高温高压条件下岩石共振频率测试装置

本发明涉及岩石物理实验、声学无损检测和深部工程测试，具体为一种高温高压条件下岩石共振频率测试装置。

背景技术：

1、岩石共振频率能够反映岩样弹性模量、裂隙发育程度、孔隙结构和热损伤演化状态，是深部矿山、地热开发、油气储层评价和地下工程稳定性分析中的重要参数。常规岩石共振频率测试多在常温常压条件下进行，测试结果难以表征深部地层中温度、围压和轴压共同作用下岩样的真实响应。在高温高压条件下进行岩石共振频率测试时，压力容器会隔离岩样与外部传感器，升温和加压还会改变换能器、导波杆和岩样之间的接触状态，导致声学耦合不稳定。宽频超声脉冲激励接收器能够实现可调频率脉冲发射、双路接收、增益控制、滤波、触发同步和远程控制等功能，但在高温高压岩石共振频率测试中，还需要与高温高压岩样夹持、密封引线、声学耦合和自动判峰结构协同配合，才能形成完整的岩石共振频率测试装置。

2、相关技术中，对于岩石共振频率的测量通常包括自由振动法、锤击激励法、等。自由振动法通常需要使岩样在近似自由边界条件下产生振动，并通过拾振器或传感器记录衰减振动信号，但该方法对岩样支撑方式、端面加工质量和边界条件较为敏感，难以在高温、高围压和轴压耦合作用下直接实施。锤击激励法通过力锤对岩样施加瞬态冲击并采集响应信号，从频响函数中识别共振频率，该方法操作相对直观，但需要力锤、加速度传感器、数据采集系统、分析软件等多种设备，且人工敲击容易产生连击、误触发、冲击位置不一致和激励能量不稳定等问题，导致测试重复性和精度受到影响。因此，现有岩石共振频率测试方法多适用于常温常压或开放环境，难以同时解决高温高压密封、换能器耦合、自动扫频和同步采集问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供高温高压条件下岩石共振频率测试装置，这种高温高压条件下岩石共振频率测试装置用于解决现有技术中常温常压测试结果不能反映深部地层真实温压状态、高温高压环境下声学耦合不稳定的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种高温高压条件下岩石共振频率测试装置是将高温高压岩样夹持、耐高温声学耦合、密封电连接、超声脉冲激励接收器的扫频激励接收、数据采集判峰和安全联锁组合成一套可在温压耦合条件下工作的测试系统，所述测试装置包括高温高压岩样夹持器、围压加载组件、轴压加载组件、加热控温组件、声学激励接收组件、超声脉冲激励接收器、数据采集处理组件、安全联锁和密封隔热连接组件；声学激励接收组件包括发射换能器、接收换能器、耐高温声学耦合件和预紧机构，高温高压岩样夹持器包括压力筒，岩样及其周围的围压室置于高温高压岩样夹持器的压力筒内，发射换能器安装在岩样上端，接收换能器安装在岩样下端，每个换能器与岩样之间设置耐高温声学耦合件，预紧机构用于保持岩样两端面及相应的耐高温声学耦合件和换能器之间的接触压力，防止松动；压力筒筒壁内设置加热控温组件，压力筒外设置有保温层；轴压组件向岩样施加轴向力；发射换能器和接收换能器分别通过密封隔热连接组件连接超声脉冲激励接收器，超声脉冲激励接收器还连接数据采集处理组件。

3、上述方案中岩样通过上端塞和下端塞居中安装在压力筒内，围压加载组件包括所述围压室，围压室具有围压孔，下端塞置于围压室内底面，上端塞抵于围压室内顶面，密封套包覆在岩样外，用于隔离围压介质，防止围压介质直接进入岩样端面或影响声学耦合。

4、上述方案中压力筒通过上台肩和下台阶从上到下依次被分隔为发射换能器腔、围压腔和接收换能器腔，发射换能器腔位于发射换能器腔，围压室通过上台肩和下台阶设置于围压腔内，接收换能器位于接收换能器腔内；压力筒设置有操作窗，操作窗通过螺栓与压力筒固定连接，打开操作窗，能够方便地更换岩样。

5、上述方案中预紧机构由预紧盘和螺杆一体构成，螺杆与压力筒顶的螺纹孔螺纹连接，螺杆底端设置有橡胶垫，橡胶垫与发射换能器接触；耐高温声学耦合件下端穿过上端塞中心孔与岩样接触。

6、上述方案中超声脉冲激励接收器包括信号选择器、射频脉冲放大器、衰减器、信号采样器、双工器、测试盒、滤波器组、换能器接口、匹配电阻、服务器和声发射系统，超声脉冲激励接收器用于产生扫频射频脉冲信号，并对岩样在不同频率激励下产生的响应信号进行接收、放大、滤波和同步输出；超声脉冲激励接收器根据数据采集处理组件下发的控制指令，设定激励频率、脉冲宽度、脉冲周期数、重复频率、接收增益以及滤波档位，输出射频脉冲，并同步接收岩样响应信号。

7、上述方案中数据采集处理组件包括计算机、数据采集卡和示波器，数据采集处理组件向超声脉冲激励接收器发送扫频参数，记录每一频率点下的响应波形，并根据响应信号的幅值、相位或能量变化确定岩样的共振频率。

8、上述方案中加热控温组件用于对高温高压岩样夹持器进行加热，并使岩样处于设定温度条件下；加热控温组件包括加热套、温度传感器和温控器，加热套布置在压力筒外侧，温度传感器用于实时检测样品腔附近温度，温控器根据温度反馈控制加热功率，使岩样达到并保持目标温度。

