1、利用 kaiser 效应测量砂岩地应力的实验研究摘 要：本文通过对砂岩声发射规律的分析，利用声发射能量时间曲线，可以判断 kaiser 效应点，即声发射剧烈变化且能量急剧上升的点为 kaiser 效应点。识别 kaiser 效应点后，可根据所加载荷计算出地层应力的大小和方向。这为进一步认清砂岩的力学性质和分析 kaiser 效应点的影响因素提供了重要依据，有利于准确测定原始地应力。 关键词：砂岩 声发射 kaiser 效应点 地应力 一、kaiser 效应测量地应力的意义和原理 1.研究岩石 KAISER 效应意义 在油气田开发中： 由于地应力的作用会引起储层的压实或扩张导致孔隙度，渗透率的变
2、化； 地应力对注采井网部署的注采开发方案的设计有着重要关系； （3）地应力对水力压裂设计，水压裂缝的延伸扩展规律，开采过程的出砂问题，注水诱发地震，引起地层滑移、蠕动，导致大面积的套管损坏有很大作用。 在油气井的钻井中： 地应力对井壁地稳定，地层破裂压力梯度，打直防斜或钻定向斜井、水平井的轨迹控制，流变地层中的套管变形等也是重要因素。因此通过分析不同岩性 kaiser 效应测量地应力的影响因素，能够准确的确地层地应力的大小和方向，为油田现场应用提供理论指导。 2.单轴 kaiser 效应测量地应力的原理 将准备好的岩样放在加载台上，用耦合剂将探头固定在岩样上，然后通过 MTS 微机设置参数使加
3、载装置对岩样加压。岩样将产生的声发射信号传给声发射仪，通过声发射仪绘制的能量时间曲线分析 kaiser效应点以及其作用机理。 二、实验步骤 1.取岩心方式：一个垂直方向，三个各隔 45 度的水平方向取出四个小岩心。试件为圆柱形 ，规格由直径 25 mm，高度 50 mm。 2.将加工好的试件在 105下烘干，并按照 ISRM 标准对试件进行严格检查。 3.为了减少端部效应引起的噪声干扰在试件的端部用环氧树脂各黏接一个加载钢端块 ，做成一个复合型试件。 4. 将准备好的岩样放在加载台上，用耦合剂将探头固定在岩样上，然后通过 MTS 仪器在加载速率为 0.04MPa/S 下对岩样加压，通过观察到的
4、实验曲线对分析岩样的 kaiser 效应。 三、岩样的试样曲线以及规律分析 1.砂岩声发射能量时间图： 2.砂岩的规律分析： 含砾砂岩的 kaiser 效应最为明显，泥质砂 岩和粗砂岩次之，细砂岩 kaiser 点最不易读取。 分析对比，含砾砂岩、粗砂岩次和泥质砂岩在岩石发生破裂前，均有一段较长时间的平缓曲线，为声发射平静阶段，细砂岩外声发射平静期不长，但仍能观察到。 细砂岩能量分布较散漫，不如含砾砂岩、泥质砂岩集中，可能是因为它属于较细、结构较均匀的岩石，微破裂的空间分布对主破裂的空间位置并无明显的指示意义。 上图泥质砂岩进行了第二次加载是因为摩擦型 AE 已经被压制掉 ，主要的 AE 信号
5、为破裂型 AE ，因而 Kaiser 点被突出。 四、结论 我们对不同地层的不同岩样开展单轴压缩 AE 实验，采用相同的加载方式，研究了不同岩样的 AE 特性和变化规律，可以为将来的实际生产应用提供一定的指导作用。 不同岩样的 AE 事件具有不同的数量能量和声发射特征。主要是岩样内部纹理构造不同导致破坏机理有很大的差别。 破裂性 AE 记录了原有应力对岩样的作用，因此与 kaiser 效应有很紧密的联系，我们在实验过程中要尽量压制摩擦型 AE 突出破裂型 AE。我们在实验过程中对泥质砂岩采用二次加载就是为了突出破裂型。 我国学者刘铮和巫虹在研究过程中提到过弹性变形和塑性变形能更好的记录岩样所受
6、的应力，本研究与学者的结论是一致的。 参考文献 1）E. TuncayR. Ulusay Relation between Kaiser effect levels and pre-stresses applied in the laboratory（2007.12）rock mechanics and mining sciences. 2樊运晓 单轴压缩试验下裂隙闭合阶段岩石 Ka i s e r 效应的研究岩石力学与工程学报，2 001 3丁元晨，张大伦 以声发射估计岩石试样先存应力的新方法（现代地质，1 9 8 9）. 4陈勉，金衍 复杂泥页岩地层地应力的确定方法研究（2006.06） 岩石力学与工程学报. 基金项目：本文是长江大学 2012 年大学生创新实验基金资助项目（编号 A201210489329）成果之一。
