CN112986287A - 一种超高压非金属岩心夹持器 - Google Patents

一种超高压非金属岩心夹持器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高压非金属岩心夹持器，包括夹持器主体，夹持器主体的内部从左到右依次设置有左堵头、岩心、右堵头及轴压活塞，岩心的外侧套设有氟橡胶套，左堵头、岩心、右堵头及轴压活塞的外侧与夹持器主体的内壁之间形成空腔一，轴压活塞远离右堵头的一侧外部套设有轴压端盖。有益效果：本发明可以实现利用CT及PET‑CT对夹持器主体及其内部的岩心进行扫描，从而有助于实验人员直观地掌握岩心在水力压裂过程中内部裂缝的动态扩展过程和流体运移的动态过程；通过特殊的结构设计，能够实现在围压50MPa、轴压100MPa、注入压50MPa的超高压条件下对岩心进行水力压裂实验，从而可以在实验室中对岩心实现野外水力压裂的过程进行模拟。

Description

一种超高压非金属岩心夹持器
技术领域
本发明涉及非常规油气开发领域的专用实验装置，具体来说，涉及一种超高压非金属岩心夹持器。
背景技术
随着常规油气藏开发程度的深入，开发难度不断提高。为了缓解世界能源危机，以页岩气等致密油气藏为代表的非常规油气资源成为了人类能源消费结构中的主体。非常规油气藏大多存储于地下数百至数千米深的低孔隙度、低渗透率地层中。通常情况下，为了提高储层产能，需要对该类储层进行水力压裂，使得储层中产生有利于流体运移的裂缝通道从而达到经济效益。
在水力压裂的过程中，储层岩石中裂缝发育程度决定了地层产能的大小。研究储层岩石中裂缝网络的生长过程与流体运移过程对于指导水力压裂施工生产，提高产能具有重要意义。储层岩石处在地下高温高压的环境，水力压裂过程中储层内部变化情况难以被人类肉眼观察得到，开展模拟原位环境的水力压裂实验对于研究岩石内部裂缝扩展过程是一个很好的途径。岩心夹持器是一种用于开展各类岩心实验的专用装置，实验室通常使用岩心夹持器对岩心施加压力以模拟地下埋深的原位地应力。
X射线计算机断层扫描是分析研究不透明材料内部结构的最有效的无损方法之一，但常规岩心夹持器多采用金属材质，X射线无法完全穿透。多物理场监测是一种了解岩石内部物性变化与岩石力学参数变化特征的手段。通常实验所用的各类型传感器中都带有金属电极片，金属电极片会在CT/PET-CT的成像中产生伪影，影响成像效果，寻找一种可监测岩芯内部变化情况的非金属材质传感器对于实现X射线扫描下的多物理场监测具有重要意义。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种超高压非金属岩心夹持器，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种超高压非金属岩心夹持器，包括夹持器主体，所述夹持器主体的内部从左到右依次设置有相互连接的左堵头、岩心、右堵头及轴压活塞，所述岩心的外侧套设有氟橡胶套，所述左堵头、所述岩心、所述右堵头及所述轴压活塞的外侧与所述夹持器主体的内壁之间形成空腔一，所述轴压活塞远离所述右堵头的一侧外部套设有轴压端盖。
进一步的，为了方便左堵头及轴压端盖的拆卸与安装，所述夹持器主体的两侧外部均套设有法兰，所述左堵头及所述轴压端盖通过所述法兰及螺栓分别与所述夹持器主体的两侧固定连接。
进一步的，为了实现对岩心夹持器进行支撑，两组所述法兰的外部均套设有支架。
进一步的，为了对岩心进行注入围压测试，所述左堵头的顶部卡接设置有围压接口，所述围压接口通过通管与所述空腔一相连通，所述左堵头的中部卡接设置有流出端接口，所述流出端接口通过通管与所述岩心的一侧相连通。
进一步的，为了实现水力压裂过程中对岩石力学参数变化的监测需求，所述岩心的外部且位于所述氟橡胶套的内侧缠绕设置有光纤线，所述左堵头底部靠近所述空腔一的一侧及远离所述空腔一的一侧分别卡接设置有密封接头及传输接头，且所述光纤线穿过所述密封接头及所述传输接头的中部并延伸至所述传输接头的外部。
进一步的，为了对岩心进行注入压测试，所述右堵头靠近所述岩心的一侧卡接设置有压裂接头，所述右堵头的底部及所述夹持器主体的底部均卡接设置有注入压接口，且两组所述注入压接口均通过通管与所述压裂接头相连通。
