CN114441317A - 一种页岩水化膨胀应力测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种页岩水化膨胀应力测试装置和方法，所述装置包括岩芯水化池，所述岩芯水化池内放置岩芯试样；以及设置在所述岩芯水化池侧壁上的膨胀压力采集装置，所述膨胀压力采集装置接触并支撑所述岩芯试样的侧壁；其中，所述岩芯水化池加持所述岩芯试样，并对所述岩芯试样注入水化工作液，通过膨胀压力采集装置能够监测岩芯试样的膨胀压力随时间的变化曲线。本发明所述方法可以同时测量页岩在平行层理和垂直层理方向的膨胀应力，为页岩水化膨胀力学特性基础研究提供技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种页岩水化膨胀应力测试装置和方法，属于油气开采领域。
背景技术
页岩是油气钻采活动中常见的岩石，也是造成井下复杂情况最多的岩石类型，尤其是在页岩油气开采作业中，页岩地层内井眼长度最少1-2公里，由此给工程作业造成诸多难题，例如钻井井塌卡钻、完井套管变形、压裂诱发邻井事故等，导致钻采作业成本高昂。这些工程难点的解决需要深入全面的认识页岩地层岩石力学行为特征，页岩水化膨胀应力则是页岩诸多力学特征之中最为重要的特征之一。
页岩是一种富含黏土矿物的的沉积岩，具有页状和薄片状层理结构，在平行层理和垂直层理方向物理特征差异明显。由于沉积环境、矿物组分和微观结构差异，不同地区和层位的页岩水化膨胀能力各有不同。即使同一种页岩，在不同的工作液中也会体现出不同的膨胀特征，产生不同的膨胀应力；因此，测定页岩水化膨胀应力对于优选工作液，控制页岩吸水膨胀；认识储层水化应力波动，优化钻采工艺方案，预防井下工程事故具有重要作用。
页岩以高岭石、水云母等黏土类矿物为主，页岩浸水后易发生膨胀和软化现象。由于页岩特殊的物理化学特性，常规岩石力学测试仪器及方法并不能完成页岩水化膨胀应力测量。针对泥页岩水化膨胀应力测试，目前形成的方法有固定体积法、悬臂梁法、加长应变片法和侧壁感应测量法。这些测量方法主要借助三轴加载系统，通过试样应变监测改进，实现对泥页岩限制膨胀的反作用力测试来获得泥页岩水化膨胀应力。但目前的测试方法总体上没有具体测量泥页岩在不同方向的膨胀应力特征，不能适应工程技术进步对页岩不同方向膨胀应力认识的需求。因此有必要发明一种可以实现对页岩在不同方向上水化膨胀应力测试的方法，支撑页岩水化膨胀应力及其各向异性特征测试研究工作的开展。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种页岩水化膨胀应力测试装置和方法，可以同时测量页岩在平行层理和垂直层理方向的膨胀应力，为页岩水化膨胀力学特性基础研究提供技术手段。
本发明的一个方面，提出了一种页岩水化膨胀应力测试装置，包括：
岩芯水化池，所述岩芯水化池内放置岩芯试样；以及
设置在所述岩芯水化池侧壁上的膨胀压力采集装置，所述膨胀压力采集装置接触并支撑所述岩芯试样的侧壁；
其中，所述岩芯水化池加持所述岩芯试样，并对所述岩芯试样注入水化工作液，通过膨胀压力采集装置能够监测岩芯试样的膨胀压力随时间的变化曲线。
本发明的进一步改进在于，所述膨胀压力采集装置包括设置在第一方向上的第一膨胀压力采集机构，以及设置在第二方向上的第二膨胀压力采集机构；
所述第一方向和所述第二方向对应所述岩芯试样的侧面的两个相互垂直的方向。
本发明的进一步改进在于，所述第一膨胀压力采集机构包括支撑所述岩芯试样的第一侧面的第一固定支座，以及支撑所述岩芯试样的第三侧面的第一可调支座；
所述第一可调支座上设置有第一压力传感器，第一压力传感器将探测的压力信号传递到计算机。
本发明的进一步改进在于，所述第二膨胀压力采集机构包括支撑所述岩芯试样的第二侧面的第二固定支座，以及支撑所述岩芯试样的第四侧面的第二可调支座；
