一种岩石各向异性测量夹持器及其测量方法与流程

本发明涉及岩石物理实验的实验装置技术领域，具体是一种能够实现岩石样品在定量角度改变下的声波、电阻率测量的岩石各向异性测量夹持器，采用这种装置可开展岩石电阻率、声波各向异性实验的测量及研究。

背景技术：

在地球物理及岩石物理研究领域，一般认为实际地层是成层沉积的。在油气勘探过程中，经常需要利用岩石的各种物理特征响应来确定地层的各个沉积年代，明确油气富集区块与深度，以指导油气藏的开发。在现有的岩石物理实验中，一般也认为岩石样品的纹层层理是水平的，但实际情况存在两种非水平层理类型：一是岩石在水平方面上是变化的，并不是严格意义上的成层分布；二是即使厚度较小的地层层段可视为成层分布，但也存在一定的倾角，特别是当遇到高陡地层或井斜情况时，声波时差、电阻率等测井检测在一定角度下地层的综合响应，并不是水平地层下的所谓地层真实值，若不考虑地层倾角等各向异性因素对岩石物理响应的影响，势必会引起对地下地质解释的误判。因此，急需设计一种能够测量岩石样品在定量角度改变下的声波及电阻率的岩心夹持器，以实现岩心转动任意角度的标记以及当前角度下声波和电阻率的测量。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种岩石各向异性测量夹持器，该装置适用于室内岩石样品在定量角度改变下的声波、电阻率的测量。需要说明的是，本装置的待测样品形状为圆柱或者长方体均可，但是要保证测量两端是平行的、光滑的截面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种岩石各向异性测量夹持器，包括设置在底座上的导轨，所述导轨的两端分别设置有滑块，所述一端的滑块上设置有推进部，另一端滑块上设置有固定部，所述推进部包括设置在一端滑块上表面的第一支撑块及依次穿过第一支撑块并连接的手轮、行程调节机构、角度调节机构和第一固定夹，所述固定部包括设置在另一端滑块上表面的第二支撑块及位于第二支撑块两端的固定机构和第二固定夹，所述固定机构和第二固定夹穿过第二支撑块相连，所述第一固定夹和第二固定夹的开口相对，并且同轴设置，在第一固定夹和第二固定夹中设有声波激发探头和声波接收探头，声波激发探头与声波信号输出设备连接，声波接收探头与声波接收设备连接，所述固定部远离第二固定夹的一端连接有压力表，所述角度调节机构的外圆周上还设有角度刻度线和角度指针。

进一步地，所述行程调节机构由外向内同轴设置有第一筒体、柱形伸缩塞及丝杆，所述丝杆的一端与手轮连接，丝杆的另一端与角度调节机构连接，所述丝杆与手轮连接的一侧外圆周套有轴承。

更进一步地，所述角度调节机构由外向内同轴设置有刻度盘和连接轴，所述连接轴的一端与丝杆连接，所述连接轴的另一端与第一固定夹连接，所述连接轴靠近丝杆的一端设有定位销。

更进一步地，所述固定机构由同轴设置在第二筒体内部两端的活塞和堵头组成，所述活塞和堵头的外壁与第二筒体的内壁紧密配合形成一个密闭空间，所述活塞与第二固定夹连接，所述堵头与压力表连接。

更进一步地，所述导轨上设置有多个用于连接底座的固定孔，所述滑块上设有锁紧装置，打开锁紧装置，滑块可以移动。

更进一步地，所述第一固定夹和第二固定夹上分别设置有多个用于夹持岩样的固定销。

再进一步地，所述底座的一侧长边上还设置有位移刻度线。

上述方案中两个滑块安装在导轨上，利用螺丝固定，保证了夹持岩样时，岩样两端的声波探头保持在一个中心高度；滑块的侧面带有锁紧装置，松开锁紧装置时，滑块可带动安装在滑块上表面的推进部和固定部沿导轨做前后运动，根据岩样长度来调节并锁紧，锁紧后转动手轮将岩样进一步锁紧，通过底座上的位移刻度线测量出岩样的长度。

