利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置，包括：圓柱密封容器、位于所述容器內的頁巖巖心、以及填充在所述容器內壁與所述頁巖巖心之間的混凝土；所述容器的端面上具備通孔，所述容器的外側壁上設置有聲發射探頭，以通過所述通孔在所述頁巖巖心上鉆孔并向孔眼內泵注液體，從而利用所述聲發射探頭采集的聲發射信號，獲得用于對所述頁巖巖心的可壓性進行評價的裂縫隨時間演化的空間展布。通過本實用新型提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置，能夠直觀、可靠地觀察頁巖壓裂后的縫網形態，進而對所述頁巖巖心的可壓性進行準確可靠的評價。
【專利說明】利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及石油開發領域，尤其涉及一種利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置。
【背景技術】
[0002]頁巖氣儲層基質滲透率超低、天然裂隙發育，體積壓裂是頁巖氣增產的重要手段，即在水力壓裂過程中，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡，從而增加改造體積，提高初始產量和最終采收率。因此，判斷頁巖形成縫網能力，即頁巖可壓性是頁巖氣體積壓裂的基礎。
[0003]目前，一般通過脆性來評價頁巖的可壓性，即脆性指數較高的儲層一般硬脆，能迅速形成復雜的網狀裂縫。也就是說，目前評價可壓性的方法多數是建立在頁巖脆性評價的基礎上，但脆性并不等于可壓性，脆性是可壓性的必要而不充分條件，而且不夠直觀、可靠，不能直接觀察頁巖壓裂后的縫網形態。因此，通過現有的測試方案不能準確地對頁巖的可壓性進行評價。
實用新型內容
[0004]本實用新型提供一種利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置，用于解決現有的測試方案不能準確地對頁巖的可壓性進行評價的技術問題。
[0005]本實用新型的第一個方面是提供一種利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置，包括:圓柱密封容器、位于所述容器內的頁巖巖心、以及填充在所述容器內壁與所述頁巖巖心之間的混凝土；
[0006]所述容器的端面上具備通孔，所述容器的外側壁上設置有聲發射探頭，以通過所述通孔在所述頁巖巖心上鉆孔并向孔眼內泵注液體，從而利用所述聲發射探頭采集的聲發射信號，獲得用于對所述頁巖巖心的可壓性進行評價的裂縫隨時間演化的空間展布。
[0007]可選的，所述容器包括:圓柱管筒、以及與所述圓柱管筒的兩端分別匹配的容器頂蓋和容器底蓋，所述容器頂蓋和所述容器底蓋分別緊扣在所述圓柱管筒的兩端。
[0008]可選的，所述容器頂蓋的側壁上設有第一螺母孔，所述容器底蓋的側壁上設有第二螺母孔，所述圓柱管筒靠近兩端的側壁上分別設有第三螺母孔和第四螺母孔，當所述容器頂蓋緊扣在所述圓柱管筒的一端時，所述第一螺母孔和所述第三螺母孔重疊，當所述容器底蓋緊扣在所述圓柱管筒的另一端時，所述第二螺母孔和所述第四螺母孔重疊。
[0009]可選的，所述容器頂蓋通過穿過所述第一螺母孔和所述第三螺母孔的螺母固定緊扣在所述圓柱管筒上；所述容器底蓋通過穿過所述第二螺母孔和所述第四螺母孔的螺母固定緊扣在所述圓柱管筒上。
[0010]可選的，所述通孔位于所述容器頂蓋的中心。
[0011]可選的，所述容器為合金結構鋼材質。
[0012]可選的，設有聲發射探頭處的所述容器外壁為平整表面，所述聲發射探頭與所述平整表面完全接觸。
