CN112858020A - 一种岩石三轴围压加载及渗流试验装置和方法 - Google Patents

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庞惠文
艾白布·阿不力米提
解赤栋
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Abstract

本发明涉及一种岩石三轴围压加载及渗流试验装置和方法，包括：岩样装夹系统，包括底座，底座被配置为放置岩样；岩样三轴围压加载系统，包括液压活塞和侧压板，液压活塞和侧压板安装于底座上，岩样被放置在侧压板上，液压活塞和侧压板被配置为向岩样三轴向上施加围压；岩样渗流系统，包括储液罐和排出口，储液罐被配置为向岩样注入试验流体，排出口被配置为将试验流体排出，以保持试验过程中流体处于流动状态；DIC测量系统及计算机控制系统，二者被配置为对试验过程中的岩样及流体流动状态进行观测及处理。该试验装置及方法能够实现在加载三轴岩石围压的条件下，对岩石的渗流过程、裂缝形态等微观形态作出精准观测及分析。

Description

一种岩石三轴围压加载及渗流试验装置和方法
技术领域
本发明涉及一种岩石三轴围压加载及渗流试验装置和方法，尤其是一种基于数字图像相关法(DIC)测量技术的岩石三轴围压加载及渗流试验装置和方法，属于油气田开发岩石力学试验技术领域。
背景技术
地层岩石作为石油与天然气开采过程中的直接作业对象，对其性能状态的研究是石油天然气开采领域的主要研究方向之一。地层深部岩石环境及受力复杂，除受三轴地应力影响外，油气开发过程中的流体渗流作用，注水、注气等增产措施都会对岩石受力状态及过流能力产生影响。近年来，伴随技术进步，诸如水平井体积压裂、水射流储层改造、脉冲增能改造等大量新型增产技术得到广泛应用，大大促进了油气产量的提高。因此，对上述新工艺技术应用中，大量作业流体进入地层，作用于地层岩石后，对岩石产生的应力、应变状态，裂缝形成扩展形态，渗流能力等研究就极为重要。目前对岩石渗流试验主要还是在单轴或者三轴试验机上，通过压差作用进行岩石渗流试验，测量岩石的渗透性能。这样的试验虽然测量了岩石的渗透性能，但对岩石的微观结构变化及变化过程无法直接观测，难以在微观层面上对岩石的结构进行分析及渗流能力变化做根本研究。
数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)是一种基于数字图像处理和数值计算的光学测量方法，该测量方法对试验环境要求宽松，且抗干扰能力强、测量精度高，作为一种灵活有效，功能强大的测量手段，对试验过程中岩石样本现状、变形、运动等信息观测具有较大优势。
发明内容
针对上述突出问题，本发明提供一种基于数字图像相关法(DIC)测量技术的岩石三轴围压加载及渗流试验装置和方法，以解决现有试验技术无法在三轴围压与高压增能流体在岩石中的渗流双重耦合作用下，对岩样应力应变变化、裂缝形成拓展、过流体流动形态等内容无法进行微观精细观测的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种岩石三轴围压加载及渗流试验装置，包括：
岩样装夹系统，包括底座，所述底座被配置为放置岩样；
岩样三轴围压加载系统，包括液压活塞和侧压板，所述液压活塞和所述侧压板安装于所述底座上，所述岩样被放置在所述侧压板上，所述液压活塞和所述侧压板被配置为向所述岩样三轴向上施加围压；
岩样渗流系统，包括储液罐和排出口，所述储液罐被配置为向所述岩样注入试验流体，所述排出口被配置为将试验流体排出，以保持试验过程中流体处于流动状态；
DIC测量系统及计算机控制系统，二者被配置为对试验过程中的所述岩样及流体流动状态进行观测及处理。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，岩样装夹系统还包括透明玻璃压板和上盖板，当将所述岩样置于所述侧压板上后，所述透明玻璃压板安装于所述岩样的上方，所述上盖板加盖在所述透明玻璃压板上，所述透明玻璃压板与所述底座可拆卸紧固连接，所述上盖板上设置有观察窗，所述观察窗被配置为观察所述岩样。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，所述液压活塞包括y轴向液压活塞、x轴向液压活塞和z轴向液压活塞，三者均安装于所述底座上，所述侧压板包括y轴向侧压板、x轴向侧压板和z轴向侧压板，三者亦均安装于所述底座上；
所述y轴向液压活塞与所述y轴向侧压板活动连接，所述x轴向液压活塞与所述x轴向侧压板活动连接，所述z轴向液压活塞与所述z轴向侧压板活动连接。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，所述岩样三轴围压加载系统还包括液压泵入系统和若干活塞堵头，若干所述活塞堵头安装于所述底座上，所述活塞堵头被配置为控制所述液压活塞的启停；
