岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置

摘要

本发明提供了一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置包括：芯筒，内部设置有用于安装岩芯的轴向通孔，该轴向通孔的两端的内径小于该轴向通孔中间部分的内径；冷却液组件，与轴向通孔连通并能够向轴向通孔内注入冷却液；加热组件，用于加热芯筒内的岩芯；声波测量组件，用于测量通过芯筒内岩芯的声波速度。本发明的有益效果是，本发明能够用来模拟气体钻井中井底岩石温度的升降，同时，测量随温度变化的实时纵波速度变化，可以模拟温度剧变条件下岩石的破坏特征的动态变化，并直接获得相关参数。

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，具体是一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装 置。

背景技术

在气体钻井过程中，由于在喷嘴处产生的焦耳-汤姆逊效应，会使井底温度在较 短的时间内迅速降低，达到冰点以下，产生冰包。井底岩石温度从原始地层温度剧变 降低，这种变化对于岩石的孔隙、裂缝以及矿物胶结等产生干扰，进而对岩石的强度 等产生影响。研究温度剧变条件下，岩石的破坏特性，对于气体钻井钻速的提高很有 意义。由于井底工况复杂，无法测量井底岩石的变化情况，现有的一些装置没有进行 温度和声波的同步变化测量。

发明内容

为了克服现有技术中无法模拟测量井底岩石在温度变化下的变化特征，本发明提 供了一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，以达到模拟测量井底岩石在温 度变化下的变化情况的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种岩石在温度变化下的变化特征 测量模拟装置，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置包括：芯筒，内部设置 有用于安装岩芯的轴向通孔，该轴向通孔的两端的内径小于该轴向通孔中间部分的内 径；冷却液组件，与轴向通孔连通并能够向轴向通孔内注入冷却液；加热组件，用于 加热芯筒内的岩芯；声波测量组件，用于测量通过芯筒内岩芯的声波速度。

进一步地，芯筒的筒壁设置有与轴向通孔连通的开口槽，冷却液组件包括注液漏 斗，注液漏斗的小径端与开口槽连通。

进一步地，开口槽的四周含有槽壁，芯筒外还设有盖状的散口，散口包括侧周壁 和顶壁，散口的侧周壁设在开口槽的槽壁外，注液漏斗的小径端能够穿过散口上端的 插接孔与开口槽连通，散口的顶壁开设有多个间隔设置的冷却液挥发孔，该冷却液挥 发孔与开口槽连通。

进一步地，该声波测量组件包括探头、声波测定仪和探头数据线，探头为两个， 两个探头通过探头数据线与声波测定仪连接，当该岩石在温度变化下的变化特征测量 模拟装置处于使用状态时，两个探头分别与岩芯的两个端面抵接。

进一步地，当该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于使用状态时，两 个探头的几何中心连线与芯筒的轴线重合。

进一步地，加热组件包括两个相同的热电阻，当该岩石在温度变化下的变化特征 测量模拟装置处于使用状态时，两个相同的热电阻均与岩芯的外周面贴合，并且两个 相同的热电阻分别对称设置于岩芯的两端与芯筒的两端之间。

进一步地，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括温度测量组件， 温度测量组件包括数据采集卡、温度自动采集系统和连接线，两个相同的热电阻均通 过连接线与数据采集卡连接，数据采集卡与温度自动采集系统连接。

进一步地，岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括夹持组件，夹持组 件包括两个夹持板，一个探头固定于其中一个夹持板上，另一个探头固定于另一个夹 持板上。

进一步地，每个夹持板的内侧表面上均设置有半圆环深槽，探头插接固定于半圆 环深槽内，探头的外径与半圆环深槽的内径相同。

进一步地，两个夹持板之间设置有拉簧，当该岩石在温度变化下的变化特征测量 模拟装置处于使用状态时，两个夹持板能够在拉簧的作用下将探头压紧于岩芯的两 端。

本发明的有益效果是，本发明能够用来模拟气体钻井中井底岩石温度的升降，同 时，测量随温度变化的实时纵波速度变化，可以模拟井底岩石在温度变化下的破坏特 征的动态变化，并直接获得相关参数。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示 意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中芯筒的侧视图；

