CN113624608A - 储层岩石起裂压力测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种储层岩石起裂压力测试装置及方法。储层岩石起裂压力测试装置包括：上壳体，上壳体具有第一中空腔，上壳体上设置有挤压装置；下壳体，上壳体和下壳体可拆卸地连接，下壳体具有第二中空腔，第一中空腔和第二中空腔共同用于容置岩心试样，下壳体上设置有围压装置，挤压装置和围压装置分别对岩心试样进行挤压和围压。本发明解决了现有技术中的水泥浆污染后储层岩石起裂压力测试不准确的问题。

Description

储层岩石起裂压力测试装置及方法
技术领域
本发明涉及油气钻井技术领域，具体而言，涉及一种储层岩石起裂压力测试装置及方法。
背景技术
目前随着常规油气产量的不断下降，非常规油气逐渐成为接替资源并取得了一系列突破。例如页岩气、致密气等，此类非常规资源的储层物性差，均需要采用压裂改造技术来提高其单井产量。压裂技术能使地层产生裂缝，改善油气在地下的流动情况，增加油气井产量。但对储层进行压裂改造时，砂堵和泵压异常偏高的情况时有发生，导致加砂压裂施工失败，加大压裂改造难度。因此，深入探讨水泥浆污染储层岩石后起裂压力情况，并对其压后效果进行评估分析，可为完善储层改造技术的设计方案与降低压裂改造的难度提供理论指导。合理的压裂设计与施工能够最大限度地发挥油层潜能和裂缝的作用，使压裂后油气井和注入井达到最佳状态，同时使压裂井具有较长的有效期和稳产期。
目前将水泥浆污染储层岩石与储层岩石的起裂压力联系起来进行研究尚处于空白，从而使得现场压裂改造的实施缺乏理论支撑，限制了非常规资源规模的有效开发。
由上可知，现有技术中存在水泥浆污染后储层岩石起裂压力测试不准确的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种储层岩石起裂压力测试装置及方法，以解决现有技术中的水泥浆污染后储层岩石起裂压力测试不准确的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种储层岩石起裂压力测试装置，包括：上壳体，上壳体具有第一中空腔，上壳体上设置有挤压装置；下壳体，上壳体和下壳体可拆卸地连接，下壳体具有第二中空腔，第一中空腔和第二中空腔共同用于容置岩心试样，下壳体上设置有围压装置，挤压装置和围压装置分别对岩心试样进行挤压和围压。
进一步地，上壳体的内壁面具有密封锥面，密封锥面处填充有锥形密封材料，锥形密封材料与岩心试样过盈配合。
进一步地，上壳体和下壳体通过螺栓连接，且上壳体和下壳体之间设置有密封层。
进一步地，上壳体的外周缘与下壳体的外周缘以及密封层的外周缘形状相适配。
进一步地，第一中空腔的开口面与岩心试样的横截面相适配，至少一部分的岩心试样伸入第一中空腔以形成挤压腔室。
进一步地，挤压装置包括第一管道和第二管道，第一管道的入口设置有第一阀门，第二管道的出口设置有第二阀门，第一管道和第二管道均与挤压腔室连通，分别用以向挤压腔室通入和排出挤压介质，挤压介质包括水泥浆滤液、压裂液和气体，水泥浆滤液、压裂液和气体用于对岩心试样进行挤压。
进一步地，第一管道和/或第二管道上设置有第一压力传感器，用以测量挤压腔室内的压力，上壳体设置有温度传感器，温度传感器与挤压腔室连通，用以测量挤压腔室内的温度。
进一步地，第二中空腔的开口面积大于第一中空腔的开口面积，至少一部分的岩心试样伸入第二中空腔以形成围压腔室。
进一步地，围压装置包括第三管道和第四管道，第三管道的入口设置有第三阀门，第四管道的出口设置有第四阀门，第三管道和第四管道均与围压腔室连通，分别用以向围压腔室通入和排出气体，气体用于对岩心试样进行围压。
进一步地，第三管道和/或第四管道上设置有第二压力传感器，用以测量围压腔室内的压力。
进一步地，下壳体还包括可变内衬，下壳体的内壁上设置有定位键槽，可变内衬通过与定位键槽适配的定位键固定在下壳体内，可变内衬的开口面积大于岩心试样的横截面积，可变内衬与岩心试样围成围压腔室。
进一步地，可变内衬为多个，多个可变内衬的开口面积不同，以使多个可变内衬可替换地使用。
