CN104792970A - 多周期交变应力断层模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多周期交变应力断层模拟实验装置。主要解决现有的地下储气库断层封闭性不易判断的问题。其特征在于：包括岩心制备系统、抽真空组件、主机模型系统、数据采集分析系统、压力注入系统。该装置不仅能对储库断层样品的封闭性参数进行测试，而且可以实现模拟储库多周期交变应力条件下样品的应变状态等进行实时连续监测，还可以结合储库其它地质条件（如岩性、断层充填物、断层参数等）对储库多周期交变应力运行条件下的断层封闭条件进行综合评价。

Description

多周期交变应力断层模拟实验装置

技术领域

本发明涉及油气田开发领域科研院所用模拟实验装置，具体的说是一种多周期交变应力断层模拟实验装置。

背景技术

地下储气库在多次注采过程中会形成的多周期交变应力，在此条件下断层的封闭性会发生变化，断层封闭性是指断层对油气的封闭能力，断层对油气的运移、聚集、保存和破坏等控制本质就是断层封闭性问题，在石油勘探和开发领域极具现实意义，其中储气库断层封闭性失效会导致储气库泄露甚至失效。因此，如何确定和评价不同地质条件储气库注采压力上下限及储气库薄弱点分布，对于判断断层封闭性来说至关重要。而目前没有专门针对断层评价在内的圈闭有效性评价的装置，导致断层封闭性不易判断。

发明内容

为了克服现有的地下储气库断层封闭性不易判断的不足，本发明提供一种多周期交变应力断层模拟实验装置，该装置不仅能对储库断层样品的封闭性参数进行测试，而且可以实现模拟储库多周期交变应力条件下样品的应变状态等进行实时连续监测，还可以结合储库其它地质条件（如岩性、断层充填物、断层参数等）对储库多周期交变应力运行条件下的断层封闭条件进行综合评价。

本发明的技术方案是：一种多周期交变应力断层模拟实验装置，包括岩心制备系统、抽真空组件、主机模型系统、数据采集分析系统、压力注入系统，所述的岩心制备系统包括岩心钻取机、岩心切割机，所述的岩心钻取机包括钻取平台、取心钻头，钻取平台放置在钻床的升降座下方，钻取平台底部设有水槽，周边设有挡水罩，钻取平台上方固定有岩样卡具，且岩样卡具中心与取心钻头中心对正；所述的岩心切割机包括机箱、切割片、切磨轮及用于夹持岩心的旋转夹具，机箱内固定有水槽底板，水槽底板周边设有切割机水槽，水槽底板上部通过砂轮固定板固定有砂轮主体，砂轮主体的两侧分别通过转轴连接有切割片及切磨轮，砂轮固定板两侧的水槽底板上分别固定有岩心进给装置，岩心进给装置包括横向托板、纵向托板，其中横向托板与横向丝杠相连，纵向托板与纵向丝杠相连；所述用于夹持岩心的旋转夹具固定在纵向托板上；

所述的抽真空组件包括移动支架、真空泵，移动支架上部固定有饱和瓶及干燥塔；

所述的主机模型系统包括油缸、龙门架、岩心样品，龙门架内固定有底座，底座上部固定有围压腔，围压腔外部设有柔性加热套，所述的岩心样品置于围压腔内，且通过外部的胶筒固定在底座上，岩心样品上部设有堵头，堵头上部通过活塞杆与油缸的伸缩杆相连；所述的龙门架侧面设有USB串接口及应变测量转接板接口；

所述的数据采集分析系统由软件显示屏、工控主机、采集控制箱、应变采集仪组成，应变采集仪包括应变片、补偿片，应变片布置在岩心裂缝处的边缘，补偿片布置在设备的其他位置，来参考应变的变化；所述的数据采集分析系统通过工控主机和采集控制箱、应变采集仪，根据软件分析处理不同压力条件下岩样裂缝处的不同应变，动态监测不同压力组合下对岩样的影响，并显示在软件显示屏上；

