CN111855339A - 一种冻土岩芯制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冻土岩芯制备装置，包括底座台；设置在所述底座台上的压制装置，所述压制装置包括厚壁圆筒，所述厚壁圆筒的上端设置有第一压头，其下端设置有第二压头；连接所述压制装置的加压装置，所述加压装置向所述第一压头或所述第二压头提供压力；以及连接所述压制装置的冷库，所述冷库调节所述压制装置内的温度。本发明还涉及一种冻土岩芯制备方法。本发明通过对松散冻土施加不同的压制力以模拟不同的冻土层深度，经过反算可以确定土体的孔隙度、含水量、含水饱和度等一系列参数，得到正确合理的岩心土水比并制备饱和的冻土岩心。
Description
技术领域
本发明涉及一种冻土岩芯制备装置，属于模拟实验测试装置。本发明还涉及一种冻土岩芯制备方法。
背景技术
在进行暂堵压裂及酸化压裂过程中，暂堵剂的性能在很大程度上影响着裂缝的有效转向。为保证暂堵材料有效封堵已有裂缝，提高缝内净压力，实现裂缝转向，在井筒周围形成复杂缝网，需要对不同类型暂堵材料在不同储层及施工条件下的暂堵性能进行评价。通过研究不同类型、不同浓度暂堵剂在不同缝宽条件下的暂堵性能，评估和认识某一具体暂堵液体系在某一浓度下的裂缝封堵极限宽度，可为暂堵剂在压裂现场的应用提供指导，提高压裂改造效果。因此，发明一种可精确评价暂堵剂暂堵效果的装置及应用方法非常必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种冻土岩芯制备装置和方法，通过对松散冻土施加不同的压制力以模拟不同的冻土层深度，经过反算可以确定土体的孔隙度、含水量、含水饱和度等一系列参数，得到正确合理的岩心土水比并制备饱和的冻土岩心。
本发明的一个方面，提出了一种冻土岩芯制备装置，其特征在于，包括：
底座台；
设置在所述底座台上的压制装置，所述压制装置包括厚壁圆筒，所述厚壁圆筒的上端设置有第一压头，其下端设置有第二压头；
连接所述压制装置的加压装置，所述加压装置向所述第一压头或所述第二压头提供压力；以及
连接所述压制装置的冷库，所述冷库调节所述压制装置内的温度。
本发明的进一步改进在于，所述厚壁圆筒包括压制圆筒，以及与所述压制圆筒配合的脱模圆筒；
其中，所述脱模圆筒的内径大于所述压制圆筒的内径。
本发明的进一步改进在于，所述压制圆筒在脱模时设置在所述脱模圆筒的上方，并且在脱模时所述第一压头连接有第三压头，所述第三压头设置在压制圆筒内并推动岩芯移动到所述脱模圆筒内。
本发明的进一步改进在于，所述脱模圆筒的底部设置有弹性垫。
本发明的进一步改进在于，所述加压装置包括伺服电机，所述伺服电机通过信号传输线连接有油泵，所述油泵通过输油管线连接所述第一压头；
其中，所述输油管线上设置有阀门，并且所述油泵连接有压力表。
本发明的另一个方面，提出了一种岩芯制备方法，通过上述冻土岩芯制备装置实现，包括：
步骤一，采集研究层位地表露头的冻土，并烘干、研磨筛分成土粉；
步骤二，将土粉与蒸馏水混合均匀制成湿土粉，之后将湿土粉添加到压制圆筒中，压制圆筒的两端固定第一压头和第二压头并放置在底座台上，同时打开冷库调节温度；
步骤三，加压装置控制第一压头对压制圆筒内施加一定的压力，并保持一段时间；随后倒置压制圆筒的方向，通过加压装置控制第二压头对压制圆筒内施加一定的压力，并保持一段时间，形成岩芯；
步骤四，通过脱模圆筒将岩芯取出。
本发明的进一步改进在于，在步骤二中，取质量为m1的饱和土，烘干后的土样质量为m2，计算出饱和土的水土比为(m1-m2)/m2；制作湿土粉时加入的土粉质量为m3，加入的蒸馏水的质量为m4，其满足如下式子：
