CN103344705A - 一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用声发射能量值测定岩石脆性的方法，该方法包括：对待测岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻所述待测岩样的声发射能量值；累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻所述待测岩样的声发射能量值，获得该待测岩样的声发射累积能量值；根据所建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，利用所述待测岩样的声发射累积能量值，确定该待测岩样的岩石脆性指数。本发明方法基于声发射现象为岩石脆性的一种直观反映的原理对岩石脆性进行测定，提高了岩石脆性评价的准确性和合理性。

Description

一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，具体地，涉及一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法。

背景技术

岩石脆性是岩石的固有力学属性，决定了地层的可钻性和体积压裂改造的可实施性。关于岩石脆性目前尚未形成成熟统一的测定方法及评价标准，例如目前应用较广泛的是脆性矿物含量法和岩石力学法；其中，脆性矿物含量法是通过测定岩石矿物含量分析岩石脆性，但这种方法忽略了岩石内部结构、载荷加载历史以及矿物非均质性对岩石脆性的影响；岩石力学法是通过测定岩石力学参数来分析岩石脆性，这种方法利用的弹性模量和泊松比等参数与岩石脆性指数同为岩石的力学性质，三者之间的相关性还有待明确验证。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法，以提供一种通过研究岩石在三轴应力作用下发生的声发射现象来分析岩石脆性的技术。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种应用声发射能量值测定岩石脆性的方法，包括：

对待测岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻所述待测岩样的声发射能量值；

累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻所述待测岩样的声发射能量值，获得该待测岩样的声发射累积能量值；

根据所建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，利用所述待测岩样的声发射累积能量值，确定该待测岩样的岩石脆性指数；

其中，所述声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型按照如下方法建立：

对标准岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻标准岩样的声发射能量值；

累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻标准岩样的声发射能量值，获得标准岩样的声发射累积能量值；

利用参考方法获取标准岩样的脆性指数；所述参考方法为脆性矿物含量法和/或岩石力学法；

利用统计学方法，将所述标准岩样的声发射累积能量值与标准岩样的脆性指数进行数学拟合，得到声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型。

借助于上述技术方案，本发明根据声发射现象是岩石脆性的一种直观反映的原理，应用声发射技术采集标准岩样发生脆性破裂时的声发射累积能量值，根据参考方法获得标准岩样的脆性指数，并利用统计学方法，对标准岩样的声发射累积能量值和脆性指数进行数学拟合，得到声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，然后利用该声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型及待测岩样的声发射累积能量值，确定待测岩样的脆性指数；相比于现有技术，本发明方法操作简单，精确度高，提高了岩石脆性评价的准确性和合理性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的利用岩石三轴压缩实验机和声发射测试系统进行实验的原理示意图；

图3是本发明实施例二提供的应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法流程示意图；

图4是本发明实施例二提供的声发射累积能量值与岩石脆性指数之间的半对数关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

岩石微裂纹开裂和宏观开裂是岩石脆性的表观形象，也是岩石释放的弹性能转化为声能的过程，在此过程中有声发射现象发生，本发明提出了利用声发射技术采集岩石在围压条件下三轴压缩过程中的声发射能量值来分析岩石脆性。

实施例一

本实施例提供一种应用声发射能量值测定岩石脆性的方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S11，对待测岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻所述待测岩样的声发射能量值；

步骤S12，累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻所述待测岩样的声发射能量值，获得该待测岩样的声发射累积能量值；

步骤S13，根据所建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，利用所述待测岩样的声发射累积能量值，确定该待测岩样的岩石脆性指数；

其中，所述声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型按照如下方法建立：

对标准岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻标准岩样的声发射能量值；

累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻标准岩样的声发射能量值，获得标准岩样的声发射累积能量值；

利用参考方法获取标准岩样的脆性指数；所述参考方法为脆性矿物含量法和/或岩石力学法；

利用统计学方法，将所述标准岩样的声发射累积能量值与标准岩样的脆性指数进行数学拟合，得到声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型。

