一种岩石压裂实验系统及实验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种岩石压裂实验系统，包括岩芯承压容器、压力加载装置、被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置、被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置、CT扫描装置；岩芯承压容器用于内置岩芯；压力加载装置用于作用于岩芯承压容器及岩芯；被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置用于安装在岩芯上，分别与被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置连接；CT扫描装置设置在岩芯承压容器的外周。本发明专利技术还公开了一种利用上述实验系统的实验方法，采集CT扫描数据、岩芯速度与衰减数据和声发射定位与反演数据。本发明专利技术可以保证有效、实时、高精度地了解岩石内部结构的变化，适于推广应用。

A rock fracturing experiment system and experimental method

The invention discloses a rock fracturing experiment system, including core bearing pressure vessel, pressure loading device, passive source acoustic emission acquisition device, active source ultrasonic signal transmitting / collecting device, passive source acoustic emission recording device, active source ultrasonic signal control / recording device, CT scanning device, core pressure vessel. The pressure loading device is used for the core pressure vessel and core; the passive source acoustic emission acquisition device and the active source ultrasonic signal transmitting / collecting device are installed on the core, which are connected with the passive source acoustic emission recording device and the active source ultrasonic signal control / recording device, and the CT scanning device is set up in the core. The outer circumference of a core pressure vessel. The invention also discloses an experimental method using the experimental system mentioned above to collect CT scanning data, core velocity and attenuation data and acoustic emission positioning and inversion data. The invention can ensure an effective, real-time and high-precision understanding of the changes in the internal structure of the rock, and is suitable for popularization and application.

【技术实现步骤摘要】
一种岩石压裂实验系统及实验方法
本专利技术涉及岩石物理实验领域，特别是涉及一种岩石压裂实验系统及实验方法。
技术介绍
当前的野外地球物理监测手段和室内岩石物理压裂监测手段，如微地震监测方法和声发射监测方法等，都属于反演类方法，尤其受限于观测系统的布置，反演精度存在一定误差，从而无法准确了解并获得岩石中裂缝的产生和动态扩展机制。而在实验室的各类岩石压裂设备中，当前的实验设备仅能从观测声发射信号角度出发探索岩芯的破裂过程，其数据获取手段单一，反演方法误差大，无法很好的满足当前工业生产及科学研究中对于大数据分析，动态实验过程监测的需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种有效、精度高、可以实时了解岩石内部结构的动态变化的岩石压裂实验系统及实验方法。为解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种岩石压裂实验系统，包括岩芯承压容器、压力加载装置、被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置、被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置、CT扫描装置；所述岩芯承压容器用于内置岩芯；所述压力加载装置用于作用于岩芯承压容器及岩芯；所述被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置用于安装在岩芯上，分别与被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置连接；所述CT扫描装置设置在岩芯承压容器的外周。进一步地，所述被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置合为一体，采用PZT压电陶瓷片探头；对应地，所述被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置也合为一体。进一步地，还包括用于与岩芯连接的岩芯破裂状态监控装置。进一步地，所述岩芯破裂状态监控装置包括缠绕固结在岩芯外周的分布式光纤及与分布式光纤连接的光纤信号监测处理装置。进一步地，所述压力加载装置包括压机及高压流体加载装置；所述压机用于作用于岩芯承压容器为其内部的岩芯提供轴压加载；所述高压流体加载装置包括：通过围压管道与岩芯承压容器中岩芯外周连通的围压油罐，所述围压管道上设置有围压注入泵。进一步地，所述高压流体加载装置还包括：流入管道、流体注入泵及压裂液罐，所述流入管道一端与岩芯承压容器中的岩芯轴向进口端连通，另一端连接流体注入泵，所述流体注入泵与压裂液罐连接；流出管道、流体输出泵及压裂废液罐，所述流出管道一端与与岩芯承压容器中的岩芯轴向出口端连通，另一端连接流体输出泵，所述流体输出泵与压裂废液罐连接。进一步地，还包括与所述压机、围压管道、流入管道、流出管道分别连接的轴压/围压/流体压力监测装置。进一步地，所述岩芯承压容器配备有加热装置及监控岩芯承压容器内部温度的温度检测装置。一种利用上述岩石压裂实验系统的实验方法，包括如下步骤：(1)根据实验需求制备对应的岩芯，然后将被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置安装在岩芯上；(2)将岩芯放入岩芯承压容器中，配合压力加载装置进行加载操作；(3)在加载过程中，通过主动源超声波信号控制/记录装置控制主动源超声波信号发射/采集装置，主动发射超声波信号以测量岩芯的纵横波速度值与衰减值变化；(4)在加载过程中，同时利用CT扫描装置扫描岩芯，获得岩芯内部的裂缝分布情况、孔隙度、渗透率和饱和度的变化情况；(5)在岩芯达到临界破坏状态后，改变数据采集模式，由主动发射超声波信号改为采用被动声发射观测模式，记录岩芯破裂时产生的声发射信号，同时加密CT扫描装置扫描频率，获得更精细的岩芯内部结果变化情况。进一步地，所述步骤(5)中岩芯达到临界破坏状态是由岩芯破裂状态监控装置确定；所述岩芯破裂状态监控装置包括缠绕固结在岩芯外周的分布式光纤及与分布式光纤连接的光纤信号监测处理装置。通过采用上述技术方案，本专利技术至少具有以下优点：1、本专利技术的实验系统有效地将CT扫描装置，主动源超声波信号发射/采集装置与现有的被动源声发射采集装置等进行结合，从而在各类岩石压裂实验过程中首次实现岩芯动态CT扫描，主动源信号岩芯速度与衰减测量，被动声发射信号采集的多类型信号并行高精度监测分析。通过动态CT扫描，我们可以实时了解岩石内部结构的实时变化，以获取各种物性参数，如饱和度、孔隙度和渗透率的实时参数，进而直观的了解各类岩石在加载时的破裂机理，裂缝动态发育模式和孔隙流体的运移特征。2、本专利技术的实验系统还有效地结合了岩芯破裂状态监控装置，尤其是采用缠绕固结在岩芯外周的分布式光纤及与分布式光纤连接的光纤信号监测处理装置，其利用岩芯表面缠绕分布的光纤监测在不同应力条件下岩芯产生的应变量所对应的不同光学响应特征，进而获得岩样全方位应变特征。这相比利用应变片逐点进行岩芯应变监测的传统实验方法具有更高的精确度和更广的监测尺度。3、本专利技术的实验方法在岩芯样品发生破裂时，转换数据采集模式为被动源声发射与CT联合高速采集，以此满足岩石在快速破裂过程中，对于破裂过程的高速、动态、精准监测。利用这一模式下采集到的声发射数据，结合CT图像扫描结果，我们可以验证岩芯破裂诱发声发射位置，其破裂机制与岩芯裂缝的对应关系，并获得整个岩芯物理特性的动态演化分析结果。附图说明上述仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。图1是本专利技术一种岩石压裂实验系统的的结构示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术的一种岩石压裂实验系统，包括岩芯承压容器1、压力加载装置、被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置、被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置、CT扫描装置4、岩芯破裂状态监控装置。其中：岩芯承压容器1用于内置岩芯A；岩芯承压容器1可配备有加热装置(图中未示出)及监控岩芯承压容器1内部温度的温度检测装置11。压力加载装置用于作用于岩芯承压容器1及岩芯A，其可提供三轴压裂条件，同时对岩芯提高应力加载，使岩芯产生破裂。具体地，压力加载装置包括压机21及高压流体加载装置；压机21用于作用于岩芯承压容器1为其内部的岩芯A提供轴压加载；高压流体加载装置包括：通过围压管道221与岩芯承压容器1中岩芯A外周连通的围压油罐222，围压管道221上设置有围压注入泵223；还包括：流入管道231、流体注入泵233及压裂液罐232，流入管道231一端与岩芯承压容器1中的岩芯轴向进口端连通，另一端连接流体注入泵233，流体注入泵233与压裂液罐232连接；还包括流出管道241、流体输出泵243及压裂废液罐242，流出管道241一端与与岩芯承压容器1中的岩芯轴向出口端连通，另一端连接流体输出泵243，流体输出泵243与压裂废液罐242连接。通过上述压力加载装置的轴压加载、围压加载及岩芯内部流体压力加载，岩芯模仿不同状态的破裂情况。为了实现更为精准的加载控制，还可以设置轴压/围压/流体压力监测装置25，该装置分别与压机21、围压管道221、流入管道231、流出管道341连接。被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置用于安装在岩芯上，分别与被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置连接；优选地，被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置合为一体，采用PZT压电陶瓷片探头31，即其既可以用作主动源超声波信号发射/采集装置，也可以作为被动源声发射信号采集装置；对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石压裂实验系统，其特征在于，包括岩芯承压容器、压力加载装置、被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置、被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置、CT扫描装置；所述岩芯承压容器用于内置岩芯；所述压力加载装置用于作用于岩芯承压容器及岩芯；所述被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置用于安装在岩芯上，分别与被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置连接；所述CT扫描装置设置在岩芯承压容器的外周。

