CN105628507B - 在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，包括设置在三轴室底盘上的下压头和轴向压杆作用其上的上压头，上压头和下压头均设计有压力水流道，其特征在于还包括套置在岩石试样外防止压力水混入三轴室内围压油的防泄套和渗透板，所述防泄套的上下两端固定在上压头和下压头上；所述渗透板上分布有压力水渗流孔，设置在压力水出流端的岩石试样与压头之间；上压头和下压头之一为组合结构压头，由作用于岩石试样的作用压头和转换压头构成，作用压头与转换压头通过凸凹嵌插结构联接。本发明还提供了适用于上述装置的岩石试样以及基于上述装置于常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的方法，以实现在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验。

Description

在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试 样与方法

技术领域

本发明属于水力压裂室内实验领域，具体涉及在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法。

背景技术

天然气作为一种优质高效的清洁能源，在我国能源结构中占据十分重要的地位，但短期内，我国常规天然气开采能力无法与快速增长的需求相匹配，亟需加大非常规天然气的勘探开发。而非常规天然气储层多具有“低孔、低渗”等特点，因此非常规天然气开采的核心技术之一便是储层的压裂增渗，而水力压裂技术是当前储层压裂改造中最为成熟的技术手段。

目前鲜有看到基于常规岩石力学试验机顺利完成水力压裂室内实验的报道。在常规岩石力学试验机(普通三轴实验***)上直接开展水力压裂实验需将岩石试样直接粘接在试验机渗透压头上，在对岩样进行水力压裂时，由于所需的流体压力必须大于试样所受最小主应力(σ3)，即试样所受到的水压压力高于围压，从而导致包裹试样的防泄套(隔油膜)与试样脱离，水压水和围压油混合在一起导致实验失败，甚至可能造成设备损坏等。因此目前水力压裂室内实验一般在真三轴实验***上完成，所用试件形状为平行六面体。然而，井下取出的岩芯为圆柱体试样，加工成六面体试件过程中需经过切割、打磨等一系列繁琐的工序，对岩石造成不必要的损伤，且加工完成后试样尺寸也会缩减。并且，真三轴实验***对试件各个面的平行度和垂直度要求很高，无论是利用岩芯还是露头加工岩石试件都会面临加工困难、加工成本较高等问题。真三轴实验***自身价格十分昂贵，且对包裹试样的防泄套要求较高，这又增加了实验成本。此外，真三轴实验***进行实验时操控难度较大、实验精度低。这些都一定程度上限制了水力压裂技术的研究深度。

因此，开发一种新的水力压裂实验方法以期能够在常规岩石力学试验机上开展水力压裂实验研究具有重要意义。

发明内容

针对现有水力压裂实验技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，以实现在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验；本发明的第二个目的是提供适用于上述装置的岩石试样，以顺利开展水力压裂实验；本发明的第三个目的是提供一种利用上述装置在常规岩石力学试验机上开展水力压裂实验的方法，以缩减试验成本与时间，简化实验操作，增加试验的控制与测量精度。

基于本发明的第一个目的，本发明提供的用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，包括设置在三轴室底盘上的下压头和轴向压杆作用其上的上压头，套置在岩石试样外防止压力水混入三轴室内围压油的防泄套和渗透板，上压头和下压头均设计有压力水流道，且两者之一为组合结构压头，由作用于岩石试样的作用压头和转换压头构成，作用压头与转换压头通过凸凹嵌插结构联接，所述防泄套的上下两端固定在上压头和下压头上；所述渗透板上分布有压力水渗流孔，设置在压力水出流端的岩石试样与压头之间。

上述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，优先将下压头设计为组合结构压头，上压头为整体结构压头。构成组合结构下压头的作用压头和转换压头，优先设计为通过作用压头上的凹腔和转换压头上的凸台构成的嵌插结构联接。作用压头上的凹腔优先设计为圆柱形凹腔，转换压头上的凸台优先设计为圆柱形凸台，作用压头的上端面中央设计有***岩石试样盲孔的凸台，所述凸台设计有压力水注入岩石试样盲孔的流道。转换压头圆柱形凸台的顶面和柱面分别设计有用于嵌入密封圈的密封槽，以便在组装时嵌入密封圈防止压力水和围压油混渗。

上述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，上压头和下压头的直径最好与岩石试样的直径相等。

上述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，所述防泄套的两端可通过紧缩密封环固定在上压头上和下压头上。

上述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，所述防泄套优选弹性材质的防泄套。

基于本发明的第二个发明目的，本发明提供的适用于上述装置的岩石试样，所述岩石试样为圆柱形结构试样，一端中央加工有圆柱形盲孔，圆柱形盲孔内设置有顶端封闭的套筒，所述套筒的顶端或筒壁上加工有引导注入套筒内的压力水进入岩石试样圆柱形盲孔的导流缝。

