CN107703175B - 一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器 - Google Patents

Abstract

一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，由主筒体、前压头、前顶杆、后压头、后顶杆、活塞、一级前端盖、二级前端盖、一级后端盖、二级后端盖、前密封套筒、后密封套筒、前堵头、后堵头、转接盘、静态扭矩加载组件、支撑固定卡环及激光位移传感器组装而成；本发明与传统的岩芯夹持器相比，能够模拟复杂的应力状态，能够对岩心试样同时施加轴压、围压、孔隙压和扭矩，并可对岩心试样的轴向变形进行测定，而且在围压加载时能够进行温度控制，用以模拟储层温度环境。本发明还可以对施加轴压条件、施加围压条件、施加孔隙压条件、施加静态扭矩条件进行任意的排列和组合，进而可以获得各种不同应力条件下以及各种不同温控条件下的核磁共振试验数据。

Description

一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器

技术领域

本发明属于核磁共振试验技术领域，特别是涉及一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器。

背景技术

目前，核磁共振技术以其具有的无损、快速、准确及直观的特点已被诸多领域广泛应用，其中就包括煤炭石油开采领域，通过对储层岩心进行核磁共振试验，不但可以分析储层岩心的孔径分布、孔隙度及渗透率等性质，还可以对储层岩心中的流体运移过程和多孔介质储层岩心的变形破坏过程进行定量的研究。

在针对储层岩心的核磁共振试验中，岩心夹持器则是必不可少的试验器械之一，而目前所应用的岩心夹持器存在功能单一的缺陷，其只能模拟主应力加载状态，因此仅在主应力状态下的储层岩心核磁共振特性具有明显的局限性。而储层岩心所处的实际地层受力状态是十分复杂的，想要使获取的储层岩心核磁共振特性更加真实，就需要岩心夹持器能够模拟出复杂的应力状态，因此亟需设计一种能够模拟复杂应力状态的多功能岩芯夹持器。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，能够模拟复杂的应力状态，能够对岩心试样同时施加轴压、围压、孔隙压和扭矩，并且能够对岩心试样的轴向变形进行测定，而且在围压加载时能够进行温度控制，用以模拟储层温度环境。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，包括主筒体、前压头、前顶杆、后压头、后顶杆、活塞、一级前端盖、二级前端盖、一级后端盖、二级后端盖、前密封套筒、后密封套筒、前堵头、后堵头及转接盘；所述主筒体的前端管口与一级前端盖的后端管口螺纹密封相连，一级前端盖的前端管口与二级前端盖的后端管口螺纹相连，所述前堵头螺纹密封连接在二级前端盖的前端管口；所述主筒体的后端管口与一级后端盖的前端管口螺纹密封相连，一级后端盖的后端管口与二级后端盖的前端管口螺纹相连；所述前压头与后压头之间装夹岩心试样，在岩心试样上套装有试样护管，所述前压头、后压头及岩心试样位于主筒体内侧；所述前压头的前端与前顶杆的后端螺纹密封相连，所述前密封套筒和活塞分别套装在前顶杆的杆体上，且前密封套筒的前端筒体与一级前端盖的前端管体内壁密封卡装配合，所述活塞位于前堵头与前密封套筒之间，活塞的前端管体与前堵头的后端管体内壁密封滑动配合，活塞的中部管体与二级前端盖的中部管体内壁密封滑动配合，活塞的后端管口与前顶杆的杆体上设置的阶梯台顶靠接触配合；所述前顶杆的前端管体穿过前堵头的中心孔道并延伸至前堵头的前方；所述后压头的后端与后顶杆的前端螺纹密封相连，所述后密封套筒和后堵头分别套装在后顶杆的杆体上，后密封套筒的中部管体与一级后端盖的后端管体内壁密封卡装配合；所述后堵头的前端管体与后密封套筒的后端管体螺纹密封相连，且后堵头的前端管口与后顶杆的杆体上设置的阶梯台顶靠接触配合；所述后顶杆的后端管体穿过后堵头的中心孔道并延伸至后堵头的后方；所述转接盘螺纹套装在在后堵头后方的后顶杆杆体上，转接盘与后堵头之间通过若干紧固螺钉相连；所述前密封套筒的后端管体、前压头、岩心试样、后压头及后密封套筒的前端管体统一由围压密封隔离套管包覆，且围压密封隔离套管与前密封套筒、一级前端盖、主筒体、一级后端盖及后密封套筒之间形成环形围压加载腔；在所述一级前端盖和一级后端盖的管体上分别设置有围压入口和围压出口，围压入口和围压出口同时与环形围压加载腔相通；所述活塞的前端管体与前堵头及二级前端盖之间形成环形轴压加载腔，活塞的后端管体与二级前端盖及前密封套筒之间形成环形轴压卸载腔；在所述二级前端盖的管体上分别设置有轴压入口和轴压出口，轴压入口与环形轴压加载腔相通，轴压出口与环形轴压卸载腔相通。

