CN105241750B - 用于室内三轴水力压裂试验的压头*** - Google Patents

Abstract

用于室内三轴水力压裂试验的压头***，涉及一种压头***，以克服现有技术中三轴压裂试验采用的压头制样费时、操作复杂且试验后处理复杂的缺点。包括压头单元、橡胶密封圈及螺母，所述压头单元为一体式结构，依次包括依次连接的顶部接头、主体压头、下部管道及底部锥度密封接头，顶部接头、主体压头、下部管道及底部锥度密封接头皆为同轴设置且中心轴处沿其轴向设有贯通孔，顶部接头外表面设有凹槽，凹槽上设置有与其相匹配的橡胶密封圈；底部锥度密封接头外表面设有外螺纹，所述螺母与外螺纹相匹配。本发明能够快捷、高效地完成室内三轴水力压裂试验，密封效果好，能够有效防止受压流体泄漏，适用于室内单轴或三轴压裂试验。

Description

用于室内三轴水力压裂试验的压头***

技术领域

本发明涉及一种试验***，尤其是涉及一种用于实现脆性材料室内三轴水力压裂试验的压头***。

背景技术

随着能源局势的日趋紧张，诸如致密气、煤层气及页岩气等非常规能源引起世界范围内的广泛关注。由于非常规油气储层具有“低孔低渗”的低产特征，以水力压裂为代表的压裂技术已成为实现非常规油气开采的主要手段。虽然目前极少数国家已经具备非常规油气商业化生产的能力，但是水力压裂机理不明且成本过高仍然是一个世界性难题。特别是现场复杂应力、复杂地质条件下的压裂生产更是难以预测与控制，此时室内三轴水力压裂成为探索压裂机理的关键基础，设计简单高效的室内压裂设备显得十分必要。

目前三轴压裂试验局限于真三轴压裂试验，然而，真三轴试验设备成本过高且相关技术不成熟，该方法对岩样要求过高，一般采用300mm×300mm×300mm的大型立方体岩样，耗时耗力且得到的压裂机理并不明晰。因此，需要一种针对小尺寸压裂试件(即岩样)的室内假三轴压裂试验***，如采用国际岩石力学协会(ISRM)推荐的直径×高度为50mm×100mm的标准试件。相比于单轴压裂，受限于试验仪器及其高压密封性能，脆性材料的室内假三轴水力压裂鲜有相关资料。与此同时，常见的试验密封方式即采用强力胶密封连接压裂试件与压头，以防止流体泄漏，但该方法导致制样费时、操作复杂且试验后需要高温或锐器处理压头粘胶。由此可见，亟需一种操作简单、密封性好且适应性强的室内三轴压裂试验的压头，此时机械领域运用的侧向密封及锥度密封原理成为突破点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了填补室内假三轴压裂试验的空白，且克服现有技术中强力胶密封方式导致的制样费时、操作复杂且试验后处理复杂的缺点，提供一种用于脆性材料室内三轴水力压裂试验的压头***，该压头结构简单、便于操作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于室内三轴水力压裂试验的压头***，包括压头单元、橡胶密封圈及螺母，所述压头单元为一体式结构，依次包括顶部接头、主体压头、下部管道及底部锥度密封接头，顶部接头、主体压头、下部管道及底部锥度密封接头皆为同轴设置且中心轴处沿其轴向设有贯通孔，顶部接头外表面设有凹槽，凹槽上设置有与其相匹配的橡胶密封圈；底部锥度密封接头外表面设有外螺纹，所述螺母与外螺纹相匹配。

具体的，所述顶部接头、主体压头、下部管道及底部锥度密封接头都为圆柱体结构。

具体的，所述凹槽为若干个，间隔设置在顶部接头外表面。

进一步的，所述顶部接头的外径范围为5～10mm，所述主体压头外径为50mm或100mm。

优选的，所述压头单元的材质为304不锈钢。

优选的，所述凹槽为半圆形凹槽。

具体的，所述底部锥度密封接头的内表面设有内螺纹，内螺纹与内锥面相接。

本发明的有益效果是：结构简单，易于加工，能够快捷、高效地完成室内三轴水力压裂试验，密封效果好，能够有效防止受压流体泄漏，大大提高装样与卸样的速度，减少人力、物力及时间的损失。本发明适用于不同流体压裂及不同脆性材料的室内单轴或三轴压裂试验。

