CN103969283A - 热采工况下岩心性质的测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种热采工况下岩心性质的测试装置，包括腔体、环压机构、轴压机构、孔压机构、温控机构与测量机构；所述环压机构与所述轴压机构置于所述腔体的空腔内，共同密封岩心样品；所述环压机构作用于岩心样本外周，向围在其中的岩心样品施加指向其中心轴的压力；所述轴压机构作用于岩心样品的两端；所述孔压机构作用于岩心样品上；所述温控机构设置在所述腔体上，向岩心样品提供热量，并维护所述腔体的温度；所述测量机构，测量在所述环压机构、所述轴压机构、所述孔压机构任意一种或其组合及所述温控机构共同作用下岩心样品热学性能。本装置可在实验室真实模拟热采工况并测试热采工况下岩心的物理性能变化过程，为井下热采施工依据。

Description

热采工况下岩心性质的测试装置

技术领域

本发明涉及石油勘探领域，特别涉及一种在实验室内模拟地层工况的测试岩心性质的装置。

背景技术

一般而言，原油采收大多是利用热采方法从稠油、油砂、沥青和油页岩中开采大量液态能源。为了能够长期有效开采能源，需要对岩心在热采工况下的各项热学性质有深入的了解并对其进行准确测量。现有的测试装置很难准确地模拟地层工况并准确测试岩心的热学性质。

分棒法是常用的测量热导率的标准方法，但是待测样品的准备、切割、修整和抛光比较耗时。另一种是瞬态法测试，常采用热线源法，将一根带加热元件和温度传感器的细探针放到样品上，这是一种表征热导率方向依赖性的简便方法。还有一种光学扫描法，提供了一种快速、非接触式的样品热学性质测试方法。通过远程传感，不破坏样品，能够方便重复测量不同尺寸样品。

以上方法均只能在常规实验室条件，即常规环境温度和大气压力下，测量岩心的热学性质。在实际的热采过程中，注入储层蒸汽或者多元热流体温度高达250℃，地层压力50MPa，要准确测试并评价该工况下的岩心热学性质，存在一定的难度。

发明内容

为解决在实际工况中较难准确测试岩心性质，实验室测试条件过于常规的问题，本发明提出一种热采工况下岩心性质的测试装置来模拟测试。

一种热采工况下岩心性质的测试装置，包括腔体、环压机构、轴压机构、孔压机构、温控机构与测量机构；

所述环压机构与所述轴压机构置于所述腔体的空腔内，共同密封岩心样品；

所述环压机构作用于岩心样本外周，向围在其中的岩心样品施加指向其中心轴的压力；

所述轴压机构作用于岩心样品的两端，向岩心样品施加沿其中心轴的压力；

所述孔压机构作用于岩心样品上，向岩心样品注入模拟地层流体的液体；

所述温控机构设置在所述腔体上，向岩心样品提供热量，并维护所述腔体的温度；

所述测量机构，测量在所述环压机构、所述轴压机构、所述孔压机构任意一种或其组合及所述温控机构共同作用下岩心样品热学性能。

进一步地，所述腔体的空腔的内壁的中部设置环形凸台；

所述轴压机构包括轴压注入孔、柱塞、第一端盖、第一顶头与第二顶头；所述第一端盖密封所述空腔，所述第一顶头与所述第二顶头贴合在岩心样品的两端，所述第一顶头的位置固定；

