CN114252343B - 一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，包括真三轴比例加载系统、流体监测系统、高温加载系统、应力应变监测系统和计算控制器；真三轴比例加载系统中的超高温三轴围压室用于盛放岩石试样，超高温三轴围压室的尺寸可以调整；真三轴比例加载系统对岩石试样进行围压加载操作；高温加载系统对岩石试样进行加热；应力应变监测系统获取岩石试样的形变信息；流体监测系统将实验流体从岩石试样下游泵入，经岩石试样的孔隙和裂缝后从岩石试样上游流出，并获取实验流体的进口压力信息、进口流量信息、出口压力信息；计算控制器用于上述信息确定岩石试样的裂缝开度。本发明能够在高温高压环境下获得精确实验数据，并适用多种尺寸的岩石试样。

Description

一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置
技术领域
本发明涉及岩石实验设备技术领域，特别涉及一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置。
背景技术
断溶体油藏具有埋藏深、高温、高压的特征，并在油井生产过程中，井底下方油气会沿断裂高导流通道向井底流动。随着断溶体油藏内油气不断采出，地层能量下降，地层流体压力也随之下降，作用于裂缝及基质上的有效作用力增加，导致裂缝的导流能力下降。当地层流体压力低于裂缝闭合临界流体压力时，裂缝会发生不可恢复的塑性闭合。因此在断溶体油藏开发过程中，需要进行裂缝闭合机理实验研究，明确裂缝闭合机理，进而建立一套裂缝闭合治理方法体系，从而指导断溶体油藏的开发。
为了尽可能还原岩石在埋深超过7000m的地底状态，裂缝闭合机理实验需要考虑200MPa的围压，250℃的实验温度，150MPa的高渗压，还需要获取精确的实验数据(该实验数据包括岩石在实验过程中的应力应变情况，裂缝闭合的动态监测以及流体流入流出的监测数据)。现有的岩石力学实验设备大都集中于中浅层岩石力学性质研究，且研究试样尺寸较小，且上述设备在压力超过100MPa温度超过200℃的超深地层环境下无法获得精确的实验数据，严重限制了深层断溶体油藏高温高压作用下对裂缝闭合行为的研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，以解决现有设备在高温高压环境下无法获得精确实验数据，岩石试样尺寸小的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，包括真三轴比例加载系统、流体监测系统、高温加载系统、应力应变监测系统和计算控制器；
所述真三轴比例加载系统包括液压伺服站、超高温三轴围压室和加载框架；所述超高温三轴围压室用于盛放岩石试样，所述加载框架安装在所述超高温三轴围压室的外围区域；所述液压伺服站用于控制所述加载框架进行加载操作；所述加载操作用于对所述超高温三轴围压室内的岩石试样进行围压加载操作；其中，所述超高温三轴围压室的尺寸能够根据实际需求进行调整；
所述高温加载系统用于对所述超高温三轴围压室内的岩石试样进行加热操作；
所述应力应变监测系统用于获取所述岩石试样的形变信息；
所述流体监测系统，用于：
将实验流体从所述岩石试样下游泵入，经所述岩石试样的孔隙和裂缝后从所述岩石试样上游流出；
获取所述实验流体进入所述岩石试样之前的进口压力信息和进口流量信息；
获取所述实验流体流出所述岩石试样之后的出口压力信息；
所述计算控制器用于基于所述进口压力信息、所述进口流量信息和所述出口压力信息，确定所述岩石试样的裂缝开度。
可选的，所述高温加载系统包括金属支撑框架、金属底盘、高温加热金属块、上端盖板和温度控制调节器；
所述超高温三轴围压室和所述上端盖板均放置在所述金属支撑框架内，且所述上端盖板用于压制所述岩石试样；
所述金属底盘安装在所述金属支撑框架的底部；所述高温加热金属块固定在所述金属底盘上；所述超高温三轴围压室放置在所述高温加热金属块上；所述温度控制调节器的一端连接所述高温加热金属块，所述温度控制调节器的另一端连接所述计算控制器；
实验时，所述岩石试样直接放置在所述高温加热金属块上，所述上端盖板放置于所述岩石试样的正上方，打开所述高温加热金属块和所述温度控制调节器，并通过所述温度控制调节器监测的数据控制所述高温加热金属块的加热功率。
