一種巖石可壓性測試系統及測試方法與流程

本發明涉及石油工程技術領域，具體地說，涉及一種巖石可壓性測試系統及測試方法。

背景技術：

利用水力壓裂對儲層巖石進行改造是提高單井產量的重要手段，特別是對于滲透率極低的儲層，水力壓裂更是其經濟有效開發的基礎。而對儲層可壓性的評價是判斷儲層形成復雜裂縫難易的關鍵，也是合理優選優化改造工藝、儲層改造液體的基礎。

以往對儲層可壓性的評價主要以脆性或脆度指數進行評價，例如國外以Rickman為代表，在SPE協會2008SPE Annual Technical Conference and Exhibition會議論文SPE 115258中，針對頁巖提出了脆度指數的概念用于指導現場，其脆度指數是用楊氏模量和泊松比兩個彈性參數或者“脆性礦物”的含量確定。

同時，國內學者也提出了以全應力應變曲線中的峰值強度、殘余強度等參數進行表征巖石脆度的方法，代表性文獻為《巖石力學與工程學報》的“頁巖脆性的室內評價方法及改進”，主要為基于巖石的全應力-應變曲線的特征參數測定表征巖石的脆度，特征參數主要為巖石的峰值強度和殘余強度。

現有的方法對儲層巖石可壓性的測試主要建立在脆性/脆度的評價上，其考慮因素較為片面，對儲層巖石能否形成復雜裂縫網絡缺乏客觀評價。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供了一種巖石可壓性測試系統，所述系統包括：

厚壁框架，其用于與放置其中的被測巖石樣本接觸并向所述被測巖石樣本提供支撐；

側向應力加載裝置，其用于與所述被測巖石樣本的相應受力面接觸并向所述被測巖石樣本施加模擬地應力；

液體加載裝置，其用于與所述被測巖石樣本的鉆孔密封連接，并向所述鉆孔內泵注液體；

若干聲發射探頭，其用于測量所述被測巖石樣本在液體泵注過程中產生的聲發射信號。

根據本發明的一個實施例，所述厚壁框架包括三個相互垂直的支撐面，所述支撐面用于對與所述被測巖石樣本的相應表面接觸并對所述被測巖石樣本進行支撐。

根據本發明的一個實施例，所述側向應力加載裝置包括若干側向加載蓋板，其中兩個側向加載蓋板分別用于與所述被測巖石樣本的未被所述厚壁框架覆蓋的兩個表面相接觸，以分別對這兩個表面施加模擬地應力。

根據本發明的一個實施例，所述側向加載蓋板中設置有若干通孔，部分所述聲發射探頭設置于所述若干通孔中。

根據本發明的一個實施例，各個側向加載蓋板中的通孔是相對于該側向加載蓋板的中心對稱分布的。

根據本發明的一個實施例，部分所述聲發射探頭耦合設置于被測巖石樣本未被所述側向加載蓋板覆蓋的表面上。

根據本發明的一個實施例，所述液體加載裝置通過與所述被測巖石樣本的鉆孔密封連接的注液管來將所述液體泵注到所述鉆孔中。

根據本發明的一個實施例，所述系統還包括：

信號采集及處理裝置，其與所述若干聲發射探頭連接，用于根據液體泵注過程中測量得到的聲發射信號確定所述被測巖石樣本的巖石可壓性。

根據本發明的一個實施例，所述聲發射信號包括：波形參數、能量參數和上升時間參數。

根據本發明的一個實施例，所述信號采集及處理裝置通過單芯同軸屏蔽電纜分別與各個聲發射探頭連接。

本發明還提供了一種巖石可壓性測試方法，所述方法利用如上任一項所述的的測試系統來進行巖石可壓性測試，所述方法包括：

步驟一、將被測巖石樣本置入厚壁框架內；

步驟二、將側向應力加載裝置與所述被測樣本配合裝配，將部分聲發射探頭安裝到所述側向應力加載裝置中并通過耦合劑將聲發射探頭與所述被測巖石樣本表面充分耦合；

步驟三、連接各個聲發射探頭與聲發射信號采集及處理裝置；

步驟四、利用所述側向應力加載裝置向所述被測巖石樣本施加模擬地應力，利用液體加載裝置向所述被測巖石樣本的鉆孔泵注液體，利用各個聲發射探頭采集聲發射信號，利用所述信號采集及處理裝置根據所述聲發射信號確定所述被測巖石樣本的巖石可壓性。

