CN219179125U - 一种岩石高温高压环境模拟实验装置及其实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种岩石高温高压环境模拟实验装置及其实验系统，其包括三轴室，三轴室内设置有用于放置圆柱形试件的试件腔，试件腔内设置有用于包裹圆柱形试件的围压油，试件腔的四周设置有温度控制模块，三轴室的两端分别密封设置有用于抵接圆柱形试件一端的上位油压系统和用于抵接圆柱形试件另一端并提供渗透压的下位油压系统，上位油压系统包括用于提供轴压的第一上位油压系统和用于收集渗透介质的第二上位油压系统，圆柱形试件的周向上设置有环向引伸针；本方案结构简单、易于安装、规避了现有三轴测试对人力要求高的弊端；同时本方案可实现多个圆柱形试件的并行测试，有利于提高实验效率以及实验数据的可靠性。

Description

一种岩石高温高压环境模拟实验装置及其实验系统

技术领域

本实用新型涉及岩石力学测试技术领域，具体涉及一种岩石高温高压环境模拟实验装置及其实验系统。

背景技术

随着油气资源开采进入地下深部，岩石储层面临高温、高应力、高渗透压等复杂原位环境。由于深部岩石低渗致密的特点，在油气开发前需要对岩石储层进行改造，目前储层改造主要手段为水力压裂，而岩石力学参数是低渗致密储层体积改造设计与优化的基础数据，毫无疑问，准确测试并获取深部原位环境下的岩石力学参数是深部油气资源开采的关键环节、先导性任务；因此，在深部原位环境下进行水力压裂实验获取岩石的力学参数尤为重要。

深部原位环境下的岩石力学行为与参数测试必须依赖可实现深部原位环境加载的岩石力学测试设备，现有高温高压岩石三轴力学测试系统，例如世界知名岩石力学测试系统MTS81，模拟埋深3300米原位环境(温度110℃，地应力80MPa)加载时间达到6小时以上，所模拟的原位环境埋深越深，围压和温度加载时间越长，为了保证试件均匀受热，温度施加至目标温度后还需要保持2小时以上，这导致测试非常耗时。同时这类岩石三轴力学测试系统的结构复杂、设备固定、拆装不便、测试效率低，且试件的安装和三轴室的封闭对人力要求高。

实用新型内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型提供了一种岩石高温高压环境模拟实验装置及其实验系统，解决了现有岩石力学测试系统结构复杂、对人力要求高的问题。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

提供一种岩石高温高压环境模拟实验装置，其包括三轴室，三轴室内设置有用于放置圆柱形试件的试件腔，试件腔内设置有用于包裹圆柱形试件的围压油，试件腔的四周设置有温度控制模块，三轴室的两端分别密封设置有用于抵接圆柱形试件一端的上位油压系统和用于抵接圆柱形试件另一端并提供渗透压的下位油压系统，上位油压系统包括用于提供轴压的第一上位油压系统和用于收集渗透介质的第二上位油压系统，圆柱形试件的周向上设置有环向引伸针，三轴室的外壁上设置有冷却装置。

采用上述技术方案的有益效果为：本方案将圆柱形试件放置在试件腔内，通过包裹圆柱形试件的围压油和温度控制模块模拟深部高地应力环境和深部高温环境，环向引伸针用于测试圆柱形试件的形变，通过上位油压系统和下位油压系统对圆柱形试件的端部进行加压(轴压或渗透压)，从而实现模拟深部原位环境下的岩石力学测试，且本方案结构简单、小巧便携、易于安装、实验可靠性强，规避了现有三轴测试对人力要求高的弊端。

进一步地，第一上位油压系统包括与三轴室螺纹密封连接的第一螺纹钢套，第一螺纹钢套的内侧端设置有沉槽，沉槽内滑动密封设置有T形轴压头，T形轴压头的一端与圆柱形试件的上端相抵接，沉槽的端口处固定设置有用于限位T形轴压头的限位环，限位环套设在T形轴压头上，且限位环与T形轴压头的接触面上设置有围压油密封件，第一螺纹钢套上设置有轴压液通道，轴压液通道与沉槽的底部连通。