所述柱塞安装在所述环形凸台中，所述柱塞的一端作用于所述第二顶头上；所述柱塞与所述环形凸台将所述腔体分隔成第一空腔与第二空腔，所述环压机构置于所述第一空腔内；

所述轴压注入孔设置在所述第二空腔的壁上，流体通过所述轴压注入孔注入，储存在所述第二空腔中，流体压力作用于所述柱塞，所述柱塞在所述环形凸台内滑移。

进一步地，所述环压机构包括环压注入孔、带孔套与环压筒；

所述环压筒围在岩心样品的周围，所述带孔套套装在所述环压筒上，所述带孔套的壁上分布通孔；所述腔体的空腔的内壁与所述带孔套之间有预设距离；

所述环压注入孔设置在所述第一空腔的壁上，流体通过所述环压注入孔注入，储存在所述第一空腔中，通过所述带孔套上的通孔，流体作用于所述环压筒的外壁。

进一步地，所述轴压机构还包括第二端盖；

所述腔体的空腔贯通整个所述腔体，所述第一端盖与所述第二端盖分别固定在所述腔体的两端；

所述腔体、所述第一端盖、所述环形凸台与所述柱塞围成第一空腔，所述腔体、所述第二端盖、所述环形凸台与所述柱塞围成第二空腔。

进一步地，所述孔压机构包括孔压注入管；

所述孔压注入管连通到岩心样品，为岩心样品注入液体。

进一步地，所述第一端盖与所述第一顶头上分别设置第一穿孔与第二穿孔；

所述孔压注入管穿过所述第一穿孔与所述第二穿孔，连通到岩心样品。

进一步地，还包括密封塞；

所述密封塞套装在所述空压注入管与所述第一穿孔与所述第二穿孔接触面处，保证岩心样品的密封。

进一步地，所述轴压机构还包括第一绝热盘与第二绝热盘；

所述第一绝热盘覆盖在所述第一顶头上，所述第二绝热盘覆盖在所述第二顶头上，所述柱塞抵靠在所述第二绝热盘上。

进一步地，所述第一端盖与所述第一顶头上分别设置第一穿孔与第二穿孔，所述第一绝热盘上设置第三穿孔；

所述孔压注入管穿过所述第一穿孔、所述第三穿孔与所述第二穿孔，连通到岩心样品。

进一步地，所述温控机构包括加热器与绝热屏；

所述加热器安装在所述带孔套上，所述绝热屏设置在所述第一空腔的内壁上。

进一步地，所述温控机构还包括调温器；所述调温器设置在所述腔体的外壁上。

进一步地，所述第一顶头与所述第二顶头贴合岩心样品的面上分别设置螺旋槽。

进一步地，所述测量机构包括测试载体，所述测试载体一端插入岩心样品中，另一端与外部电源连接。

本发明相对于现有技术的有益效果如下：岩心性质的测试装置能够模拟热采过程，注入储层蒸汽或者多元热流体温度250℃及地层压力50MPa等各种复杂的地层条件，测得岩心的热学性质，装置接近实际的模拟条件保证了测试结果的准确性；克服了只能在常规实验室条件，即常规环境温度和大气压力下，测量岩心热学性质的不足。

附图说明

图1为本发明的热采工况下岩心性质的测试装置的剖视示意图。

具体实施方式

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、完整的描述。

请参阅图1所示，其为本发明的岩心性质的测试装置的剖视示意图，一种热采工况下岩心性质的测试装置，包括腔体1、环压机构、轴压机构、孔压机构、温控机构与测量机构。

环压机构与轴压机构置于腔体1的空腔内，共同密封岩心样品21。环压机构向围在其中的岩心样品21施加指向岩心样品21中心轴的压力，轴压机构作用于岩心样品21的两端，形成轴向压力。孔压机构向岩心样品21注入液体，模拟地层流体。

岩心性质测试装置能进行地层工况的模拟，克服了只能在常规实验室条件，即常规环境温度和大气压力下，测量岩心热学性质的不足。

温控机构用于加热岩心样品21，并维护腔体1的温度。

所述测量机构用测量在所述环压机构、所述轴压机构、所述孔压机构任意一种或其组合及所述温控机构共同作用下岩心样品21热学性能。

该装置能够模拟热采过程，注入储层蒸汽、多元热流体温度250℃及地层压力50MPa等各种复杂的地层条件，由测量机构测得岩心的热学性质，装置完备的模拟条件保证了测试结果的准确性。该装置可以独立或同时加载环向、轴向压力及孔隙压力，模拟地层实际压力，最高压力70MPa。通过高温加热功能，实现高温热蒸汽或多元热流体驱替的模拟，最高温度达300℃。

作为一种可实施的方式，轴压机构包括轴压注入孔5、柱塞8、第一端盖18、第一顶头20与第二顶头10。

空腔的内壁的中部设置环形凸台，第一端盖18密封空腔1，此时腔体1为槽形，第一端盖18覆盖在槽形的开口。第一端盖18与第二端盖7分别固定在空腔的两端。第一顶头20与第二顶头10贴合在岩心样品21的两端，第一顶头20的位置固定。

