CN110595905A - 一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法，包括岩芯裹持器和参数测试主机，岩芯裹持器包括包裹带以及设置在包裹带上的参数测试元件，用于包裹岩芯的包裹带包括内、外两层，包裹带的内外两层之间设置有密封的加压气囊，加压气囊通过胶管与充气设备相连，测试元件包括与参数测试主机信号链接的电阻率测试元件、波速测试元件和应变测试元件。本发明可实现对不同直径岩芯的多状态地球物理参数测试，其中，电阻率测试及波速测试可在岩芯自由状态下进行，也可在岩芯受轴压状态下进行；应变测试是在岩芯受轴压状态岩石变形破坏时进行。

Description

一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩石物理参数测试技术领域，特别是涉及一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法。

背景技术

煤炭在未来仍是我国的主要能源之一，提高对煤炭开采地质条件的透明化认识程度是未来矿井生产发展的重中之重。这其中需要加强对岩石的物理力学及地球物理参数测试和认识，准确掌握煤系地层的岩芯测试参数，是构建开采透明化地质条件的基础。

电阻率、应变、波速是重要的地质地球物理参数，其在勘探数据解释、模型正演参数选择等是方面必不可少的。另外，多参数综合测试以及实验过程的自动化是岩芯分析的关键，也是岩芯测试分析的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现岩芯分析装置可便携、多状态全直径岩芯可分析、测试方法准确高效以及测试参数精细综合。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种便携式岩芯多参数综合测试装置，包括岩芯裹持器和参数测试主机，所述岩芯裹持器包括包裹带以及设置在所述包裹带上的参数测试元件，用于包裹岩芯的所述包裹带包括内、外两层，所述包裹带的内外两层之间设置有密封的加压气囊，所述加压气囊通过胶管与充气设备相连，所述测试元件包括与所述参数测试主机信号链接的电阻率测试元件、波速测试元件和应变测试元件。

优选的，所述包裹带由不易拉伸的材料制作，且包裹带为宽≥100mm、长≥450mm的长方形；所述包裹带的两端通过魔术粘扣相粘接。

优选的，所述电阻率测试元件包括电极片A、电极片M、电极片N和电极片B，四个电极片的外表面与岩芯的贴合处设置有针式探头，所述针式探头顶部设有可吸水海绵；四个电极片竖向排列于所述包裹带内表面的左侧，并距离外侧边10mm，且四个电极片的位置固定不动。

优选的，所述波速测试元件包括激发探头和接收探头，两个探头均为超声波探头，所述激发探头布设在所述电极片M和电极片N之间；所述包裹带内壁中部横向设置有滑轨，所述接收探头滑动设置在所述滑轨上。

优选的，所述滑轨由可横向弯折的材料制成，滑轨的长度大于等于175mm，所述滑轨的左端部与所述激发探头之间的距离不大于39mm；所述滑轨的一侧设置有用于控制所述激发探头与接收探头之间距离的标尺。

优选的，所述应变测试元件为分布式光纤，在所述包裹带内表面竖向范围分布的光纤为环绕岩芯式布设1道，光纤上端部C位于所述电极片A的上方，下端部D与上端部C竖向距离为100mm、横向距离为68mm。

优选的，所述包裹带上靠近所述电阻率测试元件的一侧边缘设置有一长方形的钢环，所述包裹带的另一侧穿过所述钢环后通过魔术贴进行固定。

优选的，所述参数测试主机包括电阻率测试模块、波速测试模块以及应变测试模块，各测试模块通过多参数综合线缆与各参数测试元件相连，线缆在所述包裹带内部穿过。

本发明还提供一种便携式岩芯多参数综合测试方法，应用于上述的便携式岩芯多参数综合测试装置，包括以下步骤：

1)岩芯裹持：按照岩芯尺寸，调节完成激发探头与接收探头之间的距离，给电阻率测试元件中的四个电极片上的海绵加水，然后将岩芯用包裹带裹持，并通过魔术粘扣粘贴紧密；使用充气设备对加压气囊进行加压，促使包裹带内壁上的电阻率测试元件、波速测试元件和应变测试元件与岩芯耦合；

2)电阻率测试：测试主机通过线缆与岩芯裹持器上的电阻率测试元件的四个电极片连接，测试主机中电阻率测试模块发出加载电流指令，通过电极片A和电极片B自动对被测岩芯加载连续电流，测试主机中的电阻率测试模块开始进行数据采集，记录电极片A和电极片B之间的供电电流I以及电极片M和电极片N之间的电位差△U，每个岩芯样品的电阻率值

