CN105606702B - 一种沉积物声传播特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种沉积物声传播特性测试装置，其包括：反应釜***，所述反应釜***包括内置有被测样品的反应釜主体；孔压支持***，与所述反应釜主体连通，用于为反应釜主体提供气源；液压加压***，与反应釜***相连，用于改变被测样品的围压；声学测试***，所述声学测试***包括超声发生器、示波器以及成对的超声换能器，所述超声换能器贴附于反应釜主体的外壁上，超声发生器的输出端连接到该成对的超声换能器中的其中一个上，示波器的输入端连接到该成对的超声换能器中的另一个上。本发明可以同时测试不同频率超声波在沉积物种的传输特性，且可测试沉积物是否是各向异性，在研究天然气水合物时可评估水合物的径向分布。
Description
技术领域
本发明涉及到一种非固结沉积物声特性测试的装置，尤其是一种在高压低温下原位测量非固结沉积物或天然气水合物的声速、频率响应、声波衰减特性、各向异性特征等声传播特性的装置。
背景技术
流体饱和孔隙介质中弹性波的物理机制一直以来倍受如地震勘探、岩石物理学、土壤工程、水声学和地基工程等领域诸多研究者的关注。声波在岩石中的传播速度是一种能较好反映岩石综合物性的信息载体，从物探资料分析中可以看出，声波速度与地层岩性、岩石内部结构、埋深和地质年代都有密切的关系。弹性波传播的测量对研究流体饱和孔隙介质的内在性质是一种非常有用的手段。在孔隙介质弹性波的传播理论中，沉积岩和孔隙岩石中的声速和衰减与其物理性质密切相关。理解弹性波传播过程中声能量耗散、速度频散的整个机制对声学和地球物理学等领域是重要的也是令人感兴趣的问题，特别是深海油气勘探和评价。
另外，天然气水合物是一种由气体(或易挥发的液体)与水在一定温度压力条件下形成的冰状固体，俗称可燃冰，广泛分布于冻土带地表以下200-2100米和大陆边缘海底之下0-1100米的沉积物中。全世界天然气水合物储量非常巨大，估计水合物中天然气资源量为2×1016m3，相当于2×105亿吨油当量，是全球常规燃料总碳量的2倍。在天然气水合物的勘探开发过程中，地球物理方法被证明是一种非常有效的方法，国内外研究者利用这些信息开展了许多相关性研究。尤其是近年来，人们借助油气储层预测的思路，利用振幅随炮检距变化(AVO)信息技术和地震的非线性全波形走时反演方法，对BSR反射系数、反射波形模拟来约束BSR上下地层的地震纵波速度变化，达到综合预测含水合物沉积层的目的，这些技术方法对于特定条件下天然气水合物矿藏的发现取得了一定效果。但是，经钻探后发现目前公认的许多识别标志与天然气水合物矿藏之间并非完全对应，两者之间的内在联系及其响应机理尚不清楚，许多解释的合理性尚存质疑。因此，研究天然气水合物及储层的声学响应特性以及海底非固结沉积物的声学特性，对天然气水合物的勘探、资源评价以及深海油气开发具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非固结沉积物声传播特性测试的装置，尤其是一种在高压下低温下原位测量非固结沉积物或天然气水合物的声速的装置，可实现频率可变、孔隙压力和围压大范围可变、温度可调，还可以测试样品的各向异性声传播特性。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：
一种沉积物声传播特性测试装置，其包括：
反应釜***，所述反应釜***包括内置有被测样品的反应釜主体；
孔压支持***，与所述反应釜主体连通，用于为反应釜主体提供气源；
液压加压***，与反应釜***相连，用于改变被测样品的围压；
声学测试***，所述声学测试***包括超声发生器、示波器以及成对的超声换能器，所述超声换能器贴附于反应釜主体的外壁上，超声发生器的输出端连接到该成对的超声换能器中的其中一个上，示波器的输入端连接到该成对的超声换能器中的另一个上。
