一種利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及石油工程水力壓裂儲(chǔ)層巖石脆度實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水力壓裂技術(shù)是提高單井產(chǎn)量的重要手段，近年來隨著北美頁(yè)巖氣水力壓裂改造理念和工藝措施的創(chuàng)新，使得大量非常規(guī)油氣的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)成為可能。其中巖石脆度參數(shù)是水力壓裂選井選層和水力壓裂優(yōu)選、設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
[0003]國(guó)外以 Rickman 為代表，在 SPE 協(xié)會(huì) 2008SPE Annual Technical Conference andExhibit1n 會(huì)議論文 “A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulat1n DesignOptimizat 1n: Al I Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale”中，針對(duì)頁(yè)巖提出了脆度指數(shù)的概念用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)，但由于其采用的脆度指數(shù)是用楊氏模量和泊松比兩個(gè)彈性參數(shù)或者“脆性礦物”的含量確定，而巖石的脆度是與破壞相關(guān)的參數(shù)，兩種計(jì)算脆度的方法均沒有反映巖石破壞的性質(zhì)，因此其適用性受到限制，即在國(guó)外某些區(qū)域的頁(yè)巖內(nèi)適用性強(qiáng)，而對(duì)其它區(qū)域、其它巖性適用性較差。
[0004]針對(duì)巖石脆度評(píng)價(jià)的方法，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了新的測(cè)量方法，代表性文獻(xiàn)為《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》的“頁(yè)巖脆性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法及改進(jìn)”，主要為基于巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征參數(shù)測(cè)定表征巖石的脆度，特征參數(shù)主要為巖石的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。但由于獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)壓機(jī)剛度、控制系統(tǒng)要求高，常規(guī)壓機(jī)難以獲得巖石峰后特征，因此難以獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，特別對(duì)于頁(yè)巖更為如此。
[0005]綜合上述兩種方法，目前巖石脆度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法存在的主要技術(shù)問題包括:
[0006](I)適用性不強(qiáng)，目前方法僅對(duì)某些地區(qū)的頁(yè)巖適用，而對(duì)其余巖性脆度的評(píng)價(jià)適用性較差；
[0007](2)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件要求高，操作復(fù)雜，成功率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法和裝置。該方法和裝置能夠快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地檢測(cè)各類巖石脆度。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0010]一種利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法，它的特點(diǎn)是，所述方法包括如下步驟:
[0011](I)制備巖心樣品；
[0012](2)在材料試驗(yàn)機(jī)上安裝巖心樣品,將超聲波傳感器稱合固定于巖心上；
[0013](3)將超聲波傳感器與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接起來；
[0014](4)利用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖心樣品進(jìn)行加載至破壞，并利用聲發(fā)射采集系統(tǒng)同步采集整個(gè)加載過程中的聲發(fā)射參數(shù)；所述聲發(fā)射參數(shù)包括振鈴數(shù)、總振鈴數(shù)，上升時(shí)間參數(shù)；
[0015](5)利用聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)同步采集的振鈴數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)振鈴數(shù)量與時(shí)間關(guān)系、總振鈴數(shù)的上升形態(tài)判斷巖石的脆度?？傉疋彅?shù)為臺(tái)階式上升，巖石的脆度強(qiáng)；總振鈴數(shù)為斜坡式上升，巖石的脆度弱。
[0016]所述聲發(fā)射參數(shù)還包括超聲波的波形、能量。所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)。所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)包括外參數(shù)輸入端。
[0017]對(duì)于脆度強(qiáng)的巖石，前期聲發(fā)射事件少，總振鈴數(shù)(累計(jì)振鈴數(shù))為臺(tái)階式上升，即巖石為爆發(fā)性破壞；對(duì)于脆度弱的巖石，聲發(fā)射事件持續(xù)發(fā)生，累計(jì)振鈴數(shù)為斜坡式上升，即巖石為持續(xù)性微破壞。
[0018]按照國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求對(duì)巖心長(zhǎng)度、平行度及其端面進(jìn)行加工處理，制備得到巖心樣品。
