一种定量分析岩石脆度的装置及方法与流程

本发明涉及地质开发领域，具体说涉及一种定量分析岩石脆度的装置及方法。

背景技术：

利用水力压裂对储层岩石进行改造是提高单井产量的重要手段，特别是对于渗透率极低的储层水力压裂更是其经济有效开发的基础。

在水里压裂工艺中，储层脆度是判断水力压裂能否在储层内形成复杂裂缝网络的基础，也是水力压裂工艺参数优化和压裂液优选的基础。

在现有技术中，一方面，针对页岩提出了脆度指数的概念并用于指导现场，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。

另一方面，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。其中，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，难以获得全应力-应变曲线，特别对于页岩更为如此。因此该方法的成功率不高。

综上，在现有技术中，针对岩石脆度的分析方法存在适用性不强、设备要求高、操作复杂以及成功率低等问题。因此，需要一种新的分析岩石脆度的装置及方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种定量分析岩石脆度的装置，所述装置包括：

样品容器，其配置为容纳岩心样品，所述样品容器上构造有开口和通孔；

超声波探头，其通过所述通孔定位安装在所述样品容器中的岩心样品上，配置为采集所述岩心样品的声发射信号；

声发射采集装置，其配置为根据所述声发射信号获取声发射参数；

材料试验装置，其配置为向所述样品容器内的所述岩心样品提供应力以破坏所述岩心样品；

径向应变规以及轴向应变规，其通过所述开口定位安装在所述样品容器的岩心样品上，配置为配合所述材料试验装置获取所述岩心样品的应力-应变参数；

数据分析装置，其配置为根据所述岩心样品被破坏过程中同步采集的所述声发射参数以及所述应力-应变参数定量分析岩石脆度。

在一实施例中，所述样品容器为中空的圆筒状。

在一实施例中，所述装置包括包含2个超声波探头，所述样品容器构造有两个通孔，两个所述通孔分别构造在所述样品容器的侧壁上部和下部。

在一实施例中，两个所述通孔正交分布。

在一实施例中，所述开口构造在所述样品容器的侧壁，所述开口的形状与所述径向应变规以及轴向应变规匹配。

在一实施例中，所述超声波探头的采集超声波带宽为50KHz-750KHz。

本发明还提出了一种定量分析岩石脆度的方法，所述方法包括：

制备岩心样品；

对所述岩心样品进行加载至破坏，在整个过程中同步采集所述岩心样品的声发射参数以及应力-应变参数；

根据所述声发射参数以及所述应力-应变参数分析所述岩心样品的岩石脆度。

在一实施例中，所述声发射参数包括超声波的波形、能量、上升时间参数。

在一实施例中，根据所述声发射参数以及所述应力-应变参数分析所述岩心样品的岩石脆度，其中，根据能量累计与时间关系曲线进行定性表征，并利用岩石发生宏观破坏前累计能量占比对岩石脆度进行定量分析。

在一实施例中，所述岩石脆度的定量分析模型为：

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

其中，B_i为岩石的脆度系数，E_AE1为达到宏观破坏前声发射累计能量值，E_AE2为岩石达到宏观破坏时声发射累计能量值。。

根据本发明的装置及方法能够快速、简便、准确地对各类岩心的岩石脆度进行定量分析。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的方法流程图；

图2是根据本发明一实施例的装置结构简图；

图3为根据本发明一实施例的典型脆性岩石声发射特征及定量评价图；

图4为根据本发明一实施例的典型非脆性岩石声发射特征及定量评价图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明提出了一种定量分析岩石脆度的方法。具体的，本发明的方法通过对岩石在被破坏过程中的声发射参数以及应力-应变参数进行分析以获取岩石脆度。接下来结合附图详细描述本发明的实施例的方法的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本发明一实施例中，如图1所示，首先制备岩心样品(步骤S110)。具体的，在本发明一实施例中，按照国际岩石力学协会岩石力学实验要求对岩心样品长度、平行度及其端面进行加工处理，制备得到标准岩心样品。

