技术领域
[0001] 本发明涉及岩石检测技术领域，特别是一种构建岩石内部动态结构变化模型的方法及其检测设备。
相关背景技术
[0002] 页岩‑水相互作用是一个复杂的过程，这个过程会改变页岩的内部结构，从而引起其强度的降低。这可能会导致井壁失稳等问题，给钻井作业带来极大的挑战。因此，对页岩‑水相互作用程度的表征就显得尤为重要。这有利于判断页岩‑水相互作用的引起其内部结构强度变化，从而预测或判断井壁的稳定性，为钻井作业提供参考，帮助钻井工程师更好地制定钻井方案，确保钻井作业的安全和效率。同时，这也可以为钻井周期的预测提供理论指导，帮助钻井公司更好地安排钻井计划，提高钻井作业的整体效率。总的来说，对页岩‑水相互作用程度的表征是维持井壁稳定、预测钻井周期的重要手段，对于提高钻井作业的安全性和效率具有重要意义。
[0003] 岩石中矿物组分与水发生化学作用导致结构变化，因此有必要提出一种表征岩石内部结构变化的方法。定量表征方法是确定岩石内部结构特点的关键。定量表征方法可以提供详细的信息和精确的数值数据，包括孔隙度、渗透率等，并且能够根据不同的岩石类型，提供定制化数据。目前，很多学者基于CT扫描、数字岩心技术建立微观孔隙结构定量表征方法，研究岩石孔隙特征，这种办法能够直观的展示岩石内部孔隙结构情况。也有学者基于VB.net为编程语言，开发了“岩石微观孔隙结构定量分析”软件，实现了利用压汞法氮气吸附法与核磁实验相结合表征孔隙结构，计算中图形化统计分析功能。但是这些办法可能会破坏岩石内部结构，且对所测样品要求较高。
具体实施方式
[0086] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0087] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0088] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0089] 实施例1
[0090] 参照图1～图6，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种构建岩石内部动态结构变化模型的方法，包括以下步骤，
[0091] 首先制备样品，并对样品的密度进行测试，随后重新进行基础测试，接着进行自吸实验并对吸水阶段的研究，然后进行组份计算并进行结构表征，最终建立动态模型进行综合分析；
[0092] 其中，制备样品的具体方式如下：
[0093] 沿同层理方向采用线切割的方式钻取两组标准岩样，且两组标准岩样的直径为25mm、长度为50mm；
[0094] 将两组标准岩样置于烘箱中，温度设置为60℃，进行24小时的烘干，以去除水分。
[0095] 具体的，样品密度测试的具体方式如下，
[0096] 将一组岩心(烘干后的标准岩样)取出，在自然冷却后将其捣碎成颗粒；
[0097] 筛选出100目至60目的样品颗粒；
[0098] 基于排水法，测得颗粒样品的体积V0；
[0099] 利用密度计算公式ρ0＝M/V0，计算出干岩样骨架的密度ρ0；
[0100] 其中，排水法具体步骤如下：
[0101] 准备一个容量为250ml的量筒，并向量筒里注入100ml的水；
[0102] 将样品颗粒缓慢放入烧杯中，24h后，读取量筒变化后的刻度记录为V1，V0＝V1‑100，记录所筛选岩样颗粒的体积为V0。
[0103] 进一步的，基础测试具体方式如下，
[0104] 将另一组岩心取出，自然冷却；
[0105] 采用电子天秤测量岩心的质量m0、采用岩心声波仪测量岩心的声波波速P0。
[0106] 更进一步的，自吸实验的具体方式如下，
[0107] 准备固定好支架的高精度电子天秤、一根长度适中的细绳、一台电脑设备，一个容量为100ml烧杯，容量为500mL的上水箱和下水箱；
[0108] 烧杯装满蒸馏水，放在下水箱中，将岩心悬挂于天平下端，底部接触水面；
[0109] 上水箱的出口将水流入烧杯中，保持打开状态，调节水龙头使上水箱中的水不断缓和流入烧杯，保持岩心的底部一直与烧杯的水面接触；
[0110] 下水箱中水过多时，从阀门排除，倒入上水箱，循环使用，采用回流设备将下水箱回流到上水箱中；
[0111] 将电脑与电子天秤连接，记录岩心吸水的动态过程；
[0112] 将岩心固定好，上水箱的水龙头打开，电子天秤清零后，开始实验。
[0113] 较佳的，吸水阶段的具体方式如下，
[0114] 将不同吸水阶段的岩心取出，采用岩心声波仪进行声波测试；
[0115] 得到不同吸水量m1(t)时刻对应的波速P(t)。
[0116] 应说明的是，组份计算的具体方式如下，
