模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器的製作方法
2023-08-04 08:30:16
專利名稱：模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種用來對巖石做物性分析試驗的裝置及方法，尤其是一種應用與石油勘探和開發行業，測定模擬地層應力條件下巖石孔隙度和滲透率變異規律的試驗裝置和方法。
背景技術：
在石油與天然氣的地質勘探和生產開發過程中，要用物理模擬的方法測定地層巖石孔隙度和滲透率以及它們隨應力的變異規律。地層中，巖石的孔隙度和滲透率是由孔隙結構的大小和形狀決定的，受巖石所處應力狀態的影響。參見圖1，巖石在地層的應力狀態可以用水平應力σh和垂向應力σv來表徵，水平應力的大小由巖石承受的水平壓力和孔隙流體壓力決定，垂向壓力的大小由巖石的上覆壓力和孔隙流體壓力決定。通常情況下，地層巖石承受的水平壓力和上覆壓力是不相等的，它們的關係受到巖石的埋深、地質構造和運動、巖石的力學特性參數等因素的影響。當巖石所處的應力狀態發生變化時，水平應力和垂向應力的增幅一般也是不相等的。因此，在測定地層條件下巖石的孔隙度和滲透率以及它們變異的規律時，要分析巖石的應力狀態及其變化方式，區分巖石承受的水平壓力和上覆壓力。
目前使用的常規巖心夾持器是用一個橡膠內筒和一個金屬外筒組成一個環形密閉空腔，巖心放在橡膠筒內，在兩端各裝一個金屬堵頭，堵頭中間有一通孔，並接有金屬管，流體通過金屬管流入流出。試驗時向橡膠內筒和金屬外筒組成的環形密閉空腔中注入流體，隨著注入流體壓力的升高，橡膠內筒變形對巖心產生圍壓，利用這個壓力來模擬地層壓力。在常規巖心夾持器中，巖心只承受徑向壓力，處於一維應力狀態下。石油大學(華東)的趙仕俊對常規巖心夾持器進行了改進，在常規巖心夾持器的兩端增加了軸向加壓裝置，使得巖心能夠處在三軸應力狀態下。
在常規巖心夾持器及其改進型中，圍壓既表徵巖石承受的水平壓力又表徵巖石承受的上覆壓力，沒有考慮地層巖石中水平應力和垂向應力的差別，因而不能充分的模擬地層巖石的應力狀態。當圍壓變化時，會導致巖石中水平應力和垂向應力等幅變化，這也和地層中實際情況不符。無論從靜態的角度還是從動態的角度來看，常規巖心夾持器及其改進型都不能區分地層巖石中的水平應力和垂向應力，因此不能模擬地層應力場及其變化。
由於常規巖心夾持器及其改進型不能真實模擬地層應力場及其變化，使用這些巖心夾持器就不能準確的測得地層條件下的孔隙度和滲透率以及它們的變異規律。鑑於目前還未見到能夠真正區分地層巖石中水平應力和垂向應力，真實模擬地層應力場及其變化的相關試驗裝置專利技術公開，因此有必要實用新型一種用於做地層巖心物性分析的新型巖心夾持器，這種新型巖心夾持器要求能夠區分巖石在地層巖石中水平應力和垂向應力，真實模擬地層應力場及其變化，可靠地測得地層條件下巖石孔的隙度和滲透率以及它們雖壓力變異的規律。。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種能夠區分地層巖石的水平應力和垂向應力，真實模擬地層應力場及其變化的新型巖心夾持器——模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器。利用這種模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器可以測得地層條件下巖石的孔隙度和滲透率，也能夠測得在地層條件下，巖石的孔隙度和滲透率隨壓力變異的規律。
按照本實用新型的目的，模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器包括底座、上蓋、導壓塊、空心橡膠圈、至少兩塊滲流板、水嘴、流體流入管線、流體流出管線等構件。底座和上蓋扣在一起圍成了一個空腔，空心橡膠圈、滲流板和巖心放置在這個孔腔中，滲流板緊貼巖心，空心橡膠圈環抱滲流板和巖心；空心橡膠的外層中間打有一孔，用來裝配水嘴；底座的一個側面上鑽有一個通孔，水嘴通過該孔伸出夾持器；底座和上蓋的配合部位有至少兩個通孔，流體流入管線和流體流出管線透過這些孔和滲流板連通；上蓋的中間有一個矩形通孔，導壓塊放置在這個矩形通孔中；上蓋和底座用螺栓固定。
