CN113327832A - X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法，该X射线生成装置用于设置在一岩心容纳组件中，且该岩心容纳组件用于对岩心进行X射线扫描；该X射线生成装置包括：壳体，该壳体的一端设有通孔；X射线球管，该X射线球管设置在所述壳体内；耐压窗，该耐压窗与所述壳体的一端卡接并完全遮挡所述通孔，所述X射线球管的X射线发生面与该耐压窗相对设置以使所述X射线球管发出的X射线仅从该耐压窗射出。本发明能够在提高驱油实验系统的耐压耐温性能的基础上，提高X射线生成装置的密封性及可靠性，以有效提高对岩石孔隙结构及内部流体识别的准确度和清晰度。

Description

X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法

技术领域

本发明涉及油田开发技术领域，尤其涉及一种X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法。

背景技术

岩心物理驱油实验是模拟流体在岩心内渗流过程的基础实验，由于油藏处于高温高压条件，驱油实验必须在该条件下进行。为保证流体在岩心内不受外来流体的干扰，通常将岩心放入胶皮筒内，再整体放入岩心夹持器中，由胶皮筒和岩心夹持器环空中的流体施压，提供高压条件；将岩心夹持器整体放入恒温箱内可满足高温条件。该实验方法可以获取高温高压条件下的流动压力和原油采收率等关键参数。但是该方法无法获取岩石内流体渗流状况等相关信息，无法认识剩余油分布等关键问题。

随着CT技术的发展及装置的普及，利用CT装置观察岩石孔隙空间内流体状态已逐步开展。利用X射线对岩心的穿透性能及被吸收程度的不同，而反演出流体在岩心内的状态，该方法可获取岩心内孔隙分布及流体分布，促进了孔隙空间研究的发展。

现有技术通常采用医用CT扫描岩心，其有效直径达到80cm，优点是可以容纳耐压装置，有效保护岩心。缺点是由于岩心模型尺寸相对较小，CT扫描结果不足以显示孔隙结构特点，流体(油、水和气相)间无法明显区分，这主要是由于分辨率不足，100μm级别的分辨性能及近毫米级的可识别图像效果，使成像仅能以较大面积的整体效果来分析。另外的显著缺点是岩心夹持器需要采用X射线能穿透的材料，通常是聚醚醚酮(PEEK)和碳纤维复合等材料，但是该类材料的耐压耐温性能仍低于常规的钢制容器，其最大工作耐压通常不高于10MPa，最大工作耐温不高于60℃。而油藏条件通常在10MPa和60℃以上，使得常规CT扫描技术的适应性受限。

发明内容

针对现有技术中的上述问题中的至少一个问题，本发明提出了一种X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法，能够在提高驱油实验系统的耐压耐温性能的基础上，提高X射线生成装置的密封性及可靠性，以有效提高对岩石孔隙结构及内部流体识别的准确度和清晰度。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种X射线生成装置，该X射线生成装置设置在一岩心容纳组件中，且该岩心容纳组件用于对岩心进行X射线扫描；所述X射线生成装置包括：

壳体，该壳体的一端设有通孔；

X射线球管，该X射线球管设置在所述壳体内；

耐压窗，该耐压窗与所述壳体的一端卡接并完全遮挡所述通孔，所述X射线球管的X射线发生面与该耐压窗相对设置以使所述X射线球管发出的X射线仅从该耐压窗射出。

第二方面，本发明提供一种岩心容纳组件，包括：密封箱体、以及分别设置在该密封箱体内的岩心容纳装置、X射线接收板和所述的X射线生成装置；

所述X射线接收板和X射线生成装置分别设置在所述岩心容纳装置的两侧，且所述X射线生成装置的耐压窗与所述X射线接收板相对且同轴设置。

第三方面，本发明提供一种驱油实验系统，包括：所述的岩心容纳组件，以及分别设置在该岩心容纳组件外部的X射线控制器、图像采集装置和驱油装置；

所述X射线控制器与所述X射线球管电连接；

所述图像采集装置与所述X射线接收板电连接；

所述驱油装置分别与所述密封箱体，以及设置在所述岩心容纳装置中的目标岩心模型连接。

第四方面，本发明提供一种驱油实验方法，所述采集所述目标岩心模型的各个预设区域的初始状态图像信息，包括：

当所述驱油实验系统处于预设的初始状态时，对所述目标岩心模型的位置进行划分，以确定各个所述预设区域；

控制所述X射线生成装置发射预设时长的X射线并应用所述X射线接收板采集各个所述预设区域的初始状态图像信息。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供一种X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法，其中，该X射线生成装置用于设置在一岩心容纳组件中，且该岩心容纳组件用于对岩心进行X射线扫描；所述X射线生成装置包括：壳体，该壳体的一端设有通孔；X射线球管，该X射线球管设置在所述壳体内；耐压窗，该耐压窗与所述壳体的一端卡接以完全遮挡所述通孔，所述X射线球管的X射线发生面与该耐压窗相对设置以使所述X射线球管发出的X射线经由该耐压窗射出。本发明实施例提供的X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法，能够在提高驱油实验系统的耐压耐温性能的基础上，提高X射线生成装置的密封性及可靠性，以有效提高对岩石孔隙结构及内部流体识别的准确度和清晰度；具体地，能够提高驱油实验系统结构的可靠性和安全性，提高驱油实验结果的准确性和效率，另外，还能够提高驱油实验系统的灵活性和可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为常规医用CT机X射线扫描岩心的扫描方式示意图；

图2(a)为现有技术中CT机和岩心容纳组件的关系示意图；

图2(b)为现有技术中CT机和高压釜的关系示意图；

图3为本发明实施例一中X射线生成装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图4(a)为本发明一具体实施方式中X射线生成装置的主视示意图；

