CN107436279A - 高温三轴岩石渗透性评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温三轴岩石渗透性评价装置，包括：岩心夹持系统，包括金属压块、上岩心塞以及下岩心塞，上岩心塞和下岩心塞分别放置于岩心的上下两端，并由金属压块压紧，金属压块与岩心之间涂覆高温密封胶；下岩心塞中贯穿设有入口管线，上岩心塞中贯穿设有出口管线；轴压和围压加载系统，用于对岩心夹持系统加载轴压和围压；控温系统，与入口管线相连，用于对注入岩心的流体进行加热；冷凝系统，与出口管线相连，用于对离开岩心的流体进行冷却，并对该部分流体进行计量。本发明能够实现在加载三轴应力高温高压状态下连续实时在线测定岩石的渗透率或开展岩石注入实验。该装置最高耐温达到600℃以上，能够承受高达20MPa的流体注入压力。

Description

高温三轴岩石渗透性评价装置

技术领域

本发明涉及在高温状态下岩石渗透性评价实验装置，尤其涉及一种在高温三轴状态下评价岩石渗透性或开展岩石注入实验的装置。

背景技术

高温条件下测量岩心的渗透率或开展岩心注气实验难度很大，核心问题是如何在高温条件下密封岩心，岩心密封的效果决定了实验的成功率及实验结果的准确性。

目前，该类实验的密封装置主要由胶质等有机材料制成的密封筒和夹设在密封筒外的夹持器组成，实验时将岩心放置在密封筒内，采用气体或液体作为加压介质施加围压，从而实现在岩心夹持器内胶质等有机材料制成的密封筒对岩心侧表面的密封。还有一种是依靠机械加压的方式，通过千斤顶、丝扣或卡盘加压等方式机械压实厚壁橡胶套来密封岩心侧表面。以上这些密封方法受限于胶质等有机材料类密封材料，而耐温一般低于200℃，因此使用非常受限。

如果将胶质等有机材料制成的密封筒换为铜质或铅质等硬度较低、延展性较好的金属密封筒，耐温可以达到350℃左右，但由于金属高温时易变形，密封效果并不好，测量结果误差较大。由于一些特殊过程，实验温度达到350℃甚至更高，采用以上密封方法不能满足实验要求。

用固体盐作为围压加载介质受限于盐的熔融温度，只有当温度高于盐的熔融温度时才能实现岩心的密封并传递压力，且围压传递误差很大，因此更适用于超高温和超高压下的实验，如超深地层岩石的流变学研究等。

而对于一些过程，例如油页岩原位干馏或煤地下气化等，由于此类矿藏埋藏浅，压力低，实验过程需要了解从较低温度到高温同一岩心的渗透性变化过程，因此有必要设计出一种从室温到高温(600℃以上)条件下始终保持岩心有效密封的岩心密封装置及方法来解决这个问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高温三轴岩石渗透性评价装置，该评价装置能够在加载三轴应力状态下从室温到600℃连续实时在线测定岩石的渗透率或开展岩石注入实验，解决目前没有相关实验装置开展此类实验的问题。

为达上述目的，本发明提供一种高温三轴岩石渗透性评价装置，其包括：

岩心夹持系统，包括金属压块、上岩心塞以及下岩心塞，所述上岩心塞和下岩心塞分别放置于岩心的上下两端，并由金属压块压紧，金属压块与岩心之间涂覆高温密封胶；所述下岩心塞中贯穿设有入口管线，并且所述上岩心塞中贯穿设有出口管线；

轴压和围压加载系统，用于对所述岩心夹持系统加载轴压和围压；

控温系统，与所述下岩心塞的入口管线相连，用于对注入岩心的流体进行加热；

冷凝系统，与所述上岩心塞的出口管线相连，用于对离开岩心的流体进行冷却，并对该部分流体进行计量。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述轴压和围压加载系统，包括上支承板、下支承板、移动板、对应数量的承压螺母和双头螺柱，所述上支承板与下支承板通过双头螺柱连接，并由承压螺母紧固，而所述移动板能够移动地设于上支承板与下支承板之间；所述岩心夹持系统设置在所述上支承板与移动板之间；所述下支承板和移动板之间安装有轴向短程液压缸和轴压跟踪泵。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述金属压块包括凸形金属压块和凹形金属压块，其分别与左短程液压缸、右短程液压缸连接，并且左短程液压缸和右短程液压缸分别连接左围压跟踪泵和右围压跟踪泵。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述冷凝系统包括左侧进水口、左侧出水口、右侧进水口、右侧出水口、冷凝器以及计量装置，所述冷凝器和计量装置安装于上岩心塞的出口管线上，并且所述左侧进水口和左侧出水口设置在所述左短程液压缸的柱塞延长杆内，所述右侧进水口和右侧出水口设置在所述右短程液压缸的柱塞延长杆内。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述控温系统包括预热罐、半开式电热管支承套和电热管，所述预热罐与下岩心塞的入口管线相连，所述半开式电热管支承套包裹所述岩心夹持系统，并且所述电热管插入到所述半开式电热管支承套内。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，还包括安全保护系统，其包括压力传感器及安全阀，所述压力传感器和安全阀均安装于预热罐与下岩心塞之间的入口管线上。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述凸形金属压块与凹形金属压块对接的表面是相互配合的台阶面。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述凸形金属压块与凹形金属压块的内腔形状与岩心的外部形状相配合。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述上岩心塞内设有温度传感器。