在所述前顶杆和前压头的轴向中心开设有孔隙压加载孔道，且前顶杆的杆体前端为孔隙压入口；在所述后压头和后顶杆的轴向中心开设有孔隙压卸载孔道，且后顶杆的杆体后端为孔隙压出口。

在所述前压头与岩心试样的承压接触面上、在后压头与岩心试样的承压接触面上均开设有环形导气结构凹槽；所述前压头上的环形导气结构凹槽与孔隙压加载孔道相通，后压头上的环形导气结构凹槽与孔隙压卸载孔道相通，通过环形导气结构凹槽使孔隙压均匀作用在岩心试样的表面。

在所述前顶杆的前端杆体上安装有静态扭矩加载组件，静态扭矩加载组件包括力臂支杆、施力砝码、吊绳及静态扭矩传感器；所述力臂支杆一端螺纹固连在前顶杆杆体上，所述施力砝码通过吊绳悬挂在力臂支杆另一端；所述静态扭矩传感器与力臂支杆相邻且安装在前顶杆杆体上。

在所述前顶杆的前端面正前方设置有激光位移传感器，通过激光位移传感器对前顶杆的轴向位移量进行测量，并间接对岩心试样的轴向压缩变形量进行测量。

在所述一级前端盖或二级前端盖、一级后端盖或二级后端盖上安装有支撑固定卡环，支撑固定卡环采用分体式结构，且通过螺栓固连组装在一起。

在所述前堵头、二级前端盖、一级前端盖、一级后端盖、二级后端盖及后堵头的外表面均设置有扳手卡装孔，通过扳手卡装孔与扳手配合进行岩芯夹持器的组装。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，能够模拟复杂的应力状态，能够对岩心试样同时施加轴压、围压、孔隙压和扭矩，并且能够对岩心试样的轴向变形进行测定，而且在围压加载时能够进行温度控制，用以模拟储层温度环境。本发明还可以对施加轴压条件、施加围压条件、施加孔隙压条件、施加静态扭矩条件进行任意的排列和组合，进而可以获得各种不同应力条件下以及各种不同温控条件下的核磁共振试验数据。