附图说明

图1是本发明与压裂试件配套时的结构示意图；

图2是本发明中压头单元的结构示意图；

图3是本发明中底部锥度密封接头与外部管道及螺母连接使用时的结构示意图；

图4是本发明中橡胶密封圈的结构示意图；

图5是本发明中六角螺母的结构示意图；

其中，1为压头单元，2为橡胶密封圈，3为螺母，4为顶部接头，41为半圆形凹槽，5为主体压头，6为下部管道，7为底部锥度密封接头，71为内锥面，72为内螺纹，73为外螺纹，8为贯通孔，9为压裂试件，10为外部管道。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。

如图1～2所示，用于室内三轴水力压裂试验的压头***，包括压头单元1、橡胶密封圈2及螺母3，所述压头单元1为一体式结构，依次包括依次连接的顶部接头4、主体压头5、下部管道6及底部锥度密封接头7。即顶部接头4、主体压头5、下部管道6及底部锥度密封接头7为一体化设计，整体加工，保证有良好的密封性。顶部接头4、主体压头5、下部管道6及底部锥度密封接头7皆为同轴设置，即同中心轴设置，且中心轴处沿其轴向设有贯通孔，以便于从压头单元1的底部注入流体。压头单元的中心即为中心轴，说明贯通孔沿顶部接头4、主体压头5、下部管道6及底部锥度密封接头7的中心轴设置，这几个部分都被贯通孔贯通。由于岩石力学试验压头都一般都是圆柱体的，因此上述顶部接头4、主体压头5、下部管道6及底部锥度密封接头7优选皆为圆柱体结构，即中心轴处带有贯通孔的圆柱体。

顶部接头4用于连接固定压裂试件，顶部接头4外表面设有凹槽，凹槽上设置有与其相匹配的橡胶密封圈2。为了保证密封效果，所述凹槽为若干个，间隔设置在顶部接头4外表面通过间隔放置橡胶密封圈2共同组成侧向密封接头，用于连接固定图1中的压裂试件。由于顶部接头4的高度有限，凹槽数目优选为2个或是3个。压裂试件采用现有技术中的压裂试件即可，压裂试件上都设有中心钻孔，在具体使用过程中，将压裂试件放在本发明设计的压头***上部，直接套接在压头单元顶部即可。优选的，由于与其匹配的橡皮密封圈是圆环状，因此所述凹槽为半圆形凹槽41。与其相匹配的橡胶密封圈2的结构如图4所示，中空处正好能套入到半圆形凹槽41上，两者充分贴合。橡胶密封圈2外径应当略大于压裂试件的中心钻孔的直径，从而紧密贴合达到侧向密封的目的。橡胶密封圈2的个数根据试验注入的压裂流体压力及密封效果确定。如采用两个氟橡胶材质的橡胶密封圈2间隔设置，数量少，节约成本且能够加强密封效果。

下部管道6用于连接主体压头5与底部锥度密封接头7，底部锥度密封接头7又与用于向贯通孔8中注入流体的外部管道10连接，所述外部管道10为设有锥度密封螺母的外部管道。

如图3所示，底部锥度密封接头7使用现有的锥度密封接头就可以实现本发明的所需的该部件的功能，其内表面设有内螺纹72，内螺纹72与内锥面71相接，通过锥度密封连接外部管道注入流体注入，底部锥度密封接头7外表面设有外螺纹，所述螺母与外螺纹相匹配，具体试验操作中，可以将通过安装螺母3将压头单元1固定在试验机台面，螺母3的尺寸由试验机构造决。

顶部接头4外径略小于压裂试件中心钻孔的直径，以便上部能顺利安装压裂试件；表面半圆形凹槽41尺寸取决于橡胶密封圈2的大小，两者应当充分贴合；主体压头5外径与压裂试件外径相同，下部管道6的外径及长度由试验机台面中心用于安放压头的通孔尺寸决定；底部锥度密封接头7内螺纹及内锥面71匹配连接外部管道锥形接头，必须保证锥面充分光滑完整，实现高压环境中的锥度密封功能。顶部接头4及主体压头5的外径应与实际压裂试件相匹配，使用时需要使得顶部接头的外径与压裂试件的中心钻孔直径相匹配，虽然规范要求标准的压裂试件为直径×高度为50mm×100mm的规格，但也可以采用直径×高度为100mm×200mm，而压裂试件的中心钻孔常用的直径是5mm，因此，所述顶部接头4的外径范围为5～10mm，但多用外径为5mm。而主体压头5外径一般为50mm或100mm，与岩石力学规范要求的标准三轴试件的尺寸相匹配。