根據本發明的一個實施例，在所述步驟四中，根據所述聲發射信號確定聲發射事件數量、能量以及累計聲發射能量與時間之間關系曲線，根據所述聲發射事件數量、能量以及累計聲發射能量與時間之間關系曲線，初步確定所述被測巖石樣本的可壓性。

根據本發明的一個實施例，在所述步驟四中，還根據所述聲發射信號對聲發射事件進行定位，并根據定位結果對水力壓裂形成的裂縫形態進行描述，從而獲得裂縫隨時間的空間展布狀態，根據所述空間展布狀態以及累計聲發射能量與時間的關系，進一步確定所述被測巖石樣本的可壓性。

本發明所提供的巖石可壓性測試系統能夠有效模擬巖石所處地應力狀態，尤其是巖石所受到的水平地應力。這樣該系統在進行巖石可壓性測試的過程中也就考慮了水平地應力差對巖石形成復雜裂縫的影響，從而使得最終確定出的巖石可壓性結果更加準確。

同時，該測試系統還能夠通過側向加載蓋板中預制的通孔來對聲發射探頭的位置進行準確設置，并且聲發射探頭可以直接耦合至被測巖石樣本的表面，這也就保證了聲發射探頭檢測聲發射信號的有效性和準確性。

此外，該測試系統通過多個單芯同軸屏蔽電纜來同步監測壓力信號以及聲發射信號，這樣可以準確、有效地描述水力裂縫隨之間的空間展布，從而準確評價對應地應力條件下巖石可壓性。

本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據本發明一個實施例的巖石可壓性測試系統的結構示意圖；

圖2是根據本發明一個實施例的巖石可壓性測試方法的實現流程圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，借此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，并達成技術效果的實現過程能充分理解并據以實施。需要說明的是，只要不構成沖突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護范圍之內。

同時，在以下說明中，出于解釋的目的而闡述了許多具體細節，以提供對本發明實施例的徹底理解。然而，對本領域的技術人員來說顯而易見的是，本發明可以不用這里的具體細節或者所描述的特定方式來實施。

另外，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟。

針對現有技術中所存在的上述問題，本發明提供了一種新的巖石可壓性測試系統。圖1示出了本實施例中該測試系統的結構示意圖。

如圖1所示，本實施例所提供的測試系統優選地包括：厚壁框架101、若干發射探頭102、側向應力加載裝置、鉆井液加載裝置以及信號采集及處理裝置103。其中，厚壁框架101用于與放置其中的被測巖石樣本104接觸，并向該被測巖石樣本提供制成。本實施例中，厚壁框架101優選地采用長方體框架。對應地，被測巖石樣本為各端面平整的長方體，其中，為了對進行水力壓裂測試，被測巖石樣本中還形成有鉆孔。

本實施例中，厚壁框架101優選地包括三個相互垂直的支撐面，這三個支撐面用于與被測巖石樣本的相應表面接觸，并對被測巖石樣本進行支撐。其中，根據實際需要，厚壁框架101可選地置于地下預制框架內或雙軸加載框架內。

側向應力加載裝置用于與被測巖石樣本的相應手里面接觸，并向置于厚壁框架101中的被測巖石樣本施加指定大小的應力(即模擬地應力)。具體地，如圖1所示，本實施例中，側向應力加載裝置優選地包括若干側向加載蓋板105，其中兩個側向加載蓋板105分別用于與被測巖石樣本104的未被厚壁框架覆蓋的兩個表面相接觸，以分別對這兩個表面施加模擬地應力。

通過側向應力加載裝置，本實施例所提供的巖石可壓性測試系統能夠有效模擬巖石原地應力狀態，特別是能夠有效模擬水平地應力差對巖石形成復雜裂縫的影響，從而保證了巖石可壓性測試的準確性。

需要指出的是，在本發明的不同實施例中，根據實際需要，不同側向加載蓋板105向相應被測巖石樣本表面所施加的應力既可以相同，也可以不同，本發明不限于此。

本實施例中，各個側向加載蓋板105中均形成有若干個通孔106，這些通孔的直徑優選地均為10mm。其中，各個側向加載蓋板104中的通孔優選地均相對于該蓋板的中心均勻對稱分布。具體地，例如，本實施例中各個側向加載蓋板105中形成有4個通孔，這4個通孔相對于蓋板的中心對稱分布。

