CN104374623A - 非规则页岩样品、制备方法及超声波测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非规则页岩样品、制备方法及超声波测试装置，包括：取环氧树脂和固化剂按一定比例混合，搅拌均匀以待用；将若干不规则页岩样品置于圆柱型容器里，并倒入先前配备好的树脂溶液，凝固后形成圆饼状样品；将圆饼状样品两端磨平，露出每块非规则页岩的两端面；采用特定夹持器将两个针式探头分别固定在出露的非规则页岩样品两端；利用声波脉冲法，获得页岩岩心的超声波波形，采用自相关法获得高精度的弹性波速。本发明利用针式探头以及自相关法，大幅度提高了弹性波速的监测精度，并能快速获得页岩的弹性性质，解决了规则页岩样品不足的难题，且操作简单，适用于油田现场实时评价地下岩心弹性性质。

Description

非规则页岩样品、制备方法及超声波测试装置

技术领域

本发明涉及岩石超声波测试领域，尤其涉及一种非规则页岩样品、制备方法及超声波测试装置。

背景技术

岩石的波速包含了岩石内部结构丰富的信息，是井眼稳定性分析、水力压裂设计、钻头选型和钻井参数优选等工作的基础数据。目前，岩石的波速测量通常是在实验室内通过测量较大尺寸规则岩心而获得，但是获得规则样品并不容易，特别是针对裂隙、节理发育和水敏性较强的页岩，获得规则的岩心的成本和难度都很大。

因此，如何能够便捷地获取页岩样品，以便于进行岩石力学测试，成为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种非规则页岩样品、制备方法及超声波测试装置，用于实现便捷地获取页岩样品，从而便于进行岩石测试。

本发明的第一个方面是提供一种非规则页岩样品，所述页岩样品为圆饼状，所述页岩样品包括：固化的环氧树脂和嵌在所述环氧树脂中的若干非规则岩芯；其中，

所述环氧树脂的端面上，露出有每块所述非规则岩芯的两端面，以通过探针分别接触所述非规则岩心的两端面，利用声波脉冲法，对所述样品进行测试。

本发明的另一个方面是提供一种用于制备前述的非规则页岩样品的非规则页岩样品制备方法，包括：

将若干非规则岩芯放入圆柱容器中；

向所述圆柱容器中加入混合溶液，所述混合溶液包括环氧树脂和固化剂，以在所述混合溶液凝固后，形成圆饼状的样品；

打磨所述页岩样品的端面，以露出每块所述非规则岩芯的两端面。

本发明的又一个方面是提供一种用于测试前述的非规则页岩样品的超声波测试装置，包括：固定螺母、第一支撑部件、第二支撑部件、第一弹簧、第二弹簧、第一紧固螺母、第二紧固螺母、具有第一通孔的第一面板、具有第二通孔的第二面板、以及夹持圆环；其中，

所述第一支撑部件的两端分别固定安装在所述第一面板和所述夹持圆环上，所述第二支撑部件的两端分别固定安装在所述夹持圆环和所述第二面板上，所述夹持圆环位于所述第一面板和所述第二面板之间；

所述夹持圆环的侧壁设有螺纹孔，所述固定螺母穿过所述螺纹孔插入放置在所述夹持圆环内的非规则页岩样品的侧壁，以固定所述非规则页岩样品；

所述第一通孔和所述第二通孔同轴设置，第一探头依次穿过所述第一通孔、所述第一弹簧和所述第一紧固螺母固定接触所述非规则页岩样品露出的非规则岩芯的一端面；

第二探头依次穿过所述第二通孔、所述第二弹簧和所述第二紧固螺母固定接触所述非规则岩芯的另一端面。

本发明提供的非规则页岩样品、制备方法及超声波测试装置中，页岩样品为规则的圆饼状，包括固化的环氧树脂和嵌在所述环氧树脂中的非规则岩芯；其中，所述环氧树脂的端面上，露出有每块所述非规则岩芯的两端面，以使探针接触非规则岩芯的端面进行岩石测试，实现利用较容易获取的非规则岩芯，制备获得便于进行岩石测试的规则页岩样品，从而实现便捷地获取页岩样品，进而更加方便、快捷地进行岩石测试。

