一种超高温高压岩石样品测试装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及岩石物理测试领域，特别地涉及一种超高温高压岩石样品测试装置、系统及方法。

背景技术

随着油气勘探主要目标由构造油气藏转向岩性和隐蔽性油气藏，面对越来越高的油气储层预测的精度要求，开展深层岩石的岩石物理实验研究日益重要，我国能源勘探开发的重点逐渐转移到深层，储层预测和描述已成为工作的重点和难点。由于深层地层时代老、埋藏深、超高温、超高压、岩石骨架复杂等多因素叠合及相互作用，致使人们对深层高温高压条件下地层岩石物理性质及流体相态特征尚不清楚，研究成果对开展岩石物理多参数建模，为指导深层储层的预测，提高勘探开发效益具有重要作用；

而一般岩石物理的高温高压数据来源地球物理测井数据以及地球物理实验，但深层超高温高压环境，测井仪器已经不能测量，实验室内对于测量超高温高压数据，加热方式一般是从加载腔体外面加热，通过热传导，逐层加热到样品，加温时间很长，降温也很长，一般都要十几个小时，显得实验效率极低，费时费力。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种超高温高压岩石样品测试装置、系统及方法，直接通过在样品旁边的石墨炉通电加温，能够为深层岩石物理测试提供高效稳定的实验环境。

本发明的一种超高温高压岩石样品测试装置，包括加热组件和加压组件，所述加热组件具有容纳岩石样品的加热腔，所述岩石样品紧贴于所述加热组件的加热部，所述加压组件夹持所述岩石样品并对其施加压力；以使所述岩石样品能够在高压环境中快速完成超高温测试。

在一个实施方式中，所述加热部为石墨管，所述加热组件还包括与所述石墨管连接的导电组件；所述岩石样品位于所述石墨管内的中部，通过本实施方式，所述石墨管将所述岩石样品完全容纳在内，将所述石墨管通电后，能够将温度快速提升至400℃以上，而在测试完成后，切断外部供电系统后，所述石墨管的温度能够在几分钟内快速降至室温，从而实现岩石样品的高效测试。

在一个实施方式中，还包括外护套，所述加热组件设置于所述外护套内；所述外护套包括两端的抗压段以及所述抗压段之间的叶腊石外套段，所述叶腊石外套段与所述石墨管贴合，所述叶腊石外套段内还设置有与所述石墨管紧贴的温度探头，通过本实施方式，通过设置的外护套段将所述加热组件、所述加压组件以及所述岩石样品进行固定，同时设置的抗压段能够在测试过程中提高抗压强度，避免各部件发生损坏，温度探头实时监控并记录加热组件的温度，同时所述温度探头直接套设在所述加热组件上并将所述抗压件分隔成上下两层，即所述温度探头能够稳定在所述抗压件中，为测试分析提高准确的数据参数。

在一个实施方式中，所述加压组件包括用于夹持所述岩石样品的两个承载台，两个所述承载台远离所述岩石样品一侧还设置有供所述岩石样品测试的换能器，两个所述承载台均紧贴于所述加热腔的内壁，通过本实施方式，通过设置承载台夹持所述样品岩石，同时能够在加压过程中提供抗压强度，设置的换能器对所述样品岩石进行超声测试，以获得所述样品岩石在超高温高压环境下的地震弹性参数，同时所述承载台及所述加热组件之间不存在空隙，提高测试的稳定性。

在一个实施方式中，所述加压组件还包括压头，所述压头设置于任一所述换能器的外侧，所述压头同时作用于所述外护套以及与所述压头相对应的所述换能器，通过本实施方式，使所述压头能够均匀对所述测试装置施加压力。

在一个实施方式中，所述石墨管与所述岩石样品间的接触面还设置有聚热部件，以供所述石墨管的热量集中于所述岩石样品，通过本实施方式，设置的聚热部件分别与所述加热组件及岩石样品贴合，减少所述石墨管热量的散失，从而加快测试升温过程，提高实验效率。