[0013]本實用新型提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置中，所述測試裝置包括位于圓柱密封容器內的頁巖巖心以及填充在所述容器內壁與所述頁巖巖心之間的混凝土，通過所述容器端面上的通孔在頁巖巖心上鉆孔，并向孔眼中泵入液體，利用設置在容器外壁上的聲發射探頭，對所述頁巖巖心的裂縫數量進行定性表征，對所述頁巖巖心的裂縫形態進行定量表征，獲得裂縫隨時間演化的空間展布，從而直觀、可靠地觀察頁巖壓裂后的縫網形態，進而對所述頁巖巖心的可壓性進行準確可靠的綜合評價。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型實施例一提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置的俯視剖面示意圖；
[0015]圖2為本實用新型實施例一中所述利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置的斜視結構不意圖；
[0016]圖3為本實用新型實施例二提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試方法的流程示意圖；
[0017]圖4為本實用新型實施例二提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性測試方法的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。為了方便說明，放大或者縮小了不同層和區域的尺寸，所以圖中所示大小和比例并不一定代表實際尺寸，也不反映尺寸的比例關系。
[0019]圖1為本實用新型實施例一提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置的俯視剖面示意圖，如圖1所示，所述測試裝置包括:圓柱密封容器1、位于所述容器內的頁巖巖心2、以及填充在所述容器內壁與所述頁巖巖心之間的混凝土 3 ；
[0020]所述容器I的端面上具備通孔11，所述容器I的外側壁上設置有聲發射探頭12，以通過所述通孔11在所述頁巖巖心2上鉆孔并向孔眼內泵注液體，從而利用所述聲發射探頭12采集的聲發射信號，獲得用于對所述頁巖巖心2的可壓性進行評價的裂縫隨時間演化的空間展布。
[0021]為了更好地理解本方案，圖2為本實用新型實施例一中所述利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置的斜視結構示意圖。具體的，可以結合各附圖更好地理解本實施例的技術方案。
[0022]在實際應用中，通常將聲發射傳感器(探頭)連接到美國物理聲學公司PAC聲發射采集系統、英國ASC聲發射采集系統，利用聲發射采集系統通過探頭采集波形，并利用聲發射處理軟件獲得每個聲發射波形的P波初至，利用其到時反演定位。
[0023]其中，所述圓柱密閉容器I可以為合金結構鋼材質，例如，可以為PllO鋼級的合金結構鋼材質，所述容器內的耐壓性能具體可以為其耐壓不小于70MPa。具體的，為了能夠將頁巖巖心2放置在圓柱密閉容器I中，所述圓柱密閉容器I具體可以包括:圓柱管筒13、以及與所述圓柱管筒13的兩端分別匹配的容器頂蓋14和容器底蓋15，所述容器頂蓋14和所述容器底蓋15分別緊扣在所述圓柱管筒13的兩端。
[0024]在實際應用中，圓柱密閉容器I的尺寸可以根據頁巖巖心的尺寸和測試需要確定，具體舉例來說，通常所述圓柱管筒13側壁的外徑可以為143.65毫米(mm)，內徑可以為99.93mm,壁厚21.86mm,圓柱管筒13的高度可以為195mm,所述容器頂蓋14的高度可以為28.93mm，所述容器底蓋15的高度可以為30.47mm。具體的，可以在所述容器頂蓋14的中心處設置所述通孔，所述通孔可以為圓形小孔，該通孔的孔徑可以為20-25_，所述通孔用于鉆孔及向孔眼泵注液體。