采用上述技术方案的有益效果为：第一上位油压系统用于给圆柱形试件施加轴压，通过轴压液通道向沉槽内注入轴压液推动T形轴压头在圆柱形试件的上端形成均匀轴压力，其中滑动密封件用于防止轴压液的泄露，围压油密封件用于防止围压油侵入沉槽内，从而实现轴压和围压的分离隔绝，保证轴压的稳定性。

进一步地，第一上位油压系统还包括另一种实施方式，第一上位油压系统包括滑动密封设置在三轴室上的滑动压头，滑动压头的内侧端与圆柱形试件的端部相抵接，滑动压头的外侧端抵接有T形转接压头，T形转接压头滑动密封设置在三轴室上，三轴室上螺纹密封连接的螺纹螺栓，螺纹螺栓与T形转接压头之间设置有轴压液腔，螺纹螺栓上设置有轴压液腔连通的液腔通道。

进一步地，第二上位油压系统包括与三轴室螺纹密封连接的第二螺纹钢套，第二螺纹钢套上活动穿设有上位压头，且上位压头与第二螺纹钢套滑动密封连接，上位压头上设置有渗透压孔道，渗透压孔道的内侧端设置在圆柱形试件的上端；其中通过渗透压孔道可收集圆柱形试件流出的渗透介质，上位压头的外侧端通过垫块可安装压力机，实现轴向压力的均匀传递。

进一步地，上位压头靠近其端部的侧面上均设置有用于与第二螺纹钢套相抵接的限位块，其中限位块用于限制上位压头的运动行程，从而控制上位压头的压缩量，防止上位压头滑出第二螺纹钢套。

进一步地，下位油压系统包括下位压头，下位压头与三轴室之间设置有围压油密封件，下位压头上设置有渗透压管路，渗透压管路的内侧端设置在圆柱形试件的下端；通过渗透压管路向圆柱形试件内注入压裂液并形成渗透压。

进一步地，下位压头的外侧端设置有便于压力机安装的垫块，垫块与下位压头通过榫卯结构对接卡合，其拆装便捷，且稳定性强，垫块上设置有避让腔以及与避让腔连通并从垫块的侧面穿出的避让孔，便于渗透压管路从侧面穿出，避免渗透压管路影响压力机的施压。

进一步地，下位压头的外侧端抵接有第三螺纹钢套，第三螺纹钢套与三轴室(1)螺纹密封连接，渗透压管路贯穿第三螺纹钢套。

进一步地，圆柱形试件的上端和下端分别与上位油压系统和下位油压系统的接触面上均设置有渗透压密封件，上位油压系统、下位油压系统和圆柱形试件的侧面覆盖有密封膜，在渗透压密封件和密封膜的共同作用下，对圆柱形试件构成密封腔，保证渗透压不泄露且围压油不侵入试件。

提供一种实验系统，其包括若干岩石高温高压环境模拟实验装置，若干温度控制模块均与温度控制系统连接，若干三轴室上均设置有围压油管路，且若干围压油管路均与围压控制系统连接，若干渗透压管路均与渗透压控制系统连接，当进行水力压裂实验时，若干轴压液通道均与轴压控制系统连接；当进行三轴压缩渗透实验时，若干渗透压孔道均与收集装置连接；温度控制系统、围压控制系统、轴压控制系统和渗透压控制系统均与控制器连接。

