一种饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度测试方法与流程

本发明涉及一种饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度测试方法。

背景技术：

随着地下油气资源的勘探发展，含气、水、油、水合物等资源的泥岩层越来越引起人们的重视。资源开采过程中储层压力和温度环境的巨大变化会对储层泥岩的岩石物理性质产生重大影响，研究这种影响对后续开展的时移地震监测非常重要。目前，人们对饱气泥岩的岩石物理性质研究较多，但是对饱水泥岩的岩石物理性质研究较少，还没有合适的实验设备进行测量，没有形成统一的规范化操作流程。该申请发明了一种测试方法，适用于饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度的测量。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度测试方法，能有效地测量饱水泥岩或者含泥质较多的泥砂岩在高压排水条件下的岩石声波速度。

(二)技术方案

本发明提供一种饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度测试方法，包括：

S1，测量所述岩石样品的长度L0，并对所述岩石样品进行饱水处理；

S2，对所述岩石样品施压，以排出所述岩石样品中的部分或全部水，令声波在所述岩石样品的长度方向上传播，采集声波波形；

S3，测量所述岩石样品排水前后的长度差ΔL，获取声波通过所述岩石样品的时间t；

S4，计算声波速度V＝(L0+ΔL)/t。

(三)有益效果

本发明采用配套的实验装置来实施相应的测试方法，使得岩石样品声波速度测量精度高，满足饱水泥岩在高压排水条件下的岩石声波速度测试要求，并能保护岩石样品的完整。本发明适用于测试泥岩或含泥质较多的泥沙岩在高压排水条件下的纵波速度及横波速度。

附图说明

图1是本发明实施例采用的实验装置的结构示意图。

图2是本发明实施例执行下岩石声波速度测试方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度测试方法，方法首先测量岩石样品的长度L0，并对岩石样品进行饱水处理；然后对完全饱水后的岩石样品施压，以排出岩石样品中的部分或全部水，并令声波沿所述岩石样品的长度方向传播，每间隔一段时间采集一次声波波形直至波形不再变化；接着，测量该岩石样品排水前后的长度差ΔL，并获取声波通过岩石样品的时间t；最后计算出声波速度V＝(L0+ΔL)/t。另外，本发明采用配套的实验装置来实施上述测试方法，使得岩石声波速度测量精度高，满足饱水泥岩在高压排水条件下的岩石声波速度测试要求，并能保护岩石样品的完整。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，岩石样品是标准的圆柱形样品，首先使用游标卡尺测量岩石样品的长度L0，然后将岩石样品在干燥状态下放入密封橡胶套内的中央位置，将由网状隔离层、通道导套、固定环组成的饱水夹持组件装入密封橡胶套，使网状隔离层紧贴在样品的两个端面，然后整体放入密封的水槽中进行抽真空饱水。其中，密封橡胶套是一个两端开口的弹性橡胶套筒，固定环的外缘和橡胶套的内壁动接触且密封适配，固定环的内圆上固接有网状隔离层，网状隔离层上布满微孔，固定环外端接有柱形圆管状的通道导套，通道导套内端与固定环及网状隔离层适配，内端外周缘与橡胶套的内壁动接触且密封适配，外端为敝口形成通道。在抽真空条件下，岩石样品空气被抽出，样品内外形成压差，水可以从通道导套内经过网状隔离层进入样品内部，整个过程持续至样品内外压力平衡为止，此时岩石样品完全饱和，把饱水夹持组件从密封橡胶套取出即可。在水饱和过程中，由于密封橡胶套和网状隔离层的约束，确保了岩石样品不向外扩张，保证了岩石样品的结构和外在尺寸不变。