进一步地，储层岩石起裂压力测试装置还包括温度控制装置，温度控制装置设置在下壳体的外部用以控制围压腔室内的温度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种储层岩石起裂压力测试方法，采用上述的储层岩石起裂压力测试装置实施储层岩石起裂压力测试方法，储层岩石起裂压力测试方法包括以下步骤：S1：将岩心试样密封在上壳体和下壳体形成的密闭空间内；S2：打开第三阀门和第四阀门，通过第三管道向围压腔室内通入氮气或者稀有气体以排净围压腔室内的空气；S3：打开第一阀门和第二阀门，通过第二管道向挤压腔室内注入水泥浆滤液，再向挤压腔室内通入氮气或者稀有气体以排净挤压腔室内的空气；S4：关闭第四阀门和第二阀门，分别通过第三管道和第二管道向围压腔室和挤压腔室内通入氮气，达到设定围压值和设定挤压值后，关闭第三阀门和第一阀门；S5：打开温度控制装置，将围压腔室内的温度调整至设定温度值；S6：达到设定测试时间后，对挤压腔室和围压腔室进行泄压，然后打开上壳体，排出水泥浆滤液，将岩心试样取出并晾干；S7：重复S1至S5步骤，其中，将水泥浆滤液更换为压裂液，同时记录第二压力传感器的压力值，第二压力传感器的压力值即为起裂压力；S8：根据起裂压力绘制起裂压力与时间的曲线图，完成测试。
进一步地，稀有气体为氦气、氩气、氖气中的一种或多种。
进一步地，当挤压介质为压裂液时的设定挤压值大于当挤压介质为水泥浆滤液时的设定挤压值。
应用本发明的技术方案，通过加入水泥浆滤液对岩心试样进行污染来模拟实际开采环境，通过挤压装置和围压装置分别对岩心试样进行挤压和围压，真实模拟岩心试样的开采时的压力，从而得到岩心试样的准确的起裂压力，而且通过改变挤压介质的性质、挤压腔室和围压腔室的压力和温度等，获得不同工况下的岩心试样的起裂压力，结构简单，操作方便，实验结果准确，为现场压裂改造的实施提供了理论支撑。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的一个具体实施例中的储层岩石起裂压力测试装置的结构示意图；
图2示出了图1中的A-A向剖视图；
图3示出了图2中的下壳体的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、上壳体；11、第一中空腔；12、密封锥面；21、第一管道；22、第二管道；23、第一阀门；24、第二阀门；25、第一压力传感器；26、温度传感器；30、下壳体；31、第二中空腔；32、可变内衬；33、定位键槽；34、定位键；40、岩心试样；51、第三管道；52、第四管道；53、第三阀门；54、第四阀门；55、第二压力传感器；60、锥形密封材料；70、密封层；80、挤压腔室；90、围压腔室；100、温度控制装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了解决现有技术中的水泥浆污染后储层岩石起裂压力测试不准确的问题，本发明提供了一种储层岩石起裂压力测试装置及方法。
其中，下述的储层岩石起裂压力测试装置采用下述的储层岩石起裂压力测试方法。
如图1所示，储层岩石起裂压力测试装置包括上壳体10和下壳体30。上壳体10具有第一中空腔11，上壳体10上设置有挤压装置。上壳体10和下壳体30可拆卸地连接，下壳体30具有第二中空腔31，第一中空腔11和第二中空腔31共同用于容置岩心试样40，下壳体30上设置有围压装置，挤压装置和围压装置分别对岩心试样40进行挤压和围压。
通过挤压装置和围压装置分别对岩心试样40进行挤压和围压，实现了在围压条件下对岩心试样40进行测试，真实模拟岩心试样40的开采时的压力，从而得到岩心试样40的准确的起裂压力。
如图1所示，上壳体10的内壁面具有密封锥面12，密封锥面12处填充有锥形密封材料60，锥形密封材料60与岩心试样40过盈配合。实现岩心试样40和锥形密封材料60之间的一次密封。
如图1所示，上壳体10和下壳体30通过螺栓连接，且上壳体10和下壳体30之间设置有密封层70。在本实施例中，密封层70为橡胶密封圈。上壳体10和下壳体30通过螺栓固定后，带密封锥面12的上壳体10紧紧挤压于锥形密封材料60上，被挤压的锥形密封材料60与岩心试样40和橡胶密封圈之间有较高接触压力，既实现了岩心试样40与锥形密封材料60之间的二次密封，也实现了上壳体10和下壳体30之间的密封。
在本实施例中，上壳体10的外周缘与下壳体30的外周缘以及密封层70的外周缘形状相适配。如果密封层70的外周缘形状小于上壳体10外周缘形状和下壳体30的外周缘形状，那么密封层70就不能对上壳体10和下壳体30连接处有足够的密封作用。如果密封层70的外周缘形状大于上壳体10外周缘形状和下壳体30的外周缘形状，则会造成材料浪费，而且影响设备的外观。因此，密封层70的外周缘与上壳体10的外周缘以及下壳体30的外周缘形状相适配是最合适的。
