专利名称：基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩心裂缝可视化的参数自动测量装置，即对岩心各方向裂缝在实验过程中的状态改变进行实时记录，最终以图像和数值两种方式对裂缝进行分析。特别提供了一种能够在观测岩心裂缝变化及宽度的同时对岩心XYZ三个方向进行多参数测量的测量仪。
背景技术：
裂缝为储层提供了储层空间、油气运移通道，但也造成了对储层内在流动的非均质性以及对储集层的分隔。储层裂缝的研究是油气勘探中的难点，岩心分析是研究裂缝的必要手段。对岩石裂缝的研究，需要具备高效的实验装置，才能开展基础实验研究。已有 的岩心裂缝可视化装置通常是由夹持器主体、上覆导压块、底座、可视窗、加压机构组成，夹持器主体设为矩形或圆柱形，中心设有上下连通的通孔，在夹持器主体的外侧面中设置入口连接螺纹孔、出口连接螺纹孔以及导压孔，在导压孔的外端面安装加压机构；在夹持器主体后侧面安装可视孔，可视孔下部加载可视玻璃，可视玻璃上方安装摄像头，通过摄像头观察岩心裂缝形态变化。然而现有的岩心裂缝可视化装置存在功能单一，只能用于观察裂缝，无法同时完成如孔隙度、渗透率、电阻率、声波等多种岩石物理参数的测量；只能以直径为I英寸的柱塞样岩心为实验对象，而且只能对柱塞岩心两个端面的裂缝进行观察，无法完成对岩石各向异性的研究，因此设计了一套既能对裂缝进行可视化观测，又能对岩心进行各向异性多参数进行测量的实验装置，是目前对裂缝进行实验研究的必要途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提供一种基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，既能完成岩心裂缝的可视化观测，又能测量岩心在XYZ三个方面的多种岩石物理参数，进而开展各向异性研究。所述多种岩石物理参数包括岩心的孔隙度、气体渗透率、液体渗透率、岩石电阻率和纵横波速度。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，包括控制器和岩心夹持器两部分，控制器用于信号的发送与接收，所有实验内容在岩心夹持器中完成，所述控制器和所述岩心夹持器通过数据线相连。所述的岩心夹持器包括釜体，所述釜体的下端安装公用下柱塞，所述釜体的上端安装上柱塞，公用下柱塞和上柱塞之间有胶套，所述胶套为圆柱体且内部镂空呈正方形空腔用于放置方岩心，所述方岩心为边长3-6厘米的正方体岩心。所述上柱塞包含可视化柱塞、电声柱塞和孔渗柱塞3种。所述可视化柱塞包括可视化柱塞柱状筒体，可视化柱塞柱状筒体上端有照相机，照相机的一侧设有与所述正方形空腔连通的气源通气管，照相机的另一侧为气源压力传感器接头，气源压力传感器接头通过引线与安装在可视化柱塞柱状筒体下端面的压力传感器相连；所述照相机的下端装有变焦镜头，变焦镜头正下方有玻璃观察窗，所述玻璃观察窗呈圆柱体镶嵌在所述可视化柱塞柱状筒体底部正中位置，所述玻璃观察窗的两端设有可视光源，用于提供可视光。所述电声柱塞包括电声柱塞柱状筒体,所述电声柱塞柱状筒体的正中有连杆，连杆中空呈环形贯穿所述电声柱塞柱状筒体上端面并延伸到所述电声柱塞柱状筒体下端面，连杆中装有内窥镜，电声柱塞连杆的下端两侧分别装有可视光源，所述可视光源正下方为玻璃观察窗，所述玻璃观察窗呈圆柱体镶嵌在所述电声柱塞柱状筒体底部正中位置，电声柱塞连杆的上端两侧分别装有声波引线座和电阻率引线座，声波引线座通过引线与声波发射探头连接，声波发射探头位于所述电声柱塞柱状筒体底部内侧面，所述声波引线座外侧为驱替压力传感器，驱替压力传感器通过引线与所述电声柱塞柱状筒体下端面中的压力传感器相连，所述电阻率引线座通过引线与电极环相连，电极环呈环状镶嵌在所述电声柱塞柱状筒体底部端面中，电阻率引线座外侧为气源通气管，所述气源通气管通过管线与所述方岩心连通。