然后对所述岩心样品进行加载至破坏(步骤S120)。

在整个破坏过程中同步采集所述岩心样品的声发射参数以及应力-应变参数(步骤S130)。具体的，在一实施例中，声发射参数包括超声波的波形、能量、上升时间参数。进一步的，在一实施例中，应力-应变参数为应力-时间曲线。

最后根据声发射参数以及应力-应变参数分析所述岩心样品的岩石脆度(步骤S140)。具体的，在一实施例中，对同步采集的应力-应变参数、能量参数进行处理，根据能量累计与时间关系曲线进行定性表征，并利用岩石达到宏观破坏前累计能量占比对岩石脆度进行定量分析。

具体的，对于脆度强的岩石，前期声发射事件少，释放能量少，岩石破坏为爆发性破坏，岩石破坏前累计声发射能量少；对于脆度弱的岩石，声发射事件持续发生，岩石破坏为持续性微破坏，岩石破坏前累计声发射能量多。对于采集到的声发射能量等参数，通过计算岩石达到峰值前累计声发射能量占比，可对岩石的脆度进行定量分析。

即，岩石达到宏观破坏前发生微破坏越多，声发射释放能量越多，则累计声发射能量占比就越大，岩石脆度越低；而岩石达到宏观破坏前发生微破坏越少，声发射释放能量越少，则累计声发射能量占比就越小，岩石脆度越高；因此，从岩石脆度本质出发，在一实施例中，利用声发射参数定量分析岩石脆度的数学模型为：

其中，B_i为岩石的脆度系数，E_AE1为达到宏观破坏前声发射累计能量值，E_AE2为岩石达到宏观破坏时声发射累计能量值。

进一步的，在本发明一实施例中，基于历史数据，构造分析岩石脆度的量化模型如表1所示。

表1

本发明的方法从岩石破坏机理、岩石脆度的实质出发，利用岩石破坏前累计声发射能量占岩石破坏发生时累计能量占比，对岩石的脆度进行分析。相较于现有技术，本发明的脆度分析结果更加.准确、合理，本发明的方法具有更强的适应性。

基于本发明的方法，本发明提出了一种定量分析岩石脆度的装置。具体的，在本发明一实施例中，如图2所示，装置包括：

样品容器2，其配置为容纳岩心样品，样品容器上构造有开口和通孔；

超声波探头(3和4)，其通过通孔定位安装在样品容器2中的岩心样品上，配置为采集岩心样品的声发射信号；

声发射采集装置5，其配置为根据声发射信号获取声发射参数；

材料试验装置1，其配置为向样品容器内的岩心样品提供应力以破坏岩心样品；

径向/轴向应变规6，其通过开口定位安装在样品容器2中的岩心样品上，配置为与材料试验装置1配合获取岩心样品的应力-应变参数；

数据分析装置7，其配置为根据岩心样品被破坏过程中同步采集的声发射参数以及应力-应变参数定量分析岩石脆度。

具体的，在一实施例中，样品容器2为中空的圆筒状。装置包括包含2个超声波探头(3和4)。对应的，样品容器构造有两个通孔。具体的，在一实施例中，超声波探头为圆柱形，因此通孔为圆柱形(形状匹配超声波探头)。

由于通孔和开口用于在岩石样品上均匀布置超声波探头和应变规，因此在一实施例中，两个通孔分别构造在样品容器的侧壁上部和下部，且两个通孔正交分布。开口构造在样品容器的侧壁，开口的形状与径向应变规以及轴向应变规匹配。具体的，在一实施例中，开口高度为3厘米，角度为270度。

在一实施例中，在基于图2所示的装置进行岩石脆度分析时，首先按照图1所示的流程制备岩心样品；然后将岩心样品加载到样品容器2中；接着利用样品容器2上的通孔和开口在岩心样品上安装超声波探头(3和4)以及径向/轴向应变规6。