所述第二可调支座上设置有第二压力传感器，第二压力传感器将探测的压力信号传递到计算机。
本发明的进一步改进在于，所述第一可调支座包括固定在所述岩芯水化池的侧壁上的第一支撑螺套，所述第一支撑螺套内设置有第一支撑螺杆，所述第一压力传感器固定在所述第一支撑螺杆的前端；
所述第二可调支座包括固定在所述岩芯水化池的侧壁上的第二支撑螺套，所述第二支撑螺套内设置有第二支撑螺杆，所述第二压力传感器固定在所述第二支撑螺杆的前端。
本发明的进一步改进在于，所述第一支撑螺杆和所述第二支撑螺杆上均设置有两个锁紧螺母，所述第一支撑螺杆上的两个锁紧螺母分别位于所述第一支撑螺套的两侧，所述第二支撑螺杆上的两个锁紧螺母分别位于所述第二支撑螺套的两侧。
本发明的进一步改进在于，所述岩芯水化池内的底部设置有底部衬垫，所述岩芯试样设置在所述底部衬垫上；所述岩芯试样的侧壁上分别设置有挡板。
本发明的进一步改进在于，所述岩芯水化池的下方设置有设备支架，顶部设置有密封盖板；所述岩芯水化池的底部设置有带有阀门的排液口。
本发明的另一个方面，还提出了一种页岩水化膨胀应力测试方法，所述的页岩水化膨胀应力测试装置进行页岩水化膨胀应力测试，所述方法包括：
将岩芯试样固定在岩芯水化池内，记录初始状态下的第一压力传感器和第二压力传感器的压力值；
向岩芯水化池内注入水化工作液，记录岩芯试样水化开始的时间，并记录第一压力传感器和第二压力传感器检测的压力值随时间的变化；
计算第一方向和第二方向上页岩水化时间-膨胀应力关系。
本发明的进一步改进在于，计算第一方向和第二方向上页岩水化时间-膨胀应力关系时，通过公式：
其中，t为岩芯试样开始水化起经历的时间，σw p(t)为t时刻第一方向岩芯试样水化膨胀应力，Fw p(t)为t时刻第一方向上岩芯试样水化膨胀压力，Fp(0)为第一方向上岩芯试样水化前初始压力，sp为第一方向岩心试样截面积；
σw v(t)为t时刻第二方向上岩芯试样水化膨胀应力，Fw v(t)为t时刻第二方向上岩芯试样水化膨胀压力，Fv(0)为第二方向上岩芯试样水化前初始应力，sv为第二方向上岩芯试样截面积。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种页岩水化膨胀应力测试装置和方法，可以同时测量页岩在平行层理、垂直层理两个方向的水化膨胀应力；在压力检测的系统内不使用塑胶套及液压油等材料，避免了易压缩材料对测试精度的影响；同时，不需采用液压系统，有利于设备在长期压力检测过程中维持稳定可靠的持续测量。
本发明所述方法适用于油气开采领域页岩膨胀应力特性测试，对于深入认识评价油气井工作液对页岩地层不同方向应力扰动，指导页岩地层钻井防塌、完井防套管挤毁、生产防出砂埋井等具有基础支撑作用。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的页岩水化膨胀应力测试装置的结构示意图，显示了俯视的视图；
图2所示为本发明的一个实施例的页岩水化膨胀应力测试装置的结构示意图，显示了侧视的视图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、岩芯水化池，2、岩芯试样，3、计算机，11、密封盖板，12、设备支架，13、排液口，14、底部衬垫，15、第一固定支座，16、第一可调支座，17、第二固定支座，18、第二可调支座，19、第一压力传感器，20、第二压力传感器，21、第一支撑螺杆，22、第一支撑螺套，23、第二支撑螺杆，24、第二支撑螺套，25、锁紧螺母，26、挡板。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种页岩水化膨胀应力测试装置，包括岩芯水化池1，所述岩芯水化池1为密封的容器，其内部放置岩芯试样2。岩芯试样设置在岩芯水化池1的中央，其边缘与岩芯水化池1的内壁之间具有一定的距离。所述岩芯水化池1的侧壁上设置有膨胀压力采集装置，所述膨胀压力采集装置接触并支撑所述岩芯试样2。
