CN104237385A - 利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法，包括：圆柱密封容器、位于所述容器内的页岩岩心、以及填充在所述容器内壁与所述页岩岩心之间的混凝土；所述容器的端面上具备通孔，所述容器的外侧壁上设置有声发射探头，以通过所述通孔在所述页岩岩心上钻孔并向孔眼内泵注液体，从而利用所述声发射探头采集的声发射信号，获得用于对所述页岩岩心的可压性进行评价的裂缝随时间演化的空间展布。通过本发明提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法，能够直观、可靠地观察页岩压裂后的缝网形态，进而对所述页岩岩心的可压性进行准确可靠的评价。

Description

利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及石油开发领域，尤其涉及一种利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法。 

背景技术

页岩气储层基质渗透率超低、天然裂隙发育，体积压裂是页岩气增产的重要手段，即在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，提高初始产量和最终采收率。因此，判断页岩形成缝网能力，即页岩可压性是页岩气体积压裂的基础。 

目前，一般通过脆性来评价页岩的可压性，即脆性指数较高的储层一般硬脆，能迅速形成复杂的网状裂缝。也就是说，目前评价可压性的方法多数是建立在页岩脆性评价的基础上，但脆性并不等于可压性，脆性是可压性的必要而不充分条件，而且不够直观、可靠，不能直接观察页岩压裂后的缝网形态。因此，通过现有的测试方案不能准确地对页岩的可压性进行评价。 

发明内容

本发明提供一种利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法，用于解决现有的测试方案不能准确地对页岩的可压性进行评价的技术问题。 

本发明的第一个方面是提供利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置，包括：圆柱密封容器、位于所述容器内的页岩岩心、以及填充在所述容器内壁与所述页岩岩心之间的混凝土； 

所述容器的端面上具备通孔，所述容器的外侧壁上设置有声发射探头，以通过所述通孔在所述页岩岩心上钻孔并向孔眼内泵注液体，从而利用所述声发射探头采集的声发射信号，获得用于对所述页岩岩心的可压性进行评价 的裂缝随时间演化的空间展布。 

本发明的另一个方面是提供一种使用前述的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置，利用声发射评价页岩储层可压性的测试方法，包括： 

通过位于容器端面上的通孔，在所述页岩岩心上钻孔，形成孔眼； 

通过所述通孔，向所述孔眼中泵注液体，并利用设置在所述容器外壁上的声发射探头，采集所述页岩岩心因水力至裂产生的声发射信号； 

根据所述声发射信号，利用声发射数量的多少，对所述页岩岩心由于水力压裂产生的裂缝数量进行初步地定性表征； 

根据所述声发射信号，利用声发射定位，对所述页岩岩心的裂缝形态进行定量表征，获得裂缝随时间演化的空间展布。所述空间展布及声发射数量用于对所述页岩岩心的可压性进行综合评价。 

本发明提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置及方法中，所述测试装置包括位于圆柱密封容器内的页岩岩心以及填充在所述容器内壁与所述页岩岩心之间的混凝土，通过所述容器端面上的通孔在页岩岩心上钻孔，并向孔眼中泵入液体，利用设置在容器外壁上的声发射探头，对所述页岩岩心的裂缝数量进行定性表征，对所述页岩岩心的裂缝形态进行定量表征，获得裂缝随时间演化的空间展布，从而直观、可靠地观察页岩压裂后的缝网形态，进而对所述页岩岩心的可压性进行准确可靠的综合评价。 

附图说明

图1为本发明实施例一提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置的俯视剖面示意图； 

图2为本发明实施例一中所述利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置的斜视结构示意图； 

图3为本发明实施例二提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试方法的流程示意图； 

图4为本发明实施例二提供的利用声发射评价页岩储层可压性测试方法的原理示意图。 

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以图中所示大小和比例并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。 

