声发射地应力测量中凯塞点的确定

2000年 第24卷 石油大学学报(自然科学版) Vol.24 No.5 第5期 JournaloftheUniversityofPetroleum,China Oct.2000

文章编号:1000-5870(2000)05-0001-03

声发射地应力测量中凯塞点的确定

薛亚东, 高德利

(石油大学石油工程系,北京102200)

摘要:准确判断凯塞点是岩石声发射地应力测量中的重点和难点,目前还没有一种有效的确定方法。对砂岩声发射试验中声发射信号的重标区间(R/S)进行了分析,发现lg(R/S)与时间间隔对数值具有很好的线性相关性,相关系数均大于0.97,这表明声发射信号曲线具有分形特征。研究还发现,不同载荷阶段声发射信号曲线的赫斯特指数(H)可反映声发射信号强弱变化的趋势。当H>0.5时,声发射信号趋于加强;H<0.5时,声发射信号趋于减弱。根据这一规律,通过计算声发射信号曲线的赫斯特指数(或分形维数),便可确定声发射试验中的凯塞点。实践证明这是一种确定凯塞点的有效方法。

关键词:地应力;测量;声发射;分形;凯塞效应中图分类号:TU453 文献标识码:A

引 言

岩石同许多金属材料一样,压缩时具有声发射AE(AcousticEmission)的凯塞效应(KaiserEf-fect)[1]。在室内对岩心试样进行压缩试验,测定它的声发射活动,声发射活动显著的地方(称为凯塞点)所对应的外加压应力即为试样先前所受到的最大正应力。AE法地应力测量因其经济简便、测量效果较好(同水压致裂法效果相当[2])而被国内外广泛采用。但对于大多数岩石,凯塞点并不明显[3],因而给正确判断试验岩样对应的最大地应力值带来困难。为此,学者们提出通过绘出AE累积数对时间或外加应力的响应曲线,然后求出曲线斜率的突变点作为凯塞点[3]。我国学者丁原辰通过实验发现了一种称为/抹录不净0的声发射现象,并提出了AE地应力估测法[4]。本文从声发射深层机理出发,通过对声发射信号曲线特征的分析,找出一种确定凯塞点的新方法。

统,计算机高速数据采集系统和配套的处理软件系

统等组成(见图1)。在试验过程中,通过设定采样声发射强度阈值,计算机数据采集系统便可记录下阈值触发点后4000个点(由采样频率设定)的声发射能量数据。图2给出了2号试样不同载荷阶段的声发射强度信号记录曲线,图3为岩样对应声发射累积数与外加压应力p的响应曲线。

图1 声发射试验系统简图

1 试 验

声发射试验所用的11块岩石试样取自某油田钻井岩心,取心深度为2340~2343m,岩性为砂岩。岩样直径25mm,高50mm。试验系统主要由液压加载系统,声发射采集系统,载荷及位移记录系

收稿日期:2000-03-12

基金项目:中国杰出青年科学基金资助项目(59825115)

由图2可以看出,试样在加压过程中,随着载荷的加大,声发射信号趋于加强,但并非均匀发展。由于图3中的凯塞点不明显,因此难以正确判断凯塞

点对应的压力值,有必要对AE信号曲线的特征规律进行深入研究。

作者简介:薛亚东(1971-),男(汉族),山西芮城人,讲师,博士研究生,从事岩石力学与地下工程稳定性研究。

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石油大学学报(自然科学版) 2000年10月

图2 岩样声发射

信号记录

对双对数坐标系(lg(S)-lg(R/S))中的数据点用最小二乘法拟合,拟合后直线的斜率即为Hurst指数H,它与分形维数D相关,且

D=2-H.

