本發(fā)明涉及地質(zhì)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，具體說(shuō)涉及一種定量分析巖石脆度的裝置及方法。

背景技術(shù)：

利用水力壓裂對(duì)儲(chǔ)層巖石進(jìn)行改造是提高單井產(chǎn)量的重要手段，特別是對(duì)于滲透率極低的儲(chǔ)層水力壓裂更是其經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

在水里壓裂工藝中，儲(chǔ)層脆度是判斷水力壓裂能否在儲(chǔ)層內(nèi)形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，也是水力壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化和壓裂液優(yōu)選的基礎(chǔ)。

在現(xiàn)有技術(shù)中，一方面，針對(duì)頁(yè)巖提出了脆度指數(shù)的概念并用于指導(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(méi)有反映巖石破壞的性質(zhì)，因此其適用性受到限制，即在某些區(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。

另一方面，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。其中，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，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。因此該方法的成功率不高。

綜上，在現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)巖石脆度的分析方法存在適用性不強(qiáng)、設(shè)備要求高、操作復(fù)雜以及成功率低等問(wèn)題。因此，需要一種新的分析巖石脆度的裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種定量分析巖石脆度的裝置，所述裝置包括：

樣品容器，其配置為容納巖心樣品，所述樣品容器上構(gòu)造有開(kāi)口和通孔；

超聲波探頭，其通過(guò)所述通孔定位安裝在所述樣品容器中的巖心樣品上，配置為采集所述巖心樣品的聲發(fā)射信號(hào)；

聲發(fā)射采集裝置，其配置為根據(jù)所述聲發(fā)射信號(hào)獲取聲發(fā)射參數(shù)；

材料試驗(yàn)裝置，其配置為向所述樣品容器內(nèi)的所述巖心樣品提供應(yīng)力以破壞所述巖心樣品；

徑向應(yīng)變規(guī)以及軸向應(yīng)變規(guī)，其通過(guò)所述開(kāi)口定位安裝在所述樣品容器的巖心樣品上，配置為配合所述材料試驗(yàn)裝置獲取所述巖心樣品的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)；

數(shù)據(jù)分析裝置，其配置為根據(jù)所述巖心樣品被破壞過(guò)程中同步采集的所述聲發(fā)射參數(shù)以及所述應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)定量分析巖石脆度。

在一實(shí)施例中，所述樣品容器為中空的圓筒狀。

在一實(shí)施例中，所述裝置包括包含2個(gè)超聲波探頭，所述樣品容器構(gòu)造有兩個(gè)通孔，兩個(gè)所述通孔分別構(gòu)造在所述樣品容器的側(cè)壁上部和下部。

在一實(shí)施例中，兩個(gè)所述通孔正交分布。

在一實(shí)施例中，所述開(kāi)口構(gòu)造在所述樣品容器的側(cè)壁，所述開(kāi)口的形狀與所述徑向應(yīng)變規(guī)以及軸向應(yīng)變規(guī)匹配。

在一實(shí)施例中，所述超聲波探頭的采集超聲波帶寬為50KHz-750KHz。

本發(fā)明還提出了一種定量分析巖石脆度的方法，所述方法包括：

制備巖心樣品；

對(duì)所述巖心樣品進(jìn)行加載至破壞，在整個(gè)過(guò)程中同步采集所述巖心樣品的聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)；

根據(jù)所述聲發(fā)射參數(shù)以及所述應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)分析所述巖心樣品的巖石脆度。

在一實(shí)施例中，所述聲發(fā)射參數(shù)包括超聲波的波形、能量、上升時(shí)間參數(shù)。

在一實(shí)施例中，根據(jù)所述聲發(fā)射參數(shù)以及所述應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)分析所述巖心樣品的巖石脆度，其中，根據(jù)能量累計(jì)與時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行定性表征，并利用巖石發(fā)生宏觀破壞前累計(jì)能量占比對(duì)巖石脆度進(jìn)行定量分析。