图4(b)为本发明一具体实施方式中X射线生成装置的侧视示意图；

图5为本发明一具体实施方式中X射线生成装置与X射线控制器的关系示意图；

图6(a)为本发明实施例二中岩心容纳组件的一种具体实施方式的主视示意图；

图6(b)为本发明实施例二中岩心容纳组件的一种具体实施方式的侧视示意图；

图7(a)为本发明一具体实施方式中载物台的主视示意图；

图7(b)为本发明一具体实施方式中载物台的侧视示意图；

图7(c)为本发明又一具体实施方式中载物台的主视示意图；

图8(a)为本发明一具体实施方式中移动台的主视示意图；

图8(b)为本发明一具体实施方式中移动台的侧视示意图；

图9为本发明一具体实施方式中X射线采集板的主视示意图；

图10为本发明实施例三驱油实验系统的一种具体实施方式的主视示意图；

图11为本发明实施例四驱油实验方法的一种具体实施方式的流程示意图；

图12为本发明实施例四驱油实验方法中步骤S101和S102的一种具体实施方式的流程示意图；

图13为本发明一具体应用实施例中目标岩心模型的编号情况示意图。

符号说明

10、X射线生成装置；

11、壳体；

111、耐压外壳；

112、盖板；

12、X射线球管；

13、耐压窗；

14、X射线发生面；

15、螺栓；

16、O型圈；

17、胶体柱；

18、支撑件；

19、密封件；

20、支撑圈；

21、环型框体；

22、旋转阳极；

23、冷却器；

24、电力信号线；

25、阴极灯丝；

26、X射线控制器；

27、38、高压钢管；

28、连接板；

29、密封箱体；

30、岩心容纳装置；

31、X射线接收板；

32、目标岩心模型；

33、环空；

34、移动台；

341、纵向支架；

342、横向支架；

343、滑块；

345、微距履带；

346、电机和轴承；

347、控制信号线；

35、载物台；

351、主轴；

352、连杆；

353、中部支撑环；

354、支撑环；

355、运动支架接口；

36、碳纤维保护壳；

37、信号线；

39、环氧树脂密封层；

40、图像采集装置；

41、驱油装置；

411、围压泵；

412、驱替泵；

413、收集杯；

414、第一容器；

415、第二容器；

416、围压管线；

417、入口管线；

418、出口管线；

42、铅制保护层；

43、恒温箱；

100、岩心容纳组件；

1000、驱油实验系统；

1a、CT机X射线源；

2a、CT机内框；

3a、CT机内框中的载物台；

4a、X射线；

5a、CT机内框外的X射线接收板；

6a、成像；

7a、岩心；

8a、模型虚拟扩展直径；

9a、模型外盖；

10a、模型筒体；

11a、环空部分；

12a、橡胶筒；

13a、管线；

14a、阀门；

15a、高压釜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人发现现有技术的发展情况和研究如下：

利用X射线穿透能力的特点，现有岩心模型通常采用医用类大型CT机进行扫描，扫描的方式参见图1，CT机X射线源1a发出X射线4a，经过设置在CT机内框中的载物台3a上的岩心7a，在CT机内框外的X射线接收板5a上成像6a。CT机内框2a直径较大，其有效直径能够达到80cm，但是受到岩心夹持器等高压釜部件的限制和设备X射线穿透能力的限制，扫描样品的尺寸相对较小。参见图2(a)，设置在CT机内的岩心夹持器包含有模型外盖9a、模型筒体10a、橡胶筒12a和岩心7a；岩心夹持器外连接有管线13a，管线13a上设有阀门14a，岩心夹持器内有环空部分11a；其中，圆柱形岩心的直径通常不超过10cm，其岩心夹持器外周的模型虚拟扩展直径8a通常不小于50cm；参见图2(b)，设置在CT机内的高压釜15a包含有：岩心7a和橡胶筒12a；高压釜15a外连接有管线13a，管线13a上设有阀门14a；其中，矩形岩心宽度和厚度通常不超过20cm，该模型的高压釜扩展直径通常不小于70cm，接近CT机内框直径。

由于上述CT机适用的岩心模型尺寸相对较小，导致CT扫描结果不足以显示孔隙结构特点，流体(油、水和气相)间无法明显区分；又由于上述岩心夹持器的最大耐压值和最大耐温值通常低于一般的油藏条件，使得常规CT扫描技术的适应性受限。

因此，为了在提高驱油实验系统的耐压耐温性能的基础上，提高X射线生成装置的密封性及可靠性，以有效提高对岩石孔隙结构及内部流体识别的准确度和清晰度，从考虑改变现有的X射线源和X射线接收板的设置方式出发，在保证驱油实验系统的耐压耐温性能的基础上，减小X射线源和岩心之间的距离。

基于此，本发明的实施例一提供一种X射线生成装置10的具体实施方式，在本实施例中，该X射线生成装置10设置在一岩心容纳组件100中，且该岩心容纳组件100用于对岩心进行X射线扫描；该岩心容纳组件可以是岩心夹持器或高压釜，适用于在高温高压条件下，对岩心孔隙结构和内部流体的清晰识别；参见图3，所述X射线生成装置10具体包含有如下内容：

壳体11，该壳体的一端设有通孔；X射线球管12，该X射线球管12设置在所述壳体11内；耐压窗13，该耐压窗13与所述壳体的一端卡接并完全遮挡所述通孔，所述X射线球管的X射线发生面14与该耐压窗13相对设置以使所述X射线球管12发出的X射线仅从该耐压窗13射出。

