岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置包括：芯筒，内部设置有用于安装岩芯的轴向通孔，该轴向通孔的两端的内径小于该轴向通孔中间部分的内径；冷却液组件，与轴向通孔连通并能够向轴向通孔内注入冷却液；加热组件，用于加热芯筒内的岩芯；声波测量组件，用于测量通过芯筒内岩芯的声波速度。本实用新型的有益效果是，本实用新型能够用来模拟气体钻井中井底岩石温度的升降，同时，测量随温度变化的实时纵波速度变化，可以模拟温度剧变条件下岩石的破坏特征的动态变化，并直接获得相关参数。
【专利说明】
岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及石油钻井领域，具体是一种岩石在温度变化下的变化特征测量模 拟装置。
【背景技术】
[0002] 在气体钻井过程中，由于在喷嘴处产生的焦耳-汤姆逊效应，会使井底温度在较短 的时间内迅速降低，达到冰点以下，产生冰包。井底岩石温度从原始地层温度剧变降低，这 种变化对于岩石的孔隙、裂缝以及矿物胶结等产生干扰，进而对岩石的强度等产生影响。研 究温度剧变条件下，岩石的破坏特性，对于气体钻井钻速的提高很有意义。由于井底工况复 杂，无法测量井底岩石的变化情况，现有的一些装置没有进行温度和声波的同步变化测量。 【实用新型内容】
[0003] 为了克服现有技术中无法模拟测量井底岩石在温度变化下的变化特征，本实用新 型提供了一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，以达到模拟测量井底岩石在温 度变化下的变化情况的目的。
[0004] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种岩石在温度变化下的变化 特征测量模拟装置，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置包括:芯筒，内部设置有 用于安装岩芯的轴向通孔，该轴向通孔的两端的内径小于该轴向通孔中间部分的内径;冷 却液组件，与轴向通孔连通并能够向轴向通孔内注入冷却液;加热组件，用于加热芯筒内的 岩芯;声波测量组件，用于测量通过芯筒内岩芯的声波速度。
[0005] 进一步地，芯筒的筒壁设置有与轴向通孔连通的开口槽，冷却液组件包括注液漏 斗，注液漏斗的小径端与开口槽连通。
[0006] 进一步地，开口槽的四周含有槽壁，芯筒外还设有盖状的散口，散口包括侧周壁和 顶壁，散口的侧周壁设在开口槽的槽壁外，注液漏斗的小径端能够穿过散口上端的插接孔 与开口槽连通，散口的顶壁开设有多个间隔设置的冷却液挥发孔，该冷却液挥发孔与开口 槽连通。
[0007] 进一步地，该声波测量组件包括探头、声波测定仪和探头数据线，探头为两个，两 个探头通过探头数据线与声波测定仪连接，当该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装 置处于使用状态时，两个探头分别与岩芯的两个端面抵接。
[0008] 进一步地，当该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于使用状态时，两 个探头的几何中心连线与芯筒的轴线重合。
[0009] 进一步地，加热组件包括两个相同的热电阻，当该岩石在温度变化下的变化特征 测量模拟装置处于使用状态时，两个相同的热电阻均与岩芯的外周面贴合，并且两个相同 的热电阻分别对称设置于岩芯的两端与芯筒的两端之间。
[0010] 进一步地，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括温度测量组件， 温度测量组件包括数据采集卡、温度自动采集系统和连接线，两个相同的热电阻均通过连 接线与数据采集卡连接，数据采集卡与温度自动采集系统连接。
[0011] 进一步地，岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括夹持组件，夹持组 件包括两个夹持板，一个探头固定于其中一个夹持板上，另一个探头固定于另一个夹持板 上。
[0012] 进一步地，每个夹持板的内侧表面上均设置有半圆环深槽，探头插接固定于半圆 环深槽内，探头的外径与半圆环深槽的内径相同。
[0013] 进一步地，两个夹持板之间设置有拉簧，当该岩石在温度变化下的变化特征测量 模拟装置处于使用状态时，两个夹持板能够在拉簧的作用下将探头压紧于岩芯的两端。
[0014] 本实用新型的有益效果是，本实用新型能够用来模拟气体钻井中井底岩石温度的 升降，同时，测量随温度变化的实时纵波速度变化，可以模拟井底岩石在温度变化下的破坏 特征的动态变化，并直接获得相关参数。
【附图说明】
[0015] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用 新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。 在附图中：