(5)

对一个时间序列,若Hurst指数H=0.5,则意味着此序列为一独立随机过程;H>0.5则表示此过程具有持久性,过去的增加(或减少)意味着将来平均意义上的增加(或减少)趋势;若H<0.5则表示此过程具有反持久性,过去的增加意味着未来的减少趋势。对声发射信号曲线,H可反映信号强弱

图3 声发射累积数对载荷响应曲线

的变化趋势。

砂岩试样声发射信号的R/S分析结果见图4。

由图4可以看出,lgS与lg(R/S)具有很好的相关性,所有拟合线的相关系数均大于0.97。由此可以得出结论:砂岩声发射信号具有分形特征,其Hurst指数H为0.4504~0.7252,分形维数D为1.2748~1.5496。

从图5可以看出,随着外加载荷的增大,H有减小的趋势,D有增大的趋势,但变化并非均匀发展。开始阶段H>0.5,表明声发射信号趋于加强,是一个信号积累的正过程。当外加压应力达到27.7MPa时,H=0.5,随后H<0.5,这意味着此后的声发射活动信号将逐渐变弱。虽然目前对岩石声发射源机理的研究尚不成熟,但从研究已取得的成果知道,岩石声发射活动规律与材料内部缺陷的演化发展统计分布规律是一致的[8,9]。赫斯特指数可能正是从统计规律上反映了材料内部物理力学性质的变化规律。结合前人已取得的有关声发射效应的研究成果,0.2 重标区间时序分析

将声发射信号曲线看作一维过程Z(t),这里t代表数据点序,这样便可以利用Hurst提出的重标区间(RescaledRange)时序分析方法[5~射信号曲线的特征。

设{x(t)}t=

1,,,N

7]

研究声发

是等间隔采样声发射数据序

列,则其均值、累计离差、极差及标准差分别表示为

x (S)=E1x(t);t=X(i,S)=

t=1S

(1)(2)(3)(4)

E

i

[x(t)-x (S)],i<S;

R(S)=1maxX(i,S)-1minX(i,S);[i[S[i[S

S(S)=[x(t)- x(S)]2Ei=1

式中,S为时间间隔。

S

1/2

.

如果R(S)/S(S)相对S的变化在双对数坐标,

第24卷 第5期 薛亚东等:声发射地应力测量中凯塞点的确定

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压应力为岩样所代表地层处的地应力值。

从试验中发现,有些岩样可能会出现H曲线多

次与H=0.5直线相交的情形,这主要是受试样岩性、测试设备和H

计算值的可信度等因素的影响。

图4 岩样声发射信号R/S

分析结果

[2] 丁原辰,邵兆刚.引黄工程AE法与水压致裂地应力测

量对比[J].地质力学学报,1996,2(1):70-75.[3] 陈庆宣,等.岩石力学与构造应力场分析[M].北京:

地质出版社,1998.108-111.

[4] 丁原辰,孙宝珊,邵兆刚,等.AE法油田最大主应力值

的测量及其与油产量的关系[J].岩石力学与工程学报,1998,17(3):315-321.

图5 不同载荷下H和D的关系曲线

[5] 李后强,汪富泉.分形理论及其在分子科学中的应用

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[6] PlotnickRE.PrestegaardKL.Fractalandmultifractal

modelsandmethodsinstratigraphy[A].ChristopherCB.FractalsinPetroleumGeologyandEarthProcesses[C].PlenumPress,NewYork,1995.73-96.

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解释中的适用性[J].宋丽译.国外油气勘探,1997,9(3):385-394.

[8] 李造鼎,宋纳新,秦四清.应用岩石声发射凯塞效应测

定地应力[J].东北大学学报,1994,15(3):248-252.[9] 王恩元,何学秋,刘贞堂.煤岩破裂声发射试验研究及

R/S统计分析[J].煤炭学报,1999,24(3):270-273.

3 结束语

岩石声发射信号曲线具有分形特征,砂岩的分维值为1.2748~1.5496,赫斯特指数为0.4504~0.7252。岩石声发射信号曲线的Hurst指数H可反映声发射信号强弱变化的趋势,通过H(或D)规律

曲线可以较方便、准确地判断出凯塞点。由于试验数量有限,有关岩石声发射,赫斯特指数(或分形维数)及应力之间进一步的关系,还有待于后续大量的工作。参考文献:

[1] GoodmanRE.Subaudiblenoiseduringcompressionof

rock[J].GeologicalSocietyofAmericaBulletin,1963,74:487-490.