在一个实施方式中，所述压头底部还设置有垫圈，以使得所述压头能够对所述岩石样品均匀施加压力，通过本实施方式，压头底部还设置有垫圈，使得所述压头能够呈圆柱体结构，进而对所述岩石样品均匀施加压力，提高所述压头作业时的稳定性。

在一个实施方式中，所述导电组件包括至少一个导电铜套以及与外部供电设备连接的导电铜环，所述导电铜套与所述石墨管的外径相同且两者的端面相互接触，所述导电铜套与所述石墨管组合成所述加热腔，通过本实施方式，外径相同的所述导电铜套以及所述石墨管组成电路，通过所述导电铜环在外部供电设备的作用下，位于中部的所述石墨管在较高电流的作业下，由于自身电阻较大且管壁较薄，能够在短时间内产生大量的热量，使得所述测试装置能够快速提供超高温环境。

本发明还提供了一种超高温高压岩石样品测试系统，包括至少一个如上文所述的超高温高压岩石样品测试装置，还包括：

高压加载装置，包括施压装置和高压腔，所述测试装置安装于所述高压腔内的限位槽中，所述施压装置驱动加压组件对所述岩石样品进行施压；

冷却装置，包括水冷管以及水循环换热装置，所述水冷管设置于所述高压腔内并与所述测试装置接触，所述水循环换热装置设置于所述高压腔外，以控制所述测试装置的温度。

本发明还提供了一种基于上文所述超高温高压岩石样品测试系统的测试方法，包括以下步骤：

S1、将所述岩石样品夹持在测试装置的加热腔内；

S2、启动施压装置，通过加压组件对所述岩石样品施加预定大小的压力。

S3、保持稳定施压，启动所述供电装置，为加热组件工作提供外部电流，同时启动冷却装置，设定水循环换热装置的温度，避免所述加热组件持续不断升温；

S4、启动换能器对所述岩石样品进行性能测试，记录所述岩石样品在不同温度下的物理数据；

S5、根据实验结果拟合所述岩石样品关于温度和压力的函数。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种超高温高压岩石样品测试装置、系统及方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

(1)能够快速达到测试所需的高温高压环境，同时测试设备能够快速恢复以供下次测试使用，明显提高了测试的效率。

(2)利用高压设备为测试样品提供高压环境，同时测试装置完全容纳于高压设备中，测试样品旁的石墨管直接对其进行加热，真实模拟深层高温高压环境，保证了测试数据的可靠性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的测试装置结构示意图；

图2显示了本发明的一个实施例的测试过程数据采集图

图3显示了本发明的一个实施例的测试结果拟合曲线；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

1、抗压件；2、叶腊石外套；3、石墨管；4、导电铜环；5、导电铜环；6、聚热部件；7、第一换能器；8、承载台；9、温度探头；10、走线通道；11、叶腊石柱；12、铅垫；13、外三角密封圈；14、内三角密封圈；15、测试样品；16、压头；17、第二换能器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明提供了一种超高温高压岩石样品测试装置，包括加热组件和加压组件，加压组件夹持岩石样品于加热组件内；加热组件与加压组件之间设置有聚热部件；聚热部件紧贴于加热组件；加热组件与岩石样品组合成圆柱体结构，以供聚热部件同时贴合于加压组件和岩石样品；使岩石样品能够在高压环境中能够快速完成超高温加热测试；利用加压组件将岩石样品夹持于加热组件中，为岩石样品同时提供高温及高压环境，设置的聚热部件分别与加热组件及岩石样品贴合，整体形成圆柱体结构，减少热量的散失，从而加快升温过程，提高实验效率。

具体的，加热组件包括石墨管以及与石墨管连接的导电组件；岩石样品位于石墨管中部，聚热部件分别与石墨管与岩石样品贴合，石墨管将岩石样品完成容纳在内，将石墨管通电后，能够将温度快速提升至400℃以上，而在测试完成后，切断外部供电系统后，石墨管的温度能够在几分钟内快速降至室温，从而实现岩石样品的高效测试。

需要说明的是，超高温高压岩石样品测试装置，还包括外护套，加热组件设置于外护套内；外护套包括两端的抗压段以及抗压段之间的叶腊石外套段，叶腊石外套段与石墨管贴合，通过设置的外护套将加热组件、加压组件以及岩石样品进行固定，同时填充的抗压件能够在测试过程中提高抗压强度，避免各部件发生损坏。

