CN106501086A - 一种岩石可压性测试系统及测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种岩石可压性测试系统及测试方法,该系统包括:厚壁框架,其用于与放置其中的被测岩石样本接触并向被测岩石样本提供支撑;侧向应力加载装置,其用于与被测岩石样本的相应受力面接触并向被测岩石样本施加模拟地应力;液体加载装置,其用于与被测岩石样本的钻孔密封连接,并向钻孔内泵注液体;若干声发射探头,其用于测量被测岩石样本在液体泵注过程中产生的声发射信号。该系统能够有效模拟岩石所处地应力状态,尤其是岩石所受到的水平地应力,这样该系统在进行岩石可压性测试的过程中也就考虑了水平地应力差对岩石形成复杂裂缝的影响,从而使得最终确定出的岩石可压性结果更加准确。

Description

一种岩石可压性测试系统及测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及石油工程技术领域,具体地说,涉及一种岩石可压性测试系统及测试方法。背景技术
[0002] 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。而对储层可压性的评价是判断储层形成复杂裂缝难易的关键,也是合理优选优化改造工艺、储层改造液体的基础。
[0003] 以往对储层可压性的评价主要以脆性或脆度指数进行评价,例如国外以Ri ckman 为代表,在SPE协会2008SPE Annual Technical Conference and Exhibit1n会议论文SPE 115258中,针对页岩提出了脆度指数的概念用于指导现场,其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。
[0004] 同时,国内学者也提出了以全应力应变曲线中的峰值强度、残余强度等参数进行表征岩石脆度的方法,代表性文献为《岩石力学与工程学报》的“页岩脆性的室内评价方法及改进”,主要为基于岩石的全应力_应变曲线的特征参数测定表征岩石的脆度,特征参数主要为岩石的峰值强度和残余强度。
[0005] 现有的方法对储层岩石可压性的测试主要建立在脆性/脆度的评价上,其考虑因素较为片面,对储层岩石能否形成复杂裂缝网络缺乏客观评价。发明内容
[0006] 为解决上述问题,本发明提供了一种岩石可压性测试系统,所述系统包括:
[0007] 厚壁框架,其用于与放置其中的被测岩石样本接触并向所述被测岩石样本提供支撑;
[0008] 侧向应力加载装置,其用于与所述被测岩石样本的相应受力面接触并向所述被测岩石样本施加模拟地应力;
[0009] 液体加载装置,其用于与所述被测岩石样本的钻孔密封连接,并向所述钻孔内栗注液体;
[0010] 若干声发射探头,其用于测量所述被测岩石样本在液体栗注过程中产生的声发射信号。
[0011] 根据本发明的一个实施例,所述厚壁框架包括三个相互垂直的支撑面,所述支撑面用于对与所述被测岩石样本的相应表面接触并对所述被测岩石样本进行支撑。
[0012] 根据本发明的一个实施例,所述侧向应力加载装置包括若干侧向加载盖板,其中两个侧向加载盖板分别用于与所述被测岩石样本的未被所述厚壁框架覆盖的两个表面相接触,以分别对这两个表面施加模拟地应力。
[0013] 根据本发明的一个实施例,所述侧向加载盖板中设置有若干通孔,部分所述声发射探头设置于所述若干通孔中。
[0014] 根据本发明的一个实施例,各个侧向加载盖板中的通孔是相对于该侧向加载盖板的中心对称分布的。
[0015] 根据本发明的一个实施例,部分所述声发射探头耦合设置于被测岩石样本未被所述侧向加载盖板覆盖的表面上。
[0016] 根据本发明的一个实施例,所述液体加载装置通过与所述被测岩石样本的钻孔密封连接的注液管来将所述液体栗注到所述钻孔中。
[0017] 根据本发明的一个实施例,所述系统还包括:
[0018] 信号采集及处理装置,其与所述若干声发射探头连接,用于根据液体栗注过程中测量得到的声发射信号确定所述被测岩石样本的岩石可压性。
[0019] 根据本发明的一个实施例,所述声发射信号包括:波形参数、能量参数和上升时间参数。
[0020] 根据本发明的一个实施例,所述信号采集及处理装置通过单芯同轴屏蔽电缆分别与各个声发射探头连接。
[0021] 本发明还提供了一种岩石可压性测试方法,所述方法利用如上任一项所述的的测试系统来进行岩石可压性测试,所述方法包括:
[0022] 步骤一、将被测岩石样本置入厚壁框架内;[〇〇23] 步骤二、将侧向应力加载装置与所述被测样本配合装配,将部分声发射探头安装到所述侧向应力加载装置中并通过耦合剂将声发射探头与所述被测岩石样本表面充分耦合;[〇〇24] 步骤三、连接各个声发射探头与声发射信号采集及处理装置;[〇〇25] 步骤四、利用所述侧向应力加载装置向所述被测岩石样本施加模拟地应力,利用液体加载装置向所述被测岩石样本的钻孔栗注液体,利用各个声发射探头采集声发射信号,利用所述信号采集及处理装置根据所述声发射信号确定所述被测岩石样本的岩石可压性。
[0026] 根据本发明的一个实施例,在所述步骤四中,根据所述声发射信号确定声发射事件数量、能量以及累计声发射能量与时间之间关系曲线,根据所述声发射事件数量、能量以及累计声发射能量与时间之间关系曲线,初步确定所述被测岩石样本的可压性。
[0027] 根据本发明的一个实施例,在所述步骤四中,还根据所述声发射信号对声发射事件进行定位,并根据定位结果对水力压裂形成的裂缝形态进行描述,从而获得裂缝随时间的空间展布状态,根据所述空间展布状态以及累计声发射能量与时间的关系,进一步确定所述被测岩石样本的可压性。
[0028] 本发明所提供的岩石可压性测试系统能够有效模拟岩石所处地应力状态,尤其是岩石所受到的水平地应力。这样该系统在进行岩石可压性测试的过程中也就考虑了水平地应力差对岩石形成复杂裂缝的影响,从而使得最终确定出的岩石可压性结果更加准确。
[0029] 同时,该测试系统还能够通过侧向加载盖板中预制的通孔来对声发射探头的位置进行准确设置,并且声发射探头可以直接耦合至被测岩石样本的表面,这也就保证了声发射探头检测声发射信号的有效性和准确性。
[0030] 此外,该测试系统通过多个单芯同轴屏蔽电缆来同步监测压力信号以及声发射信号,这样可以准确、有效地描述水力裂缝随之间的空间展布,从而准确评价对应地应力条件下岩石可压性。
[0031] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他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结构来实现和获得。附图说明[〇〇32] 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,下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍:
[0033] 图1是根据本发明一个实施例的岩石可压性测试系统的结构示意图;
[0034] 图2是根据本发明一个实施例的岩石可压性测试方法的实现流程图。具体实施方式[〇〇35]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对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能充分理解并据以实施。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。
[0036] 同时,在以下说明中,出于解释的目的而阐述了许多具体细节,以提供对本发明实施例的彻底理解。然而,对本领域的技术人员来说显而易见的是,本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
[0037] 另外,在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行,并且,虽然在流程图中示出了逻辑顺序,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。[〇〇38] 针对现有技术中所存在的上述问题,本发明提供了一种新的岩石可压性测试系统。图1示出了本实施例中该测试系统的结构示意图。
[0039] 如图1所示,本实施例所提供的测试系统优选地包括:厚壁框架101、若干发射探头 102、侧向应力加载装置、钻井液加载装置以及信号采集及处理装置103。其中,厚壁框架101 用于与放置其中的被测岩石样本104接触,并向该被测岩石样本提供制成。本实施例中,厚壁框架101优选地采用长方体框架。对应地,被测岩石样本为各端面平整的长方体,其中,为了对进行水力压裂测试,被测岩石样本中还形成有钻孔。