从上述描述可知，所述X射线生成装置可以固定设置在一岩心容纳组件中，适用于驱油实验过程中岩心容纳组件内的高温高压环境，能够在驱油实验过程中减少X射线生成装置与目标岩心模型之间的距离，从而提高目标岩心模型接收到的X射线强度；所述X射线球管可以固定设置在所述壳体内。

具体地，所述X射线发生面即为X射线球管的射线窗口。所述耐压窗与所述壳体的一端卡接以完全遮挡所述通孔，能够使所述耐压窗与所述壳体密封连接。常用的耐压材料的性能对比如表1所示，碳纤维复合材料的抗拉强度3600MPa，而射线吸收率仅为1.4％/mm；高强度钢是高压釜的常规选择，其抗拉强度可达1000MPa，但其在不大于0.5mm时，X射线几乎被全部吸收，这也是目前岩心夹持器无法适应高压的主要原因。聚醚醚酮(PEEK)材料具有较低的X射线吸收率，且具有易加工性，但是受其抗拉强度仅有97MPa的影响，其仅在低压条件下应用较广。因碳纤维易分层等特点，在岩心夹持器和高压釜的制造上，鲜见应用碳纤维整体制造的产品。但是，在本发明中的X射线生成装置仅需要耐压窗口，且是单向受压力条件，因而碳纤维能充分发挥其上述两个优势。

由上述描述可知，由于碳纤维复合材料的易分层特点，碳纤维复合材料在作为岩心容纳组件的整体材料时，岩心容纳组件的耐压性能通常低于钢制容器，难以满足一般的油藏条件；但是，当碳纤维复合材料作为耐压窗的材料时，仅单向受压力，其抗压强度明显高于高强度特种钢等材料，另外，碳纤维复合材料的X射线吸收率也相对较高，作为优选，本发明中所述耐压窗是碳纤维耐压窗，材质为碳纤维复合材料。通过设置耐压窗和钢制壳体，既能够满足X射线高穿透率的需要，又能够保证X射线生成装置壳体的耐压性能，进而保证X射线生成装置在岩心容纳组件内的正常工作。

表1

材料名称	抗拉强度MPa	X射线吸收率
			碳纤维复合材料	3600	1.4％/mm
高强度特种钢	1000	99％/0.5mm
			304钢	520	99％/0.5mm
合金铝	420	7％/mm
			PEEK	97	3％/mm

在一种具体实施方式中，所述壳体11包含有：耐压外壳111，该耐压外壳中的与所述通孔相对设置的一端设有可拆卸式连接的盖板112。

可以理解的是，所述耐压外壳111上设有所述通孔，用于限定耐压窗13的位置；所述耐压外壳111与所述盖板112之间可以通过螺栓15可拆卸式连接，以提高X射线生成装置的灵活性，便于对X射线生成装置维修或调整等；所述耐压外壳与所述盖板之间还可以设置O型圈16，以保证耐压外壳111与所述盖板112之间密封连接。所述壳体11为所述X射线生成装置的承压结构，能够降低外部压力对X射线球管12的影响，提高X射线生成装置10的可靠性和安全性。所述壳体可以是一种钢制壳体。

在一种具体实施方式中，所述的X射线生成装置10还包含有：胶体柱17、支撑件18和密封件19；所述X射线球管的X射线发生面14与所述耐压窗13之间形成有容X射线射出的空腔；所述X射线球管12、胶体柱17、支撑件18、密封件19和耐压窗13在所述空腔的区域内依次连接。

具体地，所述胶体柱用于限定X射线球管与支撑件之间的位置，避免碰撞；所述支撑件可以是一种钢体支撑件，用于承受耐压窗传导的外部压力，进而提高X射线生成装置的耐压能力；所述密封件可以是一种密封垫或密封环，用于保证壳体在高压条件下密封；所述胶体柱、支撑件、支撑件和密封件共同作用，能够进一步提高所述X射线球管与腔体之间的稳定性，并提高X射线生成装置的耐压性能。

为了在保证检测结果准确性的基础上，进一步提高X射线生成装置10的耐压性能和可靠性，可以进一步在所述X射线球管12靠近其阳极和阴极的两端与所述壳体11之间分别设置支撑圈20，该支撑圈20内层绝缘，中部有通孔，能够使X射线球管12两侧的压力相同，整体对X射线球管12起稳定的作用。

参见图4(a)和图4(b)，为了进一步提高所述耐压窗13的可靠性，在一种具体实施方式中，所述耐压窗远离X射线发生面的一侧套设在环型框体21内，该环型框体21与所述壳体的外壁固定连接。

在一种具体实施方式中，所述的X射线生成装置包含有：设置在所述壳体外部的供电装置，该供电设置与所述X射线球管之间电连接。

具体地，所述供电装置用于为所述X射线球管的两极提供高压，可以是一种供电变压器；将供电装置设置在所述壳体外部，能够减小X射线球管的体积，进而减小X射线生成装置的体积，以保证X射线生成装置可以设置在岩心容纳组件内部，满足岩心容纳组件内部空间狭小的限制；另外，能够避免在供电过程中，供电装置在X射线球管内产生热量，以降低X射线球管的冷却器的功耗，提高驱油实验系统的工作效率。

参见图5，在一种具体实施方式中，所述X射线球管12与一X射线控制器26电连接，该X射线控制器26与所述供电装置集成设置。

具体地，所述X射线控制器具有连续变压能力，能够为X射线的成像适应性创造条件，还能够控制X射线发射时长等；所述X射线控制器与所述供电装置集成设置时，结构更加简单，节省制造成本，能够提高应用X射线控制器与供电装置的便捷化程度。