m4＝m3×(m1-m2)/m2。
本发明的进一步改进在于，所述第一压头施加的压力的计算方法满足如下式子，
其中，ρ为出饱和土的密度，h为岩芯模拟的深度，d为岩芯的直径。
本发明的进一步改进在于，计算岩芯的土水比，其中，取出后的岩芯质量为m5，烘干后的岩芯质量为m6，岩芯的水土比为
本发明的进一步改进在于，判断岩芯是否为饱和岩芯，并计算岩芯的孔隙度和含水饱和度；
其中，取出后的岩芯质量为m7，烘干后的岩芯质量为m8，岩芯的长度为l，截面直径为d，研究层位地表的骨架密度为ρ骨，那么岩芯的孔隙度为：
含水饱和度为：
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所述的冻土岩芯制备装置和方法，通过对松散冻土施加不同的压制力以模拟不同的冻土层深度，经过反算可以确定土体的孔隙度、含水量、含水饱和度等一系列参数，得到正确合理的岩心土水比并制备饱和的冻土岩心。该装置及方法具有低成本、高效率易于操作等优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的冻土岩芯制备装置的结构示意图，显示了压制岩芯时的状态；
图2是根据本发明的一个实施方案的冻土岩芯制备装置的结构示意图；显示了岩芯脱模时的状态。
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绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、压制装置，2、加压装置，3、底座台，4、冷库，5、岩芯，11、压制圆筒，12、脱模圆筒，13、第一压头，14、第二压头，15、第三压头，16、弹性垫，21、伺服电机，22、油泵，23、阀门，24、压力表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的冻土岩芯制备装置。根据本发明的冻土岩芯制备装置，通过对松散冻土施加不同的压制力以模拟不同的冻土层深度，经过反算可以确定土体的孔隙度、含水量、含水饱和度等一系列参数，得到正确合理的岩心土水比并制备饱和的冻土岩心。
如图1和图2所示，本实施例所述的冻土岩芯5制备装置，其包括底座台3，所述底座台3用于支撑其他部件。所述底座台3上设置有压制装置1，所述压制装置1包括厚壁圆筒。厚壁圆筒的上端设置第一压头13，其下端设置有第二压头14。厚壁圆筒为内部盛放岩芯5，并通过第一压头13和第二压头14对岩芯5提供压力。所述冻土岩芯5制备装置还包括加压装置2，所述加压装置2向所述第一压头13或第二压头14提供压力，在压制过程中，可以通过加压装置2先对第一压头13提供压力，再对第二压头14提供压力。所述压制装置1连接冷库4，冷却能够调节压制装置1内的温度。
在使用根据本实施例所述的冻土岩芯5制备装置时，冻土岩芯5在压制装置1内进行压力，岩芯5放置在厚壁圆筒中。底座台3对压制装置1起到支撑的作用，第二压头14在厚壁圆筒的底部支撑，第一压头13在厚壁圆通的顶部施加压力。加压装置2向第一压头13提供压力，从而使第一压头13对厚壁圆筒内的岩芯5施压。冷库4能够控制压制装置1内的温度，为制备岩心提供设定好的负温环境，负温环境可以保证岩心制备过程中当孔隙水分布不均时，孔隙水结冰后会由于压融而进行重新分配，使制成冻土岩心孔隙冰分布均匀。若先压制岩心再进行冷冻处理，可能会导致体积膨胀使得冻土岩心内部产生裂缝。