上述方案顺时针转动手轮，带动丝杆在第一筒体内顺时针旋转，将柱形伸缩塞向外顶出，使第一固定夹和第二固定夹之间的距离缩小，便于岩样的固定；当逆时针转动手轮时，丝杆在第一筒体内收缩，使得第一固定夹和第二固定夹之间的距离增大，松开岩样便于移动岩样。

上述方案中在固定机构中的活塞、堵头和第二筒体形成的密封空间中装满传递压力的液压油，并保证没有空气存在，当夹持器夹紧岩样时，第二固定夹收到推进部施加的压力，迫使第二固定夹带动活塞向第二筒体内移动，由于堵头的位置是固定的，第二筒体内的液压油受到压缩体积减小而压力增大，此压力值通过与堵头连接的压力表显示出来。

上述方案中在第一固定夹和第二固定夹中安装声波探头，再将声波探头和声波接收装置连接可测量岩石声波各向异性特征，此处的声波探头可以有不同规格；将声波探头更换为电阻测量端子，再将电阻测量端子与电阻率测量设备连接就可以测量岩石的电阻各向异性特征，方便实用。

上述方案中岩石各向异性的测量是对岩石在不同角度下声波和电阻率的测量，实现这一目的的关键技术就在于角度调节机构，在角度调节机构的外圆周上的角度刻度线和角度指针在固定岩样后可以测量出岩样此刻的角度。

应用本发明提供的岩石各向异性测量夹持器的岩石各向异性测量方法，该方法包括如下步骤：

1)制作加工岩样

将岩石制作加工成规则的长方体或者圆柱体结构的岩样，岩石的两个待测截面需要做磨平抛光处理；

2)洗盐及烘干岩样

将步骤1)制作加工后的岩样进行编号，将一定数目的岩样放入洗盐池中浸泡，直到岩样表面没有气泡以及暗色斑点为止，取出岩样采用恒温烘干法在一定温度时间下进行烘干直到岩样恒重为止，并记录岩样的长度l，此处岩样烘干的温度为80～90℃，烘干的时间为20～48h；

3)饱和岩样

将步骤2)烘干后的岩样抽真空后放入具有一定矿化度的盐水进行饱和，直至岩样恒重为止，并记录岩样的平均尺寸和饱和水重量，计算岩样各个面的平均面积和对应垂直长度以及盐水孔隙度；

4)固定岩样

将步骤3)的岩样放在第一固定夹和第二固定夹中间，移动滑块使岩样与第一固定夹和第二固定夹接触，将岩样的一端放在固定部的第二固定夹中，用固定销进行固定，岩样的另一端放在推进部的第一固定夹中，用固定销进行固定，然后旋转手轮，直至到夹持器与岩样紧密接触；

5)角度记录及声波速度的测量

待步骤4)岩样的固定后，记录角度指针所指的角度刻度线的位置，即为角度θ1，同时进行第一次声波检测，通过声波接收探头将信号传送给声波接收设备，测量出在角度θ1下的声波首波幅度a1，到达时间记为t1，旋转手柄使岩样松开，将岩样沿水平轴旋转一定角度，再旋紧手柄固定岩样，记录角度指针所指的角度刻度线的位置，即为角度θ2，则岩样旋转的角度为θ＝|θ1-θ2|，同时进行第二次声波检测，测量出在角度θ2的声波首波幅度a2，到达时间记为t2；

6)岩样声波各向异性系数的计算

根据步骤5)的测量结果计算出岩样的声波特征各向异性系数，声波特征信号包括声波幅度和声波到达时间两种特征，由上述步骤5)测得的数据可得出：声波幅度各向异性系数为：

声波到达时间各向异性系数为：

上述公式中θ1、θ2为角度，t1、t2为声波到达时间，a1、a2为声波幅度，l为待测岩样的长度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过增加角度刻度线和角度指针实现了岩石样品在不同角度下的声波或者电阻率各向异性特征的测量，比较真实地反应出实际地层中岩石的物理响应，对于油气藏的开发具有指导作用。