9、上述方案中密封隔热连接组件包括高压密封电连接器、耐高温同轴线缆和隔热套管，既保证压力筒内部的高压密封，又将发射换能器和接收换能器可靠连接到超声脉冲激励接收器。

10、上述方案中安全联锁组件用于对测试过程进行保护，当温度、围压、轴压、脉冲输出电压或脉冲占空比超过设定安全阈值时，安全联锁组件发出报警信号，并控制加热控温组件、围压加载组件、轴压加载组件或超声脉冲激励接收器进入保护状态。

11、有益效果：

12、1、本发明能够在高温、围压和轴压共同作用下对岩样进行共振频率测试，测试环境更接近深部地层实际条件。

13、2、本发明通过发射换能器、接收换能器和耐高温声学耦合件形成稳定声学通路，能够提高高温高压环境下声学信号传递的稳定性。

14、3、本发明通过超声脉冲激励接收器和数据采集处理组件实现自动扫频、自动采集和自动判峰，减少人工调节误差，提高测试效率。

15、4、本发明能够同步记录温度、围压、轴压、激励频率、接收信号和共振频率，便于后续分析岩石共振频率随温压条件变化的规律。

16、5、本发明设置安全联锁组件，当温度、围压、轴压或脉冲输出参数异常时，可及时降低输出、停止加热或解除加载，提高实验安全性。

1.一种高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：这种高温高压条件下岩石共振频率测试装置是将高温高压岩样夹持、耐高温声学耦合、密封电连接、超声脉冲激励接收器的扫频激励接收、数据采集判峰和安全联锁组合成一套可在温压耦合条件下工作的测试系统，所述测试装置包括高温高压岩样夹持器、围压加载组件、轴压加载组件、加热控温组件、声学激励接收组件、超声脉冲激励接收器、数据采集处理组件、安全联锁和密封隔热连接组件；声学激励接收组件包括发射换能器、接收换能器、耐高温声学耦合件和预紧机构，高温高压岩样夹持器包括压力筒，岩样及其周围的围压室置于高温高压岩样夹持器的压力筒内，发射换能器安装在岩样上端，接收换能器安装在岩样下端，每个换能器与岩样之间设置耐高温声学耦合件，预紧机构用于保持岩样两端面及相应的耐高温声学耦合件和换能器之间的接触压力，防止松动；压力筒筒壁内设置加热控温组件，压力筒外设置有保温层；轴压组件向岩样施加轴向力；发射换能器和接收换能器分别通过密封隔热连接组件连接超声脉冲激励接收器，超声脉冲激励接收器还连接数据采集处理组件。

2.根据权利要求1所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述岩样通过上端塞和下端塞居中安装在压力筒内，围压加载组件包括所述围压室，围压室具有围压孔，下端塞置于围压室内底面，上端塞抵于围压室内顶面，密封套包覆在岩样外，用于隔离围压介质，防止围压介质直接进入岩样端面或影响声学耦合。

3.根据权利要求2所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述压力筒通过上台肩和下台阶从上到下依次被分隔为发射换能器腔、围压腔和接收换能器腔，发射换能器腔位于发射换能器腔，围压室通过上台肩和下台阶设置于围压腔内，接收换能器位于接收换能器腔内；压力筒设置有操作窗。

4.根据权利要求3所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述预紧机构由预紧盘和螺杆一体构成，螺杆与压力筒顶的螺纹孔螺纹连接，螺杆底端设置有橡胶垫，橡胶垫与发射换能器接触；耐高温声学耦合件下端穿过上端塞中心孔与岩样接触。

5.根据权利要求4所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述超声脉冲激励接收器包括信号选择器、射频脉冲放大器、衰减器、信号采样器、双工器、测试盒、滤波器组、换能器接口、匹配电阻、服务器和声发射系统，超声脉冲激励接收器用于产生扫频射频脉冲信号，并对岩样在不同频率激励下产生的响应信号进行接收、放大、滤波和同步输出；超声脉冲激励接收器根据数据采集处理组件下发的控制指令，设定激励频率、脉冲宽度、脉冲周期数、重复频率、接收增益以及滤波档位，输出射频脉冲，并同步接收岩样响应信号。

6.根据权利要求5所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述数据采集处理组件包括计算机、数据采集卡和示波器，数据采集处理组件向超声脉冲激励接收器发送扫频参数，记录每一频率点下的响应波形，并根据响应信号的幅值、相位或能量变化确定岩样的共振频率。

7.根据权利要求6所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述加热控温组件用于对高温高压岩样夹持器进行加热，并使岩样处于设定温度条件下；加热控温组件包括加热套、温度传感器和温控器，加热套布置在压力筒外侧，温度传感器用于实时检测样品腔附近温度，温控器根据温度反馈控制加热功率，使岩样达到并保持目标温度。

8.根据权利要求7所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述密封隔热连接组件包括高压密封电连接器、耐高温同轴线缆和隔热套管，既保证压力筒内部的高压密封，又将发射换能器和接收换能器可靠连接到超声脉冲激励接收器。

9.根据权利要求8所述的高温高压条件下岩石共振频率测试装置，其特征在于：所述安全联锁组件用于对测试过程进行保护，当温度、围压、轴压、脉冲输出电压或脉冲占空比超过设定安全阈值时，安全联锁组件发出报警信号，并控制加热控温组件、围压加载组件、轴压加载组件或超声脉冲激励接收器进入保护状态。