用于PDC、PCBN或其他硬材料或超硬材料的声发射韧性测试.pdf

一种声发射测试设备包括可加压腔室、岩石样本以及可通信地耦合于岩石样本的一个或多个声传感器。该腔室包括可加压至第一压力的第一腔室以及可加压至第二压力的第二腔室。将岩石样本置于可加压腔室内，以使样本的第一部分暴露于第一压力并使样本的第二部分暴露于第二压力；第二压力增大至阈值压力，保持在阈值压力长达一时间段，并随后减小。声传感器检测在岩石样本中发生的一个或多个声音事件。在某些实施例中，一个或多个声音事件的强度、空间位置和传播方向中的一个或多个是可确定的。系统包括耦合至记录器的测试设备。

权利要求书一种声发射测试设备，包括：
可加压腔室，所述可加压腔室包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室能被加压至第一压力而所述第二腔室能被加压至第二压力；
定位在所述可加压腔室内的岩石样本，所述岩石样本包括第一部分和第二部分，所述第一部分暴露于所述第一压力，所述第二部分暴露于所述第二压力；
以及
可通信地耦合至所述岩石样本的一个或多个声传感器；
其中所述第二压力以向上斜变速率增加至阈值压力，所述第二压力保持在所述阈值压力达一段时间，并且所述第二压力以向下斜变速率减小；以及
其中所述声传感器检测在所述岩石样本中发生的一个或多个声音事件。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述第一压力基本维持在岩石围压下。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述声传感器耦合到所述岩石样本。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，还包括第一流体和第二流体，所述第一流体位于所述第一腔室内而所述第二流体位于所述第二腔室内，其中当所述第二压力高于所述第一压力时，所述第二流体的至少一部分通过所述岩石样本从所述第二腔室流入所述第一腔室。
如权利要求4所述的声发射测试设备，其特征在于，还包括从所述第一腔室内延伸至所述可加压腔室外侧的位置的排管，所述排管能使所述第一压力保持基本恒定。
如权利要求5所述的声发射测试设备，其特征在于，还包括沿所述排管的长度定位的阀，所述阀的开启允许当所述第二流体流入所述第一腔室时所述第一压力减小，所述阀的关闭允许当所述第二流体流入所述第一腔室时所述第一压力增大。
如权利要求6所述的声发射测试设备，其特征在于，所述阀是自动受控的，以使所述第一压力保持基本恒定。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述岩石样本是多孔的。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，还包括：
位于所述可加压腔室内的第一阻挡板，所述第一阻挡板包括贯穿其中延伸的开口，所述开口的周缘由第一密封件围绕，所述第一密封件可密封地接纳从中通过的岩石样本的至少顶表面，其中所述第一阻挡板的外周固定地耦合于所述可加压腔室的侧壁；
位于所述可加压腔室内的第二阻挡板，所述第二阻挡板的周缘由第二密封件围绕，所述第二密封件可密封地并可移动地耦合至所述可加压腔室的侧壁；
以及
将一作用力施加在所述第二阻挡板上以使所述第二阻挡板相对于所述第一阻挡板移动，
其中随着所述第二阻挡板更靠近于所述第一阻挡板移动，所述第二压力增大。
如权利要求9所述的声发射测试设备，其特征在于，所述第一阻挡板形成所述第一腔室和所述第二腔室的一部分，并且所述第二阻挡板形成所述第二腔室的一部分。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，还包括：
可密封地耦合于所述可加压腔室的顶部并耦合于所述岩石样本的顶表面的盖，所述盖形成贯穿其中延伸的第一开口，
其中所述岩石样本形成贯穿其中延伸的第二开口，所述第二开口的至少一部分垂直地对准于所述第一开口的至少一部分，由此使所述第一开口流体连通地耦合于所述第二开口，所述第二开口形成所述第二腔室，以及
所述第一腔室围绕所述岩石样本的侧壁。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述至少一个或多个声传感器被定位在与另一声传感器不同的高度上。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述声传感器提供信息以确定在所述岩石样本内发生的一个或多个声音事件的强度。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述声传感器提供信息以确定在所述岩石样本内发生的一个或多个声音事件的空间位置。
如权利要求1所述的声发射测试设备，其特征在于，所述声传感器提供信息以确定在所述岩石样本内发生的一个或多个声音事件传播的方向。
一种声发射测试系统，包括：
声发射测试设备，所述声发射测试设备包括：
可加压腔室，所述可加压腔室包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室能被加压至第一压力而所述第二腔室能被加压至第二压力；
定位在所述可加压腔室内的岩石样本，所述岩石样本包括第一部分和第二部分，所述第一部分暴露于所述第一压力，所述第二部分暴露于所述第二压力；
以及
可通信地耦合至所述岩石样本的一个或多个声传感器；
数据记录器，所述数据记录器可通信地耦合到所述声发射测试设备，所述数据记录器接收来自所述声发射测试设备的数据，
其中所述第二压力以向上斜变速率增加至一阈值压力，所述第二压力保持在所述阈值压力达一段时间，并且所述第二压力以向下斜变速率减小；并且
所述声传感器检测在所述岩石样本中发生的一个或多个声音事件。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，所述第一压力基本维持在岩石围压下。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，所述声传感器被耦合至所述岩石样本。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，还包括第一流体和第二流体，所述第一流体位于所述第一腔室内而所述第二流体位于所述第二腔室内，其中当所述第二压力高于所述第一压力时，所述第二流体的至少一部分通过所述岩石样本从所述第二腔室流入所述第一腔室。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，所述声发射测试设备还包括：
位于所述可加压腔室内的第一阻挡板，所述第一阻挡板包括贯穿其中延伸的开口，所述开口的周缘由第一密封件围绕，所述第一密封件可密封地接纳从中通过的岩石样本的至少顶表面，其中所述第一阻挡层的外周固定地耦合于所述可加压腔室的侧壁；
位于所述可加压腔室内的第二阻挡板，所述第二阻挡板的周缘由第二密封件围绕，所述第二密封件可密封地并可移动地耦合至所述可加压腔室的侧壁；
以及
将一作用力施加在所述第二阻挡板上以使所述第二阻挡板相对于所述第一阻挡板移动，
其中随着所述第二阻挡板更靠近于所述第一阻挡板移动，所述第二压力增大。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，所述声发射测试设备还包括：
可密封地耦合于所述可加压腔室的顶部并耦合于所述岩石样本的顶表面的盖，所述盖形成贯穿其中延伸的第一开口，
其中所述岩石样本形成贯穿其中延伸的第二开口，所述第二开口的至少一部分垂直地对准于所述第一开口的至少一部分，由此使所述第一开口流体连通地耦合于所述第二开口，所述第二开口形成所述第二腔室，并且
其中所述第一腔室围绕所述岩石样本的侧壁。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，所述至少一个或多个声传感器被定位在与另一声传感器不同的高度上。
如权利要求16所述的声发射测试系统，其特征在于，所述声传感器提供信息以确定发生在所述岩石样本中的一个或多个声音事件的强度、发生在所述岩石样本中的一个或多个声音事件的空间位置以及发生在所述岩石样本中的一个或多个声音事件传播的方向中的至少一者。
一种测试岩石样本的方法，包括：
获得岩石样本；
提供可加压腔室，所述可加压腔室包括第一腔室和第二腔室；
制备所述岩石样本并将其置于所述可加压腔室内，以使所述岩石样本的第一部分暴露于所述第一腔室并使所述岩石样本的第二部分暴露于所述第二腔室；
使至少一个声传感器可通信地耦合至所述岩石样本；
将所述第一腔室加压至第一压力；
将所述第二腔室加压至一阈值压力，所述阈值压力大于所述第一压力；
在对所述第二腔室加压的同时记录在所述岩石样本内发生的声音事件；以及
分析所述记录的声音事件。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述岩石样本是从井眼内获得的，所述岩石样本在所述井眼内的同时暴露于所述岩石围压。
如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一压力大约就是岩石围压。
如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述声传感器中的至少一个被耦合至所述岩石样本。
如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括将第一流体置于所述第一腔室内并将所述第二流体置于所述第二腔室内，其中当所述第二压力高于所述第一压力时，所述第二流体中的至少一部分通过所述岩石样本从所述第二腔室流入所述第一腔室。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一压力保持基本恒定。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括基于从所述声传感器提供的信息规定高压井下断裂程序的至少一个参数。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括基于从所述声传感器提供的信息规定面向岩层的井下钻凿程序的至少一个参数，所述岩石样本是从所述岩层获得的。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，分析所述记录的声音事件包括确定在所述岩石样本内发生的一个或多个声音事件的强度。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，分析所述记录的声音事件包括确定在所述岩石样本内发生的一个或多个声音事件的空间位置。
如权利要求24所述的方法，其特征在于，分析所述记录的声音事件包括确定在所述岩石样本内发生的一个或多个声音事件传播的方向。

说明书用于PDC、PCBN或其他硬材料或超硬材料的声发射韧性测试
相关申请
本申请是2010年4月28日提交的题为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Materials(用于PDC、PCBN或其他硬材料或超硬材料的声发射韧性测试)”的美国专利申请No.12/769,221的部分延续，前述美国申请是2010年4月6日提交的题为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts(用于PDC、PCBN或其他硬材料或超硬材料插入件的声发射韧性测试)”的美国专利申请No.12/754,784的部分延续，这两篇文献均援引包含于此。
本申请也与题为“Acoustic Emission Toughness Testing For PDC,PCBN,Or Other Hard Or Superhard Material Inserts(用于PDC、PCBN或其他硬材料或超硬材料插入件的声发射韧性测试)”并于2010年4月6日提交的美国专利申请No.12/754,738相关，该申请也援引包含于此。
技术领域
本发明总体而言涉及用于测试硬材料或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件，并且更具体地涉及用于使用声发射来测试例如岩石样本和井下工具的插入件的硬材料或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件。
背景
图1示出超硬材料100，其中根据本发明的示例性实施例，该超硬材料100可插入到诸如钻头或扩孔器之类的井下工具（未示出）内。如图1所示，超硬材料100的一个示例是用于岩石钻头的切削元件100、或者切削器或插入件。然而，超硬材料100可基于其所应用到的场合而形成在其它结构中。在其它实例中，超硬材料100是可从井眼内或从其它来源获得的岩石样本。切削元件100通常包括具有接触面115的基底110、以及切削台120。切削台120是使用极硬的层制造而成的，其中根据一个示例，所述极硬的层通过烧结工艺与接触面115接合。根据一些示例，基底110通常是由碳化钨钴或碳化钨制成的，而切削台120是用诸如多晶金刚石（“PCD”）或多晶立方氮化硼（“PCBN”）之类的多晶极硬材料层形成的。这些切削元件100是根据本领域内技术人员已知的工艺和材料制造而成的。尽管切削台120被示为具有基本上为平坦的外表面，但是切削台120在其他实施例中可具有可替代形状的外表面，比如拱顶形、凹形或其他非平坦形状的外表面。尽管已经提供了切削元件100的一些示例性制程，但是可以根据应用使用本领域普通技术人员公知的其他制程和结构。尽管岩石钻探是超硬材料100可在其中使用或从中获得的一个应用（并且其将在下面予以描述），但是超硬材料100可以用于各种其它场合或从各种其他场合中获得，包括但不限于机械加工、木工和采石。
