基于聲發(fā)射分形參數(shù)分析的儲層巖石裂紋演化特征研究

唐 杰,王 浩,溫 雷,孫成禹,關(guān) 鍵

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257022)

唐杰,王浩,溫雷,等.基于聲發(fā)射分形參數(shù)分析的儲層巖石裂紋演化特征研究[J].石油物探,2017,56(6):-781

TANG Jie,WANG Hao,WEN Lei,et al.Evolution characteristics of reservoir rock cracks based on acoustic emission fractal parameter analysis[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(6):-781

基于聲發(fā)射分形參數(shù)分析的儲層巖石裂紋演化特征研究

唐 杰1,王 浩1,溫 雷1,孫成禹1,關(guān) 鍵2

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257022)

研究儲層巖石壓裂過程中所產(chǎn)生的信號特征,能夠分析巖石壓裂過程中的裂紋演化特征。對不同類型的儲層巖石進(jìn)行單軸受壓破壞全過程的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn),結(jié)合聲發(fā)射信號振幅、上升時(shí)間及持續(xù)時(shí)間的累積頻度和離散頻度分形b值分析,研究了聲發(fā)射信號在巖石破壞全過程中的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:①不同類型的巖石受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的影響,應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)有顯著差異,聲發(fā)射參數(shù)分形b值在不同的應(yīng)力加載階段分布特征有明顯的差異;②振幅、上升時(shí)間以及持續(xù)時(shí)間的分形b值在儲層巖石加載的不同階段表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場微地震研究結(jié)果都表明,分形b值的研究對于致密儲層水壓致裂過程中的裂紋演化研究具有一定的指導(dǎo)意義。

裂紋演化;聲發(fā)射;分形;b值;Kaiser效應(yīng)

致密儲層需要通過壓裂改造才能形成裂縫網(wǎng)絡(luò),水力壓裂可以激活天然裂縫和巖石層理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儲層改造[1]。通過對儲層巖石壓裂過程中所產(chǎn)生的信號開展特征研究,能夠分析壓裂過程中的震源特征和裂紋演化特征,這對于致密儲層的石油勘探開發(fā)具有重要意義[2-3]。針對震源特征,朱海波等[4]研究了水力壓裂微地震監(jiān)測的震源機(jī)制反演方法,分析了利用矩張量描述震源屬性的效果。野外水壓致裂和實(shí)驗(yàn)室壓裂試驗(yàn)雖然尺度不同,但都會(huì)產(chǎn)生破裂信號(微地震信號和聲發(fā)射信號)。要研究微地震信號的演化特征,可以首先分析小尺度的實(shí)驗(yàn)室?guī)r石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果,為分析微地震演化特征提供參考[5-6]。巖石在應(yīng)力加載過程中以及產(chǎn)生宏觀破裂時(shí)都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射,針對巖石在不同加載條件和過程中的聲發(fā)射特征,WUESTEFELD等[7]做了測試分析,結(jié)果表明,在巖石破裂的不同過程中聲發(fā)射參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化。尹賢剛等[8]分析了巖石在加載破壞過程中聲發(fā)射分形特征的變化情況;李元輝等[9]分析了巖石破裂過程中聲發(fā)射b值的變化特征,結(jié)果表明,分形b值與巖石內(nèi)部微裂紋的演化有著密切的聯(lián)系。以往的研究大多是針對花崗巖、玄武巖等,而致密儲層大多是致密砂巖、泥巖或白云巖等,因此有必要對其破裂過程中的聲發(fā)射分形演化特征展開研究[10]。

本文開展了泥巖、白云巖、砂巖等不同巖性的巖石單軸壓裂試驗(yàn),采用聲發(fā)射儀器獲得了儲層巖石破裂過程中的聲發(fā)射參數(shù),利用分形b值研究了儲層巖石應(yīng)力加載以及宏觀破裂過程中的裂紋演化特征。

1 巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

聲發(fā)射事件(AE)是巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋時(shí)釋放能量所導(dǎo)致的,因此聲發(fā)射與巖石內(nèi)部裂紋的演化發(fā)展密切相關(guān)[11-12]。本文選取泥巖、白云巖、砂巖3種類型的巖石,利用電子伺服壓機(jī)進(jìn)行單軸壓裂試驗(yàn),采用PCI-II型聲發(fā)射記錄儀采集了儲層巖石應(yīng)力加載和宏觀破裂過程中的聲發(fā)射參數(shù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置

