CN113090239B - 基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于岩石物理模拟技术领域，提供了一种基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备及模拟方法。基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备包括油液舱、液压单元、加热单元、振动台、三轴加速度传感器以及配套的控制单元。本发明提供的后桥总成，通过在油液舱中充注预设压力和预设温度液压油并在油液舱的开口处密封设置弹性膜，利用弹性膜的弹性使岩样隔着弹性膜伸入到油液舱中，使岩样可以在取芯位置处的近似环境下进行共振试验，以获得更可靠的模拟实验结果。
Description
技术领域
本发明属于岩石物理模拟技术领域，更具体地说，是涉及一种基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备及模拟方法。
背景技术
近些年来页岩气等非常规油气勘探开发进展十分迅速，但页岩气及其他非常规油气相比在勘探，开发方面都面临着巨大的困难，如页岩储层的渗透率极低，不同类型的页岩因为其内在品质的不同造成非均质性较强，给后期的压裂开采造成很大影响。与常规油气相比，页岩储层由于其低孔、低渗的特征页岩气常以游离态和吸附态存在于纳米、微米级孔隙，故需要人为破坏裂缝才能实现工业性开采的目的。页岩的可压裂性是能否获得高产的关键，目前主流的储层改造技术是水力压裂技术，但是有很多弊端，例如压裂液体进入地下水造成污染，天然气泄露进入地表造成污染，因此更真实准确的模拟页岩储层的物理特性、获得有效的改善裂缝发育的方法、加快压裂工艺手段，是当前非常规油气储层勘探开发的关键。
现有的储层渗透率改善技术是通过水力压裂的手段进行页岩气的工业性开采，在实际应用过程中不仅会对地表环境(水资源)造成严重的污染，并且会引起局部地震或地层塌陷。共振技术大多应用于桥梁施工，数控机床，岩石钻进等领域，在岩石物理领域内应用较少，而现今应用共振原理的改善裂缝发育的装置也仅仅是在室内环境下应用，实验不能反应取芯位置处真实的地下环境，对岩样也仅仅起到固定的作用，而在真实的地下环境中岩样受到周围岩层围压，处于高温和高压状态。如何在尽可能贴近真实地下温压的基础上，利用共振技术模拟改善岩石裂缝发育的试验，是目前提升岩石裂缝改善模拟装置性能和推进储层改造工艺的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，旨在解决或者至少在一定程度上解决现有的模拟改善页岩裂缝的设备无法贴近真实地下环境的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，提供一种基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，包括：
油液舱，下部设有开口，所述开口处设有弹性膜以密封所述开口，所述弹性膜具有弹性以供岩样通过所述开口伸入至所述油液舱内；
液压单元，用于为所述油液舱提供具有预设压力的液压油；
加热单元，用于将所述油液舱内或所述液压单元中的液压油加热至预设温度；
振动台，具有岩样夹持机构，用于对岩样进行共振；
三轴加速度传感器，用于安装于岩样或所述弹性膜上，以监测岩样振动；以及
配套的控制单元。
进一步地，所述弹性膜为氟胶膜。
进一步地，所述油液舱包括第一子舱、围压子舱以及第二子舱，所述围压子舱位于所述第一子舱和所述第二子舱之间；所述第一子舱临近所述围压子舱的一端敞口设置，所述第二子舱临近所述围压子舱的一端敞口设置，所述第一子舱的敞口端与所述围压子舱相连，所述第二子舱的敞口端与所述围压子舱相连；所述围压子舱的下端设有所述开口，所述围压子舱临近所述第一子舱或所述第二子舱的侧壁上设有若干过油孔，所述围压子舱通过所述过油孔与所述第一子舱或所述第二子舱连通。
进一步地，所述液压单元具有进油端和出油端，所述进油端与所述第一子舱连通，所述出油端与所述第二子舱连通。
进一步地，所述加热单元包括分别安装于所述第一子舱和所述第二子舱内的电加热管。
进一步地，所述岩样夹持机构包括连接于所述振动台的动力输出端的卡槽件以及螺钉，所述卡槽件包括第一连接板以及两个分别位于所述第一连接板两侧并与所述第一连接板垂直相连的第二连接板，所述第二连接板上设有螺纹孔，所述螺钉螺纹连接于所述螺纹孔内以抵接固定岩样。
进一步地，所述基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备还包括基座，所述振动台、所述油液舱和所述液压单元分别安装于所述基座上。