接下来利用材料试验装置1破坏样品容器2内的岩心样品，并同时采集岩心样品在破坏过程中的声发射参数以及应力-应变参数。具体的，超声波探头(3和4)同步接收岩心样品发出的超声波并转化为电信号；声发射采集装置5接收超声波探头(3和4)传来的电信号并进行处理，从而获得声发射参数。材料试验装置1采用万能材料试验机，其向岩心样品提供应力以破坏岩心样品。结合材料试验装置1的应力参数以及径向/轴向应变规6获取的应变参数获取岩心样品的应力-应变参数。

最后数据分析装置7利用声发射参数以及应力-应变参数进行岩石脆度分析。

相较于现有技术，本发明的装置简单、操作简便，对材料试验机刚度、伺服性能要求低，因而具有较高的实用价值和推广价值。

以下通过具体的实施环境说明本发明一实施例的具体实施过程。

在一实施例中，如图2所示，将超声波探头3和4通过定位耦合固定在样品容器2内的岩心样品上；将应变规6定位安置在样品容器2内的岩心样品上；将超声波探头3和4通过单芯同轴屏蔽电缆连接至声发射采集装置5，声发射采集装置5连接到数据分析装置7；同时将应变规6与数据分析装置7连接起来，并设定相应信道参数。

利用材料试验机1对岩心样品进行加载至破坏，对高刚度材料试验机可采用合适加载方式获得应力-时间曲线，结合应变规6获取的应变参数获取应力-应变参数。同步采集整个加载过程中的声发射参数，包括超声波的波形、能量、上升时间等参数。最终利用数据分析装置7进行岩石脆度分析。

具体的，在一实施例中，取长度为50mm、直径为25mm岩心样品进行单轴压缩实验，采用500KN材料试验装置；声发射采集装置采样频率40MHz；在岩心样品表面对称布置2个超声波探头，超声波探头尺寸为直径8mm，高8mm的圆柱形，带宽为50KHz-750KHz。

以下通过具体的实施环境说明本发明实施例的具体实施结果。

在一实施例中，对某地区页岩进行定量分析岩石脆度检测实验。

图3为本实施例的典型脆性岩石声发射特征及定量评价示意图，其中，横坐标是时间(单位：秒)，纵坐标是应力、能量、累计能量。如图3所示，破坏前期声发射事件极少，声发射能量和累计声发射能量为台阶式增长，宏观上岩石表现为突变式破坏，即声发射事件和能量主要在岩石破坏瞬间释放，岩石明显表现为脆性特征。具体的，在本实施例中，定量分析岩石脆度的数学模型为：

该检测结果与同步采集的利用峰值强度和残余强度表征的岩石脆度(脆度指数为100％)有很好的一致性，即本岩石为脆性岩石。同时现场水力压裂微地震监测表明该岩心所在目的层段水力压裂形成明显的复杂裂缝网络，压后产量拟合结果也进一步表明裂缝的复杂程度极高，表明岩石脆度高。

在另一实施例中，对某地区含砾砂岩进行定量分析岩石脆度检测实验。

图4为本实施例的典型非脆性岩石声发射特征及定量评价示意图。其中，横坐标是时间(单位：秒)，纵坐标是应力、能量、累计能量。如图4所示，声发射事件伴随岩石整个加载过程，微破坏持续发生，造成岩石发生宏观破坏前累计声发射释放能量多，岩石不发生爆发性破坏，明显表现为延性特征。在本实施例中，定量分析岩石脆度的数学模型为：

该检测结果与同步采集的利用峰值强度和残余强度表征的岩石脆度(脆度指数为5.04％)有很好的一致性，即本岩石为非脆性岩石。同时现场水力压裂微地震监测表明，该岩心所在层段水力压裂形成的为对称双翼缝，进一步表明岩石脆度较低。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。