在一个实施例中，所述厚壁圆筒包括压制圆筒11，以及与所述压制圆筒11配合的脱模圆筒12。压制圆筒11用于压制岩芯5，脱模圆筒12用于将压制岩芯5从压制圆筒11内取出。在本实施例中，所述脱模圆筒12的内径大于所述压制圆筒11的内径，在脱模时脱模圆筒12设置在压制圆筒11的下方，由于脱模圆筒12的内径大于压制圆筒11的内径，岩芯5从压制圆筒11内压入到脱模圆筒12内，从而与压制圆筒11脱离。
在一个实施例中，所述压制圆筒11在脱模时设置在所述脱模圆筒12的上方，并且在脱模时所述第一压头13连接有第三压头15，第三压头15设置在第一压头13的下方。在压制时不需要第三压头15，在脱模时将第三压头15设置在第一压头13的下方。所述第三压头15设置在压制圆筒11内并推动所述岩芯5移动到所述脱模圆筒12内。
在使用根据本实施例所述的冻土岩芯5制备装置时，如图1所示，在压制时，将岩芯5的材质设置在压制圆筒11内，并通过第一压头13和第二压头14进行压制。在压制完成后进行脱模，如图2所示，第三压头15设置在第一压头13的下方，将脱模圆筒12设置在压制圆筒11的下方，并且第一压头13和第二压头14在压制圆筒11向下对岩芯5进行挤压，将岩芯5推动到脱模圆筒12内。
在一个优选的实施例中，所述压制圆筒11的内径为25mm，高度为75mm，所用材料为锻压的磨具钢。脱模圆筒12为内径为27mm，高度为75mm，外径与压制圆筒11外径相同，所用材料为45号钢。第一压头13的上部圆柱外径为35mm、高度为10mm，第二压头14外径为25mm、高度为40mm，第三压头15外径为25mm、高度为30mm的圆柱体。其中，第一压头13、第二压头14和第三压头15所用材料为磨具钢。
在一个优选的实施例中，所述脱模圆筒12的底部设置有弹性垫16。所述弹性垫16优选为软海绵垫，也可以是橡胶垫、气垫或者棉花垫等其他具有弹性的垫子。在脱模的过程中，由于脱模圆筒12的内径大于压制圆筒11的内径，岩芯5在压制圆筒11内时会卡在圆筒内，从压制圆筒11内出来时会从脱模圆筒12内掉落到底部。通过设置弹性垫16能够对掉落的岩芯5起到缓冲的作用，避免岩芯5受到撞击而破碎。
在一个实施例中，所述加压装置2包括伺服电机21，所述伺服电机21通过信号传输线连接有油泵22，所述油泵22通过输油管线连接所述第一压头13。其中，所述输油管线上设置有阀门23。在一个优选的实施例中，所述油泵22连接有压力表24。
在使用根据本实施例所述的冻土岩芯5制备装置时，伺服控制压机所控制的压力可维持数小时的载荷恒定。
根据本发明的另一个方面，还提出了一种岩芯制备方法，其通过根据上述实施例所述的冻土岩芯制备装置实现，其包括：
步骤一，采集研究层位地表露头的冻土，并烘干、研磨筛分成土粉待用；
步骤二，将土粉与蒸馏水混合均匀制成湿土粉，之后将湿土粉添加到压制圆筒中，压制圆筒的两端固定第一压头和第二压头并放置在底座台上，同时打开冷库调节温度；
步骤三，加压装置控制第一压头对压制圆筒内施加一定的压力，并保持一段时间；随后倒置压制圆筒的方向，通过加压装置控制第二压头对压制圆筒内施加一定的压力，并保持一段时间，形成冻土岩芯；
步骤四，通过脱模圆筒将冻土岩芯取出。
在一个优选的实施例中，在步骤二中，湿土粉中土粉和蒸馏水的比例的确定方法如下。取一定量的冻土融化浸水，获取饱和土样。再取质量为m0的饱和土样置于有油的量筒中，测出土样的体积为V0，可以求出饱和土的密度ρ。再取质量为m1的饱和土置于烘箱内烘干，烘干后的土样质量为m2，计算出饱和土的水土比为(m1-m2)/m2。烘干后的土粉质量为m3，加入的蒸馏水的质量为m4，其中，满足如下式子：m4＝m3×(m1-m2)/m2。