附图说明

图1A为本发明实施例一提供的非规则页岩样品的一端面的结构示意图；

图1B为本发明实施例一提供的非规则页岩样品的另一端面的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的非规则页岩样品制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例三提供的超声波测试装置的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的非规则页岩样品制备方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中所述自相关函数的函数曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以图中所示大小和比例并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。

图1A为本发明实施例一提供的非规则页岩样品的一端面的结构示意图，图1B为本发明实施例一提供的非规则页岩样品的另一端面的结构示意图，如图1A和图1B所示，所述页岩样品为圆饼状，所述页岩样品包括：固化的环氧树脂1和嵌在环氧树脂1中的若干非规则岩芯2；其中，

环氧树脂1的端面上，露出有每块非规则岩芯2的两端面21和22，以通过探针分别接触所述非规则岩心的两端面，利用声波脉冲法，对所述页岩样品进行测试。

本实施例提供的非规则页岩样品为规则的圆饼状，包括固化的环氧树脂和嵌在所述环氧树脂中的非规则岩芯；其中，所述环氧树脂的端面上，露出有每块所述非规则岩芯的两端面，以使探针接触非规则岩芯的端面进行岩石测试，实现利用较容易获取的非规则岩芯，制备获得便于进行岩石测试的规则页岩样品，从而实现便捷地获取页岩样品，进而更加方便、快捷地进行岩石测试。

图2为本发明实施例二提供的非规则页岩样品制备方法的流程示意图，所述非规则页岩样品制备方法用于制备如实施例一中所述的非规则页岩样品，如图2所示，所述方法包括：

201、将若干非规则岩芯放入圆柱容器中；

202、向所述圆柱容器中加入混合溶液，所述混合溶液包括环氧树脂和固化剂，以在所述混合溶液凝固后，形成圆饼状的页岩样品；

203、打磨所述页岩样品的端面，以露出每块所述非规则岩芯的两端面。

具体的，在实际应用中，可以选取至少一块非规则岩芯，例如，可以为非规则页岩岩芯。取环氧树脂和固化剂按一定比例混合成混合溶液，搅拌均匀以待用。所述容器可以为纸杯，则相应的，用镊子将不规则页岩岩芯置于杯底，加入先前配备好的混合溶液，待所述混合溶液凝固后，形成圆饼状页岩样品；将圆饼状页岩样品的两端面磨平，以露出每块非规则岩芯的两端面；后续的，可以采用特定的测试装置将两个探头，例如针式探头，分别固定在出露的非规则岩芯的两端面进行岩石测试。

其中，所述非规则岩芯的数量可以根据实际情况和需要确定，例如5块，本实施例在此不对其进行限制。

具体的，本实施例中的所述非规则岩芯，可以为从岩芯柱上剥落，或者在钻井过程中由洗砂液携带出来的页岩岩屑，其直径不小于一定的值，例如，不小于3mm。

可选的，所述环氧树脂和所述固化剂的混合比例可以选取，能够使得所述混合溶液半小时凝固为固体的比例，以实现现场实时监测。

本实施例提供的非规则页岩样品制备方法，利用环氧树脂凝固后固定非规则岩芯形成的圆饼状页岩样品，一次可以固定多个非规则岩芯，且通过对所述圆饼状的页岩样品的端面进行打磨，露出的不规则岩心的两个端面能够保持平行，以进行岩石力学参数测试，克服了岩芯不足以及单个非规则样品难磨平等问题。通过本实施例提供的方法，实现利用较容易获取的非规则岩芯，制备获得便于进行岩石测试的规则页岩样品，从而实现便捷地获取页岩样品，进而更加方便、快捷地进行岩石测试。

图3为本发明实施例三提供的超声波测试装置的结构示意图，所述超声波测试装置用于测试如实施例一所述的非规则页岩样品，如图3所示，所述装置包括：固定螺母31、第一支撑部件321、第二支撑部件322、第一弹簧331、第二弹簧332、第一紧固螺母341、第二紧固螺母342、具有第一通孔371的第一面板351、具有第二通孔372的第二面板352、以及夹持圆环36；其中，

第一支撑部件321的两端分别固定安装在第一面板351和夹持圆环36上，第二支撑部件322的两端分别固定安装在夹持圆环36和第二面板352上，夹持圆环36位于第一面板351和第二面板352之间；