基于本发明的第二个发明目的，本发明提供的基于上述装置于常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的方法，操作步骤如下：

(1)在标准圆柱体岩石试样中心钻取一圆柱形盲孔，盲孔直径大于套管外径和作用压头上的凸台直径，并使套管和作用压头上的凸台能嵌入盲孔中且贴合紧密，盲孔的长度与套管长度和作用压头的凸台高度之和相等；

(2)在试样的盲孔内放入套管，封闭的一端朝向试样的盲孔底，在试样加工有盲孔一端的端面、作用压头的上端面、转换压头的凸台柱面、凸台顶端面与套管对接处涂覆结构胶，然后将试样的盲孔口对准作用压头的凸台，使凸台嵌入盲孔内，实现试样与作用压头的粘接，并使套管与作用压头凸台粘接，将粘接好的试样与下压头静置1～2天使结构胶固化，粘接牢固；

(3)在转换压头上的密封槽中装好密封圈，将粘接好试样的作用压头与转换压头组装连接好，然后将转换压头下部的插头***岩石力学试验机的三轴室底盘中，并将转换压头内的流体通道与上游压力入水管路连通；

(4)在试样上端面依次放置土工布、滤纸、渗透板、上压头，用橡胶套包裹住上压头至下压头的作用压头段，并用紧缩密封件将橡胶套上下端分别与上下压头箍紧，将上压头内部的流体通道与下游出水管路连通；

(5)在三轴室内部，岩石试样两侧对称安置两个LVDT位移传感器用于测试试样轴向变形，在岩石试样中部安置一个环向引伸计用于测试试样环向变形，然后用岩石力学试验机的液压装置抬升三轴室底盘，使其与岩石力学试验机的三轴室相连，固定好三轴室与底盘的自平衡螺杆，对三轴室充油，并使轴向压杆下降与上压头紧密结合；

(6)利用岩石力学试验机的围压、轴压泵将围压、轴压加至预定状态，以流量控制模式施加水压，直至岩样破裂，完成水力压裂实验；

(7)试验结束后，拆除试件，将粘接在一起的试样和下压头用电炉将粘接剂烤至失效后拆除试样，清理下压头以备后续试验重复利用。

上述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置的尺寸优选如下：

上压头：直径50～100mm；

下压头作用压头：直径50～100mm，凸台直径5～10mm(其外径与试样所钻取的盲孔、套管外径相等)，凸台高度5～10mm，圆柱形凹腔直径25～50mm(与转换接头的凸台直径相等)，圆柱形凹腔深度为20mm；

下压头转换接头：主体直径50～100mm，凸台直径25～50mm，凸台高度20mm；

渗透板：直径50～100mm，厚度3mm；

套管：外径与试样所钻取的盲孔直径尺寸相同，内径略大于流体通道直径，套管上的开

口宽度0.1～1mm、长度2～10mm，套管长度与下压头凸台高度之和等于试样所钻取的盲孔深度；

流体通道直径3～5mm；

上述方法中，步骤(2)在试件开有盲孔一端的底面、下压头的上底面、下压头的凸台侧面、凸台的顶面与套管对接处涂覆结构胶时，可在下压头的凸台的渗流通道内插接一根导流管占据渗流通道口，避免在凸台的顶面涂结构胶时结构胶堵塞渗流通道。涂覆完成后可将导流管拔除再粘接上试件，也可不拔除。

与本发明所述压头匹配适用的试件，即本发明方法步骤(1)中的岩石试样可通过以下方法加工制作：

在采集的深部地下岩芯或露头岩体上利用钻床和切床将试样初步加工成直径约为50～100mm、高度为直径的2.0～2.5倍的圆柱体试作为本体，使用磨床对圆柱体两个端面进行打磨，使其平整光滑，直至满足岩石力学实验规范要求。然后利用电钻在试件一端中心线处钻取直径为5～10mm、深度为20～100mm的圆柱体小孔，试样加工完成后，对小孔进行清洗，保证无残渣遗留孔中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明所述试验机压头和实验方法实现了在常规岩石力学试验机进行水力压裂实验。

2、同基于真三轴设备的水力压裂实验相比，本发明所述方法只需对取出的圆柱体岩芯试样钻一个与套管相匹配的盲孔即可，无需对岩芯试样进行复杂的切割和打磨等加工手段，能有效降低试件加工以及整个实验的成本和加工时间。

3、同基于真三轴设备的水力压裂实验相比，本发明在常规力学试验机上开展水力压裂实验，所需设备成本低廉，所有装置均可重复使用，有效的控制了实验成本，并且操作更加简单，易于实现，同时设备的控制和测量精度大大提高，一定程度上提高了水力压裂实验的操作效率和成功率，为今后进一步深入研究水力压裂机理奠定了基础。

