CN105067450A - 测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置及方法。实验装置包括高压釜、孔压泵系统、围压泵系统、计算机控制系统、加温系统、温控箱等。计算机控制系统分别与孔压泵系统、围压泵系统和高压釜相连；高压釜上装有第一放空阀和第二放空阀；围压泵系统的另一端与高压釜相连；孔压泵系统的另一端与高压釜相连；加温系统包裹在高压釜的外侧；温控箱分别与高压釜内外相连。本发明解决了岩心在高温条件下Biot系数的测试问题，可较真实的还原岩心在地层的温压条件，对现场应用更具指导性。本发明所用主体设备是在原有的常温三轴实验设备基础上改造而来的，既大大节约了成本，又能满足实验要求。

Description

测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学领域，特别涉及一种测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置及方法，用于获得计算弹性多孔介质有效应力的Biot系数，为精细分析地层高温高压条件下岩石的力学特性，指导油气、矿场资源的钻采提供依据。

背景技术

1925年Terzahi首先在土力学中提出有效应力原理，Biot在其基础上进行了开创性的研究，提出了反映多孔弹性介质有效应力的Biot系数。Biot系数已成为描述岩石等多孔介质的一个非常重要的特性参数，是水力压裂设计、出砂预测以及井壁稳定性分析计算等所需的关键参数。

近年来，尽管人们试图通过室内试验的方法获得较准确的Biot系数，但由于地层岩性、结构复杂，实验具有一定的局限性，误差较大。如中国专利申请号为CN201310232298的发明专利公布的《一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置及试验方法》，本发明涉及的装置包括轴压伺服系统、围压伺服系统、水(气)压伺服系统、数据采集系统及数据处理系统，可开展静水压缩、三轴压缩全过程及加卸载循环下的应力－渗流耦合试验。通过数据采集系统实时测量记录岩石试样当前围压、偏压值，轴向、环向以及体积应变值，进、出口端压力值；数据处理系统绘制出相应的应力－应变曲线，进、出口端压力－时程曲线，试样变形与孔隙水(气)压曲线，然后自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向Biot系数，并进行存储及显示。

该发明专利虽然可完成岩石材料特别是低渗岩石在复杂应力路径下应力－渗流耦合试验，自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向Biot系数，但试验过程中未考虑温度对试验结果的影响。实际上，在现场钻井施工过程中发现钻遇温度较高的地层时，运用常温下获得的Biot系数计算多孔介质的有效应力来预测地层压力时，往往与实际情况产生很大的偏差，偏差较大时很可能导致复杂事故发生。

为满足高温高压地层岩石力学应用的要求，准确获得多孔弹性介质的Biot系数，亟须研制出能真实反映地层温度压力状态的测量岩石力学参数的实验装置。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置及方法，以更加准确地测试高温高压等复杂条件下岩石的Biot系数，避免导致复杂事故的发生。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置，包括高压釜、孔压泵系统、围压泵系统、计算机控制系统、加温系统、温控箱，

所述孔压泵系统的一端与计算机控制系统相连，另一端通过第一高压管线穿过加温系统与高压釜底端相连；

围压泵系统的一端与计算机控制系统相连，另一端通过第二高压管线穿过加温系统与高压釜相连；

第一放空阀安装在第三高压管线上，并通过第三高压管线穿过加温系统与高压釜相连；

第二放空阀安装在第四高压管线上，并通过第四高压管线穿过加温系统与高压釜相连；

加温系统包裹在高压釜的外侧；

第三数据传输线的一端与计算机控制系统相连，另一端穿过加温系统与高压釜相连；

第四数据传输线的一端与计算机控制系统相连，另一端穿过加温系统与高压釜相连；

第五数据传输线的一端与温控箱相连，另一端上装有温度传感器，穿过加温系统与高压釜内侧相连；

第六数据传输线的一端与温控箱相连，另一端上装有温度传感器，穿过加温系统与高压釜外侧相连。

优选的，本发明提到的高压釜包括岩心、下垫块、上垫块、传感器系统，所述岩心夹在上垫块和下垫块之间，传感器系统位于岩心外侧。

上述下垫块的中间设有圆形通道，上部端面剖面上带有凹槽。

上述上垫块内设有圆形通道，下部端面剖面上带有凹槽。

本发明提到的一种测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置的使用方法，其利用上述实验装置，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将待实验岩心外侧装上传感器系统，置于高压釜内；

