CN115290431A - 围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，包括岩样加热与夹持系统、压力衰减测试系统、围压加载系统、观测系统、控温系统和数据采集与处理系统。利用该装置观测岩体热损伤并测试渗透性的方法，包括：准备相同两块岩样；第一组实验：取下光学观察窗和上盖板，将岩样置于岩样夹持单元内，将液压油注入岩样夹持单元，打开氮气瓶，启动加热单元，红外热成像仪记录岩样表面温度变化，压力传感器记录中间容器的压力衰减规律；第二组实验：安装光学观察窗和上盖板并密封，通过DIC和显微观察仪记录岩石表面全场应变与微细观结构变化。本发明揭示了储层热增产工艺中井周岩体在高温下的实时损伤及增渗机制，克服了现有技术的缺陷和不足。
Description
技术领域
本发明属于高温岩体地热开发及非常规油气资源高温增产领域，具体涉及一种围压条件下实时观测岩体热损伤并测试渗透性的试验装置及方法。
背景技术
为更加低成本、环保地开发地下油气资源，储层高温加热提高单井产能已成为致密/页岩油气高效开发的一项储备技术，其主要机理在于热损伤诱导岩石内部形成裂纹并扩展、连通，增大井周的泄流面积。然而，一般的岩石加热试验在微细观结构观测及渗透性测试上往往在卸压、冷却后进行，这难以准确评价储层热增产工艺中井周岩体在高温下的实时损伤及增渗机制，更无法为选择有利于增大渗流能力和保持井眼稳定性的最佳温度区间提供依据。
发明专利“一种多场耦合下岩石微细观结构实时观测试验平台”(CN20211133391.0)，通过加热系统、压力加载系统、水/气压加载系统对岩石提供多场耦合环境，并结合观测系统用于长期高温-渗流-应力耦合下岩石微细观结构实时观测，但其考虑环境为深部地层原始高温，与高温热增产所需的温度(600℃以上)不符，且无法测试岩石渗透性的变化。“一种高压环境下岩心热致裂实验系统与方法”(CN201710283873.1)，通过对岩心进行单侧加热的夹持器以及与之相连通的介质源和介质流动管系，能实现100～600℃下的岩石渗透率测量，但未考虑岩石热损伤的细观观测问题，缺乏加热条件下解释岩石渗透率变化机理的技术途径。因此，如何采取合理的观测和测试手段，系统地研究岩石在围压条件下的热损伤及增渗规律以及随加热温度及时间的响应规律，对进一步理解储层热增产工艺中井周岩体的细观时效变形、渐进破裂和增渗机制有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，该装置能在岩石高温加热条件下实时观测表面温度、全场应变和微细观结构，并同步测量渗透率，从而评价和揭示储层热增产工艺中井周岩体在高温下的实时损伤及增渗机制，克服了现有技术的缺陷和不足。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置在围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的方法，该方法原理可靠，操作简便，测试过程符合实际工况，测试结果快速准确，对发展和促进高温岩体地热开发及非常规油气资源高温增产，能够提供重要的理论依据和技术手段。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
本发明通过岩心夹持器为岩心施加不同围压，并放置于加热炉上端，通过温度控制系统进行不同温度的热处理，以模拟井筒加热条件下井周岩体单向受热的状态。加热炉体外接氮气瓶及带压力传感器的中间容器，通过压力衰减测算岩体实时加热条件下的渗透性变化，并在观测端采用红外热成像仪记录岩石另一端面的温度变化。同时通过加入耐高温光学石英玻璃作为观察窗，采用DIC方法和显微镜两种观察手段，获取岩体表面全场应变特征和微细观结构特征的时效变化。
围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，包括岩样加热与夹持系统、压力衰减测试系统、围压加载系统、观测系统、控温系统和数据采集与处理系统。