图1为本发明实施例一提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置的俯视剖面示意图，如图1所示，所述测试装置包括：圆柱密封容器1、位于所述容器内的页岩岩心2、以及填充在所述容器内壁与所述页岩岩心之间的混凝土3； 

所述容器1的端面上具备通孔11，所述容器1的外侧壁上设置有声发射探头12，以通过所述通孔11在所述页岩岩心2上钻孔并向孔眼内泵注液体，从而利用所述声发射探头12采集的声发射信号，获得用于对所述页岩岩心2的可压性进行评价的裂缝随时间演化的空间展布。 

为了更好地理解本方案，图2为本发明实施例一中所述利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置的斜视结构示意图。具体的，可以结合各附图更好地理解本实施例的技术方案。 

在实际应用中，通常将声发射传感器(探头)连接到美国物理声学公司PAC声发射采集系统、英国ASC声发射采集系统，利用声发射采集系统通过探头采集波形，并利用声发射处理软件获得每个声发射波形的P波初至，利用其到时反演定位。 

其中，所述圆柱密闭容器1可以为合金结构钢材质，例如，可以为P110钢级的合金结构钢材质，所述容器内的耐压性能具体可以为其耐压不小于70MPa。具体的，为了能够将页岩岩心2放置在圆柱密闭容器1中，所述圆柱密闭容器1具体可以包括：圆柱管筒13、以及与所述圆柱管筒13的两端分别匹配的容器顶盖14和容器底盖15，所述容器顶盖14和所述容器底盖15分别紧扣在所述圆柱管筒13的两端。 

在实际应用中，圆柱密闭容器1的尺寸可以根据页岩岩心的尺寸和测试需要确定，具体举例来说，通常所述圆柱管筒13侧壁的外径可以为143.65毫米(mm)，内径可以为99.93mm，壁厚21.86mm，圆柱管筒13的高度可以为195mm，所述容器顶盖14的高度可以为28.93mm，所述容器底盖15的高度可以为30.47mm。具体的，可以在所述容器顶盖14的中心处设置所述通 孔，所述通孔可以为圆形小孔，该通孔的孔径可以为20-25mm，所述通孔用于钻孔及向孔眼泵注液体。 

进一步的，为了使得所述容器顶盖14和所述容器底盖15与所述圆柱管筒13紧扣，以防止水力加压时两端的盖飞出，在实际应用中，所述容器顶盖14的侧壁上设有第一螺母孔141，所述容器底盖15的侧壁上设有第二螺母孔151，所述圆柱管筒13靠近两端的侧壁上分别设有第三螺母孔131和第四螺母孔132，当所述容器顶盖14紧扣在所述圆柱管筒13的一端时，所述第一螺母孔141和所述第三螺母孔131重叠，当所述容器底盖15紧扣在所述圆柱管筒13的另一端时，所述第二螺母孔151和所述第四螺母孔132重叠。 

则具体的，所述容器顶盖14可以通过穿过所述第一螺母孔141和所述第三螺母孔131的螺母固定紧扣在所述圆柱管筒13上，所述容器底盖15可以通过穿过所述第二螺母孔151和所述第四螺母孔132的螺母固定紧扣在所述圆柱管筒13上。 

再具体的，所述混凝土具体可以为水泥，例如，可以采用建筑材料用水泥，进一步的，在实际应用中，要求水泥的凝固时间在2-6小时以内，以迅速填充和凝固岩心与容器内壁之间的空间。 

在本实施例中，所述页岩岩心与容器内壁之间的空隙采用混凝土浇铸，因此对页岩岩心的要求不高，不需要全直径的规则页岩岩心，解决了实验室内规则页岩岩心难以取得的难题。 

具体的，所述声发射探头12可以均匀分布在所述容器1的外侧壁上。 

可选的，为了能够使声发射探头12与所述容器的表面完全接触，以增强探头与管壁间的耦合效果，提高信噪比，在本实施例中，设有所述声发射探头12处的所述容器1的外壁为平整表面，所述声发射探头12与所述平整表面完全接触。 