[0016] 图1为本实用新型岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置实施例的结构示意 图；
[0017] 图2为本实用新型实施例中芯筒的侧视图；
[0018] 图3是图2的A-A向剖视图；
[0019] 图4是本实用新型实施例中散口和注液漏斗的装配结构示意图；
[0020] 图5是本实用新型实施例中散口的俯视图；
[0021 ]图6是本实用新型实施例中夹持组件的结构示意图。
[0022]图中附图标记：10、芯筒；11、开口槽；111、槽壁；12、散口； 121、冷却液挥发孔；122、 插接孔；123、侧周壁；124、顶壁；13、支撑架;21、注液漏斗;22、两通活塞;31、探头;32、声波 测定仪;33、探头数据线;41、热电阻;42、数据采集卡;43、温度自动采集系统;44、连接线； 51、夹持板;511、半圆环深槽;52、拉簧;90、岩芯。
【具体实施方式】
[0023]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0024] 如图1至图6所示，本实用新型提供了一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟 装置，该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置包括芯筒10、冷却液组件、加热组件和 声波测量组件。芯筒10内部设置有用于安装岩芯90的轴向通孔，该轴向通孔的两端的内径 小于该轴向通孔中间部分的内径。冷却液组件与轴向通孔连通并能够向轴向通孔内注入冷 却液。加热组件用于加热芯筒10内的岩芯90。声波测量组件用于测量通过芯筒10内岩芯90 的声波速度。
[0025] 本实用新型实施例中的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置能够用来模 拟气体钻井中井底岩石温度的升降，同时，测量随温度变化的实时纵波速度变化，可以模拟 温度剧变条件下岩石的破坏特征的动态变化，并直接获得相关参数。
[0026]具体地，如图2至图5所示，芯筒10由45号钢制成，芯筒10的筒壁上部设置有与轴向 通孔连通的开口槽11，开口槽11的四周含有槽壁111，槽壁111与芯筒10的侧壁相切并焊接， 且保证焊接处不会泄露液体。芯筒10沿轴向设置有轴向通孔，该轴向通孔的两端部内径与 制备好的岩芯90的外径相同，该轴向通孔的气体部位的内径均大于岩芯90的外径，以在岩 芯90与芯筒10的内壁之间形成环状筒形空间。上述冷却液组件包括注液漏斗21和两通活塞 22,注液漏斗21的小径端与开口槽11连接，该注液漏斗21与开口槽11的连接处通过硅脂密 封。并且注液漏斗21能够将冷却液注入到上述环状筒形空间内。上述两通活塞22能够调节 注液漏斗21的流量，即控制注液漏斗21流入芯筒10内的冷却液流量，从而通过控制冷却液 流量来控制芯筒10中的冷却速度。
[0027]优选地，如图4和图5所示，芯筒10外还设有盖状的散口 12,散口 12包括侧周壁123 和顶壁124，散口 12的侧周壁123套设在开口槽11的槽壁111外，注液漏斗21的小径端能够穿 过散口 12上端的插接孔122与开口槽11连通，开口槽11位于顶壁124的中间部分，散口 12的 顶壁124开设有多个间隔设置的冷却液挥发孔121，该冷却液挥发孔121与开口槽11连通。
[0028] 需要说明的是，将轴向通孔的两端部内径设置成与岩芯90的外径相同的结构，目 的是通过轴向通孔的两端对岩芯90进行固定，防止岩芯90晃动。其中，本实用新型实施例中 的芯筒10的轴向通孔的中间部分内径为27mm，端部内径为25.5mm，芯筒10的长度为32mm。上 述开口槽11的纵向长度为28mm，横向长度为10mm。上述岩芯90的直径为25mm，长度为50mm。 在岩芯90与芯筒10的两端结合处通过硅脂密封。
[0029] 进一步地，芯筒10的底部设置有支撑架13,该支撑架13与芯筒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发生转动。为确保支撑架13对芯筒10的支撑作用， 支撑架13的下部与实验台平行，支撑架13的底部横截面为正方形并剔除毛刺，支撑架13与 实验台水平面之间的夹角大小B为45°。
[0030] 更进一步地，本实用新型实施例中的芯筒10的长度小于岩芯90的长度，岩芯90的 两端均置于芯筒10的两端部外侧。如图1所示，岩芯90左端距离芯筒10左端的距离等于岩芯 90右端距离芯筒10右端的距离。本实用新型实施例中，为保证岩芯90两端的伸出距离相同， 工作人员需要采用游标卡尺测量两端的实际距离并使两端的距离保持一致。
