CN103487326B - 多周期交变应力盖层模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种多周期交变应力盖层模拟实验装置。主要目的在于提供一种可在实验内用来研究气体突破岩样的装置。其特征在于：此装置由气瓶、空气压缩机、气体增压泵、数据采集系统、液体注入泵、调压阀、气体贮罐、应变检测仪、岩心夹持器、恒温箱、环压跟踪泵、压力加载设备、气泡检测仪、锥形瓶、电子天平以及真空泵通过管路连接后组成；压力加载设备通过岩心夹持器上的轴向压力入口端给岩心夹持器施加轴压以模拟地层压力；岩心夹持器位于恒温箱内，岩心的四周固定应变片；气泡检测仪内有可与对射式光纤传感器相配合的光纤接收器。本实验装置可精确记录盖层突破压力，有助于完成地下储气库多周期交变应力盖层密封性评价。

Description

多周期交变应力盖层模拟实验装置

技术领域

 本发明涉及一种应用于地球物理勘探领域中可完成多周期交变应力盖层模拟实验的装置。

背景技术

我国地下储气库建设技术的研究现状可概括为：国内枯竭气藏建库技术基本成熟；枯竭油藏建库技术尚在摸索之中；盐穴储气库技术取得了长足的进步；含水层构造储气库的研究才刚刚起步；地下储气库的天然气注采性能是衡量储气库效能的重要指标，也是影响储气库稳定性的重要因素，而进行多周期交变应力盖层模拟实验则可研究地层覆压与盖层岩样线性弹性变形的关系，从而研究盖层应力随地层覆压的变化特征，为储库研究提供有益资料。但现有技术中尚缺乏这一实验装置。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种多周期交变应力盖层模拟实验装置，该种装置一方面采用应变检测技术，可以研究地层覆压与盖层岩样线性弹性变形的关系，从而研究盖层应力随地层覆压的变化特征，另一方面采用先进的光纤传感器技术，来检测盖层突破压力，可实时实现精确记录盖层突破压力。

本发明的技术方案是：该种多周期交变应力盖层模拟实验装置，由气瓶、空气压缩机、气体增压泵、数据采集系统、液体注入泵、调压阀、气体贮罐、应变检测仪、岩心夹持器、恒温箱、环压跟踪泵、压力加载设备、气泡检测仪、锥形瓶、电子天平以及真空泵通过管路连接后组成；其中，数据采集系统为内置有计算机程序的计算机数据采集系统，数据采集系统用于对模拟实验装置中的压力、温度、应变量、突破时间及突破压力数据进行采集。

所述气瓶的气体出口与气体增压泵的气体入口之间通过管路连接；所述气体增压泵的控制气源入口与空气压缩机的出口之间通过软管连接，此外，所述气体增压泵出口与气体贮罐入口之间的连接管路上安装有上压力表；所述气体贮罐上安装有安全阀、压力传感器，气体贮罐出口的管路上安装有调压阀；液体注入泵的出口与气体贮罐出口的管路通过一个三通管并联在管路上，并联后的三通出口连接至岩心夹持器的入口管线上，此外，在岩心夹持器的入口管线上还安装有入口检测压力传感器以及安全阀；压力加载设备通过岩心夹持器上的轴向压力入口端给岩心夹持器施加轴压以模拟地层压力；岩心夹持器位于所述恒温箱内，以提供模拟的地层温度。

在岩心夹持器内岩心的四周固定应变片，所述应变片的信号输出端经由信号电缆穿出岩心夹持器的密封端以及恒温箱后连接至采用多通道形式的应变检测仪的检测信号输入端。

岩心夹持器由玻璃管小堵头、上堵头、具有玻璃管的对射式光纤传感器、上压帽、锥度套、透气板、胶皮套、筒体、下堵头、中间压帽、支撑环、支架、下压帽、活塞以及小压帽连接后构成。其中, 玻璃管小堵头的上段、四氟垫、玻璃管以及玻璃管小堵头的下段依次固定于上堵头的中空腔内，四氟垫固定在玻璃管与玻璃管小堵头的上段之间，在玻璃管外套有玻璃管护套，贯穿所述玻璃管小堵头的上段、四氟垫、玻璃管以及所述玻璃管小堵头的下段有一根中央通道；