[0019]上述方法中，利用常規(guī)材料試驗(yàn)機(jī)通過單軸或三軸壓縮對(duì)巖心樣品進(jìn)行加載。
[0020]上述方法中，利用電纜將超聲波傳感器與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接起來。所述電纜為單芯同軸屏蔽電纜。
[0021]進(jìn)一步的，上述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法中，所述步驟(3)中，利用單芯同軸屏蔽電纜將超聲波傳感器與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接起來，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)設(shè)定相應(yīng)信道參數(shù)。
[0022]進(jìn)一步的，上述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法中，所述步驟(3)中，所述相應(yīng)信道參數(shù)包括:聲發(fā)射采集門檻值、峰值定義時(shí)間、振鈴定義時(shí)間、振鈴閉鎖時(shí)間和最大持續(xù)時(shí)間等。例如:聲發(fā)射采集門檻值設(shè)為30dB，峰值定義時(shí)間設(shè)為200微秒，振鈴定義時(shí)間(Hit定義時(shí)間)設(shè)為800微秒，振鈴閉鎖時(shí)間(Hit閉鎖時(shí)間)設(shè)為100微秒，最大持續(xù)時(shí)間設(shè)為50暈秒。
[0023]進(jìn)一步的，上述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法中，所述方法包括如下步驟:
[0024](I)制備巖心樣品；
[0025](2)在材料試驗(yàn)機(jī)上安裝巖心樣品,將超聲波傳感器稱合固定于巖心上,并在巖心樣品上安裝軸向、徑向應(yīng)變規(guī)；
[0026](3)利用單芯同軸屏蔽電纜將超聲波傳感器與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接起來，并設(shè)定聲發(fā)射采集系統(tǒng)的相應(yīng)信道參數(shù)；將應(yīng)變規(guī)與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接起來；將材料試驗(yàn)機(jī)與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接起來；所述材料試驗(yàn)機(jī)的同步輸出參數(shù)(如應(yīng)力和位移)輸入聲發(fā)射采集系統(tǒng)的外參數(shù)輸入端；
[0027](4)利用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖心樣品進(jìn)行加載至破壞，并利用聲發(fā)射采集系統(tǒng)同步采集整個(gè)加載過程中的聲發(fā)射參數(shù)及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)；所述聲發(fā)射參數(shù)包括振鈴數(shù)、總振鈴數(shù)，總振鈴數(shù)上升時(shí)間參數(shù)；
[0028](5)聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)同步采集的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)、振鈴數(shù)參數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)其振鈴數(shù)量與時(shí)間關(guān)系、總振鈴數(shù)的上升形態(tài)判斷巖石的脆度。
[0029]對(duì)高剛度材料，材料試驗(yàn)機(jī)可采用合適加載方式獲得全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0030]上述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法，是從巖石脆度的實(shí)質(zhì)出發(fā)，基于巖石的聲發(fā)射特征對(duì)巖石的脆度進(jìn)行表征。
[0031]進(jìn)一步的，上述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法中，所述超聲波傳感器采集超聲波帶寬為50KHz-750KHz。進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)采樣頻率為10_40MHz。
[0032]進(jìn)一步的，上述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方法中，所述步驟(2)中，在巖心表面對(duì)稱安放2-6個(gè)超聲波傳感器。進(jìn)一步的，在巖心表面對(duì)稱安放4個(gè)超聲波傳感器。
[0033]本發(fā)明還提供一種利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置，它的特點(diǎn)是:所述裝置包括材料試驗(yàn)機(jī)、聲發(fā)射采集系統(tǒng)、超聲波傳感器、電纜；所述超聲波傳感器通過電纜與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接。所述電纜為單芯同軸屏蔽電纜。
[0034]所述材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行加載，超聲波傳感器監(jiān)測(cè)樣品發(fā)出的超聲波并將聲發(fā)射信號(hào)輸入聲發(fā)射采集系統(tǒng)，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)采集到的聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行處理。
[0035]所述利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置能夠?qū)r石的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采集、儲(chǔ)存、分析及處理。
