一种检测岩石内部裂缝结构的系统及方法

一种检测岩石内部裂缝结构的系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种检测岩石内部裂缝结构的系统及方法，属于高压检测领域。所述检测岩石内部裂缝结构的系统包括CT扫描装置、高压仓和气压装置；所述CT扫描装置设置在高压仓外；待测样品放置在所述高压仓内；所述CT扫描装置用于对待测样品进行X射线检测；所述气压装置通过管路接入所述高压仓内，对高压仓内进行气体注入和气体量计量。利用本发明能在注入气体的同时对样品进行CT扫描检测，在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、细致、多层次、直观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于高压检测领域，具体涉及一种检测岩石内部裂缝结构的系统及方法。 一种检测岩石内部裂缝结构的系统及方法

【背景技术】
[0002] 工业CT是工业用计算机断层成像技术的简称，它能在对检测物体无损伤条件下， 以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、细致、多层次、直观地展示被检测物体 内部的结构、组成、材质及缺损状况，被誉为当今最佳无损检测技术。但是工业CT 一般只能 在常温、常压条件下对物体进行静态检测。
[0003] 众所周知，天然气在储层岩石中主要存在与岩石的孔隙、裂缝之中，要对深气田进 行研究，就需要模拟地下深处的储层岩石中真实的压力环境。通过检测含气岩石在不同压 力和气体充填条件下物理特性的变化，可以对储气层的生成、变化和迁移等进行研究，其数 据对气田的开发有着重要的指导意义。高压釜就是模拟这种压力环境的设备。
[0004] 高压釜实际上是一个密封的高压仓。在仓内，待测样品被加压。然后通过内置的 检测装置记录其在不同条件下物理特性的变化。因此通过该装置可以测出样品的各个阶段 表现出的有别于常温低压环境下的特性。在石油勘探研究部门，要想真正认识油、气地层的 岩石物理特征，它是一个必不可少的研究手段。
[0005] 目前检测裂缝的方法有多种，比如CT、超声波成像等方法，但所有的方法只是针对 于岩石内部已经存在的裂缝进行观测，无法检测不同压力状态下的裂缝产生的动态过程。 而目前，石油工业上，在对非常规油气藏（例如页岩气）进行开采时，通常是通过对储层进 行压裂的方式提升开采量，因此研究岩石受压开裂的过程，对非常规油气藏的开发具有很 大的意义。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种检测岩石内部裂缝 结构的系统及方法，将工业CT技术和高压釜融合在一起，吸收两种技术的优点，克服各自 的缺点，实现更精密、高效的高压岩石物理测试。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种检测岩石内部裂缝结构的系统，包括CT扫描装置、高压仓和气压装置；
[0009] 所述CT扫描装置设置在高压仓外；待测样品放置在所述高压仓内；
[0010] 所述CT扫描装置用于对待测样品进行X射线检测；
[0011] 所述气压装置通过管路接入所述高压仓内，对高压仓内进行气体注入和气体量计 量。
[0012] 所述高压仓和待测样品均为圆柱形；
[0013] 所述待测样品的外圆柱面用胶套包裹后塞入高压仓内，胶套的外表面与高压仓的 内柱面紧密接触；
[0014] 在待测样品的两个端面均设有堵头，所述两个堵头将样品压紧；
[0015] 两个所述堵头均开有孔并连接有气体管道；两个堵头所连的气体管道均伸出高压 仓外，并与所述气压装置连接，气体从一端的堵头进入待测样品，通过待测样品后，从另一 $而的堵头流出。
[0016] 所述CT扫描装置的X射线发射板和X射线接收板分别位于所述高压仓的一侧，且 两者相对设置，X射线发射板发出的射线，穿过待测样品后，被X射线接收板接收。
[0017] 所述检测岩石内部裂缝结构的系统进一步包括旋转机械托架和步进电机；所述高 压仓固定在旋转机械托架上，当进行X射线扫描时，由步进电机带动旋转机械托架旋转，进 而带动高压仓旋转，每次旋转得到一个面的扫描图。
[0018] 所述检测岩石内部裂缝结构的系统进一步包括计算机，所述计算机对CT扫描装 置、步进电机和气压装置进行控制并记录数据；具体来说，操作者通过计算机控制CT扫描 装置的工作参数（包括射线电压、扫描分辨率、扫描总次数），步进电机的启动、停止、旋转 速率，气压装置的工作参数（包括气体注入压力、加压速度、加压时间）。在实验过程中，通 过计算机记录以上所述参数。
[0019] 所述计算机采集穿透待测样品后的射线能量值，并构建待测样品的三维图像。
[0020] 所述高压仓的外壳采用耐高压的非金属材料制造而成。
[0021] 一种利用所述检测岩石内部裂缝结构的系统进行检测的方法，其包括以下步骤：
[0022] (1)将用胶套包裹好后的待测样品安装在高压仓内；
[0023] (2)设置气体注入参数，包括气体注入压力、气体压力平衡时间、目标压力值；设 置扫描总次数N，扫描次数为0 ;
[0024] (3)启动加压过程；
[0025] (4)对待测样品进行加压；扫描次数加1 ;
[0026] (5)判断是否到达步骤（2)中设定的目标压力值，如是，则暂停加压，进行CT测量， 然后转入步骤（6)，如否，则返回步骤（4);
[0027] (6)判断扫描次数是否达到扫描总次数N，如是，则视为完成测量，并转入步骤 (7)，如否，则返回步骤（4);
[0028] (7)处理和显示采集结果。
[0029] 所述步骤（7)具体如下：
[0030] 计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重 构，最终显示待测样品的立体图形。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032] 1.本发明能在注入气体的同时对样品（如岩石等）进行CT扫描检测，能在对检测 物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、细致、多层次、直 观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况。
[0033] 2.本发明中气体注入的最高压力可升至二十兆帕。