在使用时，岩芯水化池1加持岩芯试样2，并对岩芯试样2注入水化工作液，通过膨胀压力采集装置能够监测岩芯试样2的膨胀压力随时间的变化曲线。
在一个实施例中，膨胀压力采集装置包括第一膨胀压力采集机构和第二膨胀压力采集机构，其中，第一膨胀压力采集机构在第一方向上，第二膨胀压力采集机构在第二方向上，第一方向和第二方向相互垂直，分别对应岩芯试样的侧面的两个方向。第一方向为平行层理方向，第二方向为垂直层理方向。
在一个实施例中，如图1所示，岩芯试样2的侧面包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，其中，第一侧面和第三侧面与第一方向相对，与第二方向相平行；第二侧面和第四侧面与第二方向相对，与第一方向相平行。所述第一膨胀压力采集机构包括支撑所述岩芯试样2的第一侧面的第一固定支座15，以及支撑所述岩芯试样2的第三侧面的第一可调支座16。所述第一可调支座16上设置有第一压力传感器19，第一压力传感器19将探测的压力信号传递到计算机3。
在一个实施例中，所述第二膨胀压力采集机构包括支撑所述岩芯试样2的第二侧面的第二固定座，以及支撑所述岩芯试样2的第四侧面的第二可调支座18，所述第二可调支座18上设置有第二压力传感器20，第二压力传感器20将探测的压力信号传递到计算机3。
在一个实施例中，所述第一可调支座16包括固定在所述岩芯水化池1的侧壁上的第一支撑螺套22，所述第一支撑螺套22内设置有第一支撑螺杆21，所述第一支撑螺杆21的端部设置所述第一压力传感器19。所述第二可调支座18包括固定在所述岩芯水化池1的侧壁上的第二支撑螺杆23套，所述第二支撑螺杆23套内设置有第二支撑螺杆23。所述第二支撑螺杆23的端部设置第二压力传感器20。
在使用根据本实施例所述的页岩水化膨胀应力测试装置时，岩芯试样2放置在岩芯水化池1中，第一固定座固定所述岩芯试样2的第一侧面，第二固定座固定在所述岩芯试样2的第二侧面，岩芯试样2的第三侧面通过第一可调支座16支撑，岩芯试样2的第四侧面通过第二可调支座18支撑。在调节第一可调支座16时，通过旋转第一支撑螺杆21将压力传感器推靠到岩芯试样2的侧面，并使第一压力传感器19具有一定的初始压力值，例如1MPa。第二可调支座18的安装方式与第一可调支座16的方式相同。
在一个实施例中，所述第一支撑螺杆21上设置有两个锁紧螺母25，第一支撑螺杆21上的两个所述锁紧螺母25分别设置在所述第一支撑螺套22的两侧。所述第二支撑螺杆23上也设置有两个锁紧螺母25，第二支撑螺杆23上的两个锁紧螺母25分别设置在所述第二支撑螺套24的两侧。
在一个优选的实施例中，所述第一支撑螺杆21和第二支撑螺杆23的外端均设置有旋转轮盘，作为调节第一支撑螺杆21和第二支撑螺杆23位置的旋钮。
在根据本实施例所述的页岩水化膨胀应力测试装置中，锁紧螺母25与第一支撑螺杆21筒螺纹相连，在锁紧螺母25调整并固定位置后，第一支撑螺杆21旋转到锁紧螺母25接触所述第一支撑螺套22时，由于锁紧螺母25的阻挡，第一支撑螺杆21会停止旋入。第二支撑螺杆23上的锁紧螺母25的工作方式与第一支撑螺杆21上的锁紧螺母25的工作方式相同。
在一个实施例中，如图2所示，所述岩芯水化池1内的底部设置有底部衬垫14，所述岩芯试样2设置在所述底部衬垫14上。通过底部衬垫14能够将岩芯试样2支撑到合适的高度，以便于水化实验。所述衬垫顶面为波纹构造，确保水化工作液能与岩心充分接触。
