Kaiser效应点识别方法及储层地应力预测

在储层岩心Kaiser实验中,声发射累积曲线通常出现多个突变点,导致常规Kaiser效应点识别方法不精确,甚至存在无法读取Kaiser点的问题。为此,提出将声发射能量图谱与声发射累积曲线结合的Kaiser效应点优化识别方法,并用于某油田X区块储层地应力预测。岩心单轴加载实验结果表明:加载初期,岩心处于压缩阶段,声发射数量较多,声发射能量值波动范围较大;加载中期,岩心处于弹性形变阶段,声发射数量较少,声发射能量值较低,变化幅度均一;加载后期,应力达到储层岩心破裂压力,岩心发生破裂,声发射数量急剧增加,声发射能量值达到峰值。加载中期阶段,当轴向应力达到储层岩心承受的历史最大应力时,岩心突然释放大量能量,声发射数量和能量值均突增,随后迅速降低,该现象与Kaiser现象相吻合,因此通过声发射能量图谱与声发射累积曲线结合的方法能够识别Kaiser效应点。利用优化后的Kaiser效应点识别方法,分析某油田X区块地应力分布,计算结果与现场测试结果吻合。

基于能量原理的岩石声发射伪Kaiser点修正

通过岩石声发射试验,得到试验Kaiser点,但此点可能并不是真实的Kaiser点。根据岩石声发射真实Kaiser点能量分布与非Kaiser点能量分布存在很大差别的特征,经过理论推导得到能量E与声发射振铃计数、应力状态的函数关系,证明能量E随着频带振幅、声发射振铃计数增大而增大;随着阈值电压增大而减小。以此为基础,将伪Kaiser点应力与地应力理论值对比,根据漂移应力比值计算电压阈值,压力曲线逆向寻点,重新获取Kaiser点等步骤对试验中的伪Kaiser点进行能量修正,找到真实Kaiser点,并通过能谱分析和RFPA仿真验证能量修正方法的有效性。

基于某隧道岩石Kaiser效应测试及区域应力场数值分析

用美国产MTS815程控伺服岩石刚性试验机和AE210声发射测试系统,对6个不同方向的隧道主洞定向砂岩样进行单轴压缩试验;同时测定岩样在受压过程中产生的声发射信号。通过能量累计(对数)、振铃计数、荷载与到达时间的关系图,导入CAD,综合选定6个方向Kaiser效应点。根据弹性力学理论基础,用工程Maple软件计算出3个主应力的大小和方向。为了验证该方法选取特征点计算结果的可靠性,用有限元Phase软件对工程区区域构造应力场特征进行数值分析。结果表明:试验测试值与应力数值模拟值较相近,说明声发射试验结果可靠;并得出该隧道现代地应力场基本应力值为14.48 MPa,应力场方向为EW向,此结果对隧道设计和施工有十分重要的意义。

利用岩石声发射Kaiser效应测试地应力的方法研究

利用岩石声发射Kaiser效应在室内测试地应力的原理及测试方法,对岩石块体空间6个方向的试件进行单轴压缩荷载作用下的声发射测试。通过对试验数据的处理,分析能量-时间曲线以选定多级Kaiser效应特征点,即多级应力分量。运用弹性力学理论及自编程序,对空间6个方向的多级应力分量进行自由组合计算地应力,结合取样现场的地质环境综合确定地应力的大小及方向。研究成果对于完善室内测试地应力以及提高确定地应力的准确度有所帮助。

西岭矿区地应力测量及分布规律研究

西岭金矿已成为我国最大单体金矿床,收集地应力基础技术数据对合理开采西岭金矿具有重要意义。该文利用勘探期钻孔岩心,通过声发射试验确定岩心声发射Kaiser效应点,从而进一步计算获得地应力大小及方向。最终,通过选定的5个钻孔的地应力测量结果获得整个西岭矿区的地下地应力分布规律,为矿区的采矿设计提供重要的数据支撑。

木材损伤的Kaiser点声发射信号分形特征研究

针对木材在重复荷载下的Kaiser效应问题,采用Felicity比辨识高低载荷状态,并通过声发射(acoustic emission,AE)信号关联维数表征不同载荷下Kaiser点的分形特征。首先,将采样频率设置为500 kHz,采集木材试件在重复载荷下的AE信号,其中载荷间隔设定为300 N。然后,依据噪声信号设定AE振铃的阈值为48 dB,参考美国增强塑料声发射检测委员会(CARP)准则定义“明显”AE信号并计算Felicity比,依此标定Kaiser和Felicity效应所对应的载荷阶段。最后,利用G-P算法计算Kaiser点处AE信号的关联维数D,作为不同阶段Kaiser点的辨识指标。结果表明:通过Felicity比能明显区分高低载荷状态,并且在Kaiser与Felicity效应两个阶段的Kaiser点AE信号的关联维数D存在显著差异;Kaiser效应阶段内,D值变化范围为0.8346~1.4895,而过渡到Felicity效应阶段后,D值变化范围增大到1.7038~3.6602。

基于声波信号预测Kaiser应力点的水平地应力

声发射实验测试地应力方法需从地层原位取得的全尺寸岩样上钻取4个小尺寸岩芯,分别进行加载实验下的声发射测定。该方法将造成地层岩样损失,地应力评价成本较高。为此,根据岩石声学性质与力学特性具有较好的相关性特征,基于大量岩石试件的声波时差实验数据和加载条件下的声发射实验数据,构建声波时差与岩样Kaiser应力点的关系模型,并结合岩石声发射实验预测地应力计算模型,建立利用声波信号预测Kaiser应力点的地应力计算方法。而后,结合全尺寸岩芯的360°声波时差扫描数据,利用该方法进行致密油储层地应力预测分析,结果显示:建立的地应力计算方法预测结果相对于Anderson、Eaton、Newberry模型预测结果更接近压裂数据计算的地层应力值。说明该方法相对于传统的测井解释地应力方法更稳定,并且利用全尺寸岩芯360°声波时差扫描数据预测Kaiser应力点相对于声发射实验方法具有更好的经济性。

