CN111896581A - 一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，检测步骤包括：岩石试样表面处理操作、岩石试样裂纹润湿操作、岩石试样表面铜片嵌入操作、温度传感器及其外接设备连接操作、岩石试样的激发极化处理、分析温度图谱的温度变化情况，构建岩石试样内部裂纹分布几何模型。本发明涉及岩石的激发极化性质，将水蒸气泵入岩石，实现岩石裂纹的湿润，岩石两端安装铜片以实现岩石的通电，应用温度传感器实现岩石温度图谱的测量。岩石实体与裂缝的电阻率存在差异，通入相同激发极化电流，岩石实体与裂缝的温度不同，温度图谱的变化能反映裂纹的分布。本发明在检测时不破坏岩石裂纹的初始形态，检测成本低、效率高、配套设备简单、精确性好。

Description

一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法

技术领域

本发明属于石油天然气工程岩石裂纹检测领域，具体涉及一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法。

背景技术

岩石的裂纹形态和裂纹参数的检测在钻井岩石破碎、水力压裂增产的研究中有着重要的意义。在石油天然气工业中，传统的岩石裂纹检测方法主要有压汞法，扫描电子显微镜成像法，声波或地震波检测法等。压汞法是依靠外加压力使汞克服表面张力进入岩石裂纹来测定其裂纹结构和分布的方法。外加压力增大，可使汞进入更小的孔隙，进入岩石裂纹的汞量也就愈多。但是采用压汞法要求所用的汞不能含有化学杂质，且过大的压力会对岩石裂纹结构造成明显破坏。压汞法主要用于描述岩石多孔介质的孔隙喉道大小的分布。扫描电子显微镜成像法主要利用二次电子信号成像的原理来观察样品的表面形态，用极狭窄的电子束去扫描样品的表面，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子与试样表面相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号，通过不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得试样表面的分布特征，但扫描电子显微镜成像法不能对岩石内部裂纹进行深入研究。声波或地震波检测法是根据声波或地震波在岩石中的传播特征对裂纹进行检测，但是这种方法未考虑岩石介质的各向异性和实际的裂纹形态。

因此，在石油天然气工业中，目前传统的岩石裂纹检测方法存在的主要缺陷包括：

(1)裂纹完整性保留度低，对岩石破坏程度偏大；

(2)内部裂纹检测情况不理想，未能对岩石内部裂纹进行较为有效的检测；

(3)可检测岩石类型局限性高，需克服岩石内部性质的影响；

(4)实验原理复杂，实验成本昂贵，检测效率低，现象不直观清晰。

岩石电阻率是岩石的一个基本物理性质，且固体物质的电阻要远远大于气体物质。由热力学定律可知，物质在通电状态下部分电能会转化为热量，电阻越大，在通以等大电流时产生的热量越多。岩石具有激发极化性质，当岩石加以外加电压，岩石会产生极化电流，岩石内部电阻率的差异会导致不同部位产热量不同，岩石内部的温度场分布能有效地反映岩石内固体、液体、气体三类物质的分布，根据岩石内部的温度差异来判断岩石内部的裂纹分布状态，基于岩石电阻变化能有效克服现有方法的不足。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，具体说是一种基于岩石实体与裂纹的电阻差异，在通以相同激发极化电流时，所产生温升变化差异来反映裂纹分布的检测方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，涉及岩石的激发极化性质，将水蒸气泵入岩石，实现岩石裂纹的湿润，岩石两端安装铜片以实现岩石的通电，应用温度传感器实现岩石温度图谱的测量。裂纹检测方法包括如下步骤：

S1：岩石试样表面处理操作；

S2：岩石试样裂纹润湿操作；

S3：岩石试样表面铜片嵌入操作；

S4：温度传感器及其外接设备连接操作；

S5：岩石试样的激发极化处理；

S6：分析温度图谱的温度变化情况，构建岩石试样内部裂纹分布的几何模型。

所述岩石试样表面处理操作，包括水力压裂操作、检测试剂涂覆、以及水蒸汽泵压装置连接，其步骤为：

S11：选择岩石试样形状为立方体，立方体尺寸为30*30*30厘米，对岩石试样进行轻度水力压裂处理至表面出现裂纹；

S12：在试样的左侧试验面、后侧试验面、上侧试验面均布多个盲孔，盲孔深度3～6厘米，将水蒸汽管与岩石试验表面的盲孔连接；

S13：在未接水蒸气管的岩石试样表面涂覆无水硫酸铜检测剂，使检测剂均匀分布于岩石试样表面；

所述岩石试样表面处理操作，在未接水蒸气管的岩石试样表面涂覆无水硫酸铜检测剂，其作用在于控制泵入岩石试样内部的水蒸汽的具体时间，若无水硫酸铜检测剂在水蒸汽泵压过程中已完全变为蓝色，则可控制继续泵入水蒸气的时间为五分钟，其目的在于使岩石内部裂纹表面布满细小液滴，即用于检测岩石试样裂纹是否处于润湿状态。

