检测各类岩性岩石的脆度， 并对其进行评价。

附图说明

图1为本发明提供的利用声发射法检测岩石脆度的装置的结构示意图；

图2为典型脆性岩石声发射参数的变化特征图；

图2中，横坐标是时间(单位：秒)，纵坐标是振铃数、总振铃数、应力；

图3为典型非脆性岩石声发射参数的变化特征图。

图3中，横坐标是时间(单位：秒)，纵坐标是振铃数、总振铃数、应力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的利用声发射法检测岩石脆度的装置，包括材 料试验机1、声发射采集系统2、超声波传感器3、电缆4，所述超声波传感 器3通过电缆4与声发射采集系统2连接。本发明提供的装置还可以包括应 变规(图中未显示)。

一种利用声发射法评价岩石脆度方法，它包括以下步骤：

(1)按照国际岩石力学协会岩石力学实验要求对岩心5长度、平行度及 其端面进行加工处理；

(2)按照图1进行岩心安装，将超声波传感器3耦合固定与岩心5上， 并安装轴向、径向应变规(图中未显示)；

(3)利用单芯同轴屏蔽电缆4将超声波传感器3与声发射采集系统2连 接起来，将应变规与声发射采集系统2连接起来，并设定相应信道参数；

(4)利用材料试验机1对岩心样品5进行加载至破坏，对高刚度材料， 试验机可采用合适加载方式获得全应力-应变曲线，并同步采集整个加载过程 中的声发射参数，包括振铃、上升时间等特征参数；

(5)对同步采集的应力、振铃数进行处理，根据其振铃数量与时间关系、 总振铃数的上升形态判断岩石的脆度。对于脆度强的岩石，前期声发射事件 少，总振铃数(累计振铃数)为台阶式上升，即岩石为爆发性破坏；对于脆 度弱的岩石，声发射事件持续发生，总振铃数(累计振铃数)为斜坡式上升， 即岩石为持续性微破坏。

取长度为50mm、直径为25mm的岩心5进行单轴压缩实验，采用500KN 材料试验机；声发射采集系统2采样频率40MHz，系统死时间短；在岩心5 表面对称安放4个超声波传感器，尺寸为直径8mm，高8mm的圆柱形，带宽 为50KHz-750KHz。

具体实验时声发射采集系统的参数：声发射采集门槛值设为30dB，峰值 定义时间设为200微秒，Hit定义时间设为800微秒，Hit闭锁时间设为100 微秒，最大持续时间设为50毫秒。

实施例3和实施例4是对本发明提供的方法和装置的可行性进行验证。

实施例1

一种利用声发射法检测岩石脆度的装置，所述装置包括材料试验机1、声 发射采集系统2、超声波传感器3、单芯同轴屏蔽电缆4，所述超声波传感器 3通过单芯同轴屏蔽电缆4与声发射采集系统2连接。所述超声波传感器3为 圆柱形，尺寸为：直径8mm，高8mm，采集超声波带宽为50KHz-750KHz。 所述材料试验机1为500KN材料试验机；所述声发射采集系统采样频率为 40MHz，系统死时间短。

使用时，所述材料试验机1对样品5进行加载，超声波传感器3监测样 品5发出的超声波并将声发射信号输入声发射采集系统2，所述声发射采集系 统2对采集到的声发射参数进行处理。

实施例2

一种利用声发射法检测岩石脆度的装置，所述装置包括材料试验机1、声 发射采集系统2、超声波传感器3、单芯同轴屏蔽电缆4，所述超声波传感器 3通过电缆4与声发射采集系统2连接。所述装置还包括应变规，应变规通过 电缆与声发射采集系统2连接。所述材料试验机为500KN材料试验机；所述 声发射采集系统采样频率为40MHz，系统死时间短；所述超声波传感器为圆 柱形，尺寸为：直径8mm，高8mm，采集超声波带宽为50KHz-750KHz。

使用时，材料试验机1对样品5进行加载，超声波传感器3监测样品发 出的超声波并将声发射信号输入声发射采集系统2，应变规监测样品的应变参 数并将应变信号输入声发射采集系统2，所述材料试验机的同步输出参数(如 应力和位移)输入声发射采集系统2的外参数输入端；所述声发射采集系统2 实时同步采集声发射参数及材料试验机压力(应力)参数、应变规应变参数。

实施例3

利用实施例2提供的装置，利用本发明提供的方法对某地区页岩进行脆 度检测评价实验。图2为检测实验的结果，如图2所示，前期声发射事件少， 总振铃数(累计振铃数)为台阶式上升，即岩石为爆发性破坏，说明该岩石 为脆度强的岩石。图2中的应力曲线表明，在加载过程中应力达到峰值后， 岩石被破坏后的残余强度极低，岩石的破坏程度极高。即，从声发射特征可 明显得到岩石脆性强，这与利用全应力-应变曲线获得的结果基本一致；现场 微地震监测水力压裂形成复杂缝网形态裂缝，这也表明该地区页岩岩石脆性 强。

实施例4

利用实施例2提供的装置，利用本发明提供的方法对某地区砂岩进行脆 度检测评价实验。图3为检测实验的结果，如图3所示，声发射事件持续发 生，总振铃数(累计振铃数)为斜坡式上升，即岩石为持续性微破坏，说明 该岩石为脆度弱的岩石。图3中的应力曲线表明，在加载过程中应力达到峰 值后，岩石被破坏后残余强度较高，岩石的破坏程度低。即，从声发射特征 看该岩石明显表现为脆性弱，这与利用全应力-应变曲线获得的结果基本一致； 现场微地震监测水力压裂形成对称双翼简单缝，同样证实了该岩石脆性弱。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理 解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任 何在本发明权利要求基础上的改动都在本发明的保护范围之内。