（3）打开围压泵系统，使高压釜中充满耐高温流体；

（4）打开温控箱，并设置目标温度，对高压釜内流体进行加热，直至温度达到预定值，并保证在整个实验过程中保持不变；

（5）利用计算机控制系统控制围压泵系统给高压釜内施加围压，当围压达到5MPa时，并保持不变，再用计算机控制系统控制孔压泵系统给高压釜内岩心施加孔隙压力，此时，第二放空阀处于打开状态，观察出口是否有液体流出，当有液体流出时，视为岩心已达到饱和状态，此时停止加孔隙压力，并维持孔隙压力不变；

（6）以一定的加载速度缓慢增加围压，利用计算机控制系统记录岩心的轴向和径向变形，当围压达到设定值时，停止记录，并卸载围压；

（7）关闭第二放空阀，以相同的加载速度同时施加孔隙压力和围压，直至目标值，利用计算机控制系统记录岩心的轴向和径向变形，卸载孔隙压力和围压，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算出Biot系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明解决了岩心在高温条件下Biot系数的测试问题，可较真实的还原岩心在地层的温压条件，对现场应用更具指导性，避免导致复杂事故的发生；

(2)本发明所用主体设备是在原有的常温三轴实验设备基础上改造而来的，既大大节约了成本，又能满足实验要求；

(3)高压釜外电磁加热系统的应用，既保证了加温安全，又能使温度达到石油钻井工程中地层温度的要求（500℃以内）。

附图说明

图1为本发明的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置的结构示意图；

图2为高压釜内部结构示意图；

图3为高压釜内下垫块示意图及俯视图；

图4为高压釜内上垫块示意图及仰视图；

图中，1、高压釜，2、孔压泵系统，3、围压泵系统，4、计算机控制系统，5、加温系统，6、第四数据传输线，7、第一放空阀，8、第三高压管线，9、第一数据传输线，10、第一高压管线，11、第四高压管线，12、第二放空阀，13、第二数据传输线，14、第二高压管线，15、第三数据传输线，16、第五数据传输线，17、温控箱，18、第六数据传输线，20、岩心，21、下垫块，22、上垫块，23、传感器系统。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置，为一种实验装置，包括高压釜1、孔压泵系统2、围压泵系统3、计算机控制系统4、加温系统5、第一放空阀7，第二放空阀12，温控箱17。

所述孔压泵系统2的一端通过第一数据传输线9与计算机控制系统4相连，并由计算机控制系统4控制；孔压泵系统2的另一端通过第一高压管线10穿过加温系统5与高压釜1底端相连，用于给高压釜1中的岩心施加孔隙压力；

围压泵系统3的一端通过第二数据传输线13与计算机控制系统4相连，并由计算机控制系统4控制；围压泵系统3的另一端通过第二高压管线14穿过加温系统5与高压釜1相连，用于给高压釜1中的岩心施加围压；

第一放空阀7安装在第三高压管线8上，并通过第三高压管线8穿过加温系统5与高压釜1相连，用以实现对高压釜1中围压流体的放空。

第二放空阀12安装在第四高压管线11上，并通过第四高压管线11穿过加温系统5与高压釜1相连，用以实现高压釜1中孔隙流体的流出。

加温系统5包裹在高压釜1的外侧，利用电磁波加热原理，对高压釜1内的岩心进行加热；

第三数据传输线15的一端与计算机控制系统4相连，第三数据传输线15的另一端穿过加温系统5与高压釜1相连，用于实现计算机控制系统4对高压釜1内岩心轴向变形的监测。

第四数据传输线6的一端与计算机控制系统4相连，第四数据传输线6的另一端穿过加温系统5与高压釜1相连，用于实现计算机控制系统4对高压釜1岩心径向变形的监测。

第五数据传输线16的一端与温控箱17相连，第五数据传输线16的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统5与高压釜1内侧相连，用于温控箱17对高压釜1岩心温度的监测。

第六数据传输线18的一端与温控箱17相连，第六数据传输线18的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统5与高压釜1外侧相连，用于温控箱17对高压釜1外侧温度的监测。

如图2所示，所述高压釜1包括岩心20，下垫块21，上垫块22，传感器系统23。岩心20夹在上垫块22和下垫块21之间。传感器系统23位于岩心外侧，用于实现对岩心变形和温度的监测。