【技术特征摘要】
1.一种岩石压裂实验系统，其特征在于，包括岩芯承压容器、压力加载装置、被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置、被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置、CT扫描装置；所述岩芯承压容器用于内置岩芯；所述压力加载装置用于作用于岩芯承压容器及岩芯；所述被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置用于安装在岩芯上，分别与被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置连接；所述CT扫描装置设置在岩芯承压容器的外周。2.根据权利要求1所述的岩石压裂实验系统，其特征在于，所述被动源声发射采集装置、主动源超声波信号发射/采集装置合为一体，采用PZT压电陶瓷片探头；对应地，所述被动源声发射记录装置、主动源超声波信号控制/记录装置也合为一体。3.根据权利要求1或2所述的岩石压裂实验系统，其特征在于，还包括用于与岩芯连接的岩芯破裂状态监控装置。4.根据权利要求3所述的岩石压裂实验系统，其特征在于，所述岩芯破裂状态监控装置包括缠绕固结在岩芯外周的分布式光纤及与分布式光纤连接的光纤信号监测处理装置。5.根据权利要求1或2所述的岩石压裂实验系统，其特征在于，所述压力加载装置包括压机及高压流体加载装置；所述压机用于作用于岩芯承压容器为其内部的岩芯提供轴压加载；所述高压流体加载装置包括：通过围压管道与岩芯承压容器中岩芯外周连通的围压油罐，所述围压管道上设置有围压注入泵。6.根据权利要求5所述的岩石压裂实验系统，其特征在于，所述高压流体加载装置还包括：流入管道、流体注入泵及压裂液罐，所述流入管道一端与岩芯承压容器中的岩芯轴向进口端连通，另一端连接流体注入泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一博，翟鸿宇，常旭，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11