不同的PCD、PCBN、硬和超硬材料等级可供切削器100用在各种场合下，比如使用不同钻头设计来钻凿不同的岩层、或者对不同的金属或材料进行机械加工。与这些切削器100相关联的常见问题包括：切削台120在使用期间的掉屑、剥离、部分断裂、开裂和/或剥落。这些问题导致切削台120和/或基底110的过早故障。通常，在切削台120在钻凿期间与地层接触的区域处，切削台120上产生的高量级应力能导致这些问题。这些问题由于与维修、生产停工时间和劳动力成本相关联的成本而提高了钻凿的成本。因此，诸如钻头设计者或现场应用工程师之类的终端用户针对任何给定的钻凿或机械加工任务来选择最佳表现等级的切削器100以减少这些常见问题的发生。例如，终端用户通过使用常规方法所确定的平衡切削器100的耐磨性和抗冲击性来选择合适的切削器100。通常，可供终端用户使用以针对特定场合选择合适级别切削器100的信息是从如下各项中导出的：历史数据记录，该历史数据记录示出不同等级的PCD、PCBN、硬或超硬材料在特定领域内的表现；和/或实验室功能测试，该实验室功能测试尝试在测试不同切削器100的同时模拟各种钻凿或机械加工条件。当前存在两种主要类型的用于钻凿业中的实验室功能测试。这些测试是磨损测试和冲击测试。
包括多晶金刚石复合片（“PDC”）切削器100的超硬材料100已使用两种传统测试方法进行了耐磨损性测试。PDC切削器100包括由PCD制造而成的切削台120。图2示出用于使用常规花岗岩测井测试来测试耐磨损性的车床200。尽管提供了车床200的一种示例性装置结构，但是可以使用本领域普通技术人员公知的其他装置配置而不偏离示例性实施例的范围和精神。
参考图2，车床200包括卡盘210、尾架220、以及定位在卡盘210与尾架220之间的刀架230。目标圆柱250具有第一末端252、第二末端254、以及从第一末端252延伸至第二末端254的侧壁258。根据传统花岗岩测井测试，侧壁258是露出表面259，该表面在测试期间与超硬构件100形成接触。第一末端252耦合于卡盘210，而第二末端254耦合于尾架220。卡盘210被配置成转动的，由此使目标圆柱250也沿着目标圆柱250的中轴线256转动。尾架220被配置为在目标圆柱250转动时将第二末端254保持在适当位置。目标圆柱250是由一种均一材料制成的，该材料通常为花岗岩。然而，已经将其他岩石类型用作目标圆柱250，这些岩石类型包括但不限于：Jackforck砂岩、Indiana石灰石、Berea砂岩、Carthage大理岩、Champlain黑大理岩、Berkley花岗岩、Sierra白花岗岩、Texas粉色花岗岩、以及Georgia灰色花岗岩。
PDC切削器100被安装到车床的刀架230，以使PDC切削器100与目标圆柱250的露出表面259接触并且横跨露出表面259往复抽送。刀架230在目标圆柱250上具有向内的进给速率。PDC切削器100的耐磨损性被确定为磨损率，该磨损率被定义为目标圆柱250的被去除的体积与PDC切削器100的被去除的体积之比。可替代地，不测量体积，而可以测量PDC切削器100行进经过目标圆柱250的距离并将该距离用于量化PDC切削器100的耐磨损性。可替代地，可以使用本领域普通技术人员公知的其他方法来用花岗岩测井测试确定耐磨损性。车床200的操作和构造是本领域内技术人员已知的。对于这种类型的测试的描述可在1975年5月在石油技术期刊中公布的石油工程师文件5074‑PA社区中的石油技术期刊，1975年5月，543‑551的作者为Eaton,B.A.,Bower,Jr.,A.B.和Martis,J.A.的“Manufactured Diamond Cutters Used In Drilling Bits(钻头中使用的制造金刚石刀具)”中找到，同样也可在Maurer,William C，先进钻井技术，第22章，石油发布公司，1980，第541‑591页中找到，该文献援引包含于此。
图3示出用于使用垂直镗床（“VBM”）测试或者垂直转塔车床（“VTL”）测试来测试耐磨损性的垂直镗床300。尽管提供了VBM 300的一个示例性装置结构，但可以使用其他装置结构而不偏离示例性实施例的范围和精神。垂直镗床300包括转动台310和定位在转动台310之上的刀具保持件320。目标圆柱350具有第一末端352、第二末端354、以及从第一末端352延伸至第二末端354的侧壁358。根据传统的VBM测试，第二末端354是露出表面359，该露出表面359在测试期间与超硬材料100接触。目标圆柱350的直径一般为大约30英寸至大约60英寸，然而，该直径可以更大或更小。
第一末端352安装在VBM 300的下部转动台310上，由此使露出表面359朝向工具保持件320。PDC切削器100安装在工具保持件320中、在目标圆柱的露出表面359之上，并且与暴露表面359接触。目标圆柱350转动，同时工具保持件320使PDC切削器100从目标圆柱的露出表面359的中心轮转到其边缘并且再次回到目标圆柱的露出表面359的中心。工具保持件320具有预先确定的向下进给速率。VBM方法允许在PDC切削器100上施加较高的负载，并且较大的目标圆柱350允许PDC切削器100作用于较大的岩石体积。目标圆柱350一般是由花岗岩制成的；然而，目标圆柱可以由其他材料制作而成，这些材料包括但不限于：Jackforck砂岩、Indiana石灰石、Berea砂岩、Carthage大理岩、Champlain黑大理岩、Berkley花岗岩、Sierra白花岗岩、Texas粉色花岗岩、以及Georgia灰色花岗岩。
PDC切削器100的耐磨损性被确定为一磨损率，该磨损率被定义为目标圆柱350的被去除的体积与PDC切削器100的被去除的体积之比。可替代地，不测量体积，而可以测量PDC切削器100行进经过目标圆柱350的距离并将该距离用于量化PDC切削器100的耐磨损性。可替代地，可以使用本领域普通技术人员公知的其他方法来用VBM测试确定耐磨性。VBM 300的操作和构造是本领域内普通技术人员已知的。对这种类型的测试的描述可以在Bertagnolli,Ken和Vale,Roger的“Understanding and Controlling Residual Stresses in Thick Polycrystalline Diamond Cutters for Enhanced Durability（为增强耐久性理解和控制厚多晶金刚石切削器的残余应力）”（US Synthetic公司,2000年）中找到，该文献全篇地援引包含于此。
除了耐磨损性的测试以外，还可以测试PDC切削器100的抗冲击性。图4示出下落塔装置400，其用于使用“下落锤”测试来测量超硬构件的抗冲击性，其中金属重物450被悬挂在上方并且下落在切削器100上。“下落锤”测试尝试模拟当PDC切削器100从一个岩层过渡到另一岩层或经历侧向和轴向振动时可能遇到的载荷类型。来自冲击测试的结果允许基于不同切削器的冲击强度来对这些切削器作出评级；然而，这些评级无法对切削器100在实际现场中表现如何而作出预测。
参见图4，下落塔装置400包括诸如PDC切削器的超硬材料100、目标固定装置420以及定位在超硬材料100之上的碰撞板450。PDC切削器100被锁定到目标固定装置420中。碰撞板450或重物通常由钢制成，并且定位在PDC切削器100上方。然而，碰撞板450可由本领域内普通技术人员已知的替代性材料制成。PDC切削器100一般保持在后倾角415状态，其中PDC切削器100的金刚石台120朝向碰撞板450向上地成角度。后倾角415的范围是本领域普通技术人员公知的。
碰撞板450重复地下落到PDC切削器100的边缘上，直到PDC切削器100的边缘破裂或者剥落为止。这些测试亦称为“侧向冲击”测试，因为碰撞板450冲击金刚石台120的露出边缘。故障一般出现在金刚石台120内或出现在金刚石台120与碳化物基底110之间的接触面115上。“下落锤”测试对金刚石台120的边缘几何形状非常敏感。如果台120被稍微斜切，则测试结果可能明显改变。以焦耳表示的为引起金刚石台120中最初破裂所花费的总能量被记录。对于更高抗冲击性切削器100而言，碰撞板450可以根据预设的计划下落，其中该计划通过增加高度来对切削器100施加更大的冲击能量以使其达到失效。然而，该“下落锤”测试的缺点在于，该方法要求测试许多切削器100来实现可以将一种切削器类型和另一切削器类型的相对抗冲击性相比较的有效统计采样。该测试不足以提供反映整个切削器100的真实抗冲击性的结果，如同其在井下环境中可以获悉冲击负载那样。这些测试展示了静态冲击效果，而真实冲击是动态的。每秒冲击次数可以高达100赫兹（“Hz”）。而且，切削器的损伤量由眼睛经训练过的某人主观地作出评估并且与其他切削器遭受的损伤相比较。
尽管市面上可得的不同的耐磨性测试结果与实际现场表现总体上具有合理的一致程度，但是对于传统冲击测试的结果情况并非如此。尽管在传统冲击测试与实际现场表现之间存在一定程度的相关性，但是数据的离散常常是非常大的，由此导致对切削器的实际现场表现如何的预测是困难的和/或不准确的。而且，发生在切削器之内的许多断裂无法使用这些传统测试被检测到，并因此在评估切削器的韧性时未经检测。
另外，由于钻头选择是一个关键过程，因此了解钻头钻凿过的不同岩石的机械特性是重要的。当前用于钻头选择的最重要参数之一是岩石的无侧限抗压强度(UCS)，UCS可在矿样上直接测得或从测井数据间接地评估。然而，由于在选择钻头时UCS可能是误导性的，尤其是当岩石UCS大于15000psi和呈脆性由此具有低的断裂韧性K1C时，因此不应当仅依靠岩石的UCS。因此，在选择何时的钻头时也应当考虑岩石的断裂韧性。
附图说明
在结合附图阅读时参考下面对某些示例性实施例的描述，本发明的前述及其它特征和方面将得到最好的理解，其中：
图1示出根据本发明的示例性实施例的可插入到井下工具内的超硬材料；
图2示出用于使用常规花岗岩测井测试来测试耐磨损性的车床；
图3示出用于使用垂直镗床测试或垂直转塔车床测试来测试耐磨损性的垂直镗床；
图4示出用于使用“下落锤”测试来测试超硬构件的抗冲击性的下落塔装置；
图5示出根据本发明的示例性实施例的声发射测试系统的立体图；
图6示出根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备的横截面图；
图7示出根据本发明的示例性实施例的如图5所示的切削器保持件的立体图；
图8示出根据本发明示例性实施例的图5的声发射测试设备的立体图，其中压头从切削器保持件中被移去；
图9示出根据本发明的替代性示例实施例的声发射测试系统的立体图；
图10示出根据示例性实施例的图5的数据记录器的示意性框图；
图11示出根据本发明示例性实施例的针对经受高达大约2千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示；
图12示出根据本发明的示例性实施例的针对经受高达5千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示；
图13示出根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约30千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示；
图14示出根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约40千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示；
图15A示出根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约45千牛顿载荷的切削器制造商#1切削器样本#1切削器类型的图形化切削器声发射和载荷图示；
图15B示出根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约30千牛顿载荷的切削器制造商#2切削器样本#2切削器类型的图形化切削器声发射和载荷图示；
图16示出根据本发明示例性实施例的用于分析从声传感器接收的数据点的方法的流程图，其中该方法包括循环一方法以及循环二方法；
图17示出根据本发明的示例性实施例的图16的循环一方法的详细流程图；
图18示出根据本发明示例性实施例的图16的循环二方法的详细流程图；
图19示出根据本发明示例性实施例的针对经受载荷的切削器的图形化切削器声发射图示；
图20示出根据本发明示例性实施例的针对经受载荷的切削器的图形化切削器声发射图示的一部分的放大图；
图21示出根据本发明示例性实施例的针对每个实际声音事件的累积分布图示；
图22示出根据示例性实施例的图10的处理器的框图。
图23示出根据示例性实施例取代图1的切削器、分别在图5和图9的声发射测试系统中可测试的岩石样本；
图24示出根据示例性实施例的插入到可加压腔室内的图5的声发射测试设备；