夹持圆环36的侧壁设有螺纹孔，固定螺母31穿过所述螺纹孔插入放置在夹持圆环36内的非规则页岩样品的侧壁，以固定所述页岩样品；

第一通孔371和第二通孔372同轴设置，第一探头381依次穿过第一通孔371、第一弹簧331和第一紧固螺母341固定接触所述页岩样品露出的非规则岩芯的一端面；

第二探头382依次穿过所述第二通孔372、所述第二弹簧332和所述第二紧固螺母342固定接触所述非规则岩芯的另一端面。

具体的，第一支撑部件321和第二支撑部件322可以为立柱，所述立柱的两端可通过连接部件，例如，螺母，固定安装在面板和夹持圆环上。

在实际操作中，由于非规则岩芯露出的端面通常面积较小，因此，为了更好地进行测试，可选的，第一探头381和第二探头382均可为针式探头。

具体的，固定螺母31的数量根据能够固定所述页岩样品所需的数量确定，例如，4个，且固定螺母31可以均匀地分布在夹持圆环36的侧壁上。

在实际应用中，基于上述方案，可以将所述页岩样品固定放置在所述岩石测试装置内，在第一探头和第二探头，例如，探头直径为1.5毫米(mm)的高频针式探头的探头上涂抹耦合剂，并分别垂直接触所述页岩样品露出的页岩的上下两端面，并利用第一弹簧和第二弹簧将探头紧紧固定在页岩样品上，同时，第一探头可以与脉冲发射器连接，第二探头可以与数字示波器连接，从而利用声波脉冲法，获得页岩岩芯的P波和S波波形。

具体的，在本实施例中，采用高频针式探头，可以进行点测量，并且高频能够提高探测的分辨精度，从而更加精确地对页岩进行测试。

本实施例提供的超声波测试装置，能够准确稳定地固定所述页岩样品和探头，从而更加准确可靠地进行岩石测试。

图4为本发明实施例四提供的非规则页岩样品制备方法的流程示意图，，如图4所示，根据实施例二所述的非规则页岩样品制备方法，在203之后，所述方法还可以包括：

401、将第一探头和第二探头分别垂直接触所述页岩样品露出的非规则岩芯的两端面，所述第一探头和所述第二探头同轴设置；

402、利用声波脉冲法，获得页岩岩芯的P波和S波波形；

403、根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，利用自相关法，获得P波波速和S波波速，并获得衰减Q值。

具体的，403中所述根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，利用自相关法，获得P波波速和S波波速，具体可以包括：

根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，采用自相关法，计算获得P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长；

通过分别计算所述页岩样本的厚度除以所述P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长的商，获得所述P波波速和所述S波波速。

具体的，所述页岩样品的厚度即为所述非规则岩芯露出的两端面之间的距离，则相应的，所述页岩样品的厚度除以波穿过两端面的时长的结果，即为相应的波速。

进一步具体的，所述根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，采用自相关法，计算获得P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长，具体可以包括：

针对P波波形和S波波形，分别根据自相关函数，计算获得所述P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长；

其中，所述自相关函数为 $R_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{\mathrm{\τ}\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt};$

其中，R_xx(τ)为自相关系数，T为声波脉冲的周期，且当τ的取值为所述时长的两倍时，所述自相关系数R_xx(τ)的值达到峰值。

具体的，自相关函数是信号在时域中特性的平均度量，它用来描述信号在一个时刻的取值与另一时刻取值的依赖关系，对于周期信号，其积分平均时间即为信号周期T。对于有限时间内的信号，例如单个脉冲，当T趋于无穷大时，该平均值将趋于零。若在宽带信号中存在着带时间延迟τ₀的回声，那么该信号的自相关函数将在τ＝τ₀处也达到峰值(另一峰值在τ＝0处)，这样可根据τ₀确定反射体的位置，同时自相关系数在τ₀处的值R_xx(τ₀)将给出反射信号相对强度的度量。图5为本实施例中所述自相关函数的函数曲线，如图5所示，在本实施例中，利用自相关系数在所述时长的2倍的整数倍时间处将达到峰值的原理，可得到所述时长的2倍，进而根据所述时长得到波速。

可选的，403中所述根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，获得衰减Q值，具体可以包括：根据所述P波波形的尾波和所述S波波形的尾波，获得衰减Q值。

