巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置包括：芯筒，內(nèi)部設(shè)置有用于安裝巖芯的軸向通孔，該軸向通孔的兩端的內(nèi)徑小于該軸向通孔中間部分的內(nèi)徑；冷卻液組件，與軸向通孔連通并能夠向軸向通孔內(nèi)注入冷卻液；加熱組件，用于加熱芯筒內(nèi)的巖芯；聲波測量組件，用于測量通過芯筒內(nèi)巖芯的聲波速度。本實用新型的有益效果是，本實用新型能夠用來模擬氣體鉆井中井底巖石溫度的升降，同時，測量隨溫度變化的實時縱波速度變化，可以模擬溫度劇變條件下巖石的破壞特征的動態(tài)變化，并直接獲得相關(guān)參數(shù)。
【專利說明】
巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及石油鉆井領(lǐng)域，具體是一種巖石在溫度變化下的變化特征測量模 擬裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在氣體鉆井過程中，由于在噴嘴處產(chǎn)生的焦耳-湯姆遜效應(yīng)，會使井底溫度在較短 的時間內(nèi)迅速降低，達(dá)到冰點以下，產(chǎn)生冰包。井底巖石溫度從原始地層溫度劇變降低，這 種變化對于巖石的孔隙、裂縫以及礦物膠結(jié)等產(chǎn)生干擾，進而對巖石的強度等產(chǎn)生影響。研 究溫度劇變條件下，巖石的破壞特性，對于氣體鉆井鉆速的提高很有意義。由于井底工況復(fù) 雜，無法測量井底巖石的變化情況，現(xiàn)有的一些裝置沒有進行溫度和聲波的同步變化測量。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中無法模擬測量井底巖石在溫度變化下的變化特征，本實用新 型提供了一種巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，以達(dá)到模擬測量井底巖石在溫 度變化下的變化情況的目的。
[0004] 本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種巖石在溫度變化下的變化 特征測量模擬裝置，該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置包括:芯筒，內(nèi)部設(shè)置有 用于安裝巖芯的軸向通孔，該軸向通孔的兩端的內(nèi)徑小于該軸向通孔中間部分的內(nèi)徑;冷 卻液組件，與軸向通孔連通并能夠向軸向通孔內(nèi)注入冷卻液;加熱組件，用于加熱芯筒內(nèi)的 巖芯;聲波測量組件，用于測量通過芯筒內(nèi)巖芯的聲波速度。
[0005] 進一步地，芯筒的筒壁設(shè)置有與軸向通孔連通的開口槽，冷卻液組件包括注液漏 斗，注液漏斗的小徑端與開口槽連通。
[0006] 進一步地，開口槽的四周含有槽壁，芯筒外還設(shè)有蓋狀的散口，散口包括側(cè)周壁和 頂壁，散口的側(cè)周壁設(shè)在開口槽的槽壁外，注液漏斗的小徑端能夠穿過散口上端的插接孔 與開口槽連通，散口的頂壁開設(shè)有多個間隔設(shè)置的冷卻液揮發(fā)孔，該冷卻液揮發(fā)孔與開口 槽連通。
[0007] 進一步地，該聲波測量組件包括探頭、聲波測定儀和探頭數(shù)據(jù)線，探頭為兩個，兩 個探頭通過探頭數(shù)據(jù)線與聲波測定儀連接，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝 置處于使用狀態(tài)時，兩個探頭分別與巖芯的兩個端面抵接。
[0008] 進一步地，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩 個探頭的幾何中心連線與芯筒的軸線重合。
[0009] 進一步地，加熱組件包括兩個相同的熱電阻，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征 測量模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩個相同的熱電阻均與巖芯的外周面貼合，并且兩個相同 的熱電阻分別對稱設(shè)置于巖芯的兩端與芯筒的兩端之間。
[0010] 進一步地，該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置還包括溫度測量組件， 溫度測量組件包括數(shù)據(jù)采集卡、溫度自動采集系統(tǒng)和連接線，兩個相同的熱電阻均通過連 接線與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與溫度自動采集系統(tǒng)連接。