附图说明

图1为本发明的一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器的立体图；

图2为本发明的一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器的结构示意图；

图3为本发明的前压头的立体图；

图4为本发明的后压头的立体图；

图中，1—主筒体，2—前压头，3—前顶杆，4—后压头，5—后顶杆，6—活塞，7—一级前端盖，8—二级前端盖，9—一级后端盖，10—二级后端盖，11—前密封套筒，12—后密封套筒，13—前堵头，14—后堵头，15—转接盘，16—岩心试样，17—试样护管，18—围压密封隔离套管，19—环形围压加载腔，20—围压入口，21—围压出口，22—环形轴压加载腔，23—环形轴压卸载腔，24—轴压入口，25—轴压出口，26—孔隙压加载孔道，27—孔隙压卸载孔道，28—环形导气结构凹槽，29—力臂支杆，30—施力砝码，31—吊绳，32—静态扭矩传感器，33—激光位移传感器，34—支撑固定卡环，35—扳手卡装孔，36—孔隙压入口，37—孔隙压出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，包括主筒体1、前压头2、前顶杆3、后压头4、后顶杆5、活塞6、一级前端盖7、二级前端盖8、一级后端盖9、二级后端盖10、前密封套筒11、后密封套筒12、前堵头13、后堵头14及转接盘15；所述主筒体1的前端管口与一级前端盖7的后端管口螺纹密封相连，一级前端盖7的前端管口与二级前端盖8的后端管口螺纹相连，所述前堵头13螺纹密封连接在二级前端盖8的前端管口；所述主筒体1的后端管口与一级后端盖9的前端管口螺纹密封相连，一级后端盖9的后端管口与二级后端盖10的前端管口螺纹相连；所述前压头2与后压头4之间装夹岩心试样16，在岩心试样16上套装有试样护管17，所述前压头2、后压头4及岩心试样16位于主筒体1内侧；所述前压头2的前端与前顶杆3的后端螺纹密封相连，所述前密封套筒11和活塞6分别套装在前顶杆3的杆体上，且前密封套筒11的前端筒体与一级前端盖7的前端管体内壁密封卡装配合，所述活塞6位于前堵头13与前密封套筒11之间，活塞6的前端管体与前堵头13的后端管体内壁密封滑动配合，活塞6的中部管体与二级前端盖8的中部管体内壁密封滑动配合，活塞6的后端管口与前顶杆3的杆体上设置的阶梯台顶靠接触配合；所述前顶杆3的前端管体穿过前堵头13的中心孔道并延伸至前堵头13的前方；所述后压头4的后端与后顶杆5的前端螺纹密封相连，所述后密封套筒12和后堵头14分别套装在后顶杆5的杆体上，后密封套筒12的中部管体与一级后端盖9的后端管体内壁密封卡装配合；所述后堵头14的前端管体与后密封套筒12的后端管体螺纹密封相连，且后堵头14的前端管口与后顶杆5的杆体上设置的阶梯台顶靠接触配合；所述后顶杆5的后端管体穿过后堵头14的中心孔道并延伸至后堵头14的后方；所述转接盘15螺纹套装在在后堵头14后方的后顶杆5杆体上，转接盘15与后堵头14之间通过若干紧固螺钉相连；所述前密封套筒11的后端管体、前压头2、岩心试样16、后压头4及后密封套筒12的前端管体统一由围压密封隔离套管18包覆，且围压密封隔离套管18与前密封套筒11、一级前端盖7、主筒体1、一级后端盖9及后密封套筒12之间形成环形围压加载腔19；在所述一级前端盖7和一级后端盖9的管体上分别设置有围压入口20和围压出口21，围压入口20和围压出口21同时与环形围压加载腔19相通；所述活塞6的前端管体与前堵头13及二级前端盖8之间形成环形轴压加载腔22，活塞6的后端管体与二级前端盖8及前密封套筒11之间形成环形轴压卸载腔23；在所述二级前端盖8的管体上分别设置有轴压入口24和轴压出口25，轴压入口24与环形轴压加载腔22相通，轴压出口25与环形轴压卸载腔23相通。

在所述前顶杆3和前压头2的轴向中心开设有孔隙压加载孔道26，且前顶杆3的杆体前端为孔隙压入口36；在所述后压头4和后顶杆5的轴向中心开设有孔隙压卸载孔道27，且后顶杆5的杆体后端为孔隙压出口37。

在所述前压头2与岩心试样16的承压接触面上、在后压头4与岩心试样16的承压接触面上均开设有环形导气结构凹槽28；所述前压头2上的环形导气结构凹槽28与孔隙压加载孔道26相通，后压头4上的环形导气结构凹槽28与孔隙压卸载孔道27相通，通过环形导气结构凹槽28使孔隙压均匀作用在岩心试样16的表面。

在所述前顶杆3的前端杆体上安装有静态扭矩加载组件，静态扭矩加载组件包括力臂支杆29、施力砝码30、吊绳31及静态扭矩传感器32；所述力臂支杆29一端螺纹固连在前顶杆3杆体上，所述施力砝码30通过吊绳31悬挂在力臂支杆29另一端；所述静态扭矩传感器32与力臂支杆29相邻且安装在前顶杆3杆体上。

在所述前顶杆3的前端面正前方设置有激光位移传感器33，通过激光位移传感器33对前顶杆3的轴向位移量进行测量，并间接对岩心试样16的轴向压缩变形量进行测量。

在所述一级前端盖7或二级前端盖8、一级后端盖9或二级后端盖10上安装有支撑固定卡环34，支撑固定卡环34采用分体式结构，，且通过螺栓固连组装在一起。

在所述前堵头13、二级前端盖8、一级前端盖7、一级后端盖9、二级后端盖10及后堵头14的外表面均设置有扳手卡装孔35，通过扳手卡装孔35与扳手配合进行岩芯夹持器的组装。

下面结合附图说明本发明的一次应用过程：

本实施例中，主筒体1、前压头2及后压头4均采用耐腐蚀且高强度的无核磁共振信号的PEEK材料制成，前顶杆3、后顶杆5、活塞6、一级前端盖7、二级前端盖8、一级后端盖9、二级后端盖10、前密封套筒11、后密封套筒12、前堵头13、后堵头14、转接盘15、支撑固定卡环34及其所有连接用螺栓均采用316L不锈钢制成(全部进行消磁处理)，试样护管17和围压密封隔离套管18均采用无核磁共振信号的高强度氟胶软管制成。