所述岩芯试样2的侧壁上设置有若干挡板26。在本实施例中，挡板26的数量为四个，分别设置在第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面上。通过挡板26与第一固定支座15、第一可调支座16、第二固定支座17和第二可调支座18相连，这样第一传感器和第二传感器接收的压力更加均匀，不会犹豫偏斜而造成误差。挡板26为带孔不锈钢承压板，水化工作液能通过孔眼与页岩接触。
在一个实施例中，如图2所示，所述岩芯水化池1的下方设置有设备支架12，顶部设置有密封盖板11；所述岩芯水化池1的底部设置有带有阀门的排液口13。在试验完成后，排液口13能够排出水化工作液。
根据本发明的另一个方面，还提出了一种页岩水化膨胀应力测试方法。在本实施例中，所述方法包括以下步骤：
将岩芯试样2固定在岩芯水化池1内，记录初始状态下的第一压力传感器19和第二压力传感器20的压力值；
向岩芯水化池1内注入水化工作液，记录岩芯试样2水化开始的时间，并记录第一压力传感器19和第二压力传感器20检测的压力值随时间的变化；
计算第一方向和第二方向上页岩水化时间-膨胀应力关系。
在使用根据本实施例所述方法时，具体的操作方式如下：
首先，准备岩芯试样2。
将岩芯试压沿第一方向和第二方向进行切割、磨平，制作为立方体型试样，测量岩样几何尺寸，精确计算试样第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面的截面积。
之后，将岩芯试样2安装到岩芯水化池1内。
连接两个压力传感器数据采集线路，启动压力数据监测显示功能。拧松支撑杆锁紧螺母25，将支撑螺杆向岩芯水化池1外侧旋进，确保岩心试样能顺利放入测试位置。
确保岩芯试样2为竖直状态，将岩心试样放置于衬垫上，安置好四个挡板26和压力传感器，旋进第一支撑螺杆21和第二支撑螺杆23，通过压力传感器采集数据确定岩芯初始应力约1MPa时，拧紧锁紧螺母25。
开启压力监测数据采集存储模式，向岩芯水化池1内注入水化工作液，记录页岩水化开始时间点。岩芯试样2水化膨胀压力测试过程中，监测水化膨胀压力曲线随时间变化特征、观察并确保液面在岩芯试样2以上。
待监测压力稳定后停止压力采集，保存时间-第一方向、第二水化膨胀压力数据，断开压力传感器数据采集线路，完成测试数据采集。
之后，拆卸测试设备。
通过排液口13释放水化工作液，清洗水化池，复原实验设备。
最后，根据测试的数据进行处理得到页岩水化膨胀应力曲线。
在一个实施例中，计算第一方向和第二方向上页岩水化时间-膨胀应力关系时，通过公式：
其中，t为岩芯试样2开始水化起经历的时间，σw p(t)为t时刻第一方向岩芯试样2水化膨胀应力，Fw p(t)为t时刻第一方向上岩芯试样2水化膨胀压力，Fp(0)为第一方向上岩芯试样2水化前初始压力，sp为第一方向岩心试样截面积；
σw v(t)为t时刻第二方向上岩芯试样2水化膨胀应力，Fw v(t)为t时刻第二方向上岩芯试样2水化膨胀压力，Fv(0)为第二方向上岩芯试样2水化前初始应力，sv为第二方向上岩芯试样2截面积。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，包括：
岩芯水化池(1)，所述岩芯水化池(1)内放置岩芯试样(2)；以及
设置在所述岩芯水化池(1)侧壁上的膨胀压力采集装置，所述膨胀压力采集装置接触并支撑所述岩芯试样(2)的侧壁；
其中，所述岩芯水化池(1)加持所述岩芯试样(2)，并对所述岩芯试样(2)注入水化工作液，通过膨胀压力采集装置能够监测岩芯试样(2)的膨胀压力随时间的变化曲线。
2.根据权利要求1所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述膨胀压力采集装置包括设置在第一方向上的第一膨胀压力采集机构，以及设置在第二方向上的第二膨胀压力采集机构；
所述第一方向和所述第二方向对应所述岩芯试样(2)的侧面的两个相互垂直的方向。
