文摘

断裂特征估计刺激至关重要储集层体积和指导后续在页岩储层水力压裂刺激。实验室压裂实验可以帮助提供理论和技术指导现场操作。在这项研究中,在页岩水力压裂实验样本Niutitang形成湖南(中国)在一个单轴加载条件下进行。多重分形方法用于分析声发射(AE)信号和描述裂缝萌生和扩展。水力压裂过程可分为三个阶段基于AE信号的特点:初始阶段,比较阶段,压裂阶段。多重分形分析结果表明:(1)频谱宽度的值, ,继续增加的能量积累,直到压裂阶段开始;和(2)的多重分形谱值的差异, ,反映了小和大信号频率之间的关系,可以量化断裂规模,即。,越低 ,断裂规模越大,反之亦然。结果进一步验证了使用AE信号的时频分析和微ct扫描的样品。这项研究表明定量描述液压骨折的多重分形方法是可行的,有助于现场水力压裂操作。

1。介绍

北美页岩气革命影响了世界能源市场,极大地促进了全球页岩气勘探和生产的过程(1,2]。页岩气通常是存储为吸附或游离气体富含有机物泥页岩(非常)低孔隙度和渗透率3,4]。水力压裂(高频),从而提高储层渗透率将高压流体注入到地面形成裂缝网络,有效地连接到井筒(5- - - - - -7]。微地震监测通常被实现为一个常规技术监测压裂的发展和扩张网络实时(8,9]。此外,微震监测技术在其他领域也被广泛用于监控,包括地热生产、采矿、二氧化碳存储和其他工业领域10,11]。

然而,攷虑微地震监测、地下地质条件相当复杂,如自然的未知分布/先前存在的骨折和异构压力条件。有效控制变量和重点研究高频的进化机制,一个可行的和重要的策略是模拟油田规模高频监测使用实验室规模的实验与声发射(AE)监测12,13]。AE相关主要是裂纹的萌生和扩张。实验室和小规模的声学排放的频率通常是在一个区间数千赫至MHz。通过分析岩石裂缝的AE特征,有助于理解岩石破裂机理和领域提供理论和技术依据高频监测(14]。大量研究报道使用AE监测实验室岩石断裂分析中,包括脆性岩石的破裂过程(15,16],页岩岩石的机械和声学特性(17,18),断裂传播的特点与床上用品的飞机在不同的方向19),在实验室和AEs的震源机制高频实验(20.,21]。

岩石破裂过程和传播有自相似性和分形方法可以描述(例如,分形维数)22]。有许多研究岩石断裂演化特征使用附带的AE信号的分形和多重分形分析(23- - - - - -26]。例如,香港等。26]分析了分形特征的AE参数methane-containing煤样品在三轴压缩实验。关联维数的结果表明,分形维数可以描述裂纹的传播。与传统的分形方法相比,多重分形理论有可能全面描述岩石断裂演化状态(27,28]。香港et al。29日)使用多重分形方法研究砂岩的AE特征进行热处理。AE时间序列的多重分形特征,分形维数是一个increasing-decreasing趋势与温度。香港et al。30.)应用多重分形理论分析煤样进行单轴压缩的AE特征。结果表明,时变多重分形特征可以描述AE机制和AE信号强弱的差异。谭et al。31日]研究了页岩的多重分形特征声发射能量单轴实验不同浸泡条件下。结果表明,多重分形谱的AE参数被浸泡时间的影响,这是直接关系到页岩样品的孔隙和裂缝的变化。然而,大多数的研究都集中在传统的压缩实验与完整的样品。因此,定量多重分形分析的AE参数从页岩水力压裂实验结果需要进一步研究。

在这项研究中,AE事件的特点一个单轴加载条件下水力压裂实验分析评价页岩压裂不同阶段。AE信号量化使用多重分形分析研究断裂规模和能量特征。最后,进一步验证结果的可靠性通过时频分析和x射线计算机断层扫描(CT)扫描。多重分形分析可以帮助提供定量指导现场水力压裂作业期间断裂特征。

