CN101701887B - 多功能三轴岩心夹持装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能三轴岩心夹持装置，主要由主体、上端盖、下端盖、液压囊、胶磁、液流堵头、应指示杆、光纤管和支架组成，主体为金属圆柱体，中心设有通孔，在通孔的外周设有4个相对的凹槽，凹槽内设有液压囊、在每个凹槽的底面中部中心位置设有一个测试孔，测示孔内设有穿过液囊中部所设的胶管的应变指示杆，在测试孔下部的中心位置设有一个液压囊接头孔，孔内设有液压囊接头；在主体的上下端设有上下端盖，相互之间螺栓连接；在上下端盖的中心对称设有方形凹槽，凹槽内设有端面液压囊，在凹槽底面垂直向上开有两个通孔，位于中心的为测试孔，孔内设有胶管的应变指示杆，另一个为液压囊接头孔，孔内设有液压接头；在主体内设有岩芯；，在主体通过转轴安装在支架上。

Description

多功能三轴岩心夹持装置

一、技术领域

本发明涉及油田勘探、开发领域用来进行岩石力学性能、渗流性能分析的试验设备，是一种能够真正模拟地下岩石应力状况的多用途岩心夹持装置。

二、背景技术

利用几何相似建立室内模型，模拟岩石在地层中的实际受力状况，是目前室内进行勘探开发研究的主要手段，研究中普遍使用的岩心试验装置为单轴、两轴或假三轴，其模拟状况不能代表地层真实情况，所得结果与实际结果会有一定的误差，虽然可以用相关的理论推导进行纠正，但理论结果还须实验进行验证。在国内外也有为数很少的几台真三轴岩心试验装置，利用大型压力机以及液压组件来提供动力，规模过大，开动起来费用昂贵而不能有效利用，而且功能单一，只能用来进行岩石真三轴破坏机理研究，而不能进行渗流试验，模拟压裂等研究。

三、发明内容

本发明的目的是要提供一种能够真正模拟地下岩石应力状况的多功能三轴岩心夹持装置，不仅能实现三个轴向真正单独加载应力，进行岩石真三轴破坏机理研究，还能进行压裂机理、渗流试验等研究，实现小型化，多功能。

一种多功能三轴岩心夹持装置，主要由主体、上端盖、下端盖、液压囊、胶磁、液流堵头、应指示杆、光纤管和支架组成，其特征是主体为金属圆柱体，中心设有通孔，在通孔的外周设有4个相对的凹槽，凹槽内设有液压囊、凹槽的深度与液压囊的厚度相等，在每个凹槽的底面中部中心位置设有一个测试孔，测示孔内设有穿过液囊中部所设的胶管的应变指示杆，在测试孔下部的中心位置设有一个液压囊接头孔，孔内设有液压囊接头；在主体的上下端设有上下端盖，在主体上下端和上下端设有螺栓孔，相互之间螺栓连接；在上下端盖的中心对称设有方形凹槽，凹槽内设有与凹槽端面相平的端面液压囊，在凹槽底面中心和中心到槽边的中部垂直向上开有两个通孔，位于中心的为测试孔，孔内设有穿过端面液压囊中部所设有胶管的应变指示杆，另一个为液压囊接头孔，孔内设有液压接头；在主体和上下端盖上的液压囊围成的空间内设有岩芯；，在主体通过转轴安装在支架上。

在进行三轴应力状况下的油井压裂模拟试验时，在主体液压囊内周装有胶套，在胶套内周装有渗流堵头；在上下端盖的端面液压囊内的下面装有渗流堵头，在上端的渗流堵头下面装有中间带孔的胶垫，在渗流堵头和胶垫围成的空间内装有垂直向中心设有模拟井筒的岩芯，模拟井筒开口向上，在上端盖的测试孔内插入液流管，直插到模拟井筒内，在主体和下端盖的测试孔内插入液流管，直插到岩芯表面，将主体和上下端盖上的对应液压囊接头分别接到三个独立的液压源上，分别控制，通过液流管检测岩芯三轴向应变数据，再通过上端面的液流管向模拟井筒内注入压裂液，进行压裂试验。

