CN104515738A - 岩石各向异性检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石各向异性检测系统和检测方法。岩石各向异性检测方法包括：步骤A：将试样放入反应釜中；步骤B：将反应釜内的压力加压；步骤C：用设置在所述反应釜外的激光器照射到所述试样的某一照射点上，激励试样表面产生超声波，用激光干涉仪向所述试样发出干涉光；步骤D：使激光干涉仪发出的干涉光与试样产生的超声波相互作用之后再反射进入激光干涉仪，得到反射信号；步骤E：用示波器接收所述反射信号，得到试样在该照射点的超声波参数；步骤G：根据得到的各照射点的超声波参数分析试样的各向异性。所述岩石各向异性检测系统包括：反应釜、激光器、激光干涉仪和示波器。本发明在模拟高压环境下可以检测岩石的各向异性。

Description

岩石各向异性检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及岩石各向异性的检测，特别是一种模拟岩石地层环境的高压反应釜的激光超声检测岩石各向异性的系统，即一种岩石各向异性检测系统和检测方法。

背景技术

岩体各向异性是指岩石的层理、片理、夹层和定向裂隙系统的存在使得岩石的性质随方向而异的特性。岩石的各向异性分为两种：一种是由于微裂缝的存在以及在不同方向上的排列，分布不同而导致的，这种各向异性会随着岩石的应力变化而变化；另一种是由于岩石颗粒的定向排列引起的，这种岩石的各向异性不会随着岩石的应力变化而改变。目前关于岩石各向异性问题的研究是工程勘探与开发、地震预报、地球深部结构探测等领域中重要课题之一，所以针对岩石的各向异性检测很有必要。

目前，岩体各向异性基本采用传统压电换能器进行检测，这需要检测装置直接与试样进行接触，并且还需采用耦合剂。传统压电换能器无法进入到高压环境中，对高压环境下的试样进行检测。另外，由于传统压电换能器为接触式检测，要求检测装置与试样有足够的接触面积，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，即使对于能检测的试样，也会带来检测结果不精确，检测效率低的问题。

综上所述，现有技术中存在以下问题：现有的检测方法无法对高压环境下的试样进行岩体各向异性检测。

发明内容

本发明提供一种岩石各向异性检测系统和检测方法，以对高压环境下的试样进行岩体各向异性检测。

为此，本发明提出一种岩石各向异性检测方法，所述岩石各向异性检测方法包括以下步骤：

步骤A：将试样放入反应釜中，所述反应釜用于提供岩石地层环境所达到的压力，所述反应釜包括由透明材料做成的第一窗口和第二窗口；

步骤B：将反应釜内的压力加压到岩石地层环境所达到的压力；

步骤C：用设置在所述反应釜外的激光器通过所述第一窗口照射到所述试样的某一照射点上，激励试样表面产生超声波，用激光干涉仪在所述反应釜外从所述第二窗口向所述试样发出干涉光；

步骤D：使激光干涉仪发出的干涉光与试样产生的超声波相互作用之后再反射进入激光干涉仪，得到反射信号；

步骤E：用示波器接收所述反射信号，得到试样在该照射点的超声波参数；

步骤F：得到某一照射点的超声波参数后，调整所述试样的位置，重复步骤C至步骤F，得到试样的另外照射点的超声波参数；

步骤G：根据得到的各照射点的超声波参数分析试样的各向异性。

进一步地，所述超声波参数包括超声波纵波波速。

进一步地，所述步骤F中，所述调整所述试样的位置为：在所述反应釜内的压力保持不变的情况下转动所述试样的位置。

进一步地，通过旋转台的转动实现试样位置的调整，通过进气阀向所述加压。

进一步地，本发明还提出一种所述岩石各向异性检测系统，所述岩石各向异性检测系统包括：反应釜、激光器、激光干涉仪和示波器；

所述反应釜容纳试样并提供岩石地层环境所达到的压力；

所述激光器设置于反应釜外，用于发射激光至所述反应釜内的待测试样，激发所述待测试样产生超声波；

所述激光干涉仪设置于所述反应釜外，用于接收所述超声波；

所述示波器与所述激光干涉仪相连。

进一步地，所述反应釜一侧壁设置有第一窗口，激光通过所述第一窗口照射至所述反应釜中心位置处的待测试样上，所述反应釜的另一侧壁上设置有第二窗口，所述激光器及所述激光干涉仪分别置于所述第一窗口及所述第二窗口的外侧。