柱塞8安装在环形凸台中，柱塞8的一端作用于第二顶头10上。柱塞8与环形凸台将腔体1分隔成独立的第一空腔A与第二空腔B，环压机构置于第一空腔A内。

轴压注入孔5设置在第二空腔B的壁上，流体通过轴压注入孔5注入，储存在第二空腔B中，流体压力作用于柱塞8，柱塞8在环形凸台内滑移，柱塞8作用于第二顶头10上，模拟形成轴向压力。

将第一液压泵连接轴向注入孔5，通过轴压注入孔5往第二空腔B内注入流体，推动柱塞8，第二顶头10移动，实现对岩心样品21的轴向加载，最高可达70MPa的轴向压力。

作为一种可实施的方式，环压机构包括环压注入孔2、带孔套3与环压筒4。环压筒4围在岩心样品21的周围，带孔套3套装在环压筒4上，带孔套3的壁上分布通孔。腔体1的空腔的内壁与带孔套3之间有预设距离，为模拟工况需要的流体预留储存的空间。

环压注入孔2设置在第一空腔A的壁上，流体通过环压注入孔2注入，储存在第一空腔A中，通过带孔套3上的通孔，流体作用于环压筒4的外壁，模拟形成环形的压力，环形压力的方向指向围在中间的岩心样品21的中心轴。

将第二液压泵连接到环压注入孔2，通过环压注入孔2往第一空腔A内注入流体，并控制压力。本实施例中，第一空腔A为圆柱形，耐压最高可达70MPa。

通过液压驱动，在第一空腔A内独立地同时产生环向压力与轴向压力，能够模拟地层真实压力。通过环压注入孔2与轴向注入孔5，向第一空腔A与第二空腔B内注入蒸汽或多元热流体，压力可以达到70MPa。通过温控机构模拟热采高温环境，最高温度达300℃，完全满足热采过程中的地层真实温度。

较优地，带孔套3上均匀布置直径5mm的通孔。带孔套3的长度与环压筒4相等。带孔套3的材质为钢，可以承受较大压力。

较优地，流体采用氟油，氟油具有卓越的热稳定性、抗氧化性与不燃性，腔体1采用合金或不锈钢制成。岩心性质的测试装置采用耐腐蚀、耐高温且耐高压的密封材料，能承受高温、高压，真实模拟地层内部的复杂工况；且结构简单、操作便利。

作为一种可实施的方式，轴压机构还包括第二端盖7。

腔体1的空腔贯通整个腔体1，第一端盖18与第二端盖7分别固定在腔体1的两端。腔体1、第一端盖18、环形凸台与柱塞8围成第一空腔，腔体1、第二端盖7、环形凸台与柱塞8围成第二空腔B。

本实施例中，岩心样品21为圆柱形，相应地，围在岩心样品21周围的环压筒4与环压筒4外套装的带孔套3均为圆筒形；第一顶头20与第二顶头10的截面为圆形。第一顶头20与第二顶头10置于环压筒4中，将岩心样品21密封在第一顶头20、第二顶头10与环压筒4围成的空间中，第二顶头10在环压筒4内自由滑移，以模拟轴向力。

较优地，柱塞8的截面形状与第二顶头10相同，轴向作用力可均匀分布在第二顶头10上，避免第二顶头10受压过大而损坏，提高其使用寿命。柱塞8的截面形状还可以小于第二顶头10，不可大于第二顶头10，以保证柱塞8可在环压筒4内自由滑移。

作为一种可实施的方式，孔隙压力机构包括孔压注入管11与密封塞12。

孔压注入管11用于为岩心样品21注入液体，从而更真实地模拟地层实际工况。该装置还可以独立加载孔隙压力。本实施例中，孔隙压力机构注入的液体为水在其他实施例中还可为氟油、气体等其他流体。通过孔隙压力机构对岩心样品21施加孔隙压力，岩心样品21的孔隙压力可以达到70MPa。

