CN102053253A - 一种岩石样品检测及数据采集系统及其方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种岩石样品检测及数据采集系统。本系统可实现在气体吸附状态下岩样的弹性参数测试，采用将三轴压力仓跟气体供给与计量控制装置连接，对仓内样品进行吸附和准确计量吸附量，同时在(高)压力仓的盖帽上安装超声波换能器，并与超声波发射/接收装置结合，真正达到甲烷吸附煤岩弹性参数的测试，该系统可以在气体吸附、气体富集过程中自动连续测试，确保了测试环境的一致，获得吸附量与弹性参数关系曲线，提高了实验测试精度和效率，节约了实验时间和成本。本发明对甲烷气富集机理模拟及其岩石物理特性实验测试有机结合在一起，可用于煤层气和页岩气的地震勘探方法研究、矿井超前探测、煤矿安全研究等。

Description

一种岩石样品检测及数据采集系统及其方法和应用

技术领域

本发明属于地质勘探岩石实验范畴，涉及一种在三轴应力作用和气体吸附状态下煤岩弹性测试系统，可以模拟研究地震波在地层温度、压力和地层流体状态的煤岩/层的传播特征。

背景技术

高温高压岩石地球物理性质测试是研究在特殊的高温高压状态下岩石表现出的各种不同物理性质，即利用一定规格的岩石样品通过模拟岩石在地层所处环境，温度和压力和岩石孔隙充填不同流体，认识和研究岩石地球物理性质，也可对地震及有关现象，特别是波动现象的机理进行研究，它是岩石地球物理学的一个重要组成部分。岩石地球物理学研究中最普遍使用的一种方法是超声波测试方法，通过超声波在岩石样品中的传播观测对地震波在各种地质体中的传播进行室内模拟观测，并根据观测结果进行岩石地球物理性质研究和地震学研究。利用它可以解释地球物理勘探中出现的许多现象，找出引起这些现象的原因，岩石地球物理学已经成为地震方法进行石油、天然气、煤及煤层气、页岩气和地下水等矿藏资源勘探和开采的重要基础，从而极大地推动了地震学理论的发展。

目前，对不同岩石孔隙特点，岩石地球物理性质测试实验采用不同的方法。孔隙较大(＞10um)的岩石，如果孔隙内的流体是石油和水这样的液体，一般预先在其它装置上将液体充填岩石孔隙内，确定岩石孔隙的流体饱和程度，再移入测试系统的高压仓进行超声波测试实验。如果孔隙内的流体是气体，就直接将样品放入测试系统高压仓内再注入气体即可进行超声波测试实验。煤层气是煤地层在漫长的煤化作用过程中经生物化学和热解作用所生成的，它的赋存形式主要是吸附在煤基质的颗粒表面，所以，煤岩吸附气体的空间是微米-纳米级的。不能采用煤岩样品在其它装置内预先吸附，再减压后移入测试系统高压仓的方法；而直接将煤岩样品直接放入测试系统高压仓的方法，无法达到煤岩样品在气体吸附下的超声波速度测试。但是，只有在高温高压和吸附气体状态下得到的地球岩石物理性质数据，才是接近地层环境的数据，对地球物理基础理论研究更为重要。由于煤层气的主要赋存形式是吸附，所以，在煤层气的地震岩石物理研究中，模拟地层条件，就意味着不仅需要模拟测试煤岩样品在地层压力和地层温度条件下的波速，而且还需要模拟测试煤岩样品在一定的温压条件下煤层气吸附的状态。因此，目前对吸附气体的煤岩地球物理性质测试实验还没法实现，不能满足煤层气岩石地球物理学研究的需要。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种岩石样品检测及数据采集系统及其方法。

本发明克服现有的高温高压岩石物理实验测试装置难以实现吸附气体后煤岩物性参数实验的不足，同时设计了计算机控制和设定测试数据采集的过程，进行连续自动采集数据。本发明提出了一种在实验室内真实模拟地层条件吸附气体后及其吸附过程中煤岩样弹性参数自动连续测试装置。本发明不仅可在吸附甲烷气或氮气后煤岩在地层温度、压力下自动、连续的弹性参数测试，获得不同气体吸附量的弹性参数变化曲线，同时还可以实现吸附状态的页岩样弹性参数测试和其它岩样的弹性参数测试。