所述液压泵入系统通过液压管线以及y轴侧压接头与所述y轴向液压活塞连接，所述液压泵入系统通过液压管线以及x轴侧压接头与所述x轴向液压活塞连接，所述液压泵入系统通过液压管线以及z轴侧压接头与所述z轴向液压活塞连接；
所述液压泵入系统还通过液压泵系统控制线路与所述计算机控制系统电连接。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，所述岩样渗流系统还包括进液增压泵和排出液储液罐，所述进液增压泵的输入端通过增压泵管线与所述储液罐的输出端连接，所述进液增压泵的输出端通过注入管线和注入头与所述底座连接，所述排出液储液罐的入口通过排出管线与所述排出口连接，所述进液增压泵还通过增压泵控制线路与所述计算机控制系统电连接。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，DIC测量系统包括相机，所述相机通过相机控制线路与所述计算机控制系统电连接。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，所述液压泵入系统为单一液压系统或三个独立的液压系统，以便为所述y轴向侧压板、所述x轴向侧压板和所述z轴向侧压板加载相同或不同的围岩压力。
所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，优选地，所述注入管线和所述注入头数量若干，二者一一对应设置，可根据试验要求，控制每一所述注入头的注入参数，以模拟非均匀注入试验。
基于上述岩石三轴围压加载及渗流试验装置的试验方法，本发明还提供该装置的试验方法，包括如下步骤：
S1：将所述岩样放置于所述z轴侧压板上，依次安装所述x轴向侧压板、所述y轴向侧压板，并将所述透明玻璃压板压盖在所述岩样上，然后安装所述上盖板，最后用紧固螺栓将所述上盖板与所述底座上紧压实；
S2：通过所述计算机控制系统控制并启动所述液压泵入系统，所述液压泵入系统驱动所述液压活塞产生轴向移动，进而推动所述测压板压持所述岩样，以完成所述岩样围压的施加；
S3：通过所述计算机控制系统控制并启动所述进液增压泵对所述岩样泵注高压流体，使所述岩样处于渗流试验状态；
S4：通过所述计算机控制系统控制所述DIC测量系统进行观测记录，并完成数据资料的处理。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过岩样装夹系统对岩样进行安装夹持，岩样三轴围压加载系统应用液压控制为岩样提供三轴围压，岩样渗流系统对岩样实施增能高压流体渗流，应用数字图像相关法(DIC)测量系统对岩样进行观测分析。该试验装置及方法能够实现在加载三轴岩石围压的条件下，对岩石的渗流过程、裂缝形态等微观形态作出精准观测及分析。
2、本发明将数字图像相关法(DIC)应用于岩石渗流观测，提供了一种在三轴围压与高压增能流体在岩石中的渗流双重耦合作用下，岩石的应力应变变化、裂缝形成拓展、过流体流动形态的试验检测方法，以便在实验室最大限度的模拟地层条件下，观测研究高压增能流体对岩石的作用规律，指导工程实践。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于DIC测量技术的岩石三轴围压加载及渗流试验装置的基本结构示意图；
图中各附图标记如下：
1-岩样装夹系统，101-底座，102-透明玻璃压板，103-密封圈，104-上盖板，105-观察窗，106-紧固螺栓，107-紧固螺栓孔，108-岩样；2-岩样三轴围压加载系统，201-液压泵入系统，202-液压管线，203-y轴侧压接头，204-x轴侧压接头，205-z轴侧压接头，206-y轴向液压活塞，207-x轴向液压活塞，208-y轴向侧压板，209-x轴向侧压板，210-z轴向侧压板，211-活塞堵头，212-液压泵系统控制线路；3-岩样渗流系统，301-储液罐，302-增压泵管线，303-进液增压泵，304-注入管线，305-注入头，306-排出口，307-排出管线，308-排出液储液罐，309-增压泵控制线路；4-DIC测量系统，401-相机，402-相机控制线路，5-计算机控制系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。本发明中使用的“上”、“下”、“x轴”、“y轴”等位置表述仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