所述岩石试样裂纹润湿操作，包括水蒸汽泵压法、表面无水硫酸铜试样检测法，对岩石试样泵入带有导电离子介质的非纯净水蒸汽，直至各个无水硫酸铜检测剂面均变为蓝色，继续通气五分钟后，停止通气，停止时长与通气时长一致，使水蒸汽有充足的时间在岩石裂纹表面液化为细小液滴。重复以上操作3次至5次，注意在重复操作的同时还需要重新在岩石试样表面涂覆无水硫酸铜检测剂，多次操作使岩石裂纹表面处充满细小液滴，确保岩石试样裂纹均处于润湿状态。

所述岩石试样表面铜片嵌入操作，将所述岩石试样的正表面以及与其相对的表面采用膨胀螺钉固定导电铜片，使铜片嵌入岩石试样表面，用焊锡丝在铜片面上焊接若干电导线，导线连接电压源即可使铜片导电；所述温度传感器及其外接设备连接操作，采用的技术手段为：将温度传感器安装在岩石试样的几何顶点，温度传感器可以接受来自岩石试样各个方位的温度变化情况，同时温度变化的具体数据可以通过连接的数据采集卡采集，由通过工业电脑接收显示，绘制在温度图谱上。

所述岩石试样的激发极化处理，包括如下步骤：

S51：铜片表面导电线外接电路电压源、可变电阻箱、电流表这三种元器件，三者串联而成，电阻箱起分压作用，保护器件的安全性，电流表起到电路导通性检测的作用；

S52：接通电压源，对岩石试样持续通以电流，观察工业电脑感温图谱变化情况，并记录；

S53：记录完毕后，静置岩石试样至室温，按步骤2所述方法，再次润湿岩石试样裂纹表面，完成润湿操作后再次通以外加电流，观察记录工业电脑感温图谱变化情况；

S54：多次重复S52，S53操作，采集得到多组温度图谱数据；

所述激发极化处理是依据岩石具有的电极极化或者薄膜极化现象这一电化学性质，当电流流过岩石孔隙中的溶液，当岩石的裂纹宽度不一致时，将产生电极极化或者薄膜极化的电化学作用，若持续通以电流，随着充电时间的增长，岩石含液体的裂纹表面将逐渐积累新的电荷，产生超电压，逐渐达到饱和状态，并形成电场分布，即激发极化场。本发明采用含有液体的岩石裂纹的电化学性质，在岩石中产生激发极化场。由于激发极化场在不通以电流的情况下，其强度将逐渐衰减为零，故步骤S3采用多导线焊接法，确保激发极化场的稳定。

所述激发极化处理可以有效的反映岩石内部裂纹的分布情况，其原理在于：岩石中产生的激发极化场将在岩石中产生极化电流，由能量守恒定律，电能将转化为热能，以及其它可忽略不计的能量损耗。岩石裂纹与岩石实体的电阻率存在明显差异，在通以电流时，岩石裂缝与岩石实体产生的热量也截然不同。因此，通过测量岩石内部各部位温度的变化差异，可以直观地放映岩石内部裂纹的分布情况。

所述岩石试样内部裂纹分布的几何模型的构建，采用的方法为：分析温度图谱的温度变化情况，可得到波动形的温度图谱，并且在图谱波动图像上，会有明显的温度波谷区域，由岩石内部裂纹与岩石实体的电阻率性质可知，温度低的波谷区域就是裂纹的分布区域；

选择另外一组相对岩石表面，按照上述步骤S3嵌入导电铜片，按步骤S5激发极化后得到另一维度的感温图谱，对三个维度得到的温度图谱进行几何模型构建，可得到岩石内部裂纹的具体空间几何分布情况。

本发明具有以下有益效果:

1、检测过程中对岩石裂纹无伤害,不破坏岩石裂纹的初始形态；

2、可检测岩石类型多，无需克服岩石内部性质的影响；

3、检测成本低、效率高、配套设备简单、能精确反映岩石的裂纹分布。

附图说明

图1为本发明一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法的检测步骤流程图；

图2为本发明水蒸汽泵压法操作所采用立方体岩石试样6个表面的展开图；

图3为本发明水蒸汽泵压法的实施示意图；

图4为岩石试样铜片、温度传感器、外加电源电路的安装示意图；

图5为具体实施例1所述浸染性金属岩石在激发极化处理后，岩石温度的测试图谱；

图6为具体实施例2所述非矿物岩石在激发极化处理后，岩石温度的测试图谱；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明的实施例中的附图，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做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。