进一步的，为了岩心进行注入轴压测试，所述右堵头的一端与所述夹持器主体的侧面及所述轴压端盖的内侧之间分别形成空腔二及空腔三，所述轴压端盖的外侧中部卡接设置有轴压接口，所述轴压接口通过通管与所述空腔三相连通，所述轴压端盖的顶部卡接设置有活塞退回注气接口，且所述活塞退回注气接口通过通管与所述空腔二相连通。
进一步的，为了保证夹持器主体的密封性，所述岩心与所述左堵头之间、所述岩心与所述轴压活塞之间及所述轴压活塞与所述轴压端盖之间均设置有密封圈。
进一步的，为了实现利用CT及PET-CT对夹持器主体及其内部的圆柱状岩心进行扫描，所述夹持器主体可采用聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维材料制作而成。
本发明的有益效果为：
（1）、通过利用X射线可穿透的聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维材料代替金属制作夹持器主体，可以实现利用CT及PET-CT对夹持器主体及其内部的圆柱状岩心进行扫描，从而有助于实验人员直观地掌握岩心在水力压裂过程中内部裂缝的动态扩展过程和流体运移的动态过程。
（2）、本发明通过特殊的结构设计，能够实现在围压50MPa、轴压100MPa、注入压50MPa的超高压条件下对岩心进行水力压裂实验，从而可以在实验室中对岩心实现野外水力压裂的过程进行模拟。
（3）、通过分布式布置光纤传感通道，可满足水力压裂过程中对岩石力学参数变化的监测需求；通过设置密封圈在保证夹持器主体密封性的基础上，具有了更高的耐压性能，且赋予了岩心夹持器更多的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种超高压非金属岩心夹持器的主视图；
图2是根据本发明实施例的一种超高压非金属岩心夹持器的侧视图；
图3是根据本发明实施例的一种超高压非金属岩心夹持器中支架的剖视图。
图中：
1、夹持器主体；2、左堵头；3、岩心；4、右堵头；5、轴压活塞；6、氟橡胶套；7、空腔一；8、轴压端盖；9、法兰；10、螺栓；11、支架；12、围压接口；13、流出端接口；14、光纤线；15、密封接头；16、传输接头；17、压裂接头；18、注入压接口；19、空腔二；20、空腔三；21、轴压接口；22、活塞退回注气接口；23、密封圈。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种超高压非金属岩心夹持器。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-3所示，根据本发明实施例的超高压非金属岩心夹持器，包括夹持器主体1，所述夹持器主体1的内部从左到右依次设置有相互连接的左堵头2、岩心3、右堵头4及轴压活塞5，所述岩心3的外侧套设有氟橡胶套6，所述左堵头2、所述岩心3、所述右堵头4及所述轴压活塞5的外侧与所述夹持器主体1的内壁之间形成空腔一7，所述轴压活塞5远离所述右堵头4的一侧外部套设有轴压端盖8。
具体的，夹持器主体1设计为圆筒状，中间为通孔样式，可用于放置岩心；主体内径大于岩心3尺寸，保证了放入岩心3后夹持器主体1内部留有形成围压的间隙（即空腔一7）；夹持器主体的两端外壁上设置有一定宽度的螺纹。
借助于上述方案，可以利用夹持器主体1对岩心3进行稳定夹持，并利用CT及PET-CT对夹持器主体1及其内部的圆柱状岩心3进行扫描，从而有助于实验人员直观地掌握岩心在水力压裂过程中内部裂缝的动态扩展过程和流体运移的动态过程；本发明通过特殊的结构设计，能够实现在围压50MPa、轴压100MPa、注入压50MPa的超高压条件下对岩心进行水力压裂实验，从而可以在实验室中对岩心实现野外水力压裂的过程进行模拟
在一个实施例中，所述夹持器主体1的两侧外部均套设有法兰9，所述左堵头2及所述轴压端盖8通过所述法兰9及螺栓10分别与所述夹持器主体1的两侧固定连接，从而方便左堵头2及轴压端盖8的拆卸与安装。
在一个实施例中，两组所述法兰9的外部均套设有支架11，从而实现对岩心夹持器进行支撑。
