CN104723441A - 一种多功能人造岩心制备仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能人造岩心制备仪，至少包括位于恒温箱中的压实模型筒和与压实模型筒连通的高温高压泵，压实模型筒包括腔体A、腔体B、连接块、压杆、压帽A、压帽B和活塞，腔体A和腔体B通过中心处设有通孔的连接块连接，连接块侧面开设有与腔体B连通的进气孔和排气孔，进气孔与空气压缩机连通，压杆穿过连接块的通孔并且两端分别与2个活塞连接，腔体A通过安装于腔体A端部开设有排液孔的压帽A进行密封，腔体B通过安装于腔体B端部开设有进油孔和排油孔的压帽B进行密封；该装置的压实压力可达150MPa，工作温度可达150℃，并可在120～150℃条件下连续工作120h以上，可以模拟地层真实条件下的温压系统。

Description

一种多功能人造岩心制备仪

技术领域

本发明涉及实验研究用人造岩心制作技术领域，具体涉及一种人造岩心制备装置。

背景技术

人造岩心特别是大尺寸人造岩心是储层渗流规律、射孔、酸化压裂评价等研究的基础介质，而岩心压实设备则是进行人造岩心制备所必不可少的设备。

现有人造岩心多使用人造胶类物质高温粘结而成，不能反映真实岩心中多孔隙结构、粘土矿物膨胀、微裂隙等因素对渗流规律的影响。要使人造岩心符合真实岩心的结构特征，需要避免使用人造胶类物质并且模拟地层高温、高压及长压实时间的成岩过程。

目前，现有人造岩心压实设备多采用液压缸驱动活塞杆压实岩心原料，如实用新型专利(CN201220550483)简易人造岩心制备装置，通过液压缸向下施压，作用于岩心柱塞是的岩心柱塞压实岩心原料，该装置结构简单，操作方便，但提供的压实压力小，可制备使用人造胶类物质的人造岩心，但对于不含人造胶类物质、需要高温高压条件的压制的人造岩心，则难以满足使用要求；岩心压制过程中所需的压制温度和压力呈阶梯性变化，现有人造岩心制备装置难以实现变温变压压制，不能用于模拟地层高温、高压、长时间压实的成岩过程。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种温度和压力可控、结构简单、可满足长时间高温高压压制要求的岩心制备装置。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种多功能人造岩心制备仪，至少包括带温度变送器的智控恒温箱、位于智控恒温箱中的压实模型筒、与压实模型筒连通的高温高压泵，所述压实模型筒包括腔体A、腔体B、连接块、压杆、压帽A、压帽B和2个活塞，腔体A和腔体B通过位于二者之间的连接块进行连接，连接块中心处设有通孔，侧面开设有与腔体B连通的进气孔和排气孔，压杆穿过连接块的通孔并且两端分别与2个活塞连接，压帽A安装于腔体A的端部并且密封腔体A，压帽A中沿轴向开设有排液孔，压帽B安装于腔体B的端部并且密封腔体B，压帽B中沿轴向开设有进油孔、排油孔和位移导向通孔，高温高压泵通过带阀门和压力变送器的管道与压实模型筒压帽B的进油孔连通，压帽B的排油孔通过带阀门的管道与量筒连通，压帽A的排液孔通过带阀门和压力变送器的管道与冷凝器和积液瓶顺序连通，连接块侧面的进气孔通过带阀门的管道与空气压缩机连通，连接块侧面的排气孔中设有孔塞，压帽B的位移导向通孔中设有位移导向杆，位移导向杆的一端与腔体B中的活塞连接，另一端与位移传感器连接。

智控恒温箱外设有电脑和与电脑电连接的数据采集器，积液瓶的下方设有电子天平，数据采集器的输入端分别与电子天平、压力变送器、温度变送器和位移传感器电连接，智控恒温箱外设有与高温高压泵电连接的油路控制开关和与装置中其余用电组件电连接的电路控制开关。

