本發(fā)明屬于油氣鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說涉及一種基于聲學(xué)與力學(xué)定量評價頁巖水化的裝置。

背景技術(shù)：

由唯物辯證法可知，事物的利與弊總是相伴的。頁巖油氣的勘探與開發(fā)正是該理論的寫照，地質(zhì)勘探表明我國頁巖地層具備驚人的油氣儲量，然而，頁巖層黏土礦物易發(fā)生水化膨脹甚至分散，嚴(yán)重時導(dǎo)致井眼崩塌、縮徑、儲層堵塞等嚴(yán)重工程事故。如何安全有效地開采出我國頁巖層豐富的油氣資源是一個世界性難題。目前，現(xiàn)場鉆井防止井壁水化的方法主要分為物化封堵及化學(xué)抑制兩種方式。其中，物化封堵是通過物理化學(xué)方法對井壁巖層孔隙進(jìn)行封堵，阻止水分子滲入；化學(xué)抑制則是通過引入化學(xué)抑制劑，依靠抑制劑與黏土礦物間的化學(xué)結(jié)合力，排擠出黏土層間水分子并有效抑制黏土水化。然而，如何定量表征井壁水化程度及封堵抑制效果，還無從得知。因此，本發(fā)明提供一種基于力學(xué)與聲學(xué)定量評價頁巖水化的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)可以通過聲學(xué)和力學(xué)定量評價頁巖水化程度，通過這一方法可以有效降低操作時間，操作簡便，同時避免人工誤差。

本發(fā)明提供一種頁巖水化特性的評價裝置，該裝置由用于測定頁巖聲波速度系統(tǒng)和用于測定頁巖楊氏模量系統(tǒng)組成。通過該裝置測定頁巖聲波速度和楊氏模量值，通過計算獲得巖心水化率。

本發(fā)明具體包括壓力控制室、聲波發(fā)射器、應(yīng)力傳感器、巖心安裝裝置、聲波接收器、聲波信號處理裝置和計算機(jī)，所述壓力控制室、聲波發(fā)射器、應(yīng)力傳感器、巖心安裝裝置、聲波接收器、聲波信號處理裝置和計算機(jī)相連接。所述的聲波發(fā)生器、應(yīng)力傳感器和巖心安裝裝置安裝在巖心裝置器內(nèi)。所述的巖心裝置器內(nèi)還安裝有聲波阻隔介質(zhì)。所述的應(yīng)力傳感器安裝于巖心安裝裝置左側(cè)，并且與壓力控制室相連接(具體如附圖6所示)。

本發(fā)明同時還提供了評價頁巖水化特性的方法，包括以下步驟：將頁巖巖心放置入巖心安裝裝置內(nèi)，通過本發(fā)明所述的裝置，獲取巖心聲波及壓力信號，通過計算機(jī)自動算出頁巖水化率。

本發(fā)明獲得如下有益效果

1.由于目前頁巖水化評價為定性評價，本發(fā)明提供了一種定量評價方法，可以提高研究深度與精度。

2.當(dāng)前評價手段(頁巖線性膨脹實驗、頁巖巖屑滾動回收實驗)操作費(fèi)時，人工消耗量大，人工誤差大等問題，本發(fā)明方法能有效降低操作時間，操作簡便，同時避免人工誤差。

附圖說明

圖1-圖3：為不同頁巖水化率與相對濕度的關(guān)系圖；

圖4：為龍馬溪頁巖水化率與聲波速度關(guān)系圖；

圖5：為龍馬溪頁巖水化率與楊氏模量關(guān)系；

圖6：為裝置設(shè)計圖，圖中標(biāo)注說明：1-壓力控制室，2-封閉閥門，3-巖心裝置器，4-聲波發(fā)射器，5-應(yīng)力傳感器，6-頁巖巖心，7-聲波接收器，8-聲波阻隔介質(zhì)，9-電源，10-聲波信號處理裝置，11-計算機(jī)。

具體實施方式

實施例1：等溫吸附實驗

實驗所用頁巖巖心采自不同地區(qū)龍馬溪組硬脆性巖石

將頁巖巖心放入不同相對濕度的干燥皿中,密封放置7天后,立即取出巖心用分析天平稱量其質(zhì)量M1,計算出吸附前后質(zhì)量變化值即水化量,于是得到水化率。附圖1-附圖3顯示了不同地區(qū)巖心在不同相對濕度下的水化情況。