本发明所采用的技术方案是

一种岩石样品检测及数据采集系统，所述系统模拟地层条件，对岩样在气体吸附过程的各参数连续测试并采集；

所述系统包括样品池，流体供给及计量模块，压力加载及温度控制模块，信号发射及接收模块和计算机；

所述流体供给及计量模块包括增压泵和流体计量装置；通过所述增压泵将高压流体通入样品池，所述流体计量装置用于计量流体压力及流量；

所述流体供给及计量模块与计算机连接，用于传输计量及设定数据；

实施中，所述流体供给及计量模块中的流体为气体；且所述增压泵为试验提供高压甲烷气或氮气；

所述流体计量装置为超高压计量泵，用于煤层气吸附中提供精密流量和稳定压力超高压计量的装置，采用双缸泵，流量为0.0001～25ml/min；

所述超高压计量泵与所述计算机连接。

所述压力加载及温度控制模块包括压力装置，压力加载控制装置和温度控制装置；所述压力加载及温度控制模块与计算机连接，用于传输信号；

实施中，所述压力加载及温度控制模块为三轴压力加载与温度控制模块；其中包含压力仓、轴向压力、环向压力和孔隙压力的加载控制端、超压保护装置、温度控制装置及柱塞；所述压力仓是圆柱筒，筒体两端有端盖，端盖有中心通孔可通过管线与流体计量系统连接，筒体有液压油注入孔用管线与油箱连接，筒体有活塞和活塞杆。所述样品池设置在所述压力仓内；所述压力加载控制端和温度控制装置与所述计算机连接，用于传输数据。

所述信号发射及接收模块包括信号发生器，放大器及信号转换器，存储器；所述信号发射及接收模块与所述计算机连接，将采集到的信号传输给计算机；

所述信号发射及接收模块为超声波发射与接收模块，发射信号为超声波信号；包括脉冲信号发生器、放大器、示波器、存储器以及一对超声波换能器；所述一对超声波换能器分别设置在所述样品池两端，一个为发射端换能器，另一个为接收端换能器；所述脉冲信号发生器与所述发射端换能器连接；所述接收端换能器经放大器与示波器和计算机连接。

所述计算机用于确定供气压力和流量，设定采集的气体吸附量值和间隔，供气时间和间隔；并确定超声波测试的轴向、环向和孔隙流体压力值，及其压力加载步长，保持压压力恒定时长，实验温度，设定加载顺序；以及测试分析程序。

本发明基于所述系统采用的一种岩石样品检测及数据采集方法，所述方法预设在计算机内，并设定进行超声波信号采集的气体吸附量值和间隔，通过通信端口送给超声波发射与接收控制盒，根据超高压计量泵反馈的数据，确定超声波发射接收以及采集的动作，进行连续采集。

所述方法的采样步骤如下：

①.设定供气压力和流量，预设测试采集的气体吸附量值和间隔或者供气时间和间隔；

②.确定超声波测试的轴向、环向和孔隙流体压力值，及其压力加载步长，保持压压力恒定时长，设定加载顺序；

③.设定实验温度，并通过温度控制装置进行温度控制；

④.根据所述计量泵反馈的数据，若气体吸附量达到设定值时，对样品进行压力加载；

⑤.系统达到采集条件时，计算机向超声波发射与接收控制盒发射启动信号，同时信号实时显示在示波器中，进行信号数据采集并在计算机中记录采集数据；

⑥.改变下一次采集的条件；

⑦.重复④直至所有实验测试数据采集完成；

⑧.回调保存的信号，用测试分析软件进行分析，保存并输出岩样测试结果。

本发明采用所述的系统和方法进行岩样实验的应用，所述系统和方法应用在对吸附甲烷气的煤岩或页岩样品进行检测中，对于如砂岩样、碳酸盐岩样、火成岩样的常规岩样同样可以适用，只是省去有关气体吸附环节，直接进行检测。

本发明实现在一定的温压条件下吸附甲烷气的煤岩/页岩样品的弹性参数测试，其吸附量和弹性参数都是由测试数据通过简单的计算得到，结果准确可信。在气体吸附过程中连续测试，确保了测试环境的一致，提高了实验测试精度和效率，节约了实验时间和成本。在气体富集过程自动、连续测试，自动获得吸附量与弹性参数关系曲线，有助于我们对煤层气页岩气的地球物理相应特征的认识，对煤层气、页岩气资源勘探开发、矿井超前探测、煤矿安全等研究工作有巨大帮助，将产生非常显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明系统原理模块示意图；