所述连接块为两端开设外螺纹的阶梯轴，连接块两端的轴径相同，中间段的轴径大于两端的轴径，通孔位于连接块轴心处，进气孔和排气孔均呈L型，进气孔和排气孔的两个开口分别位于中间段的轴面和连接块的朝向压帽B的端面上，通孔的两端均开设有密封槽，密封槽中设有密封圈。

腔体A中设有由2层滤网和夹设于2层滤网之间的滤纸构成的过滤层，过滤层与压帽A相接，腔体A的两端分别与连接块和压帽A螺纹连接，腔体B的两端分别与连接块和压帽B螺纹连接，压帽A位于腔体A外的端部和压帽B位于腔体B外的端部上均开设有螺纹孔，螺纹孔中安装有螺杆，压帽A与腔体A之间和压帽B与腔体B均通过密封圈密封，位移导向杆与位移导向通孔之间通过密封圈密封。

所述活塞的中心开设有压杆连接孔，活塞通过压杆连接孔与压杆的端部螺纹连接，活塞的侧面上开设两条环形槽，两条环形槽中均设有密封圈。

压实模型筒的进气孔、排气孔、进油孔、排油孔和排液孔的孔径均相同。

由上述技术方案可知，本发明提供的人造岩心制备装置中，压实模型筒的2个活塞分别紧密嵌设于密封的腔体A和腔体B中，将压实模型筒分隔成四个密封空间，依次为：1、由压帽B和活塞密封的液压油舱，压帽B中开设有进油孔、排油孔和位移导向通孔，高温高压泵通过管道将高压液压油泵入液压油舱中，液压油推动活塞和压杆向前移动将压力传导至腔体A中；2、由腔体B中的活塞和连接块密封的回复舱，连接块的侧面开设有进气孔和排气孔，进气孔和排气孔的出口均朝向压帽B，即将外界与回复舱连通，其中进气孔通过带阀门的管道与空气压缩机连通，岩心压制结束后通过空气压缩机向回复舱中充气加压，回复舱中的高压气体推动活塞和压杆向后移动退回至初始位置；3、由连接块和腔体A中的活塞密封的真空舱；4、由活塞和压帽A密封的压实舱，岩心原料(砂岩颗粒、泥岩颗粒及天然盐类)放置于压实舱中，压帽A中开设有排液孔，初始压制过程中关闭排液孔，随岩心孔隙体积减小，液体被从孔隙中挤出，并在压实舱内承受一部分压实压力，该部分压力即为无效压力，随着岩心体积进一步减小，被压出液体积增加，无效压力增大，当无效压力接近压实压力时，可打开腔体A排液孔阀门排液，将压实舱内液体排出，减小液体承受压力，从而提高有效压实压力，滤网和滤纸构成的过滤层可有效阻挡岩心原料随液体排出压实模型筒。

压实模型筒中压帽A、活塞、连接块和压帽B与压实模型筒内壁之间以及位移导向杆与位移导向通孔之间均通过密封圈进行密封，岩心压制过程中岩心原料始终位于智控恒温箱中，岩心的有效压实压力可达150MPa，其压实温度可达150℃，可以模拟地层真实条件下的温压系统，使得原料中天然盐类所含的钙质、铁质和粘土矿物在颗粒接触面上发生胶结，可真实模拟地壳成岩过程中的钙质、泥质等胶结作用，因此可用于制备不含人造胶类物质的人造岩心(孔喉结构、胶结物及岩石颗粒表面的粘土矿物与真实岩心更接近)；由于其密封性能良好，可长时间保温和保压，具有可高温、高压、长时间工作的特点；活塞和压杆由空气压缩机驱动回复初始位置，相比于现有小型岩心制备装置，本发明提供的压实模型筒可制备长度达15cm、直径达40cm的大尺寸人造岩心。

压实模型筒的进气孔、排气孔、进油孔、排油孔和排液孔的孔径均相同，各孔均通过快速接头与对应管线连通，便于压实模型筒与对接设备的组装与拆卸，装置中各阀门和管线均使用统一标准，零部件通用性强。