支架、支架座设为工字型，在两端中部垂直向上设有两根平行的支撑，支撑的上端下方设有转轴孔，转轴孔上设有定位螺栓，在支架座的四个角上设有万向轮。

液压囊橡胶材质，外观呈扁平的六方体，分为两类：端面液压囊和侧面液压囊，端面液压囊为扁平的正方形，侧面液压囊为扁平的长方形。两种液压囊除外观和尺寸不同外，结构完全相同，在两个扁平面中心位置连接着一个测试通道，形成该通道的橡胶管与液压囊外层壳体连为一体，将测试通道和液压囊内的液体隔开。在一侧扁平面的下半部的中心上装有液压接头，用来连接液压源，为液压囊提供压力。

上下端盖薄圆柱形，周边有通孔，数量、大小与主体上的螺纹孔相对应，用来穿过连接螺栓将端盖连到主体上。在端盖的中心开有方形凹槽，用来放置端面液压囊，凹槽的深度与液压囊的厚度一致。凹槽的底面上开有两个通孔，一个位于底面中心位置，为测试孔，一个位于测试孔一侧半个液压囊的中心位置，为液压囊的液压接头孔。

应变指示杆是用来显示岩心受压后变形量的装置，包括测试杆和档片两部分。金属材质的测试杆直径略小于液压囊和主体以及端盖上的测试孔的通径，在一头有一个圆形挡片，直径大于液压囊上的测试通孔，使用时挡片紧贴在岩心面上，岩心的变形量就可以通过测试杆端检测出来。

胶套是用来辅助进行渗流试验用的，它是一个方形的橡胶筒，两端开口，筒的轴线为渗流的方向。内孔尺寸与岩心的外形尺寸一致。分为垂向渗流胶套和水平渗流胶套两种。

渗流堵头也是用来辅助进行渗流试验用的，由渗流板和液流管组成，渗流板是一个方形的金属板，贴近岩心的一面上加工有相互连通的导流槽，中心处有液流孔，液流孔联通液流管，液流管垂直装在渗流板另一面，其外径略小于液压囊和主体以及端盖上的测试孔的通径，使用时液流管从测试孔穿出，连入渗流流程。液体可以从液流管进来，然后通过导流槽分散到岩心的试验端面上，然后在压力作用下进入岩心；也可以从岩心端面上进入导流槽，然后再汇流到液流管流出。渗流堵头分为垂向渗流堵头和水平渗流堵头两种。

光纤进出管是用来辅助进行井壁坍塌试验的，为一圆形金属管，外径略小于液压囊和主体以及端盖上的测试孔的通径，在管的一头有圆形挡片，用来保证其在试验中位置固定。光纤进出管的内孔与岩心上的模拟井筒联通，可以通过它将光纤探头放入岩心上的模拟井筒中，再通过相关设备即可观察模拟井筒内的试验情况。

本发明实现了在室内对模拟岩心真三轴模拟试验的问题，不仅能做岩心真三轴破坏机理试验，也能进行渗流试验和模拟压裂等试验，为室内对岩心的机理研究提供了可靠的技术条件，且结构简单、操作方便、造价低，节省试验成本。

四、附图说明

图1是本发明的主体安装示意图

图2是主体液压囊结构示意图

图3端面液压囊结构示意图

图4应变指示杆结构示意图

图5是光纤探头孔结构示意图

图6是垂向渗流胶套结构示意图

图7是水平渗流胶套结构示意图

图8三轴应力应变试验剖面图

图9压裂模拟试验剖面图

图10是渗流堵头结构示意图

图11井壁坍塌试验剖面图

图12垂向渗流试验剖面图

图13水平渗流试验剖面图

图中：1主体，2凹槽，3凹槽底面，4螺纹孔，5测试孔，6液压接头孔，7锁紧装置，8旋转轴，9支架，10侧面液压囊，11测试通道，12液压接头，13端面液压囊，14测试杆，15档片，16光纤探头孔，17垂向渗流胶套，18水平渗流胶套，19螺栓，20上端盖，21应变指示杆，22下端盖，23岩心，24液流管，25垂向渗流堵头，26橡胶垫，27模拟井筒，28水平渗流堵头，29渗流板，30液流孔，31导流槽，32光纤进出管。