在一个实施例中，所述左堵头2的顶部卡接设置有围压接口12，所述围压接口12通过通管与所述空腔一7相连通，所述左堵头2的中部卡接设置有流出端接口13，所述流出端接口13通过通管与所述岩心3的一侧相连通，这样可以利用围压接口12对岩心3进行注入围压测试。
在一个实施例中，所述岩心3的外部且位于所述氟橡胶套6的内侧缠绕设置有光纤线14，所述左堵头2底部靠近所述空腔一7的一侧及远离所述空腔一7的一侧分别卡接设置有密封接头15及传输接头16，且所述光纤线14穿过所述密封接头15及所述传输接头16的中部并延伸至所述传输接头16的外部，这样可满足水力压裂过程中对岩石力学参数变化的监测需求。
在一个实施例中，所述右堵头4靠近所述岩心3的一侧卡接设置有压裂接头17，所述右堵头4的底部及所述夹持器主体1的底部均卡接设置有注入压接口18，且两组所述注入压接口18均通过通管与所述压裂接头17相连通，从而可以利用注入压接口18对岩心3进行注入压测试。
在一个实施例中，所述右堵头4的一端与所述夹持器主体1的侧面及所述轴压端盖8的内侧之间分别形成空腔二19及空腔三20，所述轴压端盖8的外侧中部卡接设置有轴压接口21，所述轴压接口21通过通管与所述空腔三20相连通，所述轴压端盖8的顶部卡接设置有活塞退回注气接口22，且所述活塞退回注气接口22通过通管与所述空腔二19相连通，这样可以利用轴压接口21对岩心3进行注入轴压测试。
在一个实施例中，所述岩心3与所述左堵头2之间、所述岩心3与所述轴压活塞5之间及所述轴压活塞5与所述轴压端盖8之间均设置有密封圈23，从而在保证夹持器主体1密封性的基础上，具有了更高的耐压性能，且赋予了岩心夹持器更多的功能。
在一个实施例中，所述夹持器主体1可采用聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维制作而成，这样可以实现利用CT及PET-CT对夹持器主体1及其内部的圆柱状岩心3进行扫描。
具体的，夹持器主体1由聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维材料制成，上述两种材料均为特种高分子材料。纯聚醚醚酮材料具有非常高的机械性能，具有耐高温耐高压的特性。在纯聚醚醚酮材料的基础上填充40%碳纤维进行增强，使聚醚醚酮加碳纤维这种复合材料具有更高的弹性模量、更好的机械强度和更高的耐蠕变性，可以耐受高压高温条件；上述两种材料的组成元素只是氢、氧和碳这三种低原子序数元素，所以密度非常低。X射线在穿透低原子序数和低密度材料的时候衰减量较小，因此使用这种材料对CT图像和PET-CT图像中都不会产生不利影响。
另外，岩心3在放置于夹持器主体1之前，外侧需要包裹由耐油耐压的氟橡胶制成的一定厚度的氟橡胶套6，氟橡胶套6起到将围压油和岩心进行隔绝的作用。氟橡胶套6的设计不是标准的圆筒状，氟橡胶套6的中间部分内径等于岩心3直径，氟橡胶套6的两端处直径稍大于中间部分的直径。如此设计是利用了氟橡胶的弹性，保证了氟橡胶套6可以完全贴合在岩心3外侧实现良好的密封性；氟橡胶套6的两端处直径稍大于是为了保证氟橡胶套6两端可以将岩心3两端处的堵头进行包裹，防止围压油从氟橡胶套6两端边缘泄露进外壳内部。
岩心两端堵头为一对，材质为耐高压质量小的硬质铝合金。采用此材料可在保证强度的同时易拆卸。堵头内侧与夹持器主体1两端外侧之间采用螺纹进行密封。左堵头2中设置有围压接口12和流出端接口13及对应的通管，这两个通管彼此独立。围压油通过围压接口12和对应通管进入夹持器主体1的空腔一7，对岩心3施加围压。设置流出端接口13是给岩心3内部的流体提供运移的出口，保证水力压裂实验的有效性。左堵头2中设置有一个用于放置光纤线14的通孔，利用高压线束密封手段把光纤线14内置在左堵头2的通孔中。右堵头4中设置有注入压接口18和对应通管。用于进行水力压裂实验的岩心3在一个端面的中心处需要钻取用于流体注入的圆柱状注水孔。为了防止流体注入时在岩心3端面发生漏液，故设计一个压裂接头17。该接头是由耐高压且X射线可穿透的聚醚醚酮材料制成，在保证压力条件下也可以不会对X射线成像产生不利影响。压裂接头17一端嵌入岩心3中央的注水孔，另一端嵌入右堵头4中。