 所述的压力注入系统包括增压泵、气源。                                       

所述岩心切割机上的旋转夹具包括固定立柱、岩心固定块，岩心固定块连接在两个固定立柱之间，且一端通过锁紧螺杆锁紧，另一端通过球头立柱固定，球头立柱上开有垂直与岩心固定块轴线的小孔，孔内置有弹簧，弹簧位于岩心固定块的一端连接有定位球，岩心固定块表面开有与定位球相配合的凹槽；所述的岩心固定块上连接有与其轴线垂直的锁紧丝杆，锁紧丝杆两端分别与导向圈A及导向圈B相配合，且导向圈A与导向圈B的螺纹旋向相反。

所述主机模型系统的堵头上部设有球头，所述的活塞杆下端连接有压头座，压头座与球头采用球面配合，且活塞杆上端与球形座通过球面配合，球形座上部通过销轴连接压头，压头与油缸的伸缩杆相连。

所述主机模型系统的底座上分别设有mm规格岩心槽及mm规格岩心槽；且底座上连接有管线，且管线外部设有绝缘的护线套。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方案，该实验装置可以根据不同储气库评价目标断层性质，通过断层实验样品，模拟地下储气库的地质条件，实现不同注采运行工况的模拟，进行多周次的注采模拟，探讨断层性质的变化。通过物理模拟与评价软件的数值模拟相结合的综合评价方法，预测断层的密封性，为储气库建库条件的评价、预测储气库断层薄弱点、制定更合理的注采气方案、以及库容参数（上限压力）的优化提供重要的参考依据和指标。

本装置不仅能对储库断层样品的封闭性参数进行测试，而且要实现模拟储库多周期交变应力条件下样品的应变状态等进行实时连续监测，还能结合储库其它地质条件（岩性、断层充填物、断层参数等）对储库多周期交变应力运行条件下的断层封闭条件进行综合评价。是我国首次针对地下储气库地质条件和运行特征而进行自主研发的模拟测试装置。

附图说明

图1是主机模型系统的结构示意图；

图2、图3是主机模型系统中底座的结构示意图；

图4是岩心钻取机的结构示意图；

图5、图6是岩心切割机的结构示意图；

图7、图8是岩心旋转夹具的俯视图；

图9是抽真空组件的示意图；

图10是数据采集系统的示意图。

图中1-油缸，2-龙门架，3-压头，4-销轴，5-球形座，6-球形锁紧螺母，7-活塞杆，8-围压腔，9-压头座，10-球头，11-堵头，12-岩心样品，13-柔性加热套，14-胶筒，15-导线引出线，17-导向圈组件，18-密封圈，19-底座，20-USB串接口，21-绝缘套，22-护线套，23-应变测量转接板接口，24-液压站，25-手动面板，27-密封接头，28-铜柱，29-100mm规格岩心槽，30-50mm规格岩心槽，31-管线，32-面板，33-真空表，34-饱和瓶，35-干燥塔，36-真空泵，37-移动支架，38-电源插排，39-软件显示屏，40-工控主机，41-采集控制箱，42-应变采集仪，43-支架，44-手轮，45-机箱，46-切割片防尘罩，47-机箱防尘罩，48-注冷气管，50-切磨轮防尘罩，51-切割机水槽， 53-切割片， 55-水槽底板，56-砂轮固定板，57-砂轮主体，59-横向丝杠，60-切磨轮，61-横向托板，64-纵向丝杠，65-纵向托板，66-电机轴套，67-步进电机，69-玻璃视窗，70-排风扇，71-注水管，72-排水管，73-循环泵，74-左卡簧，75-导向圈A，76-锁紧螺杆，77-锁紧丝杆，78-导向柱，82-导向圈B，84-电机固定盘，85-固定立柱，86-定位球，87-弹簧，88-紧定螺钉，89-球头立柱，90-岩心固定块，91-锁紧把手A，92-锁紧把手B，133-卡紧座，134-皮带轮，135-升降座，136-注水管，137-取心钻头，138-挡水罩，139-岩样卡具，140-钻取平台，141-水槽。

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至图10所示，一种多周期交变应力断层模拟实验装置，主要包括岩心制备系统、抽真空组件、主机模型系统、数据采集分析系统、压力注入系统，通过岩心制备系统及抽真空组件制作出岩心样品，放入主机模型系统中，由压力注入系统等辅助系统模拟不同地层条件进行实验，再由数据采集分析系统采集信号，通过电脑进行分析，从而来评价岩心在不同地层条件下的封闭性。