[0025]進一步的，為了使得所述容器頂蓋14和所述容器底蓋15與所述圓柱管筒13緊扣，以防止水力加壓時兩端的蓋飛出，在實際應用中，所述容器頂蓋14的側壁上設有第一螺母孔141，所述容器底蓋15的側壁上設有第二螺母孔151，所述圓柱管筒13靠近兩端的側壁上分別設有第三螺母孔131和第四螺母孔132，當所述容器頂蓋14緊扣在所述圓柱管筒13的一端時，所述第一螺母孔141和所述第三螺母孔131重疊，當所述容器底蓋15緊扣在所述圓柱管筒13的另一端時，所述第二螺母孔151和所述第四螺母孔132重疊。
[0026]則具體的，所述容器頂蓋14可以通過穿過所述第一螺母孔141和所述第三螺母孔131的螺母固定緊扣在所述圓柱管筒13上，所述容器底蓋15可以通過穿過所述第二螺母孔151和所述第四螺母孔132的螺母固定緊扣在所述圓柱管筒13上。
[0027]再具體的，所述混凝土具體可以為水泥，例如，可以采用建筑材料用水泥，進一步的，在實際應用中，要求水泥的凝固時間在2-6小時以內，以迅速填充和凝固巖心與容器內壁之間的空間。
[0028]在本實施例中，所述頁巖巖心與容器內壁之間的空隙采用混凝土澆鑄，因此對頁巖巖心的要求不高，不需要全直徑的規則頁巖巖心，解決了實驗室內規則頁巖巖心難以取得的難題。
[0029]具體的，所述聲發射探頭12可以均勻分布在所述容器I的外側壁上。
[0030]可選的，為了能夠使聲發射探頭12與所述容器的表面完全接觸，以增強探頭與管壁間的耦合效果，提高信噪比，在本實施例中，設有所述聲發射探頭12處的所述容器I的外壁為平整表面，所述聲發射探頭12與所述平整表面完全接觸。
[0031]具體舉例來說，假設設置有16個聲發射探頭，則在所述容器I的外側壁上選16處，具體的，可以由上而下分成4層，每層有4處，將這16處外壁磨平成平整表面，具體的，可以磨平成邊長為1mm的正方形小塊，從而將所述聲發射探頭與該平整表面完全接觸，并抹上耦合劑，增強探頭與管壁間的耦合效果，提高信噪比。
[0032]其中，所述聲發射探頭12可以采用Nano30探頭，其直徑和高度具體可以為8mm左右，主頻為250kHZ，帶寬為50-750kHz。可選的，在所述探頭12與采集系統之間還可連接有前置放大器，其帶寬可以為20kHz-lMHz，從而提高聲發射波形信噪比，提高定位效果。具體的，要求采集系統的采集卡可連續記錄波形，容量2GB以上，且能夠采集低頻信號。
[0033]在實際應用中，在實驗室內條件下，利用本實施例中的所述測試裝置模擬地層條件，向頁巖巖心內的孔眼泵注液體，通過水力加壓使頁巖巖心產生裂縫。在裂縫擴展過程中，利用聲發射探頭監測聲發射信號，并采用美國物理聲學公司PAC聲發射采集系統、英國ASC聲發射采集系統連接聲發射探頭，監測聲發射信號，并利用其軟件進行聲發射定位，對壓后巖心內部的裂縫形態進行了定量表征，評價裂縫隨時間演化的空間展布。該方法綜合體現了頁巖儲層壓后的裂縫特征，可用于判斷頁巖壓后形成縫網的能力，直觀可靠，操作簡單，適用于油田現場應用。
[0034]其中，聲發射是指材料中局部區域應力集中，快速釋放能力產生瞬態彈性波的現象。因此聲發射技術是一個用來研究巖石裂紋擴展過程很好的工具和手段。在巖石受到水力壓裂裂縫擴展過程時，將產生能量釋放，有超聲波發出，用布置在巖樣外表的超聲傳感器接收此超聲信號，并對裂縫位置進行定位。可以理解，基于本實施例中的所述樣品，結合聲發射定位技術來對頁巖壓裂的裂縫形態進行定量表征，比以往頁巖可壓性評價方法更直觀、形象與可靠。
[0035]本實施例提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置，包括位于圓柱密封容器內的頁巖巖心以及填充在所述容器內壁與所述頁巖巖心之間的混凝土，通過所述容器端面上的通孔在頁巖巖心上鉆孔，并向孔眼中泵入液體，利用設置在容器外壁上的聲發射探頭，對所述頁巖巖心的裂縫形態進行定量表征，獲得裂縫隨時間演化的空間展布，從而直觀、可靠地觀察頁巖壓裂后的縫網形態，進而對所述頁巖巖心的可壓性進行準確可靠的評價。