本发明所提供的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，包括：岩样装夹系统1，包括底座101，底座101被配置为放置岩样108；岩样三轴围压加载系统2，包括液压活塞和侧压板，液压活塞和侧压板安装于底座101上，岩样108被放置在侧压板上，液压活塞和侧压板被配置为向岩样108三轴向上施加围压；岩样渗流系统3，包括储液罐301和排出口306，储液罐301被配置为向岩样108注入试验流体，排出口306被配置为将试验流体排出，以保持试验过程中流体处于流动状态；DIC测量系统4及计算机控制系统5，二者被配置为对试验过程中的岩样1及流体流动状态进行观测及处理。本发明装置能够解决现有试验技术无法在三轴围压与高压增能流体在岩石中的渗流双重耦合作用下，对岩样应力应变变化、裂缝形成拓展、过流体流动形态等内容无法进行微观精细观测的问题。
本具体实施方式中，优选地，岩样装夹系统1还包括透明玻璃压板102和上盖板104，当将岩样108置于侧压板上后，透明玻璃压板102安装于岩样108的上方，上盖板104加盖在透明玻璃压板102上，透明玻璃压板102与底座101可拆卸紧固连接，上盖板104上设置有观察窗105，观察窗105被配置为观察岩样108。
本具体实施方式中，优选地，液压活塞包括y轴向液压活塞206、x轴向液压活塞207和z轴向液压活塞，三者均安装于底座101上，侧压板包括y轴向侧压板208、x轴向侧压板209和z轴向侧压板210，三者亦均安装于底座101上；
y轴向液压活塞206与y轴向侧压板208活动连接，x轴向液压活塞207与x轴向侧压板209活动连接，z轴向液压活塞与z轴向侧压板210活动连接。
本具体实施方式中，优选地，述岩样三轴围压加载系统1还包括液压泵入系统201和若干活塞堵头211，若干活塞堵头211安装于底座101上，活塞堵头211被配置为控制液压活塞的启停；
液压泵入系统201通过液压管线202以及y轴侧压接头203与y轴向液压活塞206连接，液压泵入系统201通过液压管线202以及x轴侧压接头204与x轴向液压活塞207连接，液压泵入系统201通过液压管线202以及z轴侧压接头205与z轴向液压活塞连接；
液压泵入系统201还通过液压泵系统控制线路212与计算机控制系统5电连接。
本具体实施方式中，优选地，岩样渗流系统3还包括进液增压泵303和排出液储液罐308，进液增压泵303的输入端通过增压泵管线302与储液罐301的输出端连接，进液增压泵303的输出端通过注入管线304和注入头305与底座101连接，排出液储液罐308的入口通过排出管线307与排出口306连接，进液增压泵303还通过增压泵控制线路309与计算机控制系统5电连接。
本具体实施方式中，优选地，DIC测量系统4包括相机401，相机401通过相机控制线路与计算机控制系统5电连接。
本具体实施方式中，优选地，液压泵入系统201为单一液压系统或三个独立的液压系统，以便为y轴向侧压板208、x轴向侧压板209和z轴向侧压板210加载相同或不同的围岩压力。
本具体实施方式中，优选地，注入管线304和注入头305数量若干，二者一一对应设置，可根据试验要求，控制每一注入头305的注入参数，以模拟非均匀注入试验。
本具体实施方式中，优选地，透明玻璃压板102为透明有机玻璃压板102。
基于上述岩石三轴围压加载及渗流试验装置，本发明还提供该装置的试验方法，包括如下步骤：
S1：将岩样108放置于z轴侧压板210上，依次安装x轴向侧压板209、y轴向侧压板208，并将透明玻璃压板102压盖在岩样108上，然后安装上盖板104，最后用紧固螺栓106将上盖板104与底座101上紧压实；
S2：通过计算机控制系统5控制并启动液压泵入系统201，液压泵入系统201驱动液压活塞产生轴向移动，进而推动测压板压持岩样108，以完成岩样108围压的施加；
S3：通过计算机控制系统5控制并启动进液增压泵303对岩样108泵注高压流体，使岩样108处于渗流试验状态；
S4：通过计算机控制系统5控制DIC测量系统4进行观测记录，并完成数据资料的处理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，包括：
岩样装夹系统(1)，包括底座(101)，所述底座(101)被配置为放置岩样(108)；
岩样三轴围压加载系统(2)，包括液压活塞和侧压板，所述液压活塞和所述侧压板安装于所述底座(101)上，所述岩样(108)被放置在所述侧压板上，所述液压活塞和所述侧压板被配置为向所述岩样(108)三轴向上施加围压；
岩样渗流系统(3)，包括储液罐(301)和排出口(306)，所述储液罐(301)被配置为向所述岩样(108)注入试验流体，所述排出口(306)被配置为将试验流体排出，以保持试验过程中流体处于流动状态；
DIC测量系统(4)及计算机控制系统(5)，二者被配置为对试验过程中的所述岩样(1)及流体流动状态进行观测及处理。