[0011] 進一步地，巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置還包括夾持組件，夾持組 件包括兩個夾持板，一個探頭固定于其中一個夾持板上，另一個探頭固定于另一個夾持板 上。
[0012] 進一步地，每個夾持板的內(nèi)側(cè)表面上均設(shè)置有半圓環(huán)深槽，探頭插接固定于半圓 環(huán)深槽內(nèi)，探頭的外徑與半圓環(huán)深槽的內(nèi)徑相同。
[0013] 進一步地，兩個夾持板之間設(shè)置有拉簧，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征測量 模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩個夾持板能夠在拉簧的作用下將探頭壓緊于巖芯的兩端。
[0014] 本實用新型的有益效果是，本實用新型能夠用來模擬氣體鉆井中井底巖石溫度的 升降，同時，測量隨溫度變化的實時縱波速度變化，可以模擬井底巖石在溫度變化下的破壞 特征的動態(tài)變化，并直接獲得相關(guān)參數(shù)。
【附圖說明】
[0015] 構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用 新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。 在附圖中：
[0016] 圖1為本實用新型巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0017] 圖2為本實用新型實施例中芯筒的側(cè)視圖；
[0018] 圖3是圖2的A-A向剖視圖；
[0019] 圖4是本實用新型實施例中散口和注液漏斗的裝配結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5是本實用新型實施例中散口的俯視圖；
[0021 ]圖6是本實用新型實施例中夾持組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中附圖標(biāo)記：10、芯筒；11、開口槽；111、槽壁；12、散口； 121、冷卻液揮發(fā)孔；122、 插接孔；123、側(cè)周壁；124、頂壁；13、支撐架;21、注液漏斗;22、兩通活塞;31、探頭;32、聲波 測定儀;33、探頭數(shù)據(jù)線;41、熱電阻;42、數(shù)據(jù)采集卡;43、溫度自動采集系統(tǒng);44、連接線； 51、夾持板;511、半圓環(huán)深槽;52、拉簧;90、巖芯。
【具體實施方式】
[0023]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本實用新型。
[0024] 如圖1至圖6所示，本實用新型提供了一種巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬 裝置，該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置包括芯筒10、冷卻液組件、加熱組件和 聲波測量組件。芯筒10內(nèi)部設(shè)置有用于安裝巖芯90的軸向通孔，該軸向通孔的兩端的內(nèi)徑 小于該軸向通孔中間部分的內(nèi)徑。冷卻液組件與軸向通孔連通并能夠向軸向通孔內(nèi)注入冷 卻液。加熱組件用于加熱芯筒10內(nèi)的巖芯90。聲波測量組件用于測量通過芯筒10內(nèi)巖芯90 的聲波速度。
[0025] 本實用新型實施例中的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置能夠用來模 擬氣體鉆井中井底巖石溫度的升降，同時，測量隨溫度變化的實時縱波速度變化，可以模擬 溫度劇變條件下巖石的破壞特征的動態(tài)變化，并直接獲得相關(guān)參數(shù)。
[0026]具體地，如圖2至圖5所示，芯筒10由45號鋼制成，芯筒10的筒壁上部設(shè)置有與軸向 通孔連通的開口槽11，開口槽11的四周含有槽壁111，槽壁111與芯筒10的側(cè)壁相切并焊接， 且保證焊接處不會泄露液體。芯筒10沿軸向設(shè)置有軸向通孔，該軸向通孔的兩端部內(nèi)徑與 制備好的巖芯90的外徑相同，該軸向通孔的氣體部位的內(nèi)徑均大于巖芯90的外徑，以在巖 芯90與芯筒10的內(nèi)壁之間形成環(huán)狀筒形空間。上述冷卻液組件包括注液漏斗21和兩通活塞 22,注液漏斗21的小徑端與開口槽11連接，該注液漏斗21與開口槽11的連接處通過硅脂密 封。并且注液漏斗21能夠?qū)⒗鋮s液注入到上述環(huán)狀筒形空間內(nèi)。上述兩通活塞22能夠調(diào)節(jié) 注液漏斗21的流量，即控制注液漏斗21流入芯筒10內(nèi)的冷卻液流量，從而通過控制冷卻液 流量來控制芯筒10中的冷卻速度。