4、本发明所述方法使用的下压头结构简单，易于成批大量加工，且每次实验时只需更换下压头即可，不用对设备其他部件进行拆卸、安装，节省了宝贵的时间。

附图说明

图1为本发明所述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置中的上压头的剖视图。

图2为本发明所述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置中的下压头的作用压头的剖视图。

图3为本发明所述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置中的下压头的转换压头的剖视图。

图4本发明所述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置中的渗透板的结构示意图。

图5本发明所述岩石试样的剖视图。

图6本发明所述岩石试样中的套筒的剖视图。

图7为本发明所述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置在常规力学试验机上的组装示意图。

图中，1—三轴室底盘，2—下压头，3—轴向压杆，4—上压头，5—压力水流道，6—围压油，7—防泄套，8—渗透板，9—密封槽，10—岩石试样，11—套筒，11-1—导流缝，12—致裂流体流出通道，13—三轴室壁。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述用于在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法做进一步说明。

实施例1

用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置的结构如下：

由设置在三轴室底盘1上的下压头2和轴向压杆3作用其上的上压头4，以及套置在岩石试样外防止压力水混入三轴室内围压油6的弹性材质的防泄套7和渗透板8组成。上压头和下压头均设计有压力水流道5，所述防泄套的上下两端通过紧缩密封环(市场购买所得)固定在上压头和下压头上；所述渗透板上分布有压力水渗流孔，设置在压力水出流端的岩石试样与压头之间；所述上压头为整体结构压头；所述下压头为组合结构压头，由作用于岩石试样10的作用压头2-1和转换压头2-2构成，作用压头和转换压头，通过作用压头上的凹腔和转换压头上的凸台构成的嵌插结构联接。作用压头上的凹腔为圆柱形凹腔，转换压头上的凸台为圆柱形凸台，作用压头的上端面中央设计有***岩石试样盲孔的凸台，所述凸台设计有压力水注入岩石试样盲孔的流道。转换压头圆柱形凸台的顶面和柱面分别设计有用于嵌入密封圈的密封槽9。上压头和下压头的直径与岩石试样的直径相等。

试验机压头各部分尺寸：

上压头：直径50mm；

下压头作用压头：直径50mm，凸台直径5mm(与试样所钻取的盲孔、套管外径相等)，凸台高度5mm，圆柱形凹槽直径25mm(与下压头转换接头的凸台直径相等)，圆柱形凹槽深度为20mm；

下压头转换接头：主体直径50mm，凸台直径25mm，凸台高度20mm；

渗透板：直径50mm，厚度3mm；

套管：外径与试样所钻取的盲孔直径尺寸相同，内径4mm(略大于流体通道直径)，开口宽度1mm、长度3mm，套管长度15mm(与下压头凸台高度之和等于试样所钻取的盲孔深度)；

流体通道直径3mm；

本实验所用的岩石力学试验机为法国TOP公司生产的Rock Triaxial V4岩石力学实验***。

实验方法：

采用本发明的装置于常规岩石力学试验机实现水力压裂实验的方法，操作步骤如下：

(1)在采集的深部地下岩芯或露头岩体上利用钻床和切床将试样初步加工成直径约为50mm、高度为直径的2倍的圆柱体试作为本体，使用磨床对圆柱体两个端面进行打磨，使其平整光滑，直至满足岩石力学实验规范要求。然后利用电钻在试件一端中心线处钻取直径为5mm、深度为20mm的圆柱体小孔，试样加工完成后，对小孔进行清洗，保证无残渣遗留孔中。

(2)在试样的盲孔内放入套筒，封闭的一端朝向试样的盲孔底，在试样加工有盲孔一端的端面、作用压头的上端面、转换压头的凸台柱面、凸台顶端面与套管对接处涂覆结构胶，然后将试样的盲孔口对准下作用压头的凸台，使凸台嵌入盲孔内，实现试样与作用压头的粘接，并使套筒与作用压头凸台粘接，将粘接好的试样与下压头静置1～2天使结构胶固化，粘接牢固；

(3)在转换压头上的密封槽中装好密封圈，将粘接好试样的作用下压头与转换压头组装连接好，然后将转换压头下部的插头***岩石力学试验机的三轴室底盘中，并将转换压头内的流体通道与上游压力入水管路连通；

(4)在试样上端面依次放置土工布、滤纸、渗透板、上压头，用防泄套包裹住上压头至下压头的作用压头段，并用紧缩密封环将防泄套上下端分别与上下压头箍紧，将上压头内部的流体通道与下游出水管路连通；