在一實(shí)施例中，所述巖石脆度的定量分析模型為：

$B_i=1-\frac{{\mathrm{\ΣE}}_{AE1}}{{\mathrm{\ΣE}}_{AE2}}$

其中，B_i為巖石的脆度系數(shù)，E_AE1為達(dá)到宏觀破壞前聲發(fā)射累計(jì)能量值，E_AE2為巖石達(dá)到宏觀破壞時(shí)聲發(fā)射累計(jì)能量值。。

根據(jù)本發(fā)明的裝置及方法能夠快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地對(duì)各類巖心的巖石脆度進(jìn)行定量分析。

本發(fā)明的其它特征或優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述。并且，本發(fā)明的部分特征或優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)說(shuō)明書(shū)而變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而被了解。本發(fā)明的目的和部分優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)或獲得。

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的方法流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的典型脆性巖石聲發(fā)射特征及定量評(píng)價(jià)圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的典型非脆性巖石聲發(fā)射特征及定量評(píng)價(jià)圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此本發(fā)明的實(shí)施人員可以充分理解本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過(guò)程并依據(jù)上述實(shí)現(xiàn)過(guò)程具體實(shí)施本發(fā)明。需要說(shuō)明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明提出了一種定量分析巖石脆度的方法。具體的，本發(fā)明的方法通過(guò)對(duì)巖石在被破壞過(guò)程中的聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行分析以獲取巖石脆度。接下來(lái)結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例的方法的實(shí)施過(guò)程。附圖的流程圖中示出的步驟可以在包含諸如一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行。雖然在流程圖中示出了各步驟的邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，如圖1所示，首先制備巖心樣品(步驟S110)。具體的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，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)巖心樣品長(zhǎng)度、平行度及其端面進(jìn)行加工處理，制備得到標(biāo)準(zhǔn)巖心樣品。

然后對(duì)所述巖心樣品進(jìn)行加載至破壞(步驟S120)。

在整個(gè)破壞過(guò)程中同步采集所述巖心樣品的聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)(步驟S130)。具體的，在一實(shí)施例中，聲發(fā)射參數(shù)包括超聲波的波形、能量、上升時(shí)間參數(shù)。進(jìn)一步的，在一實(shí)施例中，應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)為應(yīng)力-時(shí)間曲線。

最后根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)分析所述巖心樣品的巖石脆度(步驟S140)。具體的，在一實(shí)施例中，對(duì)同步采集的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)、能量參數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)能量累計(jì)與時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行定性表征，并利用巖石達(dá)到宏觀破壞前累計(jì)能量占比對(duì)巖石脆度進(jìn)行定量分析。

具體的，對(duì)于脆度強(qiáng)的巖石，前期聲發(fā)射事件少，釋放能量少，巖石破壞為爆發(fā)性破壞，巖石破壞前累計(jì)聲發(fā)射能量少；對(duì)于脆度弱的巖石，聲發(fā)射事件持續(xù)發(fā)生，巖石破壞為持續(xù)性微破壞，巖石破壞前累計(jì)聲發(fā)射能量多。對(duì)于采集到的聲發(fā)射能量等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算巖石達(dá)到峰值前累計(jì)聲發(fā)射能量占比，可對(duì)巖石的脆度進(jìn)行定量分析。

即，巖石達(dá)到宏觀破壞前發(fā)生微破壞越多，聲發(fā)射釋放能量越多，則累計(jì)聲發(fā)射能量占比就越大，巖石脆度越低；而巖石達(dá)到宏觀破壞前發(fā)生微破壞越少，聲發(fā)射釋放能量越少，則累計(jì)聲發(fā)射能量占比就越小，巖石脆度越高；因此，從巖石脆度本質(zhì)出發(fā)，在一實(shí)施例中，利用聲發(fā)射參數(shù)定量分析巖石脆度的數(shù)學(xué)模型為：

其中，B_i為巖石的脆度系數(shù)，E_AE1為達(dá)到宏觀破壞前聲發(fā)射累計(jì)能量值，E_AE2為巖石達(dá)到宏觀破壞時(shí)聲發(fā)射累計(jì)能量值。

進(jìn)一步的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，基于歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)造分析巖石脆度的量化模型如表1所示。