2。材料和方法

2.1。样品制备

样本收集的露头Niutitang形成的页岩样品在益阳,湖南省,中国。露头的页岩空心圆柱样品(尺寸 )误差小于0.5毫米,小圆柱孔(尺寸 )在样品的中心钻。六个样本的大小和其他物理性质如表所示1。6个样品的三个水平层理特征(层面的方向平行于轴向方向),称为H1、H2、H3。其他三个样本的特点是垂直层理(层面的方向是垂直于轴向方向),称为T1、T2和T3。没有可见的裂缝表面的样品。页岩样品的矿物成分是石英,平均值为74.2%;长石,平均价值的14.3%;和粘土矿物,平均值为7.8%。样品检测是脆性岩石和不受风化作用的影响。在实验期间,六声发射(AE)传感器被放置在15毫米的高度,50毫米,和85毫米,如图1(一)。

表1
物理性质的六个页岩样品。

图1
生殖芽细胞肿瘤的rtr - 2000岩石机械系统和实验装置。(一)实验加载系统,控制系统,声发射(AE)监测系统。(b) AE监测系统的原理示意图。(c)加载设备和前置放大器。(d)样本参数和传感器安排。
2.2。实验系统和方案

与真正的三轴实验领域应用程序相比,在单轴加载条件下没有围压。毫无疑问,围压影响的传播骨折的特点和相应的AE事件。(32- - - - - -34]。然而,在单轴加载条件下水力压裂实验可以更好地控制相关变量和关注断裂演化的机理。除此之外,它还可以明确骨折形成特征在不同条件下,并揭示了断口微观形貌在指导现场水力压裂12]。在单轴加载条件下水力压裂实验被用来分析AE特征与裂缝延伸在各个领域包括地热生产、盐矿业,页岩气开发(35,36]。

进行了单轴压缩加载和水力压裂实验使用servo-hydraulically控制变形装置、生殖芽细胞肿瘤的rtr - 2000岩石声学研究所的机械系统,中国科学院。系统能提供的最大轴向力4600 kN,最高210 MPa的围压。图1显示了页岩样品的实验系统和设置。PAC AE监测系统用于实验,这是由物理声学股份有限公司、美国在AE信号的实时监测水力压裂(高频)实验。声发射监测系统的组件包括AE传感器、前置放大器,和一个中央系统记录,处理和显示单元(图1(d))。AE采集的采样率是1 MHz,和带通滤波器将125 - 750千赫。AE信号的阈值被设置为35分贝。使用AE监测系统获得的两个主要参数包括声发射计数和能量,它可以反映岩石样本的变形和断裂过程。的次数超过阈值的信号是AE数,和信封的总面积AE波形被定义为AE能量。其他AE参数和典型的AE波形以及时频特征如图2。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
AE信号:(a)一个示例AE事件;和(b)的时频特征样本AE事件。

实验方案包括以下五个主要步骤:(1)密封井眼。50毫米长钢管插入喷射孔(图1(a))。环氧树脂被用来密封的注入部分页岩样品。密封样本保存24小时,以确保一个稳定的密封。(2)传感器的安装。热收缩管密切连着页岩样品,和AE传感器被放置在管表面使用蜂蜜(数字1(一)和1(c))。(3)轴向载荷。标本在轴向加载,轴向应力值设置为35 MPa,指的是测量最小抗压强度。轴向加载率为2 MPa /分钟。(4)流体注入。水注入井2 MPa /分钟的速度。当孔隙压力骤降(注射压力)发生,这将显示一个打破或损坏的样本,系统将关闭。(5)CT扫描。高频实验后,样品被骨折的ct机扫描了2 d和3 d图像片的横截面。

