CN1595098A - 模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够区分地层岩石中的水平应力和垂向应力，真实模拟地层应力状态新型岩心夹持器，这种夹持器用于测定岩石的孔隙度和渗透率以及它们随应力变异的规律。模拟地层多应力场耦合作用岩心夹持器由渗流板、导压块、上盖、底座和空心橡胶圈等构成它有两套加压系统，液压机通过导压块施加在岩心上的压力使岩心中产生垂向应力，空心橡胶圈充注流体变形挤压岩心使岩心中产生水平应力。

Description

模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器

技术领域

本发明是一种用来对岩石做物性分析试验的装置及方法，尤其是一种应用与石油勘探和开发行业，测定模拟地层应力条件下岩石孔隙度和渗透率变异规律的试验装置和方法。

背景技术

在石油与天然气的地质勘探和生产开发过程中，要用物理模拟的方法测定地层岩石孔隙度和渗透率以及它们随应力的变异规律。地层中，岩石的孔隙度和渗透率是由孔隙结构的大小和形状决定的，受岩石所处应力状态的影响。参见图1，岩石在地层的应力状态可以用水平应力σ_h和垂向应力σ_v来表征，水平应力的大小由岩石承受的水平压力和孔隙流体压力决定，垂向压力的大小由岩石的上覆压力和孔隙流体压力决定。通常情况下，地层岩石承受的水平压力和上覆压力是不相等的，它们的关系受到岩石的埋深、地质构造和运动、岩石的力学特性参数等因素的影响。当岩石所处的应力状态发生变化时，水平应力和垂向应力的增幅一般也是不相等的。因此，在测定地层条件下岩石的孔隙度和渗透率以及它们变异的规律时，要分析岩石的应力状态及其变化方式，区分岩石承受的水平压力和上覆压力。

目前使用的常规岩心夹持器是用一个橡胶内筒和一个金属外筒组成一个环形密闭空腔，岩心放在橡胶筒内，在两端各装一个金属堵头，堵头中间有一通孔，并接有金属管，流体通过金属管流入流出。试验时向橡胶内筒和金属外筒组成的环形密闭空腔中注入流体，随着注入流体压力的升高，橡胶内筒变形对岩心产生围压，利用这个压力来模拟地层压力。在常规岩心夹持器中，岩心只承受径向压力，处于一维应力状态下。石油大学(华东)的赵仕俊对常规岩心夹持器进行了改进，在常规岩心夹持器的两端增加了轴向加压装置，使得岩心能够处在三轴应力状态下。

在常规岩心夹持器及其改进型中，围压既表征岩石承受的水平压力又表征岩石承受的上覆压力，没有考虑地层岩石中水平应力和垂向应力的差别，因而不能充分的模拟地层岩石的应力状态。当围压变化时，会导致岩石中水平应力和垂向应力等幅变化，这也和地层中实际情况不符。无论从静态的角度还是从动态的角度来看，常规岩心夹持器及其改进型都不能区分地层岩石中的水平应力和垂向应力，因此不能模拟地层应力场及其变化。

由于常规岩心夹持器及其改进型不能真实模拟地层应力场及其变化，使用这些岩心夹持器就不能准确的测得地层条件下的孔隙度和渗透率以及它们的变异规律。鉴于目前还未见到能够真正区分地层岩石中水平应力和垂向应力，真实模拟地层应力场及其变化的相关试验装置专利技术公开，因此有必要发明一种用于做地层岩心物性分析的新型岩心夹持器，这种新型岩心夹持器要求能够区分岩石在地层岩石中水平应力和垂向应力，真实模拟地层应力场及其变化，可靠地测得地层条件下岩石孔的隙度和渗透率以及它们虽压力变异的规律。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够区分地层岩石的水平应力和垂向应力，真实模拟地层应力场及其变化的新型岩心夹持器——模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器。利用这种模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器可以测得地层条件下岩石的孔隙度和渗透率，也能够测得在地层条件下，岩石的孔隙度和渗透率随压力变异的规律。

