專利名稱：超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于巖石力學參數測定技術領域，尤其是涉及一種超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置及方法。
背景技術：
超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。超聲波按其應用領域可分為功率超聲和檢測超聲兩大類。其中，用超聲波使物體和物性發(fā)生變化的功率應用，稱為功率超聲。隨著超聲波技術的發(fā)展，檢測超聲和功率超聲在石油行業(yè)都得到了越來越廣泛的應用。檢測超聲主要應用在聲波測井、井下超聲成像、巖石物性測試、管材無損檢測等；而功率超聲應用集中在超聲波采油領域，主要涉及超聲波防垢除垢、防蠟除蠟、降粘冷輸、處理石油污水、驅油、近井解堵等方面。超聲波采油技術不同于常規(guī)采油技術，其具有安全可靠、設備少、工藝簡單、成本低、見效快、效率高、對儲層、環(huán)境無污染等優(yōu)點。超聲波采油與化學法采油機理不同，故超聲波采油還可與化學提高采收率、酸化等技術聯合應用優(yōu)勢互補。特別是在油田開發(fā)中晚期，超聲波采油用于二、三次采油，提高最終采收率是很有前途的方法之一。該技術經過幾十年的發(fā)展取得了顯著成就，受到采油工程技術人員的普遍重視。超聲波采油技術研究的一個重要分支就是功率超聲波、超聲-化學作用下巖石力學參數及性質的變化情況，屬于超聲學與巖石力學交叉領域。目前，超聲波在巖石力學中的應用主要集中在巖體超聲無損檢測，屬于檢測超聲的范疇，主要研究超聲波在巖體內傳播的規(guī)律，借以了解巖體的動彈性力學狀態(tài)及其結構特征，而對功率超聲-化學作用下儲層巖石力學參數及性質(本構關系、抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、泊松比等)的變化情況研究很少，導致超聲波采油、超聲波-化學聯合解堵等技術現場應用具有一定盲目性，其根本原因是缺乏與研究相配套的實驗手段，這在一定程度上阻礙了超聲波采油技術的推廣與應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種結構簡單、安裝布設方便、工作性能可靠且使用效果好、實用價值高的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于包括巖石力學試驗機、液壓增壓器、用于放置被測試巖芯的密閉盒體、對被測試巖芯進行超聲波處理的超聲波換能器、與超聲波換能器相接的超聲波發(fā)生器、對被測試巖芯上所承受的上覆壓力進行實時檢測的壓力檢測單元，以及分別對超聲波換能器作用在被測試巖芯上的超聲波功率和振幅進行實時檢測的超聲波功率檢測儀和超聲波振幅測量儀；所述巖石力學試驗機分別通過左側加載軸和右側加載軸從左右兩側對被測試巖芯進行對稱加載，所述超聲波換能器位于密閉盒體上方，所述液壓增壓器通過化學試劑輸送管道將化學試劑送入密閉盒體并對送入密閉盒體內的化學試劑進行增壓處理，所述密閉盒體上部安裝有排氣閥，且所述壓力檢測單元、超聲波功率檢測儀和超聲波振幅測量儀均與顯示單元相接；所述密閉盒體的左右兩側分別開有供左側加載軸和右側加載軸安裝的加載軸安裝孔，所述被測試巖芯呈水平向布設，所述被測試巖芯夾裝于左側加載軸和右側加載軸且被測試巖芯與左側加載軸和右側加載軸布設于同一水平線上，所述左側加載軸和右側加載軸均安裝在所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng)上。上述超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征是所述超聲波換能器為電磁感應式超聲波換能器，且所述電磁感應式超聲波換能器包括內部開有空腔的換能器外殼、布設在所述空腔前部且能產生超聲波的振動模板、布設在所述空腔內且位于振動模板正后方的平面電感線圈、與平面電感線圈相并接的電容器和并接在電容器兩端的電源，所述平面電感線圈與電容器之間通過導線一進行連接，所述電容器與電源之間通過導線二進行連接，所述平面電感線圈、電容器和所述導線一的導線電阻形成RLC振蕩電路；所述換能器外殼的前側外部布設有用于改變振動模板所產生超聲波振幅的超聲波變幅桿，所述超聲波變幅桿密封安裝在密閉盒體上，且密閉盒體上部對應設置有供超聲波變幅桿安裝的變幅桿安裝口 ；所述超聲波發(fā)生器的輸出端與電源的電源端相接，所述導線一和導線二上分別串接有通斷控制開關一和通斷控制開關二。