所述孔渗柱塞包括底端装有玻璃观察窗的孔渗柱塞柱状筒体，所述玻璃观察窗的正上方有中空环形连杆和可视光源，所述孔渗柱塞可视光源位于所述孔渗柱塞连杆的下端，所述孔渗柱塞连杆中装有内窥镜，所述孔渗柱塞柱状筒体上端和所述孔渗柱塞连杆外 侧有孔渗气源入口和孔渗压力传感器，所述孔渗气源入口通过管线与所述方岩心连通，所述孔渗气源入口管线上装有进气微阀和孔渗测量微阀，所述进气微阀位于所述孔渗测量微阀上方，所述孔渗压力传感器通过引线与安装在所述孔渗柱塞柱状筒体底部的压力传感器相连。所述公用下柱塞包括公用下柱塞柱状筒体，所述公用下柱塞柱状筒体靠近所述方岩心一端装有电极环，电极环通过引线与所述公用下柱塞柱状筒体端面上的电阻率引线座相连，所述电极环下端是声波接收探头，所述声波接收探头通过引线与所述公用下柱塞柱状筒体端面上的声波引线座相连，所述电阻率引线座的外侧是驱液口和出液口，所述驱液口和出液口通过管线与所述方岩心连通，所述管线上有电磁阀，所述驱液口位于所述出液口与所述公用下柱塞柱状筒体端面之间，所述声波引线座外侧为回压传感器接头，所述回压传感器接头通过引线与安装在所述靠近方岩心一侧的公用下柱塞柱状筒体端面中的压力传感器相连。所述上柱塞包含可视化柱塞、电声柱塞和孔渗柱塞3种，可以按照不同的实验目的进行更换。所述下柱塞是公用的，可以配合三种上柱塞使用。作为优选的技术方案，所述岩心主要是指方岩心，确切地说是切割成边长为3-6厘米的正方体岩心。作为优选的技术方案，在所述釜体的外部设有围压入口和围压出口用于控制釜体内部压力，所述釜体中设有用于控制内部温度的温度控制器。作为优选的技术方案，在所述基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪还包括计量泵，所述计量泵与夹持器连通，用于提供驱替液体。作为优选的技术方案，所述胶套外径为10. 5厘米，内部镂空呈边长为3-6厘米的正方体空腔，适用于边长为3-6厘米的正方体岩样。由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是在釜体下端安装公用下柱塞，公用下柱塞上端面放胶套和方岩心，然后在釜体上端装载上柱塞。首先，上柱塞选用孔渗柱塞，装载柱塞并拧紧使得上下两个柱塞与岩心端面充分耦合，通过控制器设定系统围压和温度，打开孔渗气源入口，调节进气微阀，系统会自动测量岩石的孔隙度和气体渗透率；第二，将上柱塞更换成电声柱塞，下柱塞不变，在控制器中设定系统压力和温度，打开声波发射器，测量纵横波在岩样中的传播速度，之后打开计量泵对方岩心进行驱替，从而得到方岩心的电参数，在声波和电阻率测量的过程中，使用内窥镜可以对岩样端面的变化或液体流动情况进行实时观察和录相，如果所用岩心是饱和过的岩心，系统会自动测量岩样的液体渗透率；最后，将上柱塞更换成可议长视化柱塞，开启照相机并启动自动调焦功能，打开可视光源，调节系统压力和温度，透过相机控制端可以实时观测岩心端面裂缝的变化情况并进行拍照。在上述三种柱塞测量的过程中，改变方岩心的测量端面，可以完成方岩心XYZ三个方向的参数测量，将三种柱塞测量的数据集合，得到基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量结果。本发明在柱塞端面和方岩心周围布置的压力传感器和温度传感器可以测得夹持器内的温度场和压力�。浜贤馍璧募嗖庖瞧骺山形露�、压力、流量和图像的实时采集与分析，通过数据采集分析系统及时有效的评价实验效果，基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪可根据实验目的调整使用方式，仪器应用性强，可以根据要求重复测量，试验结果准确度高，通过设在筒体和柱塞中的压力控制器和温度控制器可以控制岩心周围的温 度和压力，模拟井下原位状态。