夹持器内部各个零件之间采用多层密封圈23实现密封，保证在高压条件下零件之前不会发生压力泄露，保证夹持器整体的密封性。
右堵头4右侧为T型圆柱状轴压活塞5，活塞两个端面的面积大小不等，定义面积较大的为活塞上端面，面积较小的为活塞下端面。轴压活塞5可内嵌在圆盘状轴压端盖8中，轴压端盖8中心设置有轴压注入通孔，高压流体通过通孔作用到T型圆柱状轴压活塞的上端面，推动轴压活塞5向夹持器内部方向移动。采用T型圆柱状活塞的设计是为了在保证密封性的同时，留出活塞在轴压端盖8中的密闭移动空间。
夹持器主体1两端与左堵头2和轴压端盖8之间分别采用法兰9和螺栓10进行连接和密封。由于夹持器整体外观为圆柱体，为了保证在水力压裂过程中夹持器的稳定性，将整个夹持器放置于支架11上。
在水力压裂过程中进行CT扫描或者PET-CT扫描可以获得岩心3内部裂缝动态扩展过程的图像。为了进一步研究岩石在水力压裂过程中内部动力学变化过程，本发明将分布式光纤传感技术，利用医疗CT扫描技术和PET-CT扫描技术，对装载在非金属夹持器中的岩心3进行水力压裂实验全过程动态扫描成像，观测实验过程中岩石内部裂缝的动态扩展过程和流体在岩石内部运移的轨迹，进一步研究岩石在水力压裂过程中内部动力学过程。
在上述基础上，将分布式光纤监测引入水力压裂实验和CT/PET-CT扫描中。由玻璃或塑料制成的分布式光纤线对于X射线成像不会产生任何影响，故实验人员可在进行水力压裂实验和CT/PET-CT扫描的同时利用分布式光纤传感器进行水力压裂实验中岩石应力与应变等岩石力学参数变化情况的监测。将水力压裂实验过程中岩石内部裂缝动态扩展过程、岩石内部流体运移轨迹与岩石力学参数变化这三者相结合，有助于实验人员深入分析岩石的破裂过程与破裂机理。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
在实际应用时，首先将左右两个法兰9装到夹持器主体1的两端。然后将一根光纤线14按照等间距缠绕于岩心3表面，然后在氟橡胶套6左侧对应位置钻取一个小孔。将缠绕有光纤线14的岩心3包裹于氟橡胶套6中，在氟橡胶套6上光纤线出口处使用硅橡胶进行密封；待硅橡胶完全凝固后，将包裹于氟橡胶套6的岩心3放置在耐高压且X射线可穿透的聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维材料制作圆筒状夹持器主体1中；接着将氟橡胶套6外侧留出的光纤线14与左堵头2上光纤线14的密封接头15进行连接；随后将左堵头2套入氟橡胶套6的左端；随后将带有聚醚醚酮材质的压裂接头17和通管的右堵头4套入氟橡胶套6的右端，并且将两个注入压接口18进行连接；待以上工作完成后，将轴压活塞5装入右堵头4的右侧，并装上与之配套的带有轴压接口21、活塞退回注气接口22及对应通管的轴压端盖8；夹持器主体1与左堵头2和轴压端盖8先通过螺纹拧合实现连接，最后通过螺栓10将法兰9与夹持器主体1两端、左堵头2和轴压端盖8进行密封连接；将组装完成的岩心夹持器放置在支架11之上。
水力压裂实验开始之前，先将岩心夹持器组装完毕，连带支架11一起放置在医疗CT或者PET-CT工作台上；然后将用于打围压、轴压和注入压的高压泵通过高压管线与岩心夹持器上对应的接口进行连接；最后将分布式光纤采集与解调系统通过数据传输接头16进行连接；利用高压泵对岩心夹持器依次施加围压、轴压和注入压，开始水力压裂实验，同时开展分布式光纤监测，并在水力压裂实验过程中利用医疗CT或者PET-CT按照一定的时间间隔对岩心夹持器进行扫描。
待实验结束后，将岩心夹持器与外部高压泵断开连接，向活塞退回注气接口22中注入气体，使得夹持器主体1中轴压活塞5向轴压端盖8退回，然后将夹持器主体1与两端零件拆解，将岩心取出。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过利用X射线可穿透的聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维代替金属制作夹持器主体1，可以实现利用CT及PET-CT对夹持器主体1及其内部的圆柱状岩心3进行扫描，从而有助于实验人员直观地掌握岩心在水力压裂过程中内部裂缝的动态扩展过程和流体运移的动态过程。
