CN116793830A - 一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，包括：步骤1、选用目标区域煤储层的标准岩心开展不同围压条件下岩石三轴压缩实验，获取岩石的应力‑加载时间曲线，同步记录煤岩试件加载过程中的声发射能量；步骤2、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，获取煤岩试样的声发射累积能量‑加载时间曲线；步骤3、根据峰值前和峰值后的能量耗散及积累情况，建立基于声发射累计能量的脆性评价模型，进而确定煤岩的脆性指数；有效地测定煤储层岩石脆性指数，为煤储层压裂改造提供参考依据。
Description
技术领域
本发明属于煤岩脆性指数评过技术领域，具体涉及一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法。
背景技术
岩石的脆性是评价储层天然裂缝发育、预测水力压裂效果和井壁稳定性等方面的重要参数。岩石的脆性能够显著影响井壁的稳定性，对提高钻井效率和钻井安全性都有重要的意义。脆性也是预测天然裂缝发育程度和水力压裂效果的重要参数，一般认为储层岩石的脆性越大，天然裂缝越发育，水力压裂中也更容易形成的裂缝系统越复杂，压裂液使用量越大，所需支撑剂的颗粒尺寸越小，更有利于基质孔隙中页岩气的采出，因而更容易获得更高的产气量。
目前对于关于岩石的脆性特征已达成6点共识：(1)岩石在低应变条件下即刻发生破坏；(2)岩石的脆性破坏主要由内部微裂纹主导；(3)岩石具有高抗压、抗拉强度比；(4)岩石具有高回弹能；(5)岩石的内摩擦角大；(6)岩石在硬度测试时裂纹发育完全。
国内外学者根据研究需要提出了大量脆性评价方法，但这些脆性评价方法对于特定的岩石具有意义，尤其是页岩、砂岩，而煤储层强度较低、天然裂隙发育，对于煤岩的适用性还未可知。通过记录煤岩从施加载荷开始到屈服破坏整个过程中煤岩的声发射能量变化，根据峰值前后的能量耗散、积累情况，建立一种基于声发射累计能量的脆性指数评价方法具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，以有效地测定煤储层岩石脆性指数，为煤储层压裂改造提供参考依据。
本发明采取的技术方案为：
一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，所述方法包括：
步骤1、选用目标区域煤储层的标准岩心开展不同围压条件下岩石三轴压缩实验，获取岩石的应力-加载时间曲线，同步记录煤岩试件加载过程中的声发射能量；
步骤2、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，获取煤岩试样的声发射累积能量-加载时间曲线；
步骤3、根据峰值前和峰值后的能量耗散及积累情况，建立基于声发射累计能量的脆性评价模型，进而确定煤岩的脆性指数。
建立基于声发射累计能量的脆性评价模型的方法包括：
步骤3.1、基于声发射累积能量的演化规律，将煤岩试件破裂过程的声发射累积能量分为两个区制，分区的界限为弹性段和塑性段的分界点；
步骤3.2、在分界点前，试件内部微裂纹发生闭合且试件发生弹性变形，此阶段消耗的能量代表岩石破裂的能量耗散，即声发射累积能量为耗散能；
步骤3.3、在分界点后，岩石试件发生破裂，随着载荷的不断增加，趋于完全破坏，释放出大量能量，此时的声发射累积能量为弹性应变能；
步骤3.4、从应力-加载时间曲线上获取裂纹萌生起始时间t1、完全破坏结束时间t2；
步骤3.5、在声发射累积能量-加载时间曲线上获取岩石裂纹萌生前的声发射累计能量E1、完全破坏的声发射累计能量E2。
煤岩的脆性指数的确定方法包括：
步骤3.6、考虑峰前和峰后阶段的能量变化，建立了新的脆性指标，具体包括：
式中：E1为裂纹萌生前的声发射累计能量，E2为煤岩试件完全破坏的声发射累计能量；
式中：t1为裂纹萌生起始时间，t2为煤岩试件完全破坏结束时间；
B＝B1B2(公式3)
式中B1为基于耗散能的脆性指数，B2为基于应变能的脆性指数，B为基于声发射累计能量的脆性指数。
本发明的有益效果：