参见图4(a)，所述X射线球管12可以是一种阳极旋转型球管，旋转阳极22及阴极灯丝25均在玻璃罩内，冷却器23为其降温，本装置中为两极提供高压的供电变压器置于该装置的X射线控制器26内，能够使装置更小巧，且散热量降低。产生的X射线从射线窗口发出。

举例来说，在一种具体应用实例中X射线球管的主要参数如下：

最大管电压：120KV；常用管电压：60KV；最大管电流：6mA；X射线源焦斑尺寸：0.1～0.4mm；冷却方式：油冷；靶面角：12°；阳极材料：钨；曝光时间：0.1～2s；X照射面积：50mm。

在一种具体实施方式中，所述X射线控制器26经由一电力信号线24与所述X射线球管12连接；所述电力信号线中位于所述壳体外部的部分套设有高压钢管27。

具体地，所述电力信号线可以包含有电力线和信号线。所述电力信号线经由一X射线生成装置上的电力信号线容纳孔分别与所述X射线球管和X射线控制器连接，该电力信号线容纳孔远远小于用于耐压窗13与壳体的一端卡接的通孔，所述高压钢管是一种绝缘高压钢管，与所述通孔密封连接能够保证所述壳体11相对于岩心容纳组件密封，保护电力信号线，避免外部压力对电力信号线的影响，而且还有屏蔽外部噪声信号的作用。

通过将X射线生成装置及X射线接收板等设置在密封箱体内，能够在模拟油藏高温高压条件的基础上，提高岩心容纳装置的X射线穿透能力，并减小X射线生成装置与目标岩心模型之间的距离，进而提高成像的质量。参见图6(a)和图6(b)，本发明的实施例二提供一种包含有所述X射线生成装置的岩心容纳组件100的具体实施方式，所述岩心容纳组件100具体包含有如下内容：

密封箱体29、以及分别设置在该密封箱体内的岩心容纳装置30、X射线接收板31和所述的X射线生成装置10；所述X射线接收板31和X射线生成装置10分别设置在所述岩心容纳装置30的两侧，且所述X射线生成装置的耐压窗13与所述X射线接收板31相对且同轴设置。

具体地，由于X射线衰减具有指数特征，见下式：

I(x)＝I₀·e^μx

式中：I(x)——距离x处X射线强度；I₀——射线初始强度；μ——射线衰减系数。因而在增加距离时，射线强度快速衰减，对于扫描岩心模型而言，射线源距离物体越近越有利于获取高质量的图像。

所述密封箱体可以是岩心夹持器，也可以是高压釜，因此，在本发明实施例中，将所述X射线接收板和X射线生成装置设置在密封箱体内，将X射线源及成像接收板尽可能贴近岩心，使两者与包裹岩心的岩心容纳装置紧密接触，能够在保证X射线接收板和X射线生成装置耐压性能的基础上，提高岩心流体的检测效率。可以理解的是，所述耐压窗与所述X射线接收板相对且同轴设置，能够增大X射线的接收面积，提高X射线生成装置的工作效率和扫描目标岩心模型得到的扫描图像的清晰度。所述岩心容纳装置可以是密封橡胶筒，该密封橡胶筒可以是圆柱体密封橡胶筒或长方体密封橡胶筒。所述密封箱体内环空33。通过将X射线源及成像接收板内置于岩心容纳组件内，使两者与包裹目标岩心模型的橡胶筒紧密接触，能够使X射线源及X射线接收板尽可能贴近岩心，在保证耐压性能的基础上驱油实验系统有效运行。

在一种具体实施方式中，所述的岩心容纳组件100还包含有：载物台35；所述岩心容纳装置30固定设置在该载物台35上，能够提高岩心容纳装置30在岩心容纳组件100中的稳定性。

参见图7(a)和图7(b)，在一种具体实施方式中，所述载物台35包含有：主轴351、连杆352、套设在该连杆352上的中部支撑环353和固定设置在该主轴两端的支撑环354；其中，所述连杆的两端分别连接所述支撑环354；所述支撑环354用于分别连接所述岩心容纳装置30的两端，所述中部支撑环353用于与所述岩心容纳装置远离所述主轴的一侧固定连接。

由上述描述可知，所述载物台是岩心容纳组件内协助限定岩心模型位置的部件，在主轴的横向空间内无实体遮挡，能够避免载物台对X射线扫描的影响，提高X射线扫描质量。通过设置所述中部支撑环能够进一步提高岩心容纳装置的稳定性，中部支撑环间由连杆连接，直至与两侧主支撑环连接。该载物台适用于圆柱体岩心容纳装置。所述主轴可以是支撑台，用于支撑所述支撑环，该主轴设有运动支架接口355，可以将载物台与移动台的横向支架之间固定连接。

在一种具体实施方式中，提供一种适用于长方体岩心容纳装置的载物台，结构如图7(c)所示，所述载物台为长方体载物台。

在一种具体实施方式中，所述的岩心容纳组件还包含有：

移动台34，该移动台的移动端可沿所述载物台长度方向移动；所述X射线生成装置10设置在所述移动台34上，该移动台34用于调整该X射线生成装置10的位置。

具体地，能够通过调整所述移动台的位置，X射线生成装置能够对目标岩心模型的不同区域进行X射线扫描，以使X射线接收板接收不同区域的扫描图像，能够提高驱油实验过程的灵活性和检测结果的可靠性。

参加图8(a)和图8(b)，在一种具体实施方式中，所述移动台34包含有：滑块343、横向支架342和作为所述移动台的移动端的纵向支架341；所述横向支架342与所述载物台35固定连接；所述纵向支架341经由所述滑块343与所述横向支架342连接，该纵向支架341可沿该横向支架342的长度方向运动；设置在所述纵向支架341上的所述X射线生成装置10经由一连接板28与所述X射线接收板31固定连接。