图25示出根据本发明示例性实施例的声发射测试系统的横截面图；
图26示出根据本发明另一示例性实施例的声发射测试系统的横截面图；
以及
图27示出根据示例性实施例的声测试方法。
由于本发明也允许有其它等效的实施例，因此这些附图仅示出本发明的示例性实施例并因此不认为对其范围构成限制。
具体实施方式
本发明针对用于使用声发射来测试硬或超硬材料的固有强度或韧性的方法、装置和软件，所述硬或超硬材料例如是插入件或从井下岩层获得的岩石样本。尽管下面结合PDC切削器给出了示例性实施例的描述，然而本发明的替代实施例可适用于其它多种类型的硬或超硬材料，包括但不仅限于，PCBN切削器、岩石样本或本领域内普通技术人员已知或尚未得知的其它硬或超硬材料。例如，硬或超硬材料包括凝结的碳化钨、碳化硅、碳化钨基质样材、陶瓷或化学气相沉积(CVD)涂覆的插入件。硬或超硬材料也包括岩石样本，该岩石样本包括但不仅限于从井下岩层或钻井眼获得的硬质岩石样本和/或凝结的岩石样本。根据本发明的一些示例性实施例，岩石样本的一种或多种特性是通过测量当受引起断裂的压力作用时岩石样本内发生的断裂事件来确定的。在某些示例性实施例中，断裂事件是在时间和空间上测量的。测量岩石样本中的断裂的至少强度和/或位置有利于选择合适类型的切削器以用于根据一些示例性实施例的钻凿场合。在一些示例性实施例中，测量岩石样本中的断裂的至少强度和/或位置有利于选择高压井下断裂程序的至少一个参数或井下钻凿程序的至少一个参数，这些参数针对从中获得岩石样本的井下岩层或类似的多个井下岩层。
通过参考附图阅读下面对非限制性示例性实施例的描述来更好地理解本发明，其中每个附图的相同部分由相同附图标记来标识，并且下面简要描述附图。图5示出了根据本发明的示例性实施例的声发射测试系统500的立体图。图6示出了根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备505的横截面图。参考图5和6，声发射测试系统500包括可通信地耦合到数据记录器590的声发射测试设备505。声发射测试设备505包括切削器保持件510、切削器100、压头550以及声传感器570。然而在某些实施例中，切削器保持件510是选用性的。尽管在示例性实施例中图示出切削器100，然而在替代示例性实施例中，岩石样本2300(图23)取代切削器100。
图7示出了根据本发明示例性实施例的切削器保持件510的立体图。参考图5、6和7，切削器保持件510包括第一表面712、第二表面714和侧表面716。第一表面712部署在与第二表面714所部署在的平面基本平行的平面中。侧表面716从第一表面712延伸到第二表面714。根据一些示例性实施例，侧表面716基本垂直于第一表面712和第二表面714中的至少一个。根据可替代的示例性实施例，侧表面716不与第一表面712或第二表面714基本垂直。切削器保持件510是由钢制成的；然而，根据其他示例性实施例，切削器保持件510由任何金属、木材或本领域普通技术人员公知的能够承受将被施加的载荷580的其他合适材料制成，这将在下面更详细地予以描述。载荷580的范围可以是从大约0千牛顿到大约70千牛顿。在某些示例性实施例中，该合适材料能够被机械加工或模制，并且能够传播声音。在某些示例性实施例中，该合适材料能够以大约1千米/秒或更高的速度传播声音。
切削器保持件510被成形为基本上为圆柱形，其中第一表面712基本上为圆形的，第二表面基本上为圆形的，并且侧表面716基本上为圆弧形的。然而，侧面716包括耦合部730，该耦合部730基本上为平面或平坦表面的，并且从第一表面712延伸至第二表面714。耦合部730提供用于将声传感器570耦合到切削器保持件510的表面。在某些示例性实施例中，耦合部730不从第一表面712至第二表面714延伸整个长度。在一些示例性实施例中，声传感器570的大小被设计成使得声传感器570能够被耦合到圆弧形的侧表面716。因此，耦合部730在这些示例性实施例中为选用性的。尽管提供了切削器保持件510的一种示例性形状，但是切削器保持件510的形状可以是诸如方形柱体或三角形柱体之类的其他几何或非几何形状而不偏离示例性实施例的范围和精神。
孔腔720形成在切削器保持件510内并且其尺寸被设计成接纳切削器100或者一些其它的硬或超硬材料，例如岩石样本2300(图23)，这将在后面进一步描述。孔腔720的直径大小被设计成稍大于切削器100的直径，由此允许切削器100容易和自由地配合在孔腔720内。孔腔720从第一表面712向第二表面714延伸，但未抵达第二表面714。在其他示例性实施例中，孔腔720从第一表面712延伸至第二表面714，并继续穿过切削器保持件510，由此在切削器保持件510内形成孔。孔腔720为圆形形状，但是在其他示例性实施例中为任何其他几何或非几何形状。孔腔720是通过如下方式形成的：机械加工切削器保持件510、或者将切削器保持件510模制为其中形成有孔腔720。替代地，孔腔720是使用本领域内普通技术人员已知的其它方法形成的。在某些示例性实施例中，孔腔720以一种方式形成，这种方式使每当切削器100被插入到孔腔720中以相同方式正确地对准。
切削器100之前已经参照图1予以了描述并适用于该示例性实施例。简言之，切削器100包括基底110和切削器台120，该切削器台被形成或耦合至基底110的顶部。在示例性实施例中，切削器台120是由PCD形成的，但是可替代的示例性实施例已使切削器台120由诸如PCBN之类的其他材料制成而不偏离示例性实施例的范围和精神。尽管切削器100具有平坦的切削器台120或者为平整表面的，但是切削器台120也可以是拱顶形、凹形或本领域普通技术人员公知的任何其他形状。
切削器100包括精修的和/或经磨削的切削器以及“原始”切削器。“原始”切削器是未经精修的，并且是通常是刚离开压制单元可用的切削器。本发明的实施例允许测试这两种类型的这些切削器。由于切削器制造商能够根据本发明的实施例来测试“原始”切削器，因此切削器制造商能够在切削器生产运行中较早地确保这些切削器满足规格。如果切削器制造商确定“原始”切削器100不满足合适的规格，则他们能够对其工作参数进行必要的修改以在切削器生产运行继续之前获得“良好”的切削器。附加地，“原始”切削器能够在较低的千牛顿水平或载荷下接受测试以确保“原始”切削器不会在给定载荷下开裂。如果开裂发生在“原始”切削器的测试期间，则切削器制造商可以省去与精修和精磨这些“原始”切削器相关的额外开支，由此省下不必要的成本开销。因此，每个“原始”切削器都能够通过使用较低载荷等级的声发射测试系统500被测试，以确保切削器100是“良好”的切削器。
参考图6，切削器100被插入到切削器保持件510的孔腔720内。切削器100在孔腔720内被定向成使得切削器台120朝向第一表面712或者背离第二表面714。根据该示例性实施例，整个切削器100被插入到孔腔720内。然而，在可替代的示例性实施例中，切削器100的包括整个基底110在内的一部分被完全插入到孔腔720内。因此，在这些可替代的示例性实施例中，切削器台120的至少一部分未被插入到孔腔720内。一旦切削器100已经被插入到孔腔720内，则在切削器100的外周界与孔腔720的外表面之间形成气隙610。根据某些示例性实施例，润滑剂620被涂覆于切削器100的外周界或者设置在孔腔720内。在这些示例性实施例中，一旦切削器100被设置在孔腔720内，则润滑剂620填充气隙610的至少一部分，以使润滑剂620既粘附于孔腔720的外表面又粘附于切削器100的外周界，并占据其间的气隙610的一部分。在其他示例性实施例中，润滑剂620至少部分地设置在孔腔720的底表面与切削器100的底部之间。润滑剂620改善切削器100与声传感器570之间的声传输。根据一些示例性实施例，润滑剂620是凝胶，比如超声凝胶。然而，在可替代的示例性实施例中，可以将其他材料用作润滑剂620，这些材料包括、但不仅限于油、油脂和乳液。这些材料能够扩散、附着于表面并且不会迅速干燥。尽管切削器100被描述为用于该示例性实施例中的切削器100，但是可以用想要进行韧性测试的其他硬或超硬材料来取代切削器100。
回过来参考图5和6，压头550在第一末端650为拱顶形，并在第二末端652具有平坦表面。压头550被制造成比切削器100更强韧，由此一旦载荷580作用于压头100，受损的是切削器100而不是压头550。例如，压头550是由碳化钨钴制成的；然而，可以使用本领域的普通技术人员公知的其他材料来制造压头550。在某些示例性实施例中，压头550的钴含量的范围是从大约百分之六到大约百分之二十。在某些示例性实施例中，压头550的钴含量高于切削器100的切削器台120的钴含量。附加地，在某些示例性实施例中，PCD层被形成或安装到压头550的第一末端650上。在这些实施例中，压头550的PCD层的钴含量高于切削器100的切削器台120的钴含量。另外，在这些示例性实施例中，压头550的PCD层的钴含量的范围从大约百分之六至大约百分之二十。尽管在这些示例性实施例中使用钴以使压头比切削器100更强韧，但是可以在可替代的示例性实施例中使用本领域普通技术人员公知的其他成分。
压头550的大小被设计成配合在孔腔720内，以使其与切削器100接触。在某些示例性实施例中，压头550的周界的大小被设计成基本类似于孔腔720的周界。然而，在切削器台120的至少一部分未处于孔腔720内的示例性实施例中，压头550的尺寸可以被设计成使得压头550的周界大于孔腔720的周界。压头550被定向为使得第一末端650与切削器100接触。因此，在该实施例中，压头550的PDC层与切削器100的PDC层或切削器台120接触。载荷580作用于第二末端652，该第二末端652将载荷580转移到切削器100上。尽管在这些示例性实施例中使用拱顶形压头550，然而其它示例性实施例可使用具有其它形状的压头，例如在第一末端650和第二末端652上均具有基本平坦表面的圆柱形。另外，第二末端652可以被形成为其他非平坦形状而不偏离示例性实施例的范围和精神。
声传感器570是压电传感器，它沿着切削器保持件510的耦合部730定位。然而，声传感器570可以是本领域普通技术人员公知的任何其他设备类型，其中该设备能够检测声传输。声传感器570检测在切削器100中形成的弹性波信号，然后将该弹性波信号转换成电压信号，以使数据可以被记录并且随后被分析。在某些示例性实施例中，润滑剂620被设置在耦合部730与声传感器570之间的接触区域。如前面所提到的那样，润滑剂620改善从切削器100到声传感器570的弹性波传输的检测。根据一些可替代的示例性实施例，声传感器570的大小被设计成使其能够被设置在侧表面716的弧形部上。声传感器570可通信地耦合于数据记录器590，使得从发生在切削器100内的弹性波中导出的电压信号可以被存储并随后被分析。声传感器570使用电缆592耦合至数据记录器590；然而，根据其他示例性实施例，声传感器570可以使用无线技术可通信地无线耦合至数据记录器590，所述无线技术包括但不限于红外和射频。
数据记录器590记录从声传感器570发送出的数据并且将数据存储在数据记录器590中。在某些示例性实施例中，传递载荷580的装置（未示出）或机器还使用电缆582耦合至数据记录器590；然而，根据其他示例性实施例，传递载荷580的装置可以使用无线技术可通信地无线耦合到数据记录器590，所述无线技术包括但不限于红外和射频。数据记录器590也处理和分析其接收的数据。尽管数据记录器590记录、存储、处理和分析数据，但是根据一些示例性实施例，数据记录器590可以接收该数据、处理该数据并分析该数据但不存储该数据。可替代地，在其他示例性实施例中，数据记录器590可以存储数据但不处理或分析该数据。在一些示例性实施例中，使用附加设备（未示出）来处理和分析数据。
图10示出了根据示例性实施例的图5的数据记录器590的示意性框图。参考图5和10，数据记录器590是计算机系统。数据记录器590包括存储介质1040、用户接口1030、处理器1020以及显示器1010。
存储介质1040从声传感器570（图5）接收信息并且将该信息记录在其中。根据一个示例性实施例，存储介质1040是硬盘驱动器。然而，根据其他示例性实施例，存储介质1040包括下列各项至少其中之一：硬盘驱动器、便携式硬盘驱动器、USB驱动器、DVD、CD或者能够存储数据和/或软件的任何其他设备。在一些示例性实施例中，存储介质1040还包括软件，该软件提供关于如何处理从声传感器570（图5）接收的信息或数据的指令。
用户接口1030允许用户与数据记录器590交互并且提供用于操作数据记录器590的指令。根据一些示例性实施例，该用户接口包括键盘。然而，根据其他示例性实施例，该用户接口包括下列各项至少其中之一：键盘、鼠标、可以是显示器1010的一部分的触摸屏、或者本领域普通技术人员公知的任何其他用户接口。
处理器1020能够从用户接口1030接收指令、访问存储在存储介质1040内的信息、将信息发送给存储介质1040、以及将信息发送给显示器1010。在一些示例性实施例中，存储器1020访问驻留在存储介质1040内的软件并且执行由该软件提供的指令集。后面将提供对这些指令的更详细描述。在一些示例性实施例中，处理器1020包括处理器引擎2200，该处理器引擎2200将在下面结合图16、17、18和22予以更详细的描述。
显示器1010从处理器接收信息并且将该信息传递给用户。根据一个示例性实施例，显示器1010包括监视器或屏幕。然而，根据其他示例性实施例，显示器1010包括下列各项至少其中之一：屏幕、触摸屏、打印机、或者能够将信息传递给用户的任何其他设备。
