轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测方法与流程

本发明属于石油与天然气工程领域，涉及油气田开采技术的室内实验评价，尤其是一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测方法。

背景技术：

常规的水力压裂模拟实验原理为在围压和轴压下，通过压裂液注入管线向岩心内注入压裂液，同时外部传感器监测载荷应力与泵压，记录不同三轴应力实验条件下泵压与时间的曲线，用以研究三轴应力与水力压裂破裂压力的关系。

常规方法只能提供端面上一套轴压加载，而实际地质状况在天然裂缝的扰动下，地应力并不是一定值，而且实际地层岩石受力状态可能是扭曲、剪切等复杂的情况，因此传统技术方法只能模拟岩石单一受力状态下，无法模拟岩石扭曲或剪切受力状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测系统及其评价方法，以测定全直径岩心在三轴应力状态下水压致裂过程中水力裂缝的声学参数。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测方法，在同一岩心端面上施加两套以上不同的载荷，每套载荷的数值及比例单独调节，每套载荷均与超声波探头连接，通过超声波探头探测岩心全直径范围内水压裂缝的延伸状况。

实现该检测方法的检测系统包括岩心夹持器、超声波检测系统、液压加载荷系统以及压裂液注入系统，所述的液压加载荷系统包括两套轴压加载装置，一套围压加载装置及液压泵，液压泵分别连接两套轴压加载装置，一套围压加载装置，所述的轴压加载装置是一对半圆形的压砧，分别对称安装在岩心夹持器内柱形岩心半部的顶面及底面；两套轴压加载装置恰能覆盖整个岩心的端面，在压砧与岩心接触的面制有凹槽，在凹槽内嵌装超声探头。

一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1)在岩心端面钻取小孔，插入压裂液注入管并固定，在底部压砧端面上的超声波探头处涂抹耦合剂后装入岩心夹持器，再装入岩心；

(2)在顶部压砧端面上的超声波探头处适量涂抹耦合剂，将顶部压砧装入岩心夹持器，确保固定在岩心中的压裂液注入管线能穿过顶部压砧中心孔眼；

(3)连接液压、气压管线和超声波发射、接收电缆以及压裂液注入管线；

(4)操作可控阀门，在岩心两端加载少量轴压，再打开气压管线，声波探头在气压作用下会与岩心端面进一步良好耦合，随后加载围压至设定压力，最后操作阀门，加载轴压至设定载荷，静置岩心1小时，待岩心充分变形；

(5)打开超声波发射\接收系统，调整示波器直至能显示出明显的特征波形，再开动平流泵，以恒定流速向岩心内泵入压裂液，当岩心被压开后，多余的压裂液会由底部压砧中心部位的小孔流出；

(6)记录三轴应力随时间变化的曲线，直接读出岩心在该三轴应力条件下的破裂压力，同时根据不同时间点示波器中横、纵波波速和波形振幅的记录，描述不同时间段内水力裂缝从形成直至完全贯穿岩心的过程。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明与常规的全直径岩心水压致裂实验相比，不是直接将单一的轴向载荷作用于岩心端面，而是采用两个具有独立液压供给通道的半圆形压砧，实现在同一岩心端面上施加两套不同的载荷，并且两套载荷的数值、比例可任意调节，填补了现有技术无法实现岩心轴压独立加载的空白。

2、本发明在每个半圆形压砧端部安装了超声波激发\接收探头，共计四只超声波激发\接收两用探头，在保证声束覆盖整个全直径岩心的同时，又保证声束相对集中，满足横向分辨率的需要。

3、本实验系统以及评价方法引入了岩心物理学实验方法，从应力加载方式和裂缝检测方法这两方面扩展了传统三轴应力水力压裂模拟实验，不仅能够实现岩心端面的均值加载，还能够提供两套独立的轴压加载，模拟岩石受剪切力或扭曲力条件下的状态。

4、本实验系统以及评价方法通过独立式的轴压加载方式，能够实现对裂缝较为发育地层中应力传递方式的模拟。

5、本发明是一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测系统及评价方法，该系统设计科学合理，评价方法准确，具有较高的创造性。

附图说明

图1为本系统连接原理图；

图2为加载后四个探头的控制区域示意图；

图3为同轴压加载探头1探测的声幅数据；

图4为同轴压加载探头2探测的声幅数据；

图5为同轴压加载探头3探测的声幅数据；

图6为同轴压加载探头4探测的声幅数据；

图7为独立轴压加载探头1探测的声幅数据；

图8为独立轴压加载探头2探测的声幅数据；

图9为独立轴压加载探头3探测的声幅数据；

图10为独立轴压加载探头4探测的声幅数据。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测系统，包括岩心夹持器3、超声波检测系统、液压加载荷系统以及压裂液注入系统。