可选的，所述高温加载系统还包括：保温隔热套；
所述加载框架放置于所述金属支撑框架的内侧壁的凹槽里；
所述加载框架与所述超高温三轴围压室之间设置有所述保温隔热套；
所述保温隔热套用于将所述超高温三轴围压室外部部件的温度控制在低温范围内。
可选的，所述高温加热金属块为镍基高温加热金属块；所述金属底盘为镍基金属底盘。
可选的，所述超高温三轴围压室由高温耐热高强度的镍基合金构成。
可选的，所述流体监测系统包括水箱、孔压加载泵、进口流量计、进口压力传感器、出口流量计、出口压力传感器、进口高压管线和出口高压管线；
所述进口高压管线用于将所述水箱内部的实验流体引入到所述岩石试样上；
所述进口流量计、所述进口压力传感器和所述孔压加载泵均安装在所述进口高压管线上；
所述出口高压管线位于所述上端盖板的下方区域，所述出口高压管线用于将从所述岩石试样上游流出的实验流体排出；所述出口高压管线上连接有所述出口流量仪和所述出口压力传感器；
所述孔压加载泵用于提供实验流体的加载压力。
可选的，所述孔压加载泵、所述进口流量计、所述进口压力传感器、所述出口流量计和所述出口压力传感器均与所述计算控制器连接。
可选的，所述应力应变监测系统包括应变片、应变检测仪和岩石轴向变形引伸计；
所述应变检测仪的一端连接所述应变片，所述应变检测仪的另一端连接所述计算控制器；所述应变片位于所述上端盖板的下方区域，且所述应变片用于安装在所述岩石试样的顶部区域上；
所述岩石轴向变形引伸计用于安装在所述岩石试样的侧面区域；所述岩石轴向变形引伸计与所述计算控制器连接。
可选的，所述保温隔热套内部由硅酸铝材料填充。
可选的，所述真三轴比例加载系统提供的最大围压为230MPa；所述流体监测系统提供的最大孔压为150MPa、所述高温加载系统提供的最高温度为350℃。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过设置真三轴比例加载系统、流体监测系统和高温加载系统能够还原岩石在埋深超过7000m的地底状态，通过设置超高温三轴围压室保证现有设备能够在高温高压环境下获得精确实验数据；将超高温三轴围压室的尺寸根据实际需求进行调整，以满足不同尺寸的岩石试样。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置的结构流程图；
图2为本发明一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置的结构示意图。
符号说明：1.水箱，2.孔压加载泵，3.进口高精度流量计，4.进口压力传感器，5.加载框架，6.超高温三轴围压室，7.岩石试样，8上端盖板，9.应变片，10.应变检测仪，11.出口压力传感器，12.出口高精度流量计，13.温度控制调节器，14.计算控制器，15.液压伺服站，16.镍基金属底盘，17.支撑框架，18.保温隔热套，19镍基高温加热金属块，20.岩石轴向变形引伸计。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，以解决现有设备在高温高压环境下无法获得精确实验数据，岩石试样尺寸小的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
参见图1，本实施例提供的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，包括真三轴比例加载系统、流体监测系统、高温加载系统、应力应变监测系统和计算控制器。
所述真三轴比例加载系统包括液压伺服站、超高温三轴围压室和加载框架；所述液压伺服站可以对岩石试样进行围压加载操作，可以设置多种加载模式，例如恒定载荷，恒定应力，恒定加载速度等。所述超高温三轴围压室由高温耐热高强度镍基合金(或固溶强化镍基合金、固溶强化铁基合金和等轴晶铸造高温合金)构成，耐温350℃，最大安全承压230MPa。所述加载框架由液压油缸，上下盖板，四周围板串联构成。
所述超高温三轴围压室用于盛放岩石试样，所述加载框架安装在所述超高温三轴围压室的外围区域；所述液压伺服站用于控制所述加载框架进行加载操作；所述加载操作用于对所述超高温三轴围压室内的岩石试样进行围压加载操作；其中，所述超高温三轴围压室的尺寸能够根据实际需求进行调整。
所述高温加载系统用于对所述超高温三轴围压室内的岩石试样进行加热操作。