(责任编辑 陈淑娴)

Vol.24 No.5JournaloftheUniversityofPetroleum,China

Oct.2000(EditionofNaturalScience)

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ABSTRACTS

XUEYa-dongandGAODe-li/DETERMINATIONOFKAISERPOINTINMEASUREMENTOFGEO-STRESSWITHACOUSTICEMISSION/2000,24(5):1~3

ItisimportantanddifficulttodeterminetheKaiserpointaccuratelyinmeasurementofgeo-stresswithacousticemission(AE).TheacousticemissionsignalsofsomesandstonesamplesareanalyzedwithRescaledRange(R/S)method.Itisfoundthatthereisagoodlinearcorrelationbetweenlg(R/S)andlogisticspacingsoftime,andallthecorrelationcoefficientsaremorethan0.97.SotheconclusioncanbereachedthattheAEsignalcurvesarefractal.AnotherexperimentresultshowsthatHurstindex(H)oftheAEsignalcurvesindifferentloadstepscanreflectthevariationtendencyofsignals.TheAEsignalwillbestrongerwhenH>0.5,anditisweakerwhenH<0.5.OnthebasisofthischaracterofHurstindex,theKaiserpointcanbedeterminedcor-rectlybycalculatingtheHurstindexofAEsignalcurve.Applicationshowsthatthismethodiseffective.Keywords:groundstress;measurement;acousticemission;fractal;KaisereffectAboutthefirstauthor:XUEYa-dongisalecturer.HeobtainedMSdegreefromShanxiMiningInstitutein1996.NowheisstudyinginrockmechanismforPh.DdegreeattheDepartmentofPetroleumEngineeringintheUniversityofPetroleum,China(Beijing:102200).ZHANGGuang-qing,LUYong-mingandCHENMian/BULKINGLOADOFDRILLPIPEUNDERTORQUEANDAXIALFORCEINSLANTHOLE/2000,24(5):4~6Theenergymethodisemployedtostudythebulkingloadofdril-lpipesundertorqueandaxialforceinslanthole.

Theemphasisisplacedupontheinfluenceoftorqueonthebulkingload.Alargeamountofexperimentsarecar-riedouttoverifythetheoreticalanalysis.Theexperimentalresultsandtheoreticalcalculationareinsatisfactoryaccordance.Theaxialload,wellinclinationangleandtorquearethedominatingfactorsthatinfluencethebulk-ingofdril-lpipes.Whenotherconditionskeepunchangable,thebulkingloadofdril-lpipesincreasesnonlinearlywiththewellinclinationangle.However,torquecanreducethebulkingloadofdril-lpipesgreatly,andthede-greeofreductiongoesdownwithincreaseofwellinclinationangle.Thegreaterthetorqueandthestiffnessof

thedril-lpipeare,themoreobviousthereductionofbulkingloadresultedfromthetorquewillbe.Theconclu-sionscanbereferredtopracticalapplications.

Keywords:drilling;drillstring;stability;torque;slanthole;bulkingloadAboutthefirstauthor:ZHANGGuang-qing,male,acquiredMSdegreefromtheUniversityofPetroleumin1999.NowheisstudyingforhisPh.DdegreeintheUniversityofPetroleum,China(Beijing:102200).GAOJin-ping,GUODong-rong,LIULing,etal/PREPARATIONOFMETHYLGLUCOSIDEDRILLINGFLUID/2000,24(5):7~10

Anewdrillingfluidwithmethylglucoside(MEG)takingfromcornstarchasitsmaincomponentisstudiedinlaboratory.TheresultsindicatethatMEGcaneffectivelydecreasethewateractivityofwaterbasedrillingfluidsandimproveshalemembraneefficiency.MEGdrillingfluidshavecharacteristicsoflowwateractivity,hightemperaturestability,shaleinhibitionandgoodrehologicalproperties.Inaddition,itisreadilybiodegradableandacceptableforenvironmentprovision.

Keywords:methylglucoside;drillingfluid;wateractivity;membraneefficiency;biodegradationAboutthefirstauthor:GAOJin-ping,female,associateprofessor,graduatedfromWuhanUniversityin1982.NowsheisengagedinteachingandreseachondrillingfluidchemistryattheDepartmentofPetroleumEngineeringintheUniversityofPetroleum,China(Dongying:257061).WANGYi-fa,GUANZhi-chuan,LIZhi-gang,etal/DEVELOPMENTOFMICROCONTROLLER-BASEDAUTOMATICALMEASUREMENTSYSTEMFORDOWNHOLEMEASURINGJOINT/2000,24(5):11~13

Tin

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