图2是本发明系统实施例结构图；

图3是本发明系统实施例结构图。

上述各幅附图将结合具体实施方式加以说明

具体实施方式

图1是本发明的工作原理模块框图。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案为：三轴压力仓跟气体供给与计量控制装置连接，对压力仓内样品进行吸附实验和准确计量气体吸附量，同时在高压仓的盖帽采用凹式结构安装超声波换能器，并与超声波发射/接收装置结合，实现了吸附气体(如甲烷气、氮气)样品的超声波速度测试，整套流程通过计算机控制，设定弹性参数测试数据采集的时间并自动连续记录测试结果。

一种岩石样品检测及数据采集系统由流体供给与计量控制模块、压力加载与温度控制模块、超声波发射与接收模块、计算机等四部分组成，可以完成气体吸附状态下岩石样品弹性参数测试的指标要求。发明内容如下：

①流体供给与计量控制模块、压力加载与温度控制模块、超声波发射与接收模块、计算机组成的气体吸附状态下煤岩弹性参数测试系统硬件架构。

地层中的气体吸附是在一定温度和压力下进行的。气体增压泵为气体吸附试验提供高压甲烷气、氮气等气体，来模拟地层压力。通过气体增压泵内置气动换向机构，驱动直线气缸作自动往复运动，以带动下面柱塞泵作吸气、排气工作，达到输出高压压缩气体。

超高压计量泵用于煤层气吸附中提供精密流量和稳定压力超高压计量的装置，采用双缸泵，流量：0.0001～25ml/min，与计算机连接，可在计算机上进行设定流量和压力。并由计算机自动记录和保存。

压力加载与温度控制模块由压力仓、轴向压力、环向压力和孔隙压力加载控制、超压保护、温度控制、各类专用柱塞等组成，其中轴向压力、环向压力和孔隙压力互相独立，单独控制，可以实现三轴应力测量。所述压力仓是圆柱筒，筒体两端有端盖，端盖有中心通孔可通过管线与流体计量系统连接，筒体有液压油注入孔用管线与油箱连接，筒体有活塞和活塞杆。所述样品池设置在所述压力仓内；所述压力加载控制端和温度控制装置与所述计算机连接，用于传输数据。

超声波发射与接收模块由脉冲信号发生器、放大器、示波器、存储器以及超声波换能器组成。超声波换能器安装在压力仓端盖内，所述压力仓端盖采用凹式结构，可将超声波换能器装入，使超声波换能器既能承受高压又不影响超声波信号的发射和接收。在气体吸附过程，进行实时连续超声波测试实验。

②一种岩石样品检测及数据采集方法的自动连续采集流程

预先在计算机控制程序中设定进行超声波信号采集的气体吸附量值和间隔，通过通信口送给超声波发射与接收控制盒，根据超高压计量泵反馈的数据，确定超声波发射接收以及采集的动作，进行连续采集。

连续采样基本步骤如下：

1)设定供气压力和流量，预设测试采集的气体吸附量值和间隔或者供气时间和间隔；

2)确定超声波测试的轴向、环向和孔隙流体压力值，及其压力加载步长，保持压压力恒定时长，设定加载顺序；

3)设定实验温度，并通过温度控制装置进行温度控制；

4)根据所述计量泵反馈的数据，若气体吸附量达到设定值时，对样品进行压力加载；

5)系统达到采集条件时，计算机向超声波发射与接收控制盒发射启动信号，同时信号实时显示在示波器中，进行信号数据采集并在计算机中记录所采集数据；

6)改变下一次采集的条件；

7)重复4)直至所有实验测试数据采集完成；

8)回调保存的信号，用测试分析软件进行分析，保存并输出岩样测试结果。

由图2和图3组成一个实施例。图2中：气罐1、气体增压泵2、超高压注入泵2A、稳压泵3、超高压计量泵4、标准罐5、活塞容器6、加湿器7油水/气水计量8、回压阀9、流量计10、加压泵11、压力传感器12、油路分配器13、油箱14、三轴压力室15、轴向压力控制16、温度传感器17、阀门18、活塞19、活塞杆20、真空泵21、压力传感器22、液压油注入孔23。

图3中：样品池24、超声波换能器(发射)25、超声波换能器(接收)26、脉冲发生器27、信号选择开关28、信号接收器29、信号放大器30、数值存储显示器31、采集卡32、计算机33。