本发明包括对煤岩进行不同围压下的三轴试验，同时记录加载过程中的声发射数据，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。根据峰值前和峰值后的能量耗散、积累情况，建立一种基于声发射累计能量的脆性评价模型，进而确定煤岩的脆性指数。本发明方法基于岩石破裂全过程的能量释放，利用声发射累计能量表征煤岩脆性，从而提高了岩石脆性评价的准确性和可靠性。该方法适用于深部储层环境，可有效地测定煤储层岩石脆性指数，为煤储层压裂改造提供参考。
本发明是基于岩石破坏机制的声发射累积能量脆性评价方法，考虑峰前和峰后阶段的能量演化，应用声发射累积能量建立了煤岩脆性指数，可以有效地解释不同围压条件下煤岩的脆性；本发明所建立的岩石脆性指数具有合理性，相比于同类方法，在评价岩石脆性方面具有一定的优势。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明实施例声发射累积能量曲线的分区示意图；
图3为本发明实施例的不同围压条件下煤岩三轴压缩试验曲线图；
图4为本发明实施例的围压2MPa条件下声发射累积能量-应力-加载时间关系曲线；
图5为本发明实施例的围压4MPa条件下声发射累积能量-应力-加载时间关系曲线；
图6为本发明实施例的围压6MPa条件下声发射累积能量-应力-加载时间关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作详细阐述。显然，本发明的具体实施方式并不限于所提供的具体实施例。
实施例
一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：选用目标区域煤储层的标准岩心(直径50mm、长度100mm)，开展不同围压条件下岩石三轴压缩实验，获取岩石的应力-加载时间曲线，同步记录煤岩试件加载过程中的声发射能量；
步骤二：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，获取煤岩试样的声发射累积能量-加载时间曲线；
步骤三：根据峰值前和峰值后的能量耗散、积累情况，建立一种基于声发射累计能量的脆性评价模型，进而确定煤岩的脆性指数；
其中，所述基于声发射累计能量的脆性评价模型按照如下方法建立：
基于声发射累积能量的演化规律，将煤岩试件破裂过程的声发射累积能量分为两个区制，所述的分区的界限为弹性段和塑性段的分界点；
在分界点前，试件内部微裂纹发生闭合，且试件发生弹性变形，此阶段消耗的能量代表岩石破裂的能量耗散，即声发射累积能量为耗散能；
在分界点后，岩石试件发生破裂，随着载荷的不断增加，趋于完全破坏，释放出大量能量，此时的声发射累积能量为应变能。
在应力-加载时间曲线上获取裂纹萌生起始时间t1、完全破坏结束时间t2；
在声发射累积能量-加载时间曲线上获取岩石裂纹萌生前的声发射累计能量E1、完全破坏的声发射累计能量E2；
通常认为耗散能占总能量的比率越大，而弹性应变能占总能量比率约小，岩石的脆性越高。因此基于弹性应变能量相对大小的脆性指数可以计算为：
式中：E1为裂纹萌生前的声发射累计能量，E2为完全破坏的声发射累计能量；
岩石样品在加载过程中的能量累积和耗散与时间有关，能量释放的时间越快，说明应力下降速度越快，即应变能释放率与脆性存在相关性。因此基于应变能量释放率的脆性指数可以计算为：
式中：t1为裂纹萌生起始时间，t2为煤岩试件完全破坏结束时间；
通过基于弹性应变能占总能量比率和弹性应变能释放率定义基于声发射累计能量的脆性指数：
B＝B1B2(公式3)
式中B1为基于耗散能的脆性指数，B2为基于应变能的脆性指数，B为基于声发射累计能量的脆性指数；
下面，本实施例将提供一种基于声发射累计能量确定脆性指数的应用例，从不同围压条件下对本发明实施例提供的脆性评价方法进行验证。
步骤一：从待测煤样上钻取3块岩心，并切割成高度100mm、直径50mm的标准试样，
使用砂轮机打磨至两端面平行，且高度误差不超过0.2mm，直径误差不超过0.2mm；
步骤二：对待测岩心进行不同围压条件下(2MPa、4MPa、6MPa)三轴压缩试验及声发射试验，获取岩石的应力-加载时间曲线，同步记录煤岩试件加载过程中的声发射能量；