采用上述技术方案的有益效果为：通过将若干实验装置的集成联接，以实现多个圆柱形试件的并行测试，有利于提高实验的效率以及实验数据的可靠性。

附图说明

图1为本方案进行水力压裂实验时第一种实施方式的结构示意图。

图2为本方案进行水力压裂实验时第二种实施方式的结构示意图。

图3为本方案进行三轴压缩渗透实验时的结构示意图。

图4为若干水力压裂实验并行测试实验系统的结构示意图。

图5为若干三轴压缩渗透实验并行测试实验系统的结构示意图。

其中，1、三轴室，2、圆柱形试件，3、试件腔，4、温度控制模块，5、下位油压系统，51、下位压头，52、围压油密封件，53、渗透压管路，54、垫块，55、榫卯结构，56、第三螺纹钢套，6、第一上位油压系统，61、第一螺纹钢套，62、沉槽，63、T形轴压头，64、限位环，65、围压油密封件，66、轴压液通道，611、滑动压头，612、T形转接压头，613、螺纹螺栓，614、轴压液腔，615、液腔通道，7、第二上位油压系统，71、第二螺纹钢套，72、上位压头，73、渗透压孔道，76、限位块，8、环向引伸针，9、渗透压密封件，10、密封膜，11、温度控制系统，12、围压油管路，13、围压控制系统，14、轴压控制系统，15、收集装置，16、渗透压控制系统，17、冷却装置，18、冷空气入口，19、冷空气出口。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型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实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

如图1至图4所示，本方案的岩石高温高压环境模拟实验装置包括三轴室1，三轴室1内设置有用于放置圆柱形试件2的试件腔3，试件腔3内设置有用于包裹圆柱形试件2的围压油，试件腔3的四周设置有温度控制模块4，三轴室1的两端分别密封设置有用于抵接圆柱形试件2一端的上位油压系统和用于抵接圆柱形试件2另一端并提供渗透压的下位油压系统5，上位油压系统包括用于提供轴压的第一上位油压系统6和用于收集渗透介质的第二上位油压系统7，圆柱形试件2的周向上设置有环向引伸针8，三轴室1的外壁上设置有冷却装置17，冷空气入口18泵入冷空气并对三轴室1的外壁进行降温，高温空气从冷空气出口19排出；以提高冷却速率，减少实验自然冷却的降温等待时间，从而提高实验效率。

圆柱形试件2的上端和下端分别与上位油压系统和下位油压系统5的接触面上均设置有渗透压密封件9，上位油压系统、下位油压系统5和圆柱形试件2的侧面覆盖有密封膜10，在渗透压密封件9和密封膜10的共同作用下，对圆柱形试件2构成密封腔，保证渗透压不泄露且围压油不侵入试件。

本方案将圆柱形试件2放置在试件腔3内，通过包裹圆柱形试件2的围压油和温度控制模块4模拟深部高地应力环境和深部高温环境，环向引伸针8用于测试圆柱形试件2的形变，通过上位油压系统和下位油压系统5对圆柱形试件2的端部进行加压(轴压或渗透压)，从而实现模拟深部原位环境下的岩石力学测试，且本方案结构简单、小巧便携、实验可靠性强，规避了现有三轴测试对人力要求高的弊端。

具体地，下位油压系统5包括下位压头51，下位压头51与三轴室1之间设置有第二围压油密封件52，下位压头51上设置有渗透压管路53，渗透压管路53的内侧端设置在圆柱形试件2的下端；通过渗透压管路53向圆柱形试件2内注入压裂液并形成渗透压。

当本方案需要进行原位高温高压环境下的水力压裂实验时，在圆柱形试件2的上端安装第一上位油压系统6，其中第一上位油压系统6包括两种实施方式。

如图1所示，第一种实施方式为：第一上位油压系统6包括与三轴室1螺纹密封连接的第一螺纹钢套61，第一螺纹钢套61的内侧端设置有沉槽62，沉槽62内滑动设置有T形轴压头63，且T形轴压头63与沉槽62之间设置有滑动密封件，T形轴压头63的一端与圆柱形试件2的上端相抵接，沉槽62的端口处固定设置有用于限位T形轴压头63的限位环64，限位环64套设在T形轴压头63上，且限位环64与T形轴压头63的接触面上设置有第一围压油密封件65，第一螺纹钢套61上设置有轴压液通道66，轴压液通道66与沉槽62的底部连通。

第一上位油压系统6可为圆柱形试件2施加轴压，下位油压系统5可为圆柱形试件2提供渗透压，从而测试圆柱形试件2在水力压裂实验下的相关力学特性，其中通过轴压液通道66向沉槽62内注入轴压液推动T形轴压头63在圆柱形试件2的上端形成均匀轴压力，其中滑动密封件用于防止轴压液的泄露，第一围压油密封件65用于防止围压油侵入沉槽62内，从而实现轴压和围压的分离隔绝，保证轴压的稳定性。