上堵头穿入上压帽的中央部位后固定，对射式光纤传感器的两端穿出上压帽，玻璃管位于岩心夹持器内透气板的上方；气泡检测仪内有可与对射式光纤传感器相配合的光纤接收器，以接收对射式光纤传感器输出的信号；

筒体为中空的管式结构,其上下两端分别与上压帽的下腔和支撑环的上腔之间相连接；胶皮套的上、下端分别具有向外扩张的喇叭口，胶皮套的中间段为直管段，上堵头的底端和下堵头的顶端分别位于所述直管段的上、下端，在上堵头的底端之下和下堵头的顶端之上分别固定一块透气板。

在上压帽的下腔内和支撑环的上腔内，分别固定有一个锥度套；其中，在上压帽的下腔内的锥度套固定在筒体的上端内壁和上堵头下端的外壁之间，所述锥度套的底端卡入胶皮套上端的喇叭口内；在支撑环的上腔内的锥度套固定在筒体的下端内壁和中间压帽的上端外壁之间，所述锥度套的底端卡入胶皮套下端的喇叭口内，中间压帽环绕下堵头的外壁。

下压帽的中央开有孔供支撑环插入，支架固定在所述下压帽中央开孔的外缘上，在支架上开有若干垂向和水平向的螺栓孔，支撑环的中段开有若干与所述水平向的螺栓孔相配合的开有内螺纹的具有相同中心轴线和直径的螺钉孔，紧固螺钉穿过所述螺栓孔和螺钉孔将支撑环固定在支架上。

活塞固定在支撑环的下腔内，小压帽位于活塞的内壁和下堵头的外壁之间。

胶皮套的外壁与筒体的内壁之间形成一个环形腔体，筒体上开有环压加载口，所述环形腔体与环压加载口相连通，环压跟踪泵的输出端连接至环压加载口，以实现对岩心夹持器内部的岩心施加环压，并实时压力跟踪。

岩心夹持器的出口端用管线连接到锥形瓶，锥形瓶用于盛放被驱替出的饱和介质；电子天平位于锥形瓶的下方用于计量所述饱和介质的重量；真空泵并联于岩心夹持器的出口端，用于给管路中抽真空，以及用于岩心夹持器内盖层模型的抽空饱和。

数据采集系统的若干个数据采集端分别连接至压力传感器的信号输出端、所述入口检测压力传感器的信号输出端、所述恒温箱的温度数据输出端、压力加载设备的压力数据输出端、应变检测仪的检测数据输出端、电子天平以及气泡检测仪的检测数据输出端，以实现对本模拟实验装置中的压力、温度、应变量、突破时间及突破压力数据的采集。

本发明具有如下有益效果：首先，本发明采用应变检测技术；可通过地层覆压压力施载力的不同使盖层发生线性弹性变形，研究地层覆压与盖层岩样线性弹性变形的关系，从而研究盖层应力随地层覆压的变化特征；其次，采用先进的光纤传感器技术，来检测盖层突破压力，并可实时实现精确地记录盖层突破压力，可在第一时间检测到气泡，并反馈到数据采集系统；再次，采用环压跟踪泵可随时跟踪环压压力，只需设定额定压力，该泵便可自动减增；此外，装置中的压力加载设备可以为采用大型压力机的压力加载泵，例如采用高压柱塞泵，亦可自动跟踪压力；而且，本装置配有真空泵以及液体注入泵，可直接在管路中将岩心样品饱和，使实验变得更快捷。具体实施时，可以采用三种不同的岩心夹持器，分别为φ25、φ100、φ200，用于从事不同盖层的实验。