在进行核磁共振试验前，需要先行安装岩心试样16，此时的岩芯夹持器处于拆解状态。

将前压头2与前顶杆3、后压头4与后顶杆5连接在一起，保证密封良好，然后将试样护管17套装到岩心试样16上，再将岩心试样16装夹到前压头2与后压头4之间，且岩心试样16与前压头2和后压头4的径向接触面涂上高强度密封胶，涂胶过程中要避免密封胶滴落到环形导气结构凹槽28中，保证岩心试样16与前压头2和后压头4的轴向接触面无胶。此时，依次由前顶杆3、前压头2、岩心试样16、试样护管17、后压头4及后顶杆5构成“试样装配体”，并将“试样装配体”放到一边待用。

将前密封套筒11卡装到一级前端盖7内，保证密封良好，然后将二级前端盖8连接到一级前端盖7上，再将活塞6放入二级前端盖8内，最后将前堵头13安装到二级前端盖8上，但不要将前堵头13完全旋紧；接下来，先将围压密封隔离套管18的一端过盈插入前密封套筒11上，然后将主筒体1套在围压密封隔离套管18外，并将主筒体1一端与一级前端盖7连接在一起，再将一级后端盖9连接到主筒体1另一端，然后将后密封套筒12卡装到一级后端盖9内，并保证密封良好，而同时后密封套筒12过盈插入围压密封隔离套管18的另一端，最后将二级后端盖10连接到一级后端盖9上。此时，依次由前堵头13、二级前端盖8、活塞6、前密封套筒11、一级前端盖7、围压密封隔离套管18、主筒体1、一级后端盖9、二级后端盖10及后密封套筒12构成“外壳装配体”。

将最先组装好的“试样装配体”取回，然后令“试样装配体”的前顶杆3缓慢的从“外壳装配体”的后密封套筒12插入，直到从“外壳装配体”的前堵头13中穿出，然后将后堵头14套入后顶杆5并逐渐旋入后密封套筒12内，最后将前堵头13和后堵头14全部完全旋紧；接下来，将转接盘15安装到后顶杆5，再利用紧固螺钉将转接盘15与后堵头14固连在一起。此时，岩芯夹持器的主体结构部分全部安装完毕。

接下来开始安装其他功能部件。首先将两组支撑固定卡环34安装到位，然后安装静态扭矩加载组件。静态扭矩加载组件的安装过程为：首先将静态扭矩传感器32安装到位，然后安装力臂支杆29，将力臂支杆29的螺纹端旋入前顶杆3的安装螺孔即可，之后根据试验需求设定需要施加的静态扭矩，可通过扭矩计算公式(M＝mgl，M为扭矩，m为质量，g为重力加速度，l为力臂长度)来确定砝码30的质量以及砝码30的挂点(通过调整挂点来改变力臂长度)。最后安装激光位移传感器33，激光位移传感器33的激光发射端距前顶杆3的前端面约1米左右即可，本实施例中选用的量程为10mm且分辨率为0.2μm的激光位移传感器33即可。

在进行核磁共振试验前，还需要准备一套带温控功能的氟油加载系统和一套带恒温水浴的气体加载系统，通过氟油加载系统为岩心试样16提供轴压加载条件和围压加载条件，通过气体加载系统为岩心试样16提供孔隙压加载条件，本实施例中的气体加载系统选用的气源为甲烷。

进行核磁共振试验前的最后准备工作，首先将组装好的岩芯夹持器移入试验区，通过两组支撑固定卡环34使主筒体1在核磁共振线圈及其连接的波导管中出现悬空状态，这样一来，能够保证核磁共振线圈及其连接的波导管在试验过程中处于不受压状态，有效避免因受压变形引起的测量误差。然后将氟油加载系统分别接入轴压入口24、轴压出口25、围压入口20和围压出口21，并将气体加载系统分别接入孔隙压入口36和孔隙压出口37，当所有系统全部调试好后，便可开始核磁共振试验了。