[0036]利用上述裝置檢測(cè)巖石脆度的過程如下:所述材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行加載，超聲波傳感器同步接收樣品發(fā)出的超聲波并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，聲發(fā)射采集系統(tǒng)接收超聲波傳感器傳來的電信號(hào)并進(jìn)行處理，從而獲得聲發(fā)射參數(shù)，例如振鈴數(shù)及總振鈴數(shù)，并對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行處理，得到振鈴數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線，進(jìn)一步得到總振鈴數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線。振鈴數(shù)與樣品發(fā)出的超聲波相對(duì)應(yīng)，樣品發(fā)出的超聲波頻率越高，聲發(fā)射采集系統(tǒng)顯示的振鈴數(shù)越多。
[0037]進(jìn)一步的，上述的利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置中，所述裝置還包括應(yīng)變規(guī)，應(yīng)變規(guī)通過電纜與聲發(fā)射采集系統(tǒng)連接。材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行加載，超聲波傳感器監(jiān)測(cè)樣品發(fā)出的超聲波并將聲發(fā)射信號(hào)輸入聲發(fā)射采集系統(tǒng)，應(yīng)變規(guī)監(jiān)測(cè)樣品的應(yīng)變參數(shù)并將應(yīng)變信號(hào)輸入聲發(fā)射采集系統(tǒng)，所述材料試驗(yàn)機(jī)的同步輸出參數(shù)(如應(yīng)力和位移)輸入聲發(fā)射采集系統(tǒng)的外參數(shù)輸入端；所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)聲發(fā)射參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行處理。
[0038]進(jìn)一步的，上述的利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置中，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)同步采集聲發(fā)射參數(shù)及材料試驗(yàn)機(jī)壓力(應(yīng)力)參數(shù)、應(yīng)變規(guī)應(yīng)變參數(shù)。
[0039]進(jìn)一步的，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)采樣頻率為10-40MHZ。優(yōu)選的，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)采樣頻率為20-40MHZ。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)采樣頻率為30-40MHZ。
[0040]進(jìn)一步的，所述超聲波傳感器采集超聲波帶寬為50KHz-750KHz。
[0041]進(jìn)一步的，上述的利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置中，所述超聲波傳感器的尺寸小，頻帶范圍大。所述超聲波傳感器為圓柱形，采集超聲波帶寬為50KHz-750KHz。
[0042]進(jìn)一步的，上述的利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置中，所述材料試驗(yàn)機(jī)為500KN材料試驗(yàn)機(jī)；所述聲發(fā)射采集系統(tǒng)采樣頻率為10-40MHz，系統(tǒng)死時(shí)間短；所述超聲波傳感器為圓柱形，尺寸為:直徑8臟，高8臟，采集超聲波帶寬為50KHz-750KHz。
[0043]死時(shí)間是能夠?qū)蓚€(gè)事件(或脈沖)區(qū)分開的最小時(shí)間間隔。系統(tǒng)死時(shí)間主要由采集能力和電子處理能力決定。
[0044]聲發(fā)射采集系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)量極大。這就會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)過程中產(chǎn)生大量“死時(shí)間”(所有數(shù)據(jù)需要從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高速緩存器中，通過通訊接口轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器上。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移需要占用相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，在轉(zhuǎn)移過程中，整個(gè)采集系統(tǒng)處于關(guān)閉等待狀態(tài)，因此這段時(shí)間被稱為“死時(shí)間”)。但是，在巖石失穩(wěn)破壞階段，聲發(fā)射事件發(fā)生頻度可能達(dá)到每秒鐘上千次，可能產(chǎn)生的突發(fā)數(shù)據(jù)量將達(dá)到每秒幾百萬字節(jié)。從高速緩存器中把如此巨大的數(shù)據(jù)量高速轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)設(shè)備上，會(huì)由于存在大量的死時(shí)間而造成丟失大量的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，使后續(xù)分析產(chǎn)生很大偏差。因此需要系統(tǒng)死時(shí)間短。
[0045]本發(fā)明提供的利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的裝置具有以下優(yōu)點(diǎn):1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)要求低；2、適用范圍廣，能夠準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)各類巖性巖石的脆度。本發(fā)明提供的利用聲發(fā)射法檢測(cè)巖石脆度的方