按照本发明的目的，模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器包括底座、上盖、导压块、空心橡胶圈、至少一对渗流板、水嘴、流体流入管线、流体流出管线等构件。底座和上盖扣在一起围成了一个空腔，空心橡胶圈、渗流板和岩心放置在这个孔腔中，渗流板紧贴岩心，空心橡胶圈环抱渗流板和岩心；空心橡胶的外层中间打有一孔，用来装配水嘴；底座的一个侧面上钻有一个通孔，水嘴通过该孔伸出夹持器；底座和上盖的配合部位有至少两个通孔，流体流入管线和流体流出管线透过这些孔和渗流板连通；上盖的中间有一个矩形通孔，导压块放置在这个矩形通孔中；上盖和底座用螺栓固定。

如上所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的渗流板是矩形的，每块渗流板的一个宽面上刻有回形流通槽和一个垂向流通槽，垂向流通槽贯通回形流通槽；在渗流板一个侧面的上部钻有一孔和垂向流通槽连通，流体流入管线或流体流出管线插在此孔中。

如上所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述一对或两对渗流板和岩心的一对或两对侧面相贴，渗流板刻有流通槽的侧面面对岩心，在渗流板上插入流体流入或者流出管线，然后在渗流板和岩心的外面均匀的涂上密封层，做成岩心体；流体流入管线和流体流出管线透过密封层伸出岩心体。

如上所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的底座上表面有一凸台，对着渗流板上部的孔，凸台上刻有半圆槽。

如上所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的上盖有一凹槽和底座的凸台对应；对着渗流板上部的孔，在凹槽部分刻有半圆槽，其余部分刻有U形槽。

如上所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述所述的上盖和底座的半圆槽正向相对。

利用如上所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，关闭流体流入管线，在流体流出管线上接入带刻度的毛细管，挤压岩心体，根据毛细管液面的变化可以测得岩石孔隙度随压力变异的规律。

附图说明

图1为地层中岩石的应力状态示意图，图2为模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器主视剖面图，图3为去掉上盖和导压块的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器的俯视图，图4为渗流板结构示意图。

具体实施方式

参见图2和图3，本发明提供的模拟地层多应力场耦合作用的夹持器的组成是：导压块1、上盖2、空心橡胶圈3、水嘴4、底座5、密封层6、渗流板7、岩心8、流体流入管线9、流体流出管线10和固定螺栓11。

本发明提供的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器的结构是：密封树脂层6包围渗流板7和试验地层岩心8组成岩心体，渗流板7带有回形刻槽的侧面紧贴地层试验岩心8，流体流入管线9和流体流出管线10的一段分别插入两个相对的渗流板，另一端透过底座和上盖配合部位的小孔伸出岩心夹持器，；导压块1、上盖2和底座3围成一个空腔，岩心体和空心橡胶圈3位于这个空腔中，并且空心橡胶圈3包围着岩心体；空心橡胶圈3的水嘴4透过底座5侧面的孔伸出岩心夹持器；导压块1透过上盖2中间的方孔正好压在岩心体上方；上盖1和底座2之间是通过四角上的螺栓10固定的。