所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其中，所述高温密封胶层采用单组份膏状密封剂制成。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明采用特殊高温密封胶涂覆在岩心需要密封的壁面上作为密封材料，以与岩心尺寸匹配的多个金属压块组合作为夹持器，通过机械加压金属压块压紧涂覆高温密封胶的岩心壁面，使高温密封胶超细固体粉料将金属压块与岩心间的缝隙填满，并保持内聚力使密封膜不破裂而产生良好的密封效果，从而实现在加载三轴应力高温高压状态下连续实时在线测定岩石的渗透率或开展岩石注入实验。该装置最高耐温达到600℃以上，能够承受高达20MPa的流体注入压力。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的高温三轴岩石渗透性评价装置的结构示意图；

图2是根据本发明的高温三轴岩石渗透性评价装置的俯视图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，分别是根据本发明的高温三轴岩石渗透性评价装置的结构示意图和俯视图。本发明提供了一种高温三轴岩石渗透性评价装置，其用于对岩心1的渗透性进行评价。所述高温三轴岩石渗透性评价装置主要包括：岩心夹持系统、轴压和围压加载系统、控温系统、冷凝系统以及安全保护系统。

所述岩心夹持系统，包括：金属压块3、下岩心塞4以及上岩心塞5。

其中，所述金属压块3包括凸形金属压块301和凹形金属压块302，其分别为内圆外方的结构，即当二者将岩心1夹持于中间时，凸形金属压块301和凹形金属压块302能够形成内部具有圆柱形的空腔、而外部为立方体的结构，外部的立方体结构便于传递围压。当然，凸形金属压块301和凹形金属压块302的内腔形状应与岩心1的外部形状相配合，而且金属压板3与岩心1之间可通过涂覆高温密封胶层2而实现对岩心1的密封。

其中，所述高温密封胶层2可采用单组份、膏状密封剂，在金属压块3的预加压力作用下，依靠其超细固体粉料将金属压块3与岩心1间的缝隙填满，并保持内聚力使密封膜不破裂而产生良好的密封效果。该装置最高耐温达到600℃以上，能够在高达20MPa的流体注入压力下保持岩心1与金属压块3之间的有效密封。

优选地，所述凸形金属压块301与凹形金属压块302对接的表面可以是相互配合的台阶面(如图2所示)，从而进一步增强密封的效果。当然，凸形金属压块301与凹形金属压块302对接的表面并不以上述形式为限，还可以采用其他形状的表面。

在所述岩心的上下两端各放置一个具有高温密封圈的岩心塞，用于对岩心1的上下端面进行密封，并传递对岩心1施加的轴向压力。部分上岩心塞5和部分下岩心塞4均由凸形金属压块301和凹形金属压块302夹持，从而固定。优选地，所述上岩心塞5和下岩心塞4分别采用不锈钢材质制成。

优选地，所述下岩心塞4和上岩心塞5的端面为渗透筛，所述下岩心塞4中贯穿设有入口管线6，用于流体的注入；所述上岩心塞5中贯穿设有出口管线7，用于流体的排出。

所述轴压和围压加载系统，包括由上支承板14、下支承板11、移动板13、对应数量的承压螺母10和双头螺柱12所组成的整体框架，所述上支承板14与下支承板11通过双头螺柱12连接，并由承压螺母10紧固，而所述移动板13可移动地设于上支承板14与下支承板11之间。其中，所述下岩心塞4支承在所述移动板13的上侧，而所述上岩心塞5顶抵于所述上支承板11的下侧。所述下支承板11和移动板13之间安装有轴向短程液压缸15，通过与轴压跟踪泵(图中未标示)连接推动移动板13将压力施加到下岩心塞4上，实现对岩心1的轴压加载。岩心夹持系统的两个金属压块301、302分别与左短程液压缸18和右短程液压缸19连接，分别利用左围压跟踪泵16和右围压跟踪泵17来对左、右短程液压缸18、19施压，通过短程液压缸柱塞延长杆将压力传递给两个金属压块301、302，从而实现金属压块301、302对岩心1的围压加载。