孔压注入管11连通到岩心样品21，密封塞12套装在空压注入管11上，密封塞12堵住孔压注入管11与岩心样品21之间的缝隙，保证岩心样品21的密封。将第三液压泵连接到孔压注入管11，根据模拟情况的需要，向岩心样品21注入液体。

作为一种可实施的方式，第一端盖18与第一顶头20上分别设置第一穿孔与第二穿孔；孔压注入管11穿过第一穿孔与第二穿孔，连通到岩心样品21。

作为一种可实施的方式，轴压机构还包括第一绝热盘19与第二绝热盘9。

第一绝热盘19覆盖在第一顶头20上，第二绝热盘9覆盖在第二顶头10上，柱塞8抵靠在第二绝热盘9上。

作为一种可实施的方式，第一端盖18与第一顶头20上分别设置第一穿孔与第二穿孔，第一绝热盘19上设置第三穿孔；

孔压注入管11穿过第一穿孔、第三穿孔与第二穿孔，连通到岩心样品21。

较优地，第一绝热盘19的截面形状与第一顶头20相同，第二绝热盘9的截面形状与第二顶头10相同，以达到对岩心样品21最大面积的覆盖，产生最好的绝热效果。

本实施例中，第一绝热盘19通过支架与第一端盖18固定，在模拟测试过程中，柱塞8的轴向加压使第一顶头20抵靠在第一绝热盘19上，第一顶头20的位置也被固定。还可以通过螺栓连接或铆接等方式将第一顶头20与环压筒4固定。还可以将第一绝热盘19与环压筒4固定，第一顶头20抵靠在第一绝热盘19上，进行位置限定。

在以上可实施的方式中，密封塞12置于第一端盖18中。

还可以在环压筒4的壁上设置第四穿孔，孔压注入管11穿过第一穿孔、带孔套3上的任意孔与第四穿孔，连通到岩心样品21。还可以在腔体1上设置第五穿孔，孔压注入管11穿过第五穿孔、带孔套3上的任意孔与第四穿孔，连通到岩心样品21。此时，密封塞12可置于环压筒4中，保证对岩心样品21的密封。

作为一种可实施的方式，温控机构包括加热器13与绝热屏17。

加热器13安装在带孔套3上，通过导线14与外接电源供电，加热器13设定温度值，加热器13对第一空腔内的流体均匀加热，加热后的流体通过带孔套3上的通孔对环压筒4进行油浴，达到间接加热岩心样品21的目的，岩心样品21最高可被加热到300℃。

绝热屏17设置在第一空腔的内壁上，避免加热器13的加热后热量损失。

作为一种可实施的方式，温控机构还包括调温器16，调温器16安装在腔体1的外部，用于调节腔体1的温度，避免温度过高损害腔体1，保护岩心性质的测试装置。同时可降低环境温度对装置的影响。

本实施例中，调温器16为螺旋缠绕在腔体1的外壁上的管道。

作为一种可实施的方式，轴压机构还包括第一螺纹顶丝22与第二螺纹顶丝6。

第一端盖18通过第一螺纹顶丝22固定在腔体1上，第二端盖7通过第二螺纹顶丝6固定在腔体1上。第一端盖18与腔体1之间，第二端盖7与腔体1之间设置至少一个密封圈，以确保第一空腔与第二空腔的流体密封，继而保证对岩心样品21的密封，完备地模拟地层内部环境。

作为一种可实施的方式，测量机构包括测试载体；测试载体置于岩心样品21中。

优选地，测试载体为铂金线15，且铂金线15置于岩心样品21中部。在对岩心施加应力及温度后，通过铂金线15自身的物理性质变化，来间接测量岩心热导率和热扩散率等热学性质且可以以石英晶体为参照进行校准。铂金线15通过信号传输线与测试信息处理终端连接，将岩心样品21的测试信息传输到终端。

作为一种可实施的方式，第一顶头20与第二顶头10贴合岩心样品21的面上分别设置有与第一顶头20和第二顶头10契合的螺旋槽。孔隙压力机构注入液体后，液体通过螺旋槽均匀进入岩心样品21。

作为一种可实施的方式，第一顶头20与第二顶头10的材质为氟材料。

作为一种可实施的方式，环压筒4的材质为橡胶。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。因此，本领域技术人员应当理解，凡在本发明所记载的技术方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求界定的范围内。