所述的岩心制备系统包括岩心钻取机、岩心切割机，所述的岩心钻取机包括钻取平台140、固定在钻床上的取心钻头137，钻取平台140放置在钻床的升降座135下方。钻取平台140底部周边设有水槽141，水槽141周边设有挡水罩138，钻取平台140上方固定有岩样卡具139，且岩样卡具139中心与取心钻头137中心对正。取心钻头137外部设有密封套，且取心钻头137与密封套之间可自由旋转，密封套通过螺柱与卡紧座133相连，而卡紧座133的另一端固定在钻床的升降座135上，从而将密封套固定在升降座135上；密封套上连接有注水管136。在钻取岩心时，通过注水管136向水槽141内注入冷却液或冷气，样品通过岩样卡具139固定后，放置在钻取平台140上，取心钻头137在皮带轮134带动下进行取心，岩屑和水、气等散出物将在挡水罩138的作用下被集中起来，实现设备无尘化钻取。

通过岩心钻取机得到的岩心样品，放入到岩心切割机进行切割，以保证岩心两端的平行度。所述的岩心切割机包括机箱45、切割片53、切磨轮60及用于夹持岩心的旋转夹具，机箱45由支架43支撑，放置在地面，机箱45内固定有水槽底板55，水槽底板55周边设有切割机水槽51，水槽底板55上部通过砂轮固定板56固定有砂轮主体57，砂轮主体57的两侧分别通过转轴连接有切割片53及切磨轮60，切割片53外部设有切割片防尘罩46，切磨轮60外部设有切磨轮60防尘罩，在砂轮主体57高速运转时，可以有效的防止切割的碎屑甩出伤人；机箱45上部通过合页连接有机箱防尘罩47，在加工时合上，可以减少粉尘外排；同时，切割片防尘罩46及切磨轮60防尘罩上还固定有注冷气管48，可通过其向机箱45内注冷气。砂轮固定板56两侧的水槽底板55上分别固定有岩心进给装置，所述的岩心进给装置包括横向托板61、纵向托板65，其中横向托板61与横向丝杠59相连，纵向托板65与纵向丝杠64相连，纵向托板65在横向托板61的上方。所述用于夹持岩心的旋转夹具放置在纵向托板65上，可以根据切割位置不同随托板移动。机箱45的外部设有手轮44，手轮44与横向丝杠59和纵向丝杠64相连，通过转动手轮44即可使两丝杠转动，从而带动横向托板61和纵向托板65移动，来变换岩心的位置。切割情况可通过机箱防尘罩46上的玻璃视窗69观察。机箱45后侧设有排风扇70，底部分别连接有注水管71和排水管72，注水管71和排水管72均与切割机水槽51相通，通过循环泵73实现排污和上下水循环。

上述的旋转夹具包括固定立柱85、岩心固定块90，固定立柱85为两个，分别固定在电机固定盘84上。岩心固定块90连接在两个固定立柱85之间，其中的一个固定立柱85的端部连接有球头立柱89，球头立柱89上开有垂直与岩心固定块90轴线的小孔，孔内置有弹簧87，弹簧87位于岩心固定块90的一端连接有定位球86，岩心固定块90表面开有与定位球86相配合的凹槽。当岩心固定块90表面的凹槽转到定位球86的位置时，定位球86在弹簧87的作用下弹出，卡在凹槽内，实现定位。岩心固定块90的另一端穿过另一个固定立柱85，并通过锁紧螺杆76锁紧，锁紧螺杆76与锁紧把手B相连。所述的岩心固定块90上连接有与其轴线垂直的锁紧丝杆77，锁紧丝杆77的端部连接有锁紧把手A91，锁紧丝杆77两端分别与导向圈A75及导向圈B82相配合，且导向圈A75与导向圈B82的螺纹旋向相反，这样，转动锁紧丝杆77，可以使导向圈A75和导向圈B82共同向内或向外移动，从而夹紧或松开岩心。该旋转夹具中，岩心固定块90可以旋转，这样在切磨岩心时，切磨完一端后，可转动岩心固定块90，带动岩心翻转，进行另一端的切磨，避免了岩心反复装卡而影响两端的平行度，并且提高了岩心切磨的效率。

