一种基于声学与力学定量评价页岩水化的装置的制作方法

本发明属于油气钻探工程技术领域，更具体的说涉及一种基于声学与力学定量评价页岩水化的装置。

背景技术：

由唯物辩证法可知，事物的利与弊总是相伴的。页岩油气的勘探与开发正是该理论的写照，地质勘探表明我国页岩地层具备惊人的油气储量，然而，页岩层黏土矿物易发生水化膨胀甚至分散，严重时导致井眼崩塌、缩径、储层堵塞等严重工程事故。如何安全有效地开采出我国页岩层丰富的油气资源是一个世界性难题。目前，现场钻井防止井壁水化的方法主要分为物化封堵及化学抑制两种方式。其中，物化封堵是通过物理化学方法对井壁岩层孔隙进行封堵，阻止水分子渗入；化学抑制则是通过引入化学抑制剂，依靠抑制剂与黏土矿物间的化学结合力，排挤出黏土层间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，还无从得知。因此，本发明提供一种基于力学与声学定量评价页岩水化的装置。

技术实现要素：

本发明人通过研究发现可以通过声学和力学定量评价页岩水化程度，通过这一方法可以有效降低操作时间，操作简便，同时避免人工误差。

本发明提供一种页岩水化特性的评价装置，该装置由用于测定页岩声波速度系统和用于测定页岩杨氏模量系统组成。通过该装置测定页岩声波速度和杨氏模量值，通过计算获得岩心水化率。

本发明具体包括压力控制室、声波发射器、应力传感器、岩心安装装置、声波接收器、声波信号处理装置和计算机，所述压力控制室、声波发射器、应力传感器、岩心安装装置、声波接收器、声波信号处理装置和计算机相连接。所述的声波发生器、应力传感器和岩心安装装置安装在岩心装置器内。所述的岩心装置器内还安装有声波阻隔介质。所述的应力传感器安装于岩心安装装置左侧，并且与压力控制室相连接(具体如附图6所示)。

本发明同时还提供了评价页岩水化特性的方法，包括以下步骤：将页岩岩心放置入岩心安装装置内，通过本发明所述的装置，获取岩心声波及压力信号，通过计算机自动算出页岩水化率。

本发明获得如下有益效果

1.由于目前页岩水化评价为定性评价，本发明提供了一种定量评价方法，可以提高研究深度与精度。

2.当前评价手段(页岩线性膨胀实验、页岩岩屑滚动回收实验)操作费时，人工消耗量大，人工误差大等问题，本发明方法能有效降低操作时间，操作简便，同时避免人工误差。

附图说明

图1-图3：为不同页岩水化率与相对湿度的关系图；

图4：为龙马溪页岩水化率与声波速度关系图；

图5：为龙马溪页岩水化率与杨氏模量关系；

图6：为装置设计图，图中标注说明：1-压力控制室，2-封闭阀门，3-岩心装置器，4-声波发射器，5-应力传感器，6-页岩岩心，7-声波接收器，8-声波阻隔介质，9-电源，10-声波信号处理装置，11-计算机。

具体实施方式

实施例1：等温吸附实验

实验所用页岩岩心采自不同地区龙马溪组硬脆性岩石

将页岩岩心放入不同相对湿度的干燥皿中,密封放置7天后,立即取出岩心用分析天平称量其质量M1,计算出吸附前后质量变化值即水化量,于是得到水化率。附图1-附图3显示了不同地区岩心在不同相对湿度下的水化情况。

实施例2：测量不同水化程度岩心的声波速度

声波传播速度与传递介质颗粒间结合紧密程度密切相关，一般来说，颗粒间结合力大，声波传播速度大，反之，声波传播速度小。然而，页岩水化，拉大了黏土颗粒层间距离，严重时产生水化分散现象，声学体现为声波速度减小。实验内容：实验利用声波测试仪，其由超声测试发射仪，超声测试接受仪，以及电脑显示端3部分组成。该仪器能够直观地获得声波波形及变化，精确计算横纵波波速，能有效研究声波传递规律。首先，将水化后的岩心小心放入同规格岩心安置器内。然后，接通电源，观察声波显示器上波形变化，直到1min内波形变化规律无变化时，记录下声波速度。

通过对不同区块岩心进行声波传递试验,附图4给出了岩心水化率与声速间的线性回归方程V＝-115.92w+1647,相关系数为0.9665.

实施例3：测量不同水化程度岩心的弹性模量

理论上讲,岩心密度越大,越难被压缩,所测弹性模量大。页岩水化后，由于水分子的吸附，宏观上体现为页岩体积膨胀或表面岩层脱落，实质上，水分子拉大了刚性颗粒间距，岩心密度降低。因此，本发明针对不同水化率岩心，试验弹性模量的变化规律。附图5给出了岩心水化率与相应弹性模量值间的线性回归方程，E＝-1.23w+16.63,相关系数为0.9879.

实施例4：计算岩心水化率

由上已建立龙马溪组岩心水化率与杨氏模量、声波速度间的关系，则即可通测量龙马溪组岩心的杨氏模量与声波速度反算岩心水化率:

(E+1.23w-16.63)2+(V+115.92w-1647)2≤R2,R误差允许值为1

即(E+1.23w-16.63)2+(V+115.92w-1647)2≤1

该不等式为龙马溪组硬脆性页岩水化评价公式

将该不等式普适化(假设岩心采自任意层位)

令V＝aw+b，E＝rw+c

其中,a,b,r,c为常数，其数值大小与岩心孔隙，岩石矿物组成，温度等有关。

则可推出:(V-aw-b)2+(E-rw-c)2≤1,该不等式即为页岩水化评价公式。任意层位页岩岩心评价内容如下:

1.依据上述方法,确立四固定参数a,b,r,c

2.根据对精度的需求，建立不等式,但建议R值不超过1。

3.根据所测声波速度及杨氏模量计算岩心水化率

4.计算所得岩心水化率大代表单位质量黏土颗粒吸附水分子量大，页岩水化程度严重。

实施例5：岩心水化率测定方法

将岩心放置入页岩加压器内，通过声波速度系统测定页岩的声波信号，以及通过杨氏模量测定系统测定压力信号，然后通过计算机自动反算出页岩水化率。

实施例6：岩心水化率测定方法

将页岩岩心(6)放入岩心装置器(3)内，通过声波发射器(4)发射声波于岩心，然后通过声波接收器(7)接收到声波信号，然后通过声波信号处理装置(10)对声波进行处理，然后传输给计算机(11)，获得声波速度；通过压力控制室(1)将压力作用于岩心，然后通过应力传感器(5)获取压力信息，然后将压力信息传输给计算机(11),然后计算机(11)通过设定的公式，自动给出岩心水化率。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。