一种利用声发射法检测岩石脆度的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油工程技术领域，特别是涉及石油工程水力压裂储层岩石脆度实验方法。
【背景技术】
[0002]水力压裂技术是提高单井产量的重要手段，近年来随着北美页岩气水力压裂改造理念和工艺措施的创新，使得大量非常规油气的经济有效开发成为可能。其中岩石脆度参数是水力压裂选井选层和水力压裂优选、设计的基础。
[0003]国外以 Rickman 为代表，在 SPE 协会 2008SPE Annual Technical Conference andExhibit1n 会议论文 “A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulat1n DesignOptimizat 1n: Al I Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale”中，针对页岩提出了脆度指数的概念用于指导现场，但由于其采用的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，而岩石的脆度是与破坏相关的参数，两种计算脆度的方法均没有反映岩石破坏的性质，因此其适用性受到限制，即在国外某些区域的页岩内适用性强，而对其它区域、其它岩性适用性较差。
[0004]针对岩石脆度评价的方法，国内学者提出了新的测量方法，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。但由于获得全应力-应变曲线对压机刚度、控制系统要求高，常规压机难以获得岩石峰后特征，因此难以获得全应力-应变曲线，特别对于页岩更为如此。
[0005]综合上述两种方法，目前岩石脆度检测评价方法存在的主要技术问题包括:
[0006](I)适用性不强，目前方法仅对某些地区的页岩适用，而对其余岩性脆度的评价适用性较差；
[0007](2)对实验设备条件要求高，操作复杂，成功率低。
【发明内容】
[0008]为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用声发射法检测岩石脆度的方法和装置。该方法和装置能够快速、简便、准确地检测各类岩石脆度。
[0009]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0010]一种利用声发射法检测岩石脆度的方法，它的特点是，所述方法包括如下步骤:
[0011](I)制备岩心样品；
[0012](2)在材料试验机上安装岩心样品,将超声波传感器稱合固定于岩心上；
[0013](3)将超声波传感器与声发射采集系统连接起来；
[0014](4)利用材料试验机对岩心样品进行加载至破坏，并利用声发射采集系统同步采集整个加载过程中的声发射参数；所述声发射参数包括振铃数、总振铃数，上升时间参数；
[0015](5)利用声发射采集系统对同步采集的振铃数进行处理，根据振铃数量与时间关系、总振铃数的上升形态判断岩石的脆度。总振铃数为台阶式上升，岩石的脆度强；总振铃数为斜坡式上升，岩石的脆度弱。
[0016]所述声发射参数还包括超声波的波形、能量。所述声发射采集系统包括计算机。所述声发射采集系统包括外参数输入端。
[0017]对于脆度强的岩石，前期声发射事件少，总振铃数(累计振铃数)为台阶式上升，即岩石为爆发性破坏；对于脆度弱的岩石，声发射事件持续发生，累计振铃数为斜坡式上升，即岩石为持续性微破坏。
[0018]按照国际岩石力学协会岩石力学实验要求对岩心长度、平行度及其端面进行加工处理，制备得到岩心样品。
[0019]上述方法中，利用常规材料试验机通过单轴或三轴压缩对岩心样品进行加载。
[0020]上述方法中，利用电缆将超声波传感器与声发射采集系统连接起来。所述电缆为单芯同轴屏蔽电缆。
[0021]进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述步骤(3)中，利用单芯同轴屏蔽电缆将超声波传感器与声发射采集系统连接起来，所述声发射采集系统设定相应信道参数。
[0022]进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述步骤(3)中，所述相应信道参数包括:声发射采集门槛值、峰值定义时间、振铃定义时间、振铃闭锁时间和最大持续时间等。例如:声发射采集门槛值设为30dB，峰值定义时间设为200微秒，振铃定义时间(Hit定义时间)设为800微秒，振铃闭锁时间(Hit闭锁时间)设为100微秒，最大持续时间设为50晕秒。
[0023]进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述方法包括如下步骤:
[0024](I)制备岩心样品；
[0025](2)在材料试验机上安装岩心样品,将超声波传感器稱合固定于岩心上,并在岩心样品上安装轴向、径向应变规；
