CN109238828B - 可调控岩石试件温度的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种可调控岩石试件温度的试验方法及装置，该方法包括如下步骤：将周围分布有测温光纤串的管体预置于岩石试件中。根据岩石试件的设定温度，将不同温度的冷却液段排列，并通过脉冲将排列完成的冷却液段传送到管体内的相应位置。测温光纤串实时监测管体周围岩石试件的温度。当测温光纤串监测到管体周围的岩石试件温度不同于岩石试件的设定温度时，调节管体内相应冷却液段的温度，直至管体周围岩石试件的温度围绕设定温度在预定范围内达到动态平衡为止。本发明能从岩石试件内部实现对岩石试件低温温度场的精确调控，能在试验过程中实时调控岩石试件的温度场。满足复杂低温温度场作用下岩石力学试验的要求，有效消除低温对试验设备的损坏。

Description

可调控岩石试件温度的试验方法及装置

技术领域

本发明涉及岩石力学试验温度技术领域，特别是一种可调控岩石试件温度的试验方法及装置。

背景技术

随着我国石油开采技术的不断发展，液氮、液态二氧化碳等低温流体越来越多地应用到油气井的压裂施工中，低温流体压裂工艺能够有效提高油气井的采收率。近年来，低温条件下的岩石力学试验逐渐受到重视，研究低温条件下的岩石力学性质是进行低温流体压裂设计的一个必要基础。而低温条件下岩石力学试验成功的一个关键因素就在于有一个可调控的低温环境。

目前，现有的对岩石试件进行低温处理的技术比较多，但是都是从外部调控岩石试件的温度，只能对岩石试件创造出比较简单的低温温度场，不能满足复杂低温温度场作用下岩石力学试验的要求；而且，进行岩石力学试验的试验设备大多数采用金属材料制作，金属在一定的低温作用下性质会发生改变，导致试验设备的精度失去控制，甚至会对试验设备造成永久性的损坏。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可调控岩石试件温度的试验方法及装置，其可以从岩石试件内部实现对岩石试件低温温度场的精确调控，而且能够在试验过程中实时调控岩石试件的温度场。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种可调控岩石试件温度的试验方法，该方法包括如下步骤：

将周围分布有测温光纤串的管体预置于岩石试件中；

根据所述岩石试件的设定温度，将不同温度的冷却液段排列，并通过脉冲将排列完成的冷却液段传送到所述管体内的相应位置；

所述测温光纤串实时监测所述管体周围岩石试件的温度；

当所述测温光纤串监测到所述管体周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度时，调节所述管体内相应冷却液段的温度，直至所述管体周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止。

在一个优选的实施方式中，所述管体周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度，包括：

所述管体周围的岩石试件温度高于所述岩石试件的设定温度；和/或

所述管体周围的岩石试件温度低于所述岩石试件的设定温度。

在一个优选的实施方式中，调节所述管体内相应冷却液段的温度，包括：根据所述岩石试件的设定温度，重新将不同温度的冷却液段排列，并通过脉冲将重新排列完成的冷却液段传送到所述管体内的相应位置。

在一个优选的实施方式中，重新排列完成所述冷却液段在所述管体内的位置后，所述测温光纤串再次实时监测所述管体周围岩石试件的温度；当所述测温光纤串再次监测到所述管体周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度时，再次调节所述管体内相应冷却液段的温度，直至所述管体周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止。

在一个优选的实施方式中，所述预定范围为0.05℃到0.1℃之间。

在一个优选的实施方式中，所述冷却液为水和乙醇的混合液，其中乙醇的质量分数为92.4％。

在一个优选的实施方式中，所述设定温度为-123℃到0℃。

另外，本发明还提供一种采用上述任一项所述的可调控岩石试件温度的试验方法的试验装置，包括：

预置在所述岩石试件中的管体，所述管体内具有冷却液段；

测温光纤串，其设置在所述管体周围，用于实时监测所述管体周围岩石试件的温度。

在一个优选的实施方式中，所述管体采用碳纤维复合材料制成。

在一个优选的实施方式中，所述管体的两端安装有隔热阀门。

借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：

本发明能够从岩石试件内部实现对岩石试件低温温度场的精确调控，而且能够在试验过程中实时调控岩石试件的温度场。不仅能够满足复杂低温温度场作用下岩石力学试验的要求，还能够有效消除或减弱低温作用对试验设备造成的损坏。本发明适用范围广泛，能够满足多种低温条件下岩石力学试验的要求，具有广阔的应用前景。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

