一種檢測巖石內部裂縫結構的系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種檢測巖石內部裂縫結構的系統及方法，屬于高壓檢測領域。所述檢測巖石內部裂縫結構的系統包括CT掃描裝置、高壓倉和氣壓裝置；所述CT掃描裝置設置在高壓倉外；待測樣品放置在所述高壓倉內；所述CT掃描裝置用于對待測樣品進行X射線檢測；所述氣壓裝置通過管路接入所述高壓倉內，對高壓倉內進行氣體注入和氣體量計量。利用本發明能在注入氣體的同時對樣品進行CT掃描檢測，在對檢測物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、細致、多層次、直觀地展示被檢測物體內部的結構、組成、材質及缺損狀況。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高壓檢測領域，具體涉及一種檢測巖石內部裂縫結構的系統及方法。 一種檢測巖石內部裂縫結構的系統及方法
【背景技術】
[0002] 工業CT是工業用計算機斷層成像技術的簡稱，它能在對檢測物體無損傷條件下， 以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、細致、多層次、直觀地展示被檢測物體 內部的結構、組成、材質及缺損狀況，被譽為當今最佳無損檢測技術。但是工業CT 一般只能 在常溫、常壓條件下對物體進行靜態檢測。
[0003] 眾所周知，天然氣在儲層巖石中主要存在與巖石的孔隙、裂縫之中，要對深氣田進 行研究，就需要模擬地下深處的儲層巖石中真實的壓力環境。通過檢測含氣巖石在不同壓 力和氣體充填條件下物理特性的變化，可以對儲氣層的生成、變化和遷移等進行研究，其數 據對氣田的開發有著重要的指導意義。高壓釜就是模擬這種壓力環境的設備。
[0004] 高壓釜實際上是一個密封的高壓倉。在倉內，待測樣品被加壓。然后通過內置的 檢測裝置記錄其在不同條件下物理特性的變化。因此通過該裝置可以測出樣品的各個階段 表現出的有別于常溫低壓環境下的特性。在石油勘探研究部門，要想真正認識油、氣地層的 巖石物理特征，它是一個必不可少的研究手段。
[0005] 目前檢測裂縫的方法有多種，比如CT、超聲波成像等方法，但所有的方法只是針對 于巖石內部已經存在的裂縫進行觀測，無法檢測不同壓力狀態下的裂縫產生的動態過程。 而目前，石油工業上，在對非常規油氣藏（例如頁巖氣）進行開采時，通常是通過對儲層進 行壓裂的方式提升開采量，因此研究巖石受壓開裂的過程，對非常規油氣藏的開發具有很 大的意義。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種檢測巖石內部裂縫 結構的系統及方法，將工業CT技術和高壓釜融合在一起，吸收兩種技術的優點，克服各自 的缺點，實現更精密、高效的高壓巖石物理測試。
[0007] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0008] -種檢測巖石內部裂縫結構的系統，包括CT掃描裝置、高壓倉和氣壓裝置；
[0009] 所述CT掃描裝置設置在高壓倉外；待測樣品放置在所述高壓倉內；
[0010] 所述CT掃描裝置用于對待測樣品進行X射線檢測；
[0011] 所述氣壓裝置通過管路接入所述高壓倉內，對高壓倉內進行氣體注入和氣體量計 量。
[0012] 所述高壓倉和待測樣品均為圓柱形；
[0013] 所述待測樣品的外圓柱面用膠套包裹后塞入高壓倉內，膠套的外表面與高壓倉的 內柱面緊密接觸；
[0014] 在待測樣品的兩個端面均設有堵頭，所述兩個堵頭將樣品壓緊；
[0015] 兩個所述堵頭均開有孔并連接有氣體管道；兩個堵頭所連的氣體管道均伸出高壓 倉外，并與所述氣壓裝置連接，氣體從一端的堵頭進入待測樣品，通過待測樣品后，從另一 $而的堵頭流出。
[0016] 所述CT掃描裝置的X射線發射板和X射線接收板分別位于所述高壓倉的一側，且 兩者相對設置，X射線發射板發出的射線，穿過待測樣品后，被X射線接收板接收。
[0017] 所述檢測巖石內部裂縫結構的系統進一步包括旋轉機械托架和步進電機；所述高 壓倉固定在旋轉機械托架上，當進行X射線掃描時，由步進電機帶動旋轉機械托架旋轉，進 而帶動高壓倉旋轉，每次旋轉得到一個面的掃描圖。
[0018] 所述檢測巖石內部裂縫結構的系統進一步包括計算機，所述計算機對CT掃描裝 置、步進電機和氣壓裝置進行控制并記錄數據；具體來說，操作者通過計算機控制CT掃描 裝置的工作參數（包括射線電壓、掃描分辨率、掃描總次數），步進電機的啟動、停止、旋轉 速率，氣壓裝置的工作參數（包括氣體注入壓力、加壓速度、加壓時間）。在實驗過程中，通 過計算機記錄以上所述參數。