具体的，加压组件包括用于夹持岩石样品的承载台，承载台两侧还分别设置有供岩石样品测试的第一换能器及第二换能器，第一换能器紧贴于加热组件，第二换能器分别紧贴于外护套及加热组件，通过设置承载台夹持样品岩石，同时能够在加压过程中提供抗压强度，设置在承载台两侧的第一换能器及第二换能器对样品岩石进行超声测试，以获得样品岩石在超高温高压环境下的地震弹性参数，同时承载台、换能器以及加热组件之间不存在空隙，提高测试的稳定性。

具体的，加压组件还包括压头，压头设置于第一换能器的上方，压头与第一换能器之间还设置有缓冲补偿组件，压头底面与缓冲补偿组件端面相贴合，以保证压头能够均匀作用于缓冲补偿组件，由于设置的加热组件、第一换能器以及外护套之间均存在一定的高度差，为了使得压头在作用的过程中，测试装置能够保持稳定，通过在压头与第一换能器之间设置缓冲补偿组件，使得压头能够平稳的为岩石样品施加压力。

具体的，加热组件上还套设有温度探头；温度探头紧贴于外护套，且将抗压件分割成上下两层，设置的温度探头实时监控并记录加热组件的温度，同时温度探头直接套设在加热组件上并将抗压件分隔成上下两层，即温度探头能够稳定在抗压件中，为测试分析提高准确的数据参数。

需要说明的是，温度探头的传输管线穿过外护套与外部数据接收装置连接。

具体的，导电组件包括导电铜套以及与外部供电设备连接的导电铜环，导电铜套与石墨管的外径相同且两者的端面相互接触，导电铜套与石墨管组合成加热腔，外径相同的导电铜套以及石墨管组成电路，通过导电铜环在外部供电设备的作用下，位于中部的石墨管在较高电流的作业下，由于自身电阻较大且管壁较薄，能够在短时间内产生大量的热量，使得测试装置能够快速提供超高温环境。

实施例2

如图1所示，本发明提供了一种超高温高压岩石样品测试装置，包括加热组件和加压组件，加压组件夹持岩石样品于加热组件内；加热组件与加压组件之间设置有聚热部件6；聚热部件6紧贴于加热组件；加热组件与岩石样品15组合成圆柱体结构，以供聚热部件6同时贴合于加压组件和岩石样品15；使岩石样品15能够在高压环境中能够快速完成超高温加热测试；利用加压组件将岩石样品夹持于加热组件中，为岩石样品同时提供高温及高压环境，设置的聚热部件6分别与加热组件及岩石样品贴合，整体形成圆柱体结构，减少热量的散失，从而加快升温过程，提高实验效率。

需要说明的是，聚热部件6呈薄壁圆柱体结构，聚热部件由叶腊石制成，由于叶腊石导热较差，能够将加热组件产生的热量聚集作用于岩石样品15，提高测试的效率，同时由于在加工过程中易碎，即如图1所述，聚热部件6由上下两部分组合而成，若直接加工成腔体长度，成品率较低，且组装过程中易损坏。

具体的，加热组件包括石墨管3以及与石墨管连接的导电组件；岩石样品15位于石墨管3中部，聚热部件6分别与石墨管3与岩石样品15贴合，石墨管3将岩石样品15完全容纳在内，将石墨管3通电后，能够将温度快速提升至400℃以上，而在测试完成后，切断外部供电系统后，石墨管3的温度能够在几分钟内快速降至室温，从而实现岩石样品的高效测试。

需要说明的是，在实验室内对于测量超高温高压数据，加热方式一般是从加载腔体外面加热，通过热传导，逐层加热到样品，加温时间很长，降温也很长，一般都要十几个小时，效率太低；采用石墨管3直接对岩石样品15进行加热，不仅大幅提高测试效率，一般十几分钟就完成，同时更加真实地模拟深层高温环境，提高测试实验的准确性及真实性。