[0040] 本实施例中,厚壁框架101优选地包括三个相互垂直的支撑面,这三个支撑面用于与被测岩石样本的相应表面接触,并对被测岩石样本进行支撑。其中,根据实际需要,厚壁框架101可选地置于地下预制框架内或双轴加载框架内。
[0041] 侧向应力加载装置用于与被测岩石样本的相应手里面接触,并向置于厚壁框架 101中的被测岩石样本施加指定大小的应力(即模拟地应力)。具体地,如图1所示,本实施例中,侧向应力加载装置优选地包括若干侧向加载盖板105,其中两个侧向加载盖板105分别用于与被测岩石样本104的未被厚壁框架覆盖的两个表面相接触,以分别对这两个表面施加模拟地应力。[〇〇42] 通过侧向应力加载装置,本实施例所提供的岩石可压性测试系统能够有效模拟岩石原地应力状态,特别是能够有效模拟水平地应力差对岩石形成复杂裂缝的影响,从而保证了岩石可压性测试的准确性。
[0043] 需要指出的是,在本发明的不同实施例中,根据实际需要,不同侧向加载盖板105 向相应被测岩石样本表面所施加的应力既可以相同,也可以不同,本发明不限于此。
[0044] 本实施例中,各个侧向加载盖板105中均形成有若干个通孔106,这些通孔的直径优选地均为1〇_。其中,各个侧向加载盖板104中的通孔优选地均相对于该盖板的中心均匀对称分布。具体地,例如,本实施例中各个侧向加载盖板105中形成有4个通孔,这4个通孔相对于盖板的中心对称分布。
[0045] 需要指出的是,在本发明的其他实施例中,侧向加载盖板104中所形成的通孔106 的直径还可以根据所使用的声发射探头的尺寸的不同而配置为其他合理值,本发明不限于此。
[0046] 同时,还需要指出的是,在本发明的其他实施例中个,各个盖板中所形成的通孔的数量还可以为其他合理值(例如6个以上等),同时,不同盖板中所形成的通孔的数量既可以相同也可以不同,此外,通孔在盖板中的排布方式还可以为其他合理方式,本发明同样不限于此。
[0047] 本实施例中,在对被测岩石样本的可压性进行测试时,部分声发射探头102分别设置在上述侧向加载盖板105的通孔中,声发射探头102的端部与被测岩石样本104的表面接触。
[0048] 为了能够更加准确地对测试过程中被测岩石样本的声发射事件进行测量,本实施例中,这些声发射探头102优选地通过耦合剂来与被测岩石样本104的表面进行充分耦合。 当然,在本发明的其他实施例中,还可以通过其他合理方式来保证声发射探头的端部与被测岩石样本表面的充分耦合,本发明不限于此。
[0049] 为了使得最终得到的岩石可压性测试结果更加准确,本实施例中,被测岩石样本未被厚壁框架支撑面和侧向加载盖板所覆盖的表面同样设置有声发射探头102。其中,这些声发射探头102的端部同样通过耦合剂来与被测岩石样本的对应表面充分耦合。当然,在本发明的其他实施例中,这些声发射探头102还可以通过设置有通过的盖板来与被测岩石样本的表面进行耦合接触,本发明不限于此。
[0050] 如图1所示,本实施例中,被测岩石样本104中形成有钻孔107,在对该被测岩石样本104进行可压性测试时,首先利用一注液管的一端与被测岩石样本的钻孔107密封连接, 随后再将该注液管的另一端与液体加载装置连接,这样液体加载装置也就可以可靠地将液体栗入到被测岩石样本104的钻孔107中。
[0051] 本实施例中,注液管优选地采用钢管来实现,该钢管与被测岩石样本的钻孔之间采用胶结的方式进行密封。需要指出的是,在本发明的其他实施例中,注液管所采用的材料还可以为其他合理材料(例如聚氯乙烯管等),注液管与被测岩石样本的钻孔之间的密封方式也可以为其他合理方式,本发明不限于此。[〇〇52] 本实施例中,液体加载装置还可以包括压力传感器,该压力传感器能够测量注液过程中的液压加载压力,从而得到压力信号。[〇〇53]如图1所示,各个声发射探头102以及压力传感器均与信号采集及处理装置103连接,信号采集及处理装置103能够根据所接收到的声发射信号和压力信号确定被测岩石样本的岩石可压性。本实施例中,信号采集及处理装置优选地可以采用PAC或ASC来实现。
[0054] 本实施例中,整个测试系统所包含的声发射探头和/或压力传感器均是分别通过单芯同轴屏蔽电缆来与信号采集及处理装置连接的。这样信号采集及处理装置103也就可以可以对被测岩石样本的声发射时间进行多通道监测,从而实现对声发射时间的精确定位,进而有助于更加准确的描述水力压裂形成裂缝随时间变化的空间展布。