实施中，流体供给与计量控制模块包括：气源或气罐1与气体增压泵2连接，气体通过气体增压泵增压，高压气体送到稳压泵3稳压后，通过与标准罐5连接的管路送到标准罐5，再依次通过阀门18和超高压计量泵4、真空泵21与压力仓上端盖19.端盖凹槽内安装超声波换能器，端盖与超声波换能器做在一起连接，压力仓端盖19，20中心有一注气孔，其直径0.2-3mm，通过注气孔使得气体与岩样18接触和连接，从下端盖20与流量计10连接，通过回压阀9进入油水/气水计量器8进行计量。加湿器7是与气体稳压泵3、阀门18相连，用于气体加湿，防止干燥气体在驱替过程带走一部分煤心(岩心)中的水分，影响测试精度。活塞容器6分别与超高压注入泵2A和压力仓下端盖20注入孔相连，阀门与标准罐5、加潮器7和活塞容器6相连，活塞容器6用于储存驱替液(油、水)，同时起缓冲作用，使输出的液体更加平稳。

实施中，压力加载与温度控制模块包括轴压装置，环向压力装置和温度装置；轴向压力装置在样品池18的上下两端，在样品池上端连接轴向压力泵16、压力传感器22、活塞杆20和活塞19，活塞与上端盖相连。轴压装置通过压力控制模块与采集卡26、计算机27连接；油箱14一端与超高压压力泵11连接，另一端与压力仓15的液压注入孔23连接，液压油进入压力仓15内，对样品池18形成环向压力模拟地层压力(最大环压为140Mpa)，超高压压力泵与压力传感器12连接，再与压力仓的下端盖20上的液压油通孔连接形成环路，环向压力装置(压力传感器，超高压压力泵)与采集卡26、计算机27连接，通过压力控制模块进行控制和信号传递。油箱14与注排油阀门13相连，在压力控制模块中设有超压保护装置。在样品池上安装温度传感器17，并与采集卡26、计算机27连接，通过温度控制模块进行温度控制和信号传递。

实施中，超声波发射与接收模块包括高压脉冲器发射器27与计算机33、超声波换能器(发射)26和数值存储示波器31连接，岩样24用密封材料密封，安放在压力仓15内，岩样24上端与超声波换能器(发射)25、下端与超声波换能器(接收)26连接，超声波换能器(接收)26与信号接收器29再与信号放大器30连接，信号经过信号放大送到数值存储示波器31和通过数据采集卡32送到计算机33保存。信号选择开关28分别与计算机33、高压脉冲器发射器27、超声波换能器(发射)25和超声波换能器(接收)26连接便于计算机控制。

一种岩石样品检测及数据采集系统的应用，它包括如下步骤：

1)将岩石样品加工成圆柱形试样；

2)将圆柱形试样用密封材料密封，安放在样品池内，在样品池内安装好温度传感器，连接好超声波换能器与信号发生器，显示器，圆柱形试样两端通过压力仓端盖与注气管路连接，压力仓端盖与圆柱形试样接触。

3)向压力仓注满液压油；

4)将高压计量泵、标准罐内气体排出，将活塞推至顶端，关闭气罐的阀门，打开管路中的所有阀门，启动真空泵，系统抽真空；

5)关闭和真空泵的连接阀门，关闭真空泵。

6)设置有关实验参数：

①设定供气压力和流量，预设测试采集的气体吸附量值和间隔或者供气时间和间隔；

②确定超声波测试的轴向、环向和孔隙流体压力值，及其压力加载步长，保持压压力恒定时长，设定加载顺序；

③设定实验温度，并通过温度控制装置进行温度控制；

7)打开气罐阀门。

8)利用主控软件依次打开气体增压泵，稳压泵，超高压计量泵，加湿器和轴向压力泵，环向压力泵。

9)系统根据所述计量泵反馈的数据，若气体吸附量达到设定值时，对样品进行压力加载；

10)系统达到采集条件时，计算机向超声波发射与接收控制盒发射启动信号，同时信号实时显示在示波器中，进行信号数据采集并在计算机中记录所采集数据；

11)改变下一次采集的条件，等待下一次采集的启动信号；

12)重复9)-11)直至所有实验测试数据采集完成；

13)回调保存的信号，用测试分析软件进行分析，保存并输出岩样测试结果。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种岩石样品检测及数据采集系统，所述系统模拟地层条件，对岩样在气体吸附过程的弹性参数连续测试并采集；其特征在于，

所述系统包括样品池，流体供给及计量模块，压力加载及温度控制模块，信号发射及接收模块和计算机；

所述流体供给及计量模块包括增压泵、稳压泵、和流体计量装置；通过所述增压泵将气体增压后经过标准罐通入样品池，所述流体计量装置用于计量流体压力及流量；所述流体供给及计量模块与计算机连接，用于传输计量及设定参数；

所述压力加载及温度控制模块包括压力装置，压力加载控制装置和温度控制装置；所述压力加载及温度控制模块与计算机连接，用于传输信号；

所述信号发射及接收模块包括信号发生器，放大器及信号转换器，存储器；所述信号发射及接收模块与所述计算机连接，将采集到的信号传输给计算机.