首先選擇測試巖心,包括白云巖、砂巖以及泥巖。巖石加工成直徑25mm,長50mm的巖心,巖心兩端采用打磨和拋光設(shè)備加工平整,以滿足實(shí)驗(yàn)測試需要。在圓柱形巖樣的四周安置4個(gè)微聲發(fā)射探頭。應(yīng)力加載儀器采用MTS剛性壓機(jī),加載方法為單軸多級循環(huán)加載,加載儀器采用軸向變形位移控制。使用PCI-II型聲發(fā)射記錄系統(tǒng)采集應(yīng)力加載和宏觀破裂過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射波形及其它參數(shù)信息(如圖1所示)。PCI-II型聲發(fā)射采集系統(tǒng)具有高速采集能力,其采樣率高達(dá)40MHz,此外還具有記錄連續(xù)波形的能力。

圖1 巖石破裂聲發(fā)射測試系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2給出了白云巖、泥巖和砂巖在應(yīng)力加卸載過程中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線。由圖2可知,不同類型的巖石應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)有顯著差異。白云巖較為致密,強(qiáng)度大,彈性特征明顯,加載過程中應(yīng)力、應(yīng)變曲線接近線性;泥巖內(nèi)部含有較多的粘土質(zhì)礦物,塑性相對較強(qiáng),加載過程中應(yīng)力、應(yīng)變曲線的非線性特征較為明顯,在應(yīng)力卸載變?yōu)?時(shí),應(yīng)變不能完全恢復(fù)之前的狀態(tài);砂巖內(nèi)部相對而言孔隙較多,孔隙度較大,加載過程中應(yīng)力、應(yīng)變曲線的非線性特征也較為明顯,當(dāng)應(yīng)力加載到一定強(qiáng)度,原本存在的一些較薄的裂隙會(huì)閉合,在應(yīng)力減小的時(shí)候也不能完全恢復(fù)。

圖3給出了白云巖、泥巖和砂巖的聲發(fā)射(AE)振幅與應(yīng)力關(guān)系曲線;圖4給出了實(shí)驗(yàn)過程中白云巖、泥巖和砂巖的聲發(fā)射(AE)持續(xù)時(shí)間與應(yīng)力變化關(guān)系曲線;圖5給出了白云巖、泥巖和砂巖的聲發(fā)射(AE)上升時(shí)間與應(yīng)力變化關(guān)系曲線。由圖3到圖5可知,不同類型的巖石聲發(fā)射參數(shù)演化特征各異,這主要是由不同類型巖石內(nèi)部顆粒特征和弱結(jié)構(gòu)面特征不同所導(dǎo)致的。砂巖顆粒相對較大,其聲發(fā)射數(shù)目明顯多于白云巖和泥巖;白云巖所含的礦物一般為白云石、長石、石英等脆性礦物,其脆性特征較為明顯,當(dāng)巖石應(yīng)力加載到后期,巖體內(nèi)部出現(xiàn)較大裂縫,記錄到的聲發(fā)射事件數(shù)量急劇增加;泥巖是由黏土礦物固化而成,具有較強(qiáng)的塑性,其聲發(fā)射信號的持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間大于白云巖和砂巖。從圖3到圖5還可以看出,儲層巖石在應(yīng)力加載過程中會(huì)表現(xiàn)出Kaiser效應(yīng)[13],在巖石重復(fù)加載的過程中,如果再次加載的應(yīng)力不超過前次加載的最大應(yīng)力,則巖石不會(huì)有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象,當(dāng)再次加載的應(yīng)力超過前次加載的最大應(yīng)力時(shí),巖石聲發(fā)射現(xiàn)象又會(huì)再次出現(xiàn)。

圖2 白云巖(a)、泥巖(b)、砂巖(c)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 白云巖(a)、泥巖(b)、砂巖(c)的AE振幅與應(yīng)力關(guān)系曲線