上述超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征是所述左側加載軸和右側加載軸均為圓柱形加載軸。上述超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征是所述換能器外殼和超聲波變幅桿均呈豎直向布設。上述超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征是所述電磁感應式超聲波換能器還包括將超聲波變幅桿固定安裝在密閉盒體上的緊固套，所述換能器外殼的前側外部設置有供超聲波變幅桿安裝的安裝座，所述安裝座位于所述變幅桿安裝口上方，且緊固套與所述安裝座和所述變幅桿安裝口之間均以螺紋方式進行連接；所述緊固套為內側壁上設置有內螺紋的螺紋套，所述安裝座為外側壁上對應設置有外螺紋的圓柱形螺紋柱，且所述變幅桿安裝口的外側壁上對應設置有外螺紋。上述超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征是所述安裝座外側套裝有0型密封圈一，且所述0型密封圈一墊裝于所述變幅桿安裝口上部。上述超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征是所述空腔為圓柱狀空腔，振動模板為圓形板且所述圓形板的直徑小于所述空腔的直徑，平面電感線圈為圓形平面線圈且其直徑小于所述圓形板的直徑；所述超聲波變幅桿、所述安裝座、所述換能器外殼、振動模板和平面電感線圈均呈同軸布設。同時，本發(fā)明還公開了一種操作簡便、實現方便、操作方式靈活且實驗效果好、數據測量準確的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、實驗準備將被測試巖芯水平夾裝于左側加載軸和右側加載軸之間，并將左側加載軸和右側加載軸均安裝在所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng)上；同時，打開排氣閥；
步驟二、化學試劑添加向液壓增壓器內加入化學試劑后，啟動液壓增壓器并通過化學試劑輸送管道將化學試劑連續(xù)送入密閉盒體，直至排氣閥開始出液時關閉排氣閥；之后，繼續(xù)通過液壓增壓器對送入密閉盒體內的化學試劑進行增壓處理，直至被測試巖芯上所承受的上覆壓力滿足實驗要求為止；增壓處理過程中，通過壓力檢測單元對被測試巖芯上所承受的上覆壓力進行實時檢測，并通過顯示單元對壓力檢測單元所檢測壓力信息進行同步顯示；步驟三、超聲波處理啟動啟動超聲波發(fā)生器和超聲波換能器，且按照實驗設定的超聲波處理時間，通過超聲波換能器所產生的超聲波對被測試巖芯進行超聲波處理；且啟動超聲波發(fā)生器和超聲波換能器之前，先對超聲波發(fā)生器的工作參數進行相應調整并對調整后的工作參數作以記錄，且通過調整超聲波發(fā)生器的工作參數，對超聲波換能器所產生超聲波的頻率和振幅進行相應調整；步驟四、啟動加載且加載過程中同步進行巖石力學參數測定步驟三中所述的超聲波發(fā)生器和超聲波換能器啟動后，啟動所述巖石力學試驗機，且通過左側加載軸和右側加載軸分別從左右兩側對被測試巖芯進行對稱加載；加載過程中，按照常規(guī)巖石力學參數測定方法，且通過所述巖石力學試驗機對被測試巖芯的巖石力學參數進行測試，并對測試結果同步進行記錄；同時，加載過程中，通過超聲波功率檢測儀和超聲波振幅測量儀分別對超聲波換能器作用在被測試巖芯上的超聲波功率和振幅進行實時檢測，并對超聲波功率檢測儀和超聲波振幅測量儀的檢測結果同步進行記錄，并相應得出超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯的巖石力學參數。