用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的裝置及方法與流程

2024-04-02 09:11:05

本公開涉及巖石韌性參數檢測領域，尤其涉及一種用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的裝置和一種用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的方法。

背景技術：

在以往對巖石物理特性的研究中，通常採用巖石三軸應力測試方法等測量巖石的楊氏彈性模量、泊松比、抗壓強度、內聚力、內摩擦角、強度參數(諸如抗壓強度、單軸抗拉強度和抗剪強度)等，而忽略了巖石的抗曲模量等反應巖石韌性的信息。抗曲模量通常可衡量材料抵抗彎曲變形的能力，是表徵材料自身屬性的物理量。

在針對南方海相碳酸鹽巖地區的石油地質勘探過程中發現，其主要是由烴源巖及蓋層構成。蓋層的韌性參數，特別是抗曲模量，可衡量其在外力作用下是否易於發生彎曲變形，這對於這類地區的勘探開發非常重要，因此對於蓋層的諸如抗曲模量的韌性參數的評價上升到一個極其重要的地位。

現有技術中，對於抗曲模量的測量一般採用三點彎試驗，即將規定尺寸的長方形材料置於兩個規定尺寸的支點上，從中間不斷加大載荷強度，直至巖石發生破裂，必要時對破裂後的變形進行步測量。圖1示出了現有技術中採用簡支圓片集中載荷衝擊法測定矽片抗彎強度的示意圖。該方法是利用一定高度的鋼珠滑落衝擊矽片中心來計算矽片的抗彎強度。該方法的缺陷是：該實驗只能在常溫、常壓條件下進行，無法還原待測樣品在真實地層壓力以及溫度條件下的情況。此外，其每次實驗只能記錄一次衝擊，實驗誤差較大。因此，該方法不適用於獲得在真實地層條件下的巖石的韌性參數。

技術實現要素：

本公開的目的之一是提供一種便於檢測巖石樣品在模擬地層條件下的韌性參數的裝置。本公開還提供了一種用於檢測巖石樣品在模擬地層條件下的韌性參數的方法。

根據本公開的一個方面，公開了一種用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的裝置，該裝置包括：夾持器外筒，其內部形成第一密封腔體；夾具，設置於所述第一密封腔體內，用於保持巖石樣品的位置；溫度控制裝置，用於控制所述第一密封腔體內的溫度；圍壓控制裝置，用於控制施加至巖石樣品的圍壓；壓力施加裝置，包括設置於第一密封腔體外部的氣體抽吸裝置以及設置於第一密封腔體內部的第一活塞，第一活塞朝向巖石樣品的一側具有頂頭，氣體抽吸裝置連通至所述第一密封腔體內以驅動第一活塞運動，使得頂頭給巖石樣品施加壓力；應變採集裝置，用於採集巖石樣品在受到壓力施加裝置所施加的壓力時相應的應變信息，所述應變信息包括巖石樣品的撓曲度。

根據本公開的另一方面，公開了一種用於檢測模擬地層條件下的巖石韌性的方法，該方法包括：將巖石樣品固定在密閉腔體內；控制該密閉腔體內的溫度，以及控制施加至巖石樣品的圍壓；給巖石樣品施加壓力，並獲取巖石樣品在受到所施加的壓力時相應的應變信息，所述應變信息包括巖石樣品的撓曲度；基於所施加的壓力以及所述應變信息獲取巖石樣品在相應溫度和圍壓環境下的韌性參數。

本公開通過使巖石樣品處於一定的溫度和圍壓環境中，以模擬真實的地層條件，並通過給處於模擬地層條件下的巖石樣品施加壓力並採集巖石樣品在壓力下所產生的應變信息來獲取巖石的抗模曲量等參數。應用本公開，可得到巖石在真實地層條件下的持續應變信息，還可根據巖石樣品斷裂時所受的壓力等得到巖石的抗曲模量，為蓋層評價提供新的方法和指標，對於蓋層評價具有重要意義。此外，本公開還具有誤差小、測量精度高等優點。

附圖說明

通過結合附圖對本公開示例性實施方式進行更詳細的描述，本公開的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施方式中，相同的參考標號通常代表相同部件。

圖1為現有技術中利用三點彎試驗測定矽片抗曲強度的裝置結構示意圖；

圖2為根據本公開的一個具體示例的用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的裝置的結構示意圖；

圖3為應用本公開得到的在模擬地層條件下巖石樣品所受壓力與撓曲度的關係曲線示意圖。

附圖標記說明

1-夾持器外筒；2-第一夾持部件；3-第二夾持部件；5-圍壓泵；

6-應變片；7-應變儀；8-液壓泵；9-缸體；10-第一活塞；

11-第二活塞；12-頂頭；13-溫控儀；14-圍壓套；15-壓力變送器；

16-閥門；17-處理單元；18-顯示單元

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優選實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的優選實施方式，然而應該理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了使本公開更加透徹和完整，並且能夠將本公開的範圍完整地傳達給本領域的技術人員。