下面结合附图和实施例来详细描述本发明。图I为依据本发明所提出的可视化柱塞作为上柱塞的岩心夹持器的结构剖视示意图。图2为本发明中电声柱塞的结构剖视示意图。图3为本发明中孔渗柱塞的结构剖视示意图。图4是本发明原理框图。图5是本发明数据采集控制的计算机软件框图。图中，I-照相机；2_气源通气管；3_可视化上柱塞；4-管线；5_变焦镜头；6-釜体；7_围压胶套；8_胶套；9_方岩心；10_声波接收器；11_公用下柱塞；12_回压传感器接头；13_气源压力传感器接头；14_引线；15_玻璃观察窗；16_可视光源；17_围压入口 ；
18-电极环；19-驱液口 ；20_出液口 ；21_电阻率引线座；22_声波引线座；23_电声柱塞内窥镜；24_驱替压力传感器；25_声波引线座；26_电声柱塞连杆；27_声波发射晶片；28_电极环；29_玻璃观察窗；30_电阻率引线座；31_气源通气管；32_可视光源；33_孔渗柱塞内窥镜；34_孔渗压力传感器；35_孔渗柱塞连杆；36_可视光源；37_玻璃观察窗；38_孔渗气源入口 ；39_进气微阀；40_孔渗测量微阀。
具体实施例方式如图I所示，所述岩心夹持器由釜体6、上柱塞和公用下柱塞11连接而成。其中，所述上柱塞包括图I所示可视化柱塞3、图2所示的电声柱塞和图3所示的孔渗柱塞三种，三种柱塞按功能选择使用，所述下柱塞只有一种，为图I中所示的公用下柱塞11。所述釜体
6外侧设有提供围压的围压入口 17，内侧设有围压胶套7，所述围压胶套7与釜体钢结构间具有中空腔室，实验时所述釜体6的下端安装公用下柱塞11，釜体6上端安装上柱塞，图I中所示上柱塞为可视化柱塞3，所述可视化柱塞3和下柱塞11之间放置胶套8，所述胶套8中放置方岩心9。实施例I :如图I所示，所述的岩心夹持器包括釜体6，所述釜体6下端装有公用下柱塞11，所述公用下柱塞的上方有胶套8，所述胶套8中放置方岩心9，所述釜体上端对应于所述方岩心9和所述胶套8上端面安装可视化柱塞3。本实施例中，所述可视化柱塞3包括安装在可视化柱塞柱状筒体上端并伸入可视化柱塞筒体内部的照相机1，所述照相机I上装有变焦镜头5，所述变焦镜头5正下方对应所述可视化柱塞3的下端面有供观察用的玻璃观察窗15，所述玻璃观察窗15两边对应可视化柱塞柱状筒体底端的内侧面有供给可视光线的可视光源16，所述照相机I的外侧对应可视化柱塞3的上端面分别有气源通气管2和气源压力传感器接头13，所述气源通气管2通过管线4与放置方岩心9的正方形空腔连通，所述气源压力传感器接头13通过引线14与位于可视化柱塞柱状筒体底部的压力传感器相连。本实施例中所述公用下柱塞11包括镶嵌在公用下柱塞柱状筒体底端的用于测量岩石电阻率的电极环18，所述电极环18通过引线与所述公用下柱塞端盖上的电阻率引线座21 相连，所述电极环18的内侧有用于接收纵横波信号的声波接收器10，所述声波接收器10通过引线与外部声波引线座22相连，所述电极环18的外侧对应公用下柱塞柱状筒体外壁的内侧面装有贯穿筒体的管线，所述管线上装有用于排出液体的出液口 20和用于辅助排液的驱液口 19，所述驱液口 19较所述出液口 20更靠近所述方岩心9的下端面。其中，在所述釜体内壁中设有出气口及若干压力传感器和温度传感器(图中未示出)。其中，在所述可视化柱塞3中装有用于监测气源压力的压力传感器(图中未示出)。