[0036]圖3為本實用新型實施例二提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性測試方法的流程示意圖，所述方法用實施例一種所述的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置進行測試，以對所述頁巖巖心的可壓性進行評價，如圖3所示，所述方法包括:
[0037]301、通過位于容器端面上的通孔，在所述頁巖巖心上鉆孔，形成孔眼；
[0038]302、通過所述通孔，向所述孔眼中泵注液體，并利用設置在所述容器外壁上的聲發射探頭，采集所述頁巖巖心因水力至裂產生的聲發射信號；
[0039]303、根據所述聲發射信號，利用聲發射數量的多少，對所述頁巖巖心由于水力壓裂產生的裂縫數量進行初步地定性表征；
[0040]304、根據所述聲發射信號，利用聲發射定位，對所述頁巖巖心的裂縫形態進行定量表征，獲得裂縫隨時間演化的空間展布。所述空間展布及聲發射數量用于對所述頁巖巖心的可壓性進行綜合評價。
[0041]其中，所述圓柱密閉容器可以為合金結構鋼材質，在實際應用中，圓柱密閉容器的尺寸可以根據頁巖巖心的尺寸和測試需要確定，所述容器內的耐壓性能具體可以為其耐壓不小于70MPa。具體的，為了將頁巖巖心放置在圓柱密閉容器中，所述容器具體可以包括圓柱管筒、以及與所述圓柱管筒的兩端分別匹配的容器頂蓋和容器底蓋，所述容器頂蓋和所述容器底蓋分別緊扣在所述圓柱管筒的兩端；相應的，在301之前，所述方法還可以包括:
[0042]將頁巖巖心放入所述圓柱管筒內，并用混凝土填充所述頁巖巖心和所述圓柱管筒內壁之間的空隙；
[0043]將所述容器頂蓋和所述容器底蓋分別緊扣在所述圓柱管筒的兩端。
[0044]再具體的，所述混凝土具體可以為水泥，例如，可以采用建筑材料用水泥，進一步的，在實際應用中，要求水泥的凝固時間在2-6小時以內，以迅速填充和凝固巖心與容器內壁之間的空間。在本實施例中，所述頁巖巖心與容器內壁之間的空隙采用混凝土澆鑄，因此對頁巖巖心的要求不高，不需要全直徑的規則頁巖巖心，解決了規則頁巖巖心難以取得的難題。
[0045]具體的，所述聲發射探頭可以均勻分布在所述容器的外側壁上。可選的，為了能夠使聲發射探頭與所述容器的表面完全接觸，以增強探頭與管壁間的耦合效果，提高信噪比，可以將有所述聲發射探頭處的容器外壁制成平整表面，則相應的，302中所述利用設置在所述容器外壁上的聲發射探頭，采集所述頁巖巖心因水力至裂產生的聲發射信號之前，所述方法還可以包括:
[0046]將所述容器外壁的預設位置磨平為平整表面；
[0047]在磨平后的所述平整表面上，設置所述聲發射探頭。
[0048]基于本實施例的所述方法，在實驗室內條件下，向頁巖巖心內的孔眼泵注液體，通過水力加壓使頁巖巖心產生裂縫。在裂縫擴展過程中，利用超聲探頭監測聲發射信號并進行聲發射定位，對壓后巖心內部的裂縫形態進行了定量表征，評價裂縫隨時間演化的空間展布，直觀可靠，操作簡單，適用于油田現場應用。
[0049]在實際應用中，泵注液體的加液壓具體可以為70MPa左右；高壓管線可耐壓70MPa以上，泵注排量0-30mL/min，可連接至所述容器頂蓋的通孔，并通過絲扣螺紋保持密封。泵注的所述液體可以為清水或滑溜水，其中，所述滑溜水中各組分的重量比具體可以為:淡水100，減阻劑為0.1-0.5，所述減阻劑的成分可以為高分子聚丙烯酰胺。所述鉆頭的直徑具體可以為15-20mm，鉆孔的深度可以以不穿透所述容器為限，例如，所述孔眼的深度可以為6_10cmo