具体地，所述X射线生成装置10可以通过连接件343与所述纵向支架341连接；所述横向支架342可以通过所述载物台的运动支架接口355与载物台35固定连接，同时纵向支架3的一端通过滑块与横向支架342连接，纵向支架的另一端与X射线生成装置10连接，X射线接收板31与X射线生成装置10通过连接板28连接。进一步地，横向支架342和纵向支架341均有电机和轴承346、以及微距履带345，通过控制信号，带动X射线生成装置10和X射线接收板31运动到设定位置。所述电机可以通过控制信号线347与所述图像采集装置连接，还可以与一单独控制器或计算机连接，以控制电机运行。所述连接板的长度可以根据岩心及橡胶密封筒的直径调节，以改变X射线接收板与耐压窗之间的相对距离。所述连接板28还可以是一可沿最长边长度方向伸缩的伸缩板，进而能够调整X射线接收板31与目标岩心模型32之间的距离，对经由X射线穿过的目标岩心模型32进行不同放大倍数的成像。

可以理解的是，所述岩心容纳装置30设置在X射线生成装置10与X射线接收板31之间。

由图8(b)可知，X射线接收板与X射线生成装置窗口对齐，且保持同步运动。两者之间跨度可根据之间的岩心及橡胶密封筒的直径调节。

参见图9，在一种具体实施方式中，所述X射线接收板31外设有碳纤维保护壳36。

具体地，所述碳纤维保护壳的边缘包含有环氧树脂密封层39，以提高X射线接收板的密封性，进而实现对X射线接收板的耐压保护，提高岩心容纳组件的可靠性和驱油实验结果的准确性。所述X射线接收板与图像采集装置之间通过信号线37连接，该信号线外套设有高压管线38。

举例来说，所述X射线接收板采用小型数字X射线CCD(Charge-coupled Device)成像。例如RSV5型接收板，与计算机USB连接，有图像接收、成像和简单处理分析等功能。RSV5型接收板有效面积22.5mm×30mm，通过与所述X射线生成装置的同步运动，能够实现岩心模型的各位置扫描。因X射线接收板也处于高压环境中，需要进行耐压保护。因其为简单的片状结构，故可以采用碳纤维盒装保护方式。

参见图10，本发明的实施例三提供一种包含有所述岩心容纳组件的驱油实验系统1000，该驱油实验系统1000包含有：所述的岩心容纳组件100，以及分别设置在该岩心容纳组件外部的X射线控制器26、图像采集装置40和驱油装置41；所述X射线控制器26与所述X射线球管12之间，以及所述图像采集装置40与所述X射线接收板31之间电连接；所述驱油装置41分别与所述密封箱体29，以及设置在所述岩心容纳装置中的目标岩心模型32连接。

具体地，为了提高检测效率和节省成本，所述图像采集装置可以是计算机，该计算机分别与所述X射线控制器和X射线采集板连接，能够采集并分析扫描图像信息并控制所述X射线生成装置，进而提高驱油实验的自动化程度和驱油实验结果的可视化程度。所述X射线生成装置中的X射线球管的供电装置可以与所述X射线控制器集成设置，使驱油实验系统的结构更加简单。X射线控制器与所述X射线球管通过电力信号线连接，该电力信号线中位于所述壳体外部的部分套设有高压钢管；所述图像采集装置与所述X射线接收板通过信号线连接，该信号线套设有高压钢管，能够避免岩心容纳组件腔内高压对信号线或电力信号线造成影响，提高驱油实验结果的可靠性；在一个具体应用实例中，能够驱油实验系统耐温耐压的能力由10MPa和60℃提高到50MPa和90℃。

在一种具体实施方式中，所述驱油装置41有：围压泵411、驱替泵412、收集杯413、第一容器414和多个第二容器415，所述第一容器414和所述第二容器415中分别盛装有水、油和气体中的至少一种；所述第一容器的一端连接所述围压泵411，另一端连接所述密封箱体29；所述第二容器的一端连接所述驱替泵412，另一端连接所述岩心容纳装置的一端；所述收集杯413与所述岩心容纳装置的另一端连接；其中，连接方式均为管线连接，各所述管线设有阀门。可以理解的是，所述驱油装置41用于将油、气和水等流体注入岩石圆柱即目标岩心模型，并控制产出。

具体地，所述第一容器414与所述密封箱体29之间通过围压管线416连接；所述第二容器415与所述岩心容纳装置之间通过入口管线417连接；所述收集杯413与所述岩心容纳装置之间通过出口管线418连接。所述第一容器和第二容器结合构成驱油装置的中间容器。密封箱体容积较大，中间容器与密封箱体连接，能够使围压泵产生的波动被消除，且若围压液用不同流体时，围压泵可以依旧使用蒸馏水，以利于保护围压泵不被腐蚀。

在一种具体实施方式中，所述密封箱体外设有铅制保护罩42，该铅制保护罩42外设有恒温箱43，能够在维持驱油实验过程所需的温度的基础上，提高岩心容纳组件的安全性。

参见图11，本发明的实施例四提供一种应用上述驱油实验系统实现的驱油实验方法，该方法包含有：

步骤S100：采集所述目标岩心模型的各个预设区域的初始状态图像信息。

具体地，通过调整岩心容纳组件中移动台的位置，图像采集装置能够获取所述X射线接收板采集的各个预设区域的初始状态图像信息。按照预设的划分规则，对目标岩心模型与所述耐压窗相对的面进行区域划分并对各个区域进行标号，各个预设区域即各个标号对应的目标岩心模型中的区域，所述预设的划分规则可根据实际情况进行设置，本发明对此不作限制，各个预设区域结合能够构成完整的目标岩心模型。应用所述初始状态图像信息作为比对基础，提高驱油实验结果的可靠性。