本发明的再一目的是提供一种模拟方法，基于上述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，包括：
模拟前准备；
获取岩样的固有频率；
在所述预设温度和所述预设压力，以所述固有频率启动所述振动台在预设时间内对岩样进行共振；
在共振所述预设时间后，取下岩样观察岩样的裂缝改善效果。
进一步地，所述获取岩样的固有频率包括改变所述振动台的输出振动频率，观测岩样的振幅，岩样振幅最大时对应的所述振动台的输出振动频率为岩样的所述固有频率。
本发明提供的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，与现有技术相比，通过在油液舱中充注预设压力和预设温度液压油并在油液舱的开口处密封设置弹性膜，利用弹性膜的弹性使岩样隔着弹性膜伸入到油液舱中，使岩样可以在取芯位置处的近似环境下进行共振试验，以获得更可靠的模拟实验结果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备的示意图；
图2为图1中A-A的剖视图；
图3为图2中B处的放大图。
图中：100、油液舱；110、第一子舱；120、第二子舱；130、围压子舱；131、过油孔；200、弹性膜；300、振动台；310、岩样夹持机构；311、卡槽件；312、螺钉；400、电加热管；500、基座；600、岩样。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”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。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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参见图1至图3，现对本发明提供的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备的实施例进行说明。所述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，包括油液舱100、液压单元(未示出)、加热单元、振动台300、三轴加速度传感器(未示出)以及配套的控制单元(未示出)。
油液舱100内部可以盛装液压油，油液舱100(的壁体)下部设有开口，此开口处设有弹性膜200以密封这个开口，这样液压油无法从这个开口处漏油，可选地，可以利用抗热的强力密封胶粘接弹性膜200和油液舱100(的壁体)并用环形法兰安装在弹性膜200与油液舱100(的壁体)的连接部位，以将弹性膜200与油液舱100(的壁体)的连接部位始终挤压并与油液舱100(的壁体)贴合。弹性膜200自身具有一定弹性，以供岩样600利用这个开口伸入至油液舱100内，这里需要注意的是，岩样600始终在弹性膜200的外侧，利用弹性膜200的变形能力，岩样600从油液舱100外顶着弹性膜200从开口处伸入到油液舱100内部，以使岩样600承受油液舱100内部液压油的高温和高压作用。
液压单元用于为油液舱100提供具有预设压力(预设压强)的液压油。这里的液压单元利用现有技术中能够提供恒压(液压油)输出的液压回路即可实现，此类液压回路属于本领域的常规技术，一般可利用液压泵和溢流阀实现恒压(液压油)输出，这样油液舱100内部就能得到预设压力的液压油。
加热单元用于将油液舱内的液压油或者说液压单元中的液压油加热至预设温度，以使伸入至油液舱100内的岩样600获得高温条件(预设温度)。加热单元可以是换热器、加热器等结构。
振动台300采用现有技术中的振动台结构即可，振动台300具有岩样夹持机构310，已对岩样600进行夹持。振动台300可以以岩样600的固有频率输出振动，使伸入至油液舱100内的岩样600在预设温度和预设压力下进行共振。
三轴加速度传感器用于安装于岩样600或者弹性膜200上，以监测岩样600振动。
控制单元可以是现有的单片机、工控机或PLC控制器等，其与液压单元、加热单元、振动台300和三轴加速度传感器等电性连接。控制单元可以控制液压单元、加热单元、振动台300的启停，也能接收三轴加速度传感器的信号，从而获得并记录岩样600的共振情况。控制单元可安装在地面上或油液舱100上。
使用本发明实施例提供的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，先将岩样600安装在有岩样夹持机构310上，此时，岩样600(的大部分)就隔着弹性膜200插入至油液舱100内，此后启动液压单元和加热单元，使油液舱100内的液压油处于预设压力和预设温度，然后在启动振动台300，使岩样600在预设压力和预设温度进行共振(此过程中控制单元会通过三轴加速度传感器一直实时监测岩样600的振动情况)，共振结束后取下岩样600，观察其裂缝的发育情况。