尽管在图10中未示出，但是数据记录器590可以可通信地以有线或无线方式耦合到内部网络，其中软件和/或来自声传感器570（图5）的数据被存储在中央服务器（未示出）中。附加地，根据一些可替代的示例性实施例，数据记录器590可以可通信地以有线或无线方式耦合到调制解调器（未示出），其中该调制解调器可通信地耦合到万维网。在某些可替代的示例性实施例中，软件和/或来自声传感器570（图5）的数据被存储在可经由万维网访问的远端位置。
图8示出了根据本发明的示例性实施例的图5的声发射测试设备505的立体图，其中压头550从切削器保持件510上移去。参见图8，切削器100被完全插入到切削器保持件510的孔腔720内。如图示那样，切削器100的直径小于孔腔720的直径，由此形成气隙610。而且，PDC层或切削器台120在空腔720内被定向，以使PDC层朝向第一表面712。从孔腔720移去压头550以进一步示出压头550的一些特征。根据该示例性实施例，压头550包括基底808和硬表面810，该硬表面810被形成在或耦合到基底808的顶部。在该示例性实施例中，硬表面810是由PCD形成的，但是可替代的示例性实施例使硬表面810由诸如PCBN之类的其他硬或超硬材料制成而不偏离示例性实施例的范围和精神。尽管压头550具有拱顶形硬表面810，然而硬表面810可以是平坦形状或本领域内普通技术人员公知的其它形状。如所见那样，根据该示例性实施例，压头550具有与孔腔720的直径基本相同的直径。
在替代的实施例中，压头550被定位在孔腔720内，压头550具有面向第一表面712的硬表面810。要测试的切削器100被定位在压头550的顶部，其中切削器台120与硬表面810接触。载荷580向下地施加在测试切削器100的基底110的背面。在测试切削器100中引发和/或传播的开裂的声发射透过压头550被传递并且被传递至声传感器570。在该示例性实施例中，切削器保持件510是可选的。
图9示出了根据本发明的示例性替代实施例的声发射测试系统900的立体图。参考图9，声发射测试系统900包括可通信地耦合到数据记录器507的声发射测试设备905。声发射测试设备905类似于图5的声发射测试设备505，除了声传感器570直接耦合至切削器100并且图5的切削器保持体510被移去。切削器100、压头550、载荷580、声传感器570以及数据记录器590已经在前面参照图5、6、7、8和10予以了描述。而且，根据一些示例性实施例，润滑剂620（图6）被设置在声传感器570和切削器100之间。
声发射测试系统500的操作在参考图5‑8的同时予以描述。要测试的切削器100或者硬或超硬材料被设置在切削器保持件510的孔腔720内。为了改善横跨切削器100的基部或底表面与孔腔720的底部之间的接触表面的弹性波传输，可以在切削器100的底表面与空腔720的底部之间使用基于矿物油的凝胶620。声传感器570被定位为抵靠住切削器保持件510的耦合部730以检测在切削器100内产生的弹性波。为了改善横跨声传感器570与耦合部730之间的接触表面的弹性波传递，也在声传感器570与耦合部730之间使用基于矿物油的凝胶620。压头550被放置在切削器100的PCD层120的顶部，并使用载荷580推压该PCD层120。使用100千牛顿的8500系列英斯特朗（Instron）机器将载荷580作用在压头550上。该机器（未示出）能够控制作用于压头550上的载荷量。该机器接线（hooked up）到数据记录器，由此测量载荷相对时间的关系。尽管公开了能够提供载荷580的机器的一个示例，但是能够将可测量的载荷提供给压头550的任何系统都处于本发明的示例性实施例的范围内。例如，用于递送可测量载荷580的机器或装置的范围可以从手持式锤至完全仪器化的冲击机、或者至载荷受控的液压机以用于稳定的斜变或循环加载历史。
载荷580被作用于压头550上并且以恒定速率增加至所期望的载荷水平。一旦达到所期望的载荷水平，就维持该载荷水平长达一期望的时间段，该时间段的范围可以从几秒到几分钟，并随后以比向上斜变速率更快的速率向下斜变。每当新的开裂产生或者已存在的开裂在顶部金刚石层130内生长时，几乎同时以经过PCD层120、基底110和切削器保持件510的一连串弹性波的形式释放一定量的弹性能量。声传感器570检测这些弹性波并且将所接收的信号转换成电压信号。声传感器570可通信地耦合至数据记录器590，以相对于时间记录声发射或数据。这些声发射包括背景噪声和声音事件。因此，由于声发射历史和载荷历史被记录到数据记录器590上，因此人们可以确定某些声音事件发生在什么样的载荷580下。声音事件是新的开裂形成或者当已存在的开裂在PDC层120中生长时的事件。根据一个示例性实施例，声传感器570以大约每秒5,000数据点向数据记录器590提供数据；然而，可以增加或降低每秒数据点而不偏离示例性实施例的范围和精神。
图11示出了根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约2千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示1100。参见图11，切削器声发射和载荷图示1100包括时间轴1110、载荷轴1120以及声发射轴1130。时间轴1110由x轴来表示，并且以秒乘5,000为单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴1100的数值将被除以5,000。时间轴1110还可以被解读为正被传递给样本的能量。换言之，随着更多的时间过去，对切削器或测试样本施加更多的总能量。载荷轴1120由y轴来表示，并且以千牛顿为单位。声发射轴1130也由y轴来表示，并且以毫伏乘10为单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴1130中的数值将被除以10。载荷曲线1140和声发射曲线1160二者均在切削器声发射和载荷表示1100上予以示出。根据载荷曲线1140，载荷以恒定速率1142或向上斜变速率从0千牛顿增加到2千牛顿。载荷在峰值载荷水平1143或在本例中为2千牛顿的水平保持一段时间，并随后以比向上斜变速率1142更快的向下斜变速率1144向下斜变。声发射曲线1160代表来自声传感器的所记录信号。根据声发射曲线1160，仅有的被记录的声发射是背景噪声1162。这里不存在被检测到的声音事件。而且，随着载荷增加，背景噪声1162也增加。
图12示出了根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约5千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示1200。参见图12，切削器声发射和载荷图示1200包括时间轴1210、载荷轴1220以及声发射轴1230。时间轴1210由x轴来表示，并且以秒乘5,000为单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴1210中的数值将被除以5,000。时间轴1210还可以被解读为正被传递给样本的能量。换言之，随着更多的时间过去，对切削器或测试样本施加更多的总能量。载荷轴1220由y轴来表示，并且以千牛顿为单位。声发射轴1230也由y轴来表示，并且以毫伏乘10为单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴1230中的数值将被除以10。载荷曲线1240和声发射曲线1260二者均在切削器声发射和载荷图示1200上予以示出。根据载荷曲线1240，载荷以恒定速率1242或向上斜变速率从0千牛顿增加到5千牛顿。载荷在峰值载荷水平1243或在该示例中5千牛顿的水平保持一段时间，并随后以比向上斜变速率1242更快的向下斜变速率1244向下斜变。声发射曲线1260代表来自声传感器的所记录信号。根据声发射曲线1260，记录的声发射只是背景噪声1262。这里不存在被检测到的声音事件。而且，随着载荷增加，背景噪声1262也增加。
图13示出根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约30千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示1300。参见图13，切削器声发射和载荷图示1300包括时间轴1310、载荷轴1320以及声发射轴1330。时间轴1310由x轴来表示，并且以秒乘5,000为单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴1310的数值将被除以5,000。时间轴1310还可以被解读为正被传递给样本的能量。换言之，随着更多时间过去，对样本施加更多总能量。载荷轴1320由y轴来表示，并且以千牛顿为单位。声发射轴1330也由y轴来表示，并且以毫伏乘10为单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴1330中的数值将被除以10。载荷曲线1340和声发射曲线1360二者均在切削器声发射和载荷图示1300上予以示出。根据载荷曲线1340，载荷以恒定速率1342或向上斜变速率从0千牛顿增加到30千牛顿。载荷在峰值载荷水平1343或在该示例中30千牛顿的水平下保持一段时间，并随后以比向上斜变速率1342更快的向下斜变速率1344向下斜变。声发射曲线1360代表来自声传感器的所记录信号。根据声发射曲线1360，所记录到的声发射包括背景噪声1362和一个或多个声音事件1364。背景噪声1362构成在测试期间所记录的数据的主体。声音事件1364被图示为垂直细线，这些细线从背景噪声1362显著地向上伸出。每个声音事件1364高于背景噪声1362的高度都借助标定常数与由每个断裂形成和/或传播事件释放的弹性能的量成比例。每个单个声音事件1364都持续平均大约50毫秒。根据该示例性实施例，声传感器每秒对大约5000个数据点进行抽样，这允许检测这些声音事件1364。而且，随着载荷增加，背景噪声1362也增加。在完成该测试以后，用视觉检查切削器。尽管在切削器的顶部PCD表面上不存在任何损伤的视觉迹象，但是声传感器确实检测到发生在切削器内的声音事件。因此，声传感器能够检测到切削器一旦暴露在载荷下所发生的最小损伤，即使该损伤为不可见的。
图14示出了根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约40千牛顿载荷的切削器的图形化切削器声发射和载荷图示。在图14表示的测试中使用了曾用在图13所表示的测试中相同的切削器样本。参见图14，切削器声发射和载荷图示1400包括时间轴1410、载荷轴1420以及声发射轴1430。时间轴1410由x轴来表示，并且以秒乘5,000为单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴1410的数值将被除以5,000。时间轴1410还可以被解读为正被传递给样本的能量。换言之，随着更多时间过去，对样本施加更多的总能量。载荷轴1420由y轴来表示，并且以千牛顿为单位。声发射轴1430也由y轴来表示，并且以毫伏乘10为单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴1430中的数值将被除以10。载荷曲线1440和声发射曲线1460二者均在切削器声发射和载荷图示1400上予以示出。根据载荷曲线1440，载荷以恒定速率1442或向上斜变速率从0千牛顿增加到40千牛顿。载荷在峰值载荷水平1443或在该示例中40千牛顿的水平下保持一段时间，并随后以比向上斜变速率1442更快的向下斜变速率1444向下斜变。声发射曲线1460代表来自声传感器的所记录信号。根据声发射曲线1460，所记录到的声发射包括背景噪声1462和一个或多个声音事件1464。声音事件1464被示为垂直线，这些垂直线从背景噪声1462显著地向上伸出。每个声音事件1464高于背景噪声1462的高度都借助标定常数与由每个断裂形成和/或传播事件释放的弹性能的量成比例。如图14中可见，在切削器内未发生声音事件1464，直到载荷达到或超过该切削器所受的前一载荷为止。例如，该切削器之前如图13所述那样经受了高达30千牛顿的载荷。因此，新的声音事件1464在载荷达到和/或超过阈值1466之前一直未出现，其中该阈值1466在该示例中为之前施加至该切削器的大约30千牛顿。基于实验，看起来为了产生新的开裂或者为了使切削器中的在前一测试动作中已经形成的已存在的开裂生长，应施加等于或高于前一峰值载荷水平1343的载荷水平。