附图说明：

图1是本发明的组成结构示意图。

图2是是本发明中所述岩心夹持器的结构剖视图。

图中1-气瓶，2-空气压缩机，3-气体增压泵，4-压力表，5-数据采集系统，6-液体注入泵，7-调压阀，8-气体贮罐，9-安全阀，10-压力传感器，11-应变检测仪，12-岩心夹持器，13-环压跟踪泵，14-压力加载设备，15-气泡检测仪，16-锥形瓶，17-电子天平，18-真空泵，19-玻璃管小堵头，20-上堵头，21-四氟垫，22-玻璃管护套，23-玻璃管，24-对射式光纤传感器，25-上压帽，26-锥度套，27-透气板，28-胶皮套，29-筒体，30-环压加载口，31-岩心，32-下堵头，33-中间压帽，34-支撑环，35-支架，36-下压帽，37-活塞，38-小压帽。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1所示，该种多周期交变应力盖层模拟实验装置，由气瓶1、空气压缩机2、气体增压泵3、数据采集系统5、液体注入泵6、调压阀7、气体贮罐8、应变检测仪11、岩心夹持器12、恒温箱、环压跟踪泵13、压力加载设备14、气泡检测仪15、锥形瓶16、电子天平17以及真空泵18通过管路连接后组成。其中，数据采集系统5为内置有计算机程序的计算机数据采集系统，数据采集系统5用于对模拟实验装置中的压力、温度、应变量、突破时间及突破压力数据进行采集。

具体连接关系如下：所述气瓶1的气体出口与气体增压泵3的气体入口之间通过管路连接；所述气体增压泵3的控制气源入口与空气压缩机2的出口之间通过软管连接，此外，所述气体增压泵3出口与气体贮罐8入口之间的连接管路上安装有上压力表4；所述气体贮罐8上安装有安全阀9、压力传感器10，气体贮罐8出口的管路上安装有调压阀7；液体注入泵6的出口与气体贮罐8出口的管路通过一个三通管并联在管路上，并联后的三通出口连接至岩心夹持器12的入口管线上，此外，在岩心夹持器12的入口管线上还安装有入口检测压力传感器以及安全阀；压力加载设备14通过岩心夹持器12上的轴向压力入口端给岩心夹持器施加轴压以模拟地层压力；岩心夹持器12位于所述恒温箱内，以提供模拟的地层温度。

在岩心夹持器12内岩心的四周固定应变片，所述应变片的信号输出端经由信号电缆穿出岩心夹持器12的密封端以及恒温箱后连接至采用多通道形式的应变检测仪11的检测信号输入端。

岩心夹持器12的具体结构如图2所示，由玻璃管小堵头19、上堵头20、具有玻璃管23的对射式光纤传感器24、上压帽25、锥度套26、透气板27、胶皮套28、筒体29、下堵头32、中间压帽33、支撑环34、支架35、下压帽36、活塞37以及小压帽38连接后构成。其中, 玻璃管小堵头19的上段、四氟垫21、玻璃管23以及玻璃管小堵头19的下段依次固定于上堵头20的中空腔内，四氟垫21固定在玻璃管23与玻璃管小堵头19的上段之间，在玻璃管23外套有玻璃管护套22，贯穿所述玻璃管小堵头的上段、四氟垫21、玻璃管23以及所述玻璃管小堵头的下段有一根中央通道；

上堵头20穿入上压帽25的中央部位后固定，对射式光纤传感器24的两端穿出上压帽25，玻璃管23位于岩心夹持器12内透气板27的上方；气泡检测仪15内有可与对射式光纤传感器24相配合的光纤接收器，以接收对射式光纤传感器24输出的信号；

筒体29为中空的管式结构,其上下两端分别与上压帽25的下腔和支撑环34的上腔之间通过螺纹相连接；胶皮套28的上、下端分别具有向外扩张的喇叭口，胶皮套28的中间段为直管段，上堵头20的底端和下堵头32的顶端分别位于所述直管段的上、下端，在上堵头20的底端之下和下堵头32的顶端之上分别固定一块透气板27；

在上压帽25的下腔内和支撑环34的上腔内，分别固定有一个锥度套26；其中，在上压帽25的下腔内的锥度套固定在筒体29的上端内壁和上堵头20下端的外壁之间，所述锥度套的底端卡入胶皮套28上端的喇叭口内；在支撑环34的上腔内的锥度套固定在筒体29的下端内壁和中间压帽33的上端外壁之间，所述锥度套的底端卡入胶皮套28下端的喇叭口内，中间压帽33环绕下堵头32的外壁；