表1

本發(fā)明的方法從巖石破壞機(jī)理、巖石脆度的實(shí)質(zhì)出發(fā)，利用巖石破壞前累計(jì)聲發(fā)射能量占巖石破壞發(fā)生時(shí)累計(jì)能量占比，對(duì)巖石的脆度進(jìn)行分析。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的脆度分析結(jié)果更加.準(zhǔn)確、合理，本發(fā)明的方法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

基于本發(fā)明的方法，本發(fā)明提出了一種定量分析巖石脆度的裝置。具體的，在本發(fā)明一實(shí)施例中，如圖2所示，裝置包括：

樣品容器2，其配置為容納巖心樣品，樣品容器上構(gòu)造有開(kāi)口和通孔；

超聲波探頭(3和4)，其通過(guò)通孔定位安裝在樣品容器2中的巖心樣品上，配置為采集巖心樣品的聲發(fā)射信號(hào)；

聲發(fā)射采集裝置5，其配置為根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)獲取聲發(fā)射參數(shù)；

材料試驗(yàn)裝置1，其配置為向樣品容器內(nèi)的巖心樣品提供應(yīng)力以破壞巖心樣品；

徑向/軸向應(yīng)變規(guī)6，其通過(guò)開(kāi)口定位安裝在樣品容器2中的巖心樣品上，配置為與材料試驗(yàn)裝置1配合獲取巖心樣品的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)；

數(shù)據(jù)分析裝置7，其配置為根據(jù)巖心樣品被破壞過(guò)程中同步采集的聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)定量分析巖石脆度。

具體的，在一實(shí)施例中，樣品容器2為中空的圓筒狀。裝置包括包含2個(gè)超聲波探頭(3和4)。對(duì)應(yīng)的，樣品容器構(gòu)造有兩個(gè)通孔。具體的，在一實(shí)施例中，超聲波探頭為圓柱形，因此通孔為圓柱形(形狀匹配超聲波探頭)。

由于通孔和開(kāi)口用于在巖石樣品上均勻布置超聲波探頭和應(yīng)變規(guī)，因此在一實(shí)施例中，兩個(gè)通孔分別構(gòu)造在樣品容器的側(cè)壁上部和下部，且兩個(gè)通孔正交分布。開(kāi)口構(gòu)造在樣品容器的側(cè)壁，開(kāi)口的形狀與徑向應(yīng)變規(guī)以及軸向應(yīng)變規(guī)匹配。具體的，在一實(shí)施例中，開(kāi)口高度為3厘米，角度為270度。

在一實(shí)施例中，在基于圖2所示的裝置進(jìn)行巖石脆度分析時(shí)，首先按照?qǐng)D1所示的流程制備巖心樣品；然后將巖心樣品加載到樣品容器2中；接著利用樣品容器2上的通孔和開(kāi)口在巖心樣品上安裝超聲波探頭(3和4)以及徑向/軸向應(yīng)變規(guī)6。

接下來(lái)利用材料試驗(yàn)裝置1破壞樣品容器2內(nèi)的巖心樣品，并同時(shí)采集巖心樣品在破壞過(guò)程中的聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)。具體的，超聲波探頭(3和4)同步接收巖心樣品發(fā)出的超聲波并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；聲發(fā)射采集裝置5接收超聲波探頭(3和4)傳來(lái)的電信號(hào)并進(jìn)行處理，從而獲得聲發(fā)射參數(shù)。材料試驗(yàn)裝置1采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，其向巖心樣品提供應(yīng)力以破壞巖心樣品。結(jié)合材料試驗(yàn)裝置1的應(yīng)力參數(shù)以及徑向/軸向應(yīng)變規(guī)6獲取的應(yīng)變參數(shù)獲取巖心樣品的應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)。

最后數(shù)據(jù)分析裝置7利用聲發(fā)射參數(shù)以及應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行巖石脆度分析。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)剛度、伺服性能要求低，因而具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