智控恒温箱和内置的温度变送器为模拟人造岩心压实过程提供温度控制环境，压力变送器和温度变送器均带有参数显示功能，可测量并显示压制过程中压实舱中液体和液压油舱的压力值以及智控恒温箱内的温度值；位移传感器通过位移导向杆与腔体B中的活塞连接，通过位移传感器可获得岩心原料的变形量，提高变形量的计量精度；油路控制开关控制高温高压泵与压实模型筒间的连通与关闭，电路控制开关控制装置其余用电组件(温度变送器、压力变送器、空气压缩机、电子天平、电脑等)的电路连通，压制过程中根据需要开启对应的用电组件，避免用电浪费；数据采集器用于实时采集温度变送器、压力变送器、电子天平及位移传感器的数据，并将数据传输至电脑中记录，岩心压制过程中的温度、压力、压实位移变化量以及排液体积等参数通过数据采集器和电脑进行采集和记录，其采集记录频率1min/次～60min/次，使用自动采集系统避免了人工记录可能出现的记录错误，有效减少了实验操作人员数量及工作强度，对压实过程进行实时监控，可有效避免因压实过程中设备故障等突发因素导致的安全事故；岩心压制过程中记录的温度、压力及压实位移等参数可用于计算人造岩心的压缩系数，记录的排液体积参数可用于计算原始的含水饱和度和压实后岩心的密度、孔隙压缩率等评价参数。

与现有技术相比，本发明提供的多功能人造岩心制备仪，其优点在于：

1、本发明提供的装置采用液压油作为动力传输介质，岩心压实部分(压实模型筒)与动力部分(高温高压泵)分开，通过管线及液压油进行动力传递，减小了核心部件压实模型筒的体积和重量；

2、本发明提供的装置中压实模型筒各孔接口处的孔径相同，且均使用快速接头与相应管线连通，便于组装、拆卸，阀门、管线统一标准，零部件通用性好；

3、本发明提供的装置有效压力可达150MPa，工作温度可达150℃，并可在120～150℃高温条件下连续工作120h以上，可以模拟地层真实条件下的温压系统，具有可高温、高压、长时间工作及实时控制的特点，因此可通用于含人造胶类物质岩心或不含人造胶类物质岩心，泥岩岩心、砂岩岩心或碳酸盐岩心，低渗型人造岩心或高渗型人造岩心的制备，可以满足渗流机理、酸化、压裂、堵水调剖及射孔模拟等实验需求；

4、本发明提供的装置可实现岩心压制过程中的温度、压力以及排液体积等参数的自动采集和记录，其采集记录频率1min/次～60min/次，使用自动采集系统避免了人工记录可能出现的记录错误，有效减少了实验操作人员数量及工作强度,岩心压制过程中记录的温度、压力、位移变形量等参数可用于计算人造岩心的压缩系数，记录的排液体积、位移变形量参数可用于计算岩心原料原始的含水饱和度和压实后岩心的密度、孔隙压缩率等评价参数；

5、本发明提供的装置可根据实验需要，制备长度1～15cm、直径2.5～40cm的人造岩心，可以满足制造不同尺寸人造岩心的需求。

附图说明

图1为本发明提供的压实模型筒的结构示意图。

图2为多功能人造岩心制备仪的整体示意图。

图3为连接块的结构示意图。

其中，1-压实模型筒，2-高温高压泵，3-智控恒温箱，4-量筒，5-空气压缩机，6-积液瓶，7-电子天平，8-数据采集器，9-电脑，10-冷凝器，11-管道，12-油路控制开关，13-压力变送器，14-温度变送器，15-电路控制开关，16-阀门，17-位移传感器，18-位移导向杆，19-腔体B，20-腔体A，21-连接块，211-中间段，212-进气孔，213-排气孔，214-孔塞，215-密封槽，216-通孔，22-压杆，23-活塞，231-压杆连接孔，24-压帽B，25-压帽A，26-密封圈，27-滤网，28-滤纸，29-螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明。

