用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置及其测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置及其测试方法，旨在解决常规页岩各向异性测量方法需要至少取心3次，无法真实的反映页岩真实地应力状态下各向异性的问题。所述装置包括：加压机构、声电测试机构、数据处理机构三部分组成，加压机构可以沿着XYZ三个方向施加不同的压力，更加真实的模拟地层条件下的页岩在地层条件下的应力状态。声电测试机构可以测量与页岩层理成0°、45°、90°时的声波和电阻率。通过测得的声波和电阻率信息得到页岩的声学、电学各向异性。本发明岩样获取简单，成功率高，测量结果真实可靠，可以为储层厚度的准确估算、含水饱和度的准确估算、压裂施工方案设计等提供参考依据。
【专利说明】
用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置及其测试方法
技术领域
[0001] 本发明属于石油勘探技术领域，尤其涉及一种用于真三轴条件下页岩各向异性测 试装置及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 页岩是黏土岩的一种，由于黏土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成有 微小矿物组成，粒径小于l/256mm，具有页状或薄片层里状，脆性强，透水性很差。复杂的地 质构造、埋藏深、地应力复杂以及成熟度不同是使得页岩各向异性强的原因。准确评价页岩 的各向异性对于认识页岩气储层的厚度、含水饱和度的估算，压裂施工中制定合适的闭合 压力，形成纵横交错的裂隙网络，确定合适的安全密度窗口从而对确保井壁稳定性等具有 重要的意义。
[0003] 页岩可以看作是横向各向同性介质，对于横向各向同性介质，共含有5个独立常 数，分别为〇11、(：13、〇33工44、〇66，其中，(311为第一弹性常数，(：13为第五弹性参数，〇33为第四弹 性常数，C 44为第二弹性常数，C66为第三弹性参数。目前，页岩各向异性5个独立的弹性力学 的获得参数主要有两种方法。第一种方法取出于层理面成0°、45°、90°的3块柱塞状页岩，分 别将柱塞样品放入岩心夹持器中施加相应的压力，测得纵横波波速，得到页岩的5个弹性参 数，进而根据纵横波波速得到页岩的各向异性参数。第二种方法是只取一块平行层理的柱 状岩样，第一、第二、第三波速的通过岩样顶端和底端两个声波收发装置获得，而第四和第 五波速则通过设置在岩样侧壁的声波收发装置获得。但是传统的方法存在一定的不足，首 先针对第一种方法，实验需要准备至少3个样品，且页岩脆性高，粘土矿物含量高易水化膨 胀，而在取心过程中必须用到水，容易造成页岩沿层理面破裂，与页岩层理成45°的岩样更 是很难获得，使得实验很难开展。页岩具有很强的非均质性，三个样品在矿物组成以及岩石 力学性质上会存在一定的差异，造成所得到的页岩各向异性无法真实的反应岩石的性质。 第二种方法采用一块样品就可以完成五种波速的测量，但是第四波速和第五波速是在无应 力条件下测得的，页岩微裂缝发育，在原地条件下裂缝呈现不同的形态，裂缝的闭合程度对 页岩的各向异性有重要影响，为了更好的指导压裂施工，更加真实的反应页岩的各向异性， 在用声波波速反应页岩各向异性的过程中要在原地有效应力下进行。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种在模拟地层条件下页岩所受应力状态下页岩的声学 和电学各向异性的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置及方法。
[0005] 本发明用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，所述的页岩呈立方体结构，包 括：
[0006] 沿XYZ三个方向分别模拟地层条件下的最小水平主应力、最大水平主应力、垂向应 力向测试页岩进行加压的加压机构；
[0007] 在与页岩层理成0°的两个相对的面上分别各自设置的一台声波引线座与一台电 阻率引线座，与在与页岩层理成90°的两个相面对的面上分别各自设置的一台声波引线座 与一台电阻率引线座，与在与页岩层理成45°的两个对向棱上分别各自设置的一台声波引 线座，以及与各所述的声波引线座通过导线连接的声波发射器，与各电阻率引线座通过导 线连接的电桥仪;所述的声波引线座、电阻率引线座、声波发射器、电桥仪组成声电测试机 构；
[0008] 还包括与所述的声波发射器、电桥仪、示波器分别连接的数据处理机构；