如上所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的滲流板是矩形的，每塊滲流板的一個寬面上刻有回形流通槽和一個垂向流通槽，垂向流通槽貫通回形流通槽；在滲流板一個側面的上部鑽有一孔和垂向流通槽連通，流體流入管線或流體流出管線插在此孔中。
如上所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述一對或兩對滲流板和巖心的一對或兩隊側面相貼，滲流板刻有流通槽的側面面對巖心，在滲流板上插入流體流入或者流出管線，然後在滲流板和巖心的外面均勻的塗上密封層，做成巖心體；流體流入管線和流體流出管線透過密封層伸出巖心體。
如上所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的底座上表面有一凸臺，對著滲流板上部的孔，凸臺上刻有半圓槽。
如上所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的上蓋有一凹槽和底座的凸臺對應；對著滲流板上部的孔，在凹槽部分刻有半圓槽，其餘部分刻有U形槽。
如上所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述所述的上蓋和底座的半圓槽是正對的。
利用如上所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，關閉流體流入管線，在流體流出管線上接入帶刻度的毛細管，擠壓巖心體，根據毛細管液面的變化可以測得巖石孔隙度隨壓力變異的規律。
圖1為地層巖石應力狀態圖，圖2為模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器主視剖面圖，圖3為去掉巖心、空心橡膠圈，密封層和水嘴的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器的俯視圖，圖4為滲流板結構示意圖。
具體實施方式
參見圖2和圖3，本實用新型提供的模擬地層多應力場耦合作用夾持器的組成是導壓塊1、上蓋2、空心橡膠圈3、水嘴4、底座5、密封層6、滲流板7、巖心8、流體流入管線9、流體流出管線10和固定螺栓11。
本實用新型提供的模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器的結構是密封樹脂層6包圍滲流板7和試驗地層巖心8組成巖心體，滲流板7帶有回形刻槽的側面緊貼地層試驗巖心8，流體流入管線9和流體流出管線10的一段分別插入兩個相對的滲流板，另一端透過底座和上蓋配合部位的小孔伸出巖心夾持器，；導壓塊1、上蓋2和底座3圍成一個空腔，巖心體和空心橡膠圈3位於這個空腔中，並且空心橡膠圈3包圍著巖心體；空心橡膠圈3的水嘴4透過底座5側面的孔伸出巖心夾持器；導壓塊1透過上蓋2中間的方孔正好壓在巖心體上方；上蓋1和底座2之間是通過四角上的螺栓10固定的。
本實用新型提供的模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器的工作原理。滲流板7帶有回形刻槽的側面緊貼巖心，它們共同被密封層包圍，兩個滲流板7使得流體流進和流出巖心，又能傳遞對巖心8的側向壓力。流體水嘴4進入空心橡膠圈3，空心橡膠圈3膨脹變形透過密封樹脂層6和滲流板7擠壓地層試驗巖心，這個擠壓力可以模擬地層的水平壓力，使得巖心中存在水平應力。外界液壓機壓導壓塊1，導壓塊1再透過密封樹脂層6擠壓地層試驗巖心8，這個擠壓力可以模擬地層的水平壓力，使得巖心中存在垂向應力。水平壓力和垂向壓力是通過兩套不同的加壓系統施加的，能夠單獨調節每個壓力的大小，因此能夠真正模擬巖石在地層的應力狀態及其變化。測定地層試驗巖心的滲透率時，先製作巖心體，然後把空心橡膠圈3和巖心體放入底座5的空腔中間，水嘴4透過底座側面的孔伸出底座5，流入流如管線9和流體流出管線10放置在底座凸臺上的半圓槽內，蓋上上蓋2，放入導壓塊1，最後用螺栓10固定上蓋2和底座5。緩慢增加垂向壓力和水平壓力至預定值，即可測定在對應應力狀態下地層試驗巖心的滲透率；按照地層條件協調調整垂直壓力和水平壓力，測定不同應力狀態下的滲透率，就可以得到地層條件下滲透率隨應力變化的規律。測定地層試驗巖心8的孔隙度在地層條件下隨應力變化的規律時，在製作巖心體以前要測出巖心8在常壓下的孔隙度。和測定地層試驗巖心8的滲透率的方法相同，裝好模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器，然後在低流量條件下驅替5倍的孔隙體積，然後關閉流體流入管線9，並在流體流出管線10上接上帶刻度的毛細管，按照地層條件協調增加垂直壓力和水平壓力，讀出毛細管中流體在不同壓力下的體積，就可以計算得到地層試驗巖心8的孔隙度在地層條件下隨應力的變化規律，進而測得地層條件下巖石的孔隙度。