[0055] 为了更加清楚地阐述本实施例所提供的岩石可压性测试系统的原理以及优点,以下结合图2所示的使用上述岩石可压性测试系统进行岩石可压性测试的方法来对该系统作进一步地说明。[〇〇56] 在对被测岩石进行可压性测试时,首先对被测岩石处理为长方体并保证各端面的平整性和平行度,随后在得到的长方体岩石的指定位置处钻取钻孔,从而得到被测岩石样本。在得到被测岩石样本后,利用一注液管的一端与被测岩石样本的钻孔密封连接。本实施例中,注液管优选地采用钢管来实现,该钢管与被测岩石样本的钻孔之间采用胶结的方式进行密封。需要指出的是,在本发明的其他实施例中,注液管所采用的材料还可以为其他合理材料,注液管与被测岩石样本的钻孔之间的密封方式也可以为其他合理方式,本发明不限于此。[〇〇57] 完成上述过程后,如图2所示,该方法在步骤S201中将被测岩石样本置入厚壁框架内,并保证被测岩石样本的三个表面与厚壁框架的三个支撑面可靠接触。[〇〇58]随后,该方法在步骤S202中将侧向应力加载装置所包含的两个侧向加载盖板与被测岩石样本配合装配。具体地,将上述两个侧向加载盖板分别与被测岩石样本的两个对应表面相接触,这样上述两个侧向加载盖板也就可以向被测岩石样本的两个对应表面施加模拟地应力。[〇〇59] 在步骤S203中,该方法会将部分声发射探头安装到侧向加载盖板的通孔中,并将这些声发射探头通过耦合剂来与对应被测岩石样本的表面充分耦合。这样能够保证声发射探头所采集得到的声发射信号的有效性和准确性。本实施例中,为了提高最终得到的岩石可压性测试结果的准确性,该方法还在步骤S204中将部分声发射探头设置于被测岩石样本表面。
[0060] 随后连接各个声发射探头与信号采集及处理装置,并在步骤S205中利用侧向应力加载装置分别向被测岩石样本的两个表面施加相应大小的模拟地应力。随后,该方法还在步骤S205中利用液体加载装置向被测岩石样本的钻孔栗注液体,在此过程,通过压力传感器来实时监测相应的液体压力。
[0061] 在向被测岩石样本的钻孔栗注液体的过程中,该方法会在步骤S206中利用各个声发射探头进行信号采集,并将采集得到的声发射信号传输给信号采集及处理装置。在步骤 S207中,该方法会利用信号采集及处理装置来根据所接收到的声发射信号确定出被测岩石样本的岩石可压性。
[0062] 具体地,本实施例中,声发射探头所测量得到的声发射信号优选地包括声波的波形、能量以及上升时间等参数。根据这些参数,该方法能够在步骤S207中确定出液体栗入过程中的声发射事件数量、能量以及累积能量与时间的关系曲线,根据这些参数,便可以初步确定出被测岩石样本的岩石可压性进行。
[0063] 具体地,在液体栗注过程中,如果被测岩石样本中的裂缝是在一较时段内集中形成的,那么则可以判定该被测岩石样本的可压性较高;而如果被测岩石样本中的裂缝是在一较长时间段内陆续形成的,那么则可以判定该被测岩石样本的可压性较低。
[0064] 本实施例中,该方法在步骤S207中还可以利用信号采集及处理装置来根据声发射信号对声发射事件进行定位,并根据定位结果对水力压裂形成的裂缝形态进行描述,从而获得裂缝随时间的空间展布状态,根据裂缝随时间的空间展布状态以及累计声发射能量与时间的关系,也就可以进一步确定出被测岩石样本的可压性。
[0065] 本实施例中,如果被测岩石样本形成弥散式裂缝形态并呈裂缝网络特征,那么则表示该被测岩石样本在该模拟地应力条件下形成裂缝网络的可能性较大,该被测岩石样本的可压性较高。而如果被测岩石样本所形成的裂缝形态偏向与双翼缝或裂缝不甚复杂,那么则表示该被测岩石样本的可压性较差。
[0066] 从上述描述中可以看出,本实施例所提供的岩石可压性测试系统能够有效模拟岩石所处地应力状态,尤其是岩石所受到的水平地应力。这样该系统在进行岩石可压性测试的过程中也就考虑了水平地应力差对岩石形成复杂裂缝的影响,从而使得最终确定出的岩石可压性结果更加准确。
[0067] 同时,该测试系统还能够通过侧向加载盖板中预制的通孔来对声发射探头的位置进行准确设置,并且声发射探头可以直接耦合至被测岩石样本的表面,这也就保证了声发射探头检测声发射信号的有效性和准确性。
[0068] 此外,该测试系统通过多个单芯同轴屏蔽电缆来同步监测压力信号以及声发射信号,这样可以准确、有效地描述水力裂缝随之间的空间展布,从而准确评价对应地应力条件下岩石可压性。[〇〇69] 应该理解的是,本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤,而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是,在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的,而并不意味着限制。