根据实际试验需要，可以对施加轴压条件、施加围压条件、施加孔隙压条件、施加静态扭矩条件进行任意的排列和组合，进而可以获得各种不同应力条件下以及各种不同温控条件下的核磁共振试验数据。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，其特征在于：包括主筒体、前压头、前顶杆、后压头、后顶杆、活塞、一级前端盖、二级前端盖、一级后端盖、二级后端盖、前密封套筒、后密封套筒、前堵头、后堵头及转接盘；所述主筒体的前端管口与一级前端盖的后端管口螺纹密封相连，一级前端盖的前端管口与二级前端盖的后端管口螺纹相连，所述前堵头螺纹密封连接在二级前端盖的前端管口；所述主筒体的后端管口与一级后端盖的前端管口螺纹密封相连，一级后端盖的后端管口与二级后端盖的前端管口螺纹相连；所述前压头与后压头之间装夹岩心试样，在岩心试样上套装有试样护管，所述前压头、后压头及岩心试样位于主筒体内侧；所述前压头的前端与前顶杆的后端螺纹密封相连，所述前密封套筒和活塞分别套装在前顶杆的杆体上，且前密封套筒的前端筒体与一级前端盖的前端管体内壁密封卡装配合，所述活塞位于前堵头与前密封套筒之间，活塞的前端管体与前堵头的后端管体内壁密封滑动配合，活塞的中部管体与二级前端盖的中部管体内壁密封滑动配合，活塞的后端管口与前顶杆的杆体上设置的阶梯台顶靠接触配合；所述前顶杆的前端管体穿过前堵头的中心孔道并延伸至前堵头的前方；所述后压头的后端与后顶杆的前端螺纹密封相连，所述后密封套筒和后堵头分别套装在后顶杆的杆体上，后密封套筒的中部管体与一级后端盖的后端管体内壁密封卡装配合；所述后堵头的前端管体与后密封套筒的后端管体螺纹密封相连，且后堵头的前端管口与后顶杆的杆体上设置的阶梯台顶靠接触配合；所述后顶杆的后端管体穿过后堵头的中心孔道并延伸至后堵头的后方；所述转接盘螺纹套装在在后堵头后方的后顶杆杆体上，转接盘与后堵头之间通过若干紧固螺钉相连；所述前密封套筒的后端管体、前压头、岩心试样、后压头及后密封套筒的前端管体统一由围压密封隔离套管包覆，且围压密封隔离套管与前密封套筒、一级前端盖、主筒体、一级后端盖及后密封套筒之间形成环形围压加载腔；在所述一级前端盖和一级后端盖的管体上分别设置有围压入口和围压出口，围压入口和围压出口同时与环形围压加载腔相通；所述活塞的前端管体与前堵头及二级前端盖之间形成环形轴压加载腔，活塞的后端管体与二级前端盖及前密封套筒之间形成环形轴压卸载腔；在所述二级前端盖的管体上分别设置有轴压入口和轴压出口，轴压入口与环形轴压加载腔相通，轴压出口与环形轴压卸载腔相通；在所述前顶杆和前压头的轴向中心开设有孔隙压加载孔道，且前顶杆的杆体前端为孔隙压入口；在所述后压头和后顶杆的轴向中心开设有孔隙压卸载孔道，且后顶杆的杆体后端为孔隙压出口；在所述前顶杆的前端杆体上安装有静态扭矩加载组件，静态扭矩加载组件包括力臂支杆、施力砝码、吊绳及静态扭矩传感器；所述力臂支杆一端螺纹固连在前顶杆杆体上，所述施力砝码通过吊绳悬挂在力臂支杆另一端；所述静态扭矩传感器与力臂支杆相邻且安装在前顶杆杆体上。

2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，其特征在于：在所述前压头与岩心试样的承压接触面上、在后压头与岩心试样的承压接触面上均开设有环形导气结构凹槽；所述前压头上的环形导气结构凹槽与孔隙压加载孔道相通，后压头上的环形导气结构凹槽与孔隙压卸载孔道相通，通过环形导气结构凹槽使孔隙压均匀作用在岩心试样的表面。

3.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，其特征在于：在所述前顶杆的前端面正前方设置有激光位移传感器，通过激光位移传感器对前顶杆的轴向位移量进行测量，并间接对岩心试样的轴向压缩变形量进行测量。

4.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，其特征在于：在所述一级前端盖或二级前端盖、一级后端盖或二级后端盖上安装有支撑固定卡环，支撑固定卡环采用分体式结构，且通过螺栓固连组装在一起。

5.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振试验的多功能岩芯夹持器，其特征在于：在所述前堵头、二级前端盖、一级前端盖、一级后端盖、二级后端盖及后堵头的外表面均设置有扳手卡装孔，通过扳手卡装孔与扳手配合进行岩芯夹持器的组装。