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CN111198399A - 一种沉积物压实声速各向异性测量装置 - Google Patents

一种沉积物压实声速各向异性测量装置 Download PDF

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CN111198399A CN202010107049.2A CN202010107049A CN111198399A CN 111198399 A CN111198399 A CN 111198399A CN 202010107049 A CN202010107049 A CN 202010107049A CN 111198399 A CN111198399 A CN 111198399A
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韩同城
郭许飞
刘圣彪
徐登辉
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Abstract

本发明涉及一种沉积物压实声速各向异性测量装置，包括用于容置沉积物样品的高压反应釜，其底部固定有下轴向压头，顶部设置有可轴向移动的上轴向压头；高压反应釜内设置有一对轴向声波换能器，用于发射和接收垂直于层理面的纵波；高压反应釜的侧壁上设置有两对周向声波换能器，其中一对用于发射和接收平行于层理面的纵波，另一对用于发射和接收偏振方向平行/垂直于层理面的横波；高压反应釜的侧壁上还设置有一对斜向声波换能器，用于发射和接收与层理面呈45°角的纵波。由此，本发明能够同时连续准确测量不同压力下三个方向的纵波速度和两个方向的横波速度，不仅大大提高了测量效率，减小了工作量，而且测量得到的速度可以用于压实岩石弹性模量的计算。

Description

一种沉积物压实声速各向异性测量装置
技术领域
本发明涉及一种声速测量装置，特别是关于一种不同压力条件下沉积物压实声速各向异性测量装置，属于勘探地球物理领域。
背景技术
松散沉积物在成岩过程中会经历复杂的成岩作用。在岩石成岩过程中，温度压力条件的改变会影响颗粒的排列方式及孔隙结构，从而进一步影响岩石的弹性性质和渗流性质。其中，颗粒的定向排列以及孔隙度的改变会对岩石的各向异性声学性质产生显著的影响，因此开展实验室沉积物各向异性声速的测量对于更好的了解岩石的成岩演化过程具有重要意义。
自然界常见的岩石通常具备层理、裂缝等导致的各向异性。对于松散的沉积物而言，压实过程中不同的受力方向同样会导致不同类型的各向异性(如VTI、HTI、TTI)。因此，有必要开发一套能够有效测量沉积物压实过程中各向异性声速的测量装置。
目前，实验室岩石各向异性声速的测量方法主要有两种：一是根据岩石层理的分布方向，按照平行层理、垂直层理等方向分别取样，测量其纵波和横波速度；二是制作专用的夹具和高压釜，将声波换能器分别固定在夹具的不同方向以测量不同方向的纵波和横波速度。但对于松散的沉积物，无法应用常规方法进行取样，因此第一种方法不具备可行性。第二种方法由于沉积物中声速较低，常用的不锈钢釜体及模具与样品声速差异较大，测量得到的声波信号容易受到干扰，并且声波换能器的周向探头与样品接触不良难以识别有效的声波信号(特别是横波信号)。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种不同压力条件下沉积物压实声速各向异性测量装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种沉积物压实声速各向异性测量装置，包括：高压反应釜，其内形成有用于放置沉积物样品的轴向容置腔，所述高压反应釜的侧壁上开设有四个呈90°角布置的周向孔以及一对呈中心对称布置的斜向孔，且所述周向孔的轴线垂直于所述轴向容置腔的轴线，所述斜向孔的轴线与所述轴向容置腔的轴线呈45°角；下轴向压头，固定设置在所述高压反应釜的底部；上轴向压头，所述上轴向压头的至少一部分可滑动地设置在位于所述沉积物样品上方的所述轴向容置腔内，用于在测量过程中向所述沉积物样品施加轴向压力以压实所述沉积物样品；轴向声波换能器，两所述轴向声波换能器分别设置在位于所述沉积物样品