【专利附图】

【附图说明】
[0034] 图1是本发明检测岩石内部裂缝结构的系统的结构示意图。
[0035] 图2是本发明检测岩石内部裂缝结构的系统的工作原理图。
[0036] 图3是本发明方法的步骤框图。

【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0038] 本发明检测岩石内部裂缝结构的系统是一种自动检测装置，是一种岩石样品在被 气体充填、挤压下用工业CT扫描仪精密检测并纪录样品内部裂缝结构发生渐变和突变的 过程和形态的系统。它集合了工业CT扫描仪分辨率高，直观和高压装置能产生高压的特 点，能够实现气体对岩石内部微小裂隙挤压扩张的全程检测。
[0039] 本发明在采用了气体注入系统模拟地下天然气藏高压环境的同时，吸收了工业CT 扫描系统分辨率高的优点，可动态、精细显示被测物体中的裂缝在被气体逐渐充填、挤压情 况下，内部结构（包括缝隙、孔洞等）发生的渐变和突变过程。
[0040] 本发明包括两项：系统结构和控制流程。
[0041] 1.系统结构
[0042] 本发明所叙述的系统按其功能可分为CT扫描部分和高压仓部分。CT扫描部分完 成对待测样品的X射线检测。而高压仓部分则实现对样品进行气体充填。对高压仓的外壳 的要求是耐高压，同时对X射线衰减小。高压仓的外壳一般采用耐高压的非金属材料（如 聚四氟乙烯）制造。外壳的耐压能力还与外壳材料的厚度有关。当厚度增加时，耐压能力 增加，但对X射线的吸收相应增加。此时,可以通过增加 X射线发射强度来解决。
[0043] 本发明采用落地式高压CT扫描系统结构。CT扫描时高压仓安装在托架上，由步进 电机带动托架和高压仓旋转，而CT扫描系统始终处于静止状态。
[0044] 高压CT扫描系统结构框图如图1所示，高压CT扫描系统中，高压仓安装在托架 上，X射线扫描时由步进电机带动托架旋转，而CT扫描系统始终处于静止状态。
[0045] 如图2所示，高压仓和样品均为圆柱形，高压仓的直径略大于样品，样品用胶套包 裹后（两端面除外）放于高压仓内，确保胶套包裹的样品与高压仓紧密接触（胶套具有弹 性，在套住样品塞入高压仓后，能保证胶套与高压仓紧密接触）。样品两端面用带有气体管 道的堵头压紧（堵头中间是开孔的，从孔中间接入气管），保证气体由一端注入，通过样品 后，从另一端流出。
[0046] 2.控制流程
[0047] 本发明采用全自动方式通过计算机和接口电路及相应的软件控制气体注入、计量 和检测过程。
[0048] 如图3所示，本发明方法包括以下步骤：
[0049] (1)将用胶套包裹好后的待测样品安装在高压仓内；
[0050] (2)设置气体注入参数，包括气体注入压力、气体压力平衡时间、目标压力值；
[0051] (3)启动加压过程；
[0052] (4)对待测样品进行加压；
[0053] (5)判断是否到达步骤（2)中设定的目标压力值，如是，则暂停加压，进行CT测量， 然后转入步骤（6)，如否，则返回步骤（4);
[0054] (6)判断全部测量是否完成（在CT测量开始前，设定扫描次数，实际测量达到预设 次数时，视为完成测量），如是，则转入步骤（7)，如否，则返回步骤（4);
[0055] (7)处理和显示采集结果：
[0056] 计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重 构，最终显示待测样品的立体图形。
[0057] 本发明对样品施加的是气体压力，其压力是通过将气体压入到样品内部的裂隙， 由内致外地将样品缓慢压裂，并实时检测样品内部产生裂缝的过程，用于研究岩石的性质。
[0058] 本发明通过吸收两种技术的优点，将工业CT扫描仪和高压仓组成精密、高效的岩 石物理测试系统。该系统可以模拟地下天然气储层岩石的受压环境，在有气体充填条件下 对试样进行XT射线自动检测，并将检测结果以多幅立体或平面图像的形式，精细、直观地 显示出来。它为石油勘探研究提供了有效的检测方法和检测手段。