图15A示出了根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约45千牛顿载荷的切削器制造商#1切削器样本#1切削器类型的图形化切削器声发射和载荷图示1500。图15B示出了根据本发明的示例性实施例的针对经受高达大约30千牛顿载荷的切削器制造商#2切削器样本#2切削器类型的图形化切削器声发射和载荷图示1550。参考图15A和15B，切削器声发射和载荷图示1500包括声发射曲线1510，该声发射曲线1510示出在切削器制造商#1切削器样本#1切削器类型中发生的一个或多个声音事件1520；而切削器声发射和载荷图示1550包括声发射曲线1560，该声发射曲线1560示出在切削器制造商#2切削器样本#2切削器类型中发生的一个或多个声音事件1570。相比切削器制造商#1切削器样本#1切削器类型，在切削器制造商#2切削器样本#2的切削器类型发生了显著更多的声音事件1520和1570。因此，不同的切削器类型在其相应的声发射曲线内显示出不同的声音模式。基于这些结果，用户可以确定哪种切削器类型比另一切削器类型更强韧，并且由此可以根据其韧性对切削器进行评级。在这种情况下，切削器制造商#1切削器样本#1切削器类型比切削器制造商#2切削器样本#2切削器类型更强韧。
基于图11－15中所示的实验结果，存在至少几种可作出的观察。首先，声传感器能够检测切削器的金刚石台内在压头受载荷时的开裂形成和开裂生长，并且能够发送可随后进行分析的信号。其次，不同的切削器类型显示出不同的声音事件模式，并允许用户在与另一切削器比较时对切削器的韧性进行评级。再者，尽管在测试以后在切削器的PDC台的表面上可能不存在可检测到的可见损伤，但是声传感器能够检测切削器发生的任何不可见的损伤。
图16示出了根据本发明示例性实施例的用于分析从声传感器接收到的数据点的方法1600的流程图，其中该方法包括循环一方法1680以及循环二方法1690。尽管某些步骤被示为以特定顺序进行，但是步骤顺序可以变化而不偏离示例性实施例的范围和精神。而且，尽管某些功能是在一个或多个步骤中执行的，但是用于实现该功能的步骤的数目可以增加或减少而不偏离示例性实施例的范围和精神。
参照图16，在步骤1605，方法1600开始。方法1600从步骤1605前进到步骤1610。在步骤1610，确定将数据点视为可能的声音事件的高于背景噪声的一个或多个最小阈值。一旦步骤1610结束，方法1600前进至步骤1615和步骤1625，这两个步骤在某些示例性实施例中可以同时进行。在步骤1615，确定界定背景噪声的外部包络的背景点。在步骤1625，基于在步骤1610确定的一个或多个阈值来确定可能的声音事件点。步骤1615和1625包含在循环一方法1680中，循环一方法1680将在下面结合图17予以更详细描述。
方法1600从步骤1615前进到步骤1620。在步骤1620，对在步骤1615确定的背景点进行插值以产生背景噪声函数曲线。方法1600从步骤1620和1625前进到步骤1630。在步骤1630，使用在步骤1680所确定的可能的声音事件点和在步骤1620确定的背景噪声函数曲线来确定实际的声音事件点。方法1600从步骤1630前进到步骤1635。在步骤1635，确定每个实际声音事件点的幅度和时长。方法1600从步骤1635前进到步骤1640。在步骤1640，计算出每个声音事件点下的面积。方法1600从步骤1640前进到步骤1645。在步骤1645，针对每个声音事件点将所述面积的累积分布与实际测试载荷相比较。用户可使用该比较来确定一个切削器对比于另一切削器的相对韧性。该比较允许使用定量和客观的方法作出判断。声音事件点的时长、振幅和频率以及传递给样本的相应能量或载荷的水平可以与PCD或所测试的其他硬或超硬材料的现场冲击性能直接相关联。方法1600不仅允许测量为了引发某种损伤所需的外部作用或载荷的最小量，还允许测量为了增加损伤等级必须完成的附加作用或载荷的量。在步骤1645以后，方法1600前进到步骤1650，在那里方法1600中止。
图19示出根据本发明示例性实施例的针对经受载荷的切削器的图形化切削器声发射图示1900。图20示出根据本发明的示例性实施例的针对经受载荷的切削器的图形化切削器声发射图示2000的一部分的放大图。图21示出根据本发明示例性实施例的针对每个实际声音事件的累积分布图示2100。图19‑21描绘图16的方法1600中所示步骤中的大多数。
参见图19，切削器声发射图示1900包括时间轴1910和声发射轴1930。时间轴1910由x轴来表示，并且以秒乘5,000为单位。因此，为了获得以秒为单位的时间段，时间轴1910的数值将被除以5,000。声发射轴1930由y轴来表示，并且以毫伏乘10为单位。因此，为了获得以毫伏为单位的电压，声发射轴1930中的数值将被除以10。在切削器声发射图示1900上对声发射数据1960予以解说。声发射数据1960代表来自声传感器的所记录信号。根据声发射数据1960，所记录的声发射数据包括一个或多个背景点1962以及一个或多个可能的声音事件点1964。参照图16和19并且根据图16的步骤1615和步骤1625，声发射数据1960被分类为包括背景点1962和可能的声音事件点1964。根据一个示例性实施例，声发射数据1960的分类是使用驻留在数据记录器590（图5）中的算法来执行的。然而，该算法在可替代的示例性实施例中可存储在另一设备中，或者手动地执行。可替代地，可以使用本领域普通技术人员公知并且具有本公开的益处的其他方法来对声发射数据1960进行归类。如图19所示，每个背景点1962都被标记以圆圈，并且每个可能的声音事件点1964都被标记以方块。存在既未被定义成背景点1962也未被定义成可能的声音事件点1964的一些点。这些标记是用于解说目的，并且不旨在限制本发明的示例性实施例的范围。
参见图16和19并且根据图16的步骤1620，使用所确定的背景点1962来对背景噪声函数曲线1970作插值。根据一个示例性实施例，背景噪声函数曲线1970是使用四阶多项式插值出的；然而，可以使用其他阶的多项式来对背景点1962作插值而不偏离示例性实施例的范围和精神。
参见图20，其示出了图形化切削器声发射图示2000的放大部分。根据该图，包括实际声音事件点2010的每个声发射数据1960具有其发生的时长2020。另外，每个实际声音事件点2010具有一振幅2030，该振幅2030是从背景噪声函数曲线1970至实际声音事件点2010所在位置垂直地测得的。参考图16和20并且根据图16的步骤1635，计算出实际声音事件点2010的振幅2030和时长2020。一旦确定振幅2030和时长2020，则通过将振幅2030与时长2020相乘来计算每个实际声音事件点2010下的面积2040。该步骤在图16的步骤1640完成。根据这些示例性实施例中的一些，面积2040的单位是毫伏乘秒乘5000；然而，可以使用其他单位而不偏离示例性实施例的范围和精神。
参见图21，给出每个实际声音事件的累积分布图示2100。参考该图，累积分布图示2100包括载荷轴2110以及声发射面积轴2130。载荷轴2110由x轴来表示，并且以千牛顿为单位。声发射面积轴2130由y轴表示，并且以毫伏乘秒乘50000为单位。这是所确定的处于实际声音事件点下的面积。因此，为了获得以毫伏乘秒为单位的面积，声发射面积轴2130的数值将被除以50000。参见图16和图21并根据图16的步骤1645，针对每个实际声音事件，把沿声发射面积轴2130绘制的面积的累积分布与沿载荷轴2110绘制的实际测试载荷相比较。累积分布图示2100提供切削器制造商#1切削器样本#1切削器标绘2150和切削器制造商#2切削器样本#2切削器标绘2160的比较。
例如，在这三个切削制造商#1切削器样本#1切削器标绘2150的其中之一，在大约28千牛顿和大约3550毫伏乘秒乘50,000处存在实际声音事件点，该声音事件点被标记为点A 2152。这意味着，存在发生在所有以前的实际声音事件点下的3550毫伏乘秒乘50,000的累积面积，包括在大约28千牛顿载荷处发生的实际声音事件点的面积。该同一曲线上的下一实际声音事件点、即点B2154发生在大约32.5千牛顿处。该实际声音事件点下的面积为大约650毫伏乘秒乘50,000，其未直接在累积分布图示2100上示出。然而，在大约32.5千牛顿处，已经存在大约4200毫伏乘秒乘50,000的累积面积。因此，大约4200毫伏乘秒乘50,000减去大约3550毫伏乘秒乘50,000等于大约650毫伏乘秒乘50,000。较硬的切削器或者固有韧性较大的切削器针对给定载荷提供具有较小累积面积的曲线。与具有较不陡峭曲线以及较少高振幅实际声音事件点的切削器相比，具有大量高振幅实际声音事件点的陡峭曲线的切削器是固有韧性较低的。因此，根据累积分布图示2100，切削器制造商#1切削器样本#1切削器标绘2150与切削器制造商#2切削器样本#2切削器标绘2160之间的比较表明：切削器制造商#1切削器样本#1切削器比切削器制造商#2切削器样本#2切削器的固有韧性更高。而且，根据图21，存在表征切削器制造商#1切削器样本#1切削器标绘2150的3条曲线，以及表征切削器制造商#2切削器样本#2切削器标绘2160的2条曲线。这些标绘2150和2160示出了：方法1600（图16）具有高分辨率，由此可检测相同组的样本内的变化性。图16中提供的方法向用户提供信息从而以客观方式在其他切削器之间对切削器韧性进行评级。
图17示出了根据本发明示例性实施例的图16的循环一方法1680的详细流程图。参考图17，在步骤1705，循环一方法1680开始。循环一方法1680从步骤1705前进至步骤1710。在步骤1710，读取第一数据点。一旦步骤1710结束，循环一方法1680前进到步骤1715，在那步骤1715读取下一数据点。在步骤1715以后，循环一方法1680前进到步骤1720。在步骤1720，计算两个数据点之间的差并且将该差与用于定义声音事件的第一容限值比较。根据一个示例性实施例，第一容限值为大约0.5毫伏。然而，第一容限值在其他示例性实施例中可以更高或更低。如果两个数据点之间的差不小于第一容限值，则循环一方法1680前进到步骤1725。在步骤1725，将两个数据点中的第二个定义为可能的声音事件点。循环一方法1680从步骤1725进至步骤1745，在步骤1745，循环一方法1680判断是否存在另一数据点。如果在步骤1745确定不存在另一数据点，则循环一方法1680进至步骤1750，在那里，循环一方法1680停止。然而，如果在步骤1745确定存在另一数据点，则循环一方法1680返回至步骤1715。
如果在步骤1720确定两个数据点之间的差小于第一容限值，则循环一方法1680进至步骤1730。在步骤1730，将两个数据点之间的差与第二容限值作比较。根据一个示例性实施例，第二容限值为大约0.01毫伏。然而，第二容限值在其他示例性实施例中可以更高或更低。如果两个数据点之间的差不小于第二容限值，则循环一方法1680回到步骤1715，并且不定义第二数据点。然而，如果两个数据点之间的差小于第二容限值，则循环一方法1680进至步骤1735。
在步骤1735判断两个数据点之间的差是否为负并且已经连续地小于“z”次地为负、或者该差是否为正并且已经连续地小于“u”次地为正。根据一个示例性实施例，“z”为2并且“u”为3。然而，“u”值和“z”值中的一者或二者在其他示例性实施例中均可以更高或更低。如果两个数据点之间的差为负并已经连续地小于“z”次地为负、或者为正并已经连续小于“u”次地为正的条件不成立，则循环一方法1680回到步骤1715并且不定义第二数据点。然而，如果两个数据点之间的差为负并已经连续地小于“z”次地为负，或者为正并已经连续地小于“u”次地为正，则循环一方法1680进至步骤1740。
在步骤1740，两个数据点中的第二个被定义为背景边界点。循环一方法1680从步骤1740进至步骤1745，在步骤1745确定是否存在另一数据点。循环一方法1680继续，直到遵循上述步骤到达步骤1750为止。因此，循环一方法1680提供一种方法，用以确定哪些数据点应当被定义成可能的声音事件点、背景边界点或者不被定义成任一类型的点。
图18示出了根据本发明的示例性实施例的图16的循环二方法1690的详细流程图。参考图18，在步骤1805，循环二方法1690开始。循环二方法1690从步骤1805进至步骤1810。在步骤1810，使用背景边界点来创建背景噪声函数曲线。一旦步骤1810结束，循环二方法1690进至步骤1815，在步骤1815读取第一可能的声音事件点。在步骤1815以后，循环二方法1690进至步骤1820。在步骤1820，计算出可能的声音事件点与背景噪声函数曲线之间的差，并判断该差是否大于用来定义实际声音事件点的第三容限值。根据一个示例性实施例，第三容限值为大约0.08毫伏。然而，第三容限值在其他示例性实施例中可以更高或更低。如果可能的声音事件点与背景噪声函数曲线之间的差不大于第三容限值，则循环二方法1690进至步骤1825。在步骤1825，读取下一可能的声音事件点并且循环二方法1690回到步骤1820。然而，如果可能的声音事件点与背景噪声函数曲线之间的差大于第三容限值，则循环二方法1690进至步骤1830。
在步骤1830，计算出实际声音事件点与背景噪声函数曲线之间的振幅、时长和面积。循环二方法1690从步骤1830进至步骤1840。在步骤1840，判断是否存在另一可能的声音事件点。如果存在另一可能的声音事件点，则循环二方法1690回到步骤1825，在步骤1825，循环二方法1690继续。然而，在步骤1840，如果不存在另一可能的声音事件点，则循环二方法1690进至步骤1845，在步骤1845循环二方法1690中止。因此，循环二方法1690提供了一种确定哪些数据点应当被定义成实际声音事件点的方法，并随后计算每个定义的声音事件点的面积。
图22示出了根据示例性实施例的图10的处理器1020的框图。如前面提到的，用于执行图16－18所示的一个或多个步骤的方法是在处理器1020中执行的。然而，在某些其他示例性实施例中，这些方法是手动执行的，或者是手动地和处理器内执行的组合。处理器1020位于数据记录器590或计算机系统内。尽管示出了一个处理器1020，但是可以使用多个处理器而不偏离示例性实施例的范围和精神。处理器1020包括一个或多个处理器引擎2200。