圖4 白云巖(a)、泥巖(b)、砂巖(c)的AE持續(xù)時(shí)間與應(yīng)力關(guān)系曲線

圖5 白云巖(a)、泥巖(b)、砂巖(c)的AE上升時(shí)間與應(yīng)力關(guān)系曲線

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的聲發(fā)射分形特征分析

2.1 累積頻度與離散頻度分形b值

巖石破壞過程中內(nèi)部表現(xiàn)出微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和形成大破裂等演化過程,在裂紋演化過程中伴隨著聲發(fā)射信號的產(chǎn)生,GUTERBERG等[14]給出了聲發(fā)射信號大小與發(fā)生頻度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式:

(1)

式中:M=AdB/20,為聲發(fā)射信號的大小,AdB是采用分貝表示的聲發(fā)射信號的最大振幅;N是信號大小大于或等于M時(shí)的累積聲發(fā)射數(shù)目;a和b是常數(shù),a代表聲發(fā)射的活動(dòng)性,主要取決于序列中的最大聲發(fā)射信號大小,b值反映了巖石承受應(yīng)力和接近強(qiáng)度極限的程度。研究表明,b值具有分形特征,分形b值隨著巖石內(nèi)部微裂紋的演化發(fā)生明顯的變化,b值的增大或減小反映了不同尺寸微裂紋所占比例的變化情況。采用最大似然估計(jì)可以計(jì)算b值:

(2)

式中:∑(nilgAi)為聲發(fā)射信號的振幅對數(shù)和,Ai為單個(gè)聲發(fā)射信號的振幅大小,ni為不同階段聲發(fā)射有效信號的數(shù)量;Amin為聲發(fā)射信號的最小振幅;n是聲發(fā)射信號總數(shù)。將(2)式擴(kuò)展,可以分析上升時(shí)間T以及持續(xù)時(shí)間t的分形特征參數(shù)b1和b2:

式中:Ti為單個(gè)聲發(fā)射信號的上升時(shí)間;ti為單個(gè)聲發(fā)射信號的持續(xù)時(shí)間;Tmin為計(jì)算對象中的最小上升時(shí)間;tmin為計(jì)算對象中的最小持續(xù)時(shí)間。

2.2 不同應(yīng)力階段分形b值計(jì)算結(jié)果

針對聲發(fā)射測試,可以采用離散頻度方法和累積頻度方法求取b值。采用離散頻度方法求取b值時(shí),采取了滑動(dòng)平均的方式,選取150個(gè)有效聲發(fā)射信號作為一組數(shù)據(jù),采用的滑動(dòng)窗口大小為40個(gè)聲發(fā)射事件。圖6給出了不同類型儲層巖石在破裂過程中采用兩種方法得到的聲發(fā)射振幅分形b值變化特征。由圖6可知,在開始進(jìn)行應(yīng)力加載的階段,計(jì)算所得到的累積頻度和離散頻度分形b值相對較大,這主要是由于這一階段振幅較小的信號所占比例較多,也就是說這一階段所產(chǎn)生的破裂尺度很小;隨著加載應(yīng)力的增加,累積頻度振幅分形b值的規(guī)律性開始增強(qiáng),振幅分形b值逐漸減小,這表明儲層巖石內(nèi)部相對較大的微裂紋開始產(chǎn)生,而且較大裂紋所占的比例也逐步增大;隨著加載應(yīng)力的持續(xù)增大,累積頻度聲發(fā)射信號振幅分形b值在巖心破壞前下降到最低值,此時(shí)巖石產(chǎn)生明顯的宏觀破裂面。結(jié)合LEI等[15-16]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),巖石破壞前b值下降的物理機(jī)制一是微破裂從以張破裂為主轉(zhuǎn)為以剪破裂為主;二是裂紋相互作用明顯增強(qiáng)[17]。比較不同類型的儲層巖石分形b值的演化特征可知,白云巖在破壞前累積頻度聲發(fā)射振幅分形b值急劇下降,離散頻度聲發(fā)射振幅分形b值在形成破裂面后增加;砂巖其累積頻度聲發(fā)射振幅分形b值隨著加載逐步下降,離散頻度聲發(fā)射振幅分形b值在加載過程中擾動(dòng)明顯,這是由于砂巖在加載過程中容易產(chǎn)生微破裂與宏觀破裂面共同作用的結(jié)果。