如图2所示，第二种实施方式为：第一上位油压系统6包括滑动密封设置在三轴室1上的滑动压头611，滑动压头611的内侧端与圆柱形试件2的端部相抵接，滑动压头611的外侧端抵接有T形转接压头612，T形转接压头612滑动密封设置在三轴室1上，三轴室上螺纹密封连接的螺纹螺栓613，螺纹螺栓613与T形转接压头612之间设置有轴压液腔614，螺纹螺栓614上设置有轴压液腔614连通的液腔通道615；下位压头51的外侧端抵接有第三螺纹钢套56，第三螺纹钢套56与三轴室1螺纹密封连接，渗透压管路53贯穿第三螺纹钢套56。

滑动压头611和T形转接压头612始终与三轴室1滑动密封连接，不必每次装样时拆卸，减少装样工作量，实验时，圆柱形试件2的两端分别与下位压头51和滑动压头611以渗透密封件9密封连接，并套以密封膜10，置入三轴室1后，拧入第三螺纹钢套56即完成装样；其结构简单、便于维修、装样、拆样便捷，且三轴室1可水平、竖直放置，提高了实验的灵活性和实验空间的利用率。

如图3所示，当本方案需要进行原位高温高压环境下的三轴压缩渗透实验时，在圆柱形试件2的上端安装第二上位油压系统7，第二上位油压系统7包括与三轴室1螺纹密封连接的第二螺纹钢套71，第二螺纹钢套71上活动穿设有上位压头72，且上位压头72通过滑动密封件与第二螺纹钢套71滑动密封连接，上位压头72上设置有渗透压孔道73，渗透压孔道73的内侧端设置在圆柱形试件2的上端，上位压头72的外侧端设置有便于压力机安装的垫块74。

下位油压系统5可为圆柱形试件2提供渗透压，下位压头51的外侧端通过垫块54可安装压力机，实现轴向压力的均匀传递，通过渗透压孔道73可收集圆柱形试件2流出的渗透介质，从而测试圆柱形试件2在三轴压缩渗透实验下的相关力学特性。

优选地，垫块54与下位压头51通过凹凸形式的榫卯结构55对接卡合，其拆装便捷，且稳定性强，垫块54上设置有避让腔以及与避让腔连通并从垫块54的侧面穿出的避让孔，便于渗透压管路53从侧面穿出，避免渗透压管路53影响压力机的施压；上位压头72靠近其端部的侧面上均设置有用于与第二螺纹钢套71相抵接的限位块76，其中限位块76用于限制上位压头72的运动行程，从而控制上位压头72的压缩量，防止上位压头72滑出第二螺纹钢套71。

如图4和图5所示，本方案还提供基于岩石高温高压环境模拟实验装置的实验系统，其中包括若干水力压裂实验并行测试的实验系统和若干三轴压缩渗透实验并行测试的实验系统，其中若干温度控制模块4均与温度控制系统11连接，若干三轴室1上均设置有围压油管路12，且若干围压油管路12均与围压控制系统13连接，若干渗透压管路53均与渗透压控制系统16连接，当进行水力压裂实验时，若干轴压液通道66均与轴压控制系统14连接；当进行三轴压缩渗透实验时，若干渗透压孔道73均与收集装置15连接；温度控制系统11、围压控制系统13、轴压控制系统14和渗透压控制系统16均与控制器连接；通过将若干本方案实验装置的集成联接，以实现多个圆柱形试件2的并行测试，有利于提高实验的效率以及实验数据的可靠性。

Claims (10)

1.一种岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，包括三轴室(1)，所述三轴室(1)内设置有用于放置圆柱形试件(2)的试件腔(3)，所述试件腔(3)内设置有用于包裹圆柱形试件(2)的围压油，所述试件腔(3)的四周设置有温度控制模块(4)，所述三轴室(1)的两端分别密封设置有用于抵接圆柱形试件(2)一端的上位油压系统和用于抵接圆柱形试件(2)另一端并提供渗透压的下位油压系统(5)，所述上位油压系统包括用于提供轴压的第一上位油压系统(6)和用于收集渗透介质的第二上位油压系统(7)，所述圆柱形试件(2)的周向上设置有环向引伸针(8)，所述三轴室(1)的外壁上设置有冷却装置(17)。