上下两侧的所述轴向容置腔内，且两所述轴向声波换能器的端面分别与所述沉积物样品的上表面和下表面相接触，两所述轴向声波换能器内嵌纵波晶片，用于发射和接收垂直于沉积物样品层理面的纵波；周向声波换能器，两对所述周向声波换能器分别安装在所述高压反应釜的四个所述周向孔中，且所述周向声波换能器的端面均与所述沉积物样品的周面相接触，其中呈180°布置的一对所述周向声波换能器内嵌纵波晶片，用于发射和接收平行于沉积物样品层理面的纵波，呈180°布置的另一对所述周向声波换能器内嵌横波晶片，用于发射和接收偏振方向平行于沉积物样品层理面以及偏振方向垂直于沉积物样品层理平面的横波；斜向声波换能器，一对所述斜向声波换能器分别安装在所述高压反应釜的两个所述斜向孔中，且两所述斜向声波换能器的端面均与所述沉积物样品的周面相接触，两所述斜向声波换能器内嵌纵波晶片，用于发射和接收与沉积物样品层理面呈45°角的纵波。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，该装置还包括下输/排气液管和上输/排气液管，所述下输/排气液管贯穿所述下轴向压头和轴向声波换能器后与所述轴向容置腔连通，所述上输/排气液管贯穿所述上轴向压头和另一轴向声波换能器后与所述轴向容置腔连通。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，在所述周向声波换能器和斜向声波换能器的探头外部均嵌有密封用胶套。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，两所述轴向声波换能器的外周均嵌有密封用O型圈。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，下所述输/排气液管和上输/排气液管上均设置有闸阀门。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，所述周向声波换能器和斜向声波换能器通过固定螺母分别安装在所述周向孔和斜向孔内。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，所述周向声波换能器和斜向声波换能器的尾部均设置有用于判别晶片方向的螺纹钉。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，所述轴向声波换能器的端面为平面，所述周向声波换能器和斜向声波换能器的端面为与所述沉积物样品的周面形状相适应的凹面。
所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，优选地，所述高压反应釜由PEEK材料一体制作而成。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对各向异性样品，能够同时连续准确测量不同压力下三个方向的纵波速度和两个方向的横波速度，不仅大大提高了测量效率，减小了工作量，而且测量得到的速度可以用于压实岩石弹性模量的计算，能够满足对于地下泥页岩等沉积物储层的预测与评价提供数据支持。2、本发明的声波换能器与岩石沉积物直接接触，中间没有任何介质，从而进一步减少了声波信号传播过程中的损失，提高了接收到的信号质量。3、本发明的高压反应釜采用PEEK材料，耐高压、质量小且声速较低，使用更为轻便，实验压力范围大，测试数据更为准确。
附图说明
图1为本发明的纵剖面正视图；
图2为本发明的纵剖面侧视图；
图3为本发明的横剖面示意图；
图4为本发明测得的Vp0波形图；
图5为本发明测得的Vp45波形图；
图6为本发明测得的Vp90波形图；
图7为本发明测得的Vsx波形图；