步骤S200：向所述目标岩心模型注入油液直至该目标岩心模型输出油液的速度和注入油液的速度相同，并采集该目标岩心模型的各个所述预设区域的饱和油图像信息。

具体地，通过所述驱油装置的驱替泵将存储在中间容器中的油液经由入口管线注入所述目标岩心模型中直至所述驱油装置的收集杯经由出口管线收集油液速度与注入油液的速度相同，此时，认为岩石空隙内已全部饱和油，应用所述驱油装置的驱替泵提高注入端的压力，应用围压泵提高所述岩心容纳组件的密封箱体内的围压，使密封箱体内保持稳定状态，此时，调整岩心容纳组件中移动台的位置，图像采集装置能够获取所述X射线接收板采集的各个预设区域的饱和油图像信息，并根据各个预设区域的饱和油图像信息获取目标岩心模型整体的饱和油图像信息。

步骤S300：向所述目标岩心模型注入气体直至该目标岩心模型输出的均为气体，并按照预设的时间间隔采集该目标岩心模型中任一所述预设区域的驱油图像信息。

具体地，通过所述驱油装置的驱替泵将存储在中间容器中的气体注入经由入口管线注入所述目标岩心模型中直至所述驱油装置的收集杯经由出口管线收集得到的均为气体，所述图像采集装置按照预设的时间间隔获取所述X射线接收板采集的该目标岩心模型中任一所述预设区域的驱油图像信息。

所述预设的时间间隔可根据实际情况进行设置，本发明对此不作限制。

步骤S400：输出所述初始状态图像信息、饱和油图像信息和驱油图像信息。

具体地，通过所述初始状态图像信息、饱和油图像信息和驱油图像信息的图像像素点的灰度值分析，可识别岩石颗粒、油和气体，进而观察到气体在岩石孔隙内的渗流状态；观察到气体驱替前缘形成和运动等过程及现象；结合产出油结果，分析驱油效果。

参见图12，在一种具体实施方式中，步骤S100包含有：

步骤S101：当所述驱油实验系统处于预设的初始状态时，对所述目标岩心模型的位置进行划分，以确定各个所述预设区域。

具体地，所述驱油实验系统处于预设的初始状态包含有：所述密封箱体内的温度和压强处于预设的初始温度和初始围压，所述X射线球管的管电压处于预设的电压，X射线持续时长为预设时长等，所述预设的初始状态可根据实际情况进行设置，本发明对此不作限制。

步骤S102：控制所述X射线生成装置发射预设时长的X射线并应用所述X射线接收板采集各个所述预设区域的初始状态图像信息。

所述预设时长可根据实际情况进行设置，本发明对此不作限制。通过控制所述X射线生成装置发射X射线的持续时长和管电压，能够达到最佳成像效果。

为了进一步说明本案，本发明提供一种驱油实验系统的具体应用实例，具体包含有如下内容：

(1)仪器结构

仪器由内置式微型X射线装置、射线控制器、岩心物理模型、载物/运动支架、图像采集系统和驱油模块组成。

①内置式微型X射线装置和射线控制器

内置式微型X射线装置和射线控制器之间由电力线和信号线连接。高压钢管不仅保护电力线和信号线，并且能够使其耐压和绝缘，而且有屏蔽噪声信号的作用。

在本具体应用实例中，内置式微型X射线装置包含有X射线球管、碳纤维耐压窗、支撑圈、胶体柱、耐压外壳和端盖。

a.X射线球管：球管结构属于阳极旋转型球管，阴极灯丝及旋转阳极均在玻璃罩内，冷却器为其降温。与常规球管结构不同的是，本具体应用实例中为两极提供高压的供电变压器置于该内置式微型X射线装置的X射线控制器内。能够使装置更小巧，且散热量降低。产生的X射线井射线窗口发出。该球管体积小，满足了岩心夹持器和高压釜内部空间狭小的限制条件。

在本具体应用实例中，X射线球管的主要参数如下：

最大管电压：120KV；常用管电压：60KV；最大管电流：6mA；X射线源焦斑尺寸：0.1～0.4mm；冷却方式：油冷；靶面角：12°；阳极材料：钨；曝光时间：0.1～2s；X照射面积：50mm。

b.碳纤维耐压窗：该内置式微型X射线装置内置于高压环境，既要承受外部高压，又要保证X射线能高效率穿透，作为优选，碳纤维复合材料成为首选。

c.支撑圈：支撑圈的内层绝缘，中部有通孔，使两侧压力相同。整体对球管起稳定、定位作用。

d.耐压外壳和端盖：耐压外壳和端盖是整体的承压结构，保护内部球管不受外部压力干扰。端盖与耐压外壳间有密封圈密封，且四周由螺栓连接紧密。在耐压外壳上有窗体外框，用于限定碳纤维耐压窗位置；钢体支撑件位于外壳内部，承受碳纤维耐压窗传导的外部压力。在钢体支撑件和碳纤维耐压窗之间有密封垫和密封环，保证高压条件下的密封。

耐压外壳上设计有通孔，使电力线和信号线等引出，通孔外侧与高压钢管密封连接，使电线不受压。

e.胶体柱：胶体柱有略微的弹性，主要是限定球管与钢体支撑件间的位置，避免碰撞。

射线控制器具有变压模块为X射线装置提供电力，且具有0～180KV的连续变压能力，为X射线的成像适应性创造了条件。射线控制器也可以控制X射线发射时长等基本操作。

②岩心物理模型

岩心物理模型包括岩心夹持器/高压釜和岩心模型两部分，其中，岩心夹持器/高压釜与岩心模型之间的环空较大。在环空内需要放置载物支架、运动支架以及内置式微型X射线装置。