如图1所示，测试装置还包括外护套，外护套将加热组件包裹在内。

具体的，外护套包括与所述石墨管贴合的叶腊石外套2以及位于所述叶腊石外套2两侧的抗压件1，通过设置的外护套将加热组件、加压组件以及岩石样品15进行固定，同时设置的抗压件1能够在测试过程中提高抗压强度，避免各部件发生损坏。

需要说明的是，抗压件1由氧化铝制成，在测试过程中提高整体测试装置的抗压强度。

具体的，加压组件包括用于夹持岩石样品的承载台8，承载台8两侧还分别设置有供岩石样品15测试的第一换能器7及第二换能器17，第一换能器7与第二换能器17均紧贴于加热组件，通过设置承载台8夹持样品岩石15，同时能够在加压过程中提供抗压强度，设置在承载台8两侧的第一换能器7及第二换能器17对样品岩石15进行超声测试，以获得样品岩石15在超高温高压环境下的地震弹性参数，同时承载台8、换能器以及加热组件之间不存在空隙，提高测试的稳定性。

具体的，如图1所示，第一换能器7和第二换能器17均设置有走线通道10，以在对样品岩石15进行超声测试时将测试数据实时传递给外部接收装置。

具体的，如图1所示，走线通道10呈T型结构，为了保护走线通道10内的导线不易受到损伤，走线通道10采用钢管制成。

需要说明的是，如图1所示，加压组件整体呈圆柱体结构，聚热部件6、加热组件、抗压件依次由内至外套设在加压组件上，并容纳于外护套中，构成圆柱体结构，且外护套内各部件之间不存在空隙，避免因孔隙、裂缝的闭合或膨胀对测试实验造成影响。

需要进一步说明的是，承载台8由刚玉柱制成，为测试装置整体提供抗压强度，如图1所示，承载台8分为上下两部分，以夹持样品岩石15，样品岩石15与承载台8的外径相同，以供聚热部件6在套设于加压组件上时，能够同时贴合样品岩石15及承载台8，尽量减少加热组件产生的热量散失，提高测试的效率，同时在加压过程中，保证测试装置稳定性更高。

具体的，加压组件还包括压头16，压头16设置于第一换能器7的上方，压头16与第一换能器7之间还设置有缓冲补偿组件，压头16底面与缓冲补偿组件端面相贴合，以保证压头16能够均匀作用于缓冲补偿组件。

需要说明的是，由于设置的加热组件、第一换能器7以及外护套之间均存在一定的高度差，为了使得压头16在作用的过程中，测试装置能够保持稳定，通过在压头16与第一换能器7之间设置缓冲补偿组件，使得压头16能够平稳的为岩石样品施加压力。

具体的，如图1所示，缓冲补偿组件包括叶腊石柱11以及铅垫12，叶腊石柱11设置于走线通道10上并与加热组件相贴合，同时叶腊石柱11的端面与加热组件的端面共面，以组合成完整的平面，铅垫12安装在叶腊石柱11上并与外护套17的内壁相贴合，由于叶腊石柱11和铅垫12都并非刚性材料，能够在压头16作用时，使整体测试装置受力更加均衡，以提高测试实验的准确性。

具体的，如图1所示，加热组件上还套设有温度探头9；温度探头9紧贴于外护套，且将抗压件1分割成上下两层，设置的温度探头9实时监控并记录加热组件的温度，同时温度探头9直接套设在加热组件上并将抗压件分隔成上下两层，即温度探头能够稳定在抗压件中，为测试分析提高准确的数据参数。

需要说明的是，温度探头9通过叶腊石外套2套设于加热组件上，即如图1所示，温度探头9的测量端穿过叶腊石外套2并与石墨管3直接接触，另一端穿过外护套与外部数据接收装置连接，以实时传递温度信息。