[0009] 所述的声波发射器发射声波，所述声波通过声波引线座垂直页岩层理面传播、平 行页岩层理面传播、与页岩层理面成45°传播，所述数据处理机构采集声波垂直页岩层理面 传播的横纵波速度、平行页岩层理面传播的横纵波速度、与页岩层理面成45°传播的纵波速 度；
[0010] 所述电桥仪通过所述的电阻率引线座得到垂直层理的页岩电阻、平行层理的页岩 的电阻，所述数据处理机构根据垂直层理的页岩电阻、平行层理的页岩电阻获得页岩的电 阻率各项异性指数。
[0011] 进一步地，所述的加压机构包括与所述页岩的6个面分别对应设置的加压板以及 与所述加压板一一对应，驱动所述加压板的加压栗。
[0012] 进一步地，页岩的对角棱上设有楔形凹槽，与在与页岩层理成45°的两台声波引线 座分别设置在所述的楔形凹槽内。
[0013] 本发明用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置的测试方法，所述的测试装置为 权利要求1至4任一所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，所述的测试方法包 括：
[0014] 选取页岩地层岩样，在所述的页岩的对角棱上加工楔形凹槽；
[0015] 加压机构首先沿着X轴施加压力;其次待压力稳定后加压机构沿着Z轴方向加载压 力;最后加压机构沿着Y轴加载压力;加压机构加载完毕后，稳定30分钟；
[0016] 首先声波沿着垂直层理页岩方向传播，同时在示波器上显示波形，记录声波传播 时间，计算得到垂直层理页岩纵横波速度Vp(90°)、V SH(90° );其次声波沿着平行层理页岩方 向传播，同时在示波器上显示波形，记录声波传播时间，计算得到平行层理的页岩的纵横波 波速V P(0°)、VSH(0°);最后声波沿着与页岩层理成45°方向传播，同时在示波器上显示波形， 记录声波传播时间，计算得到与页岩层理成45°时纵波的传播速度V P(45°);
[0017] 通过所述的传播速度VP(〇° )，VP(90°)，VP(45°)，VSH(90°)，VSH(0°)计算得到描述页 岩各向异性的5个独立常数，Cll、Cl3、C33、C44、C66，
[0018] 其中，Cn为第一弹性常数，C13为第五弹性参数，C33为第四弹性常数，C44为第二弹性 常数，c 66为第三弹性参数。对应的5个张量的表达式为
[0024]用沿对称轴方向传播的纵波、横波以及3个常数来表示宏观各向同性页岩的各向 异性，对应的参数分别为
[0026]
式中，P为体积密度，通过上述计算可以得到页岩在地 层真实地应力下的各向异性大小；
[0027] 电阻率各向异性测量:首先电桥仪的两个测量端口与电阻率引线座连接，首先得 到垂直层理页岩的电阻，计算得到页岩垂直层理的电阻率(Pv);然后得到平行层理的页岩 的电阻，计算得到平行层理的页岩的电阻率(Ph);
[0028]
，得到页岩的电阻率各向异性指数A。
[0029]进一步地，所述的页岩地层岩样为长宽高均为6cm的立方体岩样。
[0030] 本发明提供的用于真三轴条件下页岩各向异性测量装置及方法，与现有技术相 比，具有以下优势：
[0031] (1)可以沿着XYZ三个方向施加不同大小的有效应力，更加真实的反映地层条件下 页岩的应力状态，因此测得的页岩各向异性常量更加真实可信。
[0032] (2)传统的取柱塞状样品的过程中要用到水，而页岩遇水易膨胀造成取心率低，岩 样的浪费，采用方岩样可以沿着层理和垂直层理面直接切割成方形，样品制作方法简单。
【附图说明】
[0033] 图1是本发明实施提供的一种真三轴条件下页岩各向异性装置结构示意图；
[0034] 图2是本发明实施过程中页岩岩样的示意图；
[0035]图3是本发明采集控制的计算机软件框图；
[0036] 图中：1、4、9、11、17、18声波引线座；2、声波发射器;3、12、22、23、24、27加压栗;5、 10、16、19加压板;6、14、20、26连杆 ;7、15、21、25、电阻率引线座;8、方形页岩岩样；13、示波 器;28、计算机。
【具体实施方式】
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0038] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0039] 实施例1
[0040]本实施例用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，所述的页岩呈立方体结构， 包括：
[0041 ]沿XYZ三个方向分别模拟地层条件下的最小水平主应力、最大水平主应力、垂向应 力向测试页岩进行加压的加压机构；
