一种岩心声波速度快速测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及室内岩石物理实验领域，具体是一种岩心超声波速度快速测量装置及测量方法。

背景技术

声波速度是岩石的一种重要地球物理属性，与岩石孔隙度、岩性、含流体性质等油气储集层地质参数密切相关，由纵、横波速度与密度计算的动态弹性常数可无损分析岩石力学性质，这是地震和声波测井等地球物理勘探方法进行油气地质勘探的依据。在实验室中进行岩心声波速度测量是研究岩石物理响应机理及测井、地震解释方法的重要手段，是一种常见的岩心分析技术。

目前在实验室内是通过透射法测量岩心声波速度的，依据现行行业标准SY/T6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》，测量装置主要包括脉冲发生器、发射换能器、岩样夹持器、接收换能器和示波器。一般将岩心加工成圆柱形，先测量岩心长度L和换能器对接时的传播时间－零延时t0，再将岩心装入夹持器，脉冲发生器发射电脉冲至发射换能器，后者将其转换成超声波，信号通过岩心后在接收换能器中再转换为电脉冲，在示波器上接收并读取首波到达时间t，岩心长度L除以声波通过岩心的时间(t-t0)就可计算出岩心的声波传播速度。目前实验室内岩心声波速度测量装置均是通过这种方法测量的，但这种方法存在两个问题：一是岩心长度测量和声波传播时间测量两个环节是分别进行的。一般先测量岩心长度，再测量声波速度，二者相互独立，效率较低，而且当岩心不规则时长度测量时的夹持点和声波测量时的夹持点很难保证一致，导致声波速度测量误差较大。二是岩心测量声波速度时一般需要施加一定压力以保证耦合良好，岩心在压力下长度会减小，对油砂、裂缝岩样有时长度变化较大，如果仍用未加压时测量的长度计算声波传播速度会带来误差。

岩心从高压的地下取到地面后应力释放，产生微裂隙，在水平方向，地应力最大方向应力释放最多、产生裂隙最多，声波速度最慢；反之，水平地应力最小方向声波速度最快。根据该原理测量全直径钻井取芯样品沿不同直径方向声波速度，是分析地应力的一种常用实验方法。但岩心往往并不是规则的圆柱状，不同方位的直径存在差异，用相同的直径分析声速会产生误差，影响分析结果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种岩心声波速度快速测量装置及测量方法，可同时测量岩心长度和声波传播时间，消除岩心在加压时长度发生变化的影响，减小测量误差，并提高实验室岩心声波传播速度测量效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

种岩心声波速度快速测量装置，包括岩心声波速度测量装置、压力测控装置和岩心长度测量装置；

所述岩心声波速度测量装置包括发射换能器、接收换能器、信号发生器和示波器；

所述发射换能器和接收换能器分别设置在夹持器的移动端和固定端，发射换能器和接收换能器分别与信号发生器和示波器连接，示波器与控制单元连接，控制单元用于检测超声波的速度，岩心夹持在发射换能器和接收换能器之间；

所述压力测控装置包括分别设置在夹持器移动端的加压装置和固定端的压力检测装置，测量时加压装置端能够向压力检测装置端移动，对岩心施加轴向压力，并通过压力检测装置测量压力值；

所述长度测量装置设置在夹持器上，用于测量发射换能器和接收换能器之间的岩心长度。

优选的，所述长度测量装置为直线位移传感器、卡尺或千分尺。

优选的，所述压力检测装置为压力传感器或电子压力表。

一种岩心声波速度快速测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：使发射换能器与接收换能器抵接，并加压至指定压力P，记录长度测量装置的测量值L1为0，超声波的传输时间为t0；

步骤2：将岩心装入夹持器的发射换能器与接收换能器之间，并加压至指定压力P，记录长度测量装置的测量值L2，获取首波到达时间t；

步骤3：根据测量值L2以及首波到达时间t确定岩心声波速度V.

优选的，步骤3中所述岩心声波速度的确定方法如下：

V＝(L2-L1)/(t-t0)

一种岩心声波速度快速测量装置的测量方法，用于分析全直径岩心水平地应力差异，包括以下步骤：

步骤1：使发射换能器与接收换能器抵接，并加压至指定压力P，记录长度测量装置的测量值L1为0，超声波的传输时间为t0；

步骤2：将全直径岩心夹在分度盘上，将角度转至0度，沿直径方向装入两换能器中间；

步骤3：加压至指定压力P，记录长度测量装置的测量值L2，获取首波到达时间t；

步骤4：将分度盘角度转至设定角度，按步骤3测量该设定角度的径向声波速度；

步骤5：按步骤3、4每隔设定角度测量岩心径向声波速度，直到180度，得到每个角度的径向声波速度；

步骤6：用最大和最小声波速度差值占所有角度声波速度平均值的百分比表征岩心水平地应力差异大小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的岩心声波速度快速测量装置及测量方法，在夹持器上设置有换能器、长度测量装置、加压装置和压力测量装置，在测量岩心声波传播时间的同时测量岩心长度，将分离的两个实验环节合二为一，大大提高了岩心声波速度测量效率，保证长度测量和声波测量时的夹持位置一致，还可消除岩心加压时长度变化带来的测量误差。有效解决不规则岩心、疏松岩心及裂缝发育岩心的声波速度测量时长度测不准问题。径向声波速度地应力分析由于速度测量误差较大，目前仅用于确定最大、最小水平地应力相对方向，应用本技术可实时提供测量声波时的直径，从而提高速度测量精度，可进一步分析最大、最小水平地应力差异，这对分析地层可压性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明岩心声波速度快速测量装置结构示意图。