[0070] 说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此,说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0071] 虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理,但对于本领域的技术人员来说,在不背离本发明的原理和思想的情况下,明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此,本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种岩石可压性测试系统,其特征在于,所述系统包括:厚壁框架,其用于与放置其中的被测岩石样本接触并向所述被测岩石样本提供支撑;侧向应力加载装置,其用于与所述被测岩石样本的相应受力面接触并向所述被测岩石 样本施加模拟地应力;液体加载装置,其用于与所述被测岩石样本的钻孔密封连接,并向所述钻孔内栗注液 体;若干声发射探头,其用于测量所述被测岩石样本在液体栗注过程中产生的声发射信号。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述厚壁框架包括三个相互垂直的支撑面, 所述支撑面用于对与所述被测岩石样本的相应表面接触并对所述被测岩石样本进行支撑。
3.如权利要求1或2所述的系统,其特征在于,所述侧向应力加载装置包括若干侧向加 载盖板,其中两个侧向加载盖板分别用于与所述被测岩石样本的未被所述厚壁框架覆盖的 两个表面相接触,以分别对这两个表面施加模拟地应力。
4.如权利要求3所述的系统,其特征在于,所述侧向加载盖板中设置有若干通孔,部分 所述声发射探头设置于所述若干通孔中。
5.如权利要求4所述的系统,其特征在于,各个侧向加载盖板中的通孔是相对于该侧向 加载盖板的中心对称分布的。
6.如权利要求3〜5中任一项所述的系统,其特征在于,部分所述声发射探头耦合设置 于被测岩石样本未被所述侧向加载盖板覆盖的表面上。
7.如权利要求1〜6中任一项所述的系统,其特征在于,所述液体加载装置通过与所述 被测岩石样本的钻孔密封连接的注液管来将所述液体栗注到所述钻孔中。
8.如权利要求1〜7中任一项所述的系统,其特征在于,所述系统还包括:信号采集及处理装置,其与所述若干声发射探头连接,用于根据液体栗注过程中测量 得到的声发射信号确定所述被测岩石样本的岩石可压性。
9.如权利要求8所述的系统,其特征在于,所述声发射信号包括:波形参数、能量参数和 上升时间参数。
10.如权利要求8或9所述的系统,其特征在于,所述信号采集及处理装置通过单芯同轴 屏蔽电缆分别与各个声发射探头连接。
11.一种岩石可压性测试方法,其特征在于,所述方法利用如权利要求1〜10中任一项 所述的的测试系统来进行岩石可压性测试,所述方法包括:步骤一、将被测岩石样本置入厚壁框架内;步骤二、将侧向应力加载装置与所述被测样本配合装配,将部分声发射探头安装到所 述侧向应力加载装置中并通过耦合剂将声发射探头与所述被测岩石样本表面充分耦合;步骤三、连接各个声发射探头与声发射信号采集及处理装置;步骤四、利用所述侧向应力加载装置向所述被测岩石样本施加模拟地应力,利用液体 加载装置向所述被测岩石样本的钻孔栗注液体,利用各个声发射探头采集声发射信号,利 用所述信号采集及处理装置根据所述声发射信号确定所述被测岩石样本的岩石可压性。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,在所述步骤四中,根据所述声发射信号确 定声发射事件数量、能量以及累计声发射能量与时间之间关系曲线,根据所述声发射事件数量、能量以及累计声发射能量与时间之间关系曲线,初步确定所述被测岩石样本的可压性。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于,在所述步骤四中,还根据所述声发射信号 对声发射事件进行定位,并根据定位结果对水力压裂形成的裂缝形态进行描述,从而获得 裂缝随时间的空间展布状态,根据所述空间展布状态以及累计声发射能量与时间的关系, 进一步确定所述被测岩石样本的可压性。
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