所述反应釜***整***于一空气浴中。
所述反应釜***还包括水合反应釜支架、水合反应釜端盖、液压活塞、液压活塞端盖、法兰连接螺栓、承重轮，所述反应釜主体安装于水合反应釜支架中，承重轮安装于水合反应釜支架的底部，所述水合反应釜支架的上端通过法兰连接螺栓与水合反应釜端盖固定连接，在所述水合反应釜端盖上侧固定连接液压活塞端盖，所述液压活塞的下端伸入反应釜主体中，其上端穿过水合反应釜端盖伸入到液压活塞端盖中，所述液压活塞端盖的上端面与液压活塞的上端之间形成容置空间，所述液压加压***与该容置空间相连通。
被测样品声波特性测试采用测量采用的是一发一收接触式超声脉冲测量方法，即被测样品的超声波特性测量过程中，成对的超声换能器中一个用于发射超声波，一个用于接收超声波，超声发生器根据超声换能器的频率和阻抗要求产生一定频率的电脉冲，电脉冲驱动其中一超声换能器发射超声波，超声波依次通过反应釜主体壁面、被测样品，穿过对应壁面被对面的超声换能器接收，超声换能器接收超声波后转换成电波被示波器接收并显示。
所述反应釜***进一步包括端盖起重支架、起重拉力架、连接绳、手摇轮，所述端盖起重支架与水合反应釜支架的上端面固定，水合反应釜端盖、液压活塞端盖以及起重拉力架均安装于该端盖起重支架中，所述起重拉力架固定安装于液压活塞端盖的上侧，所述连接绳的一端固定于起重拉力架上，另一端通过端盖起重支架上端安装的滑轮后缠绕于手摇轮上。
所述反应釜***进一步包括一位移定位杠、位移传感器和传递杆，所述位移传感器的主体部分安装于液压活塞端盖的外侧壁上，所述传递杆的下端与液压活塞的上端固定连接，传递杆的上端伸出液压活塞端盖并与位移定位杠的一端固定连接，位移定位杠的另一端与位移传感器的活动杆固定连接。
所述沉积物声传播特性测试装置还包括数据采集***，所述液压活塞端盖上安装有用于测量容置空间内压力的压力传感器P，所述反应釜主体的下端安装有用于测量反应釜主体内部温度的温度传感器，所述位移传感器、压力传感器P以及温度传感器的信号输出端均与该数据采集***电性连接。
所述反应釜***进一步包括超声换能器转换轮、超声换能器转换轮支架、电机、电机支架，所述电机支架固定安装于水合反应釜支架的底部，电机安装于该电机支架上，且电机的输出轴通过超声换能器转换轮支架与超声换能器转换轮固定连接，所述超声换能器转换轮为环绕反应釜主体的环形结构，超声换能器安装于该超声换能器转换轮上。
所述超声换能器通过超声换能器转换***安装于该超声换能器转换轮上，所述超声换能器转换***包括超声换能器支撑、超声换能器夹具、换能器位置调整环、弹簧、铁片拉杆、电磁铁，所述换能器位置调整环为中空框架，其径向安装于超声换能器转换轮上，所述电磁铁通过第一安装架安装于换能器位置调整环远离反应釜主体一端的内部，可沿换能器位置调整环的超声换能器支撑的前端通过超声换能器夹具固定安装超声换能器，与所述电磁铁相配合的铁片拉杆通过第二安装架固定安装于超声换能器支撑的后端，所述超声换能器支撑的后端远离反应釜主体，所述弹簧的两端分别固定连接于第一安装架和第二安装架上。当需要切换超声换能器时，对电磁铁通电将换能器收入换能器位置调整环中，再启动换能器转换***支撑部分底下的电机，等切换到位后断开电磁铁电源，换能器在弹簧的作用下重新贴紧反应釜主体外壁。
所述反应釜主体为正六边形柱体，所述超声换能器为三对，每对超声换能器均对称贴附于正六边形柱体的相对面上；所述超声换能器转换***为六个，与超声换能器一一对应。
所述沉积物声传播特性测试装置进一步包括一抽真空***，所述抽真空***与反应釜主体相连通。
本装置使用步骤如下：
(a)非化学反应的液体或固体***的高压、低压、常压声学特性测试：