上述方法，其特征是步驟四中得出超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯的巖石力學參數后，還需更換被測試巖芯，且重復步驟一至步驟四，分別對多個被更換的被測試巖芯進行多次超聲波與化學試劑聯合作用下的巖石力學參數測試；多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟三中所述超聲波換能器所產生超聲波的功率、頻率或振幅均不相同時，可得出同一種巖芯在不同功率、不同頻率或不同振幅的超聲波處理與同一種化學試劑聯合作用下的巖石力學參數；多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟二中所加入化學試劑種類均不相同時， 可得出同一種巖芯在同等條件超聲波處理與不同種類化學試劑聯合作用下的巖石力學參數；多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟一中所述被測試巖芯的巖芯種類不同時，可得出不同種類巖芯在同等條件超聲波處理與同一種化學試劑聯合作用下的巖石力學參數。上述方法，其特征是步驟四中所述超聲波發(fā)生器和超聲波換能器啟動后，采用間歇式處理方式對被測試巖芯進行超聲波處理，且每處理5min 30min,間歇5min 20min。本發(fā)明與現有技術相比具有以下優(yōu)點，I、裝置結構簡單、設計合理且安裝布設方便，使用操作簡單，投入成本低，能高效、 快速完成超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯的巖石力學參數測定實驗。2、使用操作方式靈活，可測定不同超聲波功率、頻率、振幅、處理時間、處理方式及不同化學劑作用下的巖石力學參數。3、實驗效果好，在超聲波作用的同時可準確測量超聲功率大小與振幅，由此可建立超聲波參數與巖石力學參數之間的對應關系。4、實用價值高且推廣應用前景廣泛，超聲波采油具有安全可靠、設備少、工藝簡單、成本低、見效快、效率高、對儲層、環(huán)境無污染等優(yōu)點。本發(fā)明所采用的實驗裝置及相應的實驗方法，能有效用以研究超聲波與化學聯合作用下影響儲層巖石力學參數及性質的主要控制因素及規(guī)律，這對超聲波采油技術的進一步推廣與發(fā)展具有一定理論及實踐意義。5、功能完備且使用方式靈活，當僅啟動超聲波發(fā)生器和超生比換能器而不啟動巖石力學試驗機時，可以采用本發(fā)明所公開的實驗裝置對巖芯進行單純的超聲波處理；當不啟動超聲波發(fā)生器和超生比換能器而啟動巖石力學試驗機時，可對巖芯的力學參數進行測試。綜上，本發(fā)明設計合理、安裝布設方便、功能完善且使用操作簡便、使用效果好，能高效、快速完成超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯的巖石力學參數測定實驗。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖I為本發(fā)明所采用巖石力學參數測定實驗裝置的使用狀態(tài)參考圖。 圖2為本發(fā)明所采用巖石力學參數測定實驗裝置的內部結構示意圖。 圖3為本發(fā)明所采用巖石力學參數測定實驗裝置的電路原理框圖。
圖4為本發(fā)明所采用超聲波換能器的內部結構示意圖。
圖5為采用本發(fā)明進行巖石力學參數測定實驗時的方法流程框圖。 附圖標記說明
I-密閉盒體；
4-超聲波換能器； 4-3-電容器；
4-6-換能器外殼；
7-右側加載軸；
10-液壓增壓器；
13-0型密封圈一；
15-超聲波振幅測量儀
2-左側加載軸； 4-1-振動模板； 4-4-電源；
3-排氣閥；
4_2_平面電感線圈；
4-5-超聲波變幅桿；
5-超聲信號傳輸電纜； 8-超聲波功率檢測儀； 11-化學試劑輸送管道 14-被測試巖芯；
16-壓力檢測單元。
6-超聲波發(fā)生器 9-顯示單元；
12-緊固套；