下压帽36的中央开有孔供支撑环34插入，支架35固定在所述下压帽36中央开孔的外缘上，在支架35上开有若干垂向和水平向的螺栓孔，支撑环34的中段开有若干与所述水平向的螺栓孔相配合的开有内螺纹的具有相同中心轴线和直径的螺钉孔，紧固螺钉穿过所述螺栓孔和螺钉孔将支撑环34固定在支架35上；

活塞37固定在支撑环34的下腔内，小压帽38位于活塞37的内壁和下堵头32的外壁之间；

胶皮套28的外壁与筒体29的内壁之间形成一个环形腔体，筒体29上开有环压加载口30，所述环形腔体与环压加载口30相连通，环压跟踪泵13的输出端连接至环压加载口30，以实现对岩心夹持器内部的岩心施加环压，并实时压力跟踪。

岩心夹持器12的出口端用管线连接到锥形瓶16，锥形瓶16用于盛放被驱替出的饱和介质。电子天平17位于锥形瓶16的下方用于计量所述饱和介质的重量；真空泵18并联于岩心夹持器12的出口端，用于给管路中抽真空，以及用于岩心夹持器内盖层模型的抽空饱和。数据采集系统5的若干个数据采集端分别连接至压力传感器10的信号输出端、所述入口检测压力传感器的信号输出端、所述恒温箱的温度数据输出端、压力加载设备14的压力数据输出端、应变检测仪11的检测数据输出端、电子天平17以及气泡检测仪15的检测数据输出端，以实现对本模拟实验装置中的压力、温度、应变量、突破时间及突破压力数据的采集。

使用时，装置可手动亦可自动控制，管路中可采用气动阀，可通过软件自动控制。利用本种多周期交变应力盖层模拟实验装置，主要用来研究气体突破岩样，可模拟地层条件下，开展盖层、温度、压力等单因素盖层物理模拟实验，进行气体的突破岩样的最大压力试验，研究盖层不同条件下的封闭能力以及突破压力对储层的损害机理。具体实施时，岩心夹持器可拆卸部件均采用钛合金材料制成，其具有重量轻，强度大等优点；可相应的减小整体的体积、重量。 其夹持器规格有：φ25×（50-100）mm、φ100×（100-200）mm、φ200×（150-200）mm；用于模拟不同盖层的突破压力、突破时间。应用本装置后，更换不同的岩心夹持器模型，即可实验不同的岩石样品的实验(φ25、φ100、φ200)，测得不同盖层的突破压力。亦可从事盖层应力敏感性评价实验，即保持恒定围压，降低内压进行测试，研究盖层应力随地层覆压的变化特征。

Claims (1)

1.一种多周期交变应力盖层模拟实验装置，由气瓶（1）、空气压缩机（2）、气体增压泵（3）、数据采集系统（5）、液体注入泵（6）、调压阀（7）、气体贮罐(8)、应变检测仪（11）、岩心夹持器（12）、恒温箱、环压跟踪泵（13）、压力加载设备（14）、气泡检测仪（15）、锥形瓶（16）、电子天平（17）以及真空泵（18）通过管路连接后组成；其中，数据采集系统（5）为内置有计算机程序的计算机数据采集系统，数据采集系统（5）用于对模拟实验装置中的压力、温度、应变量、突破时间及突破压力数据进行采集；

所述气瓶（1）的气体出口与气体增压泵（3）的气体入口之间通过管路连接；所述气体增压泵（3）的控制气源入口与空气压缩机（2）的出口之间通过软管连接，此外，所述气体增压泵（3）出口与气体贮罐（8）入口之间的连接管路上安装有上压力表（4）；所述气体贮罐（8）上安装有安全阀（9）、压力传感器（10），气体贮罐（8）出口的管路上安装有调压阀（7）；液体注入泵（6）的出口与气体贮罐（8）出口的管路通过一个三通管并联在管路上，并联后的三通出口连接至岩心夹持器（12）的入口管线上，此外，在岩心夹持器（12）的入口管线上还安装有入口检测压力传感器以及安全阀；压力加载设备（14）通过岩心夹持器（12）上的轴向压力入口端给岩心夹持器施加轴压以模拟地层压力；岩心夹持器（12）位于所述恒温箱内，以提供模拟的地层温度；

