CN105563668A - 一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，利用金刚石线的上下高速往复运动及金刚石线高速自旋转与岩样表面高速磨削，在线切割加工过程中，虽然金刚石线纵向往复运动速度非常快，但与金刚石线表面接触的岩样纵横推进速度很慢，同时金刚石线与岩样接触的面积小，因而对岩样产生的振动较小，使得岩样不易断裂破碎，最终易取得完整的柱塞状岩心，为岩石物理实验测试研究提供有力支撑。

Description

一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法

技术领域

本发明涉及石油领域岩石柱塞状岩心的加工方法，具体是一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法。

背景技术

在石油地质勘探开发研究中，实验技术是基础。地层岩石具有电性、弹性、渗透性、扩散性等不同的性质，要获得研究中所需的各项参数，就需要对地层岩样进行实验测试。实验过程中需要在地层岩样上获取各种规格的柱塞状岩心样品。以往实验所用柱塞状岩心主要是通过钻取法获得，使用钻取法获得砂岩，碳酸盐岩等胶结较好的岩样柱塞状岩心是可行的，应用广泛且成功率比较高，但是，使用钻取法获取页岩等脆性易碎岩样的柱塞状岩心却是不可行的，成功率较低，且易引起加工诱导缝，破坏岩样结构。

众所周知，页岩油气是当前石油领域的热点研究对象，特别是对页岩储层的岩石物理性质研究更是重中之重。页岩层理发育明显，颗粒胶结较弱，同时页岩富含石英、方解石等脆性矿物，使得页岩脆性较好，硬度偏低。在此种情况下，通过钻取法获得页岩柱塞状岩心成功率较低，无论是钻取机干钻或者配备水冷却装置钻取都无法获得符合实验要求的柱塞状岩心，钻去法产生振动较大，易造成页岩层理断裂或者松散，易引起加工诱导缝；使用配备水冷却装置的钻取机钻取则易造成页岩遇水易水化解体；而液氮冷冻法取样则易引起岩样内部流体膨胀，破坏岩样孔隙结构，影响储层物性参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，可以有效获取页岩与煤等脆性易碎岩样符合实验要求的柱塞状岩心，可为岩石物理实验研究提供有力支撑。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，利用金刚石线作为切割工具，通过金刚石线的上下高速往复运动及其高速自旋转与岩样表面高速磨削，使金刚石线表面接触的岩样纵横慢速推进进行切割，取得符合实验要求的柱塞状岩心；所述金刚石线由钢丝与金刚砂组成，钢丝表面涂一层均匀的金刚砂涂层制成。

进一步，具体方法如下：

第一步，固定待加工岩样，利用切割工具将待加工岩样加工出一个平整的端面，将平整的一面放置在岩样夹具上固定夹紧；

第二步，安装金刚石线，将金刚石线通过弹簧夹头张紧在运动机构上；

第三步，确定金刚石线起始运动方向，使待加工岩样靠近金刚石线到达起始切割位置，并精确测量此时金刚石线距待加工样品的直线距离，金刚石线所处的位置即为起始切割点；

第四步，切割加工岩心，首先启动金刚石线自动旋转按钮，待达到预设的旋转速度后，再启动金刚石线上下往复振动按钮，开始进行岩心加工。

进一步，所述运动机构由弓架、同步带轮、三相电机、手轮、曲柄滑块、弹簧夹头、和直流电机组成，金刚石线通过上、下弹簧夹头张紧在弓架上，弓架由三相电机通过曲柄滑块机构实现上下高速往复运动，使得金刚石线往复运动，同时直流电机带动弓架上下两组同步带轮，使金刚石线高速自旋转。

进一步，弓架带动金刚石线往复运动，往复行程为57mm。

进一步，金刚砂粒径80目，金刚石线涂抹了金刚砂的部分直径为1.2mm，未涂抹金刚砂的部分直径为1mm。

进一步，切割过程中金刚石线沿逆时针方向行进进行切割，行进路程是一个标准的圆周过程，起始切割点也是截止切割点。

进一步，切割煤岩时岩样移动速度大于等于15mm/h，切割页岩时岩样移动速度小于等于5mm/h。

本发明加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法是利用金刚石线作为切割工具对脆性易碎岩样进行切割加工，方法原理是利用金刚石线的上下高速往复运动及金刚石线高速自旋转与岩样表面高速磨削。由于金刚石线表面的金刚砂有非常锐利的棱角，并且硬度大于易碎岩样的硬度，所以岩样与金刚石线接触的区域逐渐被磨削掉。在线切割加工过程中，按照程序设定，虽然金刚石线纵向往复运动速度非常快，但与金刚石线表面接触的岩样纵横推进速度很慢，同时金刚石线与岩样接触的面积小，因而对岩样产生的振动较小，使得岩样不易断裂破碎，最终易取得完整的柱塞状岩心。

