CN113552001B - 一种岩石高温下加径向应力声波测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩石高温下加径向应力声波测试装置及方法。该装置由上承压盖板、注压孔、探头轴向耦合活塞、轴向力推力架、声波发射端探头、上承压压头、轴向力推板、径向弹性夹套、上隔热块、径向约束钢套、机械臂、径向形变测量杆、径向形变测量千分表、岩样、保温套、轴压底座、下隔热块、下承压压头、声波接收端探头、底座盖板、脉冲发射器、控制箱、示波器、数据采集与处理系统组成。该方法包括：将装置安装在岩石力学单轴实验机上，进行岩石高温及径向应力下声波测试，实时记录岩石的声波时差变化，分析不同温度及径向应力下岩石内部损伤破坏规律。本发明操作简便，测试结果准确，能够为高温地热开发及油气井工程提供科学分析手段。

Description

一种岩石高温下加径向应力声波测试装置及方法

技术领域

本发明涉及高温岩体地热开发及油气井工程领域，具体涉及一种岩石高温下加径向应力声波测试装置与测试方法。

背景技术

在高温条件下，岩石中不同矿物热膨胀系数不同以及受到局部约束，会使得岩石内部出现微裂纹，使得岩石内原生裂纹得到发育，最终形成裂缝网络。微裂缝的生成会很大程度提高岩石的渗透率，应用到油气井工程中会提高储层渗透率，进而提高气井单井产能，因此研究岩石加热过程中损伤破坏规律具有重要意义。但高温下岩石内部发生的破坏无法直接观测到，声波测试是判断岩石内部是否发生损伤破坏的一种重要方法。

中国专利CN111007155B提出了一种温-压耦合作用下的岩石损伤监测系统，通过测定岩石在温-压耦合作用下的力学特性参数和岩石破裂过程中产生的弹性波信号，对岩石在温-压耦合作用下的内部损伤进行评价，但岩石在实验过程中受到的力为轴向压力，无法在岩石处于径向应力下进行高温实验。专利US11054351B2提出了一种高温岩样应变与声波测试装置及测试方法，可以在岩样高温下施加轴向应力时进行声波测试，但其无法对实验岩样处于径向应力条件下进行实验。因此，当岩石处于高温及径向应力条件下时，对岩石内部发生损伤破坏的研究至关重要，能够为高温岩体开发及油气井工程提供科学支撑。

针对目前岩石处于径向应力下高温加热过程中岩石内部损伤无法直接观测到，但在此过程中岩石损伤情况可以通过声波时差变化间接获得，本发明探究一种岩石高温下加径向应力声波测试装置与测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石高温下加径向应力声波测试装置，该装置在岩石力学单轴实验机上使用，进行岩石高温及径向应力下声波测试实验，实时记录加热过程中岩石的声波时差变化，从而分析不同温度及径向应力下岩石内部损伤破坏规律，为高温地热开发及油气井工程提供科学分析手段。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对岩石高温下加径向应力进行声波测试的方法，该方法操作简单，安全可靠，能够准确测试高温及径向应力下岩石内部发生损伤破坏时声波时差变化，测试结果准确可靠。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

岩石高温下加径向应力声波测试装置，由上承压盖板、探头轴向耦合活塞注压孔、探头轴向耦合活塞、轴向力推力架、声波发射端探头、上承压压头、轴向力推板、径向弹性夹套、上隔热块、径向约束钢套、机械臂、径向形变测量杆、径向形变测量千分表、岩样、加热线圈、保温套、轴压底座、下隔热块、下承压压头、声波接收端探头、底座盖板、脉冲发射器、控制箱、示波器、数据采集与处理系统组成。

所述岩样由径向弹性夹套包裹，由上隔热块与下隔热块固定在径向弹性夹套内，上隔热块与下隔热块可以采用但不限于陶瓷等隔热材料制成。径向弹性夹套放置在径向约束钢套内，径向约束钢套外为保温套，所述保温套内镶嵌加热线圈，保温套可以采用但不限于莫来石等耐高温保温材料制成。所述加热线圈内有温度传感器，加热线圈与控制箱相连。