如图5所示，螺母3的内螺纹与底部锥度密封接头7的外螺纹73匹配，用于将压头单元1固定在试验机台面。所述螺母3采用六角螺帽，其外径应当由试验机台面中心的通孔大小决定。

压头单元1及螺母3的材料均可选用高强耐腐蚀钢材，例如常用的304不锈钢等材质，以便能够在三轴高压环境中使用，且保持较长的使用寿命。

在具体的室内三轴水力压裂试验实施过程中，利用本压头***的具体过程如下：

A.根据压裂试件的中心钻孔大小，将外径相匹配的橡胶密封圈安放在压头单元的顶部接头的凹槽中，并检查两者贴合的紧密性；

B.根据三轴压缩试验机的构造，将压头***的下部管道穿过试验机台面中心的压头安放通孔，保证主体压头紧密贴合试验机台面，然后在尾部锥度密封接头上安上螺母并拧紧，利用螺母及主体压头之间夹力的将压头***固定在试验机上；

C.将尾部锥度密封接头连接用于流体注入的外部管道，拧紧接头充分保证锥面充分贴合，保证连接处的有效密封，至此压头***安装工作全部完成；

D.根据试验要求，将套上三轴膜的压裂试件对准上部接头，缓慢旋转至上部接头完全进入压裂试件的中心钻孔，装样时应当保证橡胶密封圈的完整性及密封性；

E.开始施加一定轴力以固定压裂试件，降下试验机三轴室并按试验要求施加围压至预定水平，然后通过外部管道缓慢注水并施加水压，直至完成压裂试验；

F.试验完成后取下压裂试件，重复步骤D和步骤E，完成本组压裂试件的三轴水力压裂试验。

以上方法能够使得在第一次压裂试验结束后，从上部可以直接取下压裂试件，继续安上带有中心钻孔的压裂试件进行试验，有效避免反复拆卸压头及高温或锐器处理粘胶的复杂低效，同时能保证注入高压流体的密封性，大大提高试验操作效率。

当三轴围压变成0时，就是单轴情况，即单轴是三轴的特殊情况。因此本技术方案的压头***也适用于单轴情况。虽然现在工程以水力压裂为主导，但本技术方案也可以适用于其他压裂介质，如其他液体或气体。

Claims (5)

1.用于室内三轴水力压裂试验的压头***，其特征在于，包括压头单元(1)、橡胶密封圈(2)及螺母(3)，所述压头单元(1)为一体式结构，依次包括顶部接头(4)、主体压头(5)、下部管道(6)及底部锥度密封接头(7)，顶部接头(4)、主体压头(5)、下部管道(6)及底部锥度密封接头(7)皆为同轴设置且中心轴处沿其轴向设有贯通孔；顶部接头(4)外表面设有凹槽，所述凹槽为若干个，间隔设置在顶部接头(4)外表面，凹槽上设置有与其相匹配的橡胶密封圈(2)；底部锥度密封接头(7)外表面设有外螺纹，所述螺母与外螺纹相匹配，所述顶部接头(4)、主体压头(5)、下部管道(6)及底部锥度密封接头(7)都为圆柱体结构。

2.如权利要求1所述的用于室内三轴水力压裂试验的压头***，其特征在于，所述顶部接头的外径范围为5～10mm，所述主体压头(5)外径为50mm或100mm。

3.如权利要求1所述的用于室内三轴水力压裂试验的压头***，其特征在于，所述压头单元的材质为304不锈钢。

4.如权利要求1所述的用于室内三轴水力压裂试验的压头***，其特征在于，所述凹槽为半圆形凹槽(41)。

5.如权利要求1所述的用于室内三轴水力压裂试验的压头***，其特征在于，所述底部锥度密封接头(7)的内表面设有内螺纹，内螺纹与内锥面相接。