[0117] 不同状态岩心中，固相体积为：V＝m0/ρ0，自吸水的体积可以通过吸水量ml(t)计算，具体为：Vl(t)＝ml(t)/ρl，气体体积Vg(t)通过不同状态样品的波速P(t)、岩心固相体积V、岩心中液相体积Vl(t)、声波在岩石骨架的传播速度PS、声波在标准盐水中的传播速度Pl、声波在空气中的传播速度Pg计算，
[0118] 满足：P(t)＝Pg*Vg(t)/(Vg(t)+Vl(t)+V)+Pl*Vl(t)/(Vg(t)+Vl(t)+V)+Ps*V/(Vg(t)+Vl(t)+V)；
[0119] 岩心最原始状态，只有固相和气相，因此：P0＝Pg*Vg0/(Vg0+V)+Ps*V/(Vg0+V)，得到Vg0＝V*(Ps‑P0)/(P0‑Pg)。
[0120] 优选的，结构表征的具体方式如下，
[0121] 通过组份计算的相关公式，得到最原始状态Vg0，以及不同时刻Vg(t)+Vl(t)，岩心孔隙结构的变化率表示为：f(t)＝(Vg(t)+Vl(t)‑Vg0)/(Vg0+V)，通过组份计算和结构表征公式联立，即可得到f(t)与波速之间的关系，不同时刻t对应的孔隙结构的变化率f(t)，[0122] f(t)＝(Vg(t)+V1(t)‑Vg0)/(Vg0+V)
[0123] V＝m0/p0＝m0*(V1‑100)/M
[0124] Vg0＝V*(Ps‑P0)/(P0‑Pg)
[0125] V1(t)＝m1(t)/p1
[0126] Vg(t)＝[m1(t)/p1*(P1‑P(t))+V*(Ps‑P(t))]/(P(t)‑Pg)。
[0127]
[0128] 优选的，动态模型具体方式如下，
[0129] 将不同时刻t与其对应的孔隙变化率f(t)的数据进行拟合；
[0130] 得到f(t)随时间t变化的动态模型；
[0131] 释义:
[0132] V(t)：不同时间下的固/液/气体的体积；
[0133] m(t)：不同时间下的固/液/气体的质量；
[0134] ρ：密度；
[0135] V0＝V1‑100；
[0136] V0：样品颗粒的体积；
[0137] V1：样品颗粒注入含有100ml的量筒后，样品+水的体积；
[0138] ρ0＝M/V0：密度计算公式；
[0139] ρ0：干岩样骨架密度；
[0140] m0：岩心质量；
[0141] m0/P0：预处理后岩心的质量/波速；
[0142] ml(t)：不同时间下岩心吸水后，岩心+该时间下所吸水的质量；
[0143] Vg(t)：岩心孔道里面气体的体积；
[0144] Vl(t)：岩心中液相的体积；
[0145] V:岩心固相体积；
[0146] P(t):不同状态样品的波速；
[0147] Vl(t)＝ml(t)/ρl:自吸水体积计算公式；
[0148] PS:声波在岩石骨架的传播速度；
[0149] P(t)＝Pg*Vg(t)/(Vg(t)+Vl(t)+V)+Pl*Vl(t)/(Vg(t)+Vl(t)
[0150] +V)+Ps*V/(Vg(t)+Vl(t)+V):不同时间下，岩心在该状态下声波的实时传播速度；
[0151] Pg：气体的波速；
[0152] Pl:液体的波速；
[0153] Ps:固体的波速；
[0154] Vg0：原始状态下气体的体积；
[0155] Vg(t)+Vl(t)：不同时刻气体和液体体积之和；
[0156] f(t)＝(Vg(t)+Vl(t)‑Vg0)/(Vg0+V)：结构变化的动态表征模型。
[0157] 该方法具体的操作步骤如下：
[0158] 制备样品：沿同层理方向采用线切割的方式钻取两组直径D×长度L为25mm×50mm的标准岩样，置于烘箱，温度设置为60℃，烘干24h；
[0159] 样品密度测试：首先将岩心取出，自然冷却后将岩心1捣碎成颗粒，筛选出100目‑60目的样品颗粒；接着用电子天秤测量颗粒的总质量，23.2g；然后基于排水法(如附图2)，测得样品的体积V0，具体步骤为：准备一个容量为500ml的量筒，将量筒里注入100ml的水，将样品颗粒缓慢放入烧杯中，24h后，读取量筒变化后的刻度记录为108.7mL，V0＝108.7‑
100，记录所筛选岩样颗粒的体积为8.7mL；最后利用密度计算公式ρ0＝M/V0，计算出干岩样骨架的密度为2.67g/cm3；
[0160] 基础测试：将烘干后的另一组岩心取出，自然冷却后，采用电子天秤测量岩心的质量为66.28g、采用岩心声波仪测量声波波速为4672m/s；
[0161] 自吸实验：首先准备固定好支架的高精度电子天秤、一根长度适中的绳子、一台电脑设备，一个容量为100ml烧杯，容量为500mL的下水箱和上水箱；然后烧杯装满蒸馏水，放在下水箱中，将岩心悬挂于天平下端，底部接触水面；接着上水箱的出口将水流入烧杯中，保持打开状态，调节水龙头使上水箱中的水不断流入烧杯，保持岩心的底部一直与烧杯的水面接触；再然后下水箱水过多时，从阀门排除，通过循环设备流入上水箱中，循环使用；再接着将电脑与天秤连接，记录岩心吸水的动态过程；最后将岩心固定好，上水箱的水龙头打开，天秤清零后，开始实验(如附图4)。