具体的，本实施例中对待测岩样或标准岩样进行的围压条件下岩石三轴压缩实验，可通过岩石三轴压缩实验机和声发射测试系统实现。如图2所示为本实施例利用岩石三轴压缩实验机和声发射测试系统进行岩石三轴压缩实验的原理示意图，其中，岩石三轴压缩实验机主要由计算机201、轴压伺服加载系统202、围压伺服加载系统203、液压源204、加压缸205、橡胶套206、密封圈207、轴压传感器208、围压传感器209、轴向引伸计210和径向引伸计211组成，声发射测试系统由声发射仪212和声发射探头213组成。

利用岩石三轴压缩实验机和声发射测试系统对待测岩样或标准岩样进行的围压条件下岩石三轴压缩实验的具体过程为：

步骤SA1，将待测岩样/标准岩样用热缩套包裹后放置于橡胶套206中；

步骤SA2，在待测岩样/标准岩样上安装轴向引伸计210、径向引伸计211和声发射探头213；

步骤SA3，在计算机201中设置围压加载值和轴压加载值；

步骤SA4，计算机201控制围压伺服加载系统203通过加压缸205以一设定加载速率均匀地给待测岩样/标准岩样施加围压至设定的围压加载值并保持恒定；然后计算机201控制轴压伺服加载系统202通过加压缸205以一设定加载速率均匀地给待测岩样/标准岩样施加轴向载荷至设定的轴压加载值并保持恒定；

步骤SA5，利用声发射探头213采集待测岩样/标准岩样在受载过程中各时刻发出的声波信号，并将采集结果传输给声发射仪212，声发射仪212通过对各时刻待测岩样/标准岩样的声波信号进行分析处理后得到相应的声发射能量值，并累积计算从开始施加载荷至屈服破坏期间内各时刻待测岩样/标准岩样的声发射能量值，最终以声发射信号随时间变化的曲线或TXT文件的形式输出待测岩样/标准岩样的声发射累积能量值。

本实施例中，待测岩样为从待测岩石上钻取岩心并经过精细加工后得到的，例如，在待测岩石上钻取直径为25mm岩心样品，切至50mm长；用砂轮磨光端面，使沿样品整个高度的直径误差不超过0.3mm、两端面不平行度误差最大不超过0.05mm、端面不平整度误差最大不超过0.02mm、端面应垂直轴线，其最大偏差不超过0.25°；烘干8小时，温度控制在104℃。

本实施例中，标准岩样为从选取的具有代表性的标准岩石上钻取岩心并经过精细加工后得到的，例如，在选取的标准岩石上钻取直径为25mm岩心样品，切至50mm长；用砂轮磨光端面，使沿样品整个高度的直径误差不超过0.3mm、两端面不平行度误差最大不超过0.05mm、端面不平整度误差最大不超过0.02mm、端面应垂直轴线，其最大偏差不超过0.25°；烘干8小时，温度控制在104℃。

此外，本实施例需要对大量的标准岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，才能获取一定规模数量的岩石脆性指数数据，从而所建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型才能够更真实地反映岩石脆性与声发射累积能量值之间的关系。在此过程中，由于在岩石三轴压缩实验中标准岩样会被一次性破坏，为了确保实验中所用的大量标准岩样具有可对比性，对实验中采用的标准岩样有一定的要求，例如，对于一组对比岩心，X光衍射全岩定量分析实验、三轴压缩测试实验与应用声发射能量值测定岩石脆性指数所用岩心，均取自相同的层位、深度和钻取方向。

为了保证本发明所建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型能够较真实地反映岩石脆性与声发射累积能量值之间的关系，并确保本发明建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型与现有的研究岩石脆性的方法具有可参照性，本实施例选择当前应用较广泛的脆性矿物含量法和/或岩石力学法作为参考方法去获取标准岩样的脆性指数。例如，仅利用脆性矿物含量法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到标准岩样的脆性指数；或者，仅利用岩石力学法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到标准岩样的脆性指数；或者，同时利用脆性矿物含量法和岩石力学法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到分别依据两种方法测得的参考脆性指数，再根据实际经验对两种参考脆性指数设定权重，最终对所述两种参考脆性指数进行加权平均计算，得到标准岩样的脆性指数。