图8为本发明测得的Vsy波形图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1至图3所示，本发明提供的沉积物压实声速各向异性测量装置，包括：高压反应釜1，其内形成有用于放置沉积物样品10的轴向容置腔，高压反应釜1的侧壁上开设有四个呈90°角布置的周向孔以及一对呈中心对称布置的斜向孔，且周向孔的轴线垂直于轴向容置腔的轴线，斜向孔的轴线与轴向容置腔的轴线呈45°角；下轴向压头2，固定设置在高压反应釜1的底部；上轴向压头3，上轴向压头3的至少一部分可滑动地设置在位于沉积物样品10上方的轴向容置腔内，用于在测量过程中向沉积物样品10施加轴向压力以压实沉积物样品10；轴向声波换能器4，两轴向声波换能器4分别设置在位于沉积物样品10上下两侧的轴向容置腔内，且两轴向声波换能器4的端面分别与沉积物样品10的上表面和下表面相接触，轴向声波换能器4内嵌纵波晶片，用于发射和接收垂直于沉积物样品层理面的纵波；周向声波换能器5，两对周向声波换能器5分别安装在高压反应釜1的四个周向孔中，且周向声波换能器5的端面均与沉积物样品10的周面相接触，其中呈180°布置的一对周向声波换能器5内嵌纵波晶片，用于发射和接收平行于沉积物样品层理面的纵波，呈180°布置的另一对周向声波换能器5内嵌横波晶片，用于发射和接收偏振方向平行于沉积物样品层理面以及偏振方向垂直于沉积物样品层理平面的横波；斜向声波换能器6，一对斜向声波换能器6分别安装在高压反应釜1的两个斜向孔中，且两斜向声波换能器6的端面均与沉积物样品10的周面相接触，斜向声波换能器6内嵌纵波晶片，用于发射和接收与沉积物样品层理面呈45°角的纵波。
在上述实施例中，优选地，本发明还包括下输/排气液管7和上输/排气液管8，下输/排气液管7贯穿下轴向压头2和轴向声波换能器4后与轴向容置腔连通，上输/排气液管8贯穿上轴向压头3和另一轴向声波换能器4后亦与轴向容置腔连通，下输/排气液管7和上输/排气液管8用于排出在压实沉积物样品10过程中产生的气体或液体，或者根据实验设计的实际需求向沉积物样品10输入气体或液体。
在上述实施例中，优选地，在周向声波换能器5和斜向声波换能器6的探头9外部均嵌有密封用胶套11，同时两轴向声波换能器4的外周均嵌有密封用O型圈12，以保证轴向容置腔的压力密封效果。
在上述实施例中，优选地，下输/排气液管7和上输/排气液管8上均设置有闸阀门13。
在上述实施例中，优选地，周向声波换能器5和斜向声波换能器6均通过固定螺母14分别安装在周向孔和斜向孔内.同时，为确保周向声波换能器5和斜向声波换能器6中的晶片能够对齐，周向声波换能器5和斜向声波换能器6的尾部均设置有螺纹钉(图中未示出)，由此通过螺纹钉的方向可以判别晶片方向，确保晶片能够对齐。
在上述实施例中，优选地，轴向声波换能器4的端面为平面，周向声波换能器5和斜向声波换能器6的端面为与沉积物样品10的周面形状相适应的凹面，以确保各声波换能器与沉积物样品10接触面的良好耦合。
在上述实施例中，优选地，高压反应釜1由PEEK(聚醚醚酮)材料一体制作而成，保证了釜体本身耐高压的强度。
本发明的沉积物压实声速各向异性测量装置在使用时，其具体实施步骤如下：，
步骤1：将样品混合物按照所需比例混合好后待用。
步骤2：将一轴向声波换能器4固定在下轴向压头2上部，并在该轴向声波换能器4上方放置实验所需的孔径隔板或滤纸，将下轴向压头2固定在高压反应釜1的底部；然后由高压反应釜1的顶部装入混合好的样品形成沉积物样品10，并在沉积物样品10上放置实验所需的孔径隔板或滤纸；最后将另一轴向声波换能器4固定在上轴向压头2下部，将上轴向压头3和该轴向声波换能器4一起压入高压反应釜1的轴向容置腔，并保持下输/排气液管7和上输/排气液管8的至少一个开放。
步骤3：将上轴向压头3与电动压力泵连接，逐渐向下移动上轴向压头3以压实沉积物样品10，并增加轴向压力至测量压力点，选择需要测试的其中一对或多对声波换能器，并将其中一个作为发射换能器，另一个作为接收换能器，然后将接收换能器与示波器连接，接收换能器接受的信号通过示波器转化为可视波形。
步骤4：对于不同方向的声速，只需要转换发射换能器和对应的接收换能器，然后重复步骤3即可。
步骤5：调节上轴向压头3至下一个压力点，重复步骤3-4即可测量不同压力条件下的沉积物各向异性声速。
步骤6：测试结束后，将轴压调节至0，将下轴向压头2和上轴向压头3拔出后取出沉积物样品10即可。
通过以上步骤，即可以获得沉积物样品10在不同压力下的纵波速度和横波速度，然后根据所测的不同方向的纵波速度和横波速度，可以进一步研究沉积物样品10组分含量与各向异性声速之间的关系。
图4至图8展示了通过本发明测量得到的沉积物声学各向异性纵横波速度，其中Vp0、Vp45和Vp90分别是垂直于层理面，与层理面呈45°以及平行于层理面的纵波速度，Vsx和Vsy分别是偏振方向平行于层理面以及偏振方向垂直于层理面的横波速度。如图4至图8所示，测量得到的纵波和横波波形完整清晰，信号强度较高，进一步说明了本发明具有良好的测试性能，测试结果精确可靠。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，包括：