在岩心夹持器（12）内岩心的四周固定应变片，所述应变片的信号输出端经由信号电缆穿出岩心夹持器（12）的密封端以及恒温箱后连接至采用多通道形式的应变检测仪（11）的检测信号输入端；

岩心夹持器（12）由玻璃管小堵头（19）、上堵头（20）、具有玻璃管（23）的对射式光纤传感器（24）、上压帽（25）、锥度套（26）、透气板（27）、胶皮套（28）、筒体（29）、下堵头（32）、中间压帽（33）、支撑环（34）、支架（35）、下压帽（36）、活塞（37）以及小压帽（38）连接后构成；

其中, 玻璃管小堵头（19）的上段、四氟垫（21）、玻璃管（23）以及玻璃管小堵头（19）的下段依次固定于上堵头（20）的中空腔内，四氟垫（21）固定在玻璃管（23）与玻璃管小堵头（19）的上段之间，在玻璃管（23）外套有玻璃管护套（22），贯穿所述玻璃管小堵头的上段、四氟垫（21）、玻璃管（23）以及所述玻璃管小堵头的下段有一根中央通道；

上堵头（20）穿入上压帽（25）的中央部位后固定，对射式光纤传感器（24）的两端穿出上压帽（25），玻璃管（23）位于岩心夹持器（12）内透气板（27）的上方；气泡检测仪（15）内有可与对射式光纤传感器（24）相配合的光纤接收器，以接收对射式光纤传感器（24）输出的信号；

筒体（29）为中空的管式结构,其上下两端分别与上压帽（25）的下腔和支撑环（34）的上腔之间相连接；胶皮套（28）的上、下端分别具有向外扩张的喇叭口，胶皮套（28）的中间段为直管段，上堵头（20）的底端和下堵头（32）的顶端分别位于所述直管段的上、下端，在上堵头（20）的底端之下和下堵头（32）的顶端之上分别固定一块透气板（27）；

在上压帽（25）的下腔内和支撑环（34）的上腔内，分别固定有一个锥度套（26）；其中，在上压帽（25）的下腔内的锥度套固定在筒体（29）的上端内壁和上堵头（20）下端的外壁之间，所述锥度套的底端卡入胶皮套（28）上端的喇叭口内；在支撑环（34）的上腔内的锥度套固定在筒体（29）的下端内壁和中间压帽（33）的上端外壁之间，所述锥度套的底端卡入胶皮套（28）下端的喇叭口内，中间压帽（33）环绕下堵头（32）的外壁；

下压帽（36）的中央开有孔供支撑环（34）插入，支架（35）固定在所述下压帽（36）中央开孔的外缘上，在支架（35）上开有若干垂向和水平向的螺栓孔，支撑环（34）的中段开有若干与所述水平向的螺栓孔相配合的开有内螺纹的具有相同中心轴线和直径的螺钉孔，紧固螺钉穿过所述螺栓孔和螺钉孔将支撑环（34）固定在支架（35）上；

活塞（37）固定在支撑环（34）的下腔内，小压帽（38）位于活塞（37）的内壁和下堵头（32）的外壁之间；

胶皮套（28）的外壁与筒体（29）的内壁之间形成一个环形腔体，筒体（29）上开有环压加载口（30），所述环形腔体与环压加载口（30）相连通，环压跟踪泵（13）的输出端连接至环压加载口（30），以实现对岩心夹持器内部的岩心施加环压，并实时压力跟踪；

岩心夹持器（12）的出口端用管线连接到锥形瓶（16），锥形瓶（16）用于盛放被驱替出的饱和介质；

电子天平（17）位于锥形瓶（16）的下方用于计量所述饱和介质的重量；

真空泵（18）并联于岩心夹持器（12）的出口端，用于给管路中抽真空，以及用于岩心夹持器内盖层模型的抽空饱和；

数据采集系统（5）的若干个数据采集端分别连接至压力传感器（10）的信号输出端、所述入口检测压力传感器的信号输出端、所述恒温箱的温度数据输出端、压力加载设备（14）的压力数据输出端、应变检测仪（11）的检测数据输出端、电子天平（17）以及气泡检测仪（15）的检测数据输出端，以实现对本模拟实验装置中的压力、温度、应变量、突破时间及突破压力数据的采集。