进一步，将发射探头和接收探头分别插入装有饱水岩石样品的密封橡胶套的两端开口，发射探头和接收探头的探头基座在密封橡胶套内并分别与岩石样品的两个端面相贴合。发射探头和接收探头的探头基座与样品接触一端设有凹槽，另一端设有开孔与凹槽相通，开孔直径小于凹槽，一耐高压排水杆插设并固定在开孔中，排水杆外径与开孔直径相等，凹槽内安装有支撑垫，支撑垫贴住排水杆插设在开孔中的一端，支撑垫下方设有过滤网，一滤网螺纹盖板设在凹槽底面，滤网螺纹盖板和支撑垫中间位置设有开孔，通过滤网螺纹盖板的旋紧挤压使得过滤网和支撑垫紧密相连。在步骤S2中，岩石样品在受压条件下，由于侧面为密封橡胶套，岩石样品中的水只能依次通过两个探头基座滤网螺纹盖板、过滤网和支撑垫后进入排水杆，再从排水杆向外排出，过滤网阻止了岩石泥质进入实验管道，保护了样品完整。

根据本发明的一种实施方式，为了对岩石样品施压，本发明将密封橡胶套连同岩石样品置于一压力容器中，压力容器具有加压泄压口，较优地，可先使用电动泵通过加压泄压口向压力容器中注满硅油作为传压介质，再改用手摇泵缓慢地提高压力容器中的压力。其中，发射探头和接收探头对称地抵接在岩石样品的两个端面，通过固定住发射探头和接收探头的排水杆使得密封橡胶套连同岩石样品稳定在压力容器中，两探头排水杆的排水口都伸出于压力容器外部，使得密封橡胶套中的岩石样品在受到压力时，岩石中的水可通过排水杆排至压力容器外。

根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，采用两个位移传感器分别测量岩石样品排水前后发射探头的位移ΔD1和接收探头的位移ΔD2，从而得到岩石样品排水前后的长度差ΔL＝ΔD1+ΔD2，需要说明的是，岩石样品排水后有可能沿长度方向变长，也有可能沿长度方向缩短，所以，当ΔL是正数时，岩石样品排水后的长度为L0+ΔL，表示岩石样品排水后变长，当ΔL是负数时，岩石样品排水后的长度为L0+ΔL，表示岩石样品排水后缩短。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，发射探头发出声波振动，该声波振动经岩石样品的一端传输至另一端后由接收探头接收，可形成一个完整的声波波形记录，从该波形记录上可获取发射探头发出声波和接收探头接收声波的时间差。事实上，由于发射探头和接收探头的探头基座具有一定厚度，发射探头内的P波和S波压电晶片发出的声波振动须先经过发射探头的基座到达岩石样品的端面，再经过岩石样品到达接收探头的基座，最后经过接收探头的基座被接收探头内的P波和S波压电晶片接收，也就是说，从声波波形记录上获取的发射探头发出声波和接收探头接收声波的时间差包含声波通过两探头基座的时间，在计算岩石样品声波速度时需扣除该时间，本发明可通过标定发射探头和接收探头来实现，即将两探头的探头基座端面完全贴合对接，测出声波通过两探头基座的时间t0，将岩石样品测试过程中测量的时间t1减去t0，即为步骤3中声波通过岩石样品的准确时间t。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，增大压力容器中的压力至第一级实验压力，每间隔一段时间采集一次声波波形，若相邻两次采集到的声波波形形态一致、位置重合，则说明该实验压力引起的岩石样品排水已结束，岩石内剩余的水也已分布均匀，岩石样品变形完成处于平衡状态，此时可停止采集声波波形并执行步骤S3，否则继续采集声波波形，直到相邻两次采集到的波形不再变化。重复步骤S2-S4一次或多次，每次的步骤S2中，令压力容器内腔处于不同压力，以得到岩石样品在不同压力条件下的声波速度。