所述径向形变测量杆穿过径向弹性夹套、径向约束钢套、保温套与岩样接触，由机械臂环绕外周连接固定，径向形变测量杆连接径向形变测量千分表。

所述岩样上端通过上隔热块连接上承压压头和声波发射端探头，岩样下端通过下隔热块连接下承压压头和声波接收端探头。声波发射端探头连接脉冲发射器，声波接收端探头连接控制箱，控制箱连接示波器。

所述轴向力推板固定在径向弹性夹套上，轴向力推力架固定在轴向力推板上，上承压盖板盖在轴向力推力架上。所述上承压盖板内有探头轴向耦合活塞及控制探头轴向活塞移动的注压孔。

所述轴压底座与下承压压头固定在底座盖板上，下承压压头位于轴压底座内。径向约束钢套与保温套固定在轴压底座上。

所述控制箱控制加热温度变化、采集径向形变信息、采集超声波信息。

所述控制箱、示波器均连接数据采集与处理系统。

利用该装置对岩石高温下加径向应力进行声波测试的方法，通过岩样加热控温与保温单元、岩样径向应力施加单元、径向形变测量单元、声波测试单元、数据采集与处理单元完成。

岩样加热控温与保温单元：采用耐温隔热材料与加热线圈镶嵌组合，形成单个电热体，加热线圈内放置温度传感器，温度传感器也连接控制箱，将加热线圈的温度反馈给控制箱内智能控制器，由智能控制器自动控制加热温度。同时控制箱将温度数据传递至数据采集与处理系统。

岩样径向应力施加单元：装置由岩石力学实验机提供轴向应力，通过装置内的径向弹性夹套轴向移动和径向收缩，抱紧柱状岩样圆周表面，从而产生径向应力，径向弹性夹套进行隔声技术处理，防止声波信号绕过岩样从钢体直接传出，轴向推力架、轴向推力板传递轴向力；上承压盖板中部有探头轴向耦合活塞，为岩样与探头提供轴向耦合应力；岩样径向应力施加大小由岩石力学单轴实验机提供轴向力换算得出。

径向形变测量单元：采用径向形变测量杆、机械臂、径向形变测量千分表构成外径千分尺骨架结构，通过径向形变测量千分表测量岩样径向变形量并将数据通过控制箱传递至数据采集与处理系统。

声波测试单元：脉冲发射器连接超声波发射探头，提供高压激励电压，声波接收端探头经控制箱连接示波器；脉冲发射器激励超声波发射探头发射声波经过岩样并被声波接收端探头接收，测得的声波数据在示波器中显示，并由数据采集与处理系统自动采集与保存。

数据采集与处理单元：适时采集温度、形变、轴向应力、超声波信号等数据，自动生成相关曲线图表，原始数据自动保存、可回放。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明不仅能进行岩石高温下加径向应力的声波测试，还可以进行岩石高温下径向应力、轴向应力共同作用的声波测试；

(2)本发明由岩石力学实验机提供的轴向力，通过装置内的径向弹性夹套轴向移动和径向收缩，抱紧柱状岩样圆周表面，从而产生径向应力；

(3)本发明具备直接对岩样加热功能，具备径向形变测量装置，可以测试不同温度、径向应力下岩样径向形变情况；

(4)本发明可以测试不同温度、径向应力下岩样纵横波速度变化；

(5)保温套能够阻止装置内部与外界发生热交换，使装置内温度稳定。

附图说明

图1是岩石高温下加径向应力声波测试装置的结构示意图。

图2是岩石高温下加径向应力声波测试装置的剖面图。

图中：1.上承压盖板，2.探头轴向耦合活塞注压孔，3.探头轴向耦合活塞，4.轴向力推力架，5.声波发射端探头，6.上承压压头，7.轴向力推板，8.径向弹性夹套，9.上隔热块，10.径向约束钢套，11.机械臂，12.径向形变测量杆，13.径向形变测量千分表，14.岩样，15.加热线圈，16.保温套，17.轴压底座，18.下隔热块，19.下承压压头，20.声波接收端探头，21.底座盖板，22.脉冲发射器，23.控制箱，24.示波器，25.数据采集与处理系统。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1、图2。