具體實施例方式如圖I、圖2及圖3所示的一種超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置， 包括巖石力學試驗機、液壓增壓器10、用于放置被測試巖芯14的密閉盒體I、對被測試巖芯 14進行超聲波處理的超聲波換能器4、與超聲波換能器4相接的超聲波發(fā)生器6、對被測試巖芯14上所承受的上覆壓力進行實時檢測的壓力檢測單元16，以及分別對超聲波換能器4 作用在被測試巖芯14上的超聲波功率和振幅進行實時檢測的超聲波功率檢測儀8和超聲波振幅測量儀15。所述巖石力學試驗機分別通過左側加載軸2和右側加載軸7從左右兩側對被測試巖芯14進行對稱加載，所述超聲波換能器4位于密閉盒體I上方，所述液壓增壓器10通過化學試劑輸送管道11將化學試劑送入密閉盒體I并對送入密閉盒體I內的化學試劑進行增壓處理，所述密閉盒體I上部安裝有排氣閥3，且所述壓力檢測單元16、超聲波功率檢測儀8和超聲波振幅測量儀15均與顯示單元9相接。所述密閉盒體I的左右兩側分別開有供左側加載軸2和右側加載軸7安裝的加載軸安裝孔，所述被測試巖芯14呈水平向布設，所述被測試巖芯14夾裝于左側加載軸2和右側加載軸7且被測試巖芯14與左側加載軸2和右側加載軸7布設于同一水平線上,所述左側加載軸2和右側加載軸7均安裝在所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng)上。本實施例中，所采用的巖石力學試驗機可采用專利申請?zhí)枮?01120152906. 7的實用新型專利中所公開的電氣伺服巖石力學試驗機，其水平加載系統(tǒng)為該電氣伺服巖石力學試驗機的水平伺服加載機構。實際實驗過程中，被測試巖芯14上所承受的上覆壓力(此時，為液體壓力)為被測試巖芯14取芯時所承受的由上覆地層的基質質量和上覆地層孔隙中的流體(油、氣、水) 質量之和所產生的壓力，本發(fā)明中通過送入密閉盒體I內的化學試劑模擬被測試巖芯14上所承受的上覆壓力，且實驗過程中，可根據實際需要，對施加在被測試巖芯14上的上覆壓力數值進行相應調整。結合圖4，所述超聲波換能器4為電磁感應式超聲波換能器，且所述電磁感應式超聲波換能器包括內部開有空腔的換能器外殼4-6、布設在所述空腔前部且能產生超聲波的振動模板4-1、布設在所述空腔內且位于振動模板4-1正后方的平面電感線圈4-2、與平面電感線圈4-2相并接的電容器4-3和并接在電容器4-3兩端的電源4-4，所述平面電感線圈 4-2與電容器4-3之間通過導線一進行連接，所述電容器4-3與電源4-4之間通過導線二進行連接，所述平面電感線圈4-2、電容器4-3和所述導線一的導線電阻形成RLC振蕩電路。 所述換能器外殼4-6的前側外部布設有用于改變振動模板4-1所產生超聲波振幅的超聲波變幅桿4-5，所述超聲波變幅桿4-5密封安裝在密閉盒體I上，且密閉盒體I上部對應設置有供超聲波變幅桿4-5安裝的變幅桿安裝口。所述超聲波發(fā)生器6的輸出端與電源4-4的電源端相接，所述導線一和導線二上分別串接有通斷控制開關一和通斷控制開關二。本實施例中，所述換能器外殼4-6上開有散熱孔或者其內部安裝有散熱元件。本實施例中，所述換能器外殼4-6和超聲波變幅桿4-5均呈豎直向布設。同時，所述電磁感應式超聲波換能器還包括將超聲波變幅桿4-5固定安裝在密閉盒體I上的緊固套12，所述換能器外殼4-6的前側外部設置有供超聲波變幅桿4-5安裝的安裝座，所述安裝座位于所述變幅桿安裝口上方，且緊固套12與所述安裝座和所述變幅桿安裝口之間均以螺紋方式進行連接。所述緊固套12為內側壁上設置有內螺紋的螺紋套，所述安裝座為外側壁上對應設置有外螺紋的圓柱形螺紋柱，且所述變幅桿安裝口的外側壁上對應設置有外螺紋。本實施例中，為實現密封連接，所述安裝座外側套裝有0型密封圈一 13，且所述0 型密封圈一 13墊裝于所述變幅桿安裝口上部。本實施例中，所述空腔為圓柱狀空腔，振動模板4-1為圓形板且所述圓形板的直徑小于所述空腔的直徑，平面電感線圈4-2為圓形平面線圈且其直徑小于所述圓形板的直徑。所述超聲波變幅桿4-5、所述安裝座、所述換能器外殼4-6、振動模板4-1和平面電感線圈4-2均呈同軸布設。實際使用時，也可以通過連接件將振動模板4-1和平面電感線圈4-2固定為一體， 以使得二者之間的相對位置固定不變。