3)波速测试：测试主机通过电缆与岩芯裹持器上的超声波探头连接，测试主机中的波速测试模块控制脉冲发生器发射一个高压脉冲，该高压脉冲在激发探头中激发出超声波信号，该超声波信号通过被测岩芯后被接收探头接收，再由测试主机进行数据采集，测试主机将数据信号进行模数转换后记录下时间信息，根据时间信息中给出的超声波旅行时t，计算出被测岩芯的波速

其中D为岩芯直径；

4)应变参数背景值测试：岩芯在自由状态下进行应变背景值测试，包裹带完成岩芯包裹后，分布式光纤与岩芯紧密耦合，根据岩芯尺寸测试主机会得到一系列应变采样点，一个采样点对应岩芯上的一个空间坐标，分布式光纤与测试主机相连，测试主机中的应变测试模块控制向光纤中传输光信号，光信号经传输后，应变测试模块测得光纤中的瑞利散射信号信息，从而解析出应变采样点上的背景数据；

5)加载状态下应变参数测试：利用轴压加载装置向岩芯施加轴向压力，此动态过程中连续采集应变数据，捕捉岩石破裂时产生的应变值，直至岩芯标本完全破坏。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明可实现对不同直径岩芯的多状态地球物理参数测试，其中，电阻率测试及波速测试可在岩芯自由状态下进行，也可在岩芯受轴压状态下进行；应变测试是在岩芯受轴压状态岩石变形破坏时进行。本发明测试装置轻便、稳定可靠、结实耐用，同时适合实验室及野外，可便携；实现了岩芯电阻率、波速、应变多参数的综合测试，测试方法科学有效；实现了多种状态下、全直径尺寸岩芯地球物理参数的测试；实现了岩芯应变的精细测试，测试结果可视化程度高，抗干扰能力强，输出稳定，能够获得岩芯在破坏前后应变的变化，结果可用于分析岩石在荷载下变形破坏机理；提高了室内岩芯测试的工作效率，获得不同状态下岩芯的地质地球物理参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为便携式岩芯多参数综合测试装置的整体结构示意图；

图2为电阻率、波速和应变等参数测试元件的布置示意图；

图3为包裹带魔术粘扣设置位置示意图；

其中，1-胶管；2-公扣魔术粘扣；3-母扣魔术粘扣；4-综合线缆；5-钢环；6-包裹带外表面；7-包裹带内表面；8-电阻率测试元件；9-激发探头；10-接收探头；11-滑轨；12-标尺；13-应变测试元件。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种便携式岩芯多参数综合测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现岩芯分析装置可便携、多状态全直径岩芯可分析、测试方法准确高效以及测试参数精细综合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本发明提供一种便携式岩芯多参数综合测试装置，包括岩芯裹持器及参数测试主机。

1、岩芯裹持器。岩芯裹持器主要由包裹带以及设置在包裹带上的电阻率、波速、应变参数测试元件构成(附图1)。

(1)包裹带。包裹带由不易拉伸的材料制作。包括内、外两层，其内部设置有密封的加压气囊；包裹带内表面7布设有电阻率、波速、应变参数测试元件；包裹带外表面6布设有魔术粘扣。

根据岩石力学学会标准，进行参数测试的岩芯的标准尺寸为直径25mm的圆柱形，又根据钻探质量基本规定中钻头和岩芯管的基本尺寸，全直径岩芯直径为28mm～136mm。另外，以及岩石质量指标RQD参数(每次进尺中等于或大于10cm的柱状岩芯的累计长度与每个钻进回次进尺之比)等要求，为实现各种尺寸(标准尺寸及全直径尺寸)岩芯的测试需求，包裹带设计为宽≥100mm、长≥450mm的长方形。

(2)电阻率测试元件8为电极片，共设置有四个(电极片A、电极片M、电极片N、电极片B)，电极片外表面与岩芯贴合处设计有针式探头，针式探头顶部设计有可吸水海绵，岩芯电阻率参数测试时给海绵加水，增加电极片与岩芯间的导电性，提高测试精度。四个电极片竖向排列且固定不动，布设在包裹带内表面7左侧，距离外侧边10mm，如图2所示(包裹带内表面7向上)。