2.根据权利要求1所述一种岩石样品检测及数据采集系统，其特征在于，

所述流体供给及计量模块中的流体为气体；且所述增压泵为试验提供高压甲烷气或氮气，最大供气压力40Mpa；

所述流体计量装置为超高压计量泵和标准罐，超高压计量泵用于煤层气吸附中提供精密流量和稳定压力超高压计量的装置，采用双缸泵，其压力最大为140MPa，流量为0.0001～25ml/min；标准罐用于煤层气吸附模拟试验流程中标定压力仓内剩余空气，使测得的气体数据更准确；所述超高压计量泵与所述计算机连接。

3.根据权利要求1所述一种岩石样品检测及数据采集系统，其特征在于，

所述压力加载及温度控制模块包含压力仓、轴向压力、环向压力和孔隙压力的加载控制端、超压保护装置、加温装置、温度控制装置及柱塞；所述压力仓是圆柱筒，筒体两端有端盖，端盖有中心通孔，通过管线与流体供给及计量模块连接，筒体有液压油注入孔用管线与油箱连接，筒体有活塞和活塞杆；所述样品池设置在所述压力仓内；所述压力加载控制端和温度控制装置与所述计算机连接，用于传输数据。

4.根据权利要求3所述一种岩石样品检测及数据采集系统，其特征在于，

所述超压保护装置的最大压力值为140Pma；所述加温装置的温度控制在120℃以下；所述压力仓筒体两端有端盖，端盖有中心通孔的直径0.2-3mm。

5.根据权利要求1所述一种岩石样品检测及数据采集系统，其特征在于，

所述信号发射及接收模块为超声波发射与接收模块，发射信号为超声波；包括脉冲信号发生器、放大器、示波器、存储器以及一对超声波换能器；所述一对超声波换能器分别设置在所述样品池两端，一个为发射端换能器，另一个为接收端换能器；所述脉冲信号发生器与所述发射端换能器连接；所述接收端换能器经放大器与示波器和计算机连接。

6.根据权利要求1-5之一所述一种岩石样品检测及数据采集系统，其特征在于，

所述计算机用于确定供气压力和流量，设定测试采集的气体吸附量值和间隔，供气时间和间隔；并确定超声波测试的轴向、环向和孔隙流体压力值，及其压力加载步长，保持压压力恒定时长，实验温度，设定加载顺序；以及测试分析程序。

7.基于权利要求1-6之一所述系统采用的一种岩石样品检测及数据采集方法，其特征在于，

所述方法预设在计算机内，并设定进行超声波信号采集的气体吸附量值和间隔，通过通信端口送给超声波发射与接收控制盒，根据超高压计量泵反馈的数据，确定超声波发射接收以及采集的动作，进行连续采集。

8.根据权利要求7所述的一种岩石样品检测及数据采集方法，其特征在于，所述方法的采样步骤如下：

①.设定供气压力和流量，预设采集的气体吸附量值和间隔或者供气时间和间隔；

②.确定超声波测试的轴向、环向和孔隙流体压力值，及其压力加载步长，保持压压力恒定时长，设定加载顺序；

③.设定实验温度，并通过温度控制装置进行温度控制；

④.根据所述计量泵反馈的数据，若气体吸附量达到设定值时，对样品进行压力加载；

⑤.系统达到采集条件时，计算机向超声波发射与接收控制盒发射启动信号，同时信号实时显示在示波器中，进行信号数据采集并在计算机中记录采集数据；

⑥.改变下一次测试采集的条件；

⑦.重复④直至所有实验测试数据采集完成；

⑧.回调保存的信号，用测试分析软件进行分析，保存并输出岩样测试结果。

9.采用权利要求1-8之一所述的系统和方法进行岩样实验的应用，其特征在于，所述系统和方法应用在对吸附气体后煤岩或页岩样品进行检测中，对于如砂岩样、碳酸盐岩样、火成岩样的常规岩样进行检测。

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