本发明实施例提供的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，与现有技术相比，通过在油液舱中充注预设压力和预设温度液压油并在油液舱的开口处密封设置弹性膜，利用弹性膜的弹性使岩样隔着弹性膜伸入到油液舱中，使岩样可以在取芯位置处的近似环境下进行共振试验，以获得更可靠的模拟实验结果。
在一些实施例中，弹性膜200为氟胶膜。氟胶膜具有良好的耐高温和导热的性质能，其密度小且质量轻，对岩样600总体影响很小，可认为高温高压油直接对岩样600作用。
在一些实施例中，请参见图2至图3，氟胶膜也具有一定硬度，可事先做成与岩样600适配的形状(例如做成氟胶套)，这样岩样600隔着弹性膜200伸入到油液舱100内时，弹性膜200不需要发生过大弹性变形就能满足岩样600伸入到油液舱100内，而且由于后续油液舱100内的液压油具有一定压力，所以会对氟胶膜处产生一定压力，保证氟胶膜可以包裹紧岩样600。可选地，三轴加速度传感器可以安装在氟胶膜上，因为液压油具有一定压力，所以在共振使，氟胶膜能够包裹紧岩样600，也就是说氟胶膜可以贴合岩样600，这样三轴加速度传感器仍然是可以跟随岩样600共振动作，仍然可以较为准确的观测岩样600共振。可选地，三轴加速度传感器可以安装岩样600上，这个安装方式是最容易想到的，而且监测共振结果最准确，不过每次更换岩样600模拟实验时，都需要给岩样600进行安装一次。
在一些实施例中，请参见图1至图3，油液舱100包括第一子舱110、围压子舱130以及第二子舱120，围压子舱130位于第一子舱110和第二子舱120之间。
第一子舱110临近围压子舱130的一端敞口设置，第二子舱120临近围压子舱130的一端敞口设置，围压子舱130本身是封闭设置的，没有设置相应的敞口。第一子舱110的敞口端与围压子舱130相连，第二子舱120的敞口端与围压子舱130相连。当然了，第一子舱110和围压子舱130的连接必然是密封连接的，第二子舱120和围压子舱130的连接也必然是密封连接的，以避免液压油泄露。
实际上第一子舱110和第二子舱120就位于围压子舱130的左右两端，围压子舱130的下端设有开口，弹性膜200就密封着这个开口。围压子舱130临近第一子舱110或第二子舱120的侧壁(即围压子舱130的左右侧壁)上设有若干过油孔131，围压子舱130内部通过过油孔131与第一子舱110或第二子舱120连通。
由于，液压油是流经第一子舱110、围压子舱130和第二子舱120的，而液压单元可以提供恒压输出，因此围压子舱130上过油孔131的设置可以缓冲流经围压子舱130内部液压油的流速，避免过快的液压油流速对弹性膜200下的岩样600的冲击作用(影响共振结果)。
在一些实施例中，液压单元具有进油端和出油端，进油端与第一子舱110(的内部)连通，出油端与第二子舱120(的内部)连通，这样进油端、第一子舱110、围压子舱130、第二子舱120和出油端就形成了液压回路。
在一些实施例中，请参见图2至图3，岩样夹持机构310包括连接于振动台300的动力输出端的卡槽件311以及螺钉312。卡槽件311包括第一连接板以及两个分别位于第一连接板两侧并与第一连接板垂直相连的第二连接板。也就是说卡槽件311是一个“凵”型结构，岩样600就放置在“凵”型结构的槽内。两个第二连接板上分别设有螺纹孔，螺钉312具有多个，每个螺钉312都与一个螺纹孔一一对应，螺钉312螺纹连接于对应的螺纹孔内，以抵接固定岩样600。这样岩样600就被各螺钉312抵接夹持在卡槽件311内。上述的岩样夹持机构310可实现不同规格大小的岩样600的夹持固定。
在一些实施例中，请参见图1至图2，本发明实施例提供的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备还包括基座500，振动台300、油液舱100和液压单元分别安装于基座100上。具体地，振动台300位于油液舱100的下侧，振动台300与油液舱100在竖直方向上具有一定间隔，开口和弹性膜200都位于油液舱100的下部，岩样600自下而上伸入至油液舱100内。
在一些实施例中，请参见图2，加热单元包括分别安装于第一子舱110和第二子舱120内的电加热管400。电加热管400与控制单元电性连接，由控制单元控制电加热管400的启停。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种模拟方法，基于上述实施例中的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，包括以下步骤：