根据本发明的一种实施方式，声波包括P波(纵波)和S波(横波)，其中，上柱塞和下柱塞各具有P波信号通道和S波信号通道，发射探头和接收探头信号线可分别通过该信号通道连接容器外部波形发生器和波形接收器，用于发送及接收P波和S波，通过测量P波和S波穿过岩石样品的时间，再根据岩石样品的长度便可得到其纵波速度和横波速度。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例采用的实验装置的结构示意图，该实验装置用于实施本发明的饱水泥岩高压排水条件下岩石声波速度测试方法，如图1所示，装置包括压力容器1，加压泄压口2，硅油3，发射探头4，岩石样品5，密封橡胶套6，接收探头7，上柱塞8，上螺纹封盖9，上柱塞连接环10，上柱塞中孔密封O型圈11，上柱塞中孔锁紧螺母12，上部位移传感器夹持杆13，上部位移传感器14，上部位移传感器拉杆固定螺纹孔15，发射探头P波信号通道16，发射探头S波信号通道17，上柱塞聚四氟乙烯挡圈18，上柱塞密封O型圈19，下柱塞20，下螺纹封盖21，下柱塞连接环22，排油口23，下柱塞中孔密封O型圈24，下柱塞中孔锁紧螺母25，下部位移传感器夹持杆26，下部位移传感器27，下部位移传感器拉杆固定螺纹孔28，接收探头P波信号通道29，接收探头S波信号通道30，下柱塞聚四氟乙烯挡圈31，下柱塞密封O型圈32。加压卸压口2是外部压力泵对压力容器1内腔进行加压和泄压的通道，硅油3为传压介质。发射探头4和接收探头7的探头基座分别贴在岩石样品5的两个端面并一起被密封橡胶套6紧密包裹住，两探头基座与岩石样品5接触一端设有凹槽，里面依次设有滤网螺纹盖板、过滤网和支撑垫，通过滤网螺纹盖板的旋紧挤压使得过滤网和支撑垫紧密相连，滤网螺纹盖板和支撑垫中间位置设有开孔，一排水杆插设在探头基座另一端面并与凹槽相通，排水杆的另一端穿过上柱塞8和下柱塞20伸到压力容器1的外面。发射探头4的P波和S波信号线分别经发射探头P波信号通道16和发射探头S波信号通道17与容器外部的波形发生器相连，接收探头7的P波和S波信号线分别经接收探头P波信号通道29和接收探头S波信号通道30与容器外部的波形接收器相连。上螺纹封盖9与压力容器1螺纹连接，拧紧上螺纹封盖9挤压上柱塞8使得上柱塞密封O型圈19对上柱塞8与压力容器1间的缝隙进行密封，上柱塞聚四氟乙烯挡圈18对上柱塞密封O型圈19起弹性支撑及限位作用，从而对上柱塞密封O型圈19形成保护。打开上螺纹封盖9时，可通过上柱塞连接环10将上柱塞8带离压力容器1。下螺纹封盖21与压力容器1螺纹连接，拧紧下螺纹封盖21挤压下柱塞20使得下柱塞密封O型圈32对下柱塞20与压力容器1间的缝隙进行密封，下柱塞聚四氟乙烯挡圈31对下柱塞密封O型圈32起弹性支撑及限位作用，从而对下柱塞密封O型圈32形成保护。打开下螺纹封盖21时，可通过下柱塞连接环22将下柱塞20带离压力容器1。拧紧上柱塞中孔锁紧螺母12挤压住上柱塞中孔密封O型圈11可固定住发射探头4的排水杆，同时可对排水杆与上柱塞8间的缝隙进行密封。拧紧下柱塞中孔锁紧螺母25挤压住下柱塞中孔密封O型圈24可固定住接收探头7的排水杆，同时可对排水杆与下柱塞20间的缝隙进行密封。上部位移传感器14通过上部位移传感器夹持杆13固定在发射探头4的排水杆上，再通过上部位移传感器拉杆固定螺纹孔15与上柱塞8连接。下部位移传感器27通过下部位移传感器夹持杆26固定在接收探头7的排水杆上，再通过下部位移传感器拉杆固定螺纹孔28与下柱塞20连接。当岩石样品5受压长度发生变化时，发射探头4和接收探头7的排水杆会克服与上柱塞中孔密封O型圈11及下柱塞中孔密封O型圈24间的摩擦而移动，从而带动上部位移传感器14与下部位移传感器27移动，上部位移传感器14与下部位移传感器27的位移变化之和即为岩石样品5的长度变化。排油口23是实验完成后外部排油泵将硅油3从压力容器1抽出的通道。实验时使用压力泵从加压卸压口2向压力容器1内注入硅油3作为传压介质对密封橡胶套6、发射探头4和接收探头7施加压力，密封橡胶套6、发射探头4和接收探头7再向岩石样品5施加压力，岩石样品5在受到压力挤压时通过两端面发射探头4和接收探头7的排水杆将饱和水排到压力容器1的外面；发射探头4将波形发生器产生的声波信号转换为纵、横波振动，经岩石样品5传播后到达接收探头7，接收探头7将该振动转换为声波信号后被波形接收器记录，形成该压力下的声波波形。从声波波形记录可以获取声波(包括纵波和横波)通过岩石样品5的时间，通过该时间和岩石样品5的长度可计算出岩石样品5的声波速度(包括纵波速度和横波速度)。