本公開公開了一種用於監測模擬地層條件下巖石韌性的裝置。該裝置包括夾持器外筒、夾具、溫度控制裝置、圍壓控制裝置、壓力施加裝置、應變採集裝置。夾持器外筒內部形成第一密封腔體。夾具設置於所述第一密封腔體內，用於保持巖石樣品的位置。溫度控制裝置用於控制所述第一密封腔體內的溫度。圍壓控制裝置，用於控制施加至巖石樣品的圍壓。壓力施加裝置包括設置於第 一密封腔體外部的氣體抽吸裝置以及設置於第一密封腔體內部的第一活塞，第一活塞朝向巖石樣品的一側具有頂頭，氣體抽吸裝置連通至所述第一密封腔體內以驅動第一活塞運動，使得頂頭給巖石樣品施加壓力。應變採集裝置用於採集巖石樣品在受到壓力施加裝置所施加的壓力時相應的應變信息，所述應變信息包括巖石樣品的撓曲度。

通過應用上述裝置，可使待測的巖石樣品置於模擬真實地層條件的環境下，然後給巖石樣品施加壓力並採集其應變信息，從而可得到巖石樣品的持續應變信息，還可根據巖石樣品斷裂時所受的壓力等得到巖石的抗曲模量。

圖2為根據本公開的一個具體示例的用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的裝置的結構示意圖。

該具體示例中，夾持器外筒1為封閉的筒體結構，其內部可形成第一密封腔體。

夾具可以包括第一夾持部件2和第二夾持部件3。第一夾持部件2和第二加持部件3的外端可分別安裝至夾持器外筒1的第一端面和第二端面，第一夾持部件2內端和第二加持部件3內端間的間隙可用於夾持待測的巖石樣品。例如，第一夾持部件2的外端可以通過螺紋與夾持器外筒1的第一端面的內表面固定連接，第二夾持部件3的外端可以通過螺紋與夾持器外筒1的第二端面的內表面固定連接，可通過旋轉螺紋來調整夾持的鬆緊程度。第一夾持部件2可以是空心柱體。第一活塞10可以設置於該空心柱體的腔體內，與夾持器外筒1的第一端面間形成第二密封腔體。氣體抽吸裝置可連通至第一密封腔體內的該第二密封腔體，以驅動第一活塞10運動，從而通過頂頭12給巖石樣品的表面(例如表面的中心位置)施加壓力。頂頭12的形狀可以是矩形、半球形和圓錐形中的任意一種，例如直徑為5mm的半球狀。此處的術語「內、外」可參考圖2。

在本具體示例中，第一夾持部件2和第二夾持部件3可以均為空心圓柱，其外徑(半徑)均為25mm，內徑(半徑)均為18mm，且二者的軸線在同一直線上，例如均位於第一密封腔體的中心軸線上，如此使得在檢測過程中巖石樣 品受到來自兩側的夾具的力是受力面積相對應的均衡且反向的力。

該具體示例中的氣體抽吸部件可以包括液壓泵8、缸體9和置於該缸體9內的第二活塞11。第二活塞11可以將缸體9內的腔體隔開為互不連通的兩部分。液壓泵8可以通過四根連杆固定在夾持器外筒1外部，其輸入端可以連通至壓力源，其輸出端可以連通至缸體9內第二活塞11一側的腔體，而第二活塞11另一側的腔體則可以連通至第一密封腔體內的第二密封腔體。液壓泵8可以向缸體9中的第二活塞11加壓，從而推動第二活塞11沿缸體9的軸向運動，而在第二活塞11運動過程中，第二活塞11至第一活塞10之間的氣體通路中的氣體被壓縮，從而推動第一活塞10運動，進而通過頂頭11給巖石樣品施加軸向壓力，使巖石樣品發生形變。通過這一兩級活塞結構，可以充分保證液壓泵8中的液體不汙染夾持器外筒1和夾具等，以延長儀器的使用壽命，且利於儀器回收。