一种岩石高温下加径向应力声波测试装置，由上承压盖板1、注压孔2、探头轴向耦合活塞3、轴向力推力架4、声波发射端探头5、上承压压头6、轴向力推板7、径向弹性夹套8、上隔热块9、径向约束钢套10、机械臂11、径向形变测量杆12、径向形变测量千分表13、岩样14、加热线圈15、保温套16、轴压底座17、下隔热块18、下承压压头19、声波接收端探头20、底座盖板21、脉冲发射器22、控制箱23、示波器24和数据采集与处理系统25组成。

所述岩样14由上隔热块9与下隔热块18固定在径向弹性夹套8内，径向弹性夹套放置在径向约束钢套10内，径向约束钢套外为保温套16，保温套内镶嵌加热线圈15，所述加热线圈内设置温度传感器，加热线圈与控制箱23相连。

所述径向形变测量杆12通过机械臂11环绕外周连接固定，并穿过保温套16、径向约束钢套10、径向弹性夹套8与岩样14接触，径向形变测量杆连接径向形变测量千分表13。

所述岩样上端通过上隔热块9连接上承压压头6和声波发射端探头5，岩样下端通过下隔热块18连接下承压压头19和声波接收端探头20，声波发射端探头连接脉冲发射器22，声波接收端探头连接控制箱23、示波器24。

所述径向弹性夹套8连接轴向力推板7，轴向力推板固定在轴向力推力架4上，轴向力推力架设置上承压盖板1，所述上承压盖板内有探头轴向耦合活塞3及控制活塞轴向移动的注压孔2，通过注压孔，活塞能够耦合接触声波发射端探头。

所述径向约束钢套10与保温套16固定在轴压底座17上，下承压压头19和声波接收端探头20位于轴压底座内，所述轴压底座设置底座盖板21。

所述控制箱23、示波器24连接数据采集与处理系统25。

所述上隔热块与下隔热块可以采用但不限于陶瓷等隔热材料制成。

所述保温套可以采用但不限于莫来石等耐高温保温材料制成。

所述径向弹性夹套产生的径向应力大小，通过施加的轴向应力与径向弹性夹套的锥角关系，通过力学计算公式换算出作用在岩样圆周面上的正应力，即径向应力。径向应力与轴向应力呈固定的变化关系，计算公式如下：

F＝P·sinθcosθ

式中：F—径向应力值；

P—轴向应力值；

θ—锥角。

利用上述装置对岩石高温下加径向应力进行声波测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)将装置安装在岩石力学单轴实验机上；

(2)将岩样14放入径向弹性夹套8内，向注压孔2注适当压力，推动探头轴向耦合活塞3向下移动，使声波发射端探头5、上隔热块9、岩样14、下隔热块18、声波接收端探头20相互耦合接触；

(3)打开岩石力学单轴实验机，下移岩石力学单轴实验机上冲程，由岩石力学单轴实验机提供的轴向力作用在上承压盖板1上，达到所需径向应力时停止下移；

(4)打开控制箱23内加热开关对保温套16内加热线圈15通电，对径向弹性夹套8内岩样进行加热，通过控制箱将岩样加热至设定温度；

(5)利用脉冲发射器22激励声波发射端探头5发射声波，声波经过岩样14后被声波接收端探头20接收，岩样高温加热下加径向应力过程中的波形图显示在示波器24中，得到岩样在高温下加径向应力时内部损伤的声波时差；