如图1所示，所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其步骤包括：

S1：岩石试样表面处理操作；

S2：岩石试样裂纹润湿操作；

S3：岩石试样表面铜片嵌入操作；

S4：温度传感器及其外接设备连接操作；

S5：岩石试样的激发极化处理；

S6：分析温度图谱的温度变化情况，构建岩石试样内部裂纹分布的几何模型。

其中S2对岩石试样的裂纹润湿操作，采用无水硫酸铜检测剂，判断通气的时长；S5对两种岩石试样实施例进行探究，检验该方法的普遍适用性。

如图2所示，水蒸汽泵压法操作所采用立方体岩石试样6个表面，以下侧试验面3为展开中心得到用于水蒸汽泵压法操作的岩石试样平面展开图，相应可在展开图中得到左侧试验面1、右侧试验面4、前侧试验面6、后侧试验面2、上侧试验面5。

如图2，3所示，对岩石进行水蒸汽泵压法进行处理，相应的所示水蒸汽泵压管，无水硫酸铜检测剂作用位置皆与展开图对应；在岩石试样左侧试验面1、后侧试验面2、上侧试验面5上分别连接水蒸汽泵压管一7，水蒸汽泵压管二9，水蒸汽泵压管三8，各试验面的对立面，右侧试验面4，前侧试验面6，下侧试验面3上均匀布满无水硫酸铜检测剂。水蒸汽泵压管7，水蒸汽泵压管二9，水蒸汽泵压管三8中泵以一定量的带有导电离子介质的非纯净水蒸汽，直至三维空间中各个无水硫酸铜检测剂面均变为蓝色，停止通气，停止时长与通气时长一致，使水蒸汽有充足的时间在岩石裂纹表面液化为液体细小溶液。重复以上操作3次至5次，注意在重复操作的同时还需要重新在岩石试样表面涂覆无水硫酸铜检测剂，多次操作使岩石裂纹表面处充满液体细小溶液，确保岩石试样裂纹处均处于润湿状态。

如图4所示，对岩石试样进行表面铜片嵌入操作，在左侧试验面13及其对立的右侧试验面14上分别嵌入导电铜片一11，铜片二15，通过铜导线连接到外接电路，外接电路包括电压源18、可变电阻箱16、电流表17这三种元器件；三者串联而成，可变电阻箱16起分压作用，保护器件的安全性，电流表17起到电路导通性检测的作用，电压源18对电路持续通电，确保激发极化的进行；同时，在岩石试样顶角处建立三维立体坐标系并布置温度传感器12，温度传感器12可以接受来自岩石试样各个方位的温度变化情况，同时温度变化的具体数据可以通过连接的数据采集卡采集10，由通过工业电脑19接收显示，绘制在温度图谱上。

本发明以浸染型金属岩石和非矿化岩石的感温图谱为例。感温图谱的横坐标表示测试点与温度传感器的距离，单位为厘米(cm)。纵坐标反映测试点位置的温度情况，单位为摄氏度(℃)，温度图谱的分布情况反映岩石裂纹分布。

具体实施例1，如图5所示，浸染性金属岩石的感温图谱温度分布图，浸染性金属岩石，其内部金属颗粒散布在整个体积中，每个金属颗粒都能够发生激发极化效应。在外电场的作用下，激发极化效应遍布整个岩石内部。激发极化效应反映于岩石内部岩石物质以及掺杂物质的极化率，极化率随时间变化较快，产生的非线性电流密度也较大。具体实施例1加以外加电场时，整个岩石体都将处于激发极化状态，在岩石本体处以及岩石裂纹处均会发生激发极化现象，产生极化电流。在电流的作用下，由热力学定律可知，部分电能会转化为热量，电阻率越大，在通以等大电流时产热越多。可得到此岩石具体实例1的感温图谱温度分布图，且该温度图谱处于连续性分布状态。