該檢測裝置還可包括壓力變送器15。壓力變送器15可以連接至從第二活塞11至第一密封腔體(本示例中具體為第一密封腔體內的第二密封腔體)的氣體通路，以採集該氣體通路中的氣體壓力。本領域技術人員可以根據所採集到的氣體壓力得到此時巖石樣品所承受的單點載荷壓力。為了實現寬量程測量，該壓力變送器15可包括三個並聯的壓力變送單元：低壓壓力變送單元(量程至2Mpa)、中壓壓力變送單元(量程至20Mpa)和高壓壓力變送單元(量程至50Mpa)，其輸入端可分別連接至該氣體通路，其輸出端可分別連接至處理單元17，以確保在各個壓力範圍內都能測得較為精確的壓力值。其中，在低壓壓力變送單元和中壓壓力變送單元上可以各串聯一個閥門16，以便在超量程時關閉相應閥門16，避免損壞相應的壓力變送單元。

溫度控制裝置可以包括加熱部件(未示出)和溫控儀13。加熱部件可設置在夾持器外筒1的外側壁上。溫控儀13可控制加熱部件加熱。可通過處理單元17給溫控儀13設置溫度，溫控儀13可基於該設置的溫度控制加熱部件加熱，用以模擬地層的溫度條件。

圍壓控制裝置可以包括圍壓泵5。圍壓泵5的輸出端可連通至第一密封腔體，以將圍壓液體壓入所述第一密封腔體內給巖石樣品施加圍壓。在本具體示例，第一夾持部件2、第二夾持部件3和巖石樣品組成的一體式結構與夾持器外筒1內壁之間可以形成密閉環空。圍壓泵5的輸出端可以與該密閉環空相連通。可通過處理單元17給圍壓泵5設置圍壓值，圍壓泵5可以該設置的圍壓值向巖石樣品施加相應圍壓載荷，用以模擬地層的壓力條件。

可將用橡膠製成的圍壓套14套接在夾具和巖石樣品組成的一體式結構的外側壁上，使圍壓通過圍壓套14傳遞給巖石樣品，從而防止圍壓液體與巖石樣品直接接觸。例如，可將待測巖石樣品加工成端面半徑為25mm的圓柱體，使該一體式結構的外側壁是均勻的，從而可以在避免圍壓液體與巖石樣品直接接觸的同時不影響施加至巖石樣品的圍壓，以更為逼真地模擬地層條件。

應變採集裝置可以包括應變片6和應變儀7。應變片可以貼合地設置在巖石樣品背向頂頭12的一側，例如貼合設置在該側的中心位置。應變儀7可設置在夾持器外筒1的外部並且電連接至應變片6。應變儀7所採集到的應變信息可傳送至處理單元17。

處理單元17可設置圍壓控制裝置所提供的圍壓和溫度控制裝置所提供的溫度以模擬地層條件，並基於頂頭12施加至巖石樣品的壓力以及相應的應變信息得到在該地層條件下巖石的韌性參數(諸如抗曲模量)。處理單元17可以是計算機。顯示單元18可顯示所設置或採集的參數以及計算結果等。

本公開還公開了一種用於檢測模擬地層條件下的巖石韌性的方法。該方法包括：將巖石樣品固定在密閉腔體內；控制該密閉腔體內的溫度，以及控制施加至巖石樣品的圍壓；給巖石樣品施加壓力，並獲取巖石樣品在受到所施加的壓力時相應的應變信息，所述應變信息包括巖石樣品的撓曲度；基於所施加的壓力以及所述應變信息獲取巖石樣品在相應溫度和圍壓環境下的韌性參數。

所述韌性參數可以包括巖石樣品的最大撓曲度W、單點載荷強度P和抗曲模量K。在巖石樣品為圓柱體的情況下，具有如下關係：

其中W是巖石樣品的最大撓曲度，P是巖石樣品斷裂時受到的單點載荷壓力，R是巖石樣品的端面的半徑，S是巖石樣品的厚度。

可通過如上所述的用於檢測模擬地層條件下巖石韌性的裝置來實現該方法，具體細節不再一一贅述。

應用示例

為便於理解本公開實施例的方案及其效果，以下給出一個具體應用示例。本領域技術人員應理解，該示例僅為了便於理解本公開，其任何具體細節並非意在以任何方式限制本公開。

本應用示例中採用如圖2所示的裝置來檢測模擬地層條件下的巖石韌性，該檢測方法是在模擬實際地層的壓力、溫度條件下，按照壓力梯度對所述巖石樣品施壓，獲取所述巖石樣品發生破裂時的最大撓曲度、單點載荷強度以及抗曲模量，並根據檢測結果評價所述巖石樣品，具體步驟如下。