權利要求1.一種模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於它包括底座(5)、上蓋(2)、導壓塊(1)、空心橡膠圈(3)、至少兩塊滲流板(7)、水嘴(4)、流體流入管線(9)、流體流出管線(10)；底座(5)和上蓋(2)扣在一起圍成了一個空腔，空心橡膠圈(3)、滲流板(7)和巖心(8)放置在這個孔腔中，滲流板(7)緊貼巖心(8)，空心橡膠圈(3)環抱滲流板(7)和巖心(8)；空心橡膠(3)的外層中間打有一孔，用來裝配水嘴(4)；底座(5)的一個側面上鑽有一個通孔，水嘴(4)通過該孔伸出夾持器；底座(5)和上蓋(2)的配合部位有至少兩個通孔，流體流入管線(9)和流體流出管線(10)透過這些孔和滲流板(7)連通；上蓋(2)的中間有一個矩形通孔，導壓塊(1)放置在這個矩形通孔中；上蓋(2)和底座(5)用螺栓(11)固定。
2.根據權利要求1所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的滲流板(7)是矩形的，每塊滲流板(7)的一個寬面上刻有回形流通槽和一個垂向流通槽，垂向流通槽貫通回形流通槽；在滲流板一個側面的上部鑽有一孔和垂向流通槽連通，流體流入管線(9)或流體流出管線(10)插在此孔中。
3.根據權利要求1或權力要求2所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述一對或兩對滲流板(7)和巖心(8)的一對或兩隊側面相貼，滲流板(7)刻有流通槽的側面面對巖心(8)，在滲流板上插入流體流入管線(9)或者流體流出管線(10)，然後在滲流板(7)和巖心的外面均勻的塗上密封層(6)，做成巖心體；流體流入管線(9)和流體流出管線(10)透過密封層伸出巖心體。
4.根據權利要求1所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的底座(5)上表面靠著內緣有一凸臺，對著滲流板(7)的方向，凸臺上刻有半圓槽。
5.根據權利要求1所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的上蓋(2)有一凹槽和底座的凸臺對應；對著滲流板(7)的方向，在凹槽部分刻有半圓槽，其餘部分刻有U形槽。
6.根據權利要求4或權力要求5所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述所述的上蓋(2)和底座(5)的半圓槽是正對的。
7.根據權利要求1所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的導壓塊(1)和上蓋(2)中間的矩形孔採用間隙配合，導壓塊(1)的高度略大於上蓋(2)中間矩形孔的長度。
8.根據權利要求1所述的模擬地層多應力場耦合作用的巖心夾持器，其特徵在於所述的空心橡膠圈(3)的裝滿流體且不膨脹時，能夠充滿由巖心體、上蓋(2)和底座(5)圍成的回形空間。
專利摘要本實用新型公開了一種能夠區分地層巖石中的水平應力和垂向應力，真實模擬地層應力狀態新型巖心夾持器，這種夾持器用於測定巖石的孔隙度和滲透率以及它們隨應力變異的規律。模擬地層多應力場耦合作用巖心夾持器由滲流板、導壓塊、上蓋、底座和空心橡膠圈等構成它有兩套加壓系統，液壓機通過導壓塊施加在巖心上的壓力使巖心中產生垂向應力，空心橡膠圈充注流體變形擠壓巖心使巖心中產生水平應力。
文檔編號G01N3/00GK2715138SQ20042006623
公開日2005年8月3日 申請日期2004年6月24日 優先權日2004年6月24日
發明者程林松, 閆建釗, 李春蘭 申請人:石油大學(北京)