[0031] 如图1所示，本实用新型实施例中的声波测量组件包括探头31、声波测定仪32和探 头数据线33，探头31为两个，两个探头31通过探头数据线33与声波测定仪32连接，当该岩石 在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于使用状态时，两个探头31分别与岩芯90的两个 端面抵接。而且两个探头31的几何中心连线与芯筒10的轴线重合。本实用新型实施例中，为 保证探头31和岩芯90的两端部之间不因为缝隙的存在而导致误差，因此需要在探头31上涂 抹抗高温耦合剂来填充探头31和岩芯90之间的缝隙，保证实验数据的准确性。
[0032]需要说明的是，两个探头31分别为发射探头和接收探头，声波测定仪32能够用于 测定穿过岩芯90的声波速度。探头31接收并传达至声波测定仪32的信号显示为时间差值， 声波测定仪测定的通过岩芯90的声波速度的数学公式为
；中，（t-ts)为从 发射探头发出的信号时间和接收探头收到信号的时间之间的差值，L为岩芯90的长度。本实 用新型实施例中的测量的声波速度为纵波速度，上述探头31为双晶感应声波探头，声波测 定仪32为Tektronix公司DP03016Digital Phosphor Oscilloscope系列产品，由脉冲发射 器和示波器组成，具体参数为：100MHZ，2.5G/s。配备测量探头进行测量，本实验主要进行通 过岩芯90的纵波速度的测量。纵波探头内置晶片为双晶式，具有灵密度高、数据传递稳定等 优点，其具体工作参数为:2.5MHZ，1.0"。
[0033]进一步地，加热组件包括两个PTC热电阻41，当该岩石在温度变化下的变化特征测 量模拟装置处于使用状态时，两个PTC热电阻41均与岩芯90的外周面贴合，并且两个PTC热 电阻41分别对称设置于岩芯90的两端与芯筒10的两端之间。即如图1所示，置于左侧的PTC 热电阻41置于岩芯90的左端与芯筒10的左端连线的中点处，置于右侧的PTC热电阻41置于 岩芯90的右端与芯筒10的右端连线的中点处。
[0034] 该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括温度测量组件，温度测量组 件包括数据采集卡42、温度自动采集系统43和连接线44,两个PTC热电阻41均通过连接线44 与数据采集卡42连接，数据采集卡42与温度自动采集系统43连接。
[0035]需要说明的是，温度自动采集系统43是采用LabVIEW图形化编辑语言G编写的程 序，操作控制软件全中文界面，操作灵活、方便;数据采集频率可自由设定，保证实验精度。 数据采集卡42可将所述PTC热电阻41产生的电阻变化转化为电信号，整理之后将数据传输 至所述温度自动采集系统43，具有方便、快捷、准确的优点。
[0036] 如图6所示，岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括夹持组件，夹持组 件包括两个夹持板51和用于连接两个夹持板51的拉簧52。每个夹持板51的内侧表面上均设 置有半圆环深槽511，探头31的外径与半圆环深槽511的内径相同，而且在装配状态下，一个 探头31固定于其中一个夹持板51上，另一个探头31固定于另一个夹持板51上。上述拉簧52 的两端分别连接两个夹持板51，当该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于使用 状态时，两个夹持板51能够在拉簧52的作用下将两个探头31分别压紧于岩芯90的两端。
[0037] 应用本实用新型实施例中的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置工作时， 首先进行预热调试。其次，打开两通活塞22至一定开度，冷却液通过注液漏斗21颈部进入芯 筒10内部的环状筒形空间内并对岩芯90进行冷却。冷却过程中，冷却液可以通过散口 12的 冷却液挥发孔121挥发至空气中。需要说明的是，在上述操作中需控制两通活塞22的开度大 小，确保冷却液不会从散口 12处溢出。同时测量并收集PTC热电阻41所测温度，以及声波测 定仪42显示的声波时差，代入前面所述求取纵波速度公式获得通过岩芯90的实时纵波速度 值。通过逐渐放大两通活塞22的开度，实现控制冷却液流量，最终实现控制芯筒10中所夹持 的岩芯90的冷却速度。
[0038] 从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
[0039] 1、具有声波测量装置和温度自动采集，能够实时测量温度变化过程中纵波速度与 温度的关系，总结预测岩石强度等变化规律，为了解气体钻井井底工况提供可靠依据。
[0040] 2、冷却液的注入模拟井底低温效应，控制冷却液的注入速率来模拟井底不同的冷 却速度。参数的采集均由计算机自动采集，实验数据准确可靠。本实用新型中可采用液氮、 冷水等作为冷却介质。
[0041] 3、模拟试验数据可用来了解气体钻井井底工况，为优化钻井方案，提高钻井速度 提供依据。