如图3所示，下垫块21的中间设有圆形通道，用以将孔隙流体传递到岩心中，实现流体的流动；下垫块21的上部端面剖面上带有凹槽，便于流体在岩心入口端面的流动。

如图4所示，上垫块22内设有圆形通道，用以实现孔隙流体从岩心端面流出；上垫块22的下部端面剖面上带有凹槽，便于流体在岩心出口端面的流动。

,本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置的使用方法，利用上述实验装置，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行。

（2）将待实验岩心外侧装上传感器系统23，置于高压釜1内。

（3）打开围压泵系统3，使高压釜1中充满耐高温流体。

（4）打开温控箱17，并根据岩心所在地层实际情况设置目标温度（如本实验所取岩心所在的地层温度为200℃），再对高压釜1内流体进行加热，直至温度达到200℃，并保证该温度在整个实验过程中保持不变。

（5）利用计算机控制系统4控制围压泵系统3给高压釜1内施加围压，当围压达到一定值时（建议为5MPa），并保持不变。再用计算机控制系统4控制孔压泵系统2给高压釜1内岩心20施加孔隙压力，此时，第二放空阀12处于打开状态，观察出口是否有液体流出，当有液体流出时，视为岩心20已达到饱和状态，此时停止施加孔隙压力，并维持孔隙压力不变。

（6）以0.005MPa/s加载速度缓慢增加围压，利用计算机控制系统4自动记录岩心的轴向和径向变形，当围压达到目标值时（该围压值一般略高于所取岩心在地层条件下的受力，如本实验所取岩心在地层的围压约为30MPa，故本实验的围压目标值设为40MPa），停止记录，并打开第一放空阀7卸载围压。

（7）关闭第二放空阀12，以相同的加载速度0.005MPa/s同时施加孔隙压力和围压，直至目标值（本实验设为40MPa），利用计算机控制系统4记录岩心的轴向和径向变形。打开第二放空阀12卸载孔隙压力，打开第一放空阀7卸载围压，关闭温控箱17，待冷却后取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算出Biot系数。

实施例2：与实施例1不同之处是，也是利用上述实验装置，本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的使用方法，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行。

（2）将待实验岩心外侧装上传感器系统23，置于高压釜1内，温控箱17处于关闭状态，用于测试常温下的Biot系数。

（3）打开围压泵系统3，使高压釜1中充满流体，利用计算机控制系统4控制围压泵系统3给高压釜1内施加围压，当围压达到一定值时（建议为5MPa），并保持不变。再用计算机控制系统4控制孔压泵系统2给高压釜1内岩心20施加孔隙压力，此时，第二放空阀12处于打开状态，观察出口是否有液体流出，当有液体流出时，视为岩心20已达到饱和状态，此时停止施加孔隙压力，并维持孔隙压力不变。

（4）以0.005MPa/s加载速度缓慢增加围压，利用计算机控制系统4自动记录岩心的轴向和径向变形，当围压达到目标值时（该围压值一般略高于所取岩心在地层条件下的受力，如本实验所取岩心在地层的围压约为30MPa，故本实验的围压目标值设为40MPa），停止记录，并打开第一放空阀7卸载围压。

（5）关闭第二放空阀12，以相同的加载速度0.005MPa/s同时施加孔隙压力和围压，直至目标值（本实验设为40MPa），利用计算机控制系统4记录岩心的轴向和径向变形。打开第二放空阀12卸载孔隙压力，打开第一放空阀7卸载围压，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算出Biot系数。

需要说明的是：

两次实验结果表明，对于围压在30MPa的砂岩，实施例2常温下所测得的Biot系数大约在0.7左右（Biot系数是介于0~1之间的小数），而在实施例1的高温200℃下测得的岩心Biot系数大约在0.9左右，增加了28.57%。因此，对于地层压力为60MPa，温度为200℃的高温高压地层，与常温岩心Biot系数实验结果相比，有效应力产生了12MPa的误差，忽略该误差将在很大程度上能导致井下复杂事故的发生，且大大增加施工成本。故对高温高压地层实验时，本发明相对于对比文件专利申请号为CN201310232298的发明专利具有较大的优势，大大提高了实验精度。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置，其特征是：包括高压釜（1）、孔压泵系统（2）、围压泵系统（3）、计算机控制系统（4）、加温系统（5）、第一放空阀（7）、第二放空阀（12）、温控箱（17），