[0027]優(yōu)選地，如圖4和圖5所示，芯筒10外還設(shè)有蓋狀的散口 12,散口 12包括側(cè)周壁123 和頂壁124，散口 12的側(cè)周壁123套設(shè)在開口槽11的槽壁111外，注液漏斗21的小徑端能夠穿 過散口 12上端的插接孔122與開口槽11連通，開口槽11位于頂壁124的中間部分，散口 12的 頂壁124開設(shè)有多個間隔設(shè)置的冷卻液揮發(fā)孔121，該冷卻液揮發(fā)孔121與開口槽11連通。
[0028] 需要說明的是，將軸向通孔的兩端部內(nèi)徑設(shè)置成與巖芯90的外徑相同的結(jié)構(gòu)，目 的是通過軸向通孔的兩端對巖芯90進行固定，防止巖芯90晃動。其中，本實用新型實施例中 的芯筒10的軸向通孔的中間部分內(nèi)徑為27mm，端部內(nèi)徑為25.5mm，芯筒10的長度為32mm。上 述開口槽11的縱向長度為28mm，橫向長度為10mm。上述巖芯90的直徑為25mm，長度為50mm。 在巖芯90與芯筒10的兩端結(jié)合處通過硅脂密封。
[0029] 進一步地，芯筒10的底部設(shè)置有支撐架13,該支撐架13與芯筒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發(fā)生轉(zhuǎn)動。為確保支撐架13對芯筒10的支撐作用， 支撐架13的下部與實驗臺平行，支撐架13的底部橫截面為正方形并剔除毛刺，支撐架13與 實驗臺水平面之間的夾角大小B為45°。
[0030] 更進一步地，本實用新型實施例中的芯筒10的長度小于巖芯90的長度，巖芯90的 兩端均置于芯筒10的兩端部外側(cè)。如圖1所示，巖芯90左端距離芯筒10左端的距離等于巖芯 90右端距離芯筒10右端的距離。本實用新型實施例中，為保證巖芯90兩端的伸出距離相同， 工作人員需要采用游標(biāo)卡尺測量兩端的實際距離并使兩端的距離保持一致。
[0031] 如圖1所示，本實用新型實施例中的聲波測量組件包括探頭31、聲波測定儀32和探 頭數(shù)據(jù)線33，探頭31為兩個，兩個探頭31通過探頭數(shù)據(jù)線33與聲波測定儀32連接，當(dāng)該巖石 在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩個探頭31分別與巖芯90的兩個 端面抵接。而且兩個探頭31的幾何中心連線與芯筒10的軸線重合。本實用新型實施例中，為 保證探頭31和巖芯90的兩端部之間不因為縫隙的存在而導(dǎo)致誤差，因此需要在探頭31上涂 抹抗高溫耦合劑來填充探頭31和巖芯90之間的縫隙，保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
[0032]需要說明的是，兩個探頭31分別為發(fā)射探頭和接收探頭，聲波測定儀32能夠用于 測定穿過巖芯90的聲波速度。探頭31接收并傳達(dá)至聲波測定儀32的信號顯示為時間差值， 聲波測定儀測定的通過巖芯90的聲波速度的數(shù)學(xué)公式為
；中，（t-ts)為從 發(fā)射探頭發(fā)出的信號時間和接收探頭收到信號的時間之間的差值，L為巖芯90的長度。本實 用新型實施例中的測量的聲波速度為縱波速度，上述探頭31為雙晶感應(yīng)聲波探頭，聲波測 定儀32為Tektronix公司DP03016Digital Phosphor Oscilloscope系列產(chǎn)品，由脈沖發(fā)射 器和示波器組成，具體參數(shù)為：100MHZ，2.5G/s。配備測量探頭進行測量，本實驗主要進行通 過巖芯90的縱波速度的測量?？v波探頭內(nèi)置晶片為雙晶式，具有靈密度高、數(shù)據(jù)傳遞穩(wěn)定等 優(yōu)點，其具體工作參數(shù)為:2.5MHZ，1.0"。
[0033]進一步地，加熱組件包括兩個PTC熱電阻41，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征測 量模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩個PTC熱電阻41均與巖芯90的外周面貼合，并且兩個PTC熱 電阻41分別對稱設(shè)置于巖芯90的兩端與芯筒10的兩端之間。即如圖1所示，置于左側(cè)的PTC 熱電阻41置于巖芯90的左端與芯筒10的左端連線的中點處，置于右側(cè)的PTC熱電阻41置于 巖芯90的右端與芯筒10的右端連線的中點處。