具体举例来说，假设设置有16个声发射探头，则在所述容器1的外侧壁上选16处，具体的，可以由上而下分成4层，每层有4处，将这16处外壁磨平成平整表面，具体的，可以磨平成边长为10mm的正方形小块，从而将所述声发射探头与该平整表面完全接触，并抹上耦合剂，增强探头与管壁间的耦合效果，提高信噪比。 

其中，所述声发射探头12可以采用Nano30探头，其直径和高度具体可 以为8mm左右，主频为250kHZ，带宽为50-750kHz。可选的，在所述探头12与采集系统之间还可连接有前置放大器，其带宽可以为20kHz-1MHz，从而提高声发射波形信噪比，提高定位效果。具体的，要求采集系统的采集卡可连续记录波形，容量2GB以上，且能够采集低频信号。 

在实际应用中，在实验室内条件下，利用本实施例中的所述测试装置模拟地层条件，向页岩岩心内的孔眼泵注液体，通过水力加压使页岩岩心产生裂缝。在裂缝扩展过程中，利用声发射探头监测声发射信号，并采用美国物理声学公司PAC声发射采集系统、英国ASC声发射采集系统连接声发射探头，监测声发射信号，并利用其软件进行声发射定位，对压后岩心内部的裂缝形态进行了定量表征，评价裂缝随时间演化的空间展布。该方法综合体现了页岩储层压后的裂缝特征，可用于判断页岩压后形成缝网的能力，直观可靠，操作简单，适用于油田现场应用。 

其中，声发射是指材料中局部区域应力集中，快速释放能力产生瞬态弹性波的现象。因此声发射技术是一个用来研究岩石裂纹扩展过程很好的工具和手段。在岩石受到水力压裂裂缝扩展过程时，将产生能量释放，有超声波发出，用布置在岩样外表的超声传感器接收此超声信号，并对裂缝位置进行定位。可以理解，基于本实施例中的所述样品，结合声发射定位技术来对页岩压裂的裂缝形态进行定量表征，比以往页岩可压性评价方法更直观、形象与可靠。 

本实施例提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置，包括位于圆柱密封容器内的页岩岩心以及填充在所述容器内壁与所述页岩岩心之间的混凝土，通过所述容器端面上的通孔在页岩岩心上钻孔，并向孔眼中泵入液体，利用设置在容器外壁上的声发射探头，对所述页岩岩心的裂缝形态进行定量表征，获得裂缝随时间演化的空间展布，从而直观、可靠地观察页岩压裂后的缝网形态，进而对所述页岩岩心的可压性进行准确可靠的评价。 

图3为本发明实施例二提供的利用声发射评价页岩储层可压性测试方法的流程示意图，所述方法用实施例一种所述的利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置进行测试，以对所述页岩岩心的可压性进行评价，如图3所示，所述方法包括： 

301、通过位于容器端面上的通孔，在所述页岩岩心上钻孔，形成孔 眼； 

302、通过所述通孔，向所述孔眼中泵注液体，并利用设置在所述容器外壁上的声发射探头，采集所述页岩岩心因水力至裂产生的声发射信号； 

303、根据所述声发射信号，利用声发射数量的多少，对所述页岩岩心由于水力压裂产生的裂缝数量进行初步地定性表征； 

304、根据所述声发射信号，利用声发射定位，对所述页岩岩心的裂缝形态进行定量表征，获得裂缝随时间演化的空间展布。所述空间展布及声发射数量用于对所述页岩岩心的可压性进行综合评价。 

其中，所述圆柱密闭容器可以为合金结构钢材质，在实际应用中，圆柱密闭容器的尺寸可以根据页岩岩心的尺寸和测试需要确定，所述容器内的耐压性能具体可以为其耐压不小于70MPa。具体的，为了将页岩岩心放置在圆柱密闭容器中，所述容器具体可以包括圆柱管筒、以及与所述圆柱管筒的两端分别匹配的容器顶盖和容器底盖，所述容器顶盖和所述容器底盖分别紧扣在所述圆柱管筒的两端；相应的，在301之前，所述方法还可以包括： 