处理器引擎2200包括：声音数据收集引擎2210、背景点确定引擎2220、可能的声音事件点确定引擎2230、背景噪声函数曲线插值引擎2240、实际声音事件点确定引擎2250、实际声音事件面积计算引擎2260、以及累积面积和载荷曲线引擎2270。尽管在处理器引擎2200内包含7个引擎，但是引擎的数目在其他示例性实施例中可以更多或更少。附加地，这些之前提到的处理器引擎2200中的一个或多个可以被组合成更少的处理器引擎2200或者被分割成附加的处理器引擎2200而不偏离示例性实施例的范围和精神。
声音数据收集引擎2210从至少声传感器收集数据，该数据包括背景点和可能的声音事件点。在一些示例性实施例中，声音数据收集引擎2210也收集来自载荷的数据，由此相应的背景点和可能的声音事件点与给定载荷相关。背景点确定引擎2220评价从声传感器获得的数据，并判断所述数据点是否为背景点。背景点确定引擎2220执行图16的步骤1615。可能的声音事件点确定引擎2230评价从声传感器获得的数据，并判断所述数据点是否为可能的声音事件点。可能的声音事件点确定引擎2230执行图16的步骤1625。背景点确定引擎2220和可能的声音事件点确定引擎2230彼此同时地运行，但在一些可替代的示例性实施例中可彼此独立地运行。
背景噪声函数曲线插值引擎2240使用之前确定的背景点来产生背景噪声函数曲线。背景噪声函数曲线插值引擎2240执行图16的步骤1620。实际声音事件点确定引擎2250使用之前确定的可能的声音事件点和背景噪声函数曲线来确定实际声音事件点。实际声音事件点确定引擎2250执行图16的步骤1630。一旦确定了实际声音事件点，则实际声音事件面积计算引擎2260就确定在实际声音事件点与背景噪声函数曲线之间形成的面积。实际声音事件面积计算引擎2260执行图16的步骤1635和步骤1640。累积面积和载荷曲线引擎2270针对每个实际声音事件点将累积面积分布与实际测试载荷作比较。累积面积和载荷曲线引擎2270执行图16的步骤1645。尽管处理器引擎2200在一些示例性实施例中位于处理器1020内，但是处理器引擎2200也可驻留在存储介质中，所述存储介质包括但不限于，一个或多个硬盘驱动器、USB驱动器、光盘、数字视频盘、或者本领域普通技术人员公知或还未知的任何其他存储设备。
尽管示例性实施例中描述了处理器引擎2200，但可以在驻留于存储介质1040（图10）内的软件中提供用于确定切削器的韧性的指令。该软件包括类似于前述处理器引擎2200的模块和/或代码。
图23示出根据示例性实施例取代图1的切削器100并分别在图5和图9的声发射测试系统500、900中可测试的岩石样本2300。参见图5、图6、图9和图23，岩石样本2300取代声发射测试系统500或声发射测试系统900中的切削器100。测试方法和结果分析与前面描述的那些方法和分析相同，并提供与岩石样本2300的无侧限抗压强度和/或韧性相关的信息。
岩石样本2300是圆柱形的，这类似于切割器100。岩石样本包括：在岩石样本2300第一末端处的第一平坦表面2310；在岩石样本相反末端处的第二平坦表面2320；以及从第一表面2310延伸至第二表面2320的圆周表面2330。然而，在替代示例性实施例中，岩石样本2300被形成为其它几何或非几何形状，例如立方形。在某些示例性实施例中，岩石样本2300的形状是可重复的形状，以使多个岩石样本2300以基本相同的形状形成；由此允许比较测试结果。
图24示出根据示例性实施例的插入到可加压腔室2410内的图5的声发射测试设备505；可加压腔室2410内的压力是以可控和可测方式变化的。在一些示例性实施例中，可加压腔室2410内的压力可从0psi变化至大约40000psi；然而，在其它示例性实施例中压力范围可以更高或更低。在该示例性实施例中，包括传感器570和压头550的其它组件能忍受可加压腔室2410中形成的压力。根据这些示例性实施例，岩石的无侧限抗压强度和韧性是在不同水平的静水压下可测得的，由此提供在地表下不同深度的岩石特性的关键信息。所采集的信息可用于增进岩石失效机制的了解并也导致新的理论和岩石固体力学模型。所采集的信息也可用于确认尚未被证实的其它已知理论。尽管可加压腔室2410是一种在压力下测试例如岩石样本2300的硬或超硬材料100的方法，然而在替代示例性实施例中也可使用对硬或超硬材料100提供压力的其它机制，例如使用与硬或超硬材料100组装在一起且围绕硬或超硬材料100的高强度锁紧环。
对岩石样本2300的UCS和韧性的了解可由设计者使用以形成崭新的和革新的具有优异表现的钻头设计和/或形成新的钻头设计程序，该程序包括UCS值和KIC值。从岩石样本2300获得的信息可用于校准地球科学和/或地质力学软件和工具。
尽管已经描述了本发明的一些示例性实施例，但是可替代的示例性实施例包括使用对硬或超硬材料100的加热。这种对硬或超硬材料100的加热发生在将载荷施加到硬或超硬材料100之前、之中和/或之后的任一情况或其组合。热量是以本领域普通技术人员公知的多种方式中的任一方式来供应的，所述方式包括但不限于火焰、激光、红外和/或加热液体。
图25示出根据本发明示例性实施例的声发射测试系统2500的横截面图。参见图25，声发射测试系统2500包括声发射测试设备2505，声发射测试设备2505可通信地耦合至模‑数转换器2592，模‑数转换器2592可通信地耦合至数据记录器2590。根据一些示例性实施例，模‑数转换器2592是选用性的。声发射测试设备2505包括可加压腔室2510、岩石样本2580、一个或多个声传感器2570、第一阻挡板2530、第二阻挡板2540以及排管2595。在一些示例性实施例中，声发射测试设备2505也包括一个或多个耦合件2594以及排管压力控制阀2597。尽管在示例性实施例中描述了岩石样本2580，然而根据其它替代的示例性实施例也可使用其它类型的多孔样本来取代岩石样本2580。
可加压腔室2510是圆柱形的并在其中形成一空腔2512。然而，根据其它示例性实施例，可加压腔室2510被形成为例如立方形的一些其它几何形状，或者非几何形状。可加压腔室2510内的压力是以可控和可测方式变化的。在一些示例性实施例中，可加压腔室2510内的压力可从0psi变化至大约40000psi；然而，在其它示例性实施例中压力范围可以更高或更低。可加压腔室2510包括底部2514以及围绕底部2514的周边大致垂直延伸的侧壁2516。在一些替代示例性实施例中，侧壁2515在底部2514周边之内的一个位置从底部2514大致垂直地延伸。可加压腔室2510是由钢制成的；然而，根据其他示例性实施例，可加压腔室2510由任何金属、金属合金、聚合物、木材或或本领域普通技术人员公知的能够忍受至少第二压力(P0)2527的其他合适材料制成，这将在下面更详细地予以描述。在某些示例性实施例中，这种合适材料能够被机械加工或模制，并且能够传播声音。在某些示例性实施例中，该合适材料能够以大约1千米/秒或更高的速度传播声音。
空腔2512形成在可加压腔室2510内并且其尺寸被设计成接纳整个岩石样本2580或者一些其它的硬或超硬材料。空腔2512的直径大小被设计成大于岩石样本2580的直径，由此允许岩石样本2580容易和自由地配合在空腔2512内。空腔2512为圆形形状，但是在其他示例性实施例中为任何其他几何或非几何形状。空腔2512是通过如下方式形成的：机械加工可加压腔室2510或者模制可加压腔室2510以在其中形成空腔2512。替代地，空腔2512是使用本领域内普通技术人员已知的其它方法形成的。在某些示例性实施例中，空腔2512以一种方式形成，这种方式使每当岩石样本2580被插入到空腔2512内时使岩石样本2580以相同方式正确地对准。例如，底部2514可以是键接的，以在一合需的位置接纳岩石样本2580。例如，在某些示例性实施例中，底部2514包括一个或多个凸起(未示出)和/或一个或多个凹口(未示出)。
岩石样本2580是一种多孔材料。根据一些示例性实施例，岩石样本2580由从钻井孔或井眼获得并位于井眼内的某一深度和处于围压下的岩石样本形成。岩石样本2580的一些示例包括但不仅限于煤、白垩、页岩、石灰石、砂石、包括气体或油的全部地质岩层以及其它已知的多孔岩石。岩石样本2580是基本圆柱形的，但也可以形成为例如基本立方形之类的其它几何形状或非几何形状。岩石样本2580包括顶表面2582、底表面2584以及从顶表面2582延伸至底表面2584的侧壁2586。顶表面2582和底表面2584是大致彼此平行的；然而，根据另一示例性实施例，顶表面2582和底表面2584彼此不平行。侧壁2586基本垂直于顶表面2582和底表面2584两者延伸；然而，在某些示例性实施例中，侧壁2586不与顶表面2582和底表面2584中的至少一个垂直。根据一些示例性实施例，侧壁2586是圆弧形的；然而，根据一些其它示例性实施例，侧壁2586的至少一些部分包括一个或多个平坦表面(未示出)。在这些示例性实施例中，这些平坦表面利于将声传感器2570耦合至岩石样本2580。岩石样本2580被插入到空腔2512中，以使底表面2584毗邻于底部2514。根据一些示例性实施例，岩石样本2580大致位于空腔2512的中央；然而，岩石样本2580在其它示例性实施例中可偏离中央地位于空腔2512内。
声传感器2570是压电传感器，该压电传感器沿岩石样本2580的侧壁2586定位。然而，声传感器2570可以是本领域普通技术人员公知的任何其他设备类型，该设备能够检测声传输。另外，根据一些示例性实施例，声传感器2570沿可加压腔室2510的侧壁2516的外侧部定位。根据一些示例性实施例，声传感器2570的大小被设计成使其能被设置在侧壁2586、2516的圆弧形部上。在其它示例性实施例中，声传感器2570被设置在侧壁2586、2516的平坦部分(未示出)上。声传感器2570检测在岩石样本2580中形成的弹性波信号，该岩石样本2580随后将该弹性波信号转换成电压信号，以使该数据可以被记录并且随后被分析。
在某些示例性实施例中，声传感器2570经由模‑数转换器2592可通信地耦合于数据记录器2590，以使从岩石样本2580内产生的弹性波中导出的电压信号可以被存储并随后被分析。数据记录器2590与数据记录器590(图5)相同，因此不再详细讨论。数据记录器2590的配置也类似于数据记录器590(图5)的配置。在一些示例性实施例中，声传感器2570使用第一电缆2591耦合至模‑数转换器2592；然而，根据其它示例性实施例，声传感器2570可使用无线技术可通信地耦合至模‑数转换器2592，所述无线技术包括但不局限于红外和射频。在声传感器2570被设置在岩石样本2580上的例子中，第一电缆2591通过耦合件2594从可加压腔室2510内路由至可加压腔室2510外的一个区域，该耦合件2594提供可加压腔室2510的内侧与可加压腔室2510外侧之间的连通路径。每个耦合件2594能供给来自一个或若干个声传感器2570的通信。模‑数转换器2592将模拟格式的电压信号转换成数字格式，并将数字信号送至数据记录器2590。模‑数转换器2592使用第二电缆2593耦合至数据记录器2590；然而，根据其他示例性实施例，模‑数转换器2592可以使用无线技术可通信地无线耦合至数据记录器2590，所述无线技术包括但不限于红外和射频。根据一些示例性实施例，模‑数转换器2592作为单个组件被纳入到数据记录器2590，并因此声传感器2570直接向数据记录器2590发送信号。
根据图25所示的示例性实施例，存在耦合至岩石样本2580的四个声传感器2570。然而，声传感器2570的数目在从一个声传感器2570至任何数量的声传感器2570的范围内。声传感器2570能相对于时间和空间检测发生在岩石样本2580之上或之内的声音事件的强度。因此，声音事件的位置以及开裂在岩石样本2580中传播的方向是可确定的。根据一些示例，至少一个或多个声传感器2570沿侧壁2586被设置在不同的水平高度上。在一个示例中，三个声传感器2570沿侧壁2586在不同的水平高度上耦合至岩石样本2580。第一声传感器2570检测在第一时间段发生在岩石样本2580中的声音事件的强度，并确定沿第一轴(或x轴)发生在岩石样本2580中的声音事件的位置。第二声传感器2570检测在第一时间段发生在岩石样本2580中的声音事件的强度，并确定沿第二轴(或y轴)发生在岩石样本2580中的声音事件的位置。第三声传感器2570检测在第一时间段发生在岩石样本2580中的声音事件的强度，并确定沿第三轴(或z轴)发生在岩石样本2580中的声音事件的位置。声传感器2570在第二时间段、第三时间段和之后的时段执行相同的分析。使用岩石样本2580中已知的声速，来自三个声传感器2570的数据提供信息，该信息用于确定发生在岩石样本2580中的声音事件的强度、发生在岩石样本2580中的声音事件的位置以及声音事件在岩石样本2580中传播的方向。在声传感器2570沿可加压腔室的侧壁2516定位的实施例中，通过第一流体2521的声速以及相应声传感器2570与岩石样本的侧壁2586之间的距离也被用于上述确定操作。如果使用较少的声传感器2570，则在确定声音事件沿一个或多个轴发生在岩石样本2580中的何处时，这些轴丢失。每个声传感器2570代表一个轴。当使用大于三个声传感器2570时，测量结果提供用于定位发生在岩石样本2580中的声音事件的更准确的判断。来自三个声传感器2570的数据被用来对声音事件的位置作三角测量。