图2是本发明实施例执行岩石声波速度测试方法的流程图，如图2所示，方法包括：

S100，对发射探头4和接收探头7进行对接标定，将发射探头4的P波和S波信号线通过上柱塞8内信号通道连接到波形发生器上，接收探头7的P波和S波信号线通过下柱塞20内信号通道连接到波形记录仪上，再将两探头的探头基座端面完全贴合对接，采集声波波形，获取纵波通过发射探头4和接收探头7探头基座的时间tp0以及横波通过发射探头4和接收探头7探头基座的时间ts0；

S200，使用游标卡尺测量岩石样品5的长度L0，然后将岩石样品5在干燥状态下放入密封橡胶套6的中央位置对其进行饱水处理，饱水后岩石样品长度保持不变；

S300，将对接标定完毕的发射探头4和接收探头7插入装有饱水岩石样品5的密封橡胶套6，发射探头4和接收探头7的探头基座在密封橡胶套6内并分别与岩石样品5的两个端面相贴合，然后将其整体放入压力容器1中，调整其高度使密封橡胶套6基本位于压力容器1内腔的中部位置，连接好信号线，密封好压力容器1。将上部位移传感器14和下部位移传感器27的拉杆分别插入上部位移传感器拉杆固定螺纹孔15和下部位移传感器拉杆固定螺纹孔28并紧固，上下调节上部位移传感器夹持杆13和下部位移传感器夹持杆26，使上部位移传感器14和下部位移传感器27基本处于位移测量最大行程的中间位置，然后紧固上部位移传感器夹持杆13和下部位移传感器夹持杆26，记录此时上部位移传感器14的读数D上0和下部位移传感器27的读数D下0；

S400，待岩石样品5装配完毕后，使用电动泵从加压泄压口2向压力容器1内注满硅油3。当压力容器1充满硅油3后，改用手摇泵缓慢提高容器1内的压力至10MPa，等待15分钟后第一次采集声波波形，继续等待5分钟后第二次采集声波波形，对比两次采集的声波波形，若波形形态一致、位置重叠，则停止采集，若不一样，则每间隔5分钟采集一次声波波形直至波形不再变化，从声波波形记录上获取发射探头发出纵波和接收探头接收纵波的时间差tp1、发射探头发出横波和接收探头接收横波的时间差ts1，上部位移传感器14的读数D上1，下部位移传感器27的读数D下1，

则发射探头4的位移变化为：ΔD上＝D上1-D上0，

接收探头7的位移变化为：ΔD下＝D下1-D下0，

岩石样品的长度变化为：ΔL＝AD上+ΔD下，

纵波通过岩石样品5的时间为：tp＝tp1-tp0，

横波通过岩石样品5的时间为：ts＝ts1-ts0，

计算可得此时岩石样品的长度为：L＝L0+ΔL，

纵波速度为：Vp＝L/tp，

横波速度为：Vs＝L/ts，

继续重复上述操作至压力容器1内的压力为20MPa、30MPa、40MPa、50MPa，采集相应压力下的声波波形，计算得到岩石样品在不同压力下的纵波速度和横波速度；

S500，声波波形采集完成后，使用手摇泵从加压泄压口2缓慢减小压力容器1内的压力至大气压，打开压力容器1，使用排油泵从排油口23将压力容器1内的残余硅油3抽干，取出密封橡胶套6，拔出发射探头4和接收探头7。将密封橡胶套6连同岩石样品5放入干燥箱内加热烘干，待岩石样品5完全烘干后再将其从密封橡胶套6内取出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。