具体实施例2，如图6所示，非矿物岩石的感温图谱温度分布图，非矿物岩石，其内部金属颗粒物散布程度低，激发极化效应只会发生于岩石裂纹表面湿润部分。在外加电场的作用下，激发极化效应产生于岩石裂纹处。激发极化效应反映岩石裂纹处的极化率，极化率随时间变化较快，产生的非线性电流密度也较大。具体实施例2加以外加电场，岩石裂纹表面处于激发极化状态，产生极化电流。在电流的作用下，由热力学定律可知，部分电能会转化为热量，电阻率越大，在通以等大电流时产热越多。可得到此岩石具体实施例2的感温图谱温度分布图，且该温度图谱处于断裂式分布状态。

最后应说明的是：以上实施例只是本发明的部分优秀实施例，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动即在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，包括以下步骤：S1：岩石试样表面处理操作；S2：岩石试样裂纹润湿操作；S3：岩石试样表面铜片嵌入操作；S4：温度传感器及其外接设备连接操作；S5：岩石试样的激发极化处理；S6：分析温度图谱的温度变化情况，构建岩石试样内部裂纹分布的几何模型。

2.根据权利要求1所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其特征在于：所述岩石试样表面处理操作，包括水力压裂操作、检测试剂涂覆、水蒸汽泵压装置连接，其步骤为：S11：选择岩石试样形状为立方体，立方体尺寸为30*30*30厘米，对岩石试样进行轻度水力压裂处理至表面出现裂纹；S12：在试样的左侧试验面、后侧试验面、上侧试验面均布多个盲孔，盲孔深度3～6厘米，将水蒸汽管与岩石试验表面的盲孔连接；S13：在未接水蒸气管的岩石试样表面涂覆无水硫酸铜检测剂，显示水蒸汽的泵入情况证。

3.根据权利要求1所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其特征在于：所述岩石试样裂纹润湿操作，包括水蒸汽泵压法、表面无水硫酸铜试样检测法，对岩石试样泵入带有导电离子介质的非纯净水蒸汽，直至各个无水硫酸铜检测剂表面均变为蓝色，继续通气五分钟后，停止通气，停止时长与通气时长一致，使水蒸汽有充足的时间在岩石裂纹表面液化为细小液滴，重复以上操作3次至5次，多次操作使岩石裂纹表面处充满细小液滴，确保岩石试样裂纹均处于润湿状态。

4.根据权利要求1所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其特征在于：所述岩石试样表面铜片嵌入操作，将所述岩石试样的正表面以及与其相对的表面用膨胀螺钉固定上导电铜片，使铜片嵌入岩石试样表面，用焊锡丝在铜片面上焊接若干电导线，导线连接电压源即可使铜片导电。

5.根据权利要求1所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其特征在于：所述温度传感器及其外接设备连接操作，将温度传感器安装在岩石试样的几何顶点，温度传感器可以接受来自岩石试样各个方位的温度变化情况，同时温度变化的数据可以通过连接的数据采集卡采集，通过工业电脑接收显示，绘制在温度图谱上。

6.根据权利要求1所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其特征在于：所述岩石试样的激发极化处理，其步骤为：S51：铜片表面导电线外接电路电压源、可变电阻箱、电流表这三种元器件，三者串联而成，电阻箱起分压作用，保护器件的安全性，电流表起到电路导通性检测的作用；S52：接通电压源，对岩石试样持续通以电流，观察工业电脑感温图谱变化情况，并记录；S53：记录完毕后，静置岩石试样至室温，按步骤S2所述方法，再次润湿岩石试样裂纹表面，完成润湿操作后再次通以外加电流，观察记录工业电脑感温图谱变化情况；S54：多次重复S52，S53操作，采集得到多组温度图谱数据；所述激发极化处理可以有效地反映岩石内部裂纹的分布情况，其原理在于：岩石中产生的激发极化场将在岩石中产生极化电流，由能量守恒定律，电能将转化为热能，以及其它可忽略不计的能量损耗，岩石裂纹与岩石实体的电阻率存在明显差异，在通以电流时，岩石裂缝与岩石实体产生的热量也截然不同，通过测量岩石内部各部位温度的变化差异，可以直观地放映岩石内部裂纹的分布情况。

7.根据权利要求1所述一种基于岩石电阻变化的裂纹分布检测方法，其特征在于：所述岩石试样内部裂纹分布的几何模型的构建，采用的方法为：分析温度图谱的温度变化情况，可得到波动形的温度图谱，并且在图谱波动图像上，会有明显的温度波谷区域，由岩石内部裂纹与岩石实体的电阻率性质可知，温度低的波谷区域就是裂纹的分布区域；选择另外一组相对岩石表面，按照上述步骤S3嵌入导电铜片，按步骤S5激发极化后得到另一维度的感温图谱，对三个维度得到的温度图谱进行几何模型构建，可得到岩石内部裂纹的具体空间几何分布情况。

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