需要指出的是，在本發明的其他實施例中，側向加載蓋板104中所形成的通孔106的直徑還可以根據所使用的聲發射探頭的尺寸的不同而配置為其他合理值，本發明不限于此。

同時，還需要指出的是，在本發明的其他實施例中個，各個蓋板中所形成的通孔的數量還可以為其他合理值(例如6個以上等)，同時，不同蓋板中所形成的通孔的數量既可以相同也可以不同，此外，通孔在蓋板中的排布方式還可以為其他合理方式，本發明同樣不限于此。

本實施例中，在對被測巖石樣本的可壓性進行測試時，部分聲發射探頭102分別設置在上述側向加載蓋板105的通孔中，聲發射探頭102的端部與被測巖石樣本104的表面接觸。

為了能夠更加準確地對測試過程中被測巖石樣本的聲發射事件進行測量，本實施例中，這些聲發射探頭102優選地通過耦合劑來與被測巖石樣本104的表面進行充分耦合。當然，在本發明的其他實施例中，還可以通過其他合理方式來保證聲發射探頭的端部與被測巖石樣本表面的充分耦合，本發明不限于此。

為了使得最終得到的巖石可壓性測試結果更加準確，本實施例中，被測巖石樣本未被厚壁框架支撐面和側向加載蓋板所覆蓋的表面同樣設置有聲發射探頭102。其中，這些聲發射探頭102的端部同樣通過耦合劑來與被測巖石樣本的對應表面充分耦合。當然，在本發明的其他實施例中，這些聲發射探頭102還可以通過設置有通過的蓋板來與被測巖石樣本的表面進行耦合接觸，本發明不限于此。

如圖1所示，本實施例中，被測巖石樣本104中形成有鉆孔107，在對該被測巖石樣本104進行可壓性測試時，首先利用一注液管的一端與被測巖石樣本的鉆孔107密封連接，隨后再將該注液管的另一端與液體加載裝置連接，這樣液體加載裝置也就可以可靠地將液體泵入到被測巖石樣本104的鉆孔107中。

本實施例中，注液管優選地采用鋼管來實現，該鋼管與被測巖石樣本的鉆孔之間采用膠結的方式進行密封。需要指出的是，在本發明的其他實施例中，注液管所采用的材料還可以為其他合理材料(例如聚氯乙烯管等)，注液管與被測巖石樣本的鉆孔之間的密封方式也可以為其他合理方式，本發明不限于此。

本實施例中，液體加載裝置還可以包括壓力傳感器，該壓力傳感器能夠測量注液過程中的液壓加載壓力，從而得到壓力信號。

如圖1所示，各個聲發射探頭102以及壓力傳感器均與信號采集及處理裝置103連接，信號采集及處理裝置103能夠根據所接收到的聲發射信號和壓力信號確定被測巖石樣本的巖石可壓性。本實施例中，信號采集及處理裝置優選地可以采用PAC或ASC來實現。

本實施例中，整個測試系統所包含的聲發射探頭和/或壓力傳感器均是分別通過單芯同軸屏蔽電纜來與信號采集及處理裝置連接的。這樣信號采集及處理裝置103也就可以可以對被測巖石樣本的聲發射時間進行多通道監測，從而實現對聲發射時間的精確定位，進而有助于更加準確的描述水力壓裂形成裂縫隨時間變化的空間展布。

為了更加清楚地闡述本實施例所提供的巖石可壓性測試系統的原理以及優點，以下結合圖2所示的使用上述巖石可壓性測試系統進行巖石可壓性測試的方法來對該系統作進一步地說明。

在對被測巖石進行可壓性測試時，首先對被測巖石處理為長方體并保證各端面的平整性和平行度，隨后在得到的長方體巖石的指定位置處鉆取鉆孔，從而得到被測巖石樣本。在得到被測巖石樣本后，利用一注液管的一端與被測巖石樣本的鉆孔密封連接。本實施例中，注液管優選地采用鋼管來實現，該鋼管與被測巖石樣本的鉆孔之間采用膠結的方式進行密封。需要指出的是，在本發明的其他實施例中，注液管所采用的材料還可以為其他合理材料，注液管與被測巖石樣本的鉆孔之間的密封方式也可以為其他合理方式，本發明不限于此。

完成上述過程后，如圖2所示，該方法在步驟S201中將被測巖石樣本置入厚壁框架內，并保證被測巖石樣本的三個表面與厚壁框架的三個支撐面可靠接觸。

隨后，該方法在步驟S202中將側向應力加載裝置所包含的兩個側向加載蓋板與被測巖石樣本配合裝配。具體地，將上述兩個側向加載蓋板分別與被測巖石樣本的兩個對應表面相接觸，這樣上述兩個側向加載蓋板也就可以向被測巖石樣本的兩個對應表面施加模擬地應力。