本實施例中，所述超聲波變幅桿4-5、所述安裝座和所述換能器外殼4-6加工制作為一體。所述通斷控制開關一和所述通斷控制開關二共用一個單刀雙擲開關K，所述單刀雙擲開關K的固定接線端通過導線與電容器4-3相接，且所述單刀雙擲開關K的另外兩個活動接線端分別通過導線一和導線二與平面電感線圈4-2和電源4-4相接。本實施例中，所述振動模板4-1為鋁板，且所述超聲波變幅桿4-5與換能器外殼 4-6加工制作為一體。實際使用時，通過電源4-4先給電容器4-3充電，然后再通過平面電感線圈4_2放電。平面電感線圈4-2放電過程中，所述RLC振蕩電路中將產生按指數規(guī)律衰減的正弦電流，該正弦電流在平面電感線圈4-2中產生一交變磁場，此交變磁場的磁力線穿過振動模板4-1，并相應在振動模板4-1內形成渦流，平面電感線圈4-2中的電流與振動模板4-1內所形成的渦流之間有交變的力的作用，使振動模板4-1產生振動而發(fā)出超聲波。本實施例中，密閉盒體I為內部中空的長方體盒體，實際使用時也可采用其它結構的密閉盒體。本實施例中，所述左側加載軸2和右側加載軸7均為圓柱形加載軸。相應地，所述加載軸安裝孔為圓形通孔。實際安裝時，所述超聲波功率檢測儀8安裝在密閉盒體I上，且密閉盒體I底部對應開有供超聲波功率檢測儀8安裝的安裝孔。所述化學試劑輸送管道11為不銹鋼管道。綜上所述，本發(fā)明所采用的巖石力學參數測定實驗裝置主要包括密閉盒體I、一對加載軸(即左側加載軸2和右側加載軸7)、液壓增壓器10、不銹鋼管道、排氣閥3、超聲波發(fā)生器6 (主要作用是為超聲波換能器4提供高頻交流電信號)、超聲波換能器4、連接于超聲波發(fā)生器6與超聲波換能器4之間的超聲信號傳輸電纜5、壓力檢測單兀16、超聲波功率檢測儀8和超聲波振幅測量儀15以及顯示單元9，其中密閉盒體I與超聲波換能器4之間采用絲扣連接，并用0型密封圈一 13進行密封；密閉盒體I底部安裝一超聲波功率檢測儀8， 且密閉盒體I左右兩側中部開有用于安裝一對加載軸的同軸圓孔，左側加載軸2和右側加載軸7與所述圓形通孔之間均通過0型密封圈二進行密封。另外，密閉盒體I上部設置有一排氣閥3，用于增壓時排氣，同時密閉盒體I下方安裝水嘴且經不銹鋼管道與液壓增壓器 10相連，使用液壓增壓器10可向密閉盒體I中加入實驗需用不同的化學溶液。如圖5所示的一種超聲波與化學作用下巖石力學參數進行測定實驗方法，包括以下步驟步驟一、實驗準備將被測試巖芯14水平夾裝于左側加載軸2和右側加載軸7之間，并將左側加載軸2和右側加載軸7均安裝在所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng)上；同時，打開排氣閥3。實際使用時，只需打開密閉盒體I與超聲波換能器4之間的絲扣連接(即螺紋連接)，將被測試巖芯14水平夾裝于左側加載軸2和右側加載軸7之間，并將左側加載軸2和右側加載軸7與加載試驗臺(即所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng))連接即可。步驟二、化學試劑添加向液壓增壓器10內加入化學試劑后，啟動液壓增壓器10 并通過化學試劑輸送管道11將化學試劑連續(xù)送入密閉盒體1，直至排氣閥3開始出液時關閉排氣閥3 ;之后，繼續(xù)通過液壓增壓器10對送入密閉盒體I內的化學試劑進行增壓處理， 直至被測試巖芯14上所承受的上覆壓力滿足實驗要求為止；增壓處理過程中，通過壓力檢測單元16對被測試巖芯14上所承受的上覆壓力進行實時檢測，并通過顯示單元9對壓力檢測單元16所檢測壓力信息進行同步顯示。實際操作過程中，向液壓增壓器10中加入實驗用化學試劑，再啟動液壓增壓器10 向密閉盒體I內內泵入化學試劑，當密閉盒體I上部所裝排氣閥3出液時，關閉排氣閥3。 之后，通過液壓增壓器10繼續(xù)增壓至實驗要求的壓力(具體是被測試巖芯14上所承受的上覆壓力滿足實驗要求)。步驟三、超聲波處理啟動啟動超聲波發(fā)生器6和超聲波換能器4，且按照實驗設定的超聲波處理時間，通過超聲波換能器4所產生的超聲波對被測試巖芯14進行超聲波處理。且啟動超聲波發(fā)生器6和超聲波換能器4之前，先對超聲波發(fā)生器6的工作參數進行相應調整并對調整后的工作參數作以記錄，且通過調整超聲波發(fā)生器6的工作參數， 對超聲波換能器4所產生超聲波的頻率和振幅進行相應調整。實際使用過程中，啟動超聲波發(fā)生器6和超聲波換能器4后，開始通過超聲波對被測試巖芯14進行超聲波處理。