[0019] 所述計算機采集穿透待測樣品后的射線能量值，并構建待測樣品的三維圖像。
[0020] 所述高壓倉的外殼采用耐高壓的非金屬材料制造而成。
[0021] 一種利用所述檢測巖石內部裂縫結構的系統進行檢測的方法，其包括以下步驟：
[0022] (1)將用膠套包裹好后的待測樣品安裝在高壓倉內；
[0023] (2)設置氣體注入參數，包括氣體注入壓力、氣體壓力平衡時間、目標壓力值；設 置掃描總次數N，掃描次數為0 ;
[0024] (3)啟動加壓過程；
[0025] (4)對待測樣品進行加壓；掃描次數加1 ;
[0026] (5)判斷是否到達步驟（2)中設定的目標壓力值，如是，則暫停加壓，進行CT測量， 然后轉入步驟（6)，如否，則返回步驟（4);
[0027] (6)判斷掃描次數是否達到掃描總次數N，如是，則視為完成測量，并轉入步驟 (7)，如否，則返回步驟（4);
[0028] (7)處理和顯示采集結果。
[0029] 所述步驟（7)具體如下：
[0030] 計算機將采集到的射線能量值轉化為數值信號，再根據數值信號進行三維圖像重 構，最終顯示待測樣品的立體圖形。
[0031] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0032] 1.本發明能在注入氣體的同時對樣品（如巖石等）進行CT掃描檢測，能在對檢測 物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、細致、多層次、直 觀地展示被檢測物體內部的結構、組成、材質及缺損狀況。
[0033] 2.本發明中氣體注入的最高壓力可升至二十兆帕。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發明檢測巖石內部裂縫結構的系統的結構示意圖。
[0035] 圖2是本發明檢測巖石內部裂縫結構的系統的工作原理圖。
[0036] 圖3是本發明方法的步驟框圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
[0038] 本發明檢測巖石內部裂縫結構的系統是一種自動檢測裝置，是一種巖石樣品在被 氣體充填、擠壓下用工業CT掃描儀精密檢測并紀錄樣品內部裂縫結構發生漸變和突變的 過程和形態的系統。它集合了工業CT掃描儀分辨率高，直觀和高壓裝置能產生高壓的特 點，能夠實現氣體對巖石內部微小裂隙擠壓擴張的全程檢測。
[0039] 本發明在采用了氣體注入系統模擬地下天然氣藏高壓環境的同時，吸收了工業CT 掃描系統分辨率高的優點，可動態、精細顯示被測物體中的裂縫在被氣體逐漸充填、擠壓情 況下，內部結構（包括縫隙、孔洞等）發生的漸變和突變過程。
[0040] 本發明包括兩項：系統結構和控制流程。
[0041] 1.系統結構
[0042] 本發明所敘述的系統按其功能可分為CT掃描部分和高壓倉部分。CT掃描部分完 成對待測樣品的X射線檢測。而高壓倉部分則實現對樣品進行氣體充填。對高壓倉的外殼 的要求是耐高壓，同時對X射線衰減小。高壓倉的外殼一般采用耐高壓的非金屬材料（如 聚四氟乙烯）制造。外殼的耐壓能力還與外殼材料的厚度有關。當厚度增加時，耐壓能力 增加，但對X射線的吸收相應增加。此時,可以通過增加 X射線發射強度來解決。
[0043] 本發明采用落地式高壓CT掃描系統結構。CT掃描時高壓倉安裝在托架上，由步進 電機帶動托架和高壓倉旋轉，而CT掃描系統始終處于靜止狀態。
[0044] 高壓CT掃描系統結構框圖如圖1所示，高壓CT掃描系統中，高壓倉安裝在托架 上，X射線掃描時由步進電機帶動托架旋轉，而CT掃描系統始終處于靜止狀態。
[0045] 如圖2所示，高壓倉和樣品均為圓柱形，高壓倉的直徑略大于樣品，樣品用膠套包 裹后（兩端面除外）放于高壓倉內，確保膠套包裹的樣品與高壓倉緊密接觸（膠套具有彈 性，在套住樣品塞入高壓倉后，能保證膠套與高壓倉緊密接觸）。樣品兩端面用帶有氣體管 道的堵頭壓緊（堵頭中間是開孔的，從孔中間接入氣管），保證氣體由一端注入，通過樣品 后，從另一端流出。
[0046] 2.控制流程
[0047] 本發明采用全自動方式通過計算機和接口電路及相應的軟件控制氣體注入、計量 和檢測過程。
[0048] 如圖3所示，本發明方法包括以下步驟：
[0049] (1)將用膠套包裹好后的待測樣品安裝在高壓倉內；
[0050] (2)設置氣體注入參數，包括氣體注入壓力、氣體壓力平衡時間、目標壓力值；
[0051] (3)啟動加壓過程；
[0052] (4)對待測樣品進行加壓；
[0053] (5)判斷是否到達步驟（2)中設定的目標壓力值，如是，則暫停加壓，進行CT測量， 然后轉入步驟（6)，如否，則返回步驟（4);