作为优选的实施方式，压头16底部还包裹有三角密封圈，三角密封圈与压头16组合成圆柱体结构，以供压头16完全贴合于缓冲补偿组件。

具体的，三角密封圈由金属铜制成，三角密封圈包括外三角密封圈13和内三角密封圈14。

需要说明的是，如图1所示，由于压头16底部存在一定弧形部分，从而导致压头16无法完全与缓冲补偿组件贴合，从而使得压头16、外护套以及缓冲补偿组件之间存在一定的缝隙，在压头16施压压力时，可能会由于缝隙而发生一定的偏转，影响实验的准确性，通过在压头16底部包裹三角密封圈，使得压头16、外护套以及缓冲补偿组件之间的空隙能够得以填充，进一步提高压头16作业时的稳定性。

具体的，导电组件包括导电铜套4以及与外部供电设备连接的导电铜环5，导电铜套4与石墨管3的外径相同，导电铜套4套设于聚热部件6上。

作为优选的实施方式，导电铜套4的数量为两个，两个导电铜套4对石墨管3进行夹持，以便在通电后石墨管3能够快速进行放热。

需要说明的是，如图1所示，外径相同的导电铜套4以及石墨管3组成一部分电路，配合导电铜环5在外部供电设备的作用下，位于中部的石墨管3在较高电流的作业下，由于自身电阻较大且管壁较薄，能够在短时间内产生大量的热量，使得测试装置能够快速提供超高温环境。

实施例3

本发明还提供了一种超高温高压岩石样品测试系统，包括：

高压加载装置，包括施压装置和高压腔，测试装置安装于所述高压腔内的限位槽中，所述施压装置驱动加压组件对所述岩石样品进行施压；

供电装置，与测试装置连接，以提供外部电流供测试装置产生高温环境；

冷却装置，包括水冷管以及水循环换热装置，以控制测试装置的温度。

具体的，测试装置以及水冷管均设置于高压腔内，水冷管与测试装置接触，水循环换热装置设置于高压腔外。

需要说明的是，施压装置通过传压介质对高压腔内的测试装置进行加压作业，供测试样品提供高压环境，高压加载装置为本领域技术人员公知的现有技术，根据需要可自行选择合适型号，在此不做过多赘述；设置额定温度于水循环换热装置中，由于石墨管在通电状态下持续发热，当岩石样品环境温度达到额定温度后，水冷管吸收石墨管产生的热量，以供岩石样品环境保持额定温度，水循环换热装置具体型号可根据情况自行选择。

实施例4

本发明还提供了一种基于上文所述超高温高压岩石样品测试系统的测试方法，包括以下步骤：

S1、将所述岩石样品夹持在测试装置的加热腔内；

S2、启动施压装置，通过加压组件对所述岩石样品施加预定大小的压力。

S3、保持稳定施压，启动所述供电装置，为加热组件工作提供外部电流，同时启动冷却装置，设定水循环换热装置的温度，避免所述加热组件持续不断升温；

S4、启动换能器对所述岩石样品进行性能测试，记录所述岩石样品在不同温度下的物理数据；

S5、根据实验结果拟合所述岩石样品关于温度和压力的函数。。

需要说明的是，组装所述测试装置并将所述岩石样品夹持在内步骤具体如下：

如图1所示，将第二换能器17设置于凹槽中，将承载台8放置于第二换能器17上，岩石样品15位于承载台8中部，将第一换能器7以及走线通道10依次放置于承载台8顶部，将聚热部件6、加热组件依次由内至外套设于承载台8上并与底部接触，将抗压件1填充于加热组件与外护套之间的缝隙中，抗压件1分为上下两部分，填充过程中在抗压件1中部放置叶腊石外套2，并将温度探头9穿过叶腊石外套2与石墨管3直接接触，同时温度探头9的导线穿过外护套9与外部数据接收装置连接，再将叶腊石柱11和铅垫12依次放置于加热组件上，最后将压头16放置于铅垫12上，放置的过程中将压头16底部套设三角密封圈。

需要说明的是，采用碳酸盐岩储层岩石作为岩石样品15进行测试，利用第一换能器7以及第二换能器17对处于高温高压环境中的岩石样品进行超声测试，采集数据如图2所示。

进一步的，根据测试结果拟合岩石样品15弹性波速度随温度和压力的函数如图3所示，可以发现，岩石弹性波速度随压力、温度的倒数衰减现象。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。