3.根据权利要求2所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述第一膨胀压力采集机构包括支撑所述岩芯试样(2)的第一侧面的第一固定支座(15)，以及支撑所述岩芯试样(2)的第三侧面的第一可调支座(16)；
所述第一可调支座(16)上设置有第一压力传感器(19)，第一压力传感器(19)将探测的压力信号传递到计算机(3)。
4.根据权利要求3所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述第二膨胀压力采集机构包括支撑所述岩芯试样(2)的第二侧面的第二固定支座(17)，以及支撑所述岩芯试样(2)的第四侧面的第二可调支座(18)；
所述第二可调支座(18)上设置有第二压力传感器(20)，第二压力传感器(20)将探测的压力信号传递到计算机(3)。
5.根据权利要求4所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述第一可调支座(16)包括固定在所述岩芯水化池(1)的侧壁上的第一支撑螺套(22)，所述第一支撑螺套(22)内设置有第一支撑螺杆(21)，所述第一压力传感器(19)固定在所述第一支撑螺杆(21)的前端；
所述第二可调支座(18)包括固定在所述岩芯水化池(1)的侧壁上的第二支撑螺套(24)，所述第二支撑螺套(24)内设置有第二支撑螺杆(23)，所述第二压力传感器(20)固定在所述第二支撑螺杆(23)的前端。
6.根据权利要求5所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述第一支撑螺杆(21)和所述第二支撑螺杆(23)上均设置有两个锁紧螺母(25)，所述第一支撑螺杆(21)上的两个锁紧螺母(25)分别位于所述第一支撑螺套(22)的两侧，所述第二支撑螺杆(23)上的两个锁紧螺母(25)分别位于所述第二支撑螺套(24)的两侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述岩芯水化池(1)内的底部设置有底部衬垫(14)，所述岩芯试样(2)设置在所述底部衬垫(14)上；所述岩芯试样(2)的侧壁上分别设置有挡板(26)。
8.根据权利要求7所述的页岩水化膨胀应力测试装置，其特征在于，所述岩芯水化池(1)的下方设置有设备支架(12)，顶部设置有密封盖板(11)；所述岩芯水化池(1)的底部设置有带有阀门的排液口(13)。
9.一种通过根据权利要求1至8中任一项所述的页岩水化膨胀应力测试装置进行页岩水化膨胀应力测试的方法，其特征在于，包括：
将岩芯试样(2)固定在岩芯水化池(1)内，记录初始状态下的第一压力传感器(19)和第二压力传感器(20)的压力值；
向岩芯水化池(1)内注入水化工作液，记录岩芯试样(2)水化开始的时间，并记录第一压力传感器(19)和第二压力传感器(20)检测的压力值随时间的变化；
计算第一方向和第二方向上页岩水化时间-膨胀应力关系。
10.根据权利要求7所述的页岩水化膨胀应力测试方法，其特征在于，计算第一方向和第二方向上页岩水化时间-膨胀应力关系时，通过公式：
其中，t为岩芯试样(2)开始水化起经历的时间，σw p(t)为t时刻第一方向岩芯试样(2)水化膨胀应力，Fw p(t)为t时刻第一方向上岩芯试样(2)水化膨胀压力，Fp(0)为第一方向上岩芯试样(2)水化前初始压力，sp为第一方向岩心试样截面积；
σw v(t)为t时刻第二方向上岩芯试样(2)水化膨胀应力，Fw v(t)为t时刻第二方向上岩芯试样(2)水化膨胀压力，Fv(0)为第二方向上岩芯试样(2)水化前初始应力，sv为第二方向上岩芯试样(2)截面积。
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