2、本发明将声波激发探头和声波接收探头换成电阻感应端，还可以测量不同角度下的电阻率，对岩样的研究更加全面。

3、本发明将同一块岩样在夹紧状态下进行物理信号的检测，保证岩样两端所受压力一致，进而保证了个物理参数检测的准确性，有利于提高岩样各向异性评价的精度。

4、本发明的滑块上设置有锁紧装置，可以调节长度，调节的长度通过底座上的位移刻度线显示。

5、本发明可以单手操作手轮，结构简单，易操作，并且具有机构稳定的特点。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的轴向剖视图。

图5是本发明对同一块岩心在不同角度下测量的横波全波列图。

图中所示：1.底座，1.1位移刻度线，2.导轨，2.1固定孔，3.滑块，3.1锁紧装置，4.推进部，4.1第一支撑块，4.2手轮，4.3行程调节机构，4.3.1第一筒体，4.3.2柱形伸缩塞，4.3.3丝杆，4.3.4轴承，4.4角度调节机构，4.4.1刻度盘，4.4.2连接轴，4.4.3定位销，4.5第一固定夹，5.固定部，5.1第二支撑块，5.2固定机构，5.2.1第二筒体，5.2.2活塞，5.2.3堵头，5.2.4密闭空间，5.3第二固定夹，6.压力表,7.角度刻度线，8.角度指针,9.固定销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供的一种岩石各向异性测量夹持器的技术参数为：

岩样长度：25～200mm，岩样直径：25～50mm，压力：0～5mpa，

本实施例选用长度为50mm，直径为30mm的岩石作为测量对象来具体说明本发明的使用及测量方法。

如图1-4所示的一种岩石各向异性测量夹持器，包括设置在底座1上的导轨2，所述导轨2的两端分别设置有滑块3，所述一端的滑块3上设置有推进部4，另一端滑块3上设置有固定部5，其特征在于：所述推进部4包括设置在一端滑块3上表面的第一支撑块4.1及穿过第一支撑块4.1依次连接的手轮4.2、行程调节机构4.3、角度调节机构4.4和第一固定夹4.5，所述固定部5包括设置在另一端滑块3上表面的第二支撑块5.1及穿过第二支撑块5.1依次连接的固定机构5.2和第二固定夹5.3，所述第一固定夹4.5和第二固定夹5.3的开口相对，并且同轴设置，在第一固定夹4.5和第二固定夹5.3中设有声波激发探头和声波接收探头，声波激发探头与声波信号输出设备连接，声波接收探头与声波接收设备连接，所述固定部5远离第二固定夹5.3的一端连接有压力表6，所述角度调节机构4.4的外圆周上还设有角度刻度线7和角度指针8。

进一步地，所述行程调节机构4.3由外向内同轴设置有第一筒体4.3.1、柱形伸缩塞4.3.2及丝杆4.3.3，所述丝杆4.3.3的一端与手轮4.2连接，丝杆4.3.3的另一端与角度调节机构4.4连接，所述丝杆4.3.3与手轮4.2连接的一侧外圆周套有轴承4.3.4。

进一步地，所述角度调节机构4.4由外向内同轴设置有刻度盘4.4.1和连接轴4.4.2，所述角度刻度线7和角度指针8设在刻度盘4.4.1的外圆周上，所述连接轴4.4.2的一端与丝杆4.3.3连接，所述连接轴4.4.2的另一端与第一固定夹4.5连接，所述连接轴4.4.2靠近丝杆4.3.3的一端设有定位销4.4.3。

进一步地，所述固定机构5.2由同轴设置在第二筒体5.2.1内部两端的活塞5.2.2和堵头5.2.3组成，所述活塞5.2.2和堵头5.2.3的外壁与第二筒体5.2.1的内壁紧密配合形成一个密闭空间5.2.4，所述活塞5.2.2与第二固定夹5.3连接，所述堵头5.2.3与压力表6连接。