[0042]在与页岩层理成0°的两个相对的面上分别各自设置的一台声波引线座与一台电 阻率引线座，与在与页岩层理成90°的两个相面对的面上分别各自设置的一台声波引线座 与一台电阻率引线座，与在与页岩层理成45°的两个对向棱上分别各自设置的一台声波引 线座，以及与各所述的声波引线座通过导线连接的声波发射器，与各电阻率引线座通过导 线连接的电桥仪;所述的声波引线座、电阻率引线座、声波发射器、电桥仪组成声电测试机 构；
[0043]还包括与所述的声波发射器、电桥仪、示波器分别连接的数据处理机构。
[0044] 本实施例的工作方式如下：
[0045] 首先，选取某页岩地层岩样，将岩样加工成长宽高均为6cm的方形岩样，在方形样 品的对角棱加工如图2所示的楔形凹槽。将方形岩样放入5、10、16、19加压板中，首先加压机 构3、6和加压机构20、23沿着X轴同时施加压力，待压力稳定后加压机构12、14和加压机构 26、27沿着Z轴方向加载压力，最后加压机构沿着Y轴加载压力。加压机构加载完毕后，稳定 30分钟。声波发射器发射声波沿着声波引线座4,通过岩心到达声波引线座18,同时在示波 器上显示波形，记录声波传播时间，计算得到垂直层理页岩纵横波速度V P(90°)、VSH(90°); 声波发射器2沿着导线传播到声波引线座1，声波沿着层理面传播到声波引线座11，示波器 显示波形得到平行层理的页岩的纵横波波速V P(0°)、VSH(0°)。声波发射器2发射声波沿着导 线到达声波引线座9，声波沿着与层理成45°传播到达声波引线座17，经过导线传播到示波 器14,得到与层理成45°时纵波的传播速度V P(45°)。
[0046] 通过VP(0°)，VP(90°)，VP(45°)，VSH(90°)，V SH(0°)计算得到描述页岩各向异性的5 个独立常数，Cll、Cl3、C33、C44、C66，其中，Cll为第一弹性常数，Cl3为第五弹性参数，C33为第四 弹性常数，C 44为第二弹性常数，C66为第三弹性参数。对应的5个张量的表达式为
[0052]进而运用Thomsen在1986年提出来的提出了用沿对称轴方向传播的纵波、横波以 及3个常数来表示宏观各向同性页岩的各向异性。对应的参数分别为
[0054] 式中，P为体积密度，通过上述计算可以得到页岩在地 j. 层真实地应力下的各向异性大小。
[0055]电阻率各向异性测量步骤：
[0056]首先将1、4、9、11、17、18引线座上的导线全部取掉，将电桥仪的两个测量端口与电 阻率引线座7、21连接，得到垂直层理页岩的电阻，进一步计算得到页岩垂直层理的电阻率 (Pv);将电桥仪的两个测量端口与电阻率引线座15、25连接，得到平行层理的页岩的电阻， 进而得到平行层理的页岩的电阻率(Ph);
，得到页岩的电阻率各向异性指 数入。
[0057]上述计算部分全部由基于VB编程语言编制的软件完成。
[0058] 实施例2
[0059] 本实施例用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置的测试方法，所述的测试装置 为上述实施例中所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，所述的测试方法包括：
[0060] 选取页岩地层岩样，所述的页岩地层岩样为长宽高均为6cm的立方体岩样。在所述 的页岩的对角棱上加工楔形凹槽；
[0061] 加压机构首先沿着X轴施加压力;其次待压力稳定后加压机构沿着Z轴方向加载压 力;最后加压机构沿着Y轴加载压力;加压机构加载完毕后，稳定30分钟；
[0062]首先声波沿着垂直层理页岩方向传播，同时在示波器上显示波形，记录声波传播 时间，计算得到垂直层理页岩纵横波速度Vp(90° )、VSH(90°);其次声波沿着平行层理页岩方 向传播，同时在示波器上显示波形，记录声波传播时间，计算得到平行层理的页岩的纵横波 波速V P(0°)、VSH(0°);最后声波沿着与页岩层理成45°方向传播，同时在示波器上显示波形， 记录声波传播时间，计算得到与页岩层理成45°时纵波的传播速度V P(45°);
[0063] 通过所述的传播速度VP(0° )，VP(90°)，VP(45°)，VSH(90°)，VSH(0°)计算得到描述页 岩各向异性的5个独立常数，Cll、Cl3、C33、C44、C66，
[0064]其中，Cn为第一弹性常数，C13为第五弹性参数，C33为第四弹性常数，C 44为第二弹性 常数，C66为第三弹性参数。对应的5个张量的表达式为
[0070]用沿对称轴方向传播的纵波、横波以及3个常数来表示宏观各向同性页岩的各向 异性，对应的参数分别为
[0072]
式中，P为体积密度，通过上述计算可以得到页岩在地 层真实地应力下的各向异性大小；
[0073] 电阻率各向异性测量:首先电桥仪的两个测量端口与电阻率引线座连接，首先得 到垂直层理页岩的电阻，计算得到页岩垂直层理的电阻率(Pv);然后得到平行层理的页岩 的电阻，计算得到平行层理的页岩的电阻率(Ph);
