CN104459084A - 一种岩石各向异性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石各向异性检测系统，岩石各向异性检测系统包括：反应釜、激光器、干涉仪、示波器及控制单元；反应釜用于模拟岩石地层环境；激光器设置于反应釜外，用于发射激光至待测岩石，激发待测岩石产生超声波；干涉仪设置于反应釜外，用于检测超声波；示波器与干涉仪相连；控制单元连接反应釜，用于控制反应釜内部环境。本发明能够模拟钻井过程中岩石所处的高温环境，易于操作，同时能够降低检测成本。

Description

一种岩石各向异性检测系统

技术领域

本发明涉及岩石各向异性检测系统，特别是一种模拟岩石地层环境的高温反应釜的激光超声检测岩石各向异性的系统。

背景技术

在钻井过程中，由于在不同的层理结构上表现出不同的强度性质，使得在钻进不同强度的岩石层时会加大钻进的工作量，影响钻进效率，同时，钻杆在钻进过程中会出现受力不平衡的情况，使得钻杆发生一定角度的偏斜甚至弯曲，从而影响钻孔的偏斜量。究其原因，都是由地层岩石的各向异性引起的。因此，很有必要检测岩石的各向异性情况。

传统的岩石各向异性检测是通过超声换能器实现的，由于传统的超声换能器检测对于样品的要求比较苛刻，它需要有很大的检测接触面，才能使得换能器和岩石样品完美结合产生超声波检测，这对于很多复杂形状的样品无法精确的检测。然而，利用激光超声技术的优点可以解决传统超声换能器检测岩石各向异性时所不能解决的问题，利用激光超声技术的点光源非接触的优点，岩石样品只需要一个点的光信号即可实施探测，这样就免去了非要面接触切割样品的环节，激光超声技术的检测方法也不需要耦合剂，从而免去了耦合剂的干扰。

由于现场的岩石是处于高温的地层环境之中，现有技术中，还没有对现场岩石利用激光超声技术进行岩石向异性的检测，鉴于现场环境的复杂性，本人根据从事本领域和相关领域的生产设计经验，设计出带有模拟高温环境反应釜的激光超声检测岩石各向异性装置，以便解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种岩石各向异性检测系统，以便能够模拟钻井过程中岩石所处的高温环境，利用激光超声技术检测岩石各向异性。本发明易于操作，同时也降低了检测成本。

本发明的技术方案提供一种岩石各向异性检测系统，其中，岩石各向异性检测系统包括：反应釜、激光器、干涉仪、示波器及控制单元；

反应釜用于模拟岩石地层环境；激光器设置于反应釜外，用于发射激光至待测岩石，激发待测岩石产生超声波；干涉仪设置于反应釜外，用于检测超声波；示波器与干涉仪相连；控制单元连接反应釜，用于控制反应釜内部环境。

一实施例中，反应釜一侧壁设置有第一通光孔，激光通过第一通光孔照射至反应釜中心位置处的待测岩石上，沿激光光路的另一侧壁上设置有第二通光孔，激光器及干涉仪分别置于第一通光孔及第二通光孔的外侧。

一实施例中，反应釜包括：旋转台及加热器；

旋转台连接控制单元，用于放置待测岩石，控制单元控制旋转台旋转；加热器连接控制单元，用于加热反应釜的内部环境，控制单元控制加热器的开启及关闭。

一实施例中，加热器设置于反应釜的内壁，且加热器为加热电阻丝。

一实施例中，反应釜还包括温度监测计，温度监测计设置于反应釜内，用于检测反应釜内的温度，温度监测计连接至控制单元。

一实施例中，当温度监测计检测到的反应釜内温度达到一温度设定值时，控制单元输出一温度控制信号至加热器，温度控制信号用于关闭加热器；

当温度监测计检测到的反应釜内温度小于温度设定值时，加热器为开启状态，控制单元不输出温度控制信号至加热器。

一实施例中，旋转台位于反应釜的中心位置，于反应釜上放置待测岩石，温度监测计置于靠近待测岩石的位置。

一实施例中，待测岩石为一圆柱体，且圆柱体能够遮挡第一通光孔及第二通光孔之间的光路。

一实施例中，反应釜还包括隔热层，隔热层设置于反应釜的内壁侧。

一实施例中，隔热层为隔热材料层或是真空隔热层。

一实施例中，隔热材料为陶瓷纤维。

综上所述技术方案，本发明提供的岩石各向异性检测系统通过反应釜内部设置的加热电阻丝来对反应釜内部环境加热，同时实现对待测岩石的加热，模拟岩石所处高温地层环境，运用激光超声技术，激光器发射激光照射至待测岩石，利用干涉仪实现对超声波的检测，示波器与干涉仪相连，显示超声波的波形，根据先到达的纵波时间及待测岩石的尺寸得到待测岩石与激光接触点产生的纵波波速，旋转待测岩石的角度，实现待测岩石的各向异性检测。本发明能够模拟钻井过程中岩石所处的高温环境，便于操作，可达到降低检测成本的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的岩石各向异性检测系统框图；