事先将被测样品放入反应釜主体中，再封口。封口后通过推动手动增压泵驱动液压活塞加压。通过设定恒温空气浴的温度则可以测试被测样品不同温度的声学参数。
(b)有高压气体反应的沉积物体系的声学特性测试原位测试：
当涉及到高压气体时，反应前应先对整个装置检漏；关闭***排气阀门，打开进气阀门往***中注入一定压力的氮气，而后关闭气源。将整个***封闭一天，如果压力表指示数值没有明显的下降则表示***的阀门、管道和连接处密封良好，如若不然则表示有漏点。通常使用起泡剂来检查漏点，漏点的存在严重影响流量计的指示准确度，因此必须严格查封；
检漏后就可以放掉氮气，开启反应釜的端盖，加入需要的样品。密封好后对装置通过抽真空***进行抽真空处理，而后注入实验气体再放掉，反复二到三次确保残留在反应釜的空气可以忽略。最后再注入实验气体并加压到所需压力。加压完成后静置一天，以便让溶液不在残留在反应釜管路和反应釜壁以及让气体充分溶解；
开启恒温空气浴到设定的反应温度，让体系进行反应，在反应中可对体系进行声速等声学性质测试。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用了超声换能器转换***，可以同时测试不同频率超声波在沉积物中的传输特性，且可测试沉积物是否是各向异性，在研究天然气水合物时可评估水合物的径向分布；
2.温度和压力范围广，可测量较广温度和压力范围内样品的声学性质参数；
3.可进行天然气水合物二氧化碳置换等反应过程中声学性质参数的变化，检测反应进度；
4.超声换能器跟样品非直接接触，更换方便，适应性广。
附图说明
图1本发明沉积物声传播特性测试装置的结构示意图；
图2为超声换能器转换轮的结构示意图；
图3为超声换能器转换***的结构示意图。
附图标记说明：1、空气浴；2、抽真空***；3、孔压支持***；4、手动增压泵；5、端盖起重支架；6、法兰连接螺栓；7、液压活塞端盖；8、起重拉力架；9、位移定位杠；10、液压活塞；11、水合反应釜端盖；12、数据采集***；13、超声发生器；14、示波器；15、手摇轮；16、样品；17、超声换能器转换轮支架；18、电机；19、电机支架；20、超声换能器转换***；201、超声换能器支撑；202、超声换能器夹具；203、换能器位置调整环；204、弹簧；205、铁片拉杆；206、电磁铁；207、第一安装架；208、第二安装架；21、水合反应釜支架；22、承重轮；23、超声换能器转换轮；24、反应釜主体；L、位移传感器；P、压力传感器；T、温度传感器；Vp、超声换能器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
气体水合物是气体或易挥发的液体与水作用，形成的一种包络状晶体，天然气水合物需要在高压和低温下才存在，因此需要原位测量其物理性质。
请参照图1所示，一种沉积物声传播特性测试装置，其包括反应釜***、孔压支持***3、液压加压***、声学测试***、数据采集***12以及抽真空***。其中，反应釜***的主要部件由不锈钢制成，反应釜***主要用于提供沉积物中水合物原位合成，其包括内置有被测样品16的反应釜主体24；孔压支持***3与所述反应釜主体24连通，用于为反应釜主体24提供气源；液压加压***为手动增压泵4，与反应釜***相连，用于改变被测样品16的围压；抽真空***2与反应釜主体24相连通；声学测试***包括超声发生器13、示波器14以及成对的超声换能器Vp，所述超声换能器Vp贴附于反应釜主体24的外壁上，超声发生器13的输出端连接到该成对的超声换能器Vp中的其中一个上，用于发射超声波，超声发生器根据超声换能器的频率和阻抗要求产生一定频率的电脉冲(发射频率分别为1MHz、500kHz和250kHz的纵波脉冲信号)，电脉冲驱动其中一超声换能器发射超声波，超声波依次通过反应釜主体壁面、被测样品，穿过对应壁面被对面的另一个与示波器14的输入端连接的超声换能器接收，超声换能器接收超声波后转换成电波被示波器14接收并显示，传送到计算机，计算机可以显示和存储数据，并可完成波形和数据的后处理。示波器14采用Tektronix3210B数字示波器，测试用的超声换能器Vp采用PZT复合材料换能器。