岩心模型通常有圆柱体和长方体两类，本具体应用实例中的内置式微型X射线装置适用于直径20cm的圆柱体，和边长/宽度不超过20cm的长方体模型，长度上没有限制。该适用性仅受限于装置的管电压，即X射线穿透能力。

③载物/运动支架

载物/运动支架位于岩心夹持器/高压釜内部，包括：载物台、横向及纵向运动支架组成。

a.载物台：载物台是岩心夹持器/高压釜内协助限定岩心模型位置的部件，其形状多元化，本发明对此不作限制。

圆柱体岩心模型载物台两侧有主支撑环。主轴连接两侧主支撑环，且有运动支架接口，用于安装运动支架，在主轴横向空间内无实体遮挡，目的是不影响X射线扫描质量。若岩心较长、直径较大，则需要在中间增加中部支撑环(数量不限)，中部支撑环间由连杆连接，直至与两侧主支撑环连接。图7(a)和图7(b)中显示了载物台与岩心及橡胶筒配合的状况。

b.横向及纵向运动支架

横向支架与载物台的运动支架接口固定连接，同时纵向支架通过滑块与横向支架连接，X射线装置与纵向支架连接，X射线接收板与X射线装置连接。

横向和纵向支架均有电机、轴承及微距履带，通过控制信号，调整横向和纵向运动位置，带动X射线装置运动到设定位置。X射线接收板与X射线装置窗口对齐，且保持同步运动。两者之间跨度可根据之间的岩心及橡胶密封筒的直径调节。

④图像采集系统

图像采集系统包含有：X射线接收板和控制计算机。

X射线接收板采用小型数字X射线CCD成像。例如本实验室采用了RSV5型接收板，与计算机USB连接，有图像接收、成像、简单处理分析等功能。RSV5型接收板有效面积22.5mm×30mm，通过与X射线装置的同步运动，实现岩心模型的各位置扫描。因接收板也处于高压环境中，因而需要进行耐压保护。因其为简单的片状结构，故采用碳纤维盒装保护方式，碳纤维盒边缘由环氧树脂密封，信号线由高压管线保护。

控制计算机具有采集图像、分析图像以及控制X射线装置(控制器)的功能。

⑤驱油模块

驱油模块是驱油实验中最为基础的装置集合，由驱替泵、围压泵、中间容器、收集杯以及管阀件组成。其功能是将油、气、水等流体注入岩石圆柱，并控制产出。这里不再赘述。

为了进一步说明本方案，在应用上述具体应用实例中的驱油实验系统，本发明提供一种驱油实验方法的具体应用实例，通过具体分析驱替过程中岩心成像，检测气体在岩石孔隙内的渗流状态、识别气体驱替前缘以及分析驱油效果，该方法具体包含有如下内容：

在本具体应用实例的驱油实验过程中，注入压力为20MPa，岩心容纳组件腔内的温度为60℃。岩石渗透率为200mD，圆柱体岩心模型的尺寸为直径100mm×500mm。

①流程准备及样品安装

内置式微型X射线装置与岩心模型同步安装，装入岩心容纳组件后，测试岩心扫描效果，检验运动支架的移动效果，以清晰成像为目标。

将电力线、信号线、电机驱动及控制线、以及X射线接收板传输线均由耐压钢管保护，并引出岩心容纳组件外。

装置及岩心模型安装后，在夹持器环空加入围压液，此处选用绝缘的机油类液体。

之后将铅制保护罩放置到位，进一步屏蔽可能的微量泄漏X射线，以保护操作人员。

②岩心系统升温升压

岩心系统缓慢升温升压，直至温度稳定为60℃，围压达到5MPa±1MPa即可。

此时，准备工作完毕，进行干岩心的初始拍照，作为对比基础。对岩心位置进行编号，编号情况参见图13。

首先调整管电压、X射线持续时长，以达到最佳成像效果；调整横向及纵向支架，在对应网格处拍照并存储，此工作由计算机程序控制。

③驱油实验及岩心成像

a.饱和油过程：驱替泵以0.3ml/min的速度饱和油，油相逐步进入岩石孔隙内，观察注入压力，使围压与注入压力的压差始终保持在5MPa±1MPa范围内。

饱和过程中，用X射线对岩心整体拍照成像，初期因油相进入范围仅局限于入口面附近，因而拍照也可限制在该区域，随着饱和油的渗流，而逐渐扩大拍照区域。

当收集杯内产出的流量与注入速度相同时，认为岩石孔隙内已全部饱和油，并逐渐升压，注入端压力升至20MPa，围压升至25MPa±1MPa范围内。此时对岩心整体拍照，可形成饱和油后的整体图像。

b.气体驱油过程：驱替泵以0.1ml/min的速度驱替，气体逐步进入岩石孔隙内驱替内部油相，按照设计时间间隔录取图像。当收集杯内产出的流体全部为气体、不再含油时，驱替过程结束。

④实验结束

实验结束后，缓慢降温、降压。操作与普通驱替实验相同，这里不再赘述。

⑤图像数据处理

由图像像素点的灰度值分析，可识别岩石颗粒、油和气体，进而观察到气体在岩石孔隙内的渗流状态；观察到气体驱替前缘形成、运动等过程及现象；结合产出油结果，分析驱油效果。