五、具体实施方式

参照图1，主体1为一金属材质圆柱体，中间沿轴向开有通孔，通孔的横截面整体呈“十”字形，在空间上形成四个相对的凹槽2，用来放置侧面液压囊10，凹槽2的深度与液压囊10的厚度一致。凹槽2的底面3上开有两个通孔，一个位于底面中心位置，为测试孔5，一个位于下半部的中心位置，为液压囊的液压接头孔6。主体的顶面和底面加工有均布的螺纹孔4，在主体1外圆柱面两侧相对分布有两个旋转轴8，两个旋转轴8的轴线在同一条线上，该直线与主体1的轴线垂直相交，且与四个凹槽2的底面呈45°夹角。

由于装置重量较大，移动、拆装比较费力，所以专门设计可移动支架9，由高强度槽钢制成，底部装钢制万向轮，方便随时移动，主体通过两侧的旋转轴8架装在支架9上，装好后装置整体可以绕轴翻转，方便装置上下端盖的拆装。支架上有旋转轴锁定装置7，可将装置定位于某一位置。

参照图2图3，液压囊为橡胶材质，外观呈四方方体，分为两种：端面液压囊10和侧面液压囊13。端面液压囊10为扁平的正方形，侧面液压囊13为扁平的长方形。两种液压囊除外观和尺寸不同外，结构完全相同，在两个扁平面中心位置连接着一个测试通道11，形成该通道的管壁与液压囊外层壳体连为一体，将测试通道11和液压囊内的液体隔开。在一侧扁平面的下半部的中心上装有液压接头12，用来连接液压源，为液压囊提供压力。

参照图4，应变指示杆21是用来显示岩心受压后变形量的装置，包括测试杆14和档片15两部分。金属材质的测试杆14直径略小于液压囊10、13和主体1以及端盖20、22上的测试孔5的通径，测试杆的一头有一个圆形挡片15，直径大于液压囊上的测试通道11的直径，使用时挡片15紧贴在岩心23的面上，岩心23的变形量就可以通过测试杆14的顶端检测出来。

胶套17、18是用来辅助进行渗流试验用的，它是一个方形的橡胶筒，两端开口，筒的轴线为渗流的方向。内孔尺寸与岩心的外形尺寸一致。分为垂向渗流胶套17和水平渗流胶套18两种。

参照图8-13，上下端盖20、22薄圆柱形，周边有通孔，数量、大小与主体上的螺纹孔相对应，用来穿过连接螺栓19将端盖20、22连到主体1上。在端盖20、22的中心开有方形凹槽，用来放置端面液压囊13，凹槽的深度与液压囊的厚度一致。凹槽的底面上开有两个通孔，一个位于底面中心位置，为测试孔5，一个位于测试孔一侧半个液压囊的中心位置，为液压囊的液压接头孔6。

渗流堵头也是用来辅助进行渗流试验用的，由渗流板29和液流管24组成，渗流板29是一个方形的金属板，贴近岩心的一面上加工有相互连通的导流槽31，中心处有液流孔30，液流孔31联通液流管24，液流管24垂直装在渗流板29另一面，其外径略小于液压囊10、13和主体1以及端盖20、22上的测试孔5的通径，使用时液流管24从测试孔5穿出，连入渗流流程。液体可以从液流管24进来，然后通过导流槽31分散到岩心23的试验端面上，然后在压力作用下进入岩心23；也可以从岩心23端面上进入导流槽31，然后再汇流到液流管24流出。渗流堵头分为垂向渗流堵头25和水平渗流堵头28两种。

光纤进出管32是用来辅助进行井壁坍塌试验的，为一圆形金属管16，外径略小于液压囊10、13和主体1以及端盖20、22上的测试孔5的通径，在管的一头有圆形挡片15，用来保证其在试验中位置固定。光纤进出管32的内孔与岩心上的模拟井筒27联通，可以通过它将光纤探头放入岩心23上的模拟井筒27中，再通过相关设备即可观察模拟井筒27内的试验情况。