其中，在所述公用下柱塞11中装有用于监测回压压力的压力传感器(图中未示出)。工作原理选用可视化柱塞3开展实验时，首先在釜体6下端装载公用下柱塞11，釜体6上端装载可视化柱塞3，并在两个柱塞中间放置胶套8和方岩心9 ;然后打开照相机I和可视光源16，确保能够观察到岩心端面，此时开启温度调控元件，对岩心夹持器加热到实验所需温度，打开围压入口 17和接通气源通气管2，使系统保持一定的围压和孔隙压力；当实验指标达到试验需求时，通过调节变焦镜头5对方岩心9的端面进行拍照，进行完成对岩心端面裂缝密度、宽度参数的计算，更换方岩心9的测量端面，得到方岩心9的三维裂缝参数数据。实施例2 :图2所示为电声柱塞剖面示意图，利用仪器测量岩石的电声参数时需要用图2中所示的电声柱塞替换图I中的可视化柱塞3，釜体和下柱塞部分与图I中所示相同。本实施例中，所述的电声柱塞，包括用于观察岩心端面变化的电声柱塞内窥镜23,所述电声柱塞内窥镜23外部为用于固定内窥镜位置的中空环形电声柱塞连杆26,所述电声柱塞连杆下端装有用于提供可视光线的可视光源32，所述可视光源32正下方为玻璃观察窗29,所述玻璃观察窗29外侧有用于测量岩石电阻率的镶嵌于电声柱塞柱状筒体底部端面的电极环28，所述电极环28通过引线与电声柱塞柱状筒体上端盖上的电阻率引线座30相连，所述电极环28上端与所述电声柱塞柱状筒体底部内端面有用于发射纵横波信号的声波发射器27，所述声波发射器27通过引线与所述电声柱塞柱状筒体上端盖上的声波引线座25相连，所述电阻率引线座30的外侧为用于提供气源通道的气源通气管31，所述声波引线座25的外侧有驱替压力传感器接头24。其中，在所述的电声柱塞柱状筒体中设有用于监测驱替压力的驱替压力传感器和监测气源压力的气源压力传感器(图中未示出)。其中，在液体驱替时可将气源通气管31用作液驱入口(图中未示出)。其中，电声柱塞外接有用于显不岩样电阻值的LCR数字电桥、用于显不声波波形的示波器、用于提供驱替液体的计量泵以及用于计量出液量的高精度计量天平(图中未示出)。工作原理在采用本发明测量岩石的电声参数时，只需要将图I中所示可视化柱塞3换成图2中所示的电声柱塞，其余不变，之后开启温度控制元件，加热夹持器到实验所需温度，打开围压入口 17并接通气源通气管2，使系统保持一定的围压和孔隙压力，当测量 岩石的声参数时，在温度和压力满足实验条件的情况下，打开声波发射器27和声波接收器10，通过调节外接示波器，得到岩样的纵横波波形，进而读取纵横波速度参数；如果是测量岩石的电参数，在温度和压力满足实验条件的情况下，根据气驱或液驱的需要切换驱替介质，通过外部LCR数字电桥读取电阻率值，通过外部计量天平计量出液量并通过计算得到岩样的含水饱和度，从而得到岩心含水饱和度和电阻增大率的关系。最后，通过改变方岩心9的测量端面可以得到方岩心9在三个端面的的电声参数。实施例3 :图3所示为孔渗柱塞剖面示意图，所述的孔渗柱塞用于测量岩样的孔隙度和渗透率参数，实验时用图3中所示的孔渗柱塞替换图I中的可视化柱塞，其余不变。本实施例中，所述孔渗柱塞的中间有用于观察岩心端面变化情况的内窥镜33，所述内窥镜外部有用于固定内窥镜的呈环形状的孔渗柱塞连杆35，所述孔渗柱塞连杆35下端装有用于提供光线的可视光源36，所述可视光源36及所述内窥镜33正下方装有透明的玻璃观察窗37，所述玻璃观察窗37镶嵌在所述孔渗柱塞下端面正中央，所述内窥镜33外侧对应所述孔渗柱塞上端盖外缘有孔渗气入口 38，所述孔渗气源入口 38通过管线与所述方岩心9的上端面相连通，该管线上端装有用于调节进气量的进气微阀39，管线下端装有孔渗测量微阀40。其中，所述孔渗柱塞下端面中还装有孔渗回压传感器(图中未示出)。