實施例2：測量不同水化程度巖心的聲波速度

聲波傳播速度與傳遞介質(zhì)顆粒間結(jié)合緊密程度密切相關(guān)，一般來說，顆粒間結(jié)合力大，聲波傳播速度大，反之，聲波傳播速度小。然而，頁巖水化，拉大了黏土顆粒層間距離，嚴(yán)重時產(chǎn)生水化分散現(xiàn)象，聲學(xué)體現(xiàn)為聲波速度減小。實驗內(nèi)容：實驗利用聲波測試儀，其由超聲測試發(fā)射儀，超聲測試接受儀，以及電腦顯示端3部分組成。該儀器能夠直觀地獲得聲波波形及變化，精確計算橫縱波波速，能有效研究聲波傳遞規(guī)律。首先，將水化后的巖心小心放入同規(guī)格巖心安置器內(nèi)。然后，接通電源，觀察聲波顯示器上波形變化，直到1min內(nèi)波形變化規(guī)律無變化時，記錄下聲波速度。

通過對不同區(qū)塊巖心進(jìn)行聲波傳遞試驗,附圖4給出了巖心水化率與聲速間的線性回歸方程V＝-115.92w+1647,相關(guān)系數(shù)為0.9665.

實施例3：測量不同水化程度巖心的彈性模量

理論上講,巖心密度越大,越難被壓縮,所測彈性模量大。頁巖水化后，由于水分子的吸附，宏觀上體現(xiàn)為頁巖體積膨脹或表面巖層脫落，實質(zhì)上，水分子拉大了剛性顆粒間距，巖心密度降低。因此，本發(fā)明針對不同水化率巖心，試驗彈性模量的變化規(guī)律。附圖5給出了巖心水化率與相應(yīng)彈性模量值間的線性回歸方程，E＝-1.23w+16.63,相關(guān)系數(shù)為0.9879.

實施例4：計算巖心水化率

由上已建立龍馬溪組巖心水化率與楊氏模量、聲波速度間的關(guān)系，則即可通測量龍馬溪組巖心的楊氏模量與聲波速度反算巖心水化率:

(E+1.23w-16.63)2+(V+115.92w-1647)2≤R2,R誤差允許值為1

即(E+1.23w-16.63)2+(V+115.92w-1647)2≤1

該不等式為龍馬溪組硬脆性頁巖水化評價公式

將該不等式普適化(假設(shè)巖心采自任意層位)

令V＝aw+b，E＝rw+c

其中,a,b,r,c為常數(shù)，其數(shù)值大小與巖心孔隙，巖石礦物組成，溫度等有關(guān)。

則可推出:(V-aw-b)2+(E-rw-c)2≤1,該不等式即為頁巖水化評價公式。任意層位頁巖巖心評價內(nèi)容如下:

1.依據(jù)上述方法,確立四固定參數(shù)a,b,r,c

2.根據(jù)對精度的需求，建立不等式,但建議R值不超過1。

3.根據(jù)所測聲波速度及楊氏模量計算巖心水化率

4.計算所得巖心水化率大代表單位質(zhì)量黏土顆粒吸附水分子量大，頁巖水化程度嚴(yán)重。

實施例5：巖心水化率測定方法

將巖心放置入頁巖加壓器內(nèi)，通過聲波速度系統(tǒng)測定頁巖的聲波信號，以及通過楊氏模量測定系統(tǒng)測定壓力信號，然后通過計算機(jī)自動反算出頁巖水化率。

實施例6：巖心水化率測定方法

將頁巖巖心(6)放入巖心裝置器(3)內(nèi)，通過聲波發(fā)射器(4)發(fā)射聲波于巖心，然后通過聲波接收器(7)接收到聲波信號，然后通過聲波信號處理裝置(10)對聲波進(jìn)行處理，然后傳輸給計算機(jī)(11)，獲得聲波速度；通過壓力控制室(1)將壓力作用于巖心，然后通過應(yīng)力傳感器(5)獲取壓力信息，然后將壓力信息傳輸給計算機(jī)(11),然后計算機(jī)(11)通過設(shè)定的公式，自動給出巖心水化率。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。