一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，特別涉及一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆 性試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于頁(yè)巖儲(chǔ)層致密，屬于低孔、超低滲儲(chǔ)層，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行壓裂作 業(yè)，而巖石脆性作為巖石固有的力學(xué)屬性，決定了頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性和壓裂改造的難易 程度。因此，一般通過(guò)巖石的脆性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)巖石的可壓裂性，脆性指數(shù)越高，說(shuō)明儲(chǔ)層一 般性質(zhì)硬脆，對(duì)壓裂作業(yè)的反應(yīng)敏感，能迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫。
[0003] 目前，聲發(fā)射脆性指數(shù)測(cè)定法是通過(guò)巖石壓裂過(guò)程中聲發(fā)射能量大小進(jìn)行測(cè)定， 如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310254628. X的發(fā)明專利，單純從聲發(fā)射能量大小考慮，而忽略試 樣形態(tài)、加載速率等外在因素不同時(shí)，聲發(fā)射能量大小隨之發(fā)生變化，使得測(cè)定的脆性指數(shù) 存在偏差。此外，進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，一方面聲發(fā)射傳感器多放置在壓力釜外，導(dǎo)致聲發(fā)射 信號(hào)能量損失嚴(yán)重，另一方面聲發(fā)射裝置不能同步獲得原位頁(yè)巖的聲發(fā)射特征參數(shù)和應(yīng) 力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，降低了測(cè)定巖石脆性指數(shù)的準(zhǔn)確度。例如，申請(qǐng)?zhí)枮?01110212775.1發(fā)明專 利和申請(qǐng)?zhí)枮?01320057732.5發(fā)明專利，雖然聲發(fā)射傳感器置于底座，減小了聲發(fā)射信號(hào) 能量的損失，但不能同步得到原位溫度壓力下頁(yè)巖聲發(fā)射特征參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原 位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置及方法，通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)裝置、優(yōu)化測(cè)定方法，提高了原位頁(yè)巖脆性指數(shù) 評(píng)價(jià)的合理性和準(zhǔn)確性。
[0005] 本發(fā)明提到的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置，包括三軸壓力釜 (1)、底座（14)、活塞桿(8)、聲發(fā)射傳感器（16)、溫度傳感器(4)、應(yīng)變片（12)、電磁加熱圈 (13)，所述活塞桿(8)安裝在三軸壓力釜（1)上端，用密封圈1(9)密封，可用于給巖心（11)施 加壓力;所述底座（14)安裝在三軸壓力釜（1)下端，用密封圈Π (15)密封;所述巖心（11)放 置在活塞桿(8)與底座（14)之間，用熱塑管（3)密封;所述注液口（6)安置在三軸壓力釜（1) 下部，用于向釜腔(2)內(nèi)注入、排除液體，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心（11)加載、卸載圍壓;所述排氣口（10) 安置在三軸壓力釜（1)上部，用于釜腔內(nèi)排放氣體或充氣排液;所述電磁加熱圈（13)安裝在 三軸壓力釜（1)外壁，用于對(duì)釜腔加熱;所述溫度傳感器(4)安裝在底座（14)上，用內(nèi)防水橡 膠塞(6)密封，其數(shù)據(jù)線1(18)依次通過(guò)底座（14)導(dǎo)出，與溫度測(cè)量?jī)x(19)連接，并由計(jì)算機(jī) (20)顯示溫度大?。凰鰬?yīng)變片（12)安裝在熱塑管（3)內(nèi)，并粘貼在巖心（11)四個(gè)不同方 位，其數(shù)據(jù)線Π (21)依次通過(guò)底座（14)導(dǎo)出，與應(yīng)變測(cè)量?jī)x(24)連接，并由計(jì)算機(jī)(20)顯示 應(yīng)變數(shù)據(jù);所述聲發(fā)射傳感器(16)安裝在底座（14)內(nèi)部，用橡膠墊（17)、螺絲(7)固定，其數(shù) 據(jù)線ΠΚ22)依次通過(guò)線底座（14)導(dǎo)出，與聲發(fā)射檢測(cè)儀連接，并由計(jì)算機(jī)(20)顯示聲發(fā)射 數(shù)據(jù)。
