一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩石力学实验领域，特别涉及一种基于声发射技术的原位页岩脆 性试验装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于页岩储层致密，属于低孔、超低渗储层，为了实现经济开发需要进行压裂作 业，而岩石脆性作为岩石固有的力学属性，决定了页岩储层的可压裂性和压裂改造的难易 程度。因此，一般通过岩石的脆性指数来评价岩石的可压裂性，脆性指数越高，说明储层一 般性质硬脆，对压裂作业的反应敏感，能迅速形成复杂的网状裂缝。
[0003] 目前，声发射脆性指数测定法是通过岩石压裂过程中声发射能量大小进行测定， 如中国专利申请号为201310254628. X的发明专利，单纯从声发射能量大小考虑，而忽略试 样形态、加载速率等外在因素不同时，声发射能量大小随之发生变化，使得测定的脆性指数 存在偏差。此外，进行声发射实验时，一方面声发射传感器多放置在压力釜外，导致声发射 信号能量损失严重，另一方面声发射装置不能同步获得原位页岩的声发射特征参数和应 力-应变数据，降低了测定岩石脆性指数的准确度。例如，申请号为201110212775.1发明专 利和申请号为201320057732.5发明专利，虽然声发射传感器置于底座，减小了声发射信号 能量的损失，但不能同步得到原位温度压力下页岩声发射特征参数和应力-应变数据。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于声发射技术的原 位页岩脆性试验装置及方法，通过改进试验装置、优化测定方法，提高了原位页岩脆性指数 评价的合理性和准确性。
[0005] 本发明提到的一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置，包括三轴压力釜 (1)、底座（14)、活塞杆(8)、声发射传感器（16)、温度传感器(4)、应变片（12)、电磁加热圈 (13)，所述活塞杆(8)安装在三轴压力釜（1)上端，用密封圈1(9)密封，可用于给岩心（11)施 加压力;所述底座（14)安装在三轴压力釜（1)下端，用密封圈Π (15)密封;所述岩心（11)放 置在活塞杆(8)与底座（14)之间，用热塑管（3)密封;所述注液口（6)安置在三轴压力釜（1) 下部，用于向釜腔(2)内注入、排除液体，实现对岩心（11)加载、卸载围压;所述排气口（10) 安置在三轴压力釜（1)上部，用于釜腔内排放气体或充气排液;所述电磁加热圈（13)安装在 三轴压力釜（1)外壁，用于对釜腔加热;所述温度传感器(4)安装在底座（14)上，用内防水橡 胶塞(6)密封，其数据线1(18)依次通过底座（14)导出，与温度测量仪(19)连接，并由计算机 (20)显示温度大小；所述应变片（12)安装在热塑管（3)内，并粘贴在岩心（11)四个不同方 位，其数据线Π (21)依次通过底座（14)导出，与应变测量仪(24)连接，并由计算机(20)显示 应变数据;所述声发射传感器(16)安装在底座（14)内部，用橡胶垫（17)、螺丝(7)固定，其数 据线ΠΚ22)依次通过线底座（14)导出，与声发射检测仪连接，并由计算机(20)显示声发射 数据。
[0006] 上述的底座（14)由底座主体和底座腔室(30)组成，所述的底座主体由第一底座体 (14.1 )、第二底座体（14.2)和第三底座体（14.3)组成整体，且三个底座体为直径依次减小 的圆柱体，三个底座体的中心处设有底座腔室(30)，且第一底座体（14.1)的上表面与三轴 压力釜(1)的的底部接触配合，第二底座体(14.2)的轴向外表面与三轴压力釜（1)的底部内 壁接触;所述的第三底座体（14.3)的轴向外表面与热塑管(3)的内壁配合;所述的三轴压力 釜（1)的内壁、第二底座体(14.2)的上表面和热塑管(3)的外壁之间形成釜腔(2)。
[0007] 优选的，上述的第一底座体（14.1)设有一条径向的线槽IV(28)，线槽IV(28)的外 端设在第一底座体(14.1)的外壁，内端连通到线槽1(25);所述的第二底座体（14.2)上设有 一条轴向的线槽Π (26)，所述的线槽Π (26)的上端设在第二底座体（14.2)的上表面，下端 连通到线槽IV(28);所述的第三底座体（14.3)上设有径向的线槽V (29)和轴向的线槽I (25)，线槽1(25)的上端与线槽V (29)连通，下端与线槽IV(28)及底座腔室(30)连通;所述 的线槽V (29 )设在第三底座体(14.3 )的上端。
[0008] 另外，上述电磁加热圈（13)用于对三轴压力釜（1)加热，温度传感器(4)精确测量 釜腔(2)温度。
[0009] 上述活塞杆（8)对岩心（11)施加压力过程中，实现应变片（12)和声发射传感器 (16)同步输出数据。