工作原理当采用本发明开展岩样孔隙度渗透率参数测量时，首先用图3中所示的孔渗柱塞替换图I中所示的可视化柱塞3，其余不变，打开围压入口 17和孔渗气源入口38，使系统保持一定的围压和孔隙压力，打开进气微阀39和孔渗测量微阀40，系统会根据孔渗测量微阀40和孔渗压力传感器34返回的数据计算所述方岩心9的孔隙度和气体渗透率值，实验过程中可以通过内窥镜33实时观察方岩心9端面的变化情况。最后，更换所述方岩心9的测量端面可以测量得到方岩心9在XYZ三个面的孔隙度渗透率参数。将实施例I、实施例2和实施例3中得到的数据结合起来，即可得到所述方岩心9基于裂缝可视化观测的XYZ三个方向的多种岩石物理参数。以上所述仅是本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，包括控制器和岩心夹持器两部分，控制器用于信号的发送与接收，所有实验内容在岩心夹持器中完成，控制器和岩心夹持器通过数据线相连，岩心夹持器包括釜体，釜体的下端安装公用下柱塞，釜体的上端安装上柱塞，公用下柱塞和上柱塞之间有胶套，所述胶套为圆柱体且内部镂空呈正方形空腔用于放置方岩心；所述上柱塞有可视化柱塞、电声柱塞和孔渗柱塞三种，其特征在于所述可视化柱塞包括可视化柱塞柱状筒体，可视化柱塞柱状筒体的上端装有照相机，照相机的一侧设有与所述正方形空腔连通的气源通气管，照相机的另一侧为气源压力传感器接头，气源压力传感器接头通过引线与装在可视化柱塞柱状筒体下端面的压力传感器相连，所述照相机的下端装有变焦镜头，所述变焦镜头正下方有玻璃观察窗，所述玻璃观察窗呈圆柱体镶嵌在所述柱状筒体底部正中位置，玻璃观察窗的两端设有可视光源。
2.根据权利要求I所述的基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，其特征在于所述全直径岩心胶套外径为10. 5厘米，内部镂空呈边长为3-6厘米的正方体空腔。
3.根据权利要求I所述的基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，其特征在于所述方岩心为边长3-6厘米的正方体岩心。
4.根据权利要求I所述的基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，其特征在于所述电声柱塞中装有内窥镜。
5.根据权利要求I所述的基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，其特征在于所述孔渗柱塞中装有内窥镜。
全文摘要
本发明提供了一种基于裂缝可视化观测的岩心三维多参数测量仪，包括控制器和岩心夹持器两部分，控制器用于信号的发送与接收，所有岩心参数的测量在岩心夹持器中完成，它以方岩心为主要实验对象，配备可视化柱塞、电声柱塞和孔渗柱塞三种不同功能的上柱塞和一种公用下柱塞，实验时将方岩心放入夹持器并在两端装载柱塞，设定系统参数，仪器会自动完成相应参数的测试。加温加压条件下使用可视化柱塞，通过内部配置的照相机可以实时观察裂缝变化并测量裂缝宽度，使用电声柱塞和孔渗柱塞可以完成对岩心孔隙度、渗透率、波速、电阻率参数的测量以及驱替过程和岩心裂缝变化的观察，改变方岩心的装入方向可以实现岩心XYZ三方向参数的测量。
文档编号G01N29/07GK102901696SQ20121035262
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者孙建孟, 陈一健, 董旭, 张丽艳, 李召成 申请人:中国石油大学(华东)
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