[0034] 該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置還包括溫度測量組件，溫度測量組 件包括數(shù)據(jù)采集卡42、溫度自動采集系統(tǒng)43和連接線44,兩個PTC熱電阻41均通過連接線44 與數(shù)據(jù)采集卡42連接，數(shù)據(jù)采集卡42與溫度自動采集系統(tǒng)43連接。
[0035]需要說明的是，溫度自動采集系統(tǒng)43是采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫的程 序，操作控制軟件全中文界面，操作靈活、方便;數(shù)據(jù)采集頻率可自由設(shè)定，保證實驗精度。 數(shù)據(jù)采集卡42可將所述PTC熱電阻41產(chǎn)生的電阻變化轉(zhuǎn)化為電信號，整理之后將數(shù)據(jù)傳輸 至所述溫度自動采集系統(tǒng)43，具有方便、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點。
[0036] 如圖6所示，巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置還包括夾持組件，夾持組 件包括兩個夾持板51和用于連接兩個夾持板51的拉簧52。每個夾持板51的內(nèi)側(cè)表面上均設(shè) 置有半圓環(huán)深槽511，探頭31的外徑與半圓環(huán)深槽511的內(nèi)徑相同，而且在裝配狀態(tài)下，一個 探頭31固定于其中一個夾持板51上，另一個探頭31固定于另一個夾持板51上。上述拉簧52 的兩端分別連接兩個夾持板51，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置處于使用 狀態(tài)時，兩個夾持板51能夠在拉簧52的作用下將兩個探頭31分別壓緊于巖芯90的兩端。
[0037] 應(yīng)用本實用新型實施例中的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置工作時， 首先進行預(yù)熱調(diào)試。其次，打開兩通活塞22至一定開度，冷卻液通過注液漏斗21頸部進入芯 筒10內(nèi)部的環(huán)狀筒形空間內(nèi)并對巖芯90進行冷卻。冷卻過程中，冷卻液可以通過散口 12的 冷卻液揮發(fā)孔121揮發(fā)至空氣中。需要說明的是，在上述操作中需控制兩通活塞22的開度大 小，確保冷卻液不會從散口 12處溢出。同時測量并收集PTC熱電阻41所測溫度，以及聲波測 定儀42顯示的聲波時差，代入前面所述求取縱波速度公式獲得通過巖芯90的實時縱波速度 值。通過逐漸放大兩通活塞22的開度，實現(xiàn)控制冷卻液流量，最終實現(xiàn)控制芯筒10中所夾持 的巖芯90的冷卻速度。
[0038] 從以上的描述中，可以看出，本實用新型上述的實施例實現(xiàn)了如下技術(shù)效果：
[0039] 1、具有聲波測量裝置和溫度自動采集，能夠?qū)崟r測量溫度變化過程中縱波速度與 溫度的關(guān)系，總結(jié)預(yù)測巖石強度等變化規(guī)律，為了解氣體鉆井井底工況提供可靠依據(jù)。
[0040] 2、冷卻液的注入模擬井底低溫效應(yīng)，控制冷卻液的注入速率來模擬井底不同的冷 卻速度。參數(shù)的采集均由計算機自動采集，實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。本實用新型中可采用液氮、 冷水等作為冷卻介質(zhì)。
[0041] 3、模擬試驗數(shù)據(jù)可用來了解氣體鉆井井底工況，為優(yōu)化鉆井方案，提高鉆井速度 提供依據(jù)。
[0042]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本 領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則 之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，該巖石在溫度變化 下的變化特征測量模擬裝置包括： 芯筒（10)，內(nèi)部設(shè)置有用于安裝巖芯(90)的軸向通孔，該軸向通孔的兩端的內(nèi)徑小于 該軸向通孔中間部分的內(nèi)徑； 冷卻液組件，與所述軸向通孔連通并能夠向所述軸向通孔內(nèi)注入冷卻液； 加熱組件，用于加熱芯筒（10)內(nèi)的巖芯(90); 聲波測量組件，用于測量通過芯筒（10)內(nèi)巖芯(90)的聲波速度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，芯 筒（10)的筒壁設(shè)置有與所述軸向通孔連通的開口槽（11)，冷卻液組件包括注液漏斗(21)， 注液漏斗(21)的小徑端與開口槽(11)連通。