步骤三：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，获取煤岩试样的声发射累积能量-加载时间曲线；
步骤四：在应力-加载时间曲线上获取裂纹萌生起始时间t1、完全破坏结束时间t2；裂纹萌生起始时间t1对应声发射累计能量-加载时间曲线上的声发射累计能量剧增起始点，完全破坏结束时间t2对应声发射累计能量剧增结束点；
步骤五：在声发射累积能量-加载时间曲线上获取岩石裂纹萌生前的声发射累计能量E1、完全破坏的声发射累计能量E2；
步骤六：根据表中的数据，将计算的煤岩试件裂纹萌生前的声发射累计能量E1、完全破坏的声发射累计能量E2，以及煤岩试件裂纹萌生起始时间t1、完全破坏结束时间t2代入公式公式(1)-(3)，即可得到煤岩脆性指数B，具体结果如表所示；
表1
图为不同围压条件下(2MPa、4MPa、6MPa)煤岩三轴试验曲线。在围压为2MPa时，可以发现煤岩试件在应力到达峰值后迅速下降，表现出明显的脆性特征，随着围压的增大，煤岩试件峰后应力跌落趋势变缓，抵抗变形的能力也随之增大。
为了验证本发明提出的基于声发射累计能量的脆性指数的可靠性，选择基于应力-应变曲线法获取煤岩脆性来进行对比，具体的试验数据如表所示；
表2
当围压增大时，两种方法计算的脆性值都呈现减小的趋势，当围压为2MPa时，基于声发射累计能量方法和基于应力-应变曲线方法计算的煤岩脆性值最大，分别为4.61和0.56；当围压为4MPa时，基于声发射累计能量方法和基于应力-应变曲线方法计算的煤岩脆性值分别为2.95和0.49；当围压为6MPa时，基于声发射累计能量方法和基于应力-应变曲线方法计算的煤岩脆性值最小，分别为2.74和0.43。通过对比计算结果和试验曲线，可以确定基于声发射累计能量的脆性指数B能体现不同围压条件下煤岩试样的脆性差异，在评价煤岩脆性方面有一定的优势。
Claims (3)
1.一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1、选用目标区域煤储层的标准岩心开展不同围压条件下岩石三轴压缩实验，获取岩石的应力-加载时间曲线，同步记录煤岩试件加载过程中的声发射能量；
步骤2、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，获取煤岩试样的声发射累积能量-加载时间曲线；
步骤3、根据峰值前和峰值后的能量耗散及积累情况，建立基于声发射累计能量的脆性评价模型，进而确定煤岩的脆性指数。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，其特征在于：建立基于声发射累计能量的脆性评价模型的方法包括：
步骤3.1、基于声发射累积能量的演化规律，将煤岩试件破裂过程的声发射累积能量分为两个区制，分区的界限为弹性段和塑性段的分界点；
步骤3.2、在分界点前，试件内部微裂纹发生闭合且试件发生弹性变形，此阶段消耗的能量代表岩石破裂的能量耗散，即声发射累积能量为耗散能；
步骤3.3、在分界点后，岩石试件发生破裂，随着载荷的不断增加，趋于完全破坏，释放出大量能量，此时的声发射累积能量为弹性应变能；
步骤3.4、从应力-加载时间曲线上获取裂纹萌生起始时间t1、完全破坏结束时间t2；
步骤3.5、在声发射累积能量-加载时间曲线上获取岩石裂纹萌生前的声发射累计能量E1、完全破坏的声发射累计能量E2。
3.根据权利要求2所述的一种基于声发射能量的煤岩脆性指数评价方法，其特征在于：煤岩的脆性指数的确定方法包括：
步骤3.6、考虑峰前和峰后阶段的能量变化，建立了新的脆性指标，具体包括：
式中：E1为裂纹萌生前的声发射累计能量，E2为煤岩试件完全破坏的声发射累计能量；
式中：t1为裂纹萌生起始时间，t2为煤岩试件完全破坏结束时间；
B＝B1/B2 (公式3)
式中B1为基于耗散能的脆性指数，B2为基于应变能的脆性指数，B为基于声发射累计能量的脆性指数。
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