在一个优选的实施例中，所述步骤三中，第一压头施加的压力的计算方法满足如下式子，ρ：
其中，ρ为出饱和土的密度，h为岩芯模拟的深度，d为岩芯的直径。
在一个优选的实施例中，计算岩芯的土水比，其中，取出后的岩芯质量为m5，烘干后的岩芯质量为m6，岩芯的水土比为
在一个优选的实施例中，在步骤四脱模以后，判断岩芯是否为饱和岩芯，如果为饱和岩芯，则计算岩芯的孔隙度和含水饱和度；如果不是饱和岩芯，则重新制备岩芯。判断岩芯是否为饱和岩芯时，取出后的岩芯质量为m7，浸入油液中来测量岩芯的体积V，计算ρ1＝m7/V；
测量岩芯的长度l，截面直径为d，计算岩芯的密度ρ2＝4m7/(πd2l)；
如果ρ1≈ρ2，则岩芯为饱和岩芯。
在本实施例中，取出后的岩芯质量为m7，烘干后的岩芯质量为m8，岩芯的长度为l，截面直径为d，研究层位地表的骨架密度为ρ骨，那么岩芯的孔隙度为：
含水饱和度为：
下面结合一个具体的实施例进行说明。
步骤一，取漠河采集的原状地表土与电子秤称重质量为m1＝20.35g，经过排油测量体积法测量的体积V0＝10.10cm3，岩样密度为ρ1＝m1/V0＝2.018g/cm3。取同样质量的土于烘箱中，烘干后质量为m2＝16.88g，计算地表土含水质量m3满足下列式子m3＝m1-m2＝3.76cm3。地表水的含水体积为V1＝m3/ρ水＝3.47cm3，由土体骨架密度ρ骨＝2.68g/cm3得到，骨架体积为V2＝6.32cm3，空气体积V3＝V0-V2＝3.76cm3，地表冻土含水率为f1＝m3/m1＝17％，地表冻土的饱和度为S＝V1/V3＝0.9224。
步骤二，取70g已研磨好过100目筛的烘干的冻土粉末与14.39cm3的蒸馏水(其体积V4＝(70g×m3/m2)/ρ水＝14.39m3)，一起置于瓷砵中，搅合均匀。将混合均匀的湿润冻土置于压制圆筒内，由第一压头和第二压头固定并放置在底座台上，打开冷库调节至目标温度-5℃。
调节伺服压机，使压力系统其以5.81kn大小的力作用在第一压头上(其中压制力的确定方法为：F＝m1/V0×g×h×(π×d2/4)＝5.81kn)，所制得的岩心模拟深度为600m。
控制压力不变压制时间为15分钟后，调节伺服压机卸压，旋转压制圆筒，使其第一压头在下、第二压头在上。使用调节伺服压机重新加载至压力为5.81kn稳定15分钟后卸压，取出岩心制备装置。此过程中由于水含量大于此应力状态下的水含量，所以此过程中会有一部分水或流土流出。
步骤三，取出第一压头与第二压头，将脱模圆筒置于底座台上，带有弹性垫一端朝下，将带有岩心的压制圆筒置于脱模圆筒上，端面对其，在压制圆筒上放置第三压头和第一压头。打开伺服压机，以20mm/min的速率大小下压第一压头，使压制圆筒内的冻土岩心缓缓脱离，进入脱模圆筒中。取出冻土岩心，称量重量为54.96g，测量岩心长度为53.4mm，岩心直径为25mm。
步骤四，将岩心置于烘箱中以103℃烘烤24h后取出干岩心，称量重量为46.44g。确定制作模拟深度为600m的饱和冻土岩心的土水比1:0.183。其确定方法为：岩样的质量为m4＝54.96g，体积为V5＝3.14×2.52×5.34/4＝26.20cm3密度为ρ2＝m4/V5＝2.097g/cm3。岩样骨架质量为m5＝46.44g，骨架理论体积为V6＝m5/ρ骨＝17.39cm3，理论的空隙体积V7＝V5-V6＝8.817cm3，岩样含水体积V8＝(m4-m5)/ρ水＝8.52cm3，600m过饱和所制的岩样含水饱和度S＝V8/V7＝0.966，考虑到水结冰体积膨胀，可是为饱和冻土岩心。则600m的饱和冻土岩心的土水比可确定为1:0.183。