如图1所示，第一中空腔11的开口面与岩心试样40的横截面相适配，至少一部分的岩心试样40伸入第一中空腔11以形成挤压腔室80。挤压腔室80能够通过施加一定的压力条件对岩心试样40进行挤压，从而模拟岩心试样40在开采时真实的压力。
如图1所示，挤压装置包括第一管道21和第二管道22。第一管道21的入口设置有第一阀门23，第二管道22的出口设置有第二阀门24，第一管道21和第二管道22均与挤压腔室80连通，分别用以向挤压腔室80通入和排出挤压介质。挤压介质包括水泥浆滤液、压裂液和气体，水泥浆滤液、压裂液和气体用于对岩心试样40进行挤压。其中，气体为高压气体，高压气体的压力大于50兆帕。水泥浆滤液在高压气体作用下于对岩心试样40进行污染，压裂液在高压气体的作用下对岩心试样40进行压裂。在本实施例中，高压气体可以是氮气或者稀有气体，高压气体不易于其他物质进行化学反应，只需要创造挤压腔室80内的高压条件。
如图1所示，第一管道21上设置有第一压力传感器25，用以测量挤压腔室80内的压力。当然，也可以在第二管道22上设置第一压力传感器25，由于第一管道21和第二管道22均与挤压腔室80连通，所以能够起到同样的效果。上壳体10设置有温度传感器26，温度传感器26与挤压腔室80连通，用以测量挤压腔室80内的温度。通过对挤压腔室80内的温度进行测量，能够对不同温度工况下的岩心试样40测得的起裂压力进行分析，现场压裂改造的实施提供理论支撑。
如图1所示，第二中空腔31的开口面积大于第一中空腔11的开口面积，至少一部分的岩心试样40伸入第二中空腔31以形成围压腔室90。围压腔室90能够通过施加一定的压力条件对岩心试样40进行围压，从而模拟岩心试样40在开采时真实的压力。
如图1所示，围压装置包括第三管道51和第四管道52。第三管道51的入口设置有第三阀门53，第四管道52的出口设置有第四阀门54，第三管道51和第四管道52均与围压腔室90连通，分别用以向围压腔室90通入和排出高压气体，高压气体用于对岩心试样40进行围压。
如图1所示，第三管道51上设置有第二压力传感器55，用以测量围压腔室90内的压力。当然，也可以在第四管道52上设置第二压力传感器55，由于第三管道51和第四管道52均与挤压腔室80连通，所以能够起到同样的效果。
如图1所示，下壳体30还包括可变内衬32。下壳体30的内壁上设置有定位键槽33，可变内衬32通过与定位键槽33适配的定位键34固定在下壳体30内。可变内衬32的开口面积大于岩心试样40的横截面积，可变内衬32与岩心试样40围成围压腔室90。键槽连接结构简单，定位性好，便于拆卸，使得可变内衬32既能牢牢固定下壳体30内，又方便拆卸，根据不同的岩心试样40进行更换。
在本实施例中，可变内衬32为多个，多个可变内衬32的开口面积不同，以使多个可变内衬32可替换地使用。在测试过程中，岩心试样40可能会有不同横截面积的种类，相应的，可变内衬32也可以具有多种开口面积，与需要测试的岩心试样40进行适配，从而形成围压腔室90。另外，锥形密封材料60、密封层70也可以有多种尺寸，三者具有协调可变性，从而满足岩心试样40起裂压力的测试需求。
如图1所示，储层岩石起裂压力测试装置还包括温度控制装置100，温度控制装置100设置在下壳体30的外部用以控制围压腔室90内的温度。具体的，温度控制装置100包括加热结构、温度计和温度控制系统。加热结构包裹设置在下壳体30的外壁上，这样能够增加加热面积，温度计能够测量围压腔室90的温度，温度控制系统接收来自温度计的温度信号，从而控制加热结构的开闭。根据测试需要，测试人员可以设定温度控制装置100所要维持的温度，当围压腔室90内的温度低于设定温度时，温度控制系统控制加热结构打开对围压腔室90进行加热，当围压腔室90内的温度高于设定温度时，温度控制系统控制加热结构关闭，使得围压腔室90内的温度一直与设定温度保持一致。通过设定不同的围压腔室90的目标温度，能够在不同温度工况下，对岩心试样40的起裂压力进行分析，从而对现场压裂改造的实施提供理论支撑。