Claims (13)

1.一种热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：包括腔体、环压机构、轴压机构、孔压机构、温控机构与测量机构；

所述环压机构与所述轴压机构置于所述腔体的空腔内，共同密封岩心样品；

所述环压机构作用于岩心样本外周，向围在其中的岩心样品施加指向其中心轴的压力；

所述轴压机构作用于岩心样品的两端，向岩心样品施加沿其中心轴的压力；

所述孔压机构作用于岩心样品上，向岩心样品注入模拟地层流体的液体；

所述温控机构设置在所述腔体上，向岩心样品提供热量，并维护所述腔体的温度；

所述测量机构，测量在所述环压机构、所述轴压机构、所述孔压机构任意一种或其组合及所述温控机构共同作用下岩心样品热学性能。

2.根据权利要求1所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述腔体的空腔的内壁的中部设置环形凸台；

所述轴压机构包括轴压注入孔、柱塞、第一端盖、第一顶头与第二顶头；所述第一端盖密封所述空腔，所述第一顶头与所述第二顶头贴合在岩心样品的两端，所述第一顶头的位置固定；

所述柱塞安装在所述环形凸台中，所述柱塞的一端作用于所述第二顶头上；所述柱塞与所述环形凸台将所述腔体分隔成第一空腔与第二空腔，所述环压机构置于所述第一空腔内；

所述轴压注入孔设置在所述第二空腔的壁上，流体通过所述轴压注入孔注入，储存在所述第二空腔中，流体压力作用于所述柱塞，所述柱塞在所述环形凸台内滑移。

3.根据权利要求2所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述环压机构包括环压注入孔、带孔套与环压筒；

所述环压筒围在岩心样品的周围，所述带孔套套装在所述环压筒上，所述带孔套的壁上分布通孔；所述腔体的空腔的内壁与所述带孔套之间有预设距离；

所述环压注入孔设置在所述第一空腔的壁上，流体通过所述环压注入孔注入，储存在所述第一空腔中，通过所述带孔套上的通孔，流体作用于所述环压筒的外壁。

4.根据权利要求2或3所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述轴压机构还包括第二端盖；

所述腔体的空腔贯通整个所述腔体，所述第一端盖与所述第二端盖分别固定在所述腔体的两端；

所述腔体、所述第一端盖、所述环形凸台与所述柱塞围成第一空腔，所述腔体、所述第二端盖、所述环形凸台与所述柱塞围成第二空腔。

5.根据权利要求1所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述孔压机构包括孔压注入管；

所述孔压注入管连通到岩心样品，为岩心样品注入液体。

6.根据权利要求5所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述第一端盖与所述第一顶头上分别设置第一穿孔与第二穿孔；

所述孔压注入管穿过所述第一穿孔与所述第二穿孔，连通到岩心样品。

7.根据权利要求5所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：还包括密封塞；

所述密封塞套装在所述空压注入管与所述第一穿孔与所述第二穿孔接触面处，保证岩心样品的密封。

8.根据权利要求5所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述轴压机构还包括第一绝热盘与第二绝热盘；

所述第一绝热盘覆盖在所述第一顶头上，所述第二绝热盘覆盖在所述第二顶头上，所述柱塞抵靠在所述第二绝热盘上。

9.根据权利要求8所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述第一端盖与所述第一顶头上分别设置第一穿孔与第二穿孔，所述第一绝热盘上设置第三穿孔；

所述孔压注入管穿过所述第一穿孔、所述第三穿孔与所述第二穿孔，连通到岩心样品。

10.根据权利要求3所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述温控机构包括加热器与绝热屏；

所述加热器安装在所述带孔套上，所述绝热屏设置在所述第一空腔的内壁上。

11.根据权利要求3所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述温控机构还包括调温器；所述调温器设置在所述腔体的外壁上。

12.根据权利要求2所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述第一顶头与所述第二顶头贴合岩心样品的面上分别设置螺旋槽。

13.根据权利要求2所述的热采工况下岩心性质的测试装置，其特征在于：所述测量机构包括测试载体，所述测试载体一端插入岩心样品中，另一端与外部电源连接。