反应釜***包括反应釜主体***、端盖移动***、传感***、以及超声换能器安装及转换***。
其中，反应釜主体***除了反应釜主体24外，还包括水合反应釜支架21、水合反应釜端盖11、液压活塞10、液压活塞端盖7、法兰连接螺栓6、承重轮22，所述反应釜主体24安装于水合反应釜支架21中，承重轮22安装于水合反应釜支架21的底部，所述水合反应釜支架21的上端通过法兰连接螺栓6与水合反应釜端盖11固定连接，水合反应釜支架21和水合反应釜端盖11之间并通过O型圈密封，液压活塞10与液压活塞端盖7以及水合反应釜端盖11内壁间也采用抗磨O型圈密封，防止液压油泄漏到样品所在的腔体中，在所述水合反应釜端盖11上侧固定连接液压活塞端盖7，所述液压活塞10的下端伸入反应釜主体24中，其上端穿过水合反应釜端盖11伸入到液压活塞端盖7中，所述液压活塞端盖7的上端面与液压活塞10的上端之间形成容置空间，所述液压加压***与该容置空间相连通。
端盖移动***包括端盖起重支架5、起重拉力架8、连接绳、手摇轮15，所述端盖起重支架5与水合反应釜支架21的上端面固定，水合反应釜端盖11、液压活塞端盖7以及起重拉力架8均安装于该端盖起重支架5中，所述起重拉力架8固定安装于液压活塞端盖7的上侧，所述连接绳的一端固定于起重拉力架8上，另一端通过端盖起重支架5上端安装的滑轮后缠绕于手摇轮15上。在需要打开水合反应釜端盖11时，打开法兰连接螺栓6后旋动手摇轮15将液压活塞端盖7和水合反应釜端盖11一并升起。
传感***包括由位移定位杠9、位移传感器L和传递杆组成的位移传感***、以及在液压活塞端盖7上安装有用于测量容置空间内压力的压力传感器P和反应釜主体24的下端安装有用于测量反应釜主体24内部温度的温度传感器T，所述位移传感器L的主体部分安装于液压活塞端盖7的外侧壁上，所述传递杆的下端与液压活塞10的上端固定连接，传递杆的上端伸出液压活塞端盖7并与位移定位杠9的一端固定连接，位移定位杠9的另一端与位移传感器L的活动杆固定连接。液压活塞10动作时，传递杆通过位移定位杠9带动位移传感器L的活动杆伸缩，依此获取液压活塞10的位移。位移传感器L、压力传感器P以及温度传感器T的信号输出端均通过电线与该数据采集***12电性连接，将其采集数据发送给数据采集器并传送给计算机进行显示和存储。数据采集***12采用安捷伦公司Agilent-34970A型数据采集仪。
请参照图2和图3所示，超声换能器安装及转换***包括超声换能器转换轮23、超声换能器转换轮支架17、电机18、电机支架19和超声换能器转换***20，所述电机支架19固定安装于水合反应釜支架21的底部，电机18安装于该电机支架19上，且电机18的输出轴通过超声换能器转换轮支架17与超声换能器转换轮23固定连接，所述超声换能器转换轮23为环绕反应釜主体24的环形结构，超声换能器Vp通过超声换能器转换***20安装于该超声换能器转换轮23上。所述超声换能器转换***20包括超声换能器支撑201、超声换能器夹具202、换能器位置调整环203、弹簧204、铁片拉杆205、电磁铁206，所述换能器位置调整环203为中空框架，其径向安装于超声换能器转换轮23上，所述电磁铁206通过第一安装架207安装于换能器位置调整环203远离反应釜主体24一端的内部，可沿换能器位置调整环203的超声换能器支撑201的前端通过超声换能器夹具202固定安装超声换能器Vp，与所述电磁铁206相配合的铁片拉杆205通过第二安装架208固定安装于超声换能器支撑201的后端，所述超声换能器支撑201的后端远离反应釜主体24，所述弹簧204的两端分别固定连接于第一安装架207和第二安装架208上。当需要切换超声换能器Vp时，对电磁铁206进行通电，电磁铁206吸合铁片拉杆205，同时通过超声换能器支撑201将换能器Vp收入换能器位置调整环203中，再启动超声换能器转换轮支架17底下的电机18，等切换到位后断开电磁铁206的电源，超声换能器Vp在弹簧204的作用下重新贴紧反应釜主体24的外壁。