图中：1为待测试岩心；2为超声发射或接收换能器；3为加压装置，4为压力监测装置；5为岩心长度测量装置；6为岩心夹持器；7为信号发生器；8为示波器；9为控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，一种岩心声波速度快速测量装置，包括岩心声波速度测量装置、压力测控装置和岩心长度测量装置；

一种岩心声波速度快速测量装置，包括常规岩心声波速度测量系统、压力测控系统和岩心长度测量装置。

所述常规岩心声波速度测量系统包括脉冲信号发生器、发射及接收换能器示波器8，可实现透射法岩心声波速度测量基本功能：信号发生器7发射电脉冲到发射换能器2，电脉冲转换成声波，通过岩心1到达接收换能器2，又转换为电信号，通过示波器8接收，信号发生器7向发射换能器2发射信号的同时向示波器8发射一个同步信号，从而可以在示波器上读取声波通过岩心(1)的时间。

所述压力测控系统包括加压装置3和压力监测装置4，二者集成在夹持器6框架两端，中间安装发射和接收换能器2。测量时加压装置3端可向压力检测装置4端移动，从而对换能器2中间的岩心施加轴向压力，通过压力检测装置4测量并记录压力。所述压力监测装置与所述发射(或接收)换能器相接，用于在测量岩心长度和声波传播时间时测量施加在岩心上的压力，并保证该压力与测量零延时所施加压力一致，消除压力不同造成的误差。该压力监测装置可为机械式人工读取记录，也可为电子式自动读取并记录。

所述长度测量装置5集成在夹持器6上，测量端固定在加压装置3上，并在测量时随其向压力检测装置4端移动。将长度测量装置5在发射和接收换能器2对接时的长度设为0刻度，测量岩心1声波速度时夹持岩心1后的长度读值即为岩心1的长度。

长度测量装置为游标卡尺、螺旋尺或直线位移传感器，读取方式可为机械式人工读取或电子式自动读取，本示例中采用电子读取方式，长度测量装置5与控制单元9连接，在控制单元上显示和采集长度值。

一种岩心声波速度快速测量的方法，包括以下步骤：

步骤1、按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》连接测试装置；

步骤2、驱动加压块使发射换能器与接收换能器抵接，并将压力加至指定压力P，记录长度测量装置的测量值L1，此时长度归零，按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》测量系统零延时t0；

步骤3：将岩心装入夹持器的发射换能器与接收换能器之间，将压力加至指定压力P，记录长度测量装置的测量值L2，按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》测量首波到达时间t。

步骤4：根据测量值L2以及第一次超声波到达时间t计算岩心声波速度V，即可得到指定压力P下岩心声波速度。

V＝(L2-L1)/(t-t0)

实施例1

岩心B为一块直径1.5英寸柱塞岩心，岩性为含沸石砾岩，沸石为一种框架结构矿物，具有高压缩性，而且该样砾缘缝发育，声波速度对压力非常敏感，不同压力下测得的首波到时差异较大。而采用不加压时测量的长度计算压力下的声波速度会带来较大误差。采用本发明的测量装置和测量方法则有效解决该问题。具体实施步骤如下：

步骤1：将柱塞岩心B端面打磨平整，与侧面垂直；

步骤2：按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》连接测试装置；

步骤3：使发射换能器与接收换能器抵接，并将压力加至1MPa，将长度测量装置的测量值归零，按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》测量系统零延时t0；

步骤4：将岩心B装入两换能器中间，加压力至1MPa，调节示波器，使首波清晰显示；

步骤5：在控制单元采集长度测量值L及测量首波到达时间t，按公式V＝L/(t-t0)计算岩心声波速度V。

实施例2

以全直径岩心径向声波速度测量为例，介绍岩心声波速度快速测量方法。

岩心A为一块全直径钻井取心岩样，直径约10cm。岩心取样方向为垂直地层方向，现要测量其沿平行地层不同方向的声波速度，以研究水平地应力差异。因为岩心从地下取到地面后应力释放，产生微裂隙，水平地应力最大方向应力释放最多、产生裂隙最多，声波速度最慢；反之，水平地应力最小方向声波速度最快。根据该原理测量全直径岩心沿直径不同方向声波速度，以反映岩心A水平地应力差异。由于钻井取心样品外表较粗糙，需打磨光滑后测量声波，但打磨后造成不同角度的直径发生长度差异。常规长度测量和声波测量分开的测量方法效率低且长度容易出错。采用实施例一中所述测量装置，进行长度和声波时差同步测量，有效解决了上述问题。具体实施步骤如下：

步骤1：将全直径岩心A侧面打磨光滑；

步骤2：按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》连接测试装置；

步骤3：使发射换能器与接收换能器抵接，并将压力加至0.5MPa，将长度测量装置的测量值归零，按行业标准SY/T 6351-2012《岩样声波特性的实验室测量规范》测量系统零延时t0；

步骤4：将岩心A夹在分度盘上，将角度转至0度，并沿岩心A的直径方向将岩心A装入两换能器中间；

步骤5：将压力加至0.5MPa，采集长度测量值L，测量首波到达时间t，按公式V＝L/(t-t0)计算岩心声波速度V，即可得到0度时岩心径向声波速度V0；

步骤6：将分度盘角度转至15°，重复步骤4和步骤5，得到岩心旋转15°的径向声波速度；

步骤7：重复步骤4-6，每隔15°测量岩心径向声波速度，直到180度，得到岩心在各个角度下的径向声波速度。

步骤8：作图分析不同角度的声波速度值(横坐标为角度，纵坐标为速度)，如果地层岩石存在水平地应力差异，则散点连线为一正弦形曲线，有一个波峰和波谷，分别代表最小和最大水平地应力，峰、谷差值越大说明水平地应力差异越大，可用峰、谷差值占所有角度声波速度平均值的百分比表征岩心水平地应力差异大小。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。