[0026](3)利用单芯同轴屏蔽电缆将超声波传感器与声发射采集系统连接起来，并设定声发射采集系统的相应信道参数；将应变规与声发射采集系统连接起来；将材料试验机与声发射采集系统连接起来；所述材料试验机的同步输出参数(如应力和位移)输入声发射采集系统的外参数输入端；
[0027](4)利用材料试验机对岩心样品进行加载至破坏，并利用声发射采集系统同步采集整个加载过程中的声发射参数及应力-应变参数；所述声发射参数包括振铃数、总振铃数，总振铃数上升时间参数；
[0028](5)声发射采集系统对同步采集的应力-应变参数、振铃数参数进行处理，根据其振铃数量与时间关系、总振铃数的上升形态判断岩石的脆度。
[0029]对高刚度材料，材料试验机可采用合适加载方式获得全应力-应变曲线。
[0030]上述利用声发射法检测岩石脆度的方法，是从岩石脆度的实质出发，基于岩石的声发射特征对岩石的脆度进行表征。
[0031]进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述超声波传感器采集超声波带宽为50KHz-750KHz。进一步的，所述声发射采集系统采样频率为10_40MHz。
[0032]进一步的，上述利用声发射法检测岩石脆度的方法中，所述步骤(2)中，在岩心表面对称安放2-6个超声波传感器。进一步的，在岩心表面对称安放4个超声波传感器。
[0033]本发明还提供一种利用声发射法检测岩石脆度的装置，它的特点是:所述装置包括材料试验机、声发射采集系统、超声波传感器、电缆；所述超声波传感器通过电缆与声发射采集系统连接。所述电缆为单芯同轴屏蔽电缆。
[0034]所述材料试验机对样品进行加载，超声波传感器监测样品发出的超声波并将声发射信号输入声发射采集系统，所述声发射采集系统对采集到的声发射参数进行处理。
[0035]所述利用声发射法检测岩石脆度的装置能够对岩石的声发射信号进行信号采集、储存、分析及处理。
[0036]利用上述装置检测岩石脆度的过程如下:所述材料试验机对样品进行加载，超声波传感器同步接收样品发出的超声波并转化为电信号，声发射采集系统接收超声波传感器传来的电信号并进行处理，从而获得声发射参数，例如振铃数及总振铃数，并对其进一步进行处理，得到振铃数与时间的关系曲线，进一步得到总振铃数与时间的关系曲线。振铃数与样品发出的超声波相对应，样品发出的超声波频率越高，声发射采集系统显示的振铃数越多。
[0037]进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述装置还包括应变规，应变规通过电缆与声发射采集系统连接。材料试验机对样品进行加载，超声波传感器监测样品发出的超声波并将声发射信号输入声发射采集系统，应变规监测样品的应变参数并将应变信号输入声发射采集系统，所述材料试验机的同步输出参数(如应力和位移)输入声发射采集系统的外参数输入端；所述声发射采集系统对声发射参数和应力-应变参数进行处理。
[0038]进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述声发射采集系统，实时同步采集声发射参数及材料试验机压力(应力)参数、应变规应变参数。
[0039]进一步的，所述声发射采集系统采样频率为10-40MHZ。优选的，所述声发射采集系统采样频率为20-40MHZ。进一步优选的，所述声发射采集系统采样频率为30-40MHZ。
[0040]进一步的，所述超声波传感器采集超声波带宽为50KHz-750KHz。
[0041]进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述超声波传感器的尺寸小，频带范围大。所述超声波传感器为圆柱形，采集超声波带宽为50KHz-750KHz。
[0042]进一步的，上述的利用声发射法检测岩石脆度的装置中，所述材料试验机为500KN材料试验机；所述声发射采集系统采样频率为10-40MHz，系统死时间短；所述超声波传感器为圆柱形，尺寸为:直径8臟，高8臟，采集超声波带宽为50KHz-750KHz。
[0043]死时间是能够将两个事件(或脉冲)区分开的最小时间间隔。系统死时间主要由采集能力和电子处理能力决定。
[0044]声发射采集系统的采样系统记录数据量极大。这就会在数据传输和存储过程中产生大量“死时间”(所有数据需要从数据采集系统的高速缓存器中，通过通讯接口转移到计算机的外存储器上。数据转移需要占用相当的时间，在转移过程中，整个采集系统处于关闭等待状态，因此这段时间被称为“死时间”)。但是，在岩石失稳破坏阶段，声发射事件发生频度可能达到每秒钟上千次，可能产生的突发数据量将达到每秒几百万字节。从高速缓存器中把如此巨大的数据量高速转移到计算机的外存储设备上，会由于存在大量的死时间而造成丢失大量的声发射数据，使后续分析产生很大偏差。因此需要系统死时间短。
[0045]本发明提供的利用声发射法检测岩石脆度的装置具有以下优点:1、结构简单，操作简便，对材料试验机要求低；2、适用范围广，能够准确、有效地检测各类岩性岩石的脆度。本发明提供的利用声发射法检测岩石脆度的方