CN108387499A - 一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，包括承压筒体、上下法兰、弧形立板、框架式胶套、XYZ向组合液压缸、变形传感器、腔体堵头、密封圈、循环加压控温***、支撑杆、支撑底板和支撑垫片，装置由承压筒体及上下法兰组成，岩心放置在框架式胶套内，三轴方向组合液压缸分别作用于岩心上，XY向组合液压缸均经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端，变形传感器设置在组合液压缸中心位置，腔体堵头与承压筒体间还设置有密封圈，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，XY向组合液压缸底部设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑XY向组合液压缸重量。

Description

一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置
技术领域
本发明属于油气实验技术领域，涉及一种岩石在地下真实温度和应力环境下多参数各向异性的测试装置，尤其涉及一种保持岩石温度和三轴应力不变的条件下同时测定渗透率、应变、声波、电阻各向异性的真三轴夹持器。
背景技术
油气储层岩石受自身沉积、成岩作用，以及受地下非均质应力环境等影响，其原位渗透率、应变、声波、电阻等参数往往表现出明显的非均质性和各向异性。准确评价油气储层岩石各参数原位各向异性特征对油气田开发具有重要的意义，它将影响储层的厚度、含水饱和度的估算、油藏布井方式、井壁稳定性控制、人工压裂方案等。
传统岩石物性各向异性测试装置或者不能准确反应岩石在地下所受应力状态，或者测试参数单一，不能进行多物理场耦合时多参数同时测试，限制了对岩石原位各向异性参数本生以及参数间关系的准确认识。申请号为201720142215.6的实用新型专利和申请号为201510002063.5的发明专利提供的岩心渗透率各向异性的测试装置和方法，不能模拟岩石真三轴应力状态，申请号为201611217456.9的发明专利，提出了先测试岩石在三轴应力条件下的一个方向的渗透率和弹性模量，通过卸载应力更换岩心方向后重新加载应力进行重复实验，得出其余方向的渗透率和弹性模量，该实验装置及方法的局限在于，由于应力的多次加载卸载会对岩心渗透率和弹性模量造成损害，导致不能准确反应岩石在地下应力环境中渗透率和弹性模量的各向异性。申请号201610565444.9的发明专利，提出了页岩在三轴应力状态下声波和电阻率各向异性的测试装置和方法，该发明未考虑岩石孔隙中饱和流体状况，也未能同时测定应变与渗透率的各向异性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够保持岩石在地下原位温度和真三轴应力不变的情况下，可同时测定渗透率、应变、声波、电阻各向异性的测定装置，解决现有装置不能准确同时测试岩石在地下原位温度应力环境中多参数各向异性的弊端。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式来实现：
一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，包括承压筒体、上法兰、下法兰、弧形立板、框架式胶套、X向组合液压缸、Y向组合液压缸、Z向组合液压缸、变形传感器、腔体堵头、密封圈、循环加压控温***、支撑杆、支撑底板和支撑垫片，所述测定装置由承压筒体及设置在承压筒体上下面的上法兰和下法兰螺栓固定组成，方形岩心放置在框架式胶套内并整体置于测定装置中心位置，三轴方向成对的六个组合液压缸分别作用于方形岩心六个端面上，且X向组合液压缸和Y向组合液压缸均经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端，变形传感器设置在六个组合液压缸中心位置，腔体堵头与承压筒体间还设置有密封圈，所述循环加压控温***用于对框架式胶套加载环封压力及对岩心进行控温，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，X向组合液压缸与Y向组合液压缸底部均设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑X向组合液压缸与Y向组合液压缸重量。
进一步的，所述组合液压缸由应力液压缸、渗流液压缸及中心加载监测***组成，应力液压缸由应力液压缸不动活塞、应力液压缸堵头I、绝缘垫片、应力液压缸堵头II及应力缸堵头III组成，所述绝缘垫片位于应力液压缸堵头I与应力缸堵头II之间，渗流液压缸设置在应力液压缸堵头II和应力液压缸堵头III的内部，中心加载监测***位于应力液压缸堵头中心位置；应力液压缸堵头III内部空腔自上至下分成圆形空腔、十字形空腔、中心小空腔和圆环形空腔，所述渗流液压缸由渗流缸活塞、中心加载环、密封固定垫片、活动压杆和活动压圈组成，所述渗流缸活塞放置在圆形空腔内，密封固定垫片由螺纹固定在圆形空腔底部，活动压杆放置在十字形空腔内，活动压圈放置在圆环形空腔内，活动压圈与活动压杆之间螺纹连接，渗流缸活塞的下端通过中心加载环螺纹连接在活动压杆上，各装置间设有密封圈。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本装置有效实现端面密封，防止渗流过程中在端面上发生串流，岩心端面受力均匀，能有效防止封堵岩心端面的各活动部分之间发生应力集中；温度控制采用环压流体循环加温方式，温度控制快速精确；首次实现了岩心在保持三轴应力和温度不变条件下，可自由选择及切换渗流方向，并同时测试渗透率、应变、声波、电阻的各向异性。
