CN108398325B - 测试岩石用的声学响应试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了测试岩石用的声学响应试验装置，包括：压力釜，所述压力釜包括压力腔以及测试腔，所述测试腔包括位于所述压力腔内的刚性桶以及位于所述刚性桶内并能沿径向发生形变的弹性桶；导流堵头；轴向推力机构；位移控制机构，所述位移控制机构能相对所述刚性桶沿径向移动，所述位移控制机构的一端位于所述压力腔内，所述位移控制机构的另一端设置在所述弹性桶上；温度控制机构；声学机构。弥补现有岩石介质声波测量装置无法测量变温过程掩饰的声学信息的不足，创新研发一种重要的测试岩石变温状态的声学响应实验装置，测试和评价岩石温度对声波信号的影响，进而研究温度对岩石力学特性的影响。

Description

测试岩石用的声学响应试验装置
技术领域
本发明涉及岩石力学实验领域，尤其涉及一种测试岩石用的声学响应试验装置。
背景技术
随着油气开发的深入，钻井深度已接近万米，深层岩石的温度环境发生显著增加，在高温井钻井过程中深层井壁岩石温度甚至可达350℃以上，岩石温度的变化导致岩石的结构和力学特性会发生变化，因此了解温度变化对岩石力学特性和损伤破环机理的影响规律，判别井壁强度，特别是高温状态下井壁稳定性对安全钻井工程具有重要的现实意义。
岩石介质测试技术是通过测定超声波穿透岩石后声波信号的声学参数变化，间接了解岩石的物理力学特性与结构特征，与静力学方法相比，声波测试技术简便。早在20世纪80年代，岩石介质声学测试装置已经较为成熟，但是受到装置的限制，始终没有将岩石声波测试同力学测试同步，没有能够满足岩石高压温变状态的声学响应试验装置。具体原因如下：1、对于浅部低温地层，采用传统的机械测试方式能够满足岩石的物性参数的测定，且方法成熟，数据获取直接，声学响应测试的发展受到限制，声学测试不需要进行钻井采芯，极大的节约成本和时间；2、随着高温高压井的开发，高温度、高压力共同作用对岩石物性参数的影响加剧，单一的温度或围压环境模拟已经不能精确模拟所需环境；3、将温度、围压以及声学测试很难集成一套完整的测试系统。
因此，研制一套能够满足高压温变监测的声学响应试验装置具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种测试岩石用的声学响应试验装置，能够满足高压温变监测。
本发明的具体技术方案是：一种测试岩石用的声学响应试验装置，包括：
压力釜，所述压力釜包括压力腔以及测试腔，所述测试腔包括位于所述压力腔内的刚性桶以及位于所述刚性桶内并能沿径向发生形变的弹性桶；
导流堵头，所述导流堵头设置在所述弹性桶内以供岩石容置，所述导流堵头上设置有与弹性桶连通的导流管；
轴向推力机构，所述轴向推力机构相对所述导流堵头位于岩石的另一侧，所述轴向推力机构能相对所述压力釜运动，所述轴向推力机构位于压力釜内的一端设置有能与所述压力腔和所述测试腔接合的导流机构，所述导流机构包括能在其与所述压力腔和所述测试腔接合时将所述压力腔和所述弹性桶之间连通的渗流通道；
位移控制机构，所述位移控制机构能相对所述刚性桶沿径向移动，所述位移控制机构的一端位于所述压力腔内，所述位移控制机构的另一端设置在所述弹性桶上；
温度控制机构，所述温度控制机构包括与所述压力腔连通的流体源以及设置在所述导流管处的温度传感器；
声学机构，所述声学机构包括设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波发射装置和设置在所述导流机构背离所述岩石一侧的声波接收装置，或，设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波接收装置和设置在所述导流机构背离所述岩石一侧的声波发射装置；
调节温度控制机构，用于向所述压力腔内注入流体施加围压。
优选地，所述压力釜包括上盖，所述轴向推力机构包括轴向加载装置、能与所述轴向加载装置传动连接并穿设在所述上盖上的推力杆，所述推力杆位于所述压力釜内的一端固定设置有与所述上盖密封的密封盖板，所述导流机构包括能与所述弹性桶配合并具有渗流通道的渗流堵头、设置在所述渗流堵头上的渗流接口，所述渗流接口的导流槽与所述渗流堵头的渗流通道连通，所述渗流通道与弹性桶内腔连通，所述导流槽与压力腔连通。
优选地，所述渗流堵头在其背离岩石的一侧设置有保护罩，所述保护罩罩设在所述声波发射装置或声波接收装置外。
优选地，所述压力腔具有底壁，所述底壁上设置有与所述压力腔连通的导液塞，所述导流管穿设在所述底壁上。
优选地，所述温度控制机构能根据所述温度传感器得到的数据对所述流体源进行控制。
优选地，所述导流堵头与所述底壁之间具有密封腔室，所述声波发射装置或声波接收装置设置在所述密封腔室内。
优选地，所述渗流接口在其朝向岩石的一侧设置有多个沿圆周方向排布的导流槽，各个所述导流槽与渗流通道连通。