在本实施例中，反应釜主体24为正六边形柱体，超声换能器Vp为三对，每对超声换能器Vp均对称贴附于正六边形柱体的相对面上；所述超声换能器转换***20为六个，与超声换能器Vp一一对应。
在本实施例中，先于把含水沉积物的被测样品16填入反应釜主体24的六边形内腔，封上水合反应釜端盖11。为排除管道中残余空气的干扰，打开抽真空***2开始对***抽真空，约5分钟后抽真空完毕，打开孔压支持***3进气。等压力平衡后，打开恒温空气浴1、数据采集***12开始监测反应进程。水合反应完成后，可使用手动增压泵4缓慢推动液压活塞10使其下端的六边形端面紧贴被测样品16，并通过手动增压泵4调节沉积物围压，围压由液体压力传感器P将信号传入数据采集***12并在计算机显示。孔隙压力则由气压决定，由相应的压力传感器将数据传输到数据采集***12。在此过程中可以测试不同的温度、不同压力、不同频率及不同围压条件下声波在沉积物的传播速度及衰减情况。在水合物持续生长阶段，可在一定温度和压力条件下测试不同水合物饱和度沉积物的声波传播速度和衰减情况。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，其包括：
反应釜***，所述反应釜***包括内置有被测样品(16)的反应釜主体(24)；
孔压支持***(3)，与所述反应釜主体(24)连通，用于为反应釜主体(24)提供气源；
液压加压***，与反应釜***相连，用于改变被测样品(16)的围压；
声学测试***，所述声学测试***包括超声发生器(13)、示波器(14)以及成对的超声换能器(Vp)，所述超声换能器(Vp)贴附于反应釜主体(24)的外壁上，超声发生器(13)的输出端连接到该成对的超声换能器(Vp)中的其中一个上，示波器(14)的输入端连接到该成对的超声换能器(Vp)中的另一个上。
2.根据权利要求1所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述反应釜***整***于一空气浴(1)中。
3.根据权利要求1或2所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述反应釜***还包括水合反应釜支架(21)、水合反应釜端盖(11)、液压活塞(10)、液压活塞端盖(7)、法兰连接螺栓(6)、承重轮(22)，所述反应釜主体(24)安装于水合反应釜支架(21)中，承重轮(22)安装于水合反应釜支架(21)的底部，所述水合反应釜支架(21)的上端通过法兰连接螺栓(6)与水合反应釜端盖(11)固定连接，在所述水合反应釜端盖(11)上侧固定连接液压活塞端盖(7)，所述液压活塞(10)的下端伸入反应釜主体(24)中，其上端穿过水合反应釜端盖(11)伸入到液压活塞端盖(7)中，所述液压活塞端盖(7)的上端面与液压活塞(10)的上端之间形成容置空间，所述液压加压***与该容置空间相连通。
4.根据权利要求3所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述反应釜***进一步包括端盖起重支架(5)、起重拉力架(8)、连接绳、手摇轮(15)，所述端盖起重支架(5)与水合反应釜支架(21)的上端面固定，水合反应釜端盖(11)、液压活塞端盖(7)以及起重拉力架(8)均安装于该端盖起重支架(5)中，所述起重拉力架(8)固定安装于液压活塞端盖(7)的上侧，所述连接绳的一端固定于起重拉力架(8)上，另一端通过端盖起重支架(5)上端安装的滑轮后缠绕于手摇轮(15)上。