S100模拟前准备。该步骤主要包括获取岩样600，并将岩样600安装到岩样夹持机构310上等准备操作。
S200获取岩样的固有频率。
S300在预设温度和预设压力，以岩样600的固有频率启动振动台300在一定的预设时间内对岩样600进行共振。当然，本步骤必然包括启动液压单元和加热单元，这样油液舱100内的液压油才能达到预设温度和预设压力，之后振动台300在输出岩样600的固有频率的振动，使岩样600在预设时间内进行共振。
S400在共振预设时间后，取下岩样600观察岩样600的裂缝改善效果，也就是获得模拟的裂缝改善效果。可选地，预设时间可选定为6-12个小时。
本发明实施例提供的模拟方法因为基于上述实施例中的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，因此具备上述基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备的所有有益效果。
在一些实施例中，S200获取岩样的固有频率，具体包括：通过改变振动台300的输出振动频率，并观测每次改变振动台300的输出振动频率后岩样600的振幅(这个振幅的观测结果可以通过控制单元实时接收三轴加速度传感器的信号而获得)，岩样600振幅最大时对应的振动台300的输出振动频率即为岩样600的固有频率。
振动台300通常具有扫频模式，启动振动台300的扫频模式使岩样600从低频率至高频率震动，以此实现改变振动台300的输出振动频率。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，其特征在于，包括:
油液舱，下部设有开口，所述开口处设有弹性膜以密封所述开口，所述弹性膜具有弹性以供岩样通过所述开口伸入至所述油液舱内；
液压单元，用于为所述油液舱提供具有预设压力的液压油；
加热单元，用于将所述油液舱内或所述液压单元中的液压油加热至预设温度；
振动台，具有岩样夹持机构，用于对岩样进行共振；
三轴加速度传感器，用于安装于岩样或所述弹性膜上，以监测岩样振动；以及
配套的控制单元；
所述油液舱包括第一子舱、围压子舱以及第二子舱，所述围压子舱位于所述第一子舱和所述第二子舱之间；所述第一子舱临近所述围压子舱的一端敞口设置，所述第二子舱临近所述围压子舱的一端敞口设置，所述第一子舱的敞口端与所述围压子舱相连，所述第二子舱的敞口端与所述围压子舱相连；所述围压子舱的下端设有所述开口，所述围压子舱临近所述第一子舱或所述第二子舱的侧壁上设有若干过油孔，所述围压子舱通过所述过油孔与所述第一子舱或所述第二子舱连通；
所述液压单元具有进油端和出油端，所述进油端与所述第一子舱连通，所述出油端与所述第二子舱连通。
2.如权利要求1所述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，其特征在于，所述弹性膜为氟胶膜。
3.如权利要求1所述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，其特征在于，所述加热单元包括分别安装于所述第一子舱和所述第二子舱内的电加热管。
4.如权利要求1或2所述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，其特征在于，所述岩样夹持机构包括连接于所述振动台的动力输出端的卡槽件以及螺钉，所述卡槽件包括第一连接板以及两个分别位于所述第一连接板两侧并与所述第一连接板垂直相连的第二连接板，所述第二连接板上设有螺纹孔，所述螺钉螺纹连接于所述螺纹孔内以抵接固定岩样。
5.如权利要求1或2所述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，其特征在于，所述基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备还包括基座，所述振动台、所述油液舱和所述液压单元分别安装于所述基座上。
6.模拟方法，基于如权利要求1-5任一项所述的基于共振技术模拟改善页岩裂缝的设备，其特征在于，包括：
模拟前准备；
获取岩样的固有频率；
在所述预设温度和所述预设压力，以所述固有频率启动所述振动台在预设时间内对岩样进行共振；
在共振所述预设时间后，取下岩样观察岩样的裂缝改善效果。
7.如权利要求6所述的模拟方法，其特征在于，所述获取岩样的固有频率包括改变所述振动台的输出振动频率，观测岩样的振幅，岩样振幅最大时对应的所述振动台的输出振动频率为岩样的所述固有频率。
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