进一步地，所述导轨2上设置有多个用于连接底座1的固定孔2.1，所述滑块3上设有锁紧装置3.1。

进一步地，所述第一固定夹4.5和第二固定夹5.3上分别设置有多个用于夹持岩样的固定销9。

进一步地，所述底座1的一侧长边上还设置有位移刻度线1.1。

本发明夹持器的具体使用方法为：

松开滑块3上的锁紧装置3.1，将岩样放于第一固定架4.5和第二固定夹5.3之间，用固定销9将岩样固定在第一固定夹4.5和第二固定夹5.3上，移动滑块3待第一固定夹4.5和第二固定夹5.3将岩样夹紧后转动手轮4.2，将岩样进一步夹紧；当夹持器夹紧岩样时，第二固定夹5.3收到推进部4施加的压力，迫使第二固定夹5.3带动活塞5.2.2向第二筒体5.2.2内移动，由于堵头5.2.3的位置是固定的，第二筒体5.2.2内的液压油受到压缩体积减小而压力增大，此压力值通过与堵头5.2.3连接的压力表6显示出来；此时角度指针8指示在角度刻度线7上的位置即为此时的角度，将声波激发探头和声波接收探头放入第一固定夹4.5和第二固定夹5.3中，测量此角度下的声波特征；将岩心松开至刻度盘4.4.1可以自由转动，将角度指针8对准所需角度的角度刻度线7，再将岩样夹紧至压力设定的植，测量此角度下的声波特征值，以此类推，直至测量完毕。

应用本发明提供的一种岩石各向异性测量夹持器的岩石各向异性测量方法，该方法包括如下步骤：

1)制作加工岩样

将岩石制作加工成规则的长方体或者圆柱体结构的岩样，本实施例将岩样制作成长度为50mm，直径为30mm的岩样，岩石的两个待测截面做磨平抛光处理；

2)洗盐及烘干岩样

将步骤1)制作加工后的岩样进行编号，将编好号后的岩样放入洗盐池中浸泡，直到岩样表面没有气泡以及暗色斑点为止，取出岩样采用恒温烘干法在85℃的温度下进行烘干40h直到岩样恒重为止，并记录岩样的长度l为4.948cm；

3)饱和岩样

将步骤2)烘干后的岩样抽真空后放入盐水进行饱和，直至岩样恒重为止，并记录岩样的平均尺寸和饱和水重量，计算岩样各个面的平均面积和对应垂直长度以及盐水孔隙度；

4)固定岩样

将步骤3)的岩样放在第一固定夹4.5和第二固定夹5.3中间，移动滑块3使岩样与第一固定夹4.5和第二固定夹5.3接触，将岩样的一端放在固定部5的第二固定夹5.3中，用固定销9进行固定，岩样的另一端放在推进部4的第一固定夹4.5中，用固定销9进行固定，然后旋转手轮4.2，直至到夹持器与岩样紧密接触；

5)角度记录及声波速度的测量

待步骤4)岩样的固定后，记录角度指针8所指的角度刻度线7的位置，即为角度θ1，同时进行第一次声波检测，通过声波接收探头将信号传送给声波接收设备，测量出在角度θ1下的声波首波幅度a1，到达时间记为t1，旋转手柄使岩样松开，将岩样沿水平轴旋转一定角度，再旋紧手柄固定岩样，记录角度指针4.4.2所指的角度刻度线4.4.1的位置，即为角度θ2，则岩样旋转的角度为θ＝|θ1-θ2|，同时进行第二次声波检测，测量出在角度θ2的声波首波幅度a2，到达时间记为t2，本实施例测得的数据为：

岩心长度l＝4.948cm，

θ1＝0，t1＝1.42×10^-5s，a1＝0.4374mv，

t2＝1.35×10^-5s，a2＝0.1874mv

6)岩样声波各向异性系数的计算

根据步骤5)的测量结果计算岩样的声波特征各向异性系数，由上述步骤5)测得的数据可得出：

声波幅度各向异性系数为：

声波到达时间各向异性系数为：

上述公式中θ1、θ2为角度，t1、t2为声波到达时间，a1、a2为声波幅度，l为待测岩样的长度。

上述是对同一块岩样在0°和90°角度下的岩心声波测量结果，结果显示不同角度下声波到达时间和首波波幅是存在差异的，这一测量结果可以帮助分析岩心的声各向异性，其测量结果通过图5充分显示，图5中，虚线为0°角度时测量的横波波形，实线为90°角度时测量的横波波形，从图5可得出，虽然首波波峰到达时间相当，但首波幅度存在差异，即验证了不同角度下声波的特征是异性的，通过计算出各向异性系数对实际油气藏的勘探具有指导作用。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。