本发明提供的多功能人造岩心制备仪，其结构如图2所示，至少包括带可控温的温度变送器14的智控恒温箱3、位于智控恒温箱中的压实模型筒1、与压实模型筒连通的高温高压泵2，压实模型筒的结构如图1所示，包括腔体A20、腔体B19、连接块21、压杆22、压帽A25、压帽B24和2个活塞23，腔体A和腔体B通过位于二者之间的连接块进行连接，腔体A中设有由2层1500目滤网27和夹设于2层滤网之间的滤纸28构成的过滤层，过滤层与压帽A相接，腔体A的两端分别与连接块的前端和压帽A螺纹连接，腔体A通过安装于腔体A端部的压帽A和密封圈26进行密封，压帽A中沿轴向开设有排液孔；

腔体B通过安装于腔体B端部的压帽B和密封圈进行密封，腔体B的两端分别与连接块和压帽B螺纹连接，压帽B中沿轴向开设有进油孔、排油孔和位移导向通孔，位移导向通孔中设有位移导向杆18，位移导向杆的一端与腔体B中的活塞连接，另一端与位移传感器17连接，位移导向杆与位移导向通孔之间通过密封圈密封，压帽A位于腔体A外的端部和压帽B位于腔体B外的端部上均开设有螺纹孔，螺纹孔中安装有螺杆29；

连接块的结构如图3所示，连接块为两端开设外螺纹的阶梯轴，连接块两端的轴径相同，中间段211的轴径大于两端的轴径，连接块轴心处开设有通孔216，通孔的两端均开设有密封槽215，密封槽中设有密封圈，中间段211的侧面开设有与腔体B连通的进气孔212和带孔塞214的排气孔213，进气孔和排气孔均呈L型，进气孔和排气孔的两个开口分别位于中间段的轴面和连接块的后端面上；

压杆22穿过连接块的通孔并且两端分别与2个活塞连接，活塞23的中心开设有压杆连接孔231，活塞通过压杆连接孔与压杆的端部螺纹连接，活塞的侧面上开设两条环形槽，两条环形槽中均设有密封圈26。

高温高压泵2通过带阀门16和压力变送器13的管道11与压实模型筒压帽B的进油孔连通，压帽B的排油孔通过带阀门的管道与量筒4连通，压帽A的排液孔通过带阀门和压力变送器的管道与冷凝器10和积液瓶6顺序连通，连接块侧面的进气孔通过带阀门的管道与空气压缩机5连通，智控恒温箱3外设有电脑9和与电脑电连接的数据采集器8，积液瓶的下方设有电子天平7，数据采集器的输入端分别与电子天平、压力变送器、温度变送器和位移传感器电连接，智控恒温箱外设有与高温高压泵电连接的油路控制开关12和与装置中其余用电组件电连接的电路控制开关15。

本发明提供的多功能人造岩心制备仪的工作过程是：在压实模型筒腔体A内装入配置好的待压实原料(砂岩颗粒、泥岩颗粒及天然盐类)，关闭腔体A排液孔阀门，关闭智控恒温箱箱门，设定智控恒温箱温度，打开电脑及数据采集器开始数据采集，待压实模型筒内温度与智控恒温箱一致后，设定高温高压泵的泵入压力，液压油通过高温高压泵被注入压实模型筒腔体B的液压油舱中，压力随液压油传导至腔体B内，腔体B内液压油推动活塞和压杆向前移动将压力传导至腔体A的压实舱中，从而对压实舱中的原料进行压实；压实舱的排液孔关闭时，初始压制过程中，随岩心原料间孔隙体积减小，液体被从孔隙中挤出并在压实舱内承受一部分压实压力(该部分压力即为无效压力)，随岩心体积进一步减小，被压出液体体积进一步增加，当无效压力接近压实压力时，打开腔体A排液孔阀门排液，将压实舱内液体排出，减小液体承受压力，从而提高有效压实压力，压实过程中调整温度及压力，用于模拟不同条件下的压实过程，压实过程中原料压实变形量通过位移传感器计量并将数据实时传输至电脑保存；实验结束泄压后，通过螺杆打开压实模型筒的压帽A，将压好的岩心取出；关闭压实模型筒液压油注入阀门，打开液压油流出阀门，使用空气压缩机通过连接块进气孔向回复舱内注入高压空气，将压实模型筒内活塞顶回原位，同时，液压油舱内剩余液压油从排油孔中流出，流出的液压油可重复使用。