步驟四中所述超聲波發(fā)生器6和超聲波換能器4啟動后，采用間歇式處理方式對被測試巖芯14進行超聲波處理,且每處理5min 30min,間歇5min 20min。本實施例中，進行超聲波處理時，每處理lOmin，間歇lOmin，實際操作過程中，可根據實際具體需要， 對超聲波處理時間和間隔時間進行相應調整。步驟四、啟動加載且加載過程中同步進行巖石力學參數測定步驟三中所述的超聲波發(fā)生器6和超聲波換能器4啟動后，啟動所述巖石力學試驗機，且通過左側加載軸2和右側加載軸7分別從左右兩側對被測試巖芯14進行對稱加載；加載過程中，按照常規(guī)巖石力學參數測定方法，且通過所述巖石力學試驗機對被測試巖芯14的巖石力學參數進行測試，并對測試結果同步進行記錄；同時，加載過程中，通過超聲波功率檢測儀8和超聲波振幅測量儀15分別對超聲波換能器4作用在被測試巖芯14上的超聲波功率和振幅進行實時檢測，并對超聲波功率檢測儀8和超聲波振幅測量儀15的檢測結果同步進行記錄，并相應得出超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯14的巖石力學參數。本實施例中，直至被測試巖芯14因加載發(fā)生斷裂后，實驗結束。本實施例中，步驟四中得出超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯14的巖石力學參數后，還需更換被測試巖芯14，且重復步驟一至步驟四，分別對多個被更換的被測試巖芯14進行多次超聲波與化學試劑聯合作用下的巖石力學參數測試。多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟三中所述超聲波換能器4所產生超聲波的功率、頻率或振幅均不相同時，可得出同一種巖芯在不同功率、不同頻率或不同振幅的超聲波處理與同一種化學試劑聯合作用下的巖石力學參數。多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟二中所加入化學試劑種類均不相同時， 可得出同一種巖芯在同等條件超聲波處理與不同種類化學試劑聯合作用下的巖石力學參數。多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟一中所述被測試巖芯14的巖芯種類不同時，可得出不同種類巖芯在同等條件超聲波處理與同一種化學試劑聯合作用下的巖石力學參數。
實際操作過程中，通過超聲波功率檢測儀8和超聲波振幅測量儀15測量超聲功率大小和振幅，從而建立超聲波參數與巖石力學參數變化間的對應關系。綜上，實驗中可使用不同巖樣、不同化學試劑，并可改變超聲波頻率、功率、振幅、處理時間、處理方式等來研究超聲波與化學試劑聯合作用對巖石力學參數的影響。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內。
1權利要求
1.一種超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于包括巖石力學試驗機、液壓增壓器(10)、用于放置被測試巖芯(14)的密閉盒體(I)、對被測試巖芯(14) 進行超聲波處理的超聲波換能器(4)、與超聲波換能器(4)相接的超聲波發(fā)生器￠)、對被測試巖芯(14)上所承受的上覆壓カ進行實時檢測的壓力檢測單元(16)，以及分別對超聲波換能器(4)作用在被測試巖芯(14)上的超聲波功率和振幅進行實時檢測的超聲波功率檢測儀⑶和超聲波振幅測量儀(15);所述巖石力學試驗機分別通過左側加載軸⑵和右側加載軸(7)從左右兩側對被測試巖芯(14)進行對稱加載，所述超聲波換能器(4)位于密閉盒體(I)上方，所述液壓增壓器(10)通過化學試劑輸送管道(11)將化學試劑送入密閉盒體(I)并對送入密閉盒體(I)內的化學試劑進行增壓處理，所述密閉盒體(I)上部安裝有排氣閥(3)，且所述壓カ檢測單元(16)、超聲波功率檢測儀(8)和超聲波振幅測量儀(15)均與顯示單元(9)相接；所述密閉盒體(I)的左右兩側分別開有供左側加載軸(2)和右側加載軸(7)安裝的加載軸安裝孔，所述被測試巖芯(14)呈水平向布設，所述被測試巖芯(14)夾裝于左側加載軸(2)和右側加載軸(7)且被測試巖芯(14)與左側加載軸(2)和右側加載軸(7)布設于同一水平線上，所述左側加載軸(2)和右側加載軸(7)均安裝在所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng)上。