线切割系统由程序进行控制，以微电脑为控制中心，采用中文交互式图形线切割自动编程软件。该软件具有绘图和编程功能，可以绘出圆弧，齿轮，曲线，非圆曲线等组成的任何复杂图形。对屏幕上绘制出的任意图形，系统软件可快速对其编程，并可进行旋转，阵列，对称等加工处理，同时显示加工路线，进行动态仿真，数控程序可直接传送到线切割控制主机。进行页岩柱塞状岩样加工的时候，在电脑屏幕上画出岩样需要加工的图形，同时设定相应的规格参数，系统便可立即生成所需数控程序并传输到线切割系统主机上，然后岩心线切割系统开始进行岩样柱塞状岩心的切割加工。

本发明的线切割加工方法有效克服了页岩、煤等脆性易碎岩样在加工柱塞状岩心过程中易断裂破碎及遇水易水化解体的特性，可成功加工出符合实验要求的1in与1.5in的柱塞状岩心，为岩石物理实验测试研究提供了有力支撑。与以往使用钻取法获取柱塞状岩心不同，该方法能够有效克服待加工岩样易层理断裂、松散及遇水易水化解体的特性，而且不会破坏岩心内部孔隙结构，可获得完整的柱塞状岩心，成功率较高。

本发明相对于传统水冷却钻取法，线切割法加工易碎岩样柱塞岩心采用金刚石线作为切割工具，产生的振动小，从而使得岩样不易破碎更不易产生加工诱导缝；岩样干切避免了易碎岩样遇水易水化解体的特性；相对于传统液氮冷冻法取样，线切割法在室温条件下进行切割，不会造成液氮低温条件下取样产生岩样内流体膨胀进而破坏岩样孔隙结构的问题，不会影响岩心物性参数的测量分析。

附图说明

附图1金刚石切割线示意图

附图2线切割方法原理示意图

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，以金刚石线作为切割工具，如附图1所示，金刚石线由钢丝与金刚砂组成，钢丝表面涂一层均匀的金刚砂涂层，金刚砂粒径80目。标准金刚石线涂抹了金刚砂的部分直径为1.2mm，未涂抹金刚砂的部分直径为1mm。

该线切割方法是利用金刚石线的上下高速往复运动及金刚石线高速自旋转与岩石表面高速磨削，如附图2所示。由于金刚石线表面的金刚砂有非常锐利的棱角，并且硬度大于易碎岩样的硬度，所以岩样与金刚石线接触的区域逐渐被磨削掉。

该线切割加工方法依托于岩心线切割系统来实现对岩样柱塞状岩心的加工，岩心线切割系统由微电脑控制，采用中文交互式图形线切割自动编程软件，进行绘图、编程与参数设定；金刚石线安装于线切割系统的运动机构上，通过上、下弹簧夹头张紧在弓架上并由三相电机通过曲柄滑块机构实现上下高速往复运动，同时直流电机带动弓架上下两组同步带轮，使金刚石线高速自旋转，达到切割目的。

本发明具体方法如下：

第一步，固定待加工岩样，利用切割工具提前将待加工岩样加工出较为平整的一个端面，将平整的一面放置在专用岩样夹具上固定夹紧，如此可确保岩样后续切割加工过程中不会发生丝毫位置移动。

第二步，选择合适的金刚石线，金刚石线的粗细、粒径的大小对加工成功与否有重要影响。当前脆性易碎岩样主要是指煤岩与页岩，针对这两种岩样的特殊性质，经过大量实验，最终确定了金刚石线的参数规格：金刚石线由钢丝与金刚砂组成，钢丝直径1mm，长度40cm，两端各2cm未涂抹金刚砂，中间36cm均匀涂抹一层厚度为2mm的金刚砂，金刚砂粒径80目。因此，标准金刚石线涂抹了金刚砂的部分直径为1.2mm，未涂抹金刚砂的部分直径为1mm。