(5)在三轴室内部，岩石试样两侧对称安置两个LVDT位移传感器用于测试试样轴向变形，在岩石试样中部安置一个环向引伸计用于测试试样环向变形，然后用岩石力学试验机的液压装置抬升三轴室底盘，使其与岩石力学试验机的三轴室相连，固定好三轴室与底盘的自平衡螺杆，对三轴室充油，并使轴向压杆下降与上压头紧密结合；

(6)利用岩石力学试验机的围压、轴压泵将围压、轴压加至预定状态，以流量控制模式施加水压，直至岩样破裂，完成水力压裂实验；

(7)试验结束后，拆除试件，将粘接在一起的试样和下压头用电炉将粘接剂烤至失效后拆除试样，清理下压头以备后续试验重复利用。

Claims (7)

1.在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于，水力压裂实验在常规岩石力学试验机上进行，所述常规岩石力学试验机包括设置在三轴室底盘（1）上的下压头（2），轴向压杆（3）作用其上的上压头（4），上压头和下压头均设计有压力水流道（5），套置在岩石试样外防止压力水混入三轴室内围压油（6）的防泄套（7）和渗透板（8），所述防泄套的上下两端固定在上压头和下压头上；所述渗透板上分布有压力水渗流孔，设置在压力水出流端的岩石试样与压头之间；上压头和下压头之一为组合结构压头，组合结构压头由作用于岩石试样的作用压头（2-1）和转换压头（2-2）构成，通过作用压头上的凹腔和转换压头上的凸台构成嵌插结构联接，作用压头端面中央设计有嵌***岩石试样盲孔的凸台，作用压头端面上的凸台设计有压力水注入岩石试样盲孔的流道；试验操作步骤如下：

(1) 在标准圆柱体的岩石试样中心钻取一圆柱形盲孔，盲孔直径使套筒和作用压头上的凸台能嵌入盲孔中且贴合紧密，盲孔的长度与套筒长度和作用压头的凸台高度之和相等，且套筒顶端或筒壁上加工有引导注入套筒内的压力水进入岩石试样圆柱形盲孔的导流缝（11-1）；

(2) 在岩石试样的盲孔内放入套筒，封闭的一端朝向岩石试样的盲孔底，在岩石试样加工有盲孔一端的端面、作用压头的上端面、转换压头的凸台柱面、凸台顶端面与套筒对接处涂覆结构胶，然后将岩石试样的盲孔口对准作用压头的凸台，使凸台嵌入盲孔内，实现岩石试样与作用压头的粘接，并使套筒与作用压头凸台粘接，将粘接好的岩石试样与下压头静置1～2天使结构胶固化，粘接牢固；

（3）在转换压头上的密封槽中装好密封圈，将粘接好岩石试样的作用压头与转换压头组装连接好，然后将转换压头下部的插头***岩石力学试验机的三轴室底盘中，并将转换压头内的流体通道与上游压力入水管路连通；

（4）在岩石试样上端面依次放置土工布、滤纸、渗透板、上压头，用防泄套包裹住上压头至下压头的作用压头段，并用紧缩密封件将防泄套上下端分别与上下压头箍紧，将上压头内部的流体通道与下游出水管路连通；

（5）在三轴室内部，岩石试样两侧对称安置两个LVDT位移传感器用于测试岩石试样轴向变形，在岩石试样中部安置一个环向引伸计用于测试试样环向变形，然后用岩石力学试验机的液压装置抬升三轴室底盘，使其与岩石力学试验机的三轴室相连，固定好三轴室与底盘的自平衡螺杆，对三轴室充油，并使轴向压杆下降与上压头紧密结合；

(6) 利用岩石力学试验机的围压、轴压泵将围压、轴压加压至预定状态，以流量控制模式施加水压，直至岩样破裂，完成水力压裂实验；

(7) 试验结束后，拆除试件，将粘接在一起的岩石试样和下压头用电炉将粘接剂烤至失效后拆除试样，清理下压头以备后续试验重复利用。

2.根据权利要求1所述的在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于下压头为组合结构压头，上压头为整体结构压头。

3.根据权利要求2所述的在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于作用压头上的凹腔为圆柱形凹腔，转换压头上的凸台为圆柱形凸台。

4.根据权利要求3所述的在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于转换压头圆柱形凸台的顶面和柱面分别设计有用于嵌入密封圈的密封槽（9）。

5.根据权利要求1至4之一所述的在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于上压头和下压头的直径与岩石试样的直径相等。

6.根据权利要求1至4之一所述的在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于所述防泄套的两端通过紧缩密封环固定在上压头上和下压头上。

7.根据权利要求6所述的在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的方法，其特征在于所述防泄套为弹性材质的防泄套。