本发明还提供了一种储层岩石起裂压力测试方法。储层岩石起裂压力测试方法包括以下步骤：S1：将岩心试样40密封在上壳体10和下壳体30形成的密闭空间内；S2：打开第三阀门53和第四阀门54，通过第三管道51向围压腔室90内通入氮气或者稀有气体以排净围压腔室90内的空气；S3：打开第一阀门23和第二阀门24，通过第二管道22向挤压腔室80内注入水泥浆滤液，再向挤压腔室80内通入氮气或者稀有气体以排净挤压腔室80内的空气；S4：关闭第四阀门54和第二阀门24，分别通过第三管道51和第二管道22向围压腔室90和挤压腔室80内通入氮气，达到设定围压值和设定挤压值后，关闭第三阀门53和第一阀门23；S5：打开温度控制装置100，将围压腔室90内的温度调整至设定温度值；S6：达到设定测试时间后，对挤压腔室80和围压腔室90进行泄压，然后打开上壳体10，排出水泥浆滤液，将岩心试样40取出并晾干；S7：重复S1至S5步骤，其中，将水泥浆滤液更换为压裂液，同时记录第二压力传感器55的压力值，第二压力传感器55的压力值即为起裂压力；S8：根据起裂压力绘制起裂压力与时间的曲线图，完成测试。
在本实施例中，稀有气体为氦气、氩气、氖气中的一种或多种。稀有气体不易与其他物质进行化学反应，只需要创造挤压腔室80和围压腔室90内的高压条件。
在本实施例中，当挤压介质为压裂液时的设定挤压值大于当挤压介质为水泥浆滤液时的设定挤压值。具体的，在S3步骤中的挤压介质为水泥浆滤液，水泥浆滤液的作用是在高压条件下对岩心试样40进行污染，从而模拟岩心试样40的真实开采环境，对岩心试样40进行水泥浆滤液污染的过程中所需要的压力不高。而在S7步骤中的挤压介质为压裂液，压裂液在高压条件下对岩心试样40进行压裂，从而测量岩心试样40的起裂压力，压裂需要较高的压力。因此，当挤压介质为压裂液时的设定挤压值会大于当挤压介质为水泥浆滤液时的设定挤压值。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过加入水泥浆滤液对岩心试样40进行污染来模拟实际开采环境，通过挤压装置和围压装置分别对岩心试样40进行挤压和围压，真实模拟岩心试样40的开采时的压力，从而得到岩心试样40的准确的起裂压力，而且通过改变挤压介质的性质、挤压腔室80和围压腔室90的压力和温度等，获得不同工况下的岩心试样40的起裂压力，结构简单，操作方便，实验结果准确，为现场压裂改造的实施提供了理论支撑。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (16)

1.一种储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，包括：
上壳体(10)，所述上壳体(10)具有第一中空腔(11)，所述上壳体(10)上设置有挤压装置；
下壳体(30)，所述上壳体(10)和所述下壳体(30)可拆卸地连接，所述下壳体(30)具有第二中空腔(31)，所述第一中空腔(11)和所述第二中空腔(31)共同用于容置岩心试样(40)，所述下壳体(30)上设置有围压装置，所述挤压装置和所述围压装置分别对所述岩心试样(40)进行挤压和围压。
2.根据权利要求1所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述上壳体(10)的内壁面具有密封锥面(12)，所述密封锥面(12)处填充有锥形密封材料(60)，所述锥形密封材料(60)与所述岩心试样(40)过盈配合。
3.根据权利要求1所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述上壳体(10)和所述下壳体(30)通过螺栓连接，且所述上壳体(10)和所述下壳体(30)之间设置有密封层(70)。
4.根据权利要求3所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述上壳体(10)的外周缘与所述下壳体(30)的外周缘以及所述密封层(70)的外周缘形状相适配。
5.根据权利要求1所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述第一中空腔(11)的开口面与所述岩心试样(40)的横截面相适配，至少一部分的所述岩心试样(40)伸入所述第一中空腔(11)以形成挤压腔室(80)。
6.根据权利要求5所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述挤压装置包括第一管道(21)和第二管道(22)，所述第一管道(21)的入口设置有第一阀门(23)，所述第二管道(22)的出口设置有第二阀门(24)，所述第一管道(21)和所述第二管道(22)均与所述挤压腔室(80)连通，分别用以向所述挤压腔室(80)通入和排出挤压介质，所述挤压介质包括水泥浆滤液、压裂液和气体，所述水泥浆滤液、所述压裂液和所述气体用于对所述岩心试样(40)进行挤压。