第一阻挡板2530基本为盘形的且包括贯穿其中延伸的开口2532。开口2532基本居中地位于第一阻挡板2530内，并且其尺寸被设计成至少将顶表面2582插入到开口2532中。在一些示例性实施例中，开口2532用来正确地将岩石样本2580定位在可加压腔室2510内。在一些示例性实施例中，岩石样本的顶表面2582和至少一部分侧壁2586通过开口2532被插入。开口2532的形状类似于岩石样本侧壁2586的横截面部分的至少一部分的形状。尽管第一阻挡板2530是基本盘形的，但是其形状可以是基本类似于空腔2512的横截面形状的至少一部分的任何其它几何形状或非几何形状。第一阻挡板2530固定地耦合于可加压腔室2510的侧壁2516的内部，由此将空腔2512分成第一空腔2520和第二空腔2525。第一阻挡板2530使用焊接或本领域内普通技术人员公知的其它方法耦合至侧壁2516。用于将第一阻挡板2530附连于可加压腔室的侧壁2516的焊缝或其它装置能忍受至少第二压力2527的挤压。第一阻挡板2530是使用金属、金属合金、聚合物或能够忍受高达至少第二压力2527的挤压的任何其它合适材料制成的。第一密封件2534围绕开口2532的外周定位，并提供与岩石样本侧壁2586的压力密封。第一密封件2534是橡胶垫圈或本领域普通技术人员公知的任何其它合适材料。第一腔室2520内的压力是第一压力(P1)2522，在测试期间，该第一压力(P1)2522可以不同于第二腔室2525内的第二压力2527，这将在后面更详细地描述。第一压力2522和第二压力2527中的每一个都是可变的。因此，在测试期间，岩石样本2580的一部分暴露于第一压力2522，而岩石样本2580的另一部分暴露于第二压力2527。
在第一腔室2520内设置第一流体2521。在一些示例性实施例中，第一流体2521填满整个第一腔室2520；然而，在其它示例性实施例中，第一流体2521填注第一腔室2520的一部分。第一流体2521是水。然而，在其它示例性实施例中，其它类型具有相同性质的流体也可用作第一流体2521。在一些示例性实施例中，第一流体2521包括砂粒或其它类似的微粒类型。
第二阻挡板2540也是基本盘形的，并包括围绕第二阻挡板2540外周的第二密封件2542。尽管第二阻挡板2540是基本盘形的，但是其形状可以是基本类似于空腔2512的横截面形状的至少一部分的任何其它几何形状或非几何形状。第二阻挡板2540在空腔2512内位于可加压腔室2510的顶部附近，并可移动地耦合至可加压腔室2510的侧壁2516的内部。第二阻挡板2540形成第二腔室2525的一部分。第二密封件2542在第二阻挡板2540和可加压腔室的侧壁2516之间提供压力密封。第二密封件2542是橡胶垫圈或本领域内普通技术人员公知的任何其它合适材料。第二阻挡板2540由此提供改变第二腔室2525内的第二压力2527的手段。外力2502被作用在第二阻挡板2540上，这使第二阻挡板2540更靠近第一阻挡板2530地移动。随着第二阻挡板2540更靠近第一阻挡板2520地移动，第二压力2527增加，而随着第二阻挡板2540更远离第一阻挡板2520地移动，第二压力2527减小。在一些示例性实施例中，外部压力2502是由活塞2503提供的；然而，外力2502可通过任何其它已知的方法和/或设备提供。第二阻挡板2540是使用金属、金属合金、聚合物或能够忍受高达至少第二压力2527和/或外力2502的挤压的任何其它合适材料制成的。
在第二腔室2525内设置第二流体2526。在一些示例性实施例中，第二流体2526填满整个第二腔室2525；然而，在其它示例性实施例中，第二流体2526填注第二腔室2525的一部分。第二流体2526是水。然而，在其它示例性实施例中，其它类型具有相同性质的流体也可用作第二流体2526。在一些示例性实施例中，第二流体2526包括砂粒或其它类似的微粒类型。根据一些示例性实施例，第二流体2526与第一流体2521相同；然而在其它实施例中，第二流体2526可与第一流体2521不同但具有相同性质。随着第二腔室2525内的第二压力2527增加至高于第一腔室2520内的第一压力2522，第二流体2526从第二腔室2525流入岩石样本2580，并从岩石样本2580流出并进入第一腔室2520。随着第二压力2527增加，声音事件或开裂形成在岩石样本2580中。在将第二流体2526中包括砂粒的示例性实施例中，砂粒会进入形成在岩石样本2580中的裂纹中并滞留于其中，以在第二压力2527减小时阻止裂纹闭合。
随着第二压力2527增大和第二流体2526通过岩石样本2580流入第一腔室2520，第一压力2522增大。为了维持第一压力2522恒定或基本恒定，排管2595被耦合至第一腔室2520的内部并穿过底部2514以允许存在于第一腔室2520内的第一流体2521和/或第二流体2526退出第一腔室2520。排管2595由金属、金属合金、聚合物或能够忍受第一压力2522的任何其它合适材料制成。在某些示例性实施例中，排管压力控制阀2597被安装在沿排管2595的一个位置并配置以自动或手动地开启和关闭，以在测试过程中将第一压力2522维持在基本恒定的压力下。在替代示例性实施例中，排管2595穿过侧壁2516耦合至第一腔室2520的内部。
声发射测试系统2500的操作在参考图25时予以描述。一旦根据前面给出的说明配置声发射测试系统2500，排管控制阀2597被设置成将第一腔室2520内的压力维持在第一压力2522。第一压力2522被确定为岩石围压，该岩石围压是岩石样本2580在井眼内时受到的压力。增加施加在第二阻挡板2540上的外力2502，由此推动第二阻挡板2540以使其更靠近第一阻挡件2530。第二阻挡板2540的这种移动挤压第二流体2526，由此使第二腔室2525中的第二压力2527增加。第二压力2527增加至高于第一压力2522的值并向上斜变，由此声音事件或开裂发生在岩石样本2580之上或之内。第二压力2527持续向上斜变，直到第二压力2527到达阈值压力为止，在该阈值压力下会有大量声音事件发生在岩石样本2580内。一旦第二压力2527增加至高于第一压力2522，第二流体2526流过多孔岩石样本2580并进入第一腔室2520。第一压力2522通常由于第二流体2526进入第一腔室2520而增加；然而，排管控制阀2597维持第一压力2522基本恒定，并允许已进入第一腔室2520的第一流体2521和/或第二流体2526通过排管2595离开第一腔室2520。所到达的该阈值压力是在井眼中产生以使岩石在围压下破碎的压力。在测试过程中，声音事件是根据前面给出的描述测得的。另外，声音事件的位置可由获得本公开益处的本领域普通技术人员来确定。另外，声音事件传播的方向也由获得本公开益处的本领域普通技术人员来确定。当第二压力2627增加时，声传感器2570获得数据。另外，在一些示例性实施例中，当第二压力2627在到达阈值压力后减小时，声传感器2570也获得数据。尽管未阐述，可监测第一压力2522和第二压力2527。根据一些示例性实施例，第二压力2527被记录。
图26示出根据本发明另一示例性实施例的声发射测试系统2600的横截面图。参见图26，声发射测试系统2600包括声发射测试设备2605，该声发射测试设备2605可通信地耦合至模‑数转换器2592，模‑数转换器2592可通信地耦合至数据记录器2590。根据一些示例性实施例，模‑数转换器2592是选用性的。声发射测试设备2605包括可加压腔室2610、岩石样本2680、一个或多个声传感器2570、盖2630以及排管2595。在一些示例性实施例中，声发射测试设备2605也包括一个或多个耦合件2594以及排管压力控制阀2597。尽管在示例性实施例中描述了岩石样本2680，然而根据其它替代的示例性实施例也可使用其它类型的多孔样本来取代岩石样本2680。由于之前已参照图25对模‑数转换器2592、数据记录器2590、声传感器2570、排管2595、耦合件2594以及排管压力控制阀2597进行了详细描述，因此不再参照图26对这些组件再次进行详细说明。
可加压腔室2610是圆柱形的并在其中形成一空腔2612。然而，根据其它示例性实施例，可加压腔室2610被形成为例如立方形的一些其它几何形状，或者非几何形状。可加压腔室2610内的压力是以可控和可测方式变化的。在一些示例性实施例中，可加压腔室2610内的压力可从0psi变化至大约40000psi；然而，在其它示例性实施例中压力范围可以更高或更低。可加压腔室2610包括底部2614以及围绕底部2614的周边大致垂直延伸的侧壁2616。在一些替代示例性实施例中，侧壁2616在底部2614周边之内的一个位置从底部2614大致垂直地延伸。根据一些示例性实施例，侧壁2616的顶部包括用于接纳盖2630并与盖2630耦合的螺纹2617。然而，在其它示例性实施例中，盖2630使用本领域内普通技术人员公知的其它方法(例如使用紧固件和使用焊接)可密封地耦合至侧壁2616的顶部。可加压腔室2610是由钢制成的；然而，根据其他示例性实施例，可加压腔室2610由任何金属、金属合金、聚合物、木材或本领域普通技术人员公知的能够忍受至少第二压力(P0)2627的其他合适材料制成，这将在下面更详细地予以描述。在某些示例性实施例中，这种合适材料能够被机械加工或模制，并且能够传播声音。在某些示例性实施例中，该合适材料能够以大约1千米/秒或更高的速度传播声音。
空腔2612形成在可加压腔室2610内并且其尺寸被设计成接纳整个岩石样本2680或者一些其它的硬或超硬材料。空腔2612的直径大小被设计成大于岩石样本2680的直径，由此允许岩石样本2680容易和自由地配合在空腔2612内。空腔2612为圆形形状，但是在其他示例性实施例中为任何其他几何或非几何形状。空腔2612是通过如下方式形成的：机械加工可加压腔室2610或者模制可加压腔室2610以在其中形成空腔2612。替代地，空腔2612是使用本领域内普通技术人员已知的其它方法形成的。在某些示例性实施例中，空腔2612以一种方式形成，这种方式使每当岩石样本2680被插入到空腔2612内时使岩石样本2680以相同方式正确地对准。例如，底部2614可以是键接的，以在一合需的位置接纳岩石样本2680。例如，在某些示例性实施例中，底部2614包括一个或多个凸起和/或一个或多个凹口。
岩石样本2680是一种多孔材料。根据一些示例性实施例，岩石样本2680由从钻井孔或井眼获得并位于井眼内的某一深度和处于围压下的岩石样本形成。岩石样本2680的一些示例包括但不仅限于煤、白垩、页岩、石灰石、砂石、包括气体或油的全部地质岩层以及其它已知的多孔岩石。岩石样本2680是基本圆柱形的，但也可以形成为例如基本立方形的其它几何形状或非几何形状。岩石样本2680包括顶表面2682、底表面2684以及从顶表面2682延伸至底表面2684的侧壁2686。顶表面2682和底表面2684是大致彼此平行的；然而，根据另一示例性实施例，顶表面2682和底表面2684彼此不平行。侧壁2686基本垂直于顶表面2682和底表面2684两者延伸；然而，在某些示例性实施例中，侧壁2686不与顶表面2682和底表面2684中的至少一个垂直。根据一些示例性实施例，侧壁2686是圆弧形的；然而，根据一些其它示例性实施例，侧壁2686的至少一些部分包括一个或多个平坦表面(未示出)。在这些示例性实施例中，这些平坦表面利于将声传感器2570耦合至岩石样本2680。
岩石样本2680也包括从顶表面2682延伸至底表面2684的开口2681。开口2681穿过岩石样本2680处于中央位置；然而，在其它示例性实施例中，开口2681可穿过岩石样本2680偏离中央地定位。在一替代示例性实施例中，开口2681朝向底表面2684延伸，但不延伸通过底表面2684。岩石样本2680被插入到空腔2612中，以使底表面2684毗邻于底部2614。根据一些示例性实施例，岩石样本2680大致位于空腔2612的中央；然而，岩石样本2680在其它示例性实施例中可偏离中央地定位于空腔2612内。
之前已对声传感器2570进行过描述，并为了简明起见不再对其进行详细描述。一个或多个声传感器沿岩石样本2680的侧壁2686定位。根据一些示例性实施例，一个或多个声传感器2570沿可加压腔室2610的侧壁2616的外部定位。声传感器2570检测在岩石样本2680中形成的弹性波信号，该岩石样本2680随后将该弹性波信号转换成电压信号，以使该数据可以被记录并随后被分析。
在某些示例性实施例中，声传感器2570经由模‑数转换器2592可通信地耦合于数据记录器2690，以使从岩石样本2680内产生的弹性波中导出的电压信号可以被存储并随后被分析。之前已对数据记录器2590和模‑数转换器2592以及它们相应的设置进行过描述，为简明起见不再予以详细描述。在声传感器2570被设置在岩石样本2680上的例子中，第一电缆2591从可加压腔室2610通过耦合件2594被路由至可加压腔室2610外侧的区域，这也在前面描述过，因此为简明起见不再重复。