所述孔压泵系统（2）的一端通过第一数据传输线（9）与计算机控制系统（4）相连，并由计算机控制系统（4）控制；孔压泵系统（2）的另一端通过第一高压管线（10）穿过加温系统（5）与高压釜（1）底端相连，用于给高压釜（1）中的岩心施加孔隙压力；

围压泵系统（3）的一端通过第二数据传输线（13）与计算机控制系统（4）相连，并由计算机控制系统（4）控制；围压泵系统（3）的另一端通过第二高压管线（14）穿过加温系统（5）与高压釜（1）相连，用于给高压釜（1）中的岩心施加围压；

第一放空阀（7）安装在第三高压管线（8）上，并通过第三高压管线（8）穿过加温系统（5）与高压釜（1）相连，用以实现对高压釜（1）中围压流体的放空；

第二放空阀（12）安装在第四高压管线（11）上，并通过第四高压管线（11）穿过加温系统（5）与高压釜（1）相连，用以实现高压釜（1）中孔隙流体的流出；

加温系统（5）包裹在高压釜（1）的外侧，利用电磁波加热原理，对高压釜（1）内的岩心进行加热；

第三数据传输线（15）的一端与计算机控制系统（4）相连，第三数据传输线（15）的另一端穿过加温系统（5）与高压釜（1）相连，用于实现计算机控制系统（4）对高压釜（1）内岩心轴向变形的监测；

第四数据传输线（6）的一端与计算机控制系统（4）相连，第四数据传输线（6）的另一端穿过加温系统（5）与高压釜（1）相连，用于实现计算机控制系统（4）对高压釜（1）岩心径向变形的监测；

第五数据传输线（16）的一端与温控箱（17）相连，第五数据传输线（16）的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统（5）与高压釜（1）内侧相连，用于温控箱（17）对高压釜（1）岩心温度的监测；

第六数据传输线（18）的一端与温控箱（17）相连，第六数据传输线（18）的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统（5）与高压釜（1）外侧相连，用于温控箱（17）对高压釜（1）外侧温度的监测。

2.根据权利要求1所述的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置，其特征是：所述的高压釜（1）包括岩心（20）、下垫块（21）、上垫块（22）、传感器系统（23），所述的岩心（20）夹在上垫块（22）和下垫块（21）之间，传感器系统（23）位于岩心外侧，用于实现对岩心变形和温度的监测。

3.根据权利要求2所述的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置，其特征是：所述的下垫块（21）的中间设有圆形通道，用以将孔隙流体传递到岩心中，实现流体的流动；下垫块（21）的上部端面剖面上带有凹槽，便于流体在岩心入口端面的流动。

4.根据权利要求2所述的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的实验装置，其特征是：所述的上垫块（22）内设有圆形通道，用以实现孔隙流体从岩心端面流出；上垫块（22）的下部端面剖面上带有凹槽，便于流体在岩心出口端面的流动。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置的使用方法，其特征是包括以下步骤：

（1）准备岩心：岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将待实验岩心外侧装上传感器系统（23），置于高压釜（1）内；

（3）打开围压泵系统（3），使高压釜（1）中充满耐高温流体；

（4）打开温控箱（17），并设置目标温度，对高压釜（1）内流体进行加热，直至温度达到预定值，并保证在整个实验过程中保持不变；

（5）利用计算机控制系统（4）控制围压泵系统（3）给高压釜（1）内施加围压，当围压达到5MPa时，并保持不变，再用计算机控制系统（4）控制孔压泵系统（2）给高压釜（1）内岩心（20）施加孔隙压力，此时，放空阀（12）处于打开状态，观察出口是否有液体流出，当有液体流出时，视为岩心（20）已达到饱和状态，此时停止加孔隙压力，并维持孔隙压力不变；

（6）以一定的加载速度缓慢增加围压，利用计算机控制系统（4）记录岩心的轴向和径向变形，当围压达到设定值时，停止记录，并卸载围压；

（7）关闭放空阀（12），以相同的加载速度同时施加孔隙压力和围压，直至目标值，利用计算机控制系统（4）记录岩心的轴向和径向变形，卸载孔隙压力和围压，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算出Biot系数。