所述控温系统，包括：预热罐20、包裹所述岩心夹持系统的半开式电热管支承套21以及插入到所述半开式电热管支承套21的电热管固定孔内的能高温干烧的电热管22。此外，所述半开式电热管支承套21可外加囊式玻纤收紧保温。预热罐20与下岩心塞4的入口管线6相连，用于将注入流体提前加热，以免冷的气体将岩心1温度降低。为准确测量岩心的温度，温度传感器23并没有放入到加热支承套内，而是放到了岩心夹持系统的上岩心塞5内，即出气岩心塞内，测量的温度更接近岩心1实际温度，控温仪表采用高精度带PID调节的温度控制仪控温，控温精度±1℃。此外，预热罐20上设有温度传感器32。

再有，所述半开式电热管支承套21由支承杆24支承在移动板13上，以确保结构稳固；此外，所述半开式电热管支承套21还提供承载杆25连接在围压加载系统上。

所述冷凝系统，包括：上岩心塞隔热板9、下岩心塞隔热板8、左侧进水口26、左侧出水口27、右侧进水口28、右侧出水口29以及冷凝器30。在上岩心塞5与上支承板14、以及下岩心塞4与移动板13接触的部位分别安装有由聚酰亚胺高强隔热材料制作成的上岩心塞隔热板9以及下岩心塞隔热板8，在传递围压的左短程液压缸柱塞延长杆35(见图2)内安装有左侧进水口26和左侧出水口27，并且在传递围压的右短程液压缸柱塞延长杆36(见图2)内安装有右侧进水口28和右侧出水口29，均是通过自来水冷却。另外，所述上岩心塞5内的出口管线7上设有冷凝器30和计量装置31，冷凝器30由蛇形螺旋盘管及水夹套组成，将从岩心流出的高温气体快速冷却，用于后续分离，而计量装置31对产出气进行精确计量。

所述安全保护系统，包括：压力传感器33及安全阀34，其中所述压力传感器33和安全阀34均安装于预热罐20与下岩心塞4之间的入口管线6上，可有效防止在高温工作条件下，因温度上升，而导致的超压现象。当系统超过设定压力后，安装在预热罐20上的安全阀34通过溢流孔将系统内流体直接排出系统，降低系统内部压力，保护系统安全。压力传感器33可以设定系统最高压力保护值，当系统加热超压后系统会自动断电，关闭加热电源。

本发明与现有技术相比，采用特殊高温密封胶涂覆在岩心需要密封的壁面上作为密封材料，以与岩心尺寸匹配的多个金属压块组合作为夹持器，通过机械加压金属压块压紧涂覆高温密封胶的岩心壁面，使高温密封胶超细固体粉料将金属压块与岩心间的缝隙填满，并保持内聚力使密封膜不破裂而产生良好的密封效果，从而实现在加载三轴应力高温高压状态下连续实时在线测定岩石的渗透率或开展岩石注入实验。该装置最高耐温达到600℃以上，能够承受高达20MPa的流体注入压力。

实施例：

下面结合具体一个实施例对本发明做进一步的详细说明：

(1)本实施例中的岩心夹持器由耐高温合金制成的内圆外方的凸形金属压块301和凹形金属压块302组成，两个压块合拢后组成长度为200mm、侧面为边长100mm正方形的长方体，内部空心圆柱的直径为25mm；

(2)加工出直径25mm、长度50mm、表面光滑的岩心1，使用橡胶刮刀将高温密封胶均匀涂覆在表面光滑岩心的侧表面，涂覆厚度控制在1mm左右，形成高温密封胶层2，高温密封胶采用德国博科思(BIRKOSIT Dichtungskitt)F2000型产品，也可以采用其它品牌或自行研发的类似产品；

(3)在涂覆好高温密封胶的岩心1两端加上带有高温密封圈的下岩心塞4和上岩心塞5，居中放入凸形金属压块301的半圆形内腔；

(4)将凹形金属压块302与凸形金属压块301对齐，压在带有上、下岩心塞5、4的岩心1上，将组装好的夹持器放置到半开式电热管支承套21的卡槽内，将半开式电热管支承套21内的连接螺钉37(见图2)旋紧，将囊式玻纤包裹在半开式电热管支承套21周围并收紧，达到保温效果；