再结合具体使用例说明所述发明的使用方法。

参照图8，利用所述发明可以进行真三轴应力应变试验，步骤如下：

1、将下端盖22与主体1用螺栓19连接在一起，装入四个侧面液压囊10和一个端面液压囊13，液压囊10、13上的液压接头12要穿过主体1和端盖22上的液压接头孔6，再在每个液压囊的测试通道11内放入应变指示杆21，并让档片15贴紧液压囊，测试杆14穿出主体1上的测试孔5。

2、将尺寸合适的岩心23放入液压囊包围形成的空间内，按照步骤1的方法装好上端盖20，此时岩心23的六个面均与液压囊以及应变指示杆21接触。

3、将每个轴向上两个相对的液压囊的液压接头12连通并接到同一个液压源上，三个轴向三个独立的液压源分别控制，从而实现真三轴。

4、三个轴向分别按照实验设计加压，同时通过测试杆14检测每个压力下的应变情况，即可完成真三轴应力应变试验。

参照图9，利用所述发明可以进行真三轴应力状况下的压裂模拟试验，步骤如下：

1、将下端盖22与主体1用螺栓19连接在一起，装入四个侧面液压囊10和一个端面液压囊13，液压囊10、13上的液压接头12要穿过主体1和端盖22上的液压接头孔6，放入垂向渗流胶套17，在垂向渗流胶套17内底面放入垂向渗流堵头25，侧面放入四个水平渗流堵头28，四个水平渗流堵头28高度上一致，宽度上两个宽两个窄，两个宽的宽度与垂向渗流胶套17内孔宽度一致，两个窄的装在另一轴向上并能放在两个宽的之间。将每个渗流堵头上的液流管24通过每个液压囊的测试通道11和主体上1的测试孔5引出。

2、将尺寸合适且中间带有模拟井筒27的岩心23放入渗流板29包围形成的空间内，模拟井筒27开口朝上，岩心23上端面再放上中间开孔的橡胶垫26，按照步骤1的方法装好上端盖20和端面液压囊13，此时岩心23除上端面与橡胶垫26接触外，其余五个面均与渗流板29接触。

3、将每个轴向上两个相对的液压囊的液压接头12连通并接到同一个液压源上，三个轴向三个独立的液压源分别控制。

4、三个轴向分别按照实验设计加压，如有必要可以通过液流管24检测每个压力下的应变情况。

5、将上端盖20上的液流管24连接到液压泵，向模拟井筒27内注入压裂液对岩心实施模拟压裂试验。

参照图11，利用所述发明可以进行井壁坍塌模拟试验，步骤如下：

1、将下端盖22与主体1用螺栓19连接在一起，装入四个液压囊10和一个端面液压囊13，液压囊10、13上的液压接头12要穿过主体1和端盖22上的液压接头孔6，再在每个液压囊的测试通道11内放入应变指示杆21，并让档片15贴紧液压囊，测试杆14穿出主体1上的测试孔5。

2、将尺寸合适且中间带有模拟井筒27的岩心23放入液压囊包围形成的空间内，模拟井筒27开口朝上，在上端盖20内装好端面液压囊13，在其测试通道11内放入光纤进出管32，并让档片15贴紧液压囊，管端穿出主体1上的测试孔5。再将上端盖20用螺栓19连到主体1上，此时岩心23的模拟井筒27和光纤探头孔16连通。

3、将每个轴向上两个相对的液压囊的液压接头12连通并接到同一个液压源上，三个轴向三个独立的液压源分别控制，从而实现真三轴。

4、三个轴向分别按照实验设计加压，同时通过测试杆14以及光纤进出管32检测每个压力下的应变情况，并可以通过光纤进出管32放入光纤探头，观察甚至摄录模拟井筒27的井壁在应力作用下的变化情况。即可完成井壁坍塌模拟试验。