2.3。多重分形方法

分形方法是用来描述不同地方特色的自相似性在不规则现象在自然界中,它通常是由分形维数(37,38]。分形分析已经成功地应用于许多分支在岩石学和岩石物理,如描述岩石的孔隙和裂缝网络(39- - - - - -41]。为了更好地定量描述复杂系统的空间分布特征,提出了多重分形方法和利用27]。例如,从岩石样本可以观察到的AE信号多重分形。因此,需要一个以上的标度指数”来形容AE信号和相关骨折(42]。多重分形的方法已被用于描述岩石样本的结构特点使用广义分形维数和多重分形谱(5]。此外,许多研究采用多重分形理论来研究岩石破裂的AE活动(26,30.]。在这项研究中,计盒方法被用来分析时间序列的多重分形特征的AE参数(31日,43]。详细的计算过程,AE时间序列的多重分形谱如下(31日]:

首先,一个盒子的宽度 用于时间序列划分为 子集。每个子集的规范化的概率是多少 ,和奇点的力量被定义为:

当时间序列多重分形规律,可以获得以下关系: 在哪里多重分形谱函数,也可以大致相同的分形维数定义为奇点子集。计算时间序列的多重分形谱,下面的频谱函数通常被使用: 在哪里 质量指标, ;和质量指数, ,的斜率的关系 和 在双对数坐标。同时, 可以确定时间序列的分形特征:如果的价值 变化与 ,AE时间序列的多重分形特征。如果它是一个常量值确定 ,时间序列有一个规律性。Chhabra和詹森43集群)提出了规范化的单一参数测量:

多重分形谱函数, ,和奇异的力量, ,可以计算:

时的值 决定, 和 可以计算,我们可以获得多重分形谱 的时间序列。的异质性可以表示时间序列的频谱宽度 (30.,44]。更大的 是,大型和小型信号之间的差异越大。此外,的价值 表示频率的奇异力量, ,发生在时间序列。因此, 显示的频率发生或大或小的信号: 意味着大幅度信号控制,大规模骨折主导断裂系统。相比之下, 意味着大多数AE信号的振幅/能量很小,和小规模骨折主导断裂系统。

3所示。结果与讨论

3.1。机械行为

在流体注入过程中,孔隙压力和AE信号被记录了下来。表2列表上的垂直应力和孔隙压力加载页岩样品。图3显示了孔隙压力与加载时间的关系。垂直的曲线样本转移400年代水平呈现清晰的横向和纵向对比样本。的最大孔隙压力水平样本14.52 MPa, 16.78 MPa,和18.27 MPa,而垂直的样本26.53 MPa, 27.98 MPa,和29.04 MPa,大约两倍相比,水平样本。由于矿物成分基本上是相同的,样品没有可见的先前存在的骨折,结果表明,层理结构起到了控制作用对岩石变形和破裂的过程。结果符合林等。45),它显示出各向异性的影响在页岩样品断裂传播。随着孔隙压力的增加,有效正应力不断下降。一旦破裂压力达到,裂缝开始沿最小主应力的方向和传播的最大主应力,在竖直方向。的层理方向水平样本是平行于轴向方向,和更低的孔隙压力必须打破样本相对于垂直样品。此外,层理方向的近垂直于裂缝延伸的方向(46- - - - - -49]。结果也符合的原则广泛应用水平井钻井技术在页岩气开采井的钻探沿着层理方向(横向)实现一个更小的破裂压力和体积较大的联系与目标层(50]。值得一提的是,页岩各向异性有重要影响现场压裂操作(51]。在当前的研究中,我们只关注测试和验证的有效性多重分形方法,而不考虑页岩各向异性。我们相信,还需要进一步的研究来解决各向异性问题当应用领域范围的方法。

表2
垂直应力和孔隙压力加载6页岩样品。

图3
时间的孔隙压力的历史。
3.2。AE信号的多重分形分析

有几项研究分类基于压裂的压裂过程实验。Damani et al。52)报道,破裂压力反应可分为广泛的六个区域根据泵压和累积AE事件。江et al。53)把页岩超临界CO2压裂过程中裂缝起始阶段和裂缝延伸阶段根据AE参数曲线。