所述的抽真空组件包括移动支架37、真空泵36，真空泵36固定在移动支架37，移动支架37上部还固定有饱和瓶34及干燥塔35，并且设有面板32，面板32上连接有真空表33、饱和瓶出口阀和排空阀。岩心样品切割完毕后，放入到抽真空组件中，进行抽真空和干燥处理，去除岩样中的水分及杂质，为下一步实验做准备。

所述的主机模型系统主要由150T压力机构成，包括油缸1、龙门架2、岩心样品12，龙门架2内固定有底座19，底座19上部通过螺钉固定有围压腔8，围压腔8内壁与底座19之间设有导向圈17，可以起到导向、密封的作用。围压腔8外部设有柔性加热套13，可对围压腔8进行加热，来模拟不同温度条件下的地层。所述的底座19上部中心处固定有胶筒14，且底座19与胶筒14之间由密封圈18密封，岩心样品12置于胶筒14内。岩心样品12上部设有堵头11，堵头11上部设有球头10，球头10上部通过球面与压头座9相配合，压头座9上部连接活塞杆7，且活塞杆7上端与球形座5通过球面配合，且其外部由球形锁紧螺母6固定。球形座5上部通过销轴4连接压头3，压头3与压力机油缸1的伸缩杆相连。所述的底座19上分别设有100mm规格岩心槽29及50mm规格岩心槽30，同时也可以放置其他规格的岩心。底座19上连接有管线31，且管线31外部与底座19之间设有绝缘的护线套22，管线31上部连接铜柱28，且铜柱28置于密封接头27内，铜柱28外部设有绝缘套21，绝缘套21采用peek绝缘材料，实现密封和绝缘功能。铜柱28上端可以通过导线引出线15连接导线，从而与其它监测设备连接。所述的龙门架2侧面设有USB串接口20及应变测量转接板接口23。

该主机模型系统有多种规格的岩心样品制备，可模拟不同规格的储气库断层，油缸1起到提供轴压的作用,针对不同样品，可自动调节压头3高度，压头3是压力机作用压力的部分，对围压腔8内部的岩心样品进行加载。球形座5可以在系统中起到自动平衡的作用，由于机加工过程中存在同轴度偏差问题，型座5在系统中可起到定心补偿偏移的作用。该系统通过围压注入泵对围压腔8注入和调节压力，压力机采用150T油压加载，加载系统由液压站24提供油路和PLC控制等,可以实现伺服控制和手动面板25操作。系统有自锁阀维持压力稳定，通过电磁阀实现油路的注油和回油，系统通过PLC控制反馈信号，可以加载调整至设定的压力。

所述的数据采集分析系统由软件显示屏39、工控主机40、采集控制箱41、应变采集仪42组成，应变采集仪42包括应变片、补偿片，应变片布置在岩心裂缝处的边缘，补偿片布置在设备的其他位置，用于参考应变的变化；所述的数据采集分析系统通过工控主机40和采集控制箱41、应变采集仪42等，根据软件分析处理不同压力条件下岩样裂缝处的不同应变，动态监测不同压力组合下对岩样的影响，并显示在软件显示屏39上；系统通过上架式机箱和对应机柜整体放置，开放性好，便于多种实验更新设备；按设计程序，提供每步操作步骤，并在操作端确定执行；收集数据，与预测结果对比，提出下步建议，警示安全操作；整理最终数据并形成原始数据报表及各类曲线。数据采集分析系统可以根据实验的不同压力组合判断断层在不同围压下的不同注气压力对应的库容情况，并且通过实时监测，结合渗透率等变化给出断层的开启和闭合时的合理解释。

所述的压力注入系统包括增压泵、气源、减压阀、恒速恒压泵构成，通过调压阀可以实现对压力调节，进行合理的压力注入，通过活塞容器和恒速泵也可以恒流注入。                                                                    

该多周期交变应力断层模拟实验装置的实验过程为：由岩心钻取机钻取岩心，再由岩心切割机对岩心进行切磨，保证两端的平行度，得到合格的岩心样品；然后对岩心样品进行抽真空、干燥；将去除水分和杂质后的岩心样品放入主机模型的围压腔内，由压力机对岩心顶部进行加压，并由压力注入系统向围压腔内注入压力，柔性加热套加热，模拟不同地层条件进行实验；实验数据通过数据采集分析系统进行分析处理，从而得出该岩心样品在不同地层条件下的封闭性。