本实施例提供的非规则页岩样品制备方法，利用获得的页岩岩芯的P波和S波波形，采用自相关法，更容易获得在非规则样品中的走时，克服了波形初至不易识别的问题，从而更加精确地获得波穿过岩芯两端面所经历的时长，根据所述时长和样品厚度，可以更加精确地获得其相应的波速，从而提高观测处理精度，为非常规油气储层岩石物理性质测试及水力压裂工程实施等提供更加可靠的技术参数与支持。

此外，在目前的岩石测试方案中，通常需要在实验室内通过测量大尺寸规则岩芯获得，也就是说，即使能够获得大尺寸的规则岩芯，也都需到实验室进行试验,需要的时间和周期都很长，导致不能在钻井过程中实时地获得层岩石的特性。

而基于上述各实施例提供的方案，通过测试岩石碎块和岩屑的纵波波速，能够实现在井场实时开展岩屑的测试工作，为钻井过程实时提供基础数据，可以适用于油田现场实时评价地下岩芯弹性性质。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种非规则页岩样品，其特征在于，所述样品为圆饼状，所述样品包括：固化的环氧树脂和嵌在所述环氧树脂中的若干非规则岩芯；其中，

所述环氧树脂的端面上，露出有每块所述非规则岩芯的两端面，以通过探针分别接触所述非规则岩心的两端面，利用声波脉冲法，对所述样品进行测试。

2.一种用于制备如权利要求1所述的非规则页岩样品的非规则页岩样品制备方法，其特征在于，包括：

将若干非规则岩芯放入圆柱容器中；

向所述圆柱容器中加入混合溶液，所述混合溶液包括环氧树脂和固化剂，以在所述混合溶液凝固后，形成圆饼状的样品；

打磨所述样品的端面，以露出每块所述非规则岩芯的两端面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述打磨所述样品的端面之后，还包括：

将第一探头和第二探头分别垂直接触所述页岩样品露出的非规则岩芯的两端面，所述第一探头和所述第二探头同轴设置；

利用声波脉冲法，获得页岩岩芯的P波和S波波形；

根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，利用自相关法，获得P波波速和S波波速，并获得衰减Q值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，利用自相关法，获得P波波速和S波波速，包括：

根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，采用自相关法，计算获得P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长；

通过分别计算所述页岩样本的厚度除以所述P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长的商，获得所述P波波速和所述S波波速。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，采用自相关法，计算获得P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长，包括：

针对P波波形和S波波形，分别根据自相关函数，计算获得所述P波和S波穿过非规则岩芯两端面的时长；

其中，所述自相关函数为 $R_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{\mathrm{\τ}\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt};$

其中，R_xx(τ)为自相关系数，T为声波脉冲的周期，且当τ的取值为所述时长的两倍时，所述自相关系数R_xx(τ)的值达到峰值。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述页岩岩芯的P波波形和S波波形，获得衰减Q值，包括：

根据所述P波波形的尾波和所述S波波形的尾波，获得衰减Q值。

7.一种用于测试如权利要求1所述的非规则页岩样品的超声波测试装置，其特征在于，包括：固定螺母、第一支撑部件、第二支撑部件、第一弹簧、第二弹簧、第一紧固螺母、第二紧固螺母、具有第一通孔的第一面板、具有第二通孔的第二面板、以及夹持圆环；其中，

所述第一支撑部件的两端分别固定安装在所述第一面板和所述夹持圆环上，所述第二支撑部件的两端分别固定安装在所述夹持圆环和所述第二面板上，所述夹持圆环位于所述第一面板和所述第二面板之间；

所述夹持圆环的侧壁设有螺纹孔，所述固定螺母穿过所述螺纹孔插入放置在所述夹持圆环内的非规则页岩样品的侧壁，以固定所述非规则页岩样品；

所述第一通孔和所述第二通孔同轴设置，第一探头依次穿过所述第一通孔、所述第一弹簧和所述第一紧固螺母固定接触所述非规则页岩样品露出的非规则岩芯的一端面；

第二探头依次穿过所述第二通孔、所述第二弹簧和所述第二紧固螺母固定接触所述非规则岩芯的另一端面。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一支撑部件和所述第二支撑部件为立柱。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一探头和所述第二探头均为针式探头。