图2为本发明实施例反应釜正视剖面图；

图3为本发明实施例反应釜俯视剖面图；

图4为本发明实施例岩石各向异性检测系统结构图。

附图符号说明：

10：反应釜；

101：旋转台；

102：加热电阻丝；

103：温度监测计

104：待测岩石；

1051：第一通光孔；

1052：第二通光孔；

106：隔热层；

11：激光器；

12：干涉仪；

13：示波器；

14：控制单元。

具体实施方式

为了使本发明的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。需要说明的是，下列所述实施例中涉及的各部分的尺寸仅是实例性的说明，并非用于限定本发明，根据实际需要，也可灵活选择各部分的结构。

请参见附图1所示，图1为本发明实施例的岩石各向异性检测系统框图，岩石各向异性检测系统包括：反应釜10，激光器11，干涉仪12，示波器13及控制单元14。反应釜10用于模拟岩石地层环境；激光器11置于反应釜的外侧，用于发射激光至待测岩石，激发待测岩石表面产生超声波；干涉仪12置于反应釜外，用于检测待测岩石表面产生的超声波；示波器13与干涉仪12相连；控制单元14连接反应釜10，用于控制反应釜的内部环境。

本发明一实施例中，反应釜10内部包括旋转台101及加热器，请参阅图2、图4所示，图2为本发明实施例反应釜正视剖面图，图4为本发明实施例岩石各向异性检测系统结构图。优选的，加热器设置于反应釜10的内侧壁上，举例而言，加热器为加热电阻丝102，分布均匀的设置于反应釜内壁上，加热电阻丝102还可以设置于反应釜部分内壁区域中，只要能使得反应釜内部温度加热至钻井现场岩石所处的高温温度即可，本发明对加热电阻丝的个数及于反应釜内部设置位置不做限制。在本发明其它实施例中，加热器可为其它可加热元件或材料，这里并不以加热电阻丝为限。如图4所示，旋转台101电连接至控制单元14，加热电阻丝102也电连接至控制单元14。旋转台101上可放置待测岩石104，控制单元14控制旋转台旋转。加热电阻丝102用于加热反应釜的内部环境，控制单元14控制加热电阻丝102的开启及关闭。

请继续参见附图2、图4，反应釜10的一侧壁上设置有第一通光孔1051，激光器11发出的激光通过第一通光孔1051照射至反应釜中心位置处的待测岩石104上，沿激光光路的另一侧壁上设置有第二通光孔1052，激光光路为一条水平直线，于反应釜通光孔外侧分别放置有激光仪器11及干涉仪12。

本发明另一实施例中，第二通光孔1052也可偏离激光光路于另一侧壁的位置，但偏离位置一般比较小，只要保证干涉仪能够准确测量待测岩石产生的超声波即可。

如图2所示，反应釜的内侧壁上贴有多个加热电阻丝102，用来加热反应釜的内部温度，各加热电阻丝102与控制单元14电相连，通过控制单元14来控制加热电阻丝102的加热与否；于反应釜的底部中心位置处设置有旋转台101，旋转台101上放置有待测岩石104，旋转台101与控制单元14电相连，控制单元14根据需求控制旋转台的旋转角度。

本发明另一实施例中，继续参阅图2，反应釜内部还设置有温度监测计103，用于检测反应釜内部的温度，温度监测计103与控制单元14电相连，将反应釜内部温度值传输至控制单元14，当温度监测计103检测出反应釜温度值高于控制单元14的温度设定值，则控制单元14发出一温度控制信号至加热电阻丝102，调整加热电阻丝102加热的个数，从而避免反应釜内部温度过高，当温度监测计103检测到的反应釜内部温度小于控制单元温度设定值时，控制单元14不输出温度控制信号至加热电阻丝102，各加热电阻丝保持开启状态不变。

举例而言，旋转台101的旋转角度可视选择的待测岩石而定，本发明一实施例中，待测岩石为页岩且页岩的纹理比较密集，控制单元设定旋转台101的旋转角度为1度，即激光器可测试岩石每个角度上的各向异性情况。根据实际情况，旋转台的旋转角度也可设定为5度、10度或其它角度，本发明对旋转台的角度并不做限制。

优选的，为了实现待测岩石的360度检测，本发明一实施例中待测岩石为直径为25mm、高度为50mm的圆柱形结构，本发明其它实施中，待测岩石也可以选择其他尺寸，这里对待测岩石形状的具体大小并不做限制，只要保证激光器发射出的激光能够通过反应釜一侧壁的通光孔打到待测岩石上即可。

优选的，为了避免温度监测计103测量的温度存在偏差，将温度监测计103放置于靠近待测岩石的位置。

本发明实施例的控制单元为计算机或单片机，通过已知的硬件设备即可实现对加热器及旋转台的控制。

一实施例中，旋转台101也为一圆形结构，设置于反应釜的中心位置。第一通光孔1051及第二通光孔1052由透明、耐高温材料制成，通光孔的尺寸应尽量小，只要保证激光能够通过即可。