优选地，所述声波接收装置和所述发射装置包括周期性声学探头，所述声波接收装置和所述发射装置包括横波声学探头和纵波声学探头。
优选地，包括倾角控制装置，所述倾角控制装置能使所述压力釜转动，以使所述压力釜相对水平面呈夹角。
优选地，包括控制单元，所述控制单元用于对轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构和声学机构进行控制。
本发明的优点：弥补现有岩石介质声波测量装置无法测量变温过程掩饰的声学信息的不足，创新研发一种重要的测试岩石变温状态的声学响应实验装置，测试和评价岩石温度对声波信号的影响，进而研究温度对岩石力学特性的影响，为油气深井、超深井和高温井的井壁稳定预测提供指导依据。该技术可监测岩石单轴加载试验、岩石三轴力学试验、岩石蠕变力学试验，岩石温变应力加载试验等试验中的声学响应信息。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为根据本发明实施例的测试岩石用的声学响应试验装置的结构示意图。
图2为上盖的俯视图；
图3为图2的截面示意图；
图4为压力釜的俯视图；
图5为图4的剖视图；
图6为声波测试装置示意图。
图7为岩石受力测试示意图。
以上附图的附图标记：
1、压力釜；2、轴向推力机构；3、声波发射装置；4、声波接收装置；5、倾角控制机构；51、法兰连接座；52、控制台底座；53、支撑杆；54、液压驱动装置；55、丝杠；56、液压控制箱；6、温度控制机构；7、控制单元；201、轴向加载装置；202、密封装置；203、上盖；204、渗流堵头；205、密封盖板；206、渗流接口；207、发射探头；208、接口；209、保护罩；210、压紧垫片和螺栓；211、密封销钉；212、渗流通道；101、压力腔；102、测试腔；103、位移控制机构；104、导流堵头；105、导流管；106、接收探头；107、导液塞；108、刚性桶；109、弹性桶。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，本申请实施例中的测试岩石用的声学响应试验装置包括：压力釜1，所述压力釜1包括压力腔101以及测试腔102，所述测试腔102包括位于所述压力腔101内的刚性桶108以及位于所述刚性桶108内并能沿径向发生形变的弹性桶109；导流堵头104，所述导流堵头104设置在所述弹性桶109内以供岩石容置，所述导流堵头104上设置有与弹性桶109连通的导流管105；轴向推力机构2，所述轴向推力机构2相对所述导流堵头104位于岩石的另一侧，所述轴向推力机构2能相对所述压力釜1运动，所述轴向推力机构2位于压力釜1内的一端设置有能与所述压力腔101和所述测试腔102接合的导流机构，所述导流机构包括能在所述渗流堵头204与所述压力腔101和所述测试腔102接合时将所述压力腔101和所述弹性桶109之间连通的渗流通道212；位移控制机构103，所述位移控制机构103能相对所述刚性桶108沿径向移动，所述位移控制机构103的一端位于所述压力腔101内，所述位移控制机构103的另一端设置在所述弹性桶109上；温度控制机构6，所述温度控制机构6包括与所述压力腔101连通的流体源以及设置在所述导流管105处的温度传感器；声学机构，所述声学机构包括设置在所述导流堵头104背离所述岩石一侧的声波发射装置3和设置在所述渗流堵头204背离所述岩石一侧的声波接收装置4，或，设置在所述导流堵头104背离所述岩石一侧的声波接收装置4和设置在所述渗流堵头204背离所述岩石一侧的声波发射装置3。
借由上述结构，自压力腔101进入的流体可以从渗流堵头204的渗流通道212进入弹性桶109，压力腔101内的流体可以通过位移控制机构103对弹性桶109提供径向的作用力，进入弹性桶109内的流体可以对岩石提供轴向的作用力，温度控制机构6可以根据温度传感器来对弹性桶109内的流体的温度进行控制，由此构建出了岩石的高温高压结构。并且，声学机构还可以对弹性桶109内的岩石进行声波测试。
参照图4和图5所示，具体的，压力釜1包括压力腔101和测试腔102。压力腔101具有顶壁和底壁。压力腔101的顶壁通过法兰连接上盖203。压力腔101的底壁通过法兰可以与倾角控制机构5连接。包括倾角控制装置，所述倾角控制装置能使所述压力釜1转动，以使所述压力釜1相对水平面呈夹角。具体的，倾角控制机构5包括法兰连接座51、控制台底座52、支撑杆53、液压驱动装置54(例如，千斤顶)、丝杠55、液压控制箱56，所述液压控制箱56能对液压驱动装置54控制使其伸长或收缩。法兰连接座51固定设置在压力腔101上。支撑杆53的一端固定设置在控制台底座52上，支撑杆53的另一端与法兰连接座51铰接。液压驱动装置54能使法兰连接座51带动压力腔101相对支撑杆53旋转，从而与水平面形成夹角。丝杠55设置在法兰连接座51和控制台底座52之间，用于在液压驱动装置54运行到预定位置时，将压力腔101固定。压力腔101的底壁上还设置有与所述压力腔101连通的导液塞107。