2.按照權利要求I所述的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于所述超聲波換能器(4)為電磁感應式超聲波換能器，且所述電磁感應式超聲波換能器包括內部開有空腔的換能器外殼(4-6)、布設在所述空腔前部且能產生超聲波的振動模板 (4-1)、布設在所述空腔內且位于振動模板(4-1)正后方的平面電感線圈(4-2)、與平面電感線圈(4-2)相并接的電容器(4-3)和并接在電容器(4-3)兩端的電源(4-4)，所述平面電感線圈(4-2)與電容器(4-3)之間通過導線ー進行連接，所述電容器(4-3)與電源(4-4)之間通過導線ニ進行連接，所述平面電感線圈(4-2)、電容器(4-3)和所述導線一的導線電阻形成RLC振蕩電路；所述換能器外殼(4-6)的前側外部布設有用于改變振動模板(4-1)所產生超聲波振幅的超聲波變幅桿(4-5)，所述超聲波變幅桿(4-5)密封安裝在密閉盒體(I) 上，且密閉盒體(I)上部對應設置有供超聲波變幅桿(4-5)安裝的變幅桿安裝ロ ；所述超聲波發(fā)生器(6)的輸出端與電源(4-4)的電源端相接，所述導線一和導線ニ上分別串接有通斷控制開關ー和通斷控制開關ニ。
3.按照權利要求I或2所述的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于所述左側加載軸(2)和右側加載軸(7)均為圓柱形加載軸。
4.按照權利要求2所述的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于所述換能器外殼(4-6)和超聲波變幅桿(4-5)均呈豎直向布設。
5.按照權利要求4所述的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在干所述電磁感應式超聲波換能器還包括將超聲波變幅桿(4-5)固定安裝在密閉盒體(I) 上的緊固套(12)，所述換能器外殼(4-6)的前側外部設置有供超聲波變幅桿(4-5)安裝的安裝座，所述安裝座位于所述變幅桿安裝口上方，且緊固套(12)與所述安裝座和所述變幅桿安裝ロ之間均以螺紋方式進行連接；所述緊固套(12)為內側壁上設置有內螺紋的螺紋套，所述安裝座為外側壁上對應設置有外螺紋的圓柱形螺紋柱，且所述變幅桿安裝ロ的外側壁上對應設置有外螺紋。
6.按照權利要求5所述的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于所述安裝座外側套裝有0型密封圈ー(13)，且所述0型密封圈ー(13)墊裝于所述變幅桿安裝口上部。
7.按照權利要求5或6所述的超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置，其特征在于所述空腔為圓柱狀空腔，振動模板(4-1)為圓形板且所述圓形板的直徑小于所述空腔的直徑，平面電感線圈(4-2)為圓形平面線圈且其直徑小于所述圓形板的直徑；所述超聲波變幅桿(4-5)、所述安裝座、所述換能器外殼(4-6)、振動模板(4-1)和平面電感線圈 (4-2)均呈同軸布設。
8.ー種利用如權利要求I所述實驗裝置對超聲波與化學作用下巖石力學參數進行測定實驗的方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、實驗準備將被測試巖芯(14)水平夾裝于左側加載軸(2)和右側加載軸(7) 之間，并將左側加載軸(2)和右側加載軸(7)均安裝在所述巖石力學試驗機的水平加載系統(tǒng)上；同時，打開排氣閥(3)；步驟ニ、化學試劑添加向液壓增壓器(10)內加入化學試劑后，啟動液壓增壓器(10) 