[0042]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本 领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，该岩石在温度变化 下的变化特征测量模拟装置包括： 芯筒（10)，内部设置有用于安装岩芯(90)的轴向通孔，该轴向通孔的两端的内径小于 该轴向通孔中间部分的内径； 冷却液组件，与所述轴向通孔连通并能够向所述轴向通孔内注入冷却液； 加热组件，用于加热芯筒（10)内的岩芯(90); 声波测量组件，用于测量通过芯筒（10)内岩芯(90)的声波速度。2. 根据权利要求1所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，芯 筒（10)的筒壁设置有与所述轴向通孔连通的开口槽（11)，冷却液组件包括注液漏斗(21)， 注液漏斗(21)的小径端与开口槽(11)连通。3. 根据权利要求2所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，开 口槽(11)的四周含有槽壁(111)，芯筒（10)外还设有盖状的散口（12)，散口（12)包括侧周壁 (123) 和顶壁（124)，散口（12)的侧周壁（123)套设在开口槽（11)的槽壁（111)外，注液漏斗 (21)的小径端能够穿过散口（12)上端的插接孔（122)与开口槽（11)连通，散口（12)的顶壁 (124) 开设有多个间隔设置的冷却液挥发孔（121)，该冷却液挥发孔（121)与开口槽（11)连 通。4. 根据权利要求1所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，该 声波测量组件包括探头(31)、声波测定仪(32)和探头数据线(33)，探头(31)为两个，两个探 头(31)通过探头数据线(33)与声波测定仪(32)连接，且当该岩石在温度变化下的变化特征 测量模拟装置处于使用状态时，两个探头(31)分别与岩芯(90)的两个端面抵接。5. 根据权利要求4所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，当 该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于使用状态时，两个探头(31)的几何中心 连线与芯筒(10)的轴线重合。6. 根据权利要求1所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，加 热组件包括两个相同的热电阻(41)，在该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处于 使用状态时，两个相同的热电阻（41)均与岩芯(90)的外周面贴合，并且两个相同的热电阻 (41)分别对称设置于岩芯(90)的两端与芯筒(10)的两端之间。7. 根据权利要求6所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，该 岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括温度测量组件，温度测量组件包括数据 采集卡(42)、温度自动采集系统(43)和连接线(44)，两个相同的热电阻(41)均通过连接线 (44)与数据采集卡(42)连接，数据采集卡(42)与温度自动采集系统(43)连接。8. 根据权利要求4所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，所 述岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置还包括夹持组件，夹持组件包括两个夹持板 (51)，一个探头(31)固定于其中一个夹持板(51)上，另一个探头(31)固定于另一个夹持板 (51)上。9. 根据权利要求8所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于，每 个夹持板(51)的内侧表面上均设置有半圆环深槽(511)，探头(31)插接固定于半圆环深槽 (511)内，探头(31)的外径与半圆环深槽(511)的内径相同。10. 根据权利要求8所述的岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置，其特征在于， 两个夹持板(51)之间设置有拉簧(52)，当该岩石在温度变化下的变化特征测量模拟装置处 于使用状态时，两个夹持板(51)能够在拉簧(52)的作用下将探头(31)压紧于岩芯(90)的两 端。
【文档编号】G01N3/60GK205656089SQ201620385178
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年4月29日 公开号201620385178.7, CN 201620385178, CN 205656089 U, CN 205656089U, CN-U-205656089, CN201620385178, CN201620385178.7, CN205656089 U, CN205656089U
【发明人】李军, 张海波
【申请人】中国石油大学(北京)