步驟1，製備巖石樣品：

將所述巖石樣品打磨處理至圓柱體，沿圓柱體的厚度方向截取5mm，並將所述巖石樣品烘乾；

步驟2，搭建實驗平臺：

將所述第一活塞10設置在第一夾持部件2的內壁上，並將所述第一活塞10一側的頂頭12緊頂住所述巖石樣品；

將所述應變片6的十字中心粘貼固定在所述巖石樣品表面的圓心處，將所述應變片6兩端的引線與轉接頭相連接，再將第二夾持部件3設置在所述巖石樣品的另一側；

步驟3，設備初檢：

檢測所述應變片6兩端引線的電阻值；

若電阻值與所述應變片6的標定值一致，則將所述引線連接至所述應變儀7 的輸入端，啟動所述應變儀7，並將所述應變儀7清零；

若電阻值與所述應變片6的標定值不一致，則更換所述應變片6，並重複執行所述步驟3；

步驟4，設置實驗參數；

通過所述處理單元設置實驗參數，所述實驗參數包括所述圍壓泵5輸出的壓力上限值和所述溫控儀13的溫度上限值；

所述圍壓泵5輸出的壓力上限值可以設定為150Mpa，所述溫控儀13的溫度上限值可以設定為150℃。

步驟5，加載圍壓：

啟動所述圍壓泵5，通過所述圍壓泵5將壓力液體泵入所述夾持器外筒1內側的密封環空中，對所述巖石樣品進行圍壓加載，直至達到所述步驟4中的預設值；

步驟6，加載加熱：

啟動所述溫控儀13，通過處理單元17向所述溫控儀13發送溫度控制信號，使所述溫控儀13對所述夾持器外筒1進行加熱，直至達到所述步驟4中預設值；

步驟7，加載單點載荷施加：

步驟71，啟動所述液壓泵8，利用所述液壓泵8對使所述第二活塞11加壓，並推動所述第二活塞11沿所述缸體9的軸向運動，所述第二活塞11壓縮所述第一活塞10一側的氣體空間，進而提升了所述氣體空間中的氣體壓力，從而使所述第一活塞10沿第一夾持部件2的內腔軸向運動；

所述頂頭12向所述巖石樣品中心施加軸向作用力，使得所述巖石樣品產生形變；

通過所述應變片6檢測所述巖石樣品的應變量，採樣頻率為1次/秒，並通過所述應變儀7將檢測結果傳輸至處理單元17，通過所述壓力變送器15採集第二活塞11一側的氣體壓力值；

步驟72，判斷所述巖石樣品是否斷裂；

若所述巖石樣品未斷裂，則回退至所述步驟71順序執行；

若所述巖石樣品斷裂，則停止對所述第二活塞11加壓，並跳轉至步驟8；

在所述步驟7過程中，將三個所述壓力變送單元及其輸入端的閥門16保持開啟，當低壓壓力變送單元滿量程時，關閉串聯在該壓力變送單元輸入端的閥門16；當中壓壓力變送單元滿量程時，關閉串聯在該壓力變送單元輸入端的閥門16；實驗結束後，將各壓力變送單元所採集的數據通過數據採集卡傳輸至處理單元17；

步驟8，根據所述步驟72中各壓力條件下採集的所述巖石樣品的應變量，通過處理單元17獲取所述巖石樣品的單點載荷壓力-撓曲度關係曲線，圖3為應用本公開得到的在模擬地層條件下兩種不同巖石樣品所受壓力與撓曲度的關係曲線示意圖，橫坐標為單點載荷壓力(單位：N)，縱坐標為撓曲度(mm)；

步驟9，將所述撓曲度-載荷關係曲線的直線部分進行直線擬合，得到所述巖石樣品的最大撓曲度W；

步驟10，通過下列公式計算所述巖石樣品的抗彎模量K，並對計算結果進行輸出分析；

其中W是巖石樣品的最大撓曲度，P是巖石樣品斷裂時受到的單點載荷壓力，R是巖石樣品的端面的半徑，S是巖石樣品的厚度。

應用本公開，可以檢測不同巖石樣品的單點載荷強度(破壞時的最大載荷)、最大撓曲度、抗曲模量等。表1示出了對部分巖石樣品的檢測結果。

表1

從表1中可以看出，泥灰巖、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖各樣品的單點載荷壓力-撓曲度關係基本呈直線關係，說明這些樣品在單點加載過程中主要以彈性變形為主，塑性變形很少。而膏巖的單點載荷-撓度關係曲線可以看出分為兩段，在較低載荷下膏巖主要以彈性變形為主，呈直線段；在較高載荷下膏鹽發生明顯塑性變形，並且塑變量很大，在地質條件下，易於塑性變型的巖石才能作為優質的天然氣蓋層。

以上已經描述了本公開的各實施例，上述說明是示例性的，並非窮盡性的，並且也不限於所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或對市場中的技術的改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。