图4显示了AE数的关系,AE能量,加载孔隙压力水平的样本(H1, H2, H3)。图5显示相应的垂直样品的结果(T1、T2、T3)。很明显,AE数和AE能量共享类似的趋势在所有的样品。此外,累计计数和能量与加载孔隙压力稳步上升。是有区别的详细情节不同样本,这在很大程度上是由样本的异质性造成的。随着加载孔隙压力的增加,岩石内部的有效正应力样本不断下降。当莫尔应力圆到达破裂信封表面,生成的岩石破裂,大量的AE事件(5,54,55]。因此,水力压裂过程可以大致分为三个阶段基于这些情节(52,53,56]。首先是初始阶段,对应的开始注水,在少量的AE事件发生在孔隙压力增加的瞬间。然后,安静阶段压裂系统往往是稳定和AE活动不活跃(“安静”)。最后,压裂阶段表示岩石的破裂和AE突然增加的数量和能量。水平和垂直样品的一个重要区别是安静阶段的持续时间。根据冲绿线数据4和5安静的时间阶段(阶段二)水平和垂直样品大约是400年代和700年代,分别。这是符合所需的大孔隙压力压裂垂直的样本,这在很大程度上是由床上用品的飞机的方向,并讨论了在上面的部分。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图4
块之间的关系AE数/累计计数,AE能量/累积能量,和加载孔隙压力水平样本H1, H2, H3。(a, b)的示例H1。(c, d)块示例H2。(e, f)示例H3的情节。绿色虚线表示三个阶段(我:初始阶段;2:安静的阶段;和III:压裂的压裂阶段)的过程。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
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(e)
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(f)
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图5
块AE数的关系/累计计数,AE能量/累积能量,和孔隙压力加载垂直样品T1, T2、T3。T1 (a, b)的样本。(c, d)块样品T2。T3 (e, f)的样本。绿色虚线表示三个阶段(我:初始阶段;2:安静的阶段;和III:压裂的压裂阶段)的过程。

多重分形的方法被用来进一步量化AE特征与水力压裂相关实验。它已经证明了AE参数的时间序列具有多重分形特征(31日]。AE的多重分形谱计数和能量在各个阶段时间序列如图6。完成结果为个体和整体阶段表中列出3。结果与断裂演化的特点密切相关。频谱宽度的值, ,AE数的六个岩石样本两个和四个之间变化,这意味着AE信号的色散相对明显。主要原因在于压裂过程可以产生两个大型和小型AE事件/信号。的多重分形谱表明,AE能量 值是3 - 5,这显示了AE数一致的结果。页岩水力压裂的整个过程可分为不同的阶段,包括起始阶段,安静阶段,和压裂阶段,根据不同的特征,这些自然产生AE事件(例如,计数和能量)。


图6
多重分形谱 时间序列的AE计数和能量的所有阶段。
表3
的值 和 对不同样品在不同的阶段。

不同的 值的样品相同的层理方向部分揭示了异质性的AE参数/信号和页岩。例如,在样例T3 AE数的值和能量的所有阶段分别为2.140和3.261,分别。相对较小的值比其他样本,表明一个小差异AE活动和/或断裂尺度在不同阶段。多重分形谱值的差异, ,反映了振幅/能源的AE事件和骨折的规模。大部分的 的水平值样本积极的价值观,这意味着压裂过程是由小规模的骨折。的 声发射计数和能量的值样本H2分别为1.643和1.639,分别。的值都大于其他两个水平的样本,和随后的CT扫描结果还显示几个小规模的骨折(见图7和8)。然而,AE数和AE能量 的垂直样本值,T2,所有的阶段都是消极的,而这些AE数分别为-1.884和-1.839,能量,分别。样本T2的CT扫描结果显示大规模骨折(见图9和10),导致相对较大的注射压力和新的骨折之间的联系和疲软的床上用品的飞机(先前存在的骨折)。更详细的讨论并给出了时频分析和CT扫描在后面的部分。