将页岩岩心放入所述圆柱管筒内，并用混凝土填充所述页岩岩心和所述圆柱管筒内壁之间的空隙； 

将所述容器顶盖和所述容器底盖分别紧扣在所述圆柱管筒的两端。 

再具体的，所述混凝土具体可以为水泥，例如，可以采用建筑材料用水泥，进一步的，在实际应用中，要求水泥的凝固时间在2-6小时以内，以迅速填充和凝固岩心与容器内壁之间的空间。在本实施例中，所述页岩岩心与容器内壁之间的空隙采用混凝土浇铸，因此对页岩岩心的要求不高，不需要全直径的规则页岩岩心，解决了规则页岩岩心难以取得的难题。 

具体的，所述声发射探头可以均匀分布在所述容器的外侧壁上。可选的，为了能够使声发射探头与所述容器的表面完全接触，以增强探头与管壁间的耦合效果，提高信噪比，可以将有所述声发射探头处的容器外壁制成平整表面，则相应的，302中所述利用设置在所述容器外壁上的声发射探头，采集所述页岩岩心因水力至裂产生的声发射信号之前，所述方法还可以包括： 

将所述容器外壁的预设位置磨平为平整表面； 

在磨平后的所述平整表面上，设置所述声发射探头。 

基于本实施例的所述方法，在实验室内条件下，向页岩岩心内的孔眼泵注液体，通过水力加压使页岩岩心产生裂缝。在裂缝扩展过程中，利用超声探头监测声发射信号并进行声发射定位，对压后岩心内部的裂缝形态进行了定量表征，评价裂缝随时间演化的空间展布，直观可靠，操作简单，适用于油田现场应用。 

在实际应用中，泵注液体的加液压具体可以为70MPa左右；高压管线可耐压70MPa以上，泵注排量0-30mL/min，可连接至所述容器顶盖的通孔，并通过丝扣螺纹保持密封。泵注的所述液体可以为清水或滑溜水，其中，所述滑溜水中各组分的重量比具体可以为：淡水100，减阻剂为0.1-0.5，所述减阻剂的成分可以为高分子聚丙烯酰胺。所述钻头的直径具体可以为15-20mm，钻孔的深度可以以不穿透所述容器为限，例如，所述孔眼的深度可以为6-10cm。 

其中，声发射(Acoustic Emission,简称AE)指材料内局部能量源快速释放而产生瞬态弹性波的一种现象，岩石声发射是研究岩石内部变形与破坏机制的一个重要手段。一般认为，由于岩石大多为脆性材料，其内在裂纹的扩展表现为聚集后能量的突然释放，并产生弹性应力波，这是AE能量的来源。由于声发射信号是岩石内部微裂纹扩展而释放的应变能，因此每个声发射信号都包含了岩石内部结构变化的丰富信息。在岩石受到水力压裂裂缝扩展过程时，将产生能量释放，有超声波发出，用布置在岩样外表的超声传感器接收此超声波，并对裂缝位置进行定位。可以理解，基于本实施例中的测试方法，结合声发射定位技术来页岩压裂的裂缝形态进行定量表征，比以往页岩可压性评价方法更直观、形象与可靠。具体的，压裂后若所述页岩岩心形成弥散式水力裂缝，呈现缝网特征，则表明此页岩成缝能力较好，其可压性也较好，否则，表明页岩的成缝能力较弱，其可压性也较弱。 

为了更好地理解本方案，图4为本发明实施例二提供的利用声发射评价页岩储层可压性测试方法的原理示意图，如图4所示，41为岩样，42为岩心中正在扩展的岩心裂缝，43为裂缝扩展过程中释放的能量，44为布置在岩心表面的传感器，45为传感器接到的超声波形，利用每个传感器接收的初至P波的到时(t)以及岩石的波速，即可反演得到扩展裂缝(即声发射源)的位置。其定位算法可见文章中大量文献。 