所述岩样加热与夹持系统，包括加热单元和岩样夹持单元，对试验岩样提供热-力耦合环境。所述加热单元为小型加热炉，炉体外部尺寸设计为Φ80mm×30mm，上部安装耐高温氧化铝导热孔板，用于气体渗流，炉壁上端加工耐高温密封凸片，用于连接岩样夹持单元并密封，所述小型加热炉结构还包括中间层陶瓷纤维板，内层多晶莫来石纤维板，用于隔热与耐火；所述岩样夹持单元，包括耐高温光学石英玻璃观察窗和上盖板，观察窗侧面安装耐高温密封圈，上盖板通过紧固螺栓与岩样夹持外壳上端的紧固螺栓相连，所述岩样夹持外壳内部镶嵌紫铜套，中间留有环空通过液压油泵入头施加围压。
所述压力衰减测试系统，包括带压力传感器的中间容器和氮气瓶，中间容器可记录其中的压力衰减规律，反应岩石渗透率的时效变化。中间容器中的压力信号实时传输至数据采集与处理系统。
所述围压加载系统，包括液压油泵入室和液压油回收室，所述液压油泵入室和回收室分别连接至岩样夹持器上液压油泵入头和流出头，为岩样夹持器提供围压，还通过液压泵控制线路与数据采集与处理系统相连接，便于准确控制围压。
所述观测系统，包括红外热成像仪、DIC测量仪和显微观察仪，对试验过程中岩石表面温度、全场应变、微细观结构进行观测。
所述控温系统，内设智能控制器接收加热单元中反馈的温度信号，并自动控制加热温度，同时将温度数据传递至数据采集与处理系统。
所述数据采集与处理系统，对压力衰减系统、围压加载系统、观测系统和控温系统进行数据信号接收和处理。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明通过岩样加热与夹持系统、围压加载系统对岩样提供围压条件下的加热环境，通过加热炉体与测试气源连接，能基于压力衰减法通过带压力传感器的中间容器中压力衰减规律反算实时高温下岩石渗透率的变化；
(2)本发明通过红外热成像仪、DIC测试及显微观察仪联用，实现高温下岩石表面温度、全场应变、微细观结构之间响应特征的统一观测，以便从细观上理解岩石在高温加热作用下的时效变形、渐进破裂和增渗行为。
附图说明
图1是围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置结构示意图。
图中：1-岩样加热与夹持系统，10-加热单元，11-岩样夹持单元，12-岩样，13-耐高温光学观察窗，101-加热炉外壳，102-中间层保温材料陶瓷纤维板，103-内层耐火材料多晶莫来石纤维板，104-氧化铝导热孔板，105-硅碳棒加热元件，106-控温系统管线接口，107-氮气注入口，108-密封凸条，111-紧固螺栓孔，112-紫铜套，113-液压油泵入头，114-液压油流出头，115-密封凹槽，116-夹持外壳，117-紧固螺栓，118-上盖板，131-耐高温光学石英玻璃，132-耐高温密封圈；2-压力衰减测试系统，201-带压力传感器的中间容器，202-氮气瓶；3-围压加载系统，301-液压油回收室，302-液压油泵入室；4-观测系统，401-DIC和显微观察仪；402-红外热成像仪；5-控温系统；6-数据采集与处理系统。
具体实施方式
下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参看图1。
围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，包括岩样加热与夹持系统1、压力衰减测试系统2、围压加载系统3、观测系统4、控温系统5和数据采集与处理系统6。
所述岩样加热与夹持系统1包括加热单元10、岩样夹持单元11、岩样12和耐高温光学观察窗13。所述加热单元10为加热炉，加热炉由外向内依次为外壳101、中间层保温材料陶瓷纤维板102、内层耐火材料多晶莫来石纤维板103和硅碳棒加热元件105，上端为氧化铝导热孔板104，侧端有连接温控系统5的管线接口106和氮气注入口107，顶部设置密封凸条108；所述岩样夹持单元11包括上盖板118、夹持外壳116，上盖板118通过紧固螺栓117、紧固螺栓孔111连接夹持外壳116，夹持外壳内设置紫铜套112，紫铜套内放置岩样12，岩样上方设置耐高温光学观察窗13，夹持外壳和紫铜套之间有一环形空间，夹持外壳设置液压油泵入头113和液压油流出头114，底部设置密封凹槽115，该密封凹槽与加热炉顶部的密封凸条108相匹配，岩样夹持单元和加热单元通过密封凹槽和密封凸条固定密封。