参照图12，利用所述发明可以进行真三轴应力状况下的垂向渗流模拟试验，步骤如下：

1、将下端盖22与主体1用螺栓19连接在一起，装入四个侧面液压囊10和一个端面液压囊13，液压囊10、13上的液压接头12要穿过主体1和端盖22上的液压接头孔6，再在四个侧面液压囊10的测试通道11内放入应变指示杆21，并让档片15贴紧液压囊，测试杆14穿出主体1上的测试孔5。放入垂向渗流胶套17，在垂向渗流胶套17内底面放入垂向渗流堵头25，将每个渗流堵头上的液流管24通过每个液压囊的测试通道11和主体上1的测试孔5引出。

2、将尺寸合适的岩心23放入垂向渗流胶套17内，按照步骤1的方法装好上端盖20和端面液压囊13和垂向渗流堵头25，再将上端盖20用螺栓19连到主体1上，此时岩心23除上下端面与渗流板29接触外，其余四个面被垂向渗流胶套17密封。

3、将每个轴向上两个相对的液压囊的液压接头12连通并接到同一个液压源上，三个轴向三个独立的液压源分别控制。

4、三个轴向分别按照实验设计加压，如有必要可以通过液流管24检测每个压力下的应变情况。

5、将上端盖20上的液流管24连接到液压泵，向岩心23注入流体实施模拟渗流试验。

参照图13，利用所述发明可以进行真三轴应力状况下的水平渗流模拟试验，步骤参照垂向渗流模拟试验步骤，只是方向不同。

Claims (1)

1.一种多功能三轴岩心夹持装置，主要由主体、上端盖、下端盖、液压囊、渗流胶套、渗流堵头、应变指示杆、光纤进出管和支架组成，其特征是：液压囊用橡胶材料制作，呈六面体形，中部为空心，分为端面液压囊和侧面液压囊，端面液压囊设为正方体，侧面液压囊设为长方体，两种液压囊除外观和尺寸不同外，结构完全相同，在液压囊两个扁平面中心位置连接着一个测试通道，形成该测试通道的管壁与液压囊外层壳体连为一体，将测试通道和液压囊内的液体隔开，主体为金属材质圆柱体，中间沿轴向开有通孔，通孔的横截面整体呈十字形，在空间上形成四个相对的凹槽，用来放置侧面液压囊，每个凹槽放置一个侧面液压囊，凹槽的深度与侧面液压囊的厚度一致，在凹槽的底面上开有两个通孔，一个位于底面中心位置，为测试孔，一个位于下半部的中心位置，为侧面液压囊的液压接头孔，测试孔内设有穿过侧面液压囊中部所设的测试通道的应变指示杆，液压接头孔内设有液压接头；在主体的上端和下端设有上端盖和下端盖，在主体上端、下端和上端盖、下端盖上设有螺栓孔，相互之间螺栓连接；在上端盖和下端盖的中心对称设有方形凹槽，凹槽内设有与凹槽端面相平的端面液压囊，在凹槽底面中心和中心到槽边的中部垂直向上开有两个通孔，位于中心的为测试孔，孔内设有穿过端面液压囊中部所设的测试通道的应变指示杆，另一个为端面液压囊接头孔，孔内设有液压接头；在主体和上端盖、下端盖上液压囊围成的空间内设有岩心，主体通过转轴安装在支架上；其中，渗流胶套是一个方形的橡胶筒，两端开口，筒的轴线为渗流的方向，内孔尺寸与岩心的外形尺寸一致，分为垂向渗流胶套和水平渗流胶套两种；渗流堵头由渗流板和液流管组成，渗流板是一个方形的金属板，贴近岩心的一面上加工有相互连通的导流槽，中心处有液流孔，液流孔联通液流管，液流管垂直装在渗流板另一面，其外径略小于液压囊和主体以及端盖上的测试孔的通径；应变指示杆包括测试杆和圆形挡片两部分，测试杆为金属材质，该测试杆直径略小于液压囊和主体以及端盖上的测试孔的通径，该测试杆在一头有一个圆形挡片，直径大于液压囊上的测试通道；光纤进出管为一圆形金属管，外径略小于液压囊和主体以及端盖上的测试孔的通径，在管的一头有圆形挡片。

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