所述应力应变监测系统用于获取所述岩石试样的形变信息。
所述流体监测系统，用于：将实验流体从所述岩石试样下游泵入，经所述岩石试样的孔隙和裂缝后从所述岩石试样上游流出；获取所述实验流体进入所述岩石试样之前的进口压力信息和进口流量信息；获取所述实验流体流出所述岩石试样之后的出口压力信息。
所述计算控制器用于基于所述进口压力信息、所述进口流量信息和所述出口压力信息，确定所述岩石试样的裂缝开度。
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的高温加载系统包括金属支撑框架、金属底盘、高温加热金属块、上端盖板和温度控制调节器。
所述超高温三轴围压室和所述上端盖板均放置在所述金属支撑框架内，且所述上端盖板用于压制所述岩石试样。
所述金属底盘由固定螺栓固定在所述金属支撑框架的底部；所述高温加热金属块固定在所述金属底盘上；所述超高温三轴围压室放置在所述高温加热金属块上；所述温度控制调节器的一端连接所述高温加热金属块，所述温度控制调节器的另一端连接所述计算控制器。
实验时，所述岩石试样直接放置在所述高温加热金属块上，所述上端盖板放置于所述岩石试样的正上方，打开所述高温加热金属块和所述温度控制调节器，并通过所述温度控制调节器监测的数据控制所述高温加热金属块的加热功率，可以精确控制温度的加载。
进一步地，所述高温加载系统还包括：保温隔热套；
所述加载框架放置于所述金属支撑框架的内侧壁的凹槽里。
所述加载框架与所述超高温三轴围压室之间设置有所述保温隔热套。
所述保温隔热套用于将所述超高温三轴围压室外部部件的温度控制在低温范围内。
例如：保温隔热套内部由硅酸铝材料填充，可以使超高温三轴围压室外部部件温度控制在35℃以下。
所述高温加热金属块为镍基(或固溶强化镍基合金、固溶强化铁基合金和等轴晶铸造高温合金)高温加热金属块；所述金属底盘为镍基(或固溶强化镍基合金、固溶强化铁基合金和等轴晶铸造高温合金)金属底盘。
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的流体监测系统包括水箱、孔压加载泵、进口流量计、进口压力传感器、出口流量计、出口压力传感器、进口高压管线和出口高压管线。
所述进口高压管线用于将所述水箱内部的实验流体引入到所述岩石试样上；所述进口流量计、所述进口压力传感器和所述孔压加载泵均安装在所述进口高压管线上。
所述出口高压管线位于所述上端盖板的下方区域，所述出口高压管线用于将从所述岩石试样上游流出的实验流体排出；所述出口高压管线上连接有所述出口流量仪和所述出口压力传感器。
所述孔压加载泵用于提供实验流体的加载压力。所述孔压加载泵采用恒压恒流泵，最高驱替压力150MPa，驱替流量0.01-300ml/min，持续提供恒定速度，恒定压力的流体。
所述孔压加载泵、所述进口流量计、所述进口压力传感器、所述出口流量计和所述出口压力传感器均与所述计算控制器连接。
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的应力应变监测系统包括应变片、应变检测仪和岩石轴向变形引伸计；所述应变检测仪的一端连接所述应变片，所述应变检测仪的另一端连接所述计算控制器；所述应变片位于所述上端盖板的下方区域，且所述应变片用于安装在所述岩石试样的顶部区域上；所述岩石轴向变形引伸计用于安装在所述岩石试样的侧面区域；所述岩石轴向变形引伸计与所述计算控制器连接。
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的真三轴比例加载系统提供的最大围压为230MPa；所述流体监测系统提供的最大孔压为150MPa、所述高温加载系统提供的最高温度为350℃。
本实施例的核心部件由耐高温高强度的镍基合金制成，能够模拟岩石在超深地层下的高温高压环境，最高温度350℃，最大围压230MPa，最大孔压150MPa，内部各种传感器可以精确的采集实验数据，克服了裂缝闭合实验难以实现高温高压环境的缺陷，并可以通过实时记录的岩石试样两端压力值及入口段的流量值计算岩石试样的裂缝开度，从而达到对裂缝闭合程度实时监测的目的。
实施例二
参见图2，本实施例提供了一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，包括真三轴比例加载系统、流体监测系统、高温加载系统、应力应变监测系统和计算控制器14。