由上述描述可知，本发明提供的X射线生成装置、岩心容纳组件、驱油实验系统及方法，能够在提高驱油实验系统的耐压耐温性能的基础上，提高X射线生成装置的密封性及可靠性，以有效提高对岩石孔隙结构及内部流体识别的准确度和清晰度；具体地，X射线生成装置结构小巧，通过提高X射线生成装置和X射线接收板的耐压耐温性能，并将X射线生成装置与X射线接收板共同设置在岩心容纳组件中，能够避免密封箱体对X射线的阻碍，进而提高目标岩心模型的X射线穿透能力，实现系统耐压耐温能力的大幅提升，适用于大多数油藏条件的实验模拟，能够提高成像的分辨性能并将可识别图像效果提高一个数量级，采集得到的图像能清晰识别岩石孔隙结构、气体和油相边界等细节，可以判断出气体边界。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (16)

1.一种X射线生成装置，其特征在于，该X射线生成装置设置在一岩心容纳组件中，且该岩心容纳组件用于对岩心进行X射线扫描；所述X射线生成装置包括：

壳体，该壳体的一端设有通孔；

X射线球管，该X射线球管设置在所述壳体内；

耐压窗，该耐压窗与所述壳体的一端卡接并完全遮挡所述通孔，所述X射线球管的X射线发生面与该耐压窗相对设置以使所述X射线球管发出的X射线仅从该耐压窗射出。

2.根据权利要求1所述的X射线生成装置，其特征在于，所述壳体包括：

耐压外壳，该耐压外壳中的与所述通孔相对设置的一端设有可拆卸式连接的盖板。

3.根据权利要求1所述的X射线生成装置，其特征在于，还包括：胶体柱、支撑件和密封件；

所述X射线球管的X射线发生面与所述耐压窗之间形成有容X射线射出的空腔；

所述X射线球管、胶体柱、支撑件、密封件和耐压窗在所述空腔的区域内依次连接。

4.根据权利要求1所述的X射线生成装置，其特征在于，包括：设置在所述壳体外部的供电装置，该供电设置与所述X射线球管电连接。

5.根据权利要求4所述的X射线生成装置，其特征在于，所述X射线球管与一X射线控制器电连接，该X射线控制器与所述供电装置集成设置。

6.根据权利要求5所述的X射线生成装置，其特征在于，所述X射线控制器经由一电力信号线与所述X射线球管连接；

所述电力信号线中位于所述壳体外部的部分套设有高压钢管。

7.根据权利要求1所述的X射线生成装置，其特征在于，所述耐压窗为碳纤维耐压窗。

8.一种岩心容纳组件，其特征在于，包括：密封箱体、以及分别设置在该密封箱体内的岩心容纳装置、X射线接收板和如权利要求1至7任一项所述的X射线生成装置；

所述X射线接收板和X射线生成装置分别设置在所述岩心容纳装置的两侧，且所述X射线生成装置的耐压窗与所述X射线接收板相对且同轴设置。

9.根据权利要求8所述的岩心容纳组件，其特征在于，还包括：

载物台，所述岩心容纳装置固定设置在该载物台上。

10.根据权利要求9所述的岩心容纳组件，其特征在于，还包括：

移动台，该移动台的移动端可沿所述载物台的长度方向移动；

所述X射线生成装置设置在所述移动台上，该移动台用于调整该X射线生成装置的位置。

11.根据权利要求10所述的岩心容纳组件，其特征在于，所述移动台包括：

滑块、横向支架和作为所述移动台的移动端的纵向支架；

所述横向支架与所述载物台固定连接；

所述纵向支架经由所述滑块与所述横向支架连接，该纵向支架可沿所述载物台的长度方向运动；

所述X射线生成装置设置在所述纵向支架上，该X射线生成装置经由一连接板与所述X射线接收板固定连接。

12.根据权利要求8所述的岩心容纳组件，其特征在于，所述X射线接收板外设有碳纤维保护壳。

13.一种驱油实验系统，其特征在于，包括：如权利要求8至12任一项所述的岩心容纳组件，以及分别设置在该岩心容纳组件外部的X射线控制器、图像采集装置和驱油装置；

所述X射线控制器与所述X射线球管电连接；

所述图像采集装置与所述X射线接收板电连接；

所述驱油装置分别与所述密封箱体，以及设置在所述岩心容纳装置中的目标岩心模型连接。

14.根据权利要求13所述的驱油实验系统，其特征在于，所述驱油装置包括：

围压泵、驱替泵、收集杯、第一容器和多个第二容器，所述第一容器和所述第二容器中分别盛装有水、油和气体中的至少一种；

所述第一容器的一端连接所述围压泵，另一端连接所述密封箱体；

所述第二容器的一端连接所述驱替泵，另一端连接所述岩心容纳装置的一端；

所述收集杯与所述岩心容纳装置的另一端连接；

其中，连接方式均为管线连接，各所述管线设有阀门。

15.一种驱油实验方法，其特征在于，应用上述权利要求13或14所述的驱油实验系统实现，该方法包括：

采集所述目标岩心模型的各个预设区域的初始状态图像信息；

向所述目标岩心模型注入油液直至该目标岩心模型输出油液的速度和注入油液的速度相同，并采集该目标岩心模型的各个所述预设区域的饱和油图像信息；

向所述目标岩心模型注入气体直至该目标岩心模型输出的均为气体，并按照预设的时间间隔采集该目标岩心模型中至少一个所述预设区域的驱油图像信息；

输出所述初始状态图像信息、饱和油图像信息和驱油图像信息。

16.根据权利要求15所述的驱油实验方法，其特征在于，所述采集所述目标岩心模型的各个预设区域的初始状态图像信息，包括：

当所述驱油实验系统处于预设的初始状态时，对所述目标岩心模型的位置进行划分，以确定各个所述预设区域；

控制所述X射线生成装置发射预设时长的X射线并应用所述X射线接收板采集各个所述预设区域的初始状态图像信息。

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