测试腔102位于压力腔101内。测试腔102包括位于外侧的刚性桶108(例如，由钢结构制成)和位于内侧的弹性桶109(例如，由高变形金属制成)。其中，刚性桶108通过销钉固定在压力腔101的底壁上。弹性桶109可以沿径向发生形变。
在弹性桶109的下部设置有导流堵头104。岩石可以放置在导流堵头104上，并位于弹性桶109内。所述导流堵头104和所述底壁上设置有与弹性桶109连通的导流管105。所述导流管105可以将弹性桶109内的流体排出。
参照图1所示，所述位移控制机构103能相对所述刚性桶108沿径向移动，所述位移控制机构103的一端位于所述压力腔101内，所述位移控制机构103的另一端设置在所述弹性桶109上。位于压力腔101内的流体可以通过位移控制机构103来对弹性桶109产生径向的作用力，从而使弹性桶109产生沿径向的变形。所述位移控制机构103还包括能检测弹性桶109沿径向发生形变量的位移传感器。
参照图2和图3所示，所述轴向推力机构2包括轴向加载装置201、能与所述轴向加载装置201传动连接并穿设在所述上盖203上的推力杆，所述推力杆位于所述压力釜1内的一端固定设置有与所述上盖203密封的密封盖板205，所述导流机构包括渗流堵头204和渗流接口208。渗流堵头204通过螺栓连接渗流接口208，渗流接口208通过螺栓固定在密封盖板205上。所述推力杆上设置有能使上盖203密封的密封装置202。
渗流接口208能与压力腔101的上部配合密封，渗流堵头204能与弹性桶109的上部密封配合。所述渗流接口208在其朝向岩石的一侧设置有多个沿圆周方向排布的导流槽，各个所述导流槽与渗流通道212连通。所述渗流通道212与弹性桶109内腔连通，所述导流槽与压力腔101连通。所述轴向推力机构2的推力杆能相对所述压力釜1运动，使所述压力腔101和所述弹性桶109连通。
参照图1所示，在本实施方式中，所述温度控制机构6包括与所述压力腔101连通的流体源以及设置在所述导流管105处的温度传感器。所述温度控制机构6能根据所述温度传感器得到的数据对所述流体源进行控制。具体的，温度控制机构6可以包括电加热炉、温度传感器、温度显示器、信号输出接口208、电阻控制阀。温度控制机构6的进液口与进液箱连接，温度控制机构6的出口与导液塞107连通，温度传感器安装于导液槽内。控制单元7分别与信号输出接口208和温度显示器连接，控制电阻控制阀位置，调节加热电阻的大小，存储温度数据，显示当前温度值。
在本实施方式中，所述渗流堵头204在其背离岩石的一侧设置有保护罩209，所述保护罩209罩设在所述声波发射装置3外。所述导流堵头104与所述底壁之间形成腔室，所述声波接收装置4设置在所述腔室内。
参照图6所示，声波发射装置3包括发射探头207、导线接口208、探头保护壳、压紧垫片和螺栓210、密封销钉211。发射探头207内置于一定刚度的保护罩209之中；发射探头207固定在渗流堵头204凹槽内，为保证发射探头207与渗流堵头204接触良好，分别在发射探头207端部和渗流堵头204接触面涂抹耦合剂；保护罩209通过压紧垫片和螺栓210与密封盖板205连接，发射探头207处于密封状态，其作用是防止发射探头207承受液体压力而损坏。导线通过接口208连接外部设备。密封销钉211连接保护罩209和盖板。
本申请实施例的声波接收装置4包括两个的密封腔室、压紧垫片和压紧销钉、导线出口、密封销钉211。两个密封空腔内分别设置有纵波探头和横波探头。所述压紧销钉和压紧垫片的作用是将两个探头紧固在各自的密封腔室内。本申请实施例的声波发射装置3和声波接收装置4为周期性测试探头。
当然的，在另一个可选的实施方式中，所述渗流堵头204在其背离岩石的一侧设置有保护罩209，所述保护罩209罩设在所述声波接收装置4外。所述导流堵头104与所述底壁之间形成腔室，所述声波发射装置3设置在所述腔室内。具体的，所述声波接收装置4和所述发射装置包括周期性声学探头。所述声波接收装置4包括横波声学接收探头106和纵波声学接收探头106。
本申请实施例还包括控制单元7，所述控制单元7用于对轴向推力机构2、位移控制机构103、温度控制机构6、声学机构进行控制。具体的，所述控制单元7包括信号接收及转换组块、计算机、处理软件，可实施测试过程中温度、压力、位移、声波和倾角的测量和控制。
本实施例提供的试验步骤如下：
(1)将岩石放入岩石压力腔101内。
(2)将倾角控制机构5调制设定倾斜角度固定。
(3)打开声波发射装置3和声波接收装置4，并开始记录。
(4)调节温度控制机构6，加热出液管内介质至设定温度，向压力腔101内注入流体施加围压。
(5)进行加压，加热。