岩心压制过程中数据采集器实时采集温度变送器、压力变送器、电子天平和位移传感器的数据，并将数据实时传输至电脑中记录，岩心压制过程中的温度、压力、排液体积及压实位移变化量等参数通过数据采集器和电脑进行采集和记录，对压实过程进行实时监控；岩心压制过程中记录的温度、压力、位移变形量等参数可用于计算人造岩心的压缩系数，记录的排液体积、位移变形量参数可用于计算岩心原料原始的含水饱和度和压实后岩心的密度、孔隙压缩率等评价参数。

Claims (9)

1.一种多功能人造岩心制备仪，至少包括压实模型筒和与压实模型筒连通的高温高压泵，其特征在于：压实模型筒位于智控恒温箱中，所述压实模型筒包括腔体A、腔体B、连接块、压杆、压帽A、压帽B和2个活塞，腔体A和腔体B通过位于二者之间的连接块进行连接，连接块中心处设有通孔，连接块侧面开设有与腔体B连通的进气孔和排气孔，压杆穿过连接块的通孔并且两端分别与2个活塞连接，压帽A安装于腔体A的端部并且密封腔体A，压帽A中沿轴向开设有排液孔，压帽B安装于腔体B的端部并且密封腔体B，压帽B中沿轴向开设有进油孔和排油孔；压帽B的进油孔通过带阀门的管道与高温高压泵连通，连接块侧面的进气孔通过带阀门的管道与空气压缩机连通。

2.根据权利要求1所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：压帽B的排油孔通过带阀门的管道与量筒连通，压帽A的排液孔通过带阀门的管道与冷凝器和积液瓶顺序连通，连接块侧面的排气孔中设有孔塞。

3.根据权利要求1所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：连通高温高压泵与压实模型筒的管道上以及连通压帽A排液孔与积液瓶的管道上均安装有压力变送器，智控恒温箱中安装有温度变送器，压实模型筒外设有与腔体B中活塞连接的位移传感器。

4.根据权利要求3所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：智控恒温箱外设有电脑和与电脑电连接的数据采集器，积液瓶的下方设有电子天平，数据采集器的输入端分别与电子天平、压力变送器、温度变送器和位移传感器电连接，智控恒温箱外设有与高温高压泵电连接的油路控制开关和与装置中其余用电组件电连接的电路控制开关。

5.根据权利要求3所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：压帽A和压帽B的端部均开设有螺纹孔，螺纹孔中安装有螺杆，压帽B的中心沿轴向开设有位移导向通孔，位移导向通孔中设有位移导向杆，位移导向杆的一端与腔体B中的活塞连接，另一端与位移传感器连接，位移导向杆与位移导向通孔之间通过密封圈密封。

6.根据权利要求1所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：所述连接块为两端开设外螺纹的阶梯轴，连接块两端的轴径相同，中间段的轴径大于两端的轴径，通孔位于连接块轴心处，进气孔和排气孔均呈L型，进气孔和排气孔的两个开口分别位于中间段的轴面和连接块的朝向压帽B的端面上，通孔的两端均开设有密封槽，密封槽中设有密封圈。

7.根据权利要求1所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：腔体A中设有由2层滤网和夹设于2层滤网之间的滤纸构成的过滤层，过滤层与压帽A相接，腔体A的两端分别与连接块和压帽A螺纹连接，腔体B的两端分别与连接块和压帽B螺纹连接，压帽A与腔体A之间和压帽B与腔体B均通过密封圈密封。

8.根据权利要求1所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：所述活塞的中心开设有压杆连接孔，活塞通过压杆连接孔与压杆的端部螺纹连接，活塞的侧面上开设两条环形槽，两条环形槽中均设有密封圈。

9.根据权利要求1所述的多功能人造岩心制备仪，其特征在于：压实模型筒的进气孔、排气孔、进油孔、排油孔和排液孔的孔径均相同。