本实施例根据声发射能量值是岩石脆性的一种直观反映的原理，应用声发射技术采集标准岩样发生脆性破裂时的声发射累积能量值，根据参考方法获得标准岩样的脆性指数，并利用统计学方法，对标准岩样的声发射累积能量值和脆性指数进行数学拟合，得到声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，然后利用该声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型及待测岩样的声发射累积能量值，确定待测岩样的脆性指数；相比于现有技术，本方法操作简单，精确度高，提高了岩石脆性评价的准确性和合理性。

实施例二

本实施例提供一具体应用声发射能量值测定岩石脆性的实施例，如图3所示，该方法如下：

步骤S31，在相同层位和深度处，沿同一钻取方向取三块岩心为一组；

步骤S32，在不同的深度处，重复步骤S31，获得14组岩心；

步骤S33，对步骤S32获得的14组岩心精加工，获得14组标准岩样，每组的标准岩样编号分别为1号、2号和3号；

步骤S34，利用岩石力学法对14组标准岩样中的1号岩样进行岩石脆性分析，测得抗压强度、弹性模量及泊松比，进而获得这14个1号岩样对应的岩石脆性指数；利用脆性矿物含量法对14组标准岩样中的2号岩样进行岩石脆性分析，测得这14个2号岩样对应的石英含量，进而获得这14个2号岩样对应的岩石脆性指数；针对每一组岩样，根据设定的权重，对1号岩样对应的岩石脆性指数和2号岩样对应的岩石脆性指数进行加权平均计算，最终得到14组标准岩样的脆性指数；

步骤S35，对14组标准岩样中的3号岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，最终获得14组标准岩样对应的声发射累积能量值；

步骤S36，将步骤S34得到的14组标准岩样的脆性指数与步骤S35得到的14组标准岩样对应的声发射累积能量值进行拟合，建立声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型及相应的岩石脆性评价标准，声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型如下所示：

$\mathrm{Bi}=\frac{1g\left(E_{\mathrm{AE}}\right)}{0.0494}+9.0769$ （公式1）

公式1中，E_AE为声发射累积能量值；Bi为岩石的脆性指数。

图4为该声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型反映的声发射累积能量值与岩石脆性指数之间的半对数关系。

基于现有的脆性矿物含量法和岩石力学法中岩石脆性的评价标准，本实施例还制作出如下表所示的岩石脆性评价标准：

表1围压下声发射能量法岩石脆性评价标准

步骤S37，对待测岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，最终获得该待测岩样的声发射累积能量值；

步骤S38，根据步骤S36中建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，利用步骤S37获得的该待测岩样的声发射累积能量值，确定该待测岩样的岩石脆性指数；

步骤S39，根据步骤S36建立的岩石脆性评价标准，利用步骤S38中确定的该待测岩样的岩石脆性指数，对该待测岩样进行岩石脆性评价。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用声发射能量值测定岩石脆性指数的方法，其特征在于，包括：

对待测岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻所述待测岩样的声发射能量值；

累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻所述待测岩样的声发射能量值，获得该待测岩样的声发射累积能量值；

根据所建立的声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型，利用所述待测岩样的声发射累积能量值，确定该待测岩样的岩石脆性指数；

其中，所述声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型按照如下方法建立：

对标准岩样进行围压条件下岩石三轴压缩实验，采集各时刻标准岩样的声发射能量值；

累积从开始施加载荷至屈服破坏期间各时刻标准岩样的声发射能量值，获得标准岩样的声发射累积能量值；

利用参考方法获取标准岩样的脆性指数；所述参考方法为脆性矿物含量法和/或岩石力学法；

利用统计学方法，将所述标准岩样的声发射累积能量值与标准岩样的脆性指数进行数学拟合，得到声发射累积能量值-岩石脆性指数数学模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用参考方法获取标准岩样的脆性指数，具体为：

利用脆性矿物含量法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到标准岩样的脆性指数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用参考方法获取标准岩样的脆性指数，具体为：

利用岩石力学法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到标准岩样的脆性指数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用参考方法获取标准岩样的脆性指数，具体为：

利用脆性矿物含量法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到第一参考脆性指数；

利用岩石力学法对标准岩样进行岩石脆性分析，得到第二参考脆性指数；

根据设定权重，对所述第一参考脆性指数和第二参考脆性指数进行加权平均计算，得到标准岩样的脆性指数。

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