2.根据权利要求1所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，岩样装夹系统(1)还包括透明玻璃压板(102)和上盖板(104)，当将所述岩样(108)置于所述侧压板上后，所述透明玻璃压板(102)安装于所述岩样(108)的上方，所述上盖板(104)加盖在所述透明玻璃压板(102)上，所述透明玻璃压板(102)与所述底座(101)可拆卸紧固连接，所述上盖板(104)上设置有观察窗(105)，所述观察窗(105)被配置为观察所述岩样(108)。
3.根据权利要求2所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，所述液压活塞包括y轴向液压活塞(206)、x轴向液压活塞(207)和z轴向液压活塞，三者均安装于所述底座(101)上，所述侧压板包括y轴向侧压板(208)、x轴向侧压板(209)和z轴向侧压板(210)，三者亦均安装于所述底座(101)上；
所述y轴向液压活塞(206)与所述y轴向侧压板(208)活动连接，所述x轴向液压活塞(207)与所述x轴向侧压板(209)活动连接，所述z轴向液压活塞与所述z轴向侧压板(210)活动连接。
4.根据权利要求3所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，所述岩样三轴围压加载系统(1)还包括液压泵入系统(201)和若干活塞堵头(211)，若干所述活塞堵头(211)安装于所述底座(101)上，所述活塞堵头(211)被配置为控制所述液压活塞的启停；
所述液压泵入系统(201)通过液压管线(202)以及y轴侧压接头(203)与所述y轴向液压活塞(206)连接，所述液压泵入系统(201)通过液压管线(202)以及x轴侧压接头(204)与所述x轴向液压活塞(207)连接，所述液压泵入系统(201)通过液压管线(202)以及z轴侧压接头(205)与所述z轴向液压活塞连接；
所述液压泵入系统(201)还通过液压泵系统控制线路(212)与所述计算机控制系统(5)电连接。
5.根据权利要求4所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，所述岩样渗流系统(3)还包括进液增压泵(303)和排出液储液罐(308)，所述进液增压泵(303)的输入端通过增压泵管线(302)与所述储液罐(301)的输出端连接，所述进液增压泵(303)的输出端通过注入管线(304)和注入头(305)与所述底座(101)连接，所述排出液储液罐(308)的入口通过排出管线(307)与所述排出口(306)连接，所述进液增压泵(303)还通过增压泵控制线路(309)与所述计算机控制系统(5)电连接。
6.根据权利要求5所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，DIC测量系统(4)包括相机(401)，所述相机(401)通过相机控制线路与所述计算机控制系统(5)电连接。
7.根据权利要求6所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，所述液压泵入系统(201)为单一液压系统或三个独立的液压系统，以便为所述y轴向侧压板(208)、所述x轴向侧压板(209)和所述z轴向侧压板(210)加载相同或不同的围岩压力。
8.根据权利要求7所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置，其特征在于，所述注入管线(304)和所述注入头(305)数量若干，二者一一对应设置，可根据试验要求，控制每一所述注入头(305)的注入参数，以模拟非均匀注入试验。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的岩石三轴围压加载及渗流试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将所述岩样(108)放置于所述z轴侧压板(210)上，依次安装所述x轴向侧压板(209)、所述y轴向侧压板(208)，并将所述透明玻璃压板(102)压盖在所述岩样(108)上，然后安装所述上盖板(104)，最后用紧固螺栓(106)将所述上盖板(104)与所述底座(101)上紧压实；
S2：通过所述计算机控制系统(5)控制并启动所述液压泵入系统(201)，所述液压泵入系统(201)驱动所述液压活塞产生轴向移动，进而推动所述测压板压持所述岩样(108)，以完成所述岩样(108)围压的施加；
S3：通过所述计算机控制系统(5)控制并启动所述进液增压泵(303)对所述岩样(108)泵注高压流体，使所述岩样(108)处于渗流试验状态；
S4：通过所述计算机控制系统(5)控制所述DIC测量系统(4)进行观测记录，并完成数据资料的处理。
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