所述真三轴比例加载系统包括液压伺服站15、超高温三轴围压室6、加载框架5。所述流体检测系统包括水箱1、孔压加载泵2、进口高精度流量计3、出口高精度流量计12、进口压力传感器4以及出口压力传感器11。所述高温加载系统包括支撑框架17、镍基金属底盘16、镍基高温加热金属块19、保温隔热套18和温度控制调节器13。所述应力应变系统包括岩石轴向变形引伸计20、应变检测仪10和应变片9。
上述传感器都与计算控制器14相连，最后上述传感器采集的实验数据均通过计算控制器14内部的软件进行处理。
各个部件的连接关系为：
水箱1通过下方高压管线连接在超高温三轴围压室6上，将水箱1中的水引入到岩石试样7上，该高压管线同时连接着进口高精度流量计3、进口压力传感器4和孔压加载泵2，进口高精度流量计3和进口压力传感器4分别用于显示和记录进口端的实时流量和实时压力，孔压加载泵2持续提供恒定速度、恒定压力的流体；所述超高温三轴围压室6放置于金属支撑框架17里，中间垫有保温隔热套18，保温隔热套18内部由硅酸铝材料填充，以使超高温三轴围压室6外部部件温度控制在35℃以下；镍基高温加热金属块19由固定螺栓固定在镍基金属底盘16上，两者放置在超高温三轴围压室6的最底部；温度控制调节器13的一端连接在镍基高温加热金属块19，另一端连接在计算控制器14；岩石试样7直放置在镍基高温加热金属块19上，上端盖板8放置于岩石试样7正上方；上端盖板8和岩石试样7之间放置有数个应变片9以及出口管线，应变检测仪10的一端连接应变片9，另一端连接在计算控制器14，出口管线上连接有出口高精度流量仪12和出口压力传感器11；岩石试样7侧面贴有岩石轴向变形引伸计20，岩石轴向变形引伸计20用于记录实验过程中岩石的轴向变形数据；加载框架5放置于金属支撑框架17预制的凹槽里，通过金属管线和外部液压伺服站15连接，通过控制液体在三个方向上的注入方式实现不同的围压加载方式。
实际实验操作步骤：
①渗透率测量仪和孔隙度测量仪测试岩石试样的初始渗透率、孔隙度，将岩石试样抽真空后放入饱和水中，并称重测试孔隙体积；
②将饱和水的岩石试样放入超高温三轴围压室，在岩石试样侧面贴上岩石轴向变形引伸计，并在上端贴上应变片后盖上上端盖板；
③打开孔压加载泵，缓慢逐步调整进口端压力P0，直至出口端高精度流量计和压力传感器有稳定示数时停止；
④打开温度控制调节器，设定实验所需温度，等待超高温三轴围压室内的温度达到实验温度；
⑤打开液压伺服站，设定三个方向上的围压加载方式和实验目标位围压，等待围压加载至实验目标压力；
⑥在进口压力P0的基础上以ΔP为加压或降压的最小单位调整孔压加载泵的加载压力，待出口端流量和压力示数稳定后记录进出口端的流量、压力以及应力应变数据信息。
⑦调整围压和温度后，重复上述实验步骤。
在实际实验过程中，可以通过实时记录的岩石试样两端压力值及入口段的流量值计算岩石试样的裂缝开度，从而达到对裂缝闭合程度的实时监测。
裂缝开度e：
Figure BDA0003418284950000091
其中，μ为流体动力粘度，q为岩石试样入口端流量，L岩石试样两端的长度，ΔP为岩石试样两端的压差。
与现有技术相比:
1.本发明提供的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置的核心部件由耐高温高强度的镍基合金制成，能够模拟岩石在超深地层下的高温高压环境，最高温度350℃，最大围压230MPa，最大孔压150MPa，内部各种传感器可以精确的采集实验数据，克服了裂缝闭合实验难以实现高温高压环境的缺陷。
2.本发明提供的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置可支持300mm×300mm×300mm的岩石试样尺寸，并提供了一套实时监测裂缝闭合程度的方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，包括真三轴比例加载系统、流体监测系统、高温加载系统、应力应变监测系统和计算控制器；
所述真三轴比例加载系统包括液压伺服站、超高温三轴围压室和加载框架；所述超高温三轴围压室用于盛放岩石试样，所述加载框架安装在所述超高温三轴围压室的外围区域；所述液压伺服站用于控制所述加载框架进行加载操作；所述加载操作用于对所述超高温三轴围压室内的岩石试样进行围压加载操作；其中，所述超高温三轴围压室的尺寸能够根据实际需求进行调整；