2.根据权利要求1所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述第一上位油压系统(6)包括与三轴室(1)螺纹密封连接的第一螺纹钢套(61)，所述第一螺纹钢套(61)的内侧端设置有沉槽(62)，所述沉槽(62)内滑动密封设置有T形轴压头(63)，所述T形轴压头(63)的一端与圆柱形试件(2)的上端相抵接，所述沉槽(62)的端口处固定设置有用于限位T形轴压头(63)的限位环(64)，所述限位环(64)套设在T形轴压头(63)上，且限位环(64)与T形轴压头(63)的接触面上设置有第一围压油密封件(65)，所述第一螺纹钢套(61)上设置有轴压液通道(66)，所述轴压液通道(66)与沉槽(62)的底部连通。

3.根据权利要求1所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述第一上位油压系统(6)包括滑动密封设置在三轴室(1)上的滑动压头(611)，所述滑动压头(611)的内侧端与圆柱形试件(2)的端部相抵接，所述滑动压头(611)的外侧端抵接有T形转接压头(612)，所述T形转接压头(612)滑动密封设置在三轴室(1)上，所述三轴室(1)上螺纹密封连接的螺纹螺栓(613)，所述螺纹螺栓(613)与T形转接压头(612)之间设置有轴压液腔(614)，所述螺纹螺栓(613)上设置有轴压液腔(614)连通的液腔通道(615)。

4.根据权利要求1所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述第二上位油压系统(7)包括与三轴室(1)螺纹密封连接的第二螺纹钢套(71)，所述第二螺纹钢套(71)上活动穿设有上位压头(72)，且上位压头(72)与第二螺纹钢套(71)滑动密封连接，上位压头(72)上设置有渗透压孔道(73)，所述渗透压孔道(73)的内侧端设置在圆柱形试件(2)的端部。

5.根据权利要求4所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述上位压头(72)靠近其端部的侧面上均设置有用于与第二螺纹钢套(71)相抵接的限位块(76)。

6.根据权利要求1所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述下位油压系统(5)包括下位压头(51)，所述下位压头(51)与三轴室(1)之间设置有第二围压油密封件(52)，所述下位压头(51)上设置有渗透压管路(53)，所述渗透压管路(53)的内侧端设置在圆柱形试件(2)的端部。

7.根据权利要求6所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述下位压头(51)的外侧端设置有便于压力机安装的垫块(54)，所述垫块(54)与下位压头(51)通过榫卯结构(55)对接卡合，所述垫块(54)上设置有避让腔以及与避让腔连通并从垫块(54)的侧面穿出的避让孔。

8.根据权利要求6所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述下位压头(51)的外侧端抵接有第三螺纹钢套(56)，所述第三螺纹钢套(56)与三轴室(1)螺纹密封连接，所述渗透压管路(53)贯穿第三螺纹钢套(56)。

9.根据权利要求1所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，其特征在于，所述圆柱形试件(2)的上端和下端分别与上位油压系统和下位油压系统(5)的接触面上均设置有渗透压密封件(9)，所述上位油压系统、下位油压系统(5)和圆柱形试件(2)的侧面覆盖有密封膜(10)。

10.一种实验系统，其特征在于，包括若干权利要求1-9任一项所述的岩石高温高压环境模拟实验装置，若干所述温度控制模块(4)均与温度控制系统(11)连接，若干所述三轴室(1)上均设置有围压油管路(12)，且若干围压油管路(12)均与围压控制系统(13)连接，若干所述渗透压管路(53)均与渗透压控制系统(16)连接，当进行水力压裂实验时，若干所述轴压液通道(66)均与轴压控制系统(14)连接；当进行三轴压缩渗透实验时，若干所述渗透压孔道(73)均与收集装置(15)连接；所述温度控制系统(11)、围压控制系统(13)、轴压控制系统(14)和渗透压控制系统(16)均与控制器连接。

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