按50g土、9.15ml水进行配比，重复步骤二和步骤三，实验过程中几乎无流土流出。取出岩心称重为57.98g，测量长度为5.620cm、直径为2.5cm。计算此时岩心的密度为ρ3＝2.10≈ρ2，表明按此土水比所压制出的冻土岩心为饱和岩心。
将岩心置于烘箱中烘烤若干小时后取出干岩心，称量重量为49.10。此时可确定岩样的含水率为15.31％，孔隙度为33.29％，含水饱和度为96.7％。即得出按饱和岩心水土配比所制岩心的物性参数。
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)
1.一种冻土岩芯制备装置，其特征在于，包括：
底座台；
设置在所述底座台上的压制装置，所述压制装置包括厚壁圆筒，所述厚壁圆筒的上端设置有第一压头，其下端设置有第二压头；
连接所述压制装置的加压装置，所述加压装置向所述第一压头或所述第二压头提供压力；以及
连接所述压制装置的冷库，所述冷库调节所述压制装置内的温度。
2.根据权利要求1所述的冻土岩芯制备装置，其特征在于，所述厚壁圆筒包括压制圆筒，以及与所述压制圆筒配合的脱模圆筒；
其中，所述脱模圆筒的内径大于所述压制圆筒的内径。
3.根据权利要求2所述的冻土岩芯制备装置，其特征在于，所述压制圆筒在脱模时设置在所述脱模圆筒的上方，并且在脱模时所述第一压头连接有第三压头，所述第三压头设置在压制圆筒内并推动岩芯移动到所述脱模圆筒内。
4.根据权利要求3所述的冻土岩芯制备装置，其特征在于，所述脱模圆筒的底部设置有弹性垫。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的冻土岩芯制备装置，其特征在于，所述加压装置包括伺服电机，所述伺服电机通过信号传输线连接有油泵，所述油泵通过输油管线连接所述第一压头；
其中，所述输油管线上设置有阀门，并且所述油泵连接有压力表。
6.一种冻土岩芯制备方法，其特征在于，通过根据权利要求1所述的冻土岩芯制备装置实现，包括：
步骤一，采集研究层位地表露头的冻土，并烘干、研磨筛分成土粉；
步骤二，将土粉与蒸馏水混合均匀制成湿土粉，之后将湿土粉添加到压制圆筒中，压制圆筒的两端固定第一压头和第二压头并放置在底座台上，同时打开冷库调节温度；
步骤三，加压装置控制第一压头对压制圆筒内施加一定的压力，并保持一段时间；随后倒置压制圆筒的方向，通过加压装置控制第二压头对压制圆筒内施加一定的压力，并保持一段时间，形成岩芯；
步骤四，通过脱模圆筒将岩芯取出。
7.根据权利要求6所述的冻土岩芯制备方法，其特征在于，在步骤二中，取质量为m1的饱和土，烘干后的土样质量为m2，计算出饱和土的水土比为(m1-m2)/m2；制作湿土粉时加入的土粉质量为m3，加入的蒸馏水的质量为m4，其满足如下式子：
m4＝m3×(m1-m2)/m2。
8.根据权利要求7所述的冻土岩芯制备方法，其特征在于，所述第一压头施加的压力的计算方法满足如下式子，
其中，ρ为出饱和土的密度，h为岩芯模拟的深度，d为岩芯的直径。
9.根据权利要求7所述的冻土岩芯制备方法，其特征在于，计算岩芯的土水比，其中，取出后的岩芯质量为m5，烘干后的岩芯质量为m6，岩芯的水土比为
10.根据权利要求7所述的冻土岩芯制备方法，其特征在于，判断岩芯是否为饱和岩芯，并计算岩芯的孔隙度和含水饱和度；
其中，取出后的岩芯质量为m7，烘干后的岩芯质量为m8，岩芯的长度为l，截面直径为d，研究层位地表的骨架密度为ρ骨，那么岩芯的孔隙度为：
含水饱和度为：
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