进一步地，所述反应釜包括：旋转台，所述旋转台具有转轴。

进一步地，所述反应釜还包括：调整所述旋转台转动的旋转手轮，所述旋转手轮位于所述反应釜之外并连接所述旋转台。

进一步地，所述反应釜为封闭的圆筒形的壳体，所述转轴位于所述反应釜的轴线上，所述反应釜还包括：与所述转轴同轴连接的旋转台齿轮，以及与旋转手轮连接的调整齿轮，所述旋转台齿轮与所述调整齿轮相啮合。

进一步地，所述反应釜还包括：设置在所述圆筒形的壳体上的进气阀门、排气阀门和气压表。

本发明将试样放在反应釜内，反应釜用于提供岩石地层环境所达到的压力，因而能够模拟钻井过程中岩石所处的高压环境。本发明利用激光超声技术，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超声波参数，旋转待测岩石的角度，实现待测岩石的各向异性检测。便于操作，可达到降低检测成本的效果。

进而，本发明采用激光照射试样，照射面积小，例如照射面积小于等于1平方毫米，这样，能够检测复杂形状的样品，能够检测传统压电换能器无法检测的样品。

另外，在高压环境下，无法采用传统压电换能器去直接到反应釜内与样品接触，更无法在不打开反应釜的情况下，转换压电换能器与样品的接触位置，因而，本发明克服了现有技术无法进行高压环境下进行岩石各向异性检测的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的岩石各向异性检测方法的工作原理框图；

图2为本发明实施例的反应釜的俯视图；

图3为本发明实施例的反应釜的主视方向的剖面图；

图4为本发明实施例的反应釜的左视图。

附图标号说明：

1 顶盖   2 进气阀门   3 排气阀门  4 气压表    5 第一窗口   6 第二窗口  7 窗板   8密封压圈  9 旋转手轮   10 旋转台齿轮   11 调整齿轮   12 三爪卡盘  13 样品  14 壳体100 反应釜   200 激光器  300 干涉仪  400 示波器

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图1所示，本发明提出一种岩石各向异性检测方法，所述岩石各向异性检测方法包括以下步骤：

步骤A：如图3所示，将试样，例如为岩心样品13(如页岩)放入反应釜中，所述反应釜用于提供岩石地层环境所达到的压力，所述反应釜包括由透明材料做成的第一窗口5和第二窗口6；

步骤B：将反应釜内的压力加压到岩石地层环境所达到的压力；

步骤C：用设置在所述反应釜外的激光器通过所述第一窗口5照射到所述试样的某一照射点上，激励试样表面产生超声波，用激光干涉仪在所述反应釜外从所述第二窗口6向所述试样发出干涉光；

步骤D：使激光干涉仪发出的干涉光与试样产生的超声波相互作用之后再反射进入激光干涉仪，得到反射信号；

步骤E：如图1所示，用示波器接收所述反射信号，得到试样在该照射点的超声波参数；示波器与激光干涉仪连接，将干涉仪接收或检测的超声波转化为电信号显示到示波器上；

步骤F：得到某一照射点的超声波参数后，调整所述试样的位置，重复步骤C至步骤F，得到试样的另外一个或多个照射点的超声波参数；

步骤G：根据得到的各照射点的超声波参数分析试样的各向异性。

本发明将试样放在反应釜内，反应釜用于提供岩石地层环境所达到的压力，因而能够模拟钻井过程中岩石所处的高压环境。本发明利用激光超声技术，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超声波参数，旋转待测岩石的角度，实现待测岩石的各向异性检测。便于操作，可达到降低检测成本的效果。

进而，本发明采用激光照射试样，照射面积小，例如照射面积小于等于1平方毫米，这样，能够检测复杂形状的样品，能够检测传统压电换能器无法检测的样品。

进一步地，所述超声波参数包括超声波纵波波速。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。这样，可以缩短检测时间，提高检测效率。