所述压力衰减测试系统2包括带压力传感器的中间容器201、氮气瓶202，中间容器连接加热炉侧端的氮气注入口107。
所述围压加载系统3包括液压油回收室301、液压油泵入室302，分别通过液压油流出头114、液压油泵入头113与夹持外壳和紫铜套之间的环形空间连通。
所述观测系统4包括DIC和显微观察仪401、红外热成像仪402，分别位于岩样夹持单元上方。
所述控温系统5通过管线接口106连接加热单元10。
所述带压力传感器的中间容器201、DIC和显微观察仪401、红外热成像仪402、液压油回收室301、液压油泵入室302和控温系统5均连接数据采集与处理系统6。
本发明中，带压力传感器的中间容器的压力信号实时传输至数据采集与处理系统，根据压力衰减法测试原理，通过下列公式实时测算渗透率：
式中，Kg为气测渗透率，10-3μm2；μ为气体黏度，mPa·s；z为气体压缩因子，MPa-1；L为岩心长度，cm；Vu为中间容器体积，cm3；A为岩心横截面积，cm2；α为半对数坐标中中间容器实时压力P(t)/初始压力Pi与时间t的对应斜率。
所述观察窗为耐高温光学石英玻璃131与耐高温密封圈132的结合，可拆卸。
所述DIC和显微观察仪由高速相机与显微镜头配合组成，通过控制线路连接至数据采集与处理系统，与DIC测试软件配合使用。
所述控温系统内设智能控制器接收加热单元中反馈的温度信号，并自动控制加热温度，同时将温度数据传递至数据采集与处理系统。
所述数据采集与处理系统，用于实时采集和存储热源温度、围压、岩石表面温度变化、压力衰减规律、全场应变特征与表面微细结构变化等，自动保存，可回放。
利用上述装置在围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的方法，依次包括如下步骤：
(1)准备相同岩样两块(尺寸Φ50mm×25mm)，开展两组实验，第一组观测加热过程中岩石表面温度的时效变化，同时通过压力衰减法实时测试其渗透率，第二组观测加热过程中岩石表面全场应变和微细观结构变化特征；
(2)第一组实验：取下耐高温光学观察窗13和上盖板118，将岩样12置于岩样夹持单元11内，利用数据采集与处理系统6控制围压加载系统3，开启阀门V4，关闭阀门V3，将液压油通过泵入管线从液压油泵入头113注入岩样夹持单元11后，关闭阀门V4；
(3)关闭阀门V1，开启阀门V2，打开氮气瓶，在带压力传感器的中间容器201中憋压至一定程度后，关闭氮气瓶，启动加热单元10，并通过控温系统5设定目标加热温度，同时开启阀门V1，打开加热炉侧端的氮气注入口107；
(4)通过压力传感器记录中间容器201的压力衰减规律，红外热成像仪402记录岩样表面温度变化，并将记录结果反馈至数据采集与处理系统6，通过编制压力衰减法测试程序将压力信号实时转化为渗透率；
(5)待测试完毕后，关闭控温系统，待岩样冷却后，关闭阀门V1，开启阀门V3，对岩样夹持器做卸压处理，最后取出岩样12；
(6)第二组实验：将岩样12置于岩样夹持单元11内，利用数据采集与处理系统6控制围压加载系统3，开启阀门V4，关闭阀门V3，将液压油通过泵入管线从液压油泵入头113注入岩样夹持单元11后，关闭阀门V4，安装耐高温光学玻璃观察窗并通过耐高温密封圈密封，再安装上盖板118并通过紧固螺栓117对岩样夹持单元进行密封；
(7)通过DIC和显微观察仪401记录岩石表面全场应变与微细观结构变化，并将图像传输至数据采集与处理系统6；
(8)待测试完毕后，关闭控温系统，待岩样冷却后，开启阀门V3，对岩样夹持器做卸压处理，最后取出岩样12。
Claims (6)