5.根据权利要求3所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述反应釜***进一步包括一位移定位杠(9)、位移传感器(L)和传递杆，所述位移传感器(L)的主体部分安装于液压活塞端盖(7)的外侧壁上，所述传递杆的下端与液压活塞(10)的上端固定连接，传递杆的上端伸出液压活塞端盖(7)并与位移定位杠(9)的一端固定连接，位移定位杠(9)的另一端与位移传感器(L)的活动杆固定连接。
6.根据权利要求5所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述沉积物声传播特性测试装置还包括数据采集***(12)，所述液压活塞端盖(7)上安装有用于测量容置空间内压力的压力传感器(P)，所述反应釜主体(24)的下端安装有用于测量反应釜主体(24)内部温度的温度传感器(T)，所述位移传感器(L)、压力传感器(P)以及温度传感器(T)的信号输出端均与该数据采集***(12)电性连接。
7.根据权利要求3所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述反应釜***进一步包括超声换能器转换轮(23)、超声换能器转换轮支架(17)、电机(18)、电机支架(19)，所述电机支架(19)固定安装于水合反应釜支架(21)的底部，电机(18)安装于该电机支架(19)上，且电机(18)的输出轴通过超声换能器转换轮支架(17)与超声换能器转换轮(23)固定连接，所述超声换能器转换轮(23)为环绕反应釜主体(24)的环形结构，超声换能器(Vp)安装于该超声换能器转换轮(23)上。
8.根据权利要求7所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述超声换能器(Vp)通过超声换能器转换***(20)安装于该超声换能器转换轮(23)上，所述超声换能器转换***(20)包括超声换能器支撑(201)、超声换能器夹具(202)、换能器位置调整环(203)、弹簧(204)、铁片拉杆(205)、电磁铁(206)，所述换能器位置调整环(203)为中空框架，其径向安装于超声换能器转换轮(23)上，所述电磁铁(206)通过第一安装架(207)安装于换能器位置调整环(203)远离反应釜主体(24)一端的内部，沿换能器位置调整环(203)的超声换能器支撑(201)的前端通过超声换能器夹具(202)固定安装超声换能器(Vp)，与所述电磁铁(206)相配合的铁片拉杆(205)通过第二安装架(208)固定安装于超声换能器支撑(201)的后端，所述超声换能器支撑(201)的后端远离反应釜主体(24)，所述弹簧(204)的两端分别固定连接于第一安装架(207)和第二安装架(208)上。
9.根据权利要求8所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述反应釜主体(24)为正六边形柱体，所述超声换能器(Vp)为三对，每对超声换能器(Vp)均对称贴附于正六边形柱体的相对面上；所述超声换能器转换***(20)为六个，与超声换能器(Vp)一一对应。
10.根据权利要求1所述的沉积物声传播特性测试装置，其特征在于，所述沉积物声传播特性测试装置进一步包括一抽真空***(2)，所述抽真空***(2)与反应釜主体(24)相连通。
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