图1为本申请实施方式的可调控岩石试件温度的试验方法流程图；

图2为本申请实施方式的可调控岩石试件温度的试验装置结构示意图；

图3为计算机***输出脉冲信号的波形图；

图4为岩石试件内部任意一点温度-时间关系曲线。

以上附图的附图标记：1、测温光纤串；2、管体；3、冷却液段；4、脉冲。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供一种可调控岩石试件温度的试验方法，该方法包括如下步骤：

S1：将周围分布有测温光纤串1的管体2预置于岩石试件中；

S2：根据所述岩石试件的设定温度，将不同温度的冷却液段3排列，并通过脉冲4将排列完成的冷却液段3传送到所述管体2内的相应位置；

S3：所述测温光纤串1实时监测所述管体2周围岩石试件的温度；

S4：当所述测温光纤串1监测到所述管体2周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度时，调节所述管体2内相应冷却液段3的温度，直至所述管体2周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止。

在本实施方式中，首先需要将周围分布有测温光纤串1的管体2预置于岩石试件中。该管体2可以根据实际试验条件的需要呈一定的空间形态预置在该岩石试件中，譬如，在一个立方体岩石试件内部A区域，如若要控制A区域的温度场，就可以根据材料的导热系数、室温条件等通过计算机***模型进行计算，从而得到管体2排布的最佳位置，然后再对管体2在岩石试件中的空间形态进行排布。

在试验之前，通常会根据试验的需要对岩石试件不同区域设定不同的温度，然后可以根据所述岩石试件的设定温度，将不同温度的冷却液段3在岩石试件外进行排列。譬如，管体2的两端可以延伸在岩石试件外，进而管体2的其中一端可以连接有多个盛装不同温度冷却液的冷却液罐。可以按照需要将不同温度的冷却液输入至管体2的一端形成所需不同温度的冷却液段3。输入完成之后，请参见附图3和附图4，再通过脉冲4将排列完成的冷却液段3传送到岩石试件内的所述管体2内的相应位置。也就是说，管体2内不同位置的冷却液段3可以具有不同的温度，这主要取决于计算机***在相应位置处设定的温度值大小。冷却液段3主要是根据设定的温度排列的。比如说，需要在管体2周围的岩石试件设定n个温度段，对应n个不同的温度。那么就可以在管体2上相应的位置设定n个温度段，然后每个温度段内都会有计算机***调节的温度段与之对应，这样就能够实现对管体2周围每个段温度的调控，从而达到预设的温度场的需求。

需要说明的是，由于冷却液比较适用的是水和乙醇(H₂O-CH₃CH₂OH)混合液，其中乙醇质量分数可以为92.4％，此时该溶液的凝固点为-123℃，即该溶液能到的最低温度可以为-123℃。所以，设定的温度范围可以为-123℃到0℃。

进而，可以利用管体2周围的测温光纤串1实时监测所述管体2周围岩石试件的温度。当所述测温光纤串1监测到所述管体2周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度时，可以调节所述管体2内相应冷却液段3的温度，直至所述管体2周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止，从而可以实现在试验过程中对岩石试件低温温度场的精确调控。

具体地，当所述管体2周围的岩石试件温度高于所述岩石试件的设定温度时，计算机***就会降低相应冷却液段3的温度。当所述管体2周围的岩石试件温度低于所述岩石试件的设定温度时，计算机***就会升高相应冷却液段3的温度，如此往复循环，直至达到围绕着设定的温度在一个很小的范围(预定范围)内波动。优选地，所述预定范围为0.05℃到0.1℃之间(测温光纤串的精度)。举例而言，若设定温度为50度，则相应的温度波动范围可以为49.9℃到50.1℃。

当需要调节所述管体2内相应冷却液段3的温度时，可以根据所述岩石试件的设定温度，重新将不同温度的冷却液段3排列，并通过脉冲4将重新排列完成的冷却液段3传送到所述管体2内的相应位置。然后可以重复步骤S3和S4，即重新排列完成所述冷却液段3在所述管体2内的位置后，所述测温光纤串1可以再次实时监测所述管体2周围岩石试件的温度。当所述测温光纤串1再次监测到所述管体2周围的岩石试件温度不同于(高于和/或低于)所述岩石试件的设定温度时，还可以再次调节所述管体2内相应冷却液段3的温度，直至所述管体2周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止，以此，可以反复调节管体2周围岩石试件的温度。