在步驟S203中，該方法會將部分聲發射探頭安裝到側向加載蓋板的通孔中，并將這些聲發射探頭通過耦合劑來與對應被測巖石樣本的表面充分耦合。這樣能夠保證聲發射探頭所采集得到的聲發射信號的有效性和準確性。本實施例中，為了提高最終得到的巖石可壓性測試結果的準確性，該方法還在步驟S204中將部分聲發射探頭設置于被測巖石樣本表面。

隨后連接各個聲發射探頭與信號采集及處理裝置，并在步驟S205中利用側向應力加載裝置分別向被測巖石樣本的兩個表面施加相應大小的模擬地應力。隨后，該方法還在步驟S205中利用液體加載裝置向被測巖石樣本的鉆孔泵注液體，在此過程，通過壓力傳感器來實時監測相應的液體壓力。

在向被測巖石樣本的鉆孔泵注液體的過程中，該方法會在步驟S206中利用各個聲發射探頭進行信號采集，并將采集得到的聲發射信號傳輸給信號采集及處理裝置。在步驟S207中，該方法會利用信號采集及處理裝置來根據所接收到的聲發射信號確定出被測巖石樣本的巖石可壓性。

具體地，本實施例中，聲發射探頭所測量得到的聲發射信號優選地包括聲波的波形、能量以及上升時間等參數。根據這些參數，該方法能夠在步驟S207中確定出液體泵入過程中的聲發射事件數量、能量以及累積能量與時間的關系曲線，根據這些參數，便可以初步確定出被測巖石樣本的巖石可壓性進行。

具體地，在液體泵注過程中，如果被測巖石樣本中的裂縫是在一較時段內集中形成的，那么則可以判定該被測巖石樣本的可壓性較高；而如果被測巖石樣本中的裂縫是在一較長時間段內陸續形成的，那么則可以判定該被測巖石樣本的可壓性較低。

本實施例中，該方法在步驟S207中還可以利用信號采集及處理裝置來根據聲發射信號對聲發射事件進行定位，并根據定位結果對水力壓裂形成的裂縫形態進行描述，從而獲得裂縫隨時間的空間展布狀態，根據裂縫隨時間的空間展布狀態以及累計聲發射能量與時間的關系，也就可以進一步確定出被測巖石樣本的可壓性。

本實施例中，如果被測巖石樣本形成彌散式裂縫形態并呈裂縫網絡特征，那么則表示該被測巖石樣本在該模擬地應力條件下形成裂縫網絡的可能性較大，該被測巖石樣本的可壓性較高。而如果被測巖石樣本所形成的裂縫形態偏向與雙翼縫或裂縫不甚復雜，那么則表示該被測巖石樣本的可壓性較差。

從上述描述中可以看出，本實施例所提供的巖石可壓性測試系統能夠有效模擬巖石所處地應力狀態，尤其是巖石所受到的水平地應力。這樣該系統在進行巖石可壓性測試的過程中也就考慮了水平地應力差對巖石形成復雜裂縫的影響，從而使得最終確定出的巖石可壓性結果更加準確。

同時，該測試系統還能夠通過側向加載蓋板中預制的通孔來對聲發射探頭的位置進行準確設置，并且聲發射探頭可以直接耦合至被測巖石樣本的表面，這也就保證了聲發射探頭檢測聲發射信號的有效性和準確性。

此外，該測試系統通過多個單芯同軸屏蔽電纜來同步監測壓力信號以及聲發射信號，這樣可以準確、有效地描述水力裂縫隨之間的空間展布，從而準確評價對應地應力條件下巖石可壓性。

應該理解的是，本發明所公開的實施例不限于這里所公開的特定結構或處理步驟，而應當延伸到相關領域的普通技術人員所理解的這些特征的等同替代。還應當理解的是，在此使用的術語僅用于描述特定實施例的目的，而并不意味著限制。

說明書中提到的“一個實施例”或“實施例”意指結合實施例描述的特定特征、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，說明書通篇各個地方出現的短語“一個實施例”或“實施例”并不一定均指同一個實施例。

雖然上述示例用于說明本發明在一個或多個應用中的原理，但對于本領域的技術人員來說，在不背離本發明的原理和思想的情況下，明顯可以在形式上、用法及實施的細節上作各種修改而不用付出創造性勞動。因此，本發明由所附的權利要求書來限定。