[0050]其中，聲發射(Acoustic Emiss1n,簡稱AE)指材料內局部能量源快速釋放而產生瞬態彈性波的一種現象，巖石聲發射是研究巖石內部變形與破壞機制的一個重要手段。一般認為，由于巖石大多為脆性材料，其內在裂紋的擴展表現為聚集后能量的突然釋放，并產生彈性應力波，這是AE能量的來源。由于聲發射信號是巖石內部微裂紋擴展而釋放的應變能，因此每個聲發射信號都包含了巖石內部結構變化的豐富信息。在巖石受到水力壓裂裂縫擴展過程時，將產生能量釋放，有超聲波發出，用布置在巖樣外表的超聲傳感器接收此超聲波，并對裂縫位置進行定位。可以理解，基于本實施例中的測試方法，結合聲發射定位技術來頁巖壓裂的裂縫形態進行定量表征，比以往頁巖可壓性評價方法更直觀、形象與可靠。具體的，壓裂后若所述頁巖巖心形成彌散式水力裂縫，呈現縫網特征，則表明此頁巖成縫能力較好，其可壓性也較好，否則，表明頁巖的成縫能力較弱，其可壓性也較弱。
[0051]為了更好地理解本方案，圖4為本實用新型實施例二提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性測試方法的原理示意圖，如圖4所示，41為巖樣，42為巖心中正在擴展的巖心裂縫，43為裂縫擴展過程中釋放的能量，44為布置在巖心表面的傳感器，45為傳感器接到的超聲波形，利用每個傳感器接收的初至P波的到時(t)以及巖石的波速，即可反演得到擴展裂縫(即聲發射源)的位置。其定位算法可見文章中大量文獻。
[0052]本實施例提供的利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試方法，利用聲發射探頭采集的聲發射信號，獲得用于對所述頁巖巖心的可壓性進行評價的裂縫隨時間演化的空間展布。能夠直觀、可靠地觀察頁巖壓裂后的縫網形態，進而對所述頁巖巖心的可壓性進行準確可靠的評價。
[0053]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
【權利要求】
1.一種利用聲發射評價頁巖儲層可壓性的測試裝置，其特征在于，包括:圓柱密封容器、位于所述容器內的頁巖巖心、以及填充在所述容器內壁與所述頁巖巖心之間的混凝土 ; 所述容器的端面上具備通孔，所述容器的外側壁上設置有聲發射探頭，以通過所述通孔在所述頁巖巖心上鉆孔并向孔眼內泵注液體，從而利用所述聲發射探頭采集的聲發射信號，獲得用于對所述頁巖巖心的可壓性進行評價的裂縫隨時間演化的空間展布。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器包括:圓柱管筒、以及與所述圓柱管筒的兩端分別匹配的容器頂蓋和容器底蓋，所述容器頂蓋和所述容器底蓋分別緊扣在所述圓柱管筒的兩端。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述容器頂蓋的側壁上設有第一螺母孔，所述容器底蓋的側壁上設有第二螺母孔，所述圓柱管筒靠近兩端的側壁上分別設有第三螺母孔和第四螺母孔，當所述容器頂蓋緊扣在所述圓柱管筒的一端時，所述第一螺母孔和所述第三螺母孔重疊，當所述容器底蓋緊扣在所述圓柱管筒的另一端時，所述第二螺母孔和所述第四螺母孔重疊。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述容器頂蓋通過穿過所述第一螺母孔和所述第三螺母孔的螺母固定緊扣在所述圓柱管筒上；所述容器底蓋通過穿過所述第二螺母孔和所述第四螺母孔的螺母固定緊扣在所述圓柱管筒上。
5.根據權利要求2-4中任一項所述的裝置，其特征在于，所述通孔位于所述容器頂蓋的中心。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器為合金結構鋼材質。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，設有聲發射探頭處的所述容器外壁為平整表面，所述聲發射探頭與所述平整表面完全接觸。
【文檔編號】G01N29/14GK204177771SQ201420525723
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】王小瓊, 葛洪魁, 汪道兵, 王劍波 申請人:中國石油大學(北京)