[0006] 上述的底座（14)由底座主體和底座腔室(30)組成，所述的底座主體由第一底座體 (14.1 )、第二底座體（14.2)和第三底座體（14.3)組成整體，且三個(gè)底座體為直徑依次減小 的圓柱體，三個(gè)底座體的中心處設(shè)有底座腔室(30)，且第一底座體（14.1)的上表面與三軸 壓力釜(1)的的底部接觸配合，第二底座體(14.2)的軸向外表面與三軸壓力釜（1)的底部?jī)?nèi) 壁接觸;所述的第三底座體（14.3)的軸向外表面與熱塑管(3)的內(nèi)壁配合;所述的三軸壓力 釜（1)的內(nèi)壁、第二底座體(14.2)的上表面和熱塑管(3)的外壁之間形成釜腔(2)。
[0007] 優(yōu)選的，上述的第一底座體（14.1)設(shè)有一條徑向的線槽IV(28)，線槽IV(28)的外 端設(shè)在第一底座體(14.1)的外壁，內(nèi)端連通到線槽1(25);所述的第二底座體（14.2)上設(shè)有 一條軸向的線槽Π (26)，所述的線槽Π (26)的上端設(shè)在第二底座體（14.2)的上表面，下端 連通到線槽IV(28);所述的第三底座體（14.3)上設(shè)有徑向的線槽V (29)和軸向的線槽I (25)，線槽1(25)的上端與線槽V (29)連通，下端與線槽IV(28)及底座腔室(30)連通;所述 的線槽V (29 )設(shè)在第三底座體(14.3 )的上端。
[0008] 另外，上述電磁加熱圈（13)用于對(duì)三軸壓力釜（1)加熱，溫度傳感器(4)精確測(cè)量 釜腔(2)溫度。
[0009] 上述活塞桿（8)對(duì)巖心（11)施加壓力過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片（12)和聲發(fā)射傳感器 (16)同步輸出數(shù)據(jù)。
[0010] 本發(fā)明提到的基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置的測(cè)定方法，包括以下步 驟： (1 )、通過(guò)基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置進(jìn)行高溫條件下三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得 到原位頁(yè)巖的聲發(fā)射累積能量和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)； (2) 、建立聲發(fā)射累積能量、應(yīng)力-應(yīng)變與原位頁(yè)巖脆性指數(shù)的關(guān)系模型； (3) 、根據(jù)所述關(guān)系模型，通過(guò)所述同步數(shù)據(jù)，確定原位頁(yè)巖的脆性指數(shù)； 其中，所述聲發(fā)射累積能量、應(yīng)力-應(yīng)變與原位頁(yè)巖脆性指數(shù)的關(guān)系模型按照如下方法 建立： (a) 、通過(guò)基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置進(jìn)行高溫條件下三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得 到原位頁(yè)巖的應(yīng)力-應(yīng)變、聲發(fā)射累積能量的同步數(shù)據(jù)； (b) 、在同一坐標(biāo)系下，繪制應(yīng)力〇和聲發(fā)射累積能量ln(EAE)隨應(yīng)變?chǔ)诺淖兓€； (c) 、在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上標(biāo)記出應(yīng)力起始點(diǎn)、屈服起始點(diǎn)和殘余起始點(diǎn)，并計(jì)算出在聲 發(fā)射累積能量曲線上三點(diǎn)對(duì)應(yīng)線段的斜率； (d) 根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變不同階段，聲發(fā)射累積能量與巖石脆性的關(guān)系，確定原位頁(yè)巖脆性 指數(shù)的關(guān)系模型。