受拉加载速度变化对砂岩Kaiser效应影响

为分析受拉加载速度变化下的岩石破坏过程Kaiser效应特征,获取其机理和判断标准,通过3种加载速度的三点弯曲声发射试验,研究了受拉应力状态下砂岩Kaiser点的应力值与加载速度、声发射特征参数间的相互联系。运用RFPA2D从微裂纹开展角度,对试验过程中Kaiser效应随加载速度变化呈现的差异进行了机理分析。最后,运用小波分析方法获取了不同加载速度的砂岩Kaiser点频谱分布区间,量化了其宏观现象的判断标准。结果表明:砂岩的Kaiser效应特征参数与加载速度正相关,各参数的Kaiser点明显程度存在差异,累计事件参数最明显。加载速度越快,岩石裂纹扩展路径的规律性越弱。因裂纹竞争起裂趋势难度的变化,造成开裂能量分布均匀性降低,影响Kaiser效应的准确度和明显程度。Kaiser点的频率主要集中在0~312.50kHz范围,占比为40.54%,最大值在300kHz附近,呈现正态分布,并且Kaiser点的频率区间随加载速度的变化呈现不断紧缩趋势,这一规律可以作为反演辨识岩石受荷冲击强度变化的依据。

利用岩石声发射凯塞效应测定岩体地应力

将砂岩在整个变形阶段的声发射信号特征可划分为加载初期、压密阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、砂岩破坏阶段5部分。利用岩样声发射信号的特征,确定出岩石的凯塞效应点与其裂纹稳定扩展阶段的起始点相对应,并进一步得出岩石凯塞效应点的上限为裂纹稳定扩展阶段的终点,裂纹非稳定扩展阶段的起始点。凯塞效应点受岩样两端面的平行度、压机加载速率等有关,岩样端面不平整,在加载初期会有强烈的声发射信号;压机加载速率过大,声发射信号可能显示不出来或被后续更强的声发射信号所掩盖。计算出深度为670m处巷道周围天然应力3个主应力的大小和方向,与在现场用应力解除法和水压致裂法测得的天然应力相比,其数值基本一致,但方向存在一定的偏差。

深井中砂岩力学特性的声发射信号特征分析

试验得到了深井中砂岩的基本力学性质参数,同时监测声发射信号,分析得到振铃计数率与应力释放(应变能释放)水平成正比,且当中砂岩主破断发生时达到最大值。按照中砂岩变形过程中的声发射信号特征,将破坏前的中砂岩形变过程划分为A、B、C三个阶段:A阶段形态上凸,峰值水平约300次/s,对应了岩石应力应变关系中的原生裂隙压密阶段;B阶段的声发射信号强度比较均匀,平均约100次/s,与应力应变关系中的弹性阶段相对应;C阶段开始时的声发射信号强度即高于B阶段,至主破断发生时台阶式升高,中砂岩破断前的振铃计数率达到最大值700次/s,该阶段主要对应于应力应变关系中的塑性变形阶段。结合应力应变曲线与声发射信号图,得到中砂岩的kaiser点,即该中砂岩在现场位置所承受的历史最大压力约为47 MPa,有利于指导深部地下工程设计。

砂岩破裂失稳声发射临界特征与Kaiser点识别研究

为了研究砂岩内部微裂纹的损伤扩展特征,对取自鄂尔多斯盆地的19块细砂岩试样开展了单轴压缩声发射试验,获得了岩石脆性破裂失稳临界应力特征,并与重整化群条件下理论临界特征进行对比,开展了基于关联维数的Kaiser点综合识别法研究.结果表明:试样破裂失稳声发射临界特征比较明显,撞击率和能率均呈激增现象;临界应力强度比平均0.767,与理论分析结果存在6.5%的误差,与电阻率、红外辐射、波速、电磁辐射等多物理参量临界值基本一致;利用G-P算法计算撞击率时间序列的分形维数,呈上升—下降—上升趋势,且存在较大范围的分维下降区间;针对利用声发射特征参数不太容易确定Kaiser点的情况,结合降维区间分维突降点和撞击率激增点分布特征,提出了综合识别Kaiser点的方法;试样Kaiser点应力强度比平均0.331,主要集中在0.20~0.50之间,研究成果可为岩石稳定性监测、失稳前兆预警和Kaiser效应测量地应力提供一定参考.

不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前特征信息试验研究

通过对花岗岩在不同围压下循环加卸载声发射（AE）试验,得到岩石加卸载损伤破坏过程中高、低频通道中AE累计振铃计数、岩石应力与时间的关系。基于此,研究岩石AE的不可逆性特征。同时运用快速傅里叶变换FFT逆变换对Kaiser点AE信号进行消噪,并通过FFT分析消噪后信号的频谱特征,探求岩石主破裂前特征信息。研究结果表明：（1）两通道中接收到的AE振铃计数整体变化趋势基本相同,所揭示的Kaiser效应和Felicity效应规律基本一致;两通道中AE振铃计数特征主要区别在于数量不同;（2）Kaiser点主频分布在46.39～70.80与151.37～166.99 k Hz范围内。岩石主破裂前,随轴向应力水平增加,低频通道中Kaiser点主频整体变化趋势由较低频向较高频转移,高频通道中由较高频向较低频转移;（3）花岗岩Kaiser效应应力上限值为极限强度的65%左右。Kaiser点的主频特征及变化规律,可为岩石的损伤破坏评价提供依据。