[0059] 上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本 发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本 发明上述【具体实施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制 性的意义。
【权利要求】
1. 一种检测岩石内部裂缝结构的系统，其特征在于：所述检测岩石内部裂缝结构的系 统包括CT扫描装置、高压仓和气压装置； 所述CT扫描装置设置在高压仓外；待测样品放置在所述高压仓内； 所述CT扫描装置用于对待测样品进行X射线检测； 所述气压装置通过管路接入所述高压仓内，对高压仓内进行气体注入和气体量计量。
2. 根据权利要求1所述的检测岩石内部裂缝结构的系统，其特征在于：所述高压仓和 待测样品均为圆柱形； 所述待测样品的外圆柱面用胶套包裹后塞入高压仓内，胶套的外表面与高压仓的内柱 面紧密接触； 在待测样品的两个端面均设有堵头，所述两个堵头将样品压紧； 两个所述堵头均开有孔并连接有气体管道；两个堵头所连的气体管道均伸出高压仓 夕卜，并与所述气压装置连接，气体从一端的堵头进入待测样品，通过待测样品后，从另一端 的堵头流出。
3. 根据权利要求2所述的检测岩石内部裂缝结构的系统，其特征在于：所述CT扫描装 置的X射线发射板和X射线接收板分别位于所述高压仓的一侧，且两者相对设置，X射线发 射板发出的射线，穿过待测样品后，被X射线接收板接收。
4. 根据权利要求3所述的检测岩石内部裂缝结构的系统，其特征在于：所述检测岩石 内部裂缝结构的系统进一步包括旋转机械托架和步进电机；所述高压仓固定在旋转机械托 架上，当进行X射线扫描时，由步进电机带动旋转机械托架旋转，进而带动高压仓旋转。
5. 根据权利要求4所述的检测岩石内部裂缝结构的系统，其特征在于：所述检测岩石 内部裂缝结构的系统进一步包括计算机，所述计算机对CT扫描装置、步进电机和气压装置 进行控制并记录数据； 所述计算机采集穿透待测样品后的射线能量值，并构建待测样品的三维图像。
6. 根据权利要求5所述的检测岩石内部裂缝结构的系统，其特征在于：所述高压仓的 外壳采用耐高压的非金属材料制造而成。
7. -种利用权利要求6所述的检测岩石内部裂缝结构的系统进行检测的方法，其特征 在于：所述方法包括以下步骤： (1) 将用胶套包裹好后的待测样品安装在高压仓内； (2) 设置气体注入参数，包括气体注入压力、气体压力平衡时间、目标压力值；设置扫 描总次数N,扫描次数为0 ; (3) 启动加压过程； (4) 对待测样品进行加压；扫描次数加1 ; (5) 判断是否到达步骤（2)中设定的目标压力值，如是，则暂停加压，进行CT测量，然后 转入步骤（6)，如否，则返回步骤（4); (6) 判断扫描次数是否达到扫描总次数N，如是，则视为完成测量，并转入步骤（7)，如 否，则返回步骤（4); (7) 处理和显示采集结果。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤（7)具体如下： 计算机将采集到的射线能量值转化为数值信号，再根据数值信号进行三维图像重构，
【文档编号】G01N3/08GK104101536SQ201310129744
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月15日 优先权日:2013年4月15日
【发明者】周枫, 赵群, 薛诗桂, 李呈呈, 张明 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院