7.根据权利要求6所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述第一管道(21)和/或所述第二管道(22)上设置有第一压力传感器(25)，用以测量所述挤压腔室(80)内的压力，所述上壳体(10)设置有温度传感器(26)，所述温度传感器(26)与所述挤压腔室(80)连通，用以测量所述挤压腔室(80)内的温度。
8.根据权利要求1所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述第二中空腔(31)的开口面积大于所述第一中空腔(11)的开口面积，至少一部分的所述岩心试样(40)伸入所述第二中空腔(31)以形成围压腔室(90)。
9.根据权利要求8所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述围压装置包括第三管道(51)和第四管道(52)，所述第三管道(51)的入口设置有第三阀门(53)，所述第四管道(52)的出口设置有第四阀门(54)，所述第三管道(51)和所述第四管道(52)均与所述围压腔室(90)连通，分别用以向所述围压腔室(90)通入和排出气体，所述气体用于对所述岩心试样(40)进行围压。
10.根据权利要求9所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述第三管道(51)和/或所述第四管道(52)上设置有第二压力传感器(55)，用以测量所述围压腔室(90)内的压力。
11.根据权利要求8所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述下壳体(30)还包括可变内衬(32)，所述下壳体(30)的内壁上设置有定位键槽(33)，所述可变内衬(32)通过与所述定位键槽(33)适配的定位键(34)固定在所述下壳体(30)内，所述可变内衬(32)的开口面积大于所述岩心试样(40)的横截面积，所述可变内衬(32)与所述岩心试样(40)围成所述围压腔室(90)。
12.根据权利要求11所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述可变内衬(32)为多个，多个所述可变内衬(32)的开口面积不同，以使多个所述可变内衬(32)可替换地使用。
13.根据权利要求8所述的储层岩石起裂压力测试装置，其特征在于，所述储层岩石起裂压力测试装置还包括温度控制装置(100)，所述温度控制装置(100)设置在所述下壳体(30)的外部用以控制所述围压腔室(90)内的温度。
14.一种储层岩石起裂压力测试方法，其特征在于，采用权利要求1至13中任一项所述的储层岩石起裂压力测试装置实施所述储层岩石起裂压力测试方法，所述储层岩石起裂压力测试方法包括以下步骤：
S1：将岩心试样(40)密封在上壳体(10)和下壳体(30)形成的密闭空间内；
S2：打开第三阀门(53)和第四阀门(54)，通过第三管道(51)向围压腔室(90)内通入氮气或者稀有气体以排净所述围压腔室(90)内的空气；
S3：打开第一阀门(23)和第二阀门(24)，通过第二管道(22)向挤压腔室(80)内注入水泥浆滤液，再向所述挤压腔室(80)内通入所述氮气或者所述稀有气体以排净所述挤压腔室(80)内的空气；
S4：关闭所述第四阀门(54)和所述第二阀门(24)，分别通过所述第三管道(51)和所述第二管道(22)向所述围压腔室(90)和所述挤压腔室(80)内通入所述氮气，达到设定围压值和设定挤压值后，关闭所述第三阀门(53)和所述第一阀门(23)；
S5：打开温度控制装置(100)，将所述围压腔室(90)内的温度调整至设定温度值；
S6：达到设定测试时间后，对所述挤压腔室(80)和所述围压腔室(90)进行泄压，然后打开所述上壳体(10)，排出所述水泥浆滤液，将所述岩心试样(40)取出并晾干；
S7：重复所述S1至所述S5步骤，其中，将所述水泥浆滤液更换为压裂液，同时记录第二压力传感器(55)的压力值，所述第二压力传感器(55)的压力值即为起裂压力；
S8：根据所述起裂压力绘制所述起裂压力与时间的曲线图，完成测试。
15.根据权利要求14所述的储层岩石起裂压力测试方法，其特征在于，所述稀有气体为氦气、氩气、氖气中的一种或多种。
16.根据权利要求14所述的储层岩石起裂压力测试方法，其特征在于，当挤压介质为所述压裂液时的所述设定挤压值大于当挤压介质为所述水泥浆滤液时的所述设定挤压值。
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