并通過化學試劑輸送管道(11)將化學試劑連續(xù)送入密閉盒體(I)，直至排氣閥(3)開始出液時關閉排氣閥⑶；之后，繼續(xù)通過液壓增壓器(10)對送入密閉盒體⑴內的化學試劑進行增壓處理，直至被測試巖芯(14)上所承受的上覆壓カ滿足實驗要求為止；增壓處理過程中，通過壓カ檢測單元(16)對被測試巖芯(14)上所承受的上覆壓カ進行實時檢測，并通過顯示単元(9)對壓カ檢測單元(16)所檢測壓力信息進行同步顯示；步驟三、超聲波處理啟動啟動超聲波發(fā)生器(6)和超聲波換能器(4)，且按照實驗設定的超聲波處理時間，通過超聲波換能器(4)所產生的超聲波對被測試巖芯(14)進行超聲波處理；且啟動超聲波發(fā)生器(6)和超聲波換能器(4)之前，先對超聲波發(fā)生器￠)的工作參數進行相應調整并對調整后的工作參數作以記錄，且通過調整超聲波發(fā)生器(6)的工作參數，對超聲波換能器(4)所產生超聲波的頻率和振幅進行相應調整；步驟四、啟動加載且加載過程中同步進行巖石力學參數測定步驟三中所述的超聲波發(fā)生器(6)和超聲波換能器(4)啟動后，啟動所述巖石力學試驗機，且通過左側加載軸(2) 和右側加載軸(7)分別從左右兩側對被測試巖芯(14)進行對稱加載；加載過程中，按照常規(guī)巖石力學參數測定方法，且通過所述巖石力學試驗機對被測試巖芯(14)的巖石力學參數進行測試，并對測試結果同步進行記錄；同時，加載過程中，通過超聲波功率檢測儀(8) 和超聲波振幅測量儀(15)分別對超聲波換能器(4)作用在被測試巖芯(14)上的超聲波功率和振幅進行實時檢測，并對超聲波功率檢測儀(8)和超聲波振幅測量儀(15)的檢測結果同步進行記錄，并相應得出超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯(14)的巖石力學參數。
9.按照權利要求8所述的方法，其特征在于步驟四中得出超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯(14)的巖石力學參數后，還需更換被測試巖芯(14)，且重復步驟一至步驟四，分別對多個被更換的被測試巖芯(14)進行多次超聲波與化學試劑聯合作用下的巖石力學參數測試；多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟三中所述超聲波換能器(4)所產生超聲波的功率、頻率或振幅均不相同時，可得出同一種巖芯在不同功率、不同頻率或不同振幅的超聲波處理與同一種化學試劑聯合作用下的巖石力學參數；多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟二中所加入化學試劑種類均不相同時，可得出同一種巖芯在同等條件超聲波處理與不同種類化學試劑聯合作用下的巖石力學參數；多次巖石力學參數測試過程中，當僅步驟一中所述被測試巖芯(14)的巖芯種類不同時，可得出不同種類巖芯在同等條件超聲波處理與同一種化學試劑聯合作用下的巖石力學參數。
10.按照權利要求8或9所述的方法，其特征在于步驟四中所述超聲波發(fā)生器(6)和超聲波換能器(4)啟動后，采用間歇式處理方式對被測試巖芯(14)進行超聲波處理，且每處理 5min 30min,間歇 5min 20min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波與化學作用下巖石力學參數測定實驗裝置及方法，其實驗裝置包括用于放置被測試巖芯的密閉盒體、分別通過左側加載軸和右側加載軸從左右兩側對被測試巖芯進行對稱加載的巖石力學試驗機、超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、液壓增壓器、布設于密閉盒體上部的排氣閥、壓力檢測單元、超聲波功率檢測儀和超聲波振幅測量儀以及顯示單元；其實驗方法包括步驟一、實驗準備；二、化學試劑添加；三、超聲波處理啟動；四、啟動加載且加載過程中同步進行巖石力學參數測定。本發(fā)明設計合理、安裝布設方便、功能完善且使用操作簡便、使用效果好，能高效、快速完成超聲波與化學試劑聯合作用下被測試巖芯的巖石力學參數測定實驗。
文檔編號G01N1/28GK102607959SQ201210086329
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權日2012年3月28日
發(fā)明者劉靜, 吳飛鵬, 張兵, 蒲春生, 許洪星 申請人:中國石油大學(華東)