1.围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，包括岩样加热与夹持系统(1)、压力衰减测试系统(2)、围压加载系统(3)、观测系统(4)、控温系统(5)和数据采集与处理系统(6)，其特征在于，所述岩样加热与夹持系统(1)包括加热单元(10)、岩样夹持单元(11)、岩样(12)和耐高温光学观察窗(13)，所述加热单元为加热炉，加热炉由外向内依次为外壳(101)、中间层保温材料陶瓷纤维板(102)、内层耐火材料多晶莫来石纤维板(103)和硅碳棒加热元件(105)，上端为氧化铝导热孔板(104)，侧端有管线接口(106)和氮气注入口(107)，顶部设置密封凸条(108)；所述岩样夹持单元包括上盖板(118)和夹持外壳(116)，夹持外壳内设置紫铜套(112)，紫铜套内放置岩样(12)，岩样上方设置耐高温光学观察窗(13)，夹持外壳和紫铜套之间有一环形空间，夹持外壳设置液压油泵入头(113)和液压油流出头(114)，底部设置密封凹槽(115)，该密封凹槽与加热炉顶部的密封凸条(108)相匹配；所述压力衰减测试系统(2)包括带压力传感器的中间容器(201)、氮气瓶(202)，中间容器连接加热炉侧端的氮气注入口(107)；所述围压加载系统(3)包括液压油回收室(301)、液压油泵入室(302)，分别通过液压油流出头(114)、液压油泵入头(113)与夹持外壳和紫铜套之间的环形空间连通；所述观测系统(4)包括DIC和显微观察仪(401)、红外热成像仪(402)，分别位于岩样夹持单元上方；所述控温系统(5)通过管线接口(106)连接加热单元(10)；所述带压力传感器的中间容器、DIC和显微观察仪、红外热成像仪、液压油回收室、液压油泵入室和控温系统均连接数据采集与处理系统(6)。
2.如权利要求1所述的围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，其特征在于，观察窗为耐高温光学石英玻璃(131)与耐高温密封圈(132)的结合，可拆卸。
3.如权利要求1所述的围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，其特征在于，所述DIC和显微观察仪由高速相机与显微镜头组成，通过控制线路连接至数据采集与处理系统，与DIC测试软件配合使用。
4.如权利要求1所述的围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的装置，其特征在于，所述控温系统内设智能控制器接收加热单元中反馈的温度信号，自动控制加热温度，同时将温度数据传递至数据采集与处理系统。
5.利用权利要求1、2、3或4所述的装置在围压条件下观测岩体热损伤并测试渗透性的方法，依次包括如下步骤：
(1)准备相同两块岩样，开展两组实验；
(2)第一组实验：取下耐高温光学观察窗和上盖板，将岩样置于岩样夹持单元内，将液压油通过泵入管线从液压油泵入头注入岩样夹持单元；
(3)打开氮气瓶，在带压力传感器的中间容器中憋压至一定程度后，关闭氮气瓶，启动加热单元，打开加热炉侧端的氮气注入口；
(4)红外热成像仪记录岩样表面温度变化，并将记录结果反馈至数据采集与处理系统，通过压力传感器记录中间容器的压力衰减规律，并将压力信号实时转化为渗透率；
(5)第二组实验：将岩样置于岩样夹持单元内，将液压油通过泵入管线从液压油泵入头注入岩样夹持单元，安装耐高温光学观察窗和上盖板并密封；
(6)通过DIC和显微观察仪记录岩石表面全场应变与微细观结构变化，并将图像传输至数据采集与处理系统。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过下列公式将压力信号实时转化为渗透率：
式中，Kg为气测渗透率，10-3μm2；μ为气体黏度，mPa·s；z为气体压缩因子，MPa-1；L为岩样长度，cm；Vu为中间容器体积，cm3；A为岩样横截面积，cm2；α为半对数坐标中中间容器实时压力P(t)/初始压力Pi与时间t的对应斜率。
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