图7
ct机扫描结果的岩石样本H2。(a)水平切片。(b, c)两个垂直切片样本中心附近和削减大致垂直于骨折,和I-IV对应水平切片在20毫米的高度,40毫米,60毫米和80毫米。(d)的3 d视图扫描结果。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
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图8
四个水平切片ct机扫描结果的岩石样本H2。(模拟)对应的水平切片在20毫米的高度,40毫米,60毫米和80毫米。

图9
ct机扫描结果的岩石样本T2。(a)水平切片。(b, c)两个垂直切片样本中心附近和削减大致垂直于骨折,和I-IV对应水平切片在20毫米的高度,40毫米,60毫米和80毫米。(d)的3 d视图扫描结果。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图10
四个水平切片ct机扫描结果的岩石样本T2。(模拟)对应的水平切片在20毫米的高度,40毫米,60毫米和80毫米。

图11显示了变化 和 不同样品在不同阶段的值。水平的样本, 增加了加载时间和阶段。在初始阶段,注射压力小,只有兴奋小AE事件。随着喷射压力的增加,应变能的不断积累。在压裂阶段,小裂缝扩展和连接,形成大规模的骨折。因此,无论大小,AE事件生成和小型和大型信号增加之间的区别。以前的一些研究也显示 值逐渐上升以及水力压裂(30.,44]。然而,对于垂直样品,结果是更复杂的。一个可能的原因是不一致的方向上的主应力和床上用品的飞机。在安静的阶段和几乎没有AE事件,导致低 值。样品H2和T2的值 在不同阶段变化很大,揭示不同AE活动和/或断裂尺度在所有的阶段。此外,多数大型骨折和AE事件发生在最后压裂阶段。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
的值 和 不同样品在不同的阶段。对应于(a, b) 和 AE数。(c, d)对应 和 的AE能量。
3.3。时频分析

AE波形和频率包含重要的信息在水力压裂过程中,包括内部裂缝的大小和骨折类型(21,57,58]。微观演化特征可以推断AE信号的时频特征进行统计分析在压裂过程中(35,59]。首先,时域AE信号转换为使用小波变换时频光谱获得的主要频率信号。AE事件划分为四种类型:低振幅在低频段(LL),高振幅低频段(HL)、低振幅在高频段(LH)和高振幅在高频段(HH)(表4)。最大振幅和频率主要内容统计总结在图12。可以看出少数LL-type和LH-type AE事件在水力压裂的初始阶段,生成和振幅的102。随着喷射压力逐渐增加,有效主应力不断减小,应变能积累。在这一阶段LL-type AE事件不断生成。一旦破裂压力达到,裂缝发起和传播形成小规模的骨折,生产更多LH-type AE事件。同时,小规模的裂缝可能是相互连接,形成大规模的骨折和生产HL型AE信号。因此,大规模和小规模的骨折在压裂阶段同时共存。这是与多重分形谱值的变化一致 在不同的阶段,并进一步验证了结果的可靠性。和HL - LH-type AE信号被用作前驱之前样品开裂[35]。尽管矿物组成的岩石样本几乎是相同的,垂直和水平的最大孔隙压力岩石样本也在相同的范围;能源和AE事件的统计值显示一个很大的区别。很明显,页岩严重影响其物理性质的各向异性。两个水平岩石样本H2和H3,事件的数量在第一和第二阶段相对较小。然而,在第三阶段,HH-type和HL-type AE事件的岩石样本H3远远大于H2。

表4
类型的AE信号的时频特征。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图12
AE信号的时频特征。(f)对应的结果H1, T1, T2, H2, H3,分别和T3。
3.4。CT扫描

的内部结构特性水平示例H2和垂直样品T2使用ct机扫描进行了研究。数据7和9显示的ct机扫描结果的概述岩石样本H2和T2。数据8和10显示的四个水平切片扫描结果。骨折附近的启动注入孔沿轴向方向,不断传播(垂直的方向,这也是最大主应力的方向)。骨折终于连接,形成一个裂缝面,也是近平行于轴向方向。骨折的形态特征是围压密切相关。当轴向压力远远大于围压,裂缝将垂直于传播方向当地的最小主应力,随着井壁(60,61年]。不同尺度裂缝的两个样品也与多重分形谱值的结果一致。