本发明采用岩石各向异性检测系统来完成岩石各向异性检测方法，如图1所示，岩石各向异性检测系统包括：反应釜100、激光器200、激光干涉仪300和示波器400；

所述反应釜容纳试样并提供岩石地层环境所达到的压力；

所述激光器设置于反应釜外，用于发射激光至所述反应釜内的待测试样，激发所述待测试样产生超声波；

所述激光干涉仪设置于所述反应釜外，用于接收或检测所述超声波；

所述示波器400与所述激光干涉仪300相连，显示超声波的波形。

进一步地，如图3所示，所述反应釜一侧壁设置有第一窗口5，激光通过所述第一窗口5照射至所述反应釜中心位置处的待测试样13上，所述反应釜的另一侧壁上设置有第二窗口6，所述激光器及所述激光干涉仪分别置于所述第一窗口及所述第二窗口的外侧。透过两个窗口，可以实现激光的入射和激光干涉，使激光干涉仪，得到反射信号。作为较佳选择，激光器、第一窗口5、样品(也称试样)13、第二窗口6、和激光干涉仪位于一条直线上，以使得激光光束、激光干涉仪光束与两窗口的中心在一条直线上，形成照射光路与反射或干涉光路位于一条直线上，以保证激光干涉仪能够准确测量待测岩石产生的超声波。

进一步地，如图3所示，所述反应釜包括：旋转台12，所述旋转台具有转轴，转轴设置在反应釜的底部。通过转轴和旋转台，能够实现样品的旋转，从而实现样品角度的调整。

进一步地，如图3所示，所述反应釜还包括：调整所述旋转台转动的旋转手轮9，所述旋转手轮9位于所述反应釜之外并连接所述旋转台。通过旋转手轮，可以方便的调整样品的角度。旋转台12除了采用齿轮调整的方式外，还可以用电控旋转平台来实现或代替。

进一步地，所述反应釜为封闭的圆筒形的壳体14，壳体的材料包括一般的不锈钢材料、铝合金材料、镁合金材料等不易锈蚀的金属材料。所述转轴位于所述反应釜的轴线上，所述反应釜还包括：与所述转轴同轴连接的旋转台齿轮10，以及与旋转手轮连接的调整齿轮11，所述旋转台齿轮10与所述调整齿轮11相啮合，例如，旋转台齿轮10与所述调整齿轮11相互垂直，这样，可以实现调整过程的传动方向的改变，有利于人员的操作。

进一步地，如图2和图4所示，所述反应釜还包括：设置在所述圆筒形的壳体14上的进气阀门2、排气阀门3和气压表4，以实现反应釜内高压的控制。通过进气阀门2可以使反应釜的压力达到岩石地层环境所达到的压力，例如为10MPa，20MPa。

进一步地，所述步骤F中，所述调整所述试样的位置为：在所述反应釜内的压力保持不变的情况下转动所述试样的位置，也就是，无需打开反应釜，不改变反应釜的压力，转动试样。

作为较佳选择，本发明的反应釜外壳14为不锈钢材料，上端为顶盖1，在顶盖上安插气压表4，在反应釜左上角设置进气阀门2，右上角位置设置排气阀门3，在反应釜中部两端相对位置设置直径为10mm两个实验窗口，分别为第一窗口和第二窗口，实验窗口嵌入窗板7，并安装密封压圈8，反应釜内部为垂直黏合的齿轮，旋转台齿轮10通过轴承固定在反应釜底部，调整齿轮11与旋转手轮9相连，反应釜侧壁安装密封压圈8，在齿轮10上部放置三爪卡盘并固定。

从进气阀门1充入的是气体，该气体可以使用氮气以及其他常规惰性气体。

窗板7应嵌入与窗口相配合密封压圈中。

窗板7可以使用K9玻璃以及纯净透明石英玻璃等透光性较好的材料。K9玻璃与密封压圈的固紧，可以使用滚边法、压圈法、弹性元件法、电镀法和胶接法其中的一种。

窗板7可以根据实验需求镀增透膜。

旋转台齿轮10和调整齿轮11可以使用不锈钢材料，当然也可以用其他抗压合金材料代替。

旋转手轮9有标尺刻度，以能够准确调整样品的位置。

本发明的具体工作过程为：

打开反应釜顶盖1，将圆柱形的岩心样品13(如页岩)放入反应釜中并用三爪卡盘12固定，盖上顶盖1并密封。将充气泵与进气阀门2相连接，充入气体，关闭进气阀门2。进行完以上操作后，打开激光超声检测的激光器、激光干涉仪和示波器，其中，其中激光光束、激光干涉仪光束与两窗口中心在一条直线上。通过旋转手轮9来使样品旋转不同的角度来实现岩石样品的各向异性的检测。测试结束后，可通过排气阀门3排出气体。