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：（1)本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)單，擺脫了大型 三軸壓縮機(jī)的限制，能夠廣泛應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)和研究單位，進(jìn)行高溫條件下的三軸壓縮實(shí) 驗(yàn)； (2) 本發(fā)明所述聲發(fā)射傳感器內(nèi)置于底座中，聲發(fā)射信號(hào)直接通過(guò)底座傳到聲發(fā)射傳 感器，該底座為獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置的體積，方便了實(shí)驗(yàn)，減少了通過(guò)三軸壓 力釜時(shí)聲發(fā)射信號(hào)能量損失，提高了原位頁(yè)巖脆性指數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性； (3) 本發(fā)明所述活塞桿對(duì)巖心施加壓力，應(yīng)變片和聲發(fā)射傳感器同步輸出數(shù)據(jù)，避免了 分別獲得應(yīng)力-應(yīng)變值和聲發(fā)射累積能量值時(shí)產(chǎn)生的誤差； (4)本發(fā)明所述聲發(fā)射累積能量、應(yīng)力-應(yīng)變與原位頁(yè)巖脆性指數(shù)的關(guān)系模型，從能量 角度確定原位頁(yè)巖脆性指數(shù)，更加可靠，并且精確度高，提高了原位頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)的合理 性。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置底座結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖3為本發(fā)明的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置底座結(jié)構(gòu)主視圖； 圖4為本發(fā)明的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置底座結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖5為同一坐標(biāo)系下，應(yīng)力和聲發(fā)射累積能量隨應(yīng)變的變化關(guān)系曲線示意圖。
[0013] 圖中，1、三軸壓力釜，2、釜腔，3、熱塑管，4、溫度傳感器，5、防水橡膠塞，6、注液口， 7、螺絲，8、活塞桿，9、密封圈I，10、排氣口，11、巖心，12、應(yīng)變片，13、電磁加熱圈，14、底座， 15、密封圈Π ，16、聲發(fā)射傳感器，17、橡膠墊，18、數(shù)據(jù)線I，19、溫度測(cè)量?jī)x，20、計(jì)算機(jī)，21、 數(shù)據(jù)線Π ，22、數(shù)據(jù)線ΙΠ ，23、聲發(fā)射檢測(cè)儀，24、應(yīng)變測(cè)試儀，25、線槽I，26、線槽Π ，27、線槽 ΙΠ ，28、線槽IV，29、線槽V，30、底座腔室，31、螺孔V，32、螺孔ΙΠ ，33、螺孔I，34、螺孔Π ，35、 螺孔IV; 14.1、第一底座體，14.2、第二底座體，14.3、第三底座體。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面將結(jié)合本發(fā)明附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0015] 如圖1所示，本發(fā)明的一種基于聲發(fā)射技術(shù)的原位頁(yè)巖脆性試驗(yàn)裝置，包括:三軸 壓力釜1、底座14、活塞桿8、聲發(fā)射傳感器16、溫度傳感器4、應(yīng)變片12、電磁加熱圈13。
[0016] 所述活塞桿8安裝在三軸壓力釜1上端，用密封圈19密封，可用于給巖心11施加壓 力;所述底座14安裝在三軸壓力釜1下端，用密封圈Π 15密封，并通過(guò)螺孔133、螺孔Π 34、螺 孔ΙΠ 32、螺孔IV35固定;所述巖心11放置在活塞桿8與底座14之間，用熱塑管3密封;所述注 液口 6安置在三軸壓力釜1下部，用于向釜腔2內(nèi)注入、排除液體，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心11加載、卸載圍 壓;所述排氣口 10安置在三軸壓力釜1上部，用于釜腔內(nèi)排放氣體或充氣排液;所述電磁加 熱圈13安裝在三軸壓力釜1外壁，用于對(duì)釜腔加熱;所述溫度傳感器4安裝在底座14上，用內(nèi) 防水橡膠塞6密封，其數(shù)據(jù)線118與溫度測(cè)量?jī)x19連接，并由計(jì)算機(jī)20顯示溫度大小;所述應(yīng) 變片12安裝在熱塑管3內(nèi)，并粘貼在巖心11四個(gè)不同方位，其數(shù)據(jù)線Π 21與應(yīng)變測(cè)量?jī)x24連 接，并由計(jì)算機(jī)20顯示應(yīng)變數(shù)據(jù);所述聲發(fā)射傳感器16安裝在底座14內(nèi)部，用橡膠墊17、螺 絲7固定，其數(shù)據(jù)線ΙΠ 22與聲發(fā)射檢測(cè)儀連接，并由計(jì)算機(jī)20顯示聲發(fā)射數(shù)據(jù)。
[0017] 如圖2、3、4所示，本發(fā)明的底座裝置，包括:底座主體、底座腔室30,線槽125、線槽 Π 26，線槽ΙΠ 27、線槽IV28、螺孔133、螺孔Π 34、螺孔ΙΠ 32、螺孔IV35、螺孔V 31，