附图说明
图1为真三轴夹持器的俯视结构示意图。
图2为真三轴夹持器的平视结构示意图。
图3为组合液压缸结构示意图。
图4为应力液压缸堵头III纵向截面示意图。
图中各个标记分别为：
1、承压筒体，2、上法兰，3、下法兰，4、弧形立板，5、框架式胶套，6、X向组合液压缸，7、Y向组合液压缸，8、Z向组合液压缸，9、变形传感器，10、腔体堵头，11、密封圈，12、循环加压控温***，13、支撑杆，14、支撑底板，15、支撑垫片，16、应力缸不动活塞，17、应力缸堵头I，18、绝缘垫片，19、应力缸堵头II，20、应力缸堵头Ⅲ，21、渗流缸活塞，22、中心加载环，23、密封固定垫片，24、活动压杆，25、活动压圈，26、中心小活塞，27、小活塞绝缘垫，28、尾部密封小活塞，29、中心堵头，30、声波电阻监测探头，31、密封垫，32、导流槽I，33、导流槽II，34、应力加载***，35、液压加载***，36、圆形空腔，37、中心小空腔，38、十字形空腔，39，圆环形空腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1～2所示，一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，包括承压筒体1、上法兰2、下法兰3、弧形立板4、框架式胶套5、X向组合液压缸6、Y向组合液压缸7、Z向组合液压缸8、变形传感器9、腔体堵头10、密封圈11、循环加压控温***12、支撑杆13、支撑底板14和支撑垫片15，所述测定装置由承压筒体及设置在承压筒体上下面的上法兰和下法兰螺栓固定组成，方形岩心放置在框架式胶套内并整体置于测定装置中心位置，三轴方向成对的六个组合液压缸分别作用于方形岩心六个端面上，且X向组合液压缸和Y向组合液压缸均经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端，变形传感器设置在六个组合液压缸中心位置。
进一步，所述腔体堵头与承压筒体间还设置有密封圈，夹持器上端法兰，腔体堵头以及Z向组合液压缸可以移出承压筒体外部，用于岩心装卸，所述循环加压控温***使用不导电的液压油加温到岩心所在地层温度后，在一定的环封压力下在夹持器内部空间进行循环，对框架式胶套加载环封压力及对岩心进行控温，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，X与Y向组合液压缸底部设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑X与Y向组合液压缸重量。
如图3所示，组合液压缸可实现岩心端面应力加载、渗流通道的控制以及岩心声波、电阻测试，其中组合液压缸由应力液压缸、渗流液压缸及中心加载监测***组成，应力液压缸由应力液压缸不动活塞16、应力液压缸堵头I 17、绝缘垫片18、应力液压缸堵头II19及应力缸堵头III 20组成，所述绝缘垫片位于应力液压缸堵头I与应力缸堵头II之间，渗流液压缸设置在应力液压缸堵头II和应力液压缸堵头III的内部，中心加载监测***位于应力液压缸堵头I、应力液压缸堵头II以及应力缸堵头III中心位置。
所述中心加载监测***由中心小活塞26、小活塞绝缘垫27、尾部密封小活塞28、中心堵头29和声波电阻检测探头30组成。中心小活塞位于应力液压缸堵头I中心，上端连接有变形传感器，可测试中心小活塞向下移动的距离。中心堵头中空且上端开口，位于应力液压缸堵头II及应力缸堵头III中心，小活塞绝缘垫设在中心小活塞与中心堵头之间，尾部密封小活塞设在中心堵头上端，声波电阻检测探头设置在中心堵头空腔内。
如图3～4所示，应力液压缸堵头III内部空腔自上至下分成圆形空腔36、中心小空腔37，十字形空腔38和圆环形空腔39，所述渗流液压缸由渗流缸活塞21、中心加载环22、密封固定垫片23、活动压杆24和活动压圈25组成，所述渗流缸活塞放置在圆形空腔内，密封固定垫片由螺纹固定在圆形空腔底部，活动压杆放置在十字形空腔内，活动压圈放置在圆环形空腔内，活动压圈与活动压杆之间螺纹连接，渗流缸活塞的下端通过中心加载环螺纹连接在活动压杆上。
应力缸不动活塞与应力缸堵头I，应力缸堵头I与中心小活塞，尾部密封小活塞和中心堵头，应力缸堵头II和应力缸堵头III，应力缸堵头II和中心堵头，渗流缸活塞和应力缸堵头III，渗流缸活塞和中心堵头，密封固定垫片和应力缸堵头III，密封固定垫片和中心加载环，中心堵头和应力缸堵头III之间均设有密封圈，活动压圈下部也设有密封圈。
进一步的，应力液压缸堵头III外端面附有密封垫31，十字形空腔与圆环形空腔在堵头中部具有一定深度的重合，且应力液压缸堵头III上开设有导流槽I 32，所述导流槽I设置在圆环形空腔段。中心堵头29内还设有导流槽II 33，导流槽II连通中心堵头岩心端面与外界的流动通道。
当岩心端面受力并在渗流通道关闭时，渗流出入口处的阀门关闭，岩心端面受框架式胶套、密封圈及密封垫共同作用而实现密封，其中密封圈、密封垫和中心堵头作用在岩心端面上的应力相等；当岩心端面受力并在渗流通道开启时，阀门打开，密封圈和岩心端面脱离接触，流体经密封圈所在环形空腔和导流槽I与位于中心堵头内部的导流槽II实现端面渗流，应力加载***用于岩心三轴应力加载，液压加载***用于组合液压缸端面渗流通道的开启。