图3是图2的A-A向剖视图；

图4是本发明实施例中散口和注液漏斗的装配结构示意图；

图5是本发明实施例中散口的俯视图；

图6是本发明实施例中夹持组件的结构示意图。

图中附图标记：10、芯筒；11、开口槽；111、槽壁；12、散口；121、冷却液挥 发孔；122、插接孔；123、侧周壁；124、顶壁；13、支撑架；21、注液漏斗；22、 两通活塞；31、探头；32、声波测定仪；33、探头数据线；41、热电阻；42、数据采 集卡；43、温度自动采集系统；44、连接线；51、夹持板；511、半圆环深槽；52、 拉簧；90、岩芯。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图6所示，本发明提供了一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装 置，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置包括芯筒10、冷却液组件、加热 组件和声波测量组件。芯筒10内部设置有用于安装岩芯90的轴向通孔，该轴向通孔 的两端的内径小于该轴向通孔中间部分的内径。冷却液组件与轴向通孔连通并能够向 轴向通孔内注入冷却液。加热组件用于加热芯筒10内的岩芯90。声波测量组件用于 测量通过芯筒10内岩芯90的声波速度。

本发明实施例中的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置能够用来模拟气 体钻井中井底岩石温度的升降，同时，测量随温度变化的实时纵波速度变化，可以模 拟温度剧变条件下岩石的破坏特征的动态变化，并直接获得相关参数。

具体地，如图2至图5所示，芯筒10由45号钢制成，芯筒10的筒壁上部设置 有与轴向通孔连通的开口槽11，开口槽11的四周含有槽壁111，槽壁111与芯筒10 的侧壁相切并焊接，且保证焊接处不会泄露液体。芯筒10沿轴向设置有轴向通孔， 该轴向通孔的两端部内径与制备好的岩芯90的外径相同，该轴向通孔的气体部位的 内径均大于岩芯90的外径，以在岩芯90与芯筒10的内壁之间形成环状筒形空间。 上述冷却液组件包括注液漏斗21和两通活塞22，注液漏斗21的小径端与开口槽11 连接，该注液漏斗21与开口槽11的连接处通过硅脂密封。并且注液漏斗21能够将 冷却液注入到上述环状筒形空间内。上述两通活塞22能够调节注液漏斗21的流量， 即控制注液漏斗21流入芯筒10内的冷却液流量，从而通过控制冷却液流量来控制芯 筒10中的冷却速度。

优选地，如图4和图5所示，芯筒10外还设有盖状的散口12，散口12包括侧 周壁123和顶壁124，散口12的侧周壁123套设在开口槽11的槽壁111外，注液漏 斗21的小径端能够穿过散口12上端的插接孔122与开口槽11连通，开口槽11位于 顶壁124的中间部分，散口12的顶壁124开设有多个间隔设置的冷却液挥发孔121， 该冷却液挥发孔121与开口槽11连通。

需要说明的是，将轴向通孔的两端部内径设置成与岩芯90的外径相同的结构， 目的是通过轴向通孔的两端对岩芯90进行固定，防止岩芯90晃动。其中，本发明实 施例中的芯筒10的轴向通孔的中间部分内径为27mm，端部内径为25.5mm，芯筒10 的长度为32mm。上述开口槽11的纵向长度为28mm，横向长度为10mm。上述岩芯 90的直径为25mm，长度为50mm。在岩芯90与芯筒10的两端结合处通过硅脂密封。

进一步地，芯筒10的底部设置有支撑架13，该支撑架13与芯筒10的底部外壁 焊接固定，用于保持芯筒10平衡并防止芯筒10发生转动。为确保支撑架13对芯筒 10的支撑作用，支撑架13的下部与实验台平行，支撑架13的底部横截面为正方形 并剔除毛刺，支撑架13与实验台水平面之间的夹角大小B为45°。

更进一步地，本发明实施例中的芯筒10的长度小于岩芯90的长度，岩芯90的 两端均置于芯筒10的两端部外侧。如图1所示，岩芯90左端距离芯筒10左端的距 离等于岩芯90右端距离芯筒10右端的距离。本发明实施例中，为保证岩芯90两端 的伸出距离相同，工作人员需要采用游标卡尺测量两端的实际距离并使两端的距离保 持一致。