本发明提供的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器的工作原理。渗流板7带有回形刻槽的侧面紧贴岩心，它们共同被密封层包围，两个渗流板7使得流体流进和流出岩心，又能传递对岩心8的侧向压力。流体水嘴4进入空心橡胶圈3，空心橡胶圈3膨胀变形透过密封树脂层6和渗流板7挤压地层试验岩心，这个挤压力可以模拟地层的水平压力，使得岩心中存在水平应力。外界液压机压导压块1，导压块1再透过密封树脂层6挤压地层试验岩心8，这个挤压力可以模拟地层的水平压力，使得岩心中存在垂向应力。水平压力和垂向压力是通过两套不同的加压系统施加的，能够单独调节每个压力的大小，因此能够真正模拟岩石在地层的应力状态及其变化。测定地层试验岩心的渗透率时，先制作岩心体，然后把空心橡胶圈3和岩心体放入底座5的空腔中间，水嘴4透过底座侧面的孔伸出底座5，流入流如管线9和流体流出管线10放置在底座凸台上的半圆槽内，盖上上盖2，放入导压块1，最后用螺栓10固定上盖2和底座5。缓慢增加垂向压力和水平压力至预定值，即可测定在对应应力状态下地层试验岩心的渗透率；按照地层条件协调调整垂直压力和水平压力，测定不同应力状态下的渗透率，就可以得到地层条件下渗透率随应力变化的规律。测定地层试验岩心8的孔隙度在地层条件下随应力变化的规律时，在制作岩心体以前要测出岩心8在常压下的孔隙度。和测定地层试验岩心8的渗透率的方法相同，装好模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，然后在低流量条件下驱替5倍的孔隙体积，然后关闭流体流入管线9，并在流体流出管线10上接上带刻度的毛细管，按照地层条件协调增加垂直压力和水平压力，读出毛细管中流体在不同压力下的体积，就可以计算得到地层试验岩心8的孔隙度在地层条件下随应力的变化规律，进而测得地层条件下岩石的孔隙度。

Claims (9)

1.一种模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于：它包括底座(5)、上盖(2)、导压块(1)、空心橡胶圈(3)、至少一对渗流板(7)、水嘴(4)、流体流入管线(9)、流体流出管线(10)；底座(5)和上盖(2)扣在一起围成了一个空腔，空心橡胶圈(3)、渗流板(7)和岩心(8)放置在这个孔腔中，渗流板(7)紧贴岩心(8)，空心橡胶圈(3)环抱渗流板(7)和岩心(8)；空心橡胶(3)的外层中间打有一孔，用来装配水嘴(4)；底座(5)的一个侧面上钻有一个通孔，水嘴(4)通过该孔伸出夹持器；底座(5)和上盖(2)的配合部位有至少两个通孔，流体流入管线(9)和流体流出管线(10)透过这些孔和渗流板(7)连通；上盖(2)的中间有一个矩形通孔，导压块(1)放置在这个矩形通孔中；上盖(2)和底座(5)用螺栓(11)固定。

2.根据权利要求1所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的渗流板(7)是矩形的，每块渗流板(7)的一个宽面上刻有回形流通槽和一个垂向流通槽，垂向流通槽贯通回形流通槽；在渗流板一个侧面的上部钻有一孔和垂向流通槽连通，流体流入管线(9)或流体流出管线(10)插在此孔中。

3.根据权利要求1或权力要求2所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述一对或两对渗流板(7)和岩心(8)的一对或两对侧面相贴，渗流板(7)刻有流通槽的侧面面对岩心(8)，在渗流板(7)和岩心的外面均匀的涂有密封层(6)；流体流入管线(9)和流体流出管线(10)透过密封层(6)伸出岩心体。

4.根据权利要求1所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的底座(5)上表面靠着内缘有一凸台，其在对着渗流板(7)的方向上刻有半圆槽。

5.根据权利要求1所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的上盖(2)有一凹槽和底座的凸台对应；对着渗流板(7)的方向上，凹槽部分也刻有半圆槽，其余部分刻有U形槽。

6.根据权利要求4或权力要求5所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述所述的底座(5)和上盖(2)的半圆槽正向相对。

7.根据权利要求1所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的导压块(1)和上盖(2)中间的矩形孔采用间隙配合，导压块(1)的高度略大于上盖(2)中间矩形孔的高度。

8.根据权利要求1所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，其特征在于所述的空心橡胶圈(3)在装满流体且不膨胀时，恰好充满由岩心体、上盖(2)和底座(5)围成的回形空间。

9.根据权利要求1到权利要求8之一所述的模拟地层多应力场耦合作用的岩心夹持器，在流体流出管线(10)上还可接入带刻度的毛细管，关闭流体流入管线(9)，挤压岩心体，根据毛细管液面的变化可以测得岩石孔隙度随压力变异的规律。

Images