(3)波速测试元件为超声波探头，包括激发探头9和接收探头10，激发探头9用于产生超声波信号，接收探头10用于接收超声波信号。激发探头9固定不动，布设在电阻率测试元件8电极片M、N之间；包裹带内壁中部横向设置有滑轨11，滑轨11由可横向弯折材料制作，长度≥175mm，滑轨11左端部(包裹带内表面7向上)与激发探头9距离不大于39mm，接收探头10设置在滑轨11上，可左右移动，且与滑轨11之间具有一定的摩阻力，控制接收探头10在不移动状态下可以处于静置状态；滑轨11一侧设置有标尺12，用于控制激发探头9与接收探头10之间的距离(D为岩芯直径)，布设如图2所示。

(4)应变测试元件13为分布式光纤。光纤共布设1道，设计为环绕岩芯式布设，光纤上端部C位于电阻率测试元件8电极片A正上方，下端部D与上端部C竖向距离100mm、横向距离68mm，光纤在包裹带竖向范围内平均分布，布设如图2所示(包裹带内表面7向上)。

(5)包裹带内、外两层内部密封的加压气囊。气囊通过胶管1与外部的充气设备(充气加压乳胶球)连接，进行加压，控制包裹带内壁上的电阻率、波速、应变参数测试元件与岩芯紧密耦合。

(6)包裹带外表面6魔术粘扣。包裹带右侧(包裹带外表面6向上)边缘设置有一长方形钢环5，内径尺寸仅允许包裹带左侧穿过。包裹带外表面6左侧设置有魔术粘扣，可以设置为一道，也可以设置为多道，通常设置为母扣；包裹带外表面6除公扣魔术粘扣3外，其它部位设置有公扣魔术粘扣2。实施参数测试时，包裹带左侧魔术粘扣母扣穿过右侧钢环5(包裹带内表面7向内)反向拉伸与公扣进行快速粘贴，控制包裹带将岩芯紧紧包裹，如图3所示。

2、参数测试主机主要由电阻率测试模块、波速测试模块以及应变测试模块构成。各测试模块通过多参数综合线缆4与各参数测试元件相连，线缆在包裹带内部穿过。

便携式岩芯多参数综合测试方法，包括以下步骤：

1、岩芯裹持。

按照岩芯尺寸，调节完成激发探头9与接收探头10之间的距离，给电极片上海绵加水，将岩芯用包裹带裹持；将公扣魔术粘扣2与母扣魔术粘扣3粘贴紧密；使用充气设备(充气加压乳胶球)通过胶管1对包裹带内、外两层内部密封的加压气囊进行加压，促使包裹带内壁上的电阻率、波速、应变参数测试元件与岩芯紧密耦合。

2、电阻率、波速参数测试。

(1)电阻率测试。

电阻率测试时，测试主机通过综合线缆4与岩芯裹持器上的电极片连接，测试主机中电阻率测试模块发出加载电流指令，通过电极片A、B自动对被测岩芯加载连续电流，测试主机中的电阻率测试模块开始进行数据采集，记录电极片A、B之间的供电电流I(A)以及电极片M、N之间的电位差ΔU(V)。

每个岩芯按照公式：

由测试主机计算出每个岩芯样品的电阻率值。

(2)波速测试

测试主机通过线缆与岩芯裹持器上的超声波探头连接，测试主机中的波速测试模块控制脉冲发射器发射一个高压脉冲，该高压脉冲在激发探头9中激发出超声波信号，该超声波信号通过被测岩芯后被接收探头10接收，再由测试主机进行数据采集，测试主机将数据信号进行模数转换后记录下时间信息。根据时间信息中给出的超声波旅行时t，根据公式：

进而计算出被测岩芯的波速。

3、应变参数背景值测试。

岩芯在自由状态下进行应变背景值测试。包裹带完成岩芯包裹后，分布式光纤与岩芯紧密耦合，根据岩芯尺寸测试主机会得到一系列应变采样点，一个采样点对应岩芯上的一个空间坐标(x,y,z)。分布式光纤与测试主机相连，测试主机中的应变测试模块控制向光纤中传输光信号，光信号经传输后，应变测试模块测得光纤中的瑞利散射信号信息，解析出一系列应变采样点上的背景数据。

4、加载状态下应变参数测试。

利用轴压加载装置向岩芯施加轴向压力，此动态过程中连续采集应变数据，捕捉岩石破裂时产生的应变值，直至岩芯标本完全破坏。开始测试后，轴压加载装置逐渐向岩芯施加轴向压力，测试主机中的应变测试模块控制光纤测试岩芯的应变状况，经应变测试模块解析出一系列应变采样点上的应变值，与背景数据进行比较，得到每个采样点对应的因受轴压出现的应变值α，在成图软件中根据岩芯三维模型以及若干采样点的空间坐标及应变值构建岩芯受压状态下的应变分布三维模型，来将岩芯应变测试结果精细化表达。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：包括岩芯裹持器和参数测试主机，所述岩芯裹持器包括包裹带以及设置在所述包裹带上的参数测试元件，用于包裹岩芯的所述包裹带包括内、外两层，所述包裹带的内外两层之间设置有密封的加压气囊，所述加压气囊通过胶管与充气设备相连，所述测试元件包括与所述参数测试主机信号链接的电阻率测试元件、波速测试元件和应变测试元件。