本实施例提供的利用声发射评价页岩储层可压性的测试方法，利用声发射探头采集的声发射信号，获得用于对所述页岩岩心的可压性进行评价的裂缝随时间演化的空间展布。能够直观、可靠地观察页岩压裂后的缝网形态，进而对所述页岩岩心的可压性进行准确可靠的评价。 

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 

Claims (10)

1.一种利用声发射评价页岩储层可压性的测试装置，其特征在于，包括：圆柱密封容器、位于所述容器内的页岩岩心、以及填充在所述容器内壁与所述页岩岩心之间的混凝土；

所述容器的端面上具备通孔，所述容器的外侧壁上设置有声发射探头，以通过所述通孔在所述页岩岩心上钻孔并向孔眼内泵注液体，从而利用所述声发射探头采集的声发射信号，获得用于对所述页岩岩心的可压性进行评价的裂缝随时间演化的空间展布。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器包括：圆柱管筒、以及与所述圆柱管筒的两端分别匹配的容器顶盖和容器底盖，所述容器顶盖和所述容器底盖分别紧扣在所述圆柱管筒的两端。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述容器顶盖的侧壁上设有第一螺母孔，所述容器底盖的侧壁上设有第二螺母孔，所述圆柱管筒靠近两端的侧壁上分别设有第三螺母孔和第四螺母孔，当所述容器顶盖紧扣在所述圆柱管筒的一端时，所述第一螺母孔和所述第三螺母孔重叠，当所述容器底盖紧扣在所述圆柱管筒的另一端时，所述第二螺母孔和所述第四螺母孔重叠。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述容器顶盖通过穿过所述第一螺母孔和所述第三螺母孔的螺母固定紧扣在所述圆柱管筒上；所述容器底盖通过穿过所述第二螺母孔和所述第四螺母孔的螺母固定紧扣在所述圆柱管筒上。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述通孔位于所述容器顶盖的中心。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器为合金结构钢材质。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设有声发射探头处的所述容器外壁为平整表面，所述声发射探头与所述平整表面完全接触。

8.一种使用如权利要求1-7中任一项所述的测试装置，利用声发射评价页岩储层可压性的测试方法，其特征在于，包括：

通过位于容器端面上的通孔，在所述页岩岩心上钻孔，形成孔眼；

通过所述通孔，向所述孔眼中泵注液体，并利用设置在所述容器外壁上的声发射探头，采集所述页岩岩心因水力至裂产生的声发射信号；

根据所述声发射信号，利用声发射数量的多少，对所述页岩岩心由于水力压裂产生的裂缝数量进行初步地定性表征；

根据所述声发射信号，利用声发射定位，对所述页岩岩心的裂缝形态进行定量表征，获得裂缝随时间演化的空间展布，所述空间展布及声发射数量用于对所述页岩岩心的可压性进行综合评价。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述容器包括圆柱管筒、以及与所述圆柱管筒的两端分别匹配的容器顶盖和容器底盖，所述容器顶盖和所述容器底盖分别紧扣在所述圆柱管筒的两端；所述通过位于容器端面上的通孔，在所述页岩岩心上钻孔之前，所述方法还包括：

将页岩岩心放入所述圆柱管筒内，将所述并用混凝土填充所述页岩岩心和所述圆柱管筒内壁之间的空隙；

将所述容器顶盖和所述容器底盖分别紧扣在所述圆柱管筒的两端。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述利用设置在所述容器外壁上的声发射探头，采集所述页岩岩心因水力至裂产生的声发射信号之前，还包括：

将所述容器外壁的预设位置磨平为平整表面；

在磨平后的所述平整表面上，设置所述声发射探头。