为了能够保证反应釜内部温度不易散失，本发明另一实施例中，请参见图2、图3，图3为本发明实施例反应釜俯视剖视图。于反应釜10内壁上设置有一隔热层106，其中，隔热层106是一种夹层材料，中间夹有隔热材料，优选的，隔热材料可以选择陶瓷纤维，本发明另一实施例，隔热层可以为真空隔热层。通过这种设置隔热层的方式，可以有效的防止反应釜内温度与外界交换，隔热层的厚度可视实际反应釜内部温度情况而定。

请参见图4所示，图4为本发明实施例的岩石各向异性检测系统结构图。测试前，先将圆心柱式的待测岩石(如页岩)104放置于旋转台101上，开启控制单元14，控制单元14控制电阻丝102对反应釜内部加热，同时，控制单元14可接收温度监测计103发出的温度信号。通常情况下，于反应釜运行前，控制单元14先设定一温度值，当反应釜内部加热到设定的温度值，则控制单元14发出控制信号至反应釜内部的电阻丝102，通过调整及关闭电阻丝来降低反应釜内部的温度。然后，电阻丝加热持续一段时间使得待测岩石104彻底加热，由于反应釜内部温度加热会导致待测岩石从周围环境吸收热量，当控制单元14接收的温度监测计103的温度信号保持不变时可视为待测岩石充分加热。接着，打开激光超声检测的激光器11、干涉仪12及示波器13，激光器11发出激光，通过第一通光孔1051照射至反应釜10内的待测岩石104上，激励待测岩石表面产生超声波，超声波从待测岩石内部传播，并传播至产生超声波表面相反的表面，同时，干涉仪12也发出一束光通过第二通光孔1052照射至待测岩石104上，干涉仪发出的光与待测岩石产生的超声波相互作用之后再反射进入干涉仪12，反射光与干涉仪里面的参考光相互干涉。示波器13将干涉仪12检测的超声波转化为电信号显示到示波器上，由于超声波包括纵波、横波及表面波，其中，纵波的传输速度最快，所以纵波先显示到示波器13上，通过示波器即可读出纵波到达的时间，结合待测岩石的尺寸可计算出该激光照射点产生的超声波纵波的波速。根据控制单元14设定的旋转角度旋转控制台，分别读取各个角度测得的超声波纵波波速，根据各角度测量的待测岩石表面激发的超声波纵波的波速分析岩石的各向异性。

本发明提供的岩石各向异性检测系统通过反应釜内部设置的加热电阻丝来对反应釜内部环境加热，同时实现对待测岩石的加热，模拟岩石所处高温地层环境，运用激光超声技术，激光器发射激光照射至待测岩石，利用干涉仪实现对超声波的检测，示波器与干涉仪相连，显示超声波的波形，根据先到达的纵波时间及待测岩石的尺寸得到待测岩石与激光接触点产生的纵波波速，旋转待测岩石的角度，实现待测岩石的各向异性检测。本发明能够模拟钻井过程中岩石所处的高温环境，便于操作，可达到降低检测成本的效果。

以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的保护范围应视权利要求范围为准。

Claims (10)

1.一种岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述岩石各向异性检测系统包括：反应釜、激光器、干涉仪、示波器及控制单元；

所述反应釜用于模拟岩石地层环境；

所述激光器设置于反应釜外，用于发射激光至待测岩石，激发所述待测岩石产生超声波；

所述干涉仪设置于反应釜外，用于检测所述超声波；

所述示波器与所述干涉仪相连；

所述控制单元连接所述反应釜，用于控制所述反应釜内部环境。

2.如权利要求1所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述反应釜一侧壁设置有第一通光孔，激光通过所述第一通光孔照射至所述反应釜中心位置处的待测岩石上，沿激光光路的另一侧壁上设置有第二通光孔，所述激光器及所述干涉仪分别置于所述第一通光孔及所述第二通光孔的外侧。

3.如权利要求1所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述反应釜包括：旋转台及加热器；

所述旋转台连接所述控制单元，用于放置所述待测岩石，所述控制单元控制所述旋转台旋转；

所述加热器连接所述控制单元，用于加热反应釜的内部环境，所述控制单元控制所述加热器的开启及关闭。

4.如权利要求3所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述加热器设置于反应釜的内壁，所述加热器为加热电阻丝。

5.如权利要求4所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述反应釜还包括：

温度监测计，设置于反应釜内，用于检测反应釜内的温度，所述温度监测计连接至所述控制单元。

6.如权利要求5所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，当所述温度监测计检测到的所述反应釜内温度达到一温度设定值时，所述控制单元输出一温度控制信号至所述加热器，所述温度控制信号用于关闭所述加热器；

当所述温度监测计检测到的所述反应釜内温度小于所述温度设定值时，所述加热器为开启状态，所述控制单元不输出温度控制信号至所述加热器。

7.如权利要求6所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述旋转台位于反应釜的中心位置，所述温度监测计设置于靠近所述待测岩石的位置。

8.如权利要求1至7任一项所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述反应釜还包括隔热层，所述隔热层设置于反应釜的内壁侧。

9.如权利要求8所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述隔热层为隔热材料层或真空隔热层。

10.如权利要求9所述的岩石各向异性检测系统，其特征在于，所述隔热材料为陶瓷纤维。