(6)实验结束后，放油。
(7)打开压力腔101，将装置拿出试验台，排出工程液体。
参照图7所示，本发明适用于岩石力学三轴实验过程中对岩石声波状态的同步监测，同时适用于岩石在不同温度和压力环境下的声波状态测量，同时适用于不同井型(直井、水平井、定向井)井眼周围岩石在不同温度和压力环境下的力学与声波信息同步测量，能够解决高温高压状态下岩石声波状态和力学参数测量。
本发明的优点：弥补现有岩石介质声波测量装置无法测量变温过程掩饰的声学信息的不足，创新研发一种重要的测试岩石变温状态的声学响应实验装置，测试和评价岩石温度对声波信号的影响，进而研究温度对岩石力学特性的影响，为油气深井、超深井和高温井的井壁稳定预测提供指导依据。该技术可监测岩石单轴加载试验、岩石三轴力学试验、岩石蠕变力学试验，岩石温变应力加载试验等试验中的声学响应信息。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，包括：
压力釜，所述压力釜包括压力腔以及测试腔，所述测试腔包括位于所述压力腔内的刚性桶以及位于所述刚性桶内并能沿径向发生形变的弹性桶；
导流堵头，所述导流堵头设置在所述弹性桶内以供岩石容置，所述导流堵头上设置有与弹性桶连通的导流管；
轴向推力机构，所述轴向推力机构相对所述导流堵头位于岩石的另一侧，所述轴向推力机构能相对所述压力釜运动，所述轴向推力机构位于压力釜内的一端设置有能分别与所述压力腔和所述测试腔接合的导流机构，所述导流机构包括能在其与所述压力腔和所述测试腔接合时将所述压力腔和所述弹性桶之间连通的渗流通道；
位移控制机构，所述位移控制机构能相对所述刚性桶沿径向移动，所述位移控制机构的一端位于所述压力腔内，所述位移控制机构的另一端设置在所述弹性桶上；
温度控制机构，所述温度控制机构包括与所述压力腔连通的流体源以及设置在所述导流管处的温度传感器；
声学机构，所述声学机构包括设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波发射装置和设置在所述导流机构背离所述岩石一侧的声波接收装置，或，设置在所述导流堵头背离所述岩石一侧的声波接收装置和设置在所述导流机构背离所述岩石一侧的声波发射装置；
调节温度控制机构，用于向所述压力腔内注入流体施加围压。
2.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述压力釜包括上盖，所述轴向推力机构包括轴向加载装置、能与所述轴向加载装置传动连接并穿设在所述上盖上的推力杆，所述推力杆位于所述压力釜内的一端固定设置有与所述上盖密封的密封盖板，所述导流机构包括能与所述弹性桶配合并具有渗流通道的渗流堵头、设置在所述渗流堵头上的渗流接口，所述渗流接口的导流槽与所述渗流堵头的渗流通道连通，所述渗流通道与弹性桶内腔连通，所述导流槽与压力腔连通。
3.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述渗流堵头在其背离岩石的一侧设置有保护罩，所述保护罩罩设在所述声波发射装置或声波接收装置外。
4.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述压力腔具有底壁，所述底壁上设置有与所述压力腔连通的导液塞，所述导流管穿设在所述底壁上。
5.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述温度控制机构能根据所述温度传感器得到的数据对所述流体源进行控制。
6.根据权利要求4所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述导流堵头与所述底壁之间具有密封腔室，所述声波发射装置或声波接收装置设置在所述密封腔室内。
7.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述渗流接口在其朝向岩石的一侧设置有多个沿圆周方向排布的导流槽，各个所述导流槽与渗流通道连通。
8.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，所述声波接收装置和所述发射装置包括周期性声学探头，所述声波接收装置和所述发射装置包括横波声学探头和纵波声学探头。
9.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，包括倾角控制装置，所述倾角控制装置能使所述压力釜转动，以使所述压力釜相对水平面呈夹角。
10.根据权利要求1所述的测试岩石用的声学响应试验装置，其特征在于，包括控制单元，所述控制单元用于对轴向推力机构、位移控制机构、温度控制机构和声学机构进行控制。
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