[0010] 本发明提到的基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置的测定方法，包括以下步 骤： (1 )、通过基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置进行高温条件下三轴压缩实验，得 到原位页岩的声发射累积能量和应力-应变的同步数据； (2) 、建立声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型； (3) 、根据所述关系模型，通过所述同步数据，确定原位页岩的脆性指数； 其中，所述声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型按照如下方法 建立： (a) 、通过基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置进行高温条件下三轴压缩实验，得 到原位页岩的应力-应变、声发射累积能量的同步数据； (b) 、在同一坐标系下，绘制应力〇和声发射累积能量ln(EAE)随应变ε的变化曲线； (c) 、在应力-应变曲线上标记出应力起始点、屈服起始点和残余起始点，并计算出在声 发射累积能量曲线上三点对应线段的斜率； (d) 根据应力-应变不同阶段，声发射累积能量与岩石脆性的关系，确定原位页岩脆性 指数的关系模型。
[0011] 本发明的有益效果是：（1)本发明所述试验装置结构合理、操作简单，摆脱了大型 三轴压缩机的限制，能够广泛应用于施工现场和研究单位，进行高温条件下的三轴压缩实 验； (2) 本发明所述声发射传感器内置于底座中，声发射信号直接通过底座传到声发射传 感器，该底座为独特的设计结构，简化了实验装置的体积，方便了实验，减少了通过三轴压 力釜时声发射信号能量损失，提高了原位页岩脆性指数评价准确性； (3) 本发明所述活塞杆对岩心施加压力，应变片和声发射传感器同步输出数据，避免了 分别获得应力-应变值和声发射累积能量值时产生的误差； (4)本发明所述声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型，从能量 角度确定原位页岩脆性指数，更加可靠，并且精确度高，提高了原位页岩脆性评价的合理 性。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置结构示意图； 图2为本发明的一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置底座结构剖面图； 图3为本发明的一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置底座结构主视图； 图4为本发明的一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置底座结构俯视图； 图5为同一坐标系下，应力和声发射累积能量随应变的变化关系曲线示意图。
[0013] 图中，1、三轴压力釜，2、釜腔，3、热塑管，4、温度传感器，5、防水橡胶塞，6、注液口， 7、螺丝，8、活塞杆，9、密封圈I，10、排气口，11、岩心，12、应变片，13、电磁加热圈，14、底座， 15、密封圈Π ，16、声发射传感器，17、橡胶垫，18、数据线I，19、温度测量仪，20、计算机，21、 数据线Π ，22、数据线ΙΠ ，23、声发射检测仪，24、应变测试仪，25、线槽I，26、线槽Π ，27、线槽 ΙΠ ，28、线槽IV，29、线槽V，30、底座腔室，31、螺孔V，32、螺孔ΙΠ ，33、螺孔I，34、螺孔Π ，35、 螺孔IV; 14.1、第一底座体，14.2、第二底座体，14.3、第三底座体。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合本发明附图与实施例对本发明进行详细说明。
[0015] 如图1所示，本发明的一种基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置，包括:三轴 压力釜1、底座14、活塞杆8、声发射传感器16、温度传感器4、应变片12、电磁加热圈13。
[0016] 所述活塞杆8安装在三轴压力釜1上端，用密封圈19密封，可用于给岩心11施加压 力;所述底座14安装在三轴压力釜1下端，用密封圈Π 15密封，并通过螺孔133、螺孔Π 34、螺 孔ΙΠ 32、螺孔IV35固定;所述岩心11放置在活塞杆8与底座14之间，用热塑管3密封;所述注 液口 6安置在三轴压力釜1下部，用于向釜腔2内注入、排除液体，实现对岩心11加载、卸载围 压;所述排气口 10安置在三轴压力釜1上部，用于釜腔内排放气体或充气排液;所述电磁加 热圈13安装在三轴压力釜1外壁，用于对釜腔加热;所述温度传感器4安装在底座14上，用内 防水橡胶塞6密封，其数据线118与温度测量仪19连接，并由计算机20显示温度大小;所述应 变片12安装在热塑管3内，并粘贴在岩心11四个不同方位，其数据线Π 21与应变测量仪24连 接，并由计算机20显示应变数据;所述声发射传感器16安装在底座14内部，用橡胶垫17、螺 丝7固定，其数据线ΙΠ 22与声发射检测仪连接，并由计算机20显示声发射数据。
[0017] 如图2、3、4所示，本发明的底座装置，包括:底座主体、底座腔室30,线槽125、线槽 Π 26，线槽ΙΠ 27、线槽IV28、螺孔133、螺孔Π 34、螺孔ΙΠ 32、螺孔IV35、螺孔V 31，