2.根据权利要求1所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述包裹带由不易拉伸的材料制作，且包裹带为宽≥100mm、长≥450mm的长方形；所述包裹带的两端通过魔术粘扣相粘接。

3.根据权利要求1所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述电阻率测试元件包括电极片A、电极片M、电极片N和电极片B，四个电极片的外表面与岩芯的贴合处设置有针式探头，所述针式探头顶部设有可吸水海绵；四个电极片竖向排列于所述包裹带内表面的左侧，并距离外侧边10mm，且四个电极片的位置固定不动。

4.根据权利要求3所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述波速测试元件包括激发探头和接收探头，两个探头均为超声波探头，所述激发探头布设在所述电极片M和电极片N之间；所述包裹带内壁中部横向设置有滑轨，所述接收探头滑动设置在所述滑轨上。

5.根据权利要求4所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述滑轨由可横向弯折的材料制成，滑轨的长度大于等于175mm，所述滑轨的左端部与所述激发探头之间的距离不大于39mm；所述滑轨的一侧设置有用于控制所述激发探头与接收探头之间距离的标尺。

6.根据权利要求3所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述应变测试元件为分布式光纤，在所述包裹带内表面竖向范围分布的光纤为环绕岩芯式布设1道，光纤上端部C位于所述电极片A的上方，下端部D与上端部C竖向距离为100mm、横向距离为68mm。

7.根据权利要求1所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述包裹带上靠近所述电阻率测试元件的一侧边缘设置有一长方形的钢环，所述包裹带的另一侧穿过所述钢环后通过魔术贴进行固定。

8.根据权利要求1所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于：所述参数测试主机包括电阻率测试模块、波速测试模块以及应变测试模块，各测试模块通过多参数综合线缆与各参数测试元件相连，线缆在所述包裹带内部穿过。

9.一种便携式岩芯多参数综合测试方法，应用于权利要求1-8中任一项所述的便携式岩芯多参数综合测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)岩芯裹持：按照岩芯尺寸，调节完成激发探头与接收探头之间的距离，给电阻率测试元件中的四个电极片上的海绵加水，然后将岩芯用包裹带裹持，并通过魔术粘扣粘贴紧密；使用充气设备对加压气囊进行加压，促使包裹带内壁上的电阻率测试元件、波速测试元件和应变测试元件与岩芯耦合；

2)电阻率测试：测试主机通过线缆与岩芯裹持器上的电阻率测试元件的四个电极片连接，测试主机中电阻率测试模块发出加载电流指令，通过电极片A和电极片B自动对被测岩芯加载连续电流，测试主机中的电阻率测试模块开始进行数据采集，记录电极片A和电极片B之间的供电电流I以及电极片M和电极片N之间的电位差△U，每个岩芯样品的电阻率值

3)波速测试：测试主机通过电缆与岩芯裹持器上的超声波探头连接，测试主机中的波速测试模块控制脉冲发生器发射一个高压脉冲，该高压脉冲在激发探头中激发出超声波信号，该超声波信号通过被测岩芯后被接收探头接收，再由测试主机进行数据采集，测试主机将数据信号进行模数转换后记录下时间信息，根据时间信息中给出的超声波旅行时t，计算出被测岩芯的波速

其中D为岩芯直径；

4)应变参数背景值测试：岩芯在自由状态下进行应变背景值测试，包裹带完成岩芯包裹后，分布式光纤与岩芯紧密耦合，根据岩芯尺寸测试主机会得到一系列应变采样点，一个采样点对应岩芯上的一个空间坐标，分布式光纤与测试主机相连，测试主机中的应变测试模块控制向光纤中传输光信号，光信号经传输后，应变测试模块测得光纤中的瑞利散射信号信息，从而解析出应变采样点上的背景数据；

5)加载状态下应变参数测试：利用轴压加载装置向岩芯施加轴向压力，此动态过程中连续采集应变数据，捕捉岩石破裂时产生的应变值，直至岩芯标本完全破坏。