所述高温加载系统用于对所述超高温三轴围压室内的岩石试样进行加热操作；
所述应力应变监测系统用于获取所述岩石试样的形变信息；
所述流体监测系统，用于：
将实验流体从所述岩石试样下游泵入，经所述岩石试样的孔隙和裂缝后从所述岩石试样上游流出；
获取所述实验流体进入所述岩石试样之前的进口压力信息和进口流量信息；
获取所述实验流体流出所述岩石试样之后的出口压力信息；
所述计算控制器用于基于所述进口压力信息、所述进口流量信息和所述出口压力信息，确定所述岩石试样的裂缝开度；
所述高温加载系统包括金属支撑框架、金属底盘、高温加热金属块、上端盖板和温度控制调节器；
所述超高温三轴围压室和所述上端盖板均放置在所述金属支撑框架内，且所述上端盖板用于压制所述岩石试样；
所述金属底盘安装在所述金属支撑框架的底部；所述高温加热金属块固定在所述金属底盘上；所述超高温三轴围压室放置在所述高温加热金属块上；所述温度控制调节器的一端连接所述高温加热金属块，所述温度控制调节器的另一端连接所述计算控制器；
实验时，所述岩石试样直接放置在所述高温加热金属块上，所述上端盖板放置于所述岩石试样的正上方，打开所述高温加热金属块和所述温度控制调节器，并通过所述温度控制调节器监测的数据控制所述高温加热金属块的加热功率。
2.根据权利要求1所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述高温加载系统还包括：保温隔热套；
所述加载框架放置于所述金属支撑框架的内侧壁的凹槽里；
所述加载框架与所述超高温三轴围压室之间设置有所述保温隔热套；
所述保温隔热套用于将所述超高温三轴围压室外部部件的温度控制在低温范围内。
3.根据权利要求1所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述高温加热金属块为镍基高温加热金属块；所述金属底盘为镍基金属底盘。
4.根据权利要求1所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述超高温三轴围压室由高温耐热高强度的镍基合金构成。
5.根据权利要求1所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述流体监测系统包括水箱、孔压加载泵、进口流量计、进口压力传感器、出口流量计、出口压力传感器、进口高压管线和出口高压管线；
所述进口高压管线用于将所述水箱内部的实验流体引入到所述岩石试样上；
所述进口流量计、所述进口压力传感器和所述孔压加载泵均安装在所述进口高压管线上；
所述出口高压管线位于所述上端盖板的下方区域，所述出口高压管线用于将从所述岩石试样上游流出的实验流体排出；所述出口高压管线上连接有所述出口流量仪和所述出口压力传感器；
所述孔压加载泵用于提供实验流体的加载压力。
6.根据权利要求5所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述孔压加载泵、所述进口流量计、所述进口压力传感器、所述出口流量计和所述出口压力传感器均与所述计算控制器连接。
7.根据权利要求1所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述应力应变监测系统包括应变片、应变检测仪和岩石轴向变形引伸计；
所述应变检测仪的一端连接所述应变片，所述应变检测仪的另一端连接所述计算控制器；所述应变片位于所述上端盖板的下方区域，且所述应变片用于安装在所述岩石试样的顶部区域上；
所述岩石轴向变形引伸计用于安装在所述岩石试样的侧面区域；所述岩石轴向变形引伸计与所述计算控制器连接。
8.根据权利要求2所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述保温隔热套内部由硅酸铝材料填充。
9.根据权利要求1所述的一种深层断溶体裂缝闭合机理实验装置，其特征在于，所述真三轴比例加载系统提供的最大围压为230MPa；所述流体监测系统提供的最大孔压为150MPa、所述高温加载系统提供的最高温度为350℃。
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