所述的超声波检测系统包括计算机1、示波器2、超声信号电缆11及超声探头10，计算机连接示波器，示波器通过超声电缆连接四个超声探头。

所述的压裂液注入系统包括平流泵5及压裂液注入管12，平流泵连接压裂液注入管，压裂液注入管从岩心的顶面中心插入到岩心内。

所述的液压加载荷系统包括两套轴压加载装置，一套围压加载装置及液压泵4，液压泵分别连接两套轴压加载装置，一套围压加载装置，所述的围压加载装置为在岩心夹持器的外圆柱面套装胶筒6，胶筒通过液压阀8及液压管线7连接液压泵，所述的轴压加载装置是一对半圆形的压砧9，分别对称安装在岩心夹持器内柱形岩心半部的顶面及底面；两套轴压加载装置恰能覆盖整个岩心的端面。压砧通过液压阀及液压管线连接液压泵。在每个压砧上与岩心接触的面均制有一凹槽，在凹槽内嵌装超声探头。

本系统按模拟三轴应力条件，平流泵5通过压裂液注入管线向岩心内输送压裂液并产生裂纹，超声探头10检测到裂纹，通过信号电缆11传递至示波器2，最终传递至与其相连计算机1并记录数据，压裂岩心的液体最终由放空管线13放出。

本发明的创新点在于：

1、两套轴压加载装置可在同一岩心端面上产生两套不同的轴压，且两套轴压数值及比例可任意调节。当加载轴压时，通过操作液压阀门，同侧上、下两只压砧9在液压作用下产生小量相对位移，对岩心施加一定载荷，之后通过操作液压阀门，可连通液压泵与另一侧的上、下两只压砧，在岩心另一侧端面上产生另一套轴向载荷。

2、在压砧9端面上加工有凹槽，内嵌超声探头10，所述超声探头为激发\接收两用探头，并且可激发\接收横波与纵波，波型的切换可由操作计算机上安装的配套软件实现。因为在同一端面上采用两只超声探头10，因此既保证了超声声束对岩心直径方向上的横向覆盖，又能保证单一声束相对集中以提高横向分辨率，对水力裂缝形成的监测具有重要意义。所述超声探头不能同时处于激发和接收模式，也不能同时发射横波和纵波。

本发明采用的工装均为本领域的常规装置，因此没有具体描述其结构。

一种轴向应力独立加载的全直径岩心水压致裂超声波检测系统测试方法，其具体步骤如下：

1、按照直径10cm，长度10～15cm的尺寸规格加工实验岩心，在岩心断面上钻取直径0.7cm的注液孔，随后安装注液管并将其固定。

2、将压砧9端面上的超声探头4涂抹适当水基耦合剂，并将底部压砧安装在岩心夹持器3底部，随后装入岩心。

3、安装顶部压砧，连接液压管线和超声信号电缆。

4、用液压泵传递液压至压砧，对岩心施加少量轴向载荷，使压砧端面与岩心端面进一步耦合，之后加载设计围压和轴压，稳定1小时等待岩心充分变形。

5、打开超声激发\接收探头10，通过计算机1控制和切换两组探头的横纵波发射及接收，观察示波器上波形变化，调整波形相位及振幅显示，读取两组探头的横纵波波速及振幅，并记录数据。

图3～图10反映了每一只探头波及范围内的超声波幅值和应力的关系。当应力增强，超声波速和幅值均随应力升高而增长，但如果岩心强度不足或天然存在内部缺陷时，就会在高应力条件下产生破裂，此时声速和声波振幅都会，明显下降。

同轴加载时，如图3-6所示，四个探头面所加载的应力相同，其中探头1和探头2反映了超声波幅值随应力的增高先升后降，说明在应力加载到20mpa左右时岩心内部出现破裂，阻碍了声波的传播；探头3和4一侧，声波幅值随应力增长稳定上升，因此说明破坏仅集中在探头1、2一侧。

独立加载时，两侧应力不一样，探头1、2和探头3、4分别反映了不同应力条件下，岩心的完整度。从图7-10中可以看出，探头1、2一侧的应力较低，仅加载到15mpa便不再提升。在探头3、4一侧，当应力加载到20mpa左右时，声波幅值出现明显降低，说明在高应力一侧，岩心内部出现破坏。