水平样本H2,骨折的规模很小,只有几个骨折是可见的。骨折仍然附近的喷射孔,不传播垂直远离注入孔(见图8)。20毫米的裂缝宽度与高度和40毫米,相对较大,0.1 - -0.15毫米,0 - 0.1毫米,分别为(62年]。没有明显的骨折在水平切片对应的高度60毫米和80毫米。一个可能的原因是,注入(孔隙)的压力很小,和只有小规模的骨折。定量研究骨折的形态特征,图像处理软件(J)是用来计算长度和曲率的水平切片可见骨折。详细的结果列在表中5。弯曲度被定义为总裂缝长度的比值的两端的两个直接长度骨折(63年]。可见骨折的弯曲度小,岩石的裂缝渗透到几乎直。

表5
可见骨折的特点的岩石样本H2和T2。

垂直样本T2,裂缝宽度比水平和规模较大的样本H2。这是一个相对较大的最大注射压力的结果。从底部裂缝宽度逐渐减小(0毫米)(100毫米)。原因是骨折了底部的部分样本,注入孔位于的地方。另一个重要的特点是近水平裂缝面高度约为80毫米,这是潜在的弱点造成的床上用品的飞机和/或掉看不到先前存在的骨折。裂缝的长度、宽度和曲折的样本H2和T2有很大的不同。水平样本H2是由小规模的骨折,而垂直样品T2是由大规模的骨折。

4所示。结论

一个单轴加载条件下水力压裂实验在益阳Niutitang形成的页岩样本,湖南省(中国)。AE信号记录在压裂过程中,和多重分形方法被用来描述裂缝萌生和扩展。研究表明,多重分形方法可以用来定量描述水力压裂和有助于优化原位水力压裂操作。结果进一步验证了使用AE信号的时频分析和微ct扫描的样品。下面列出了主要的结论。(1)床上用品的飞机的方向在很大程度上影响破碎岩石所需的注射压力。所需的岩石所需压力和床上用品的飞机平行于最大主应力的方向不(近一半)比垂直层理飞机基本相同的条件下。(2)水力压裂过程可分为三个阶段基于AE信号的特点:一个初始阶段,安静的舞台,压裂阶段。在初始阶段,少量的AE事件兴奋由于瞬时孔隙压力的变化。此外,应变能积累和一些AE事件发生在安静的阶段。在压裂阶段,骨折发起和迅速传播,产生大量的AE事件。时间序列的多重分形分析的声发射计数和能量定量特征的异质性AE信号在水力压裂。频谱宽度的值, ,继续增加的能量累积,直到压裂阶段开始。的 值大小之间的关系反映了信号频率和量化断裂规模。因此,越低 ,断裂规模越大,反之亦然。(3)时频分析和CT扫描结果进一步证明了AE信号的不同大小和尺度和骨折。大部分AE事件和大裂缝在压裂阶段。垂直样品所需的压裂压力是大,而更大规模的复杂骨折及骨折的飞机可能是由于生成的存在,床上用品的飞机垂直或斜交叉的最大主应力。时频特征可以验证多重分形谱参数的变化 。和LH - HL-type AE信号可以作为岩石破裂的前兆。CT扫描结果与多重分形谱参数一致 。这些结果进一步验证阶段分类和多重分形AE信号的结果。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号41872151),全国数千青年人才项目(批准号Jingqiang Tan413170110),中南大学创新项目(批准号502501005),湖南省自然科学基金(批准号2019 jj50762),中国博士后科学基金(批准号2019 m652803),中南大学研究生科研创新项目(批准号2020 zzts661),国家重点实验室开放研究基金项目的音响、中国科学院(批准号SKLA201911)。