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，開 口槽(11)的四周含有槽壁(111)，芯筒（10)外還設(shè)有蓋狀的散口（12)，散口（12)包括側(cè)周壁 (123) 和頂壁（124)，散口（12)的側(cè)周壁（123)套設(shè)在開口槽（11)的槽壁（111)外，注液漏斗 (21)的小徑端能夠穿過散口（12)上端的插接孔（122)與開口槽（11)連通，散口（12)的頂壁 (124) 開設(shè)有多個間隔設(shè)置的冷卻液揮發(fā)孔（121)，該冷卻液揮發(fā)孔（121)與開口槽（11)連 通。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，該 聲波測量組件包括探頭(31)、聲波測定儀(32)和探頭數(shù)據(jù)線(33)，探頭(31)為兩個，兩個探 頭(31)通過探頭數(shù)據(jù)線(33)與聲波測定儀(32)連接，且當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征 測量模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩個探頭(31)分別與巖芯(90)的兩個端面抵接。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，當(dāng) 該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置處于使用狀態(tài)時，兩個探頭(31)的幾何中心 連線與芯筒(10)的軸線重合。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，加 熱組件包括兩個相同的熱電阻(41)，在該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置處于 使用狀態(tài)時，兩個相同的熱電阻（41)均與巖芯(90)的外周面貼合，并且兩個相同的熱電阻 (41)分別對稱設(shè)置于巖芯(90)的兩端與芯筒(10)的兩端之間。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，該 巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置還包括溫度測量組件，溫度測量組件包括數(shù)據(jù) 采集卡(42)、溫度自動采集系統(tǒng)(43)和連接線(44)，兩個相同的熱電阻(41)均通過連接線 (44)與數(shù)據(jù)采集卡(42)連接，數(shù)據(jù)采集卡(42)與溫度自動采集系統(tǒng)(43)連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，所 述巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置還包括夾持組件，夾持組件包括兩個夾持板 (51)，一個探頭(31)固定于其中一個夾持板(51)上，另一個探頭(31)固定于另一個夾持板 (51)上。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于，每 個夾持板(51)的內(nèi)側(cè)表面上均設(shè)置有半圓環(huán)深槽(511)，探頭(31)插接固定于半圓環(huán)深槽 (511)內(nèi)，探頭(31)的外徑與半圓環(huán)深槽(511)的內(nèi)徑相同。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置，其特征在于， 兩個夾持板(51)之間設(shè)置有拉簧(52)，當(dāng)該巖石在溫度變化下的變化特征測量模擬裝置處 于使用狀態(tài)時，兩個夾持板(51)能夠在拉簧(52)的作用下將探頭(31)壓緊于巖芯(90)的兩 端。
【文檔編號】G01N3/60GK205656089SQ201620385178
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年4月29日 公開號201620385178.7, CN 201620385178, CN 205656089 U, CN 205656089U, CN-U-205656089, CN201620385178, CN201620385178.7, CN205656089 U, CN205656089U
【發(fā)明人】李軍, 張海波
【申請人】中國石油大學(xué)(北京)