另外，请参见附图2，本发明还提供一种采用上述任一项所述的可调控岩石试件温度的试验方法的试验装置，包括：预置在所述岩石试件中的管体2和测温光纤串1。所述管体2内具有冷却液段3。测温光纤串1可以均匀设置在所述管体2周围，用于实时监测所述管体2周围岩石试件的温度。

具体地，所述管体2可以采用碳纤维复合材料制成。一方面碳纤维复合材料具有良好的导热性能，而且在超低温(-196℃)条件下也能够正常使用。另一方面碳纤维复合材料导热性具有很强的各向异性，能够做到沿径向具有良好的导热性，沿轴向导热性差，从而实现管体2内各个冷却液段3对其周围岩石温度的调控，减小管体2导热性引起的热传递。另外，碳纤维复合材料抗压强度、抗弯强度等比较高，管体2能够在岩石有围压作用的条件下正常工作。

此外，所述管体2的两端还可以安装有隔热阀门。计算机***可以通过一定能量的脉冲4将原先的冷却液段3驱替出去，并计算出与阀门相互配合完成这一过程的时间。通过阀门的开启和关闭共同来控制冷却液段3是否流动，达到将冷却液段3传送到管体2相应位置的目的。

本发明的可调控岩石试件温度的试验方法及装置能够从岩石试件内部实现对岩石试件低温温度场的精确调控，而且能够在试验过程中实时调控岩石试件的温度场。不仅能够满足复杂低温温度场作用下岩石力学试验的要求，还能够有效消除或减弱低温作用对试验设备造成的损坏。本发明适用范围广泛，能够满足多种低温条件下岩石力学试验的要求，具有广阔的应用前景。

需要说明的是，本实施例提供的隔热阀门等可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本实施例所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但是应该理解，本实施例在范围上并不因此而受到限制。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

Claims (10)

1.一种可调控岩石试件温度的试验方法，该方法包括如下步骤：

将周围分布有测温光纤串的管体预置于岩石试件中；

其特征在于，根据所述岩石试件的设定温度，将不同温度的冷却液段排列，并通过脉冲将排列完成的冷却液段传送到所述管体内的相应位置；

所述测温光纤串实时监测所述管体周围岩石试件的温度；

当所述测温光纤串监测到所述管体周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度时，调节所述管体内相应冷却液段的温度，直至所述管体周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止。

2.根据权利要求1所述的可调控岩石试件温度的试验方法，其特征在于，所述管体周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度，包括：

所述管体周围的岩石试件温度高于所述岩石试件的设定温度；和/或

所述管体周围的岩石试件温度低于所述岩石试件的设定温度。

3.根据权利要求1所述的可调控岩石试件温度的试验方法，其特征在于，调节所述管体内相应冷却液段的温度，包括：根据所述岩石试件的设定温度，重新将不同温度的冷却液段排列，并通过脉冲将重新排列完成的冷却液段传送到所述管体内的相应位置。

4.根据权利要求3所述的可调控岩石试件温度的试验方法，其特征在于，重新排列完成所述冷却液段在所述管体内的位置后，所述测温光纤串再次实时监测所述管体周围岩石试件的温度；当所述测温光纤串再次监测到所述管体周围的岩石试件温度不同于所述岩石试件的设定温度时，再次调节所述管体内相应冷却液段的温度，直至所述管体周围岩石试件的温度围绕所述设定温度在预定范围内达到动态平衡为止。

5.根据权利要求1所述的可调控岩石试件温度的试验方法，其特征在于，所述预定范围为0.05℃到0.1℃之间。

6.根据权利要求1所述的可调控岩石试件温度的试验方法，其特征在于，所述冷却液为水和乙醇的混合液，其中乙醇的质量分数为92.4％。

7.根据权利要求1所述的可调控岩石试件温度的试验方法，其特征在于，所述设定温度为-123℃到0℃。

8.一种采用上述任一项权利要求所述的可调控岩石试件温度的试验方法的可调控岩石试件温度的试验装置，其特征在于，包括：

预置在所述岩石试件中的管体，所述管体内具有冷却液段；

测温光纤串，其设置在所述管体周围，用于实时监测所述管体周围岩石试件的温度。

9.根据权利要求8所述的可调控岩石试件温度的试验装置，其特征在于，所述管体采用碳纤维复合材料制成。

10.根据权利要求8所述的可调控岩石试件温度的试验装置，其特征在于，所述管体的两端安装有隔热阀门。