此外，本发明通过特殊的结构设计，能够实现在围压50MPa、轴压100MPa、注入压50MPa的超高压条件下对岩心进行水力压裂实验，从而可以在实验室中对岩心实现野外水力压裂的过程进行模拟。
此外，通过分布式布置光纤传感通道，可满足水力压裂过程中对岩石力学参数变化的监测需求；通过设置密封圈23在保证夹持器主体1密封性的基础上，具有了更高的耐压性能，且赋予了岩心夹持器更多的功能。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，包括夹持器主体（1），所述夹持器主体（1）的内部从左到右依次设置有相互连接的左堵头（2）、岩心（3）、右堵头（4）及轴压活塞（5），所述岩心（3）的外侧套设有氟橡胶套（6），所述左堵头（2）、所述岩心（3）、所述右堵头（4）及所述轴压活塞（5）的外侧与所述夹持器主体（1）的内壁之间形成空腔一（7），所述轴压活塞（5）远离所述右堵头（4）的一侧外部套设有轴压端盖（8）。
2.根据权利要求1所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述夹持器主体（1）的两侧外部均套设有法兰（9），所述左堵头（2）及所述轴压端盖（8）通过所述法兰（9）及螺栓（10）分别与所述夹持器主体（1）的两侧固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，两组所述法兰（9）的外部均套设有支架（11）。
4.根据权利要求1或2所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述左堵头（2）的顶部卡接设置有围压接口（12），所述围压接口（12）通过通管与所述空腔一（7）相连通，所述左堵头（2）的中部卡接设置有流出端接口（13），所述流出端接口（13）通过通管与所述岩心（3）的一侧相连通。
5.根据权利要求1所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述岩心（3）的外部且位于所述氟橡胶套（6）的内侧缠绕设置有光纤线（14），所述左堵头（2）底部靠近所述空腔一（7）的一侧及远离所述空腔一（7）的一侧分别卡接设置有密封接头（15）及传输接头（16），且所述光纤线（14）穿过所述密封接头（15）及所述传输接头（16）的中部并延伸至所述传输接头（16）的外部。
6.根据权利要求1所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述右堵头（4）靠近所述岩心（3）的一侧卡接设置有压裂接头（17），所述右堵头（4）的底部及所述夹持器主体（1）的底部均卡接设置有注入压接口（18），且两组所述注入压接口（18）均通过通管与所述压裂接头（17）相连通。
7.根据权利要求1所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述右堵头（4）的一端与所述夹持器主体（1）的侧面及所述轴压端盖（8）的内侧之间分别形成空腔二（19）及空腔三（20），所述轴压端盖（8）的外侧中部卡接设置有轴压接口（21），所述轴压接口（21）通过通管与所述空腔三（20）相连通，所述轴压端盖（8）的顶部卡接设置有活塞退回注气接口（22），且所述活塞退回注气接口（22）通过通管与所述空腔二（19）相连通。
8.根据权利要求1所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述岩心（3）与所述左堵头（2）之间、所述岩心（3）与所述轴压活塞（5）之间及所述轴压活塞（5）与所述轴压端盖（8）之间均设置有密封圈（23）。
9.根据权利要求1所述的一种超高压非金属岩心夹持器，其特征在于，所述夹持器主体（1）可采用聚醚醚酮或者聚醚醚酮加碳纤维材料制作而成。
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