如图1所示，本发明实施例中的声波测量组件包括探头31、声波测定仪32和探 头数据线33，探头31为两个，两个探头31通过探头数据线33与声波测定仪32连 接，当该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于使用状态时，两个探头31 分别与岩芯90的两个端面抵接。而且两个探头31的几何中心连线与芯筒10的轴线 重合。本发明实施例中，为保证探头31和岩芯90的两端部之间不因为缝隙的存在而 导致误差，因此需要在探头31上涂抹抗高温耦合剂来填充探头31和岩芯90之间的 缝隙，保证实验数据的准确性。

需要说明的是，两个探头31分别为发射探头和接收探头，声波测定仪32能够用 于测定穿过岩芯90的声波速度。探头31接收并传达至声波测定仪32的信号显示为 时间差值，声波测定仪测定的通过岩芯90的声波速度的数学公式为：其中，(t₁-t₂)为从发射探头发出的信号时间和接收探头收到信号的时间之间的差值， L为岩芯90的长度。本发明实施例中的测量的声波速度为纵波速度，上述探头31为 双晶感应声波探头，声波测定仪32为Tektronix公司DPO3016DigitalPhosphor Oscilloscope系列产品，由脉冲发射器和示波器组成，具体参数为：100MHZ，2.5G/s。 配备测量探头进行测量，本实验主要进行通过岩芯90的纵波速度的测量。纵波探头 内置晶片为双晶式，具有灵密度高、数据传递稳定等优点，其具体工作参数为： 2.5MHZ，1.0”。

进一步地，加热组件包括两个PTC热电阻41，当该岩石在温度变化下的变化特 征测量模拟装置处于使用状态时，两个PTC热电阻41均与岩芯90的外周面贴合， 并且两个PTC热电阻41分别对称设置于岩芯90的两端与芯筒10的两端之间。即如 图1所示，置于左侧的PTC热电阻41置于岩芯90的左端与芯筒10的左端连线的中 点处，置于右侧的PTC热电阻41置于岩芯90的右端与芯筒10的右端连线的中点处。

该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括温度测量组件，温度测量组 件包括数据采集卡42、温度自动采集系统43和连接线44，两个PTC热电阻41均通 过连接线44与数据采集卡42连接，数据采集卡42与温度自动采集系统43连接。

需要说明的是，温度自动采集系统43是采用LabVIEW图形化编辑语言G编写 的程序，操作控制软件全中文界面，操作灵活、方便；数据采集频率可自由设定，保 证实验精度。数据采集卡42可将所述PTC热电阻41产生的电阻变化转化为电信号， 整理之后将数据传输至所述温度自动采集系统43，具有方便、快捷、准确的优点。

如图6所示，岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括夹持组件，夹持 组件包括两个夹持板51和用于连接两个夹持板51的拉簧52。每个夹持板51的内侧 表面上均设置有半圆环深槽511，探头31的外径与半圆环深槽511的内径相同，而 且在装配状态下，一个探头31固定于其中一个夹持板51上，另一个探头31固定于 另一个夹持板51上。上述拉簧52的两端分别连接两个夹持板51，当该岩石在温度 变化下的变化特征测量模拟装置处于使用状态时，两个夹持板51能够在拉簧52的作 用下将两个探头31分别压紧于岩芯90的两端。

应用本发明实施例中的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置工作时，首先 进行预热调试。其次，打开两通活塞22至一定开度，冷却液通过注液漏斗21颈部进 入芯筒10内部的环状筒形空间内并对岩芯90进行冷却。冷却过程中，冷却液可以通 过散口12的冷却液挥发孔121挥发至空气中。需要说明的是，在上述操作中需控制 两通活塞22的开度大小，确保冷却液不会从散口12处溢出。同时测量并收集PTC 热电阻41所测温度，以及声波测定仪42显示的声波时差，代入前面所述求取纵波速 度公式获得通过岩芯90的实时纵波速度值。通过逐渐放大两通活塞22的开度，实现 控制冷却液流量，最终实现控制芯筒10中所夹持的岩芯90的冷却速度。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、具有声波测量装置和温度自动采集，能够实时测量温度变化过程中纵波速度 与温度的关系，总结预测岩石强度等变化规律，为了解气体钻井井底工况提供可靠依 据。

2、冷却液的注入模拟井底低温效应，控制冷却液的注入速率来模拟井底不同的 冷却速度。参数的采集均由计算机自动采集，实验数据准确可靠。本发明中可采用液 氮、冷水等作为冷却介质。

3、模拟试验数据可用来了解气体钻井井底工况，为优化钻井方案，提高钻井速 度提供依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。