第三步安装金刚石线，金刚石线通过弹簧夹头张紧在弓架上，金刚石线的张紧程度要适中，既要保证金刚石线处于紧绷状态，不能出现弯曲现象，又不能过度紧绷以免超过金刚石线承受程度而在振动过程中频繁断线。

第四步，确定金刚石线起始运动方向，手动推进工作台使待加工岩样靠近金刚石线到达起始切割位置，并精确测量此时金刚石线距待加工样品的直线距离(该距离即为极径，金刚石线所处的位置即为起始切割点)。

第五步，通过电脑主控制系统配置的编程软件设置加工形状、规格大小、行进路线、振动频率，行进速度、补偿间隙等各项参数。

第六步，切割加工岩心，首先启动金刚石线自动旋转按钮，待达到预设的旋转速度后，再启动金刚石线上下往复振动按钮，开始进行岩心加工。

在加工过程中，金刚石线的往复运动与自旋转速度是固定的，待加工岩样主要是通过工作台的移动来推进岩样移动。根据待加工岩样脆性的不同，设置的工作台移动速度也不同，煤岩胶结弱脆性好就可设置较快的移动速度一般15mm/h以上，相对而言，页岩硬比煤岩硬度大，此时需要设置较低的移动速度一般不超过5mm/h，否则容易造成金刚石线受阻较大产生弯曲从而最终导致断线。加工过程中金刚石线的行进方向一般沿逆时针方向，行进路程即是一个标准的圆周过程，切割起始点也是切割截止点。对于层理与裂缝比较发育的岩样，设置的岩样推进速度一般选择相对较慢的速度，尽量避免速度过快导致岩样沿层理裂缝破碎。

通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心方法发明后，利用该方法对多块页岩与煤进行柱塞状岩心的加工，均取得了较好的效果，获得了符合实验要求的柱塞状岩心(煤49块，页岩154块)，成功率达到86％，从而证明了本发明的可行性。

Claims (7)

1.一种通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于：利用金刚石线作为切割工具，通过金刚石线的上下高速往复运动及其高速自旋转与岩样表面高速磨削，使金刚石线表面接触的岩样(3)纵横慢速推进进行切割，取得符合实验要求的柱塞状岩心；所述金刚石线由钢丝(1)与金刚砂(2)组成，钢丝(1)表面涂一层均匀的金刚砂(2)涂层制成。

2.根据权利要求1所述的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于具体方法如下：

第一步，固定待加工岩样，利用切割工具将待加工岩样加工出一个平整的端面，将平整的一面放置在岩样夹具上固定夹紧；

第二步，安装金刚石线，将金刚石线通过弹簧夹头张紧在运动机构上；

第三步，确定金刚石线起始运动方向，使待加工岩样靠近金刚石线到达起始切割位置，并精确测量此时金刚石线距待加工样品的直线距离，金刚石线所处的位置即为起始切割点；

第四步，切割加工岩心，首先启动金刚石线自动旋转按钮，待达到预设的旋转速度后，再启动金刚石线上下往复振动按钮，开始进行岩心加工。

3.根据权利要求2所述的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于：所述运动机构由弓架、同步带轮、三相电机、手轮、曲柄滑块、弹簧夹头和直流电机组成，金刚石线通过上、下弹簧夹头张紧在弓架上，弓架由三相电机通过曲柄滑块机构实现上下高速往复运动，使得金刚石线往复运动，同时直流电机带动弓架上下两组同步带轮，使金刚石线高速自旋转。

4.根据权利要求3所述的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于：弓架带动金刚石线往复运动，往复行程为57mm。

5.根据权利要求1所述的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于：金刚砂粒径80目，金刚石线涂抹了金刚砂的部分直径为1.2mm，未涂抹金刚砂的部分直径为1mm。

6.根据权利要求1所述的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于：切割过程中金刚石线沿逆时针方向行进进行切割，行进路程是一个标准的圆周过程，起始切割点也是截止切割点。

7.根据权利要求1所述的通过线切割技术加工脆性易碎岩样柱塞状岩心的方法，其特征在于：切割煤岩时岩样移动速度大于等于15mm/h，切割页岩时岩样移动速度小于等于5mm/h。