[0054] (6)判斷全部測量是否完成（在CT測量開始前，設定掃描次數，實際測量達到預設 次數時，視為完成測量），如是，則轉入步驟（7)，如否，則返回步驟（4);
[0055] (7)處理和顯示采集結果：
[0056] 計算機將采集到的射線能量值轉化為數值信號，再根據數值信號進行三維圖像重 構，最終顯示待測樣品的立體圖形。
[0057] 本發明對樣品施加的是氣體壓力，其壓力是通過將氣體壓入到樣品內部的裂隙， 由內致外地將樣品緩慢壓裂，并實時檢測樣品內部產生裂縫的過程，用于研究巖石的性質。
[0058] 本發明通過吸收兩種技術的優點，將工業CT掃描儀和高壓倉組成精密、高效的巖 石物理測試系統。該系統可以模擬地下天然氣儲層巖石的受壓環境，在有氣體充填條件下 對試樣進行XT射線自動檢測，并將檢測結果以多幅立體或平面圖像的形式，精細、直觀地 顯示出來。它為石油勘探研究提供了有效的檢測方法和檢測手段。
[0059] 上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對于本領域內的技術人員而言，在本 發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限于本 發明上述【具體實施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選的，而并不具有限制 性的意義。
【權利要求】
1. 一種檢測巖石內部裂縫結構的系統，其特征在于：所述檢測巖石內部裂縫結構的系 統包括CT掃描裝置、高壓倉和氣壓裝置； 所述CT掃描裝置設置在高壓倉外；待測樣品放置在所述高壓倉內； 所述CT掃描裝置用于對待測樣品進行X射線檢測； 所述氣壓裝置通過管路接入所述高壓倉內，對高壓倉內進行氣體注入和氣體量計量。
2. 根據權利要求1所述的檢測巖石內部裂縫結構的系統，其特征在于：所述高壓倉和 待測樣品均為圓柱形； 所述待測樣品的外圓柱面用膠套包裹后塞入高壓倉內，膠套的外表面與高壓倉的內柱 面緊密接觸； 在待測樣品的兩個端面均設有堵頭，所述兩個堵頭將樣品壓緊； 兩個所述堵頭均開有孔并連接有氣體管道；兩個堵頭所連的氣體管道均伸出高壓倉 夕卜，并與所述氣壓裝置連接，氣體從一端的堵頭進入待測樣品，通過待測樣品后，從另一端 的堵頭流出。
3. 根據權利要求2所述的檢測巖石內部裂縫結構的系統，其特征在于：所述CT掃描裝 置的X射線發射板和X射線接收板分別位于所述高壓倉的一側，且兩者相對設置，X射線發 射板發出的射線，穿過待測樣品后，被X射線接收板接收。
4. 根據權利要求3所述的檢測巖石內部裂縫結構的系統，其特征在于：所述檢測巖石 內部裂縫結構的系統進一步包括旋轉機械托架和步進電機；所述高壓倉固定在旋轉機械托 架上，當進行X射線掃描時，由步進電機帶動旋轉機械托架旋轉，進而帶動高壓倉旋轉。
5. 根據權利要求4所述的檢測巖石內部裂縫結構的系統，其特征在于：所述檢測巖石 內部裂縫結構的系統進一步包括計算機，所述計算機對CT掃描裝置、步進電機和氣壓裝置 進行控制并記錄數據； 所述計算機采集穿透待測樣品后的射線能量值，并構建待測樣品的三維圖像。
6. 根據權利要求5所述的檢測巖石內部裂縫結構的系統，其特征在于：所述高壓倉的 外殼采用耐高壓的非金屬材料制造而成。
7. -種利用權利要求6所述的檢測巖石內部裂縫結構的系統進行檢測的方法，其特征 在于：所述方法包括以下步驟： (1) 將用膠套包裹好后的待測樣品安裝在高壓倉內； (2) 設置氣體注入參數，包括氣體注入壓力、氣體壓力平衡時間、目標壓力值；設置掃 描總次數N,掃描次數為0 ; (3) 啟動加壓過程； (4) 對待測樣品進行加壓；掃描次數加1 ; (5) 判斷是否到達步驟（2)中設定的目標壓力值，如是，則暫停加壓，進行CT測量，然后 轉入步驟（6)，如否，則返回步驟（4); (6) 判斷掃描次數是否達到掃描總次數N，如是，則視為完成測量，并轉入步驟（7)，如 否，則返回步驟（4); (7) 處理和顯示采集結果。
8. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于：所述步驟（7)具體如下： 計算機將采集到的射線能量值轉化為數值信號，再根據數值信號進行三維圖像重構，
【文檔編號】G01N3/08GK104101536SQ201310129744
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月15日 優先權日:2013年4月15日
【發明者】周楓, 趙群, 薛詩桂, 李呈呈, 張明 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院