高压反应釜(1)，其内形成有用于放置沉积物样品(10)的轴向容置腔，所述高压反应釜(1)的侧壁上开设有四个呈90°角布置的周向孔以及一对呈中心对称布置的斜向孔，且所述周向孔的轴线垂直于所述轴向容置腔的轴线，所述斜向孔的轴线与所述轴向容置腔的轴线呈45°角；
下轴向压头(2)，固定设置在所述高压反应釜(1)的底部；
上轴向压头(3)，所述上轴向压头(3)的至少一部分可滑动地设置在位于所述沉积物样品(10)上方的所述轴向容置腔内，用于在测量过程中向所述沉积物样品(10)施加轴向压力以压实所述沉积物样品(10)；
轴向声波换能器(4)，两所述轴向声波换能器(4)分别设置在位于所述沉积物样品(10)上下两侧的所述轴向容置腔内，且两所述轴向声波换能器(4)的端面分别与所述沉积物样品(10)的上表面和下表面相接触，两所述轴向声波换能器(4)内嵌纵波晶片，用于发射和接收垂直于沉积物样品层理面的纵波；
周向声波换能器(5)，两对所述周向声波换能器(5)分别安装在所述高压反应釜(1)的四个所述周向孔中，且所述周向声波换能器(5)的端面均与所述沉积物样品(10)的周面相接触，其中呈180°布置的一对所述周向声波换能器(5)内嵌纵波晶片，用于发射和接收平行于沉积物样品层理面的纵波，呈180°布置的另一对所述周向声波换能器(5)内嵌横波晶片，用于发射和接收偏振方向平行于沉积物样品层理面以及偏振方向垂直于沉积物样品层理平面的横波；
斜向声波换能器(6)，一对所述斜向声波换能器(6)分别安装在所述高压反应釜(1)的两个所述斜向孔中，且两所述斜向声波换能器(6)的端面均与所述沉积物样品(10)的周面相接触，两所述斜向声波换能器(6)内嵌纵波晶片，用于发射和接收与沉积物样品层理面呈45°角的纵波。
2.根据权利要求1所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，该装置还包括下输/排气液管(7)和上输/排气液管(8)，所述下输/排气液管(7)贯穿所述下轴向压头(2)和轴向声波换能器(4)后与所述轴向容置腔连通，所述上输/排气液管(8)贯穿所述上轴向压头(3)和另一轴向声波换能器(4)后与所述轴向容置腔连通。
3.根据权利要求1所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，在所述周向声波换能器(5)和斜向声波换能器(6)的探头(9)外部均嵌有密封用胶套(11)。
4.根据权利要求3所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，两所述轴向声波换能器(4)的外周均嵌有密封用O型圈(12)。
5.根据权利要求1到4任一项所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，下所述输/排气液管(7)和上输/排气液管(8)上均设置有闸阀门(13)。
6.根据权利要求1到4任一项所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，所述周向声波换能器(5)和斜向声波换能器(6)通过固定螺母(14)分别安装在所述周向孔和斜向孔内。
7.根据权利要求6所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，所述周向声波换能器(5)和斜向声波换能器(6)的尾部均设置有用于判别晶片方向的螺纹钉。
8.根据权利要求1到4任一项所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，所述轴向声波换能器(4)的端面为平面，所述周向声波换能器(5)和斜向声波换能器(6)的端面为与所述沉积物样品(10)的周面形状相适应的凹面。
9.根据权利要求1到4任一项所述的沉积物压实声速各向异性测量装置，其特征在于，所述高压反应釜(1)由PEEK材料一体制作而成。
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