[0162] 吸水阶段：将不同吸水阶段的岩心取出，进行声波测试，得到不同吸水量ml(t)时刻对应的波速P(t)。
[0163] 组份计算：不同状态岩心中，固相体积为：24.46cm3，自吸水的体积可以通过吸水量ml(t)计算，具体为：Vl(t)＝ml(t)/ρl，气体体积Vg(t)可以通过不同状态样品的波速P3
(t)、岩心固相体积24.46cm 、岩心中液相体积Vl(t)、声波在岩石骨架的传播速度5068m/s(根据岩石密度计算)、声波在标准盐水中的传播速度1324m/s(常识)、声波在空气中的传播速度340m/s(常识)等计算，满足：P(t)＝Pg*Vg(t)/(Vg(t)+Vl(t)+V)+Pl*Vl(t)/(Vg(t)+Vl(t)+V)+Ps*V/(Vg(t)+Vl(t)+V)。岩心最原始状态，只有固相和气相，得到Vg0＝24.46*(5068‑
3
4672)/(4672‑340)＝2.24cm；
[0164] 通过组份计算的相关公式，可以得到最原始状态Vg0，以及不同时刻Vg(t)+Vl(t)，岩心孔隙结构的变化率可以表示为：f(t)＝(Vg(t)+Vl(t)‑Vg0)/(Vg0+V)，通过步骤S6和步骤S7公式联立，即可得到f(t)与波速之间的关系，不同时刻t对应的孔隙结构的变化率f(t)(附图4)。
[0165] 动态模型：通过组份计算和结构表征公式联立，即可得到f(t)与波速之间的关系，不同时刻t对应的孔隙结构的变化率f(t)。将不同时刻t对应的孔隙结构的变化率f(t)与t0.3603
进行拟合，拟合得到孔隙结构变化的动态模型：f(t)＝0.2146t (附图6)。
[0166] 综上，由于声波在岩石的裂缝、孔隙中传播，会因为其非均质性而产生衰减，从而通过声波信号的振幅变化来观测，当声波从一种介质进入另一种介质时，会发生反射和折射。这可以用来研究岩石内部结构。本方法综合考虑不同种类岩石、多种类型孔隙结构，基于声波是一种无损的检测方法，利用声波在岩石内部的传播特性来评估岩石内部结构特征，对岩石内部结构进行定量表征，构建岩石结构随着时间变化的动态模型。测量岩石内部结构对于石油与天然气开采至关重要，有利于优化开采过程，提高生产效率，还有助于减少风险，保护环境。
[0167] 本方法利用声波在介质中传播速度与介质性质相关的原理，特别是不同介质声波波速不同的特性，构建了一种实时测量岩石内部结构特征的模型。这种方法成本低廉、灵活性强，操作简单方便，能够对页岩的内部结构进行定量表征，为钻井工程提供了重要的技术支持。这种方法的应用将大大提高钻井作业的安全性和效率，同时降低钻井成本。
[0168] 实施例2
[0169] 基于参照图1～图6，为本发明第而个实施例，基于上述的实施例：
[0170] 将岩石样品尺寸的选择主要考虑两点，一：方便自吸实验，二方便声波测量。声波测量的探头尺寸有很多种，岩石实验中，一般采用直径为25mm或直径为50mm。直径为50mm的岩石样品，不利于进行自吸实验。因此综合考虑自吸实验和声波测试，选择直径*长度为25mm*50mm的岩石尺寸。
[0171] 采用低温60度烘干是为了尽量降低对岩样内部结构的破坏，24h的时间限制则可以确保岩样进行充分烘干。
[0172] 在测量岩样吸水性时，需要将岩样底部与水面相接处，通过底面接触是利用页岩内部孔隙的毛细管力吸水，吸水速率较慢，便于控制吸水量，可以得到不同吸水状态的样品；通过这样能够明确岩样的吸水率，从而得到不同吸水状态的样品。
[0173] 实施例3
[0174] 参照图1，为本发明第二个实施例，与上个实施例不同的是，该实施例提供了一种检测设备，用于实施的构建岩石内部动态结构变化模型的方法，检测设备包括，[0175] 监测机构100、辅助机构200以及电脑300；
[0176] 其中，监测机构100包括外支架101、安装在外支架101顶端的电子天秤102，以及安装在电子天秤102底端的挂钩103，挂钩103的外侧设置有细绳104，细绳104的底端设置有岩样105。
[0177] 具体的，辅助机构200包括设置在外支架101内侧的内支架201、安装在内支架201顶端的上水箱202，已经设置在上水箱202外侧的水龙头203，内支架201的一侧设置有下水箱204，下水箱204的外侧安装有阀门205，下水箱204的内部设置有烧杯206。
[0178] 综上，通过将烧杯206设置在下水箱204的内部，并一直持续打开水龙头203将上水箱202的水流入烧杯206中，则可以确保烧杯206中的水源一直是满的，确保在实验的过程中，岩心可以始终与水面接触，确保实验数据的准确性。