(6)通过数据采集与处理系统25适时采集温度、形变、轴向应力和超声波信号，并自动生成相关曲线图表。

Claims (5)

1.一种岩石高温下加径向应力声波测试装置，由上承压盖板(1)、注压孔(2)、探头轴向耦合活塞(3)、轴向力推力架(4)、声波发射端探头(5)、上承压压头(6)、轴向力推板(7)、径向弹性夹套(8)、上隔热块(9)、径向约束钢套(10)、机械臂(11)、径向形变测量杆(12)、径向形变测量千分表(13)、岩样(14)、加热线圈(15)、保温套(16)、轴压底座(17)、下隔热块(18)、下承压压头(19)、声波接收端探头(20)、底座盖板(21)、脉冲发射器(22)、控制箱(23)、示波器(24)和数据采集与处理系统(25)组成，其特征在于，所述岩样(14)由上隔热块(9)与下隔热块(18)固定在径向弹性夹套(8)内，径向弹性夹套放置在径向约束钢套(10)内，径向约束钢套外为保温套(16)，保温套内镶嵌加热线圈(15)，加热线圈与控制箱(23)相连；所述径向形变测量杆(12)通过机械臂(11)环绕外周连接固定，并穿过保温套、径向约束钢套、径向弹性夹套与岩样接触，径向形变测量杆连接径向形变测量千分表(13)；所述岩样上端通过上隔热块(9)连接上承压压头(6)和声波发射端探头(5)，岩样下端通过下隔热块(18)连接下承压压头(19)和声波接收端探头(20)，声波发射端探头连接脉冲发射器(22)，声波接收端探头连接控制箱(23)、示波器(24)；所述径向弹性夹套(8)连接轴向力推板(7)，轴向力推板固定在轴向力推力架(4)上，轴向力推力架设置上承压盖板(1)，所述上承压盖板内有探头轴向耦合活塞(3)及控制活塞轴向移动的注压孔(2)；所述径向约束钢套(10)与保温套(16)固定在轴压底座(17)上，下承压压头(19)和声波接收端探头(20)位于轴压底座内，所述轴压底座设置底座盖板(21)；所述控制箱(23)、示波器(24)连接数据采集与处理系统(25)。

2.如权利要求1所述的一种岩石高温下加径向应力声波测试装置，其特征在于，所述上隔热块与下隔热块采用隔热材料陶瓷制成。

3.如权利要求1所述的一种岩石高温下加径向应力声波测试装置，其特征在于，所述保温套采用耐高温材料莫来石制成。

4.利用权利要求1、2或3所述的装置对岩石高温下加径向应力进行声波测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)将装置安装在岩石力学单轴实验机上；

(2)将岩样放入径向弹性夹套内，向注压孔注适当压力，推动探头轴向耦合活塞向下移动，使声波发射端探头、上隔热块、岩样、下隔热块、声波接收端探头相互耦合接触；

(3)打开岩石力学单轴实验机，下移岩石力学单轴实验机上冲程，由岩石力学单轴实验机提供的轴向力作用在上承压盖板上，达到所需径向应力时停止下移；

(4)打开控制箱加热开关对保温套内加热线圈通电，对径向弹性夹套内岩样进行加热，通过控制箱将岩样加热至设定温度；

(5)利用脉冲发射器激励声波发射端探头发射声波，声波经过岩样后被声波接收端探头接收，岩样高温加热下加径向应力过程中的波形图显示在示波器中，得到岩样在高温下加径向应力时内部损伤的声波时差；

(6)通过数据采集与处理系统适时采集温度、形变、轴向应力和超声波信号，并生成相关曲线图表。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述径向应力，通过施加的轴向应力与径向弹性夹套的锥角关系，计算出作用在岩样圆周面上的正应力，即径向应力，计算公式如下：

F＝P·sinθcosθ

式中：F—径向应力值；

P—轴向应力值；

θ—锥角。