本发明的效果有：

1、充分利用了激光超声非接触测量的优点，在模拟高压环境下可以检测岩石的各向异性，检测结果与现场更加符合，而且本发明装置结构简单、易于实施操作。

2、通过旋转手轮以及垂直相黏合的齿轮可以控制样品按所需角度进行旋转，操作简单，易于实现。

3、反应釜的压强是通过充入的气体来控制，而且气压表可以显示反应釜内部压强。通过控制进气阀门和排气阀门，使反应釜内部压强达到所需压强。

4、整个反应釜装置只用简单的机械结构，大大降低制作成本。

5、本发明取消了传统压电换能器中耦合剂的使用，成为完全非接触式超声波检测技术。此外，激光超声技术还具有对检测部位的空间位置要求不高、远距离遥测、快速全方位扫描、频带宽、空间分辨率高、具有特殊的方向性等优点。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种岩石各向异性检测方法，其特征在于，所述岩石各向异性检测方法包括以下步骤：

步骤A：将试样放入反应釜中，所述反应釜用于提供岩石地层环境所达到的压力，所述反应釜包括由透明材料做成的第一窗口和第二窗口；

步骤B：将反应釜内的压力加压到岩石地层环境所达到的压力；

步骤C：用设置在所述反应釜外的激光器通过所述第一窗口照射到所述试样的某一照射点上，激励试样表面产生超声波，用激光干涉仪在所述反应釜外从所述第二窗口向所述试样发出干涉光；

步骤D：使激光干涉仪发出的干涉光与试样产生的超声波相互作用之后再反射进入激光干涉仪，得到反射信号；

步骤E：用示波器接收所述反射信号，得到试样在该照射点的超声波参数；

步骤F：得到某一照射点的超声波参数后，调整所述试样的位置，重复步骤C至步骤F，得到试样的另外照射点的超声波参数；

步骤G：根据得到的各照射点的超声波参数分析试样的各向异性。

2.如权利要求1所述的岩石各向异性检测方法，其特征在于，所述超声波参数包括超声波纵波波速。

3.如权利要求1所述的岩石各向异性检测方法，其特征在于，所述步骤F中，所述调整所述试样的位置为：在所述反应釜内的压力保持不变的情况下转动所述试样的位置。

4.如权利要求1所述的岩石各向异性检测方法，其特征在于，通过旋转台的转动实现试样位置的调整，通过进气阀向所述加压。

5.一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、激光干涉仪和示波器；

所述反应釜容纳试样并提供岩石地层环境所达到的压力；

所述激光器设置于反应釜外，用于发射激光至所述反应釜内的待测试样，激发所述待测试样产生超声波；

所述激光干涉仪设置于所述反应釜外，用于接收所述超声波；

所述示波器与所述激光干涉仪相连。

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，所述反应釜一侧壁设置有第一窗口，激光通过所述第一窗口照射至所述反应釜中心位置处的待测试样上，所述反应釜的另一侧壁上设置有第二窗口，所述激光器及所述激光干涉仪分别置于所述第一窗口及所述第二窗口的外侧。

7.如权利要求5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，所述旋转台具有转轴。

8.如权利要求7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：调整所述旋转台转动的旋转手轮，所述旋转手轮位于所述反应釜之外并连接所述旋转台。

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，所述反应釜为封闭的圆筒形的壳体，所述转轴位于所述反应釜的轴线上，所述反应釜还包括：与所述转轴同轴连接的旋转台齿轮，以及与旋转手轮连接的调整齿轮，所述旋转台齿轮与所述调整齿轮相啮合。

10.如权利要求5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：设置在所述圆筒形的壳体上的进气阀门、排气阀门和气压表。