根据图26所示的示例性实施例，图示具有拟耦合至岩石样本2680的三个声传感器2570。然而，声传感器2570的数目在从一个声传感器2570至任何数量声传感器2570的范围内。声传感器2570能相对于时间和空间检测发生在岩石样本2680之上或之内的声音事件的强度。因此，声音事件的位置以及开裂在岩石样本2680中传播的方向是可确定的。根据一些示例，至少一个或多个声传感器2570沿侧壁2686被设置在不同的水平高度上。在一个示例中，三个声传感器2570沿侧壁2686在不同的水平高度上耦合至岩石样本2580。第一声传感器2570检测在第一时间段发生在岩石样本2680中的声音事件的强度，并确定沿第一轴(或x轴)发生在岩石样本2680中的声音事件的位置。第二声传感器2570检测在第一时间段发生在岩石样本2680中的声音事件的强度，并确定沿第二轴(或y轴)发生在岩石样本2680中的声音事件的位置。第三声传感器2570检测在第一时间段发生在岩石样本2680中的声音事件的强度，并确定沿第三轴(或z轴)发生在岩石样本2680中的声音事件的位置。声传感器2570在第二时间段、第三时间段和之后的时段执行相同的分析。使用岩石样本2680中已知的声速，来自三个声传感器2570的数据提供信息，该信息用于确定发生在岩石样本2680中的声音事件的强度、发生在岩石样本2680中的声音事件的位置以及声音事件在岩石样本2680中传播的方向。在声传感器2570沿可加压腔室的侧壁2616定位的实施例中，通过第一流体2621的声速以及相应声传感器2570与岩石样本的侧壁2686之间的距离也被用于上述确定操作。如果使用较少的声传感器2570，则在确定声音事件沿一个或多个轴发生在岩石样本2680中的何处时，这些轴丢失。每个声传感器2570代表一个轴。当使用大于三个声传感器2570时，上述测量提供用于定位发生在岩石样本2680中的声音事件的更准确的判断。来自三个声传感器2570的数据被用来对声音事件的位置作三角测量。
盖2630基本为盘形，并包括底表面2634、顶表面2636以及从底部2634的外周延伸至顶表面2636的侧壁2638。根据一些示例性实施例，侧壁2638是平坦的，而在其它示例性实施例中，侧壁2638是非平坦的。底表面2634被配置成插入可加压腔室侧壁2616的顶部并与之形成密封。根据一些示例性实施例，顶表面2636的尺寸被设计成与底表面2634相同，而在其它示例性实施例中，顶表面2636的尺寸被设计成大于或小于底表面2634。根据一些示例性实施例，至少侧壁2638的底部包括配合螺纹2639，用于与螺纹2617配合。在其它示例性实施例中，整个侧壁2638包括配合螺纹2639。尽管配合螺纹2639在一些示例性实施例中用于可密封地将侧壁2616的顶部耦合至盖2630，然而可使用本领域内技术普通技术人员公知的其它方法，例如使用紧固件和使用焊接。盖2630是由钢制成的；然而，根据其他示例性实施例，盖2630由任何金属、金属合金、聚合物、木材或或本领域普通技术人员公知的能够忍受至少第二压力(P0)2627的其他合适材料制成，这将在下面更详细地予以描述。
盖2630也包括贯穿其中延伸的开口2632。开口2632基本居中地定位在盖2630中，并且其被设计成与开口2681具有相同直径或形状。然而根据其它示例性实施例，开口2632的尺寸和/或形状可与开口2681不同。根据示例性实施例，开口2632的至少一部分垂直对准于开口2681的至少一部分。
第一密封件2631围绕开口2632的外周定位并围绕开口2632和开口2681在盖2630和岩石样本2680之间提供压力密封，由此防止或最小化第二流体2626从开口2681和开口2632之间的界面的任何泄漏。第一密封件2631的形状类似于开口2632的形状。第二密封件2633被定位在底表面2634上与岩石样本2680的顶表面2682接触的一个位置。在一些示例性实施例中，第二密封件2633被定位在底表面2634上与岩石样本2680的顶表面2682的外周接触的一个位置。第二密封件2633基本围绕岩石样本2680的顶表面2682的外周提供盖2630和岩石样本2680之间的压力密封，由此防止或最小化来自盖2630和岩石样本2680的顶表面2682的外周之间的界面的第一流体2621的任何泄漏。第三密封件2635被定位在盖2630的底表面2634的外周。第三密封件2635在盖2630和可加压腔室2610的侧壁2616之间提供压力密封，由此防止或最小化来自盖2630和可加压腔室2610的侧壁2616之间的界面的第一流体2621的任何泄漏。密封件2631、2633和2635是橡胶垫圈或本领域内普通技术人员公知的任何其它合适材料。一旦盖2630的底部被正确地插入到可加压腔室2610，则第一密封件2631和第二密封件2633与岩石样本2680的顶表面2682形成接触。包围岩石样本2680的空腔2612内的压力是第一压力(P1)2622，该第一压力2622在测试期间可与开口2632、2681内的第二压力2627不同，这将在下面更详细地描述。第一压力2622和第二压力2627中的每一个均为可变的。因此，在测试期间，岩石样本2680的一部分暴露于第一压力2622，而岩石样本2680的另一部分暴露于第二压力2627。
在包围岩石样本2680的空腔2612内设置第一流体2621。空腔2612的这个部分被称为第一腔室2620。在一些示例性实施例中，第一流体2621填满整个第一腔室2620；然而，在其它示例性实施例中，第一流体2621填注第一腔室2620的一部分。第一流体2621是水。然而，在其它示例性实施例中，其它类型具有相同性质的流体也可用作第一流体2621。在一些示例性实施例中，第一流体2621包括砂粒或其它类似的微粒类型。
第二流体2626流入并填满开口2681。根据一些示例性实施例，第二流体2626被泵送入开口2632和开口2681。然而，在其它示例性实施例中，使用其它已知方法来提供第二流体的压力，比如使第二流体的水箱流体耦合于开口2632和2681，并采用活塞(未示出)向水箱内的可移动板(未示出)提供力，所述可移动板与前面描述的第二阻挡板2540相似。开口2681可被称为第二腔室。第二流体2626是水。然而，在其它示例性实施例中，其它类型具有相同性质的流体也可作为第二流体2626。在一些示例性实施例中，第二流体2626包括砂粒或其它类似的微粒类型。根据一些示例性实施例，第二流体2626与第一流体2621相同；然而在其它实施例中，第二流体2626可与第一流体2621不同但具有相同性质。随着第二腔室2681内的第二压力2627增加至高于第一腔室2620内的第一压力2622，第二流体2626从第二腔室2681流入岩石样本2680中并流出岩石样本2680而进入第一腔室2620。随着第二压力2627增加，声音事件或开裂形成在岩石样本2680中。在将砂粒引入到第二流体2626的示例性实施例中，砂粒可能进入形成在岩石样本2680中的裂纹中并滞留于其中以在第二压力2627减小时阻止裂纹闭合。
随着第二压力2627增大和第二流体2626通过岩石样本2680流入第一腔室2620，第一压力2622增大。为了维持第一压力2622恒定或基本恒定，排管2595被耦合至第一腔室2620的内侧并穿过侧壁2616，以允许存在于第一腔室2620内的第一流体2621和/或第二流体2626离开第一腔室2620。排管2595由金属、金属合金、聚合物或能够忍受第一压力2622的任何其它合适材料制成。在某些示例性实施例中，排管压力控制阀2597被安装在沿排管2595的一个位置并配置以自动或手动地开启和关闭，以在测试过程中将第一压力2622维持在基本恒定的压力下。在替代示例性实施例中，排管2595穿过底部2614耦合至第一腔室2620的内部。
声发射测试系统2600的操作在参照图26的同时予以了描述。一旦根据前面给出的说明配置声发射测试系统2600，排管控制阀2597就被设置成将第一腔室2620内的压力维持在第一压力2622下。第一压力2622被确定为岩石围压，该岩石围压是岩石样本2680在井眼内时受到的压力。第二流体2626在第二压力2627下被推入第二腔室2681，所述第二压力2627从内部向岩石样本2680作用力。第二压力2627增加至高于第一压力2622的值并向上斜变，由此声音事件或开裂发生在岩石样本2680之上或之内。第二压力2627持续向上斜变，直到第二压力2627到达一阈值压力为止，在该阈值压力下会有大量声音事件发生在岩石样本2680内。一旦第二压力2627增加至高于第一压力2622，则第二流体2626流过多孔岩石样本2680并进入第一腔室2620。第一压力2622通常由于第二流体2626进入第一腔室2620而增加；然而，排管控制阀2597维持第一压力2622基本恒定，并允许已进入第一腔室2620的第一流体2621和/或第二流体2626通过排管2595离开第一腔室2620。到达的该阈值压力是在井眼中产生以使岩石在围压下破碎的压力。在测试过程中，声音事件是根据前面给出的描述测得的。另外，声音事件的位置可由获得本公开益处的本领域普通技术人员来确定。另外，声音事件传播的方向也可由获得本公开益处的本领域普通技术人员来确定。当第二压力2627增加时，声传感器2570获得数据。另外，在一些示例性实施例中，当第二压力2627在到达阈值压力后减小时，声传感器2570也获得数据。尽管未阐述，可监测第一压力2622和第二压力2627。根据一些示例性实施例，第二压力2627被记录。
图27示出根据示例性实施例的声测试方法2700。尽管声测试方法2700示出以某一顺序发生的一个或多个步骤，然而根据其它示例性实施例这些步骤中的一个或多个步骤以不同顺序发生。另外，根据一些示例性实施例，一个或多个步骤被合并成更少的步骤，而根据又一些示例性实施例，一个或多个步骤被扩展成更多步骤。因此，图示的步骤顺序和步骤数目不应当解释为限定性的。
声测试方法2700包括步骤2710。在步骤2710，岩石样本是从井眼某一深度的位置获得的，并观察井眼中岩石样本上暴露的岩石围压。根据一些示例性实施例，岩石样本是从当前正被钻凿的井眼获得的。在其它示例性实施例中，岩石样本是从打算钻凿的井址附近的井眼获得的。方法2700还包括步骤2715，在步骤2715制备岩石样本以使岩石样本可插入到可加压腔室内。岩石样本被制造成要求的形状以使其可插入到可加压腔室内。一旦制备完岩石样本，方法进至步骤2720，在步骤2720将制备的岩石样本正确地设置在可加压腔室内，由此岩石样本的第一部分可暴露于第一压力下的第一腔室，而岩石样本的第二部分可暴露于第二压力下的第二腔室。根据一些示例性实施例，第一部分包括岩石样本的侧壁的至少一部分，而第二部分包括岩石样本的顶表面。根据其它一些示例性实施例，第一部分包括岩石样本的顶表面，而第二部分包括岩石样本的侧壁的至少一部分。仍然根据一些其它示例性实施例，第一部分包括岩石样本的外部部分，例如侧壁的外表面，而第二部分包括岩石样本的内部部分。在替代示例性实施例中，第一部分包括岩石样本的内部部分，而第二部分包括岩石样本的外部部分，例如侧壁的外表面。
方法2700还包括步骤2725，在步骤2725，一个或多个声传感器可通信地耦合至岩石样本。根据一些示例性实施例，三个声传感器以一方式耦合至岩石样本的表面，其中该方式使得每个声传感器彼此位于不同的高度上。尽管三个声传感器耦合至岩石样本，然而在其它示例性实施例中可使用更多或更少的声传感器。另外，尽管每个声传感器彼此位于不同的高度，然而在其它示例性实施例中至少一个声传感器可位于与另一声传感器基本相同的高度上。此外，尽管声传感器被耦合至岩石样本的表面，然而这些声传感器中的一个或多个在其它示例性实施例中耦合至可加压腔室。
方法2700还包括步骤2730，在步骤2730将第一腔室内的第一压力加压至等于或基本等于岩石围压，所述岩石围压是岩石样本在井眼内时受到的压力。根据一些示例性实施例，已被设置在第一腔室内的第一流体将第一压力作用于岩石样本的第一部分。方法2700还包括步骤2735，在步骤2735第二腔室内的第二压力增加至一阈值压力，同时随时间和空间的变化对发生在岩石样本内的声音事件进行记录。根据一些示例性实施例，与第一流体相同或相似的第二流体已被设置在第二腔室内，并将第二压力作用于岩石样本的第二部分。阈值压力是在岩石样本之内和/或之上快速和大量地形成声音事件时的压力。
方法2700还包括步骤2740。在步骤2740，分析在时间和空间上发生的断裂事件。根据一些示例性实施例，该分析包括前面描述的过程。根据一些示例性实施例，一个或多个断裂事件或声音事件的强度被确定。根据一些示例性实施例，发生在岩石样本中的一个或多个断裂事件或声音事件的位置被确定。根据一些示例性实施例，一个或多个断裂事件或声音事件传播的方向被确定。在步骤2740以后，方法2700进至步骤2745。在步骤2745，面向采样岩层的高压井下断裂程序的至少一个参数或井下钻凿程序的至少一个参数是基于断裂事件的分析确定的。例如，基于分析，需要由钻头施加在井眼内的岩石上以产生合适的破碎程序的压力是阈值压力，该阈值压力是当发生岩石的基本破碎时的第二压力的压力。在另一示例中，钻头上的重量可从已知钻头施加在井眼内的岩石的压力来计算出。
尽管已经详细描述了每个示例性实施例，但是能够想到，适用于一个实施例的任何特征和修改也适用于其他实施例。此外，尽管参考具体实施例描述了本发明，但是这些描述并不旨在以限制性的方式来解释。在参考示例性实施例的描述后，所公开的实施例的各种修改以及本发明的替代实施例将对本领域普通技术人员显而言变得易见。本领域普通技术人员应当理解，所公开的方案和具体实施例易于用作修改或设计实现本发明相同目的的其它结构和方法的基础。本领域普通技术人员同样应当认识到这种等效解释并不背离所附权利要求书所述的本发明的精神和范围。因此，可以预期权利要求书将涵盖落入本发明范围内的任何此种更改或实施例。