组合液压缸应力加载***实现的过程如下：关闭下阀门，打开上阀门，液压加载***35压力调零，由应力加载***34向两个组合液压缸加载压力，此时渗流缸活塞受力带动加载杆、活动十字杆及活动压圈向下运动，中心小活塞带动小活塞绝缘垫和中心堵头向下运动，此时密封圈、密封垫和中心堵头所受应力相同，渗流出入口处的阀门关闭，密封圈、密封垫与框架式胶套之间有效密封；而岩心端面受应力不变情况下实现渗流过程如下：关闭上阀门，打开放空下阀门，由液压加载***35向渗流液压缸加压，使渗流缸活塞带动加载杆，活动压杆，活动压圈向上运动，露出在应力液压缸堵头III下端的圆环形空腔与导流槽I，同时渗流出入口处的阀门打开，实现端面渗流。
本发明所提供的装置测试岩心在地层应力条件下的方向渗透率时步骤如下：
1)岩心放置在框架式胶套内部，并安装固定好上端组合液压缸；2)加载循环加压控温***，直到岩心环封压力和温度达到稳定；3)加载XYZ三个方向的三轴应力；4)开启X方向渗流通道，关闭其余方向渗流通道；5)进行渗流实验，计算岩石在该方向上的渗透率；6)选择不同的渗流方向，重复步骤4)和步骤5)。在实验过程中任意时刻，可由变形传感器和声波电阻监测探头同时测定XYZ三个方向的应变、声波、电阻参数。
以上所述仅是本发明的实施方式，再次声明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也列入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：包括承压筒体、上法兰、下法兰、弧形立板、框架式胶套、X向组合液压缸、Y向组合液压缸、Z向组合液压缸、变形传感器、腔体堵头、密封圈、循环加压控温***、支撑杆、支撑底板和支撑垫片，所述测定装置由承压筒体及设置在承压筒体上下面的上法兰和下法兰螺栓固定组成，方形岩心放置在框架式胶套内并整体置于测定装置中心位置，三轴方向成对的六个组合液压缸分别作用于方形岩心六个端面上，且X向组合液压缸和Y向组合液压缸均经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端，变形传感器设置在六个组合液压缸中心位置，腔体堵头与承压筒体间还设置有密封圈，所述循环加压控温***用于对框架式胶套加载环封压力及对岩心进行控温，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，X向组合液压缸与Y向组合液压缸底部均设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑X向组合液压缸与Y向组合液压缸重量。
2.根据权利要求1所述的一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：所述组合液压缸由应力液压缸、渗流液压缸及中心加载监测***组成，应力液压缸由应力液压缸不动活塞、应力液压缸堵头I、绝缘垫片、应力液压缸堵头II及应力缸堵头III组成，所述绝缘垫片位于应力液压缸堵头I与应力缸堵头II之间，渗流液压缸设置在应力液压缸堵头II和应力液压缸堵头III的内部，中心加载监测***位于应力液压缸堵头I、应力液压缸堵头II以及应力缸堵头III中心位置；应力液压缸堵头III内部空腔自上至下分成圆形空腔、十字形空腔、中心小空腔和圆环形空腔，所述渗流液压缸由渗流缸活塞、中心加载环、密封固定垫片、活动压杆和活动压圈组成，所述渗流缸活塞放置在圆形空腔内，密封固定垫片由螺纹固定在圆形空腔底部，活动压杆放置在十字形空腔内，活动压圈放置在圆环形空腔内，活动压圈与活动压杆之间螺纹连接，渗流缸活塞的下端通过中心加载环螺纹连接在活动压杆上，各装置间设有密封圈。
3.根据权利要求2所述的一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：所述中心加载监测***由中心小活塞、小活塞绝缘垫、尾部密封小活塞、中心堵头和声波电阻检测探头组成，中心小活塞位于应力液压缸堵头I中心，上端连接有变形传感器，中心堵头中空且上端开口，位于应力液压缸堵头II及应力缸堵头III中心，小活塞绝缘垫设在中心小活塞与中心堵头之间，尾部密封小活塞设在中心堵头上端，声波电阻检测探头设置在中心堵头空腔内。
4.根据权利要求2所述的一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：所述应力液压缸堵头III外端面附有密封垫。
5.根据权利要求2所述的一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：所述十字形空腔与圆环形空腔在堵头中部具有一定深度的重合。
6.根据权利要求2所述的一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：所述应力液压缸堵头III上开设有导流槽I，所述导流槽I设置在圆环形空腔段。
7.根据权利要求2所述的一种岩石地下原位多参数各向异性测定装置，其特征在于：所述中心堵头内还设有导流槽II，导流槽II连通中心堵头岩心端面与外界的流动通道。
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