以下通過(guò)具體的實(shí)施環(huán)境說(shuō)明本發(fā)明一實(shí)施例的具體實(shí)施過(guò)程。

在一實(shí)施例中，如圖2所示，將超聲波探頭3和4通過(guò)定位耦合固定在樣品容器2內(nèi)的巖心樣品上；將應(yīng)變規(guī)6定位安置在樣品容器2內(nèi)的巖心樣品上；將超聲波探頭3和4通過(guò)單芯同軸屏蔽電纜連接至聲發(fā)射采集裝置5，聲發(fā)射采集裝置5連接到數(shù)據(jù)分析裝置7；同時(shí)將應(yīng)變規(guī)6與數(shù)據(jù)分析裝置7連接起來(lái)，并設(shè)定相應(yīng)信道參數(shù)。

利用材料試驗(yàn)機(jī)1對(duì)巖心樣品進(jìn)行加載至破壞，對(duì)高剛度材料試驗(yàn)機(jī)可采用合適加載方式獲得應(yīng)力-時(shí)間曲線，結(jié)合應(yīng)變規(guī)6獲取的應(yīng)變參數(shù)獲取應(yīng)力-應(yīng)變參數(shù)。同步采集整個(gè)加載過(guò)程中的聲發(fā)射參數(shù)，包括超聲波的波形、能量、上升時(shí)間等參數(shù)。最終利用數(shù)據(jù)分析裝置7進(jìn)行巖石脆度分析。

具體的，在一實(shí)施例中，取長(zhǎng)度為50mm、直徑為25mm巖心樣品進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，采用500KN材料試驗(yàn)裝置；聲發(fā)射采集裝置采樣頻率40MHz；在巖心樣品表面對(duì)稱布置2個(gè)超聲波探頭，超聲波探頭尺寸為直徑8mm，高8mm的圓柱形，帶寬為50KHz-750KHz。

以下通過(guò)具體的實(shí)施環(huán)境說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的具體實(shí)施結(jié)果。

在一實(shí)施例中，對(duì)某地區(qū)頁(yè)巖進(jìn)行定量分析巖石脆度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖3為本實(shí)施例的典型脆性巖石聲發(fā)射特征及定量評(píng)價(jià)示意圖，其中，橫坐標(biāo)是時(shí)間(單位：秒)，縱坐標(biāo)是應(yīng)力、能量、累計(jì)能量。如圖3所示，破壞前期聲發(fā)射事件極少，聲發(fā)射能量和累計(jì)聲發(fā)射能量為臺(tái)階式增長(zhǎng)，宏觀上巖石表現(xiàn)為突變式破壞，即聲發(fā)射事件和能量主要在巖石破壞瞬間釋放，巖石明顯表現(xiàn)為脆性特征。具體的，在本實(shí)施例中，定量分析巖石脆度的數(shù)學(xué)模型為：

該檢測(cè)結(jié)果與同步采集的利用峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度表征的巖石脆度(脆度指數(shù)為100％)有很好的一致性，即本巖石為脆性巖石。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)表明該巖心所在目的層段水力壓裂形成明顯的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓后產(chǎn)量擬合結(jié)果也進(jìn)一步表明裂縫的復(fù)雜程度極高，表明巖石脆度高。

在另一實(shí)施例中，對(duì)某地區(qū)含礫砂巖進(jìn)行定量分析巖石脆度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖4為本實(shí)施例的典型非脆性巖石聲發(fā)射特征及定量評(píng)價(jià)示意圖。其中，橫坐標(biāo)是時(shí)間(單位：秒)，縱坐標(biāo)是應(yīng)力、能量、累計(jì)能量。如圖4所示，聲發(fā)射事件伴隨巖石整個(gè)加載過(guò)程，微破壞持續(xù)發(fā)生，造成巖石發(fā)生宏觀破壞前累計(jì)聲發(fā)射釋放能量多，巖石不發(fā)生爆發(fā)性破壞，明顯表現(xiàn)為延性特征。在本實(shí)施例中，定量分析巖石脆度的數(shù)學(xué)模型為：

該檢測(cè)結(jié)果與同步采集的利用峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度表征的巖石脆度(脆度指數(shù)為5.04％)有很好的一致性，即本巖石為非脆性巖石。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)表明，該巖心所在層段水力壓裂形成的為對(duì)稱雙翼縫，進(jìn)一步表明巖石脆度較低。

雖然本發(fā)明所公開(kāi)的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所述的方法還可有其他多種實(shí)施例。在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變或變形，但這些相應(yīng)的改變或變形都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。