(5)启动轴压跟踪泵驱动轴向短程液压缸15，缓慢上升压力到设计压力，推动移动板13使上岩心塞5顶到上支承板14上，实现轴压加载；

(6)启动围压跟踪泵16、17驱动短程液压缸18、19，缓慢上升压力到设计压力，将推力通过短程液压缸柱塞延长杆35、36(见图2)传递到金属压块301、302，从而转变为加载到涂覆高温密封胶岩心1上的围压，围压使得涂覆的高温密封胶均匀分散开，在围压作用下高温密封胶超细固体粉料将金属压块与岩心间的缝隙填满，并保持内聚力使密封膜不破裂，实现岩心1的密封；

(7)把两个进水管(图中未示出)分别与左短程液压缸的柱塞延长杆上的进水口26和右短程液压缸柱塞延长杆上的进水口28连接，两个出水管分别与左短程液压缸柱塞延长杆35上的出水口27和右短程液压缸柱塞延长杆36上的出水口29连接，构成水循环冷却系统；

(8)启动水循环冷却系统及加热系统，根据实验目的设置控温仪的升温程序，将预热罐20和夹持器加热到设计温度；

(9)按设计压力将预热后的流体从下岩心塞4的入口管线6注入，流体从上岩心塞5的出口管线7流出，经过冷凝器30降温后被计量装置31计量，根据实验目的记录相关温度、压力、流量等数据，通过相关公式评价岩石的渗透性。

综上所述，本发明的有益效果是：

1)本发明能够在加载三轴应力状态下从室温到600℃连续实时在线测定岩石的渗透率或开展岩石注入实验；

2)注入压力可以达到20MPa，能够模拟1500m以内的地应力状态；

3)本发明可用于油页岩、煤、砂岩、碳酸盐岩、火山岩等各种岩性岩心；

4)本发明可用于热蒸汽、气体，热、冷水，轻质燃油、润滑剂，原油及天然气等多种注入流体，适用范围广泛；

5)本发明操作简单，单次实验成本很低，每次实验结束用抹布和刷子可轻易擦除金属压块和岩心表面的高温密封胶，便于实验的反复进行，取出的岩心也可以用于其它后续实验。

相关技术术语的名词解释虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，包括：

岩心夹持系统，包括金属压块、上岩心塞以及下岩心塞，所述上岩心塞和下岩心塞分别放置于岩心的上下两端，并由金属压块压紧，金属压块与岩心之间涂覆高温密封胶；所述下岩心塞中贯穿设有入口管线，并且所述上岩心塞中贯穿设有出口管线；

轴压和围压加载系统，用于对所述岩心夹持系统加载轴压和围压；

控温系统，与所述下岩心塞的入口管线相连，用于对注入岩心的流体进行加热；

冷凝系统，与所述上岩心塞的出口管线相连，用于对离开岩心的流体进行冷却，并对该部分流体进行计量。

2.根据权利要求1所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述轴压和围压加载系统，包括上支承板、下支承板、移动板、对应数量的承压螺母和双头螺柱，所述上支承板与下支承板通过双头螺柱连接，并由承压螺母紧固，而所述移动板能够移动地设于上支承板与下支承板之间；所述岩心夹持系统设置在所述上支承板与移动板之间；所述下支承板和移动板之间安装有轴向短程液压缸和轴压跟踪泵。

3.根据权利要求1所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述金属压块包括凸形金属压块和凹形金属压块，其分别与左短程液压缸、右短程液压缸连接，并且左短程液压缸和右短程液压缸分别连接左围压跟踪泵和右围压跟踪泵。

4.根据权利要求3所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述冷凝系统包括左侧进水口、左侧出水口、右侧进水口、右侧出水口、冷凝器以及计量装置，所述冷凝器和计量装置安装于上岩心塞的出口管线上，并且所述左侧进水口和左侧出水口设置在所述左短程液压缸的柱塞延长杆内，所述右侧进水口和右侧出水口设置在所述右短程液压缸的柱塞延长杆内。

5.根据权利要求1所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述控温系统包括预热罐、半开式电热管支承套和电热管，所述预热罐与下岩心塞的入口管线相连，所述半开式电热管支承套包裹所述岩心夹持系统，并且所述电热管插入到所述半开式电热管支承套内。

6.根据权利要求5所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，还包括安全保护系统，其包括压力传感器及安全阀，所述压力传感器和安全阀均安装于预热罐与下岩心塞之间的入口管线上。

7.根据权利要求3或4所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述凸形金属压块与凹形金属压块对接的表面是相互配合的台阶面。

8.根据权利要求3或4所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述凸形金属压块与凹形金属压块的内腔形状与岩心的外部形状相配合。

9.根据权利要求3或4所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述上岩心塞内设有温度传感器。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的高温三轴岩石渗透性评价装置，其特征在于，所述高温密封胶层采用单组份膏状密封剂制成。