Claims (4)

1.一种多周期交变应力断层模拟实验装置，包括岩心制备系统、抽真空组件、主机模型系统、数据采集分析系统、压力注入系统，其特征在于：

所述的岩心制备系统包括岩心钻取机、岩心切割机，所述的岩心钻取机包括钻取平台（140）、取心钻头（137），钻取平台（140）放置在钻床的升降座（135）下方，钻取平台（140）底部设有水槽（141），周边设有挡水罩（138），钻取平台（140）上方固定有岩样卡具（139），且岩样卡具（139）中心与取心钻头（137）中心对正；所述的岩心切割机包括机箱（45）、切割片（53）、切磨轮（60）及用于夹持岩心的旋转夹具，机箱（45）内固定有水槽底板（55），水槽底板（55）周边设有切割机水槽（51），水槽底板（55）上部通过砂轮固定板（56）固定有砂轮主体（57），砂轮主体（57）的两侧分别通过转轴连接有切割片（53）及切磨轮（60），砂轮固定板（56）两侧的水槽底板（55）上分别固定有岩心进给装置，所述的岩心进给装置包括横向托板（61）、纵向托板（65），其中横向托板（61）与横向丝杠（59）相连，纵向托板（65）与纵向丝杠（64）相连；所述用于夹持岩心的旋转夹具固定在纵向托板（65）上；

所述的抽真空组件包括移动支架（37）、真空泵（36），移动支架（37）上部固定有饱和瓶（34）及干燥塔（35）；

所述的主机模型系统包括油缸（1）、龙门架（2）、岩心样品（12），龙门架（2）内固定有底座（19），底座（19）上部固定有围压腔（8），围压腔（8）外部设有柔性加热套（13），所述的岩心样品（12）置于围压腔（8）内，且通过外部的胶筒（14）固定在底座（19）上，岩心样品（12）上部设有堵头（11），堵头（11）上部通过活塞杆（7）与油缸（1）的伸缩杆相连；所述的龙门架（2）侧面设有USB串接口（20）及应变测量转接板接口（23）；

所述的数据采集分析系统由软件显示屏（39）、工控主机（40）、采集控制箱（41）、应变采集仪（42）组成，应变采集仪（42）包括应变片、补偿片，应变片布置在岩心裂缝处的边缘，补偿片布置在设备的其他位置，来参考应变的变化；所述的数据采集分析系统通过工控主机（40）和采集控制箱（41）、应变采集仪（42），根据软件分析处理不同压力条件下岩样裂缝处的不同应变，动态监测不同压力组合下对岩样的影响，并显示在软件显示屏（39）上；

 所述的压力注入系统包括增压泵、气源。

2.根据权利要求1所述的多周期交变应力断层模拟实验装置，其特征在于：所述岩心切割机上的旋转夹具包括固定立柱（85）、

岩心固定块（90），岩心固定块（90）连接在两个固定立柱（85）之间，且一端通过锁紧螺杆（76）锁紧，另一端通过球头立柱（89）固定，球头立柱（89）上开有垂直与岩心固定块（90）轴线的小孔，孔内置有弹簧（87），弹簧（87）位于岩心固定块（90）的一端连接有定位球（86），岩心固定块（90）表面开有与定位球（86）相配合的凹槽；所述的岩心固定块（90）上连接有与其轴线垂直的锁紧丝杆（77），锁紧丝杆（77）两端分别与导向圈A（75）及导向圈B（82）相配合，且导向圈A（75）与导向圈B（82）的螺纹旋向相反。

3.根据权利要求2所述的多周期交变应力断层模拟实验装置，其特征在于：所述主机模型系统的堵头（11）上部设有球头（10），所述的活塞杆（7）下端连接有压头座（9），压头座（9）与球头（10）采用球面配合，且活塞杆（7）上端与球形座（5）通过球面配合，球形座（5）上部通过销轴（4）连接压头（3），压头（3）与油缸（1）的伸缩杆相连。

4.根据权利要求3所述的多周期交变应力断层模拟实验装置，其特征在于：所述主机模型系统的底座（19）上分别设有100mm规格岩心槽（29）及50mm规格岩心槽（30）；且底座（19）上连接有管线（31），且管线（31）外部设有绝缘的护线套（22）。