圖7和圖8分別給出了不同類型巖石在破裂過程中聲發(fā)射上升時(shí)間與持續(xù)時(shí)間分形b值的變化特征。由圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn),對于不同巖性的巖石而言,累積頻度方法獲得的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間b值變化趨勢基本一致,離散頻度法b值變化趨勢有所不同。對于泥巖和砂巖來說,總體趨勢呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢,在破裂發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)b值最小;而對于白云巖來說,聲發(fā)射上升時(shí)間b值先呈下降趨勢,在破裂時(shí)間點(diǎn)達(dá)到極小值,然后增大再減小,聲發(fā)射信號持續(xù)時(shí)間有相同的變化趨勢。研究表明,聲發(fā)射參數(shù)的分形b值是評價(jià)巖石破壞過程的有效指標(biāo)。

圖6 巖石破裂過程中AE振幅的分形b值變化情況 a 白云巖; b 砂巖; c 泥巖

圖7 巖石破裂過程中AE上升時(shí)間的分形b值變化情況 a 白云巖; b 砂巖; c 泥巖

圖8 巖石破裂過程中AE持續(xù)時(shí)間的分形b值變化情況 a 白云巖; b 砂巖; c 泥巖

3 結(jié)論

對泥巖、白云巖和砂巖進(jìn)行單軸加載壓裂聲發(fā)射試驗(yàn),分析討論了巖石破裂過程中的聲發(fā)射特性,得出以下結(jié)論。

不同類型的巖石受內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的影響,其應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)有顯著差異,聲發(fā)射振幅參數(shù)的分形b值在不同的應(yīng)力加載階段分布特征有明顯的差異。應(yīng)力初始加載階段,分形b值相對較大;隨著加載應(yīng)力的增加,分形b值開始規(guī)律性增強(qiáng),之后逐漸減小;隨著加載應(yīng)力的持續(xù)增大,分形b值在巖心破壞前下降到最低值。

在儲層巖石加載的不同階段,上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的分形b值表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,總體呈現(xiàn)緩慢的下降趨勢,在破裂發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)b值最小。

考慮到水壓致裂的特點(diǎn),未來可以開展實(shí)驗(yàn)室水壓致裂過程中的聲發(fā)射特征分析。此外。近年來國內(nèi)外對于水壓致裂過程中微地震信號的分形b值做了一些研究和分析,室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場微地震研究結(jié)果都表明,分形b值的研究對于致密儲層水壓致裂過程中的裂紋演化特征研究具有一定的指導(dǎo)意義。下一步將結(jié)合水力壓裂誘發(fā)的微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行聲發(fā)射特征分析。此外,可以開展其它的分形、分維參數(shù)的研究,進(jìn)一步認(rèn)識裂紋的演化過程。

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(編輯：陳 杰)

Evolutioncharacteristicsofreservoirrockcracksbasedonacousticemissionfractalparameteranalysis

TANG Jie1,WANG Hao1,WEN Lei1,SUN Chengyu1,GUAN Jian2

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.GeophysicalResearchInstitute,ShengliOilfieldBranchCo.,SINOPEC,Dongying257022,China)

Acoustic emission signal characteristics can be used to analyze the characteristics of crack evolution during reservoir rock fracturing process.Using acoustic emission tests under uniaxial compression on different types of reservoir rocks,the change law of the acoustic emission signal with stress load variation in the whole process of rock failure was studied by analyzing the fractal b values of amplitude,rising time,and duration of the acoustic emission signal obtained using the cumulative frequency and discrete frequency methods.The test results show that,during uniaxial compression process,the stress and strain state of different types of rocks differ significantly,because they have different internal structures,and the distribution characteristics of the fractal b value in different stress loading stages differ obviously.Moreover,the fractal b values of amplitude,rising time,and duration show obvious regularity at different stress loading stages.Both the laboratory experiment and the field microseismic test results show that the analysis of fractal b value can be used to clarify crack evolution characteristics in tight reservoir hydraulic fracturing.

crack evolution,acoustic emission,fractal,b value,Kaiser effect

2017-02-13;改回日期2017-05-23。

唐杰(1980—),男,博士,副教授,主要從事地震巖石物理學(xué)研究工作。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41504097,41374123)、國家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05006-002)與中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(15CX08002A)聯(lián)合資助。

This research is financially supported by the Natural Science Foundation of China (Grant Nos.41504097,41374123),the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2016ZX05006-002) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No.15CX08002A).

P631

A

1000-1441(2017)06-0775-07

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.06.001