[0074]
，得到页岩的电阻率各向异性指数A。
[0075] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，所述的页岩呈立方体结构，其特征 在于，包括： 沿XYZ三个方向分别模拟地层条件下的最小水平主应力、最大水平主应力、垂向应力向 测试页岩进行加压的加压机构； 在与页岩层理成0°的两个相对的面上分别各自设置的一台声波引线座与一台电阻率 引线座，与在与页岩层理成90°的两个相面对的面上分别各自设置的一台声波引线座与一 台电阻率引线座，与在与页岩层理成45°的两个对向棱上分别各自设置的一台声波引线座， 以及与各所述的声波引线座通过导线连接的声波发射器，与各电阻率引线座通过导线连接 的电桥仪;所述的声波引线座、电阻率引线座、声波发射器、电桥仪组成声电测试机构； 还包括与所述的声波发射器、电桥仪、示波器分别连接的数据处理机构； 所述的声波发射器发射声波，所述声波通过声波引线座垂直页岩层理面传播、平行页 岩层理面传播、与页岩层理面成45°传播，所述数据处理机构采集声波垂直页岩层理面传播 的横纵波速度、平行页岩层理面传播的横纵波速度、与页岩层理面成45°传播的纵波速度； 所述电桥仪通过所述的电阻率引线座得到垂直层理的页岩电阻、平行层理的页岩的电 阻，所述数据处理机构根据垂直层理的页岩电阻、平行层理的页岩的电阻获得页岩的电阻 率各项异性指数。2. 根据权利要求1所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，其特征在于，所述 的加压机构包括与所述页岩的6个面分别对应设置的加压板以及与所述加压板一一对应， 驱动所述加压板的加压栗。3. 根据权利要求1所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，其特征在于，页岩 的对角棱上设有楔形凹槽，与在与页岩层理成45°的两台声波引线座分别设置在所述的楔 形凹槽内。4. 根据权利要求1所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，其特征在于，所述 数据处理机构为计算机。5. -种用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置的测试方法，其特征在于，所述的测 试装置为权利要求1至4任一所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置，所述的测试 方法包括： 选取页岩地层岩样，在所述的页岩的对角棱上加工楔形凹槽； 加压机构首先沿着X轴施加压力；其次待压力稳定后加压机构沿着Z轴方向加载压力； 最后加压机构沿着Y轴加载压力;加压机构加载完毕后，稳定30分钟； 首先声波沿着垂直层理页岩方向传播，同时在示波器上显示波形，记录声波传播时间， 计算得到垂直层理页岩纵横波速度Vp(90° )、VSH(90°);其次声波沿着平行层理页岩方向传 播，同时在示波器上显示波形，记录声波传播时间，计算得到平行层理的页岩的纵横波波速 V P(0°)、VSH(0°);最后声波沿着与页岩层理成45°方向传播，同时在示波器上显示波形，记录 声波传播时间，计算得到与页岩层理成45°时纵波的传播速度V P(45°); 通过所述的传播速度VP(0°)，VP(90°)，VP(45°)，V SH(90°)，VSH(0°)计算得到描述页岩各 向异性的5个独立常数，Cn、C13、C33、C44、C66， 其中，Cn为第一弹性常数，C13为第五弹性参数，C33为第四弹性常数，C44为第二弹性常 数，C66为第三弹性参数。对应的5个张量的表达式为用沿对称轴方向传播的纵波、横波以及3个常数来表示宏观各向同性页岩的各向异性， 对应的参数分别为式中，p为体积密度，通过上述计算可以得到页岩在地层真 实地应力下的各向异性大小； 电阻率各向异性测量:首先电桥仪的两个测量端口与电阻率引线座连接，首先得到垂 直层理页岩的电阻，计算得到页岩垂直层理的电阻率(Pv);然后得到平行层理的页岩的电 阻，计算得到平行层理的页岩的电阻率(Ph);，得到页岩的电阻率各向异性指数A。6.根据权利要求4所述的用于真三轴条件下页岩各向异性测试装置的测试方法，其特 征在于，所述的页岩地层岩样为长宽高均为6cm的立方体岩样。
【文档编号】G01N3/06GK106053231SQ201610565444
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】李相臣, 白佳佳, 康毅力, 杨斌, 陈益滨, 闫霄鹏, 张敬逸
【申请人】西南石油大学