CN103728184A - 模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法，该测试系统包括包括真三轴应力仪、压力仓、密封套、加热单元、加压单元、注气单元以及控制单元；密封套包裹设置在待测岩样外部，且设置在压力仓内，真三轴应力仪设置在密封套与压力仓之间；加热单元设置在压力仓外壁上，加压单元与压力仓内腔相连通，注气单元密封套内腔相连通；该测试方法通过控制加热单元、加压单元以及注气单元以模拟待测岩样的真实环境，再控制真三轴应力仪，完成对待测岩样的应力应变检测；本发明可以对模拟真实环境下的地下储层岩石的应力应变检测，并将检测结果以应力应变曲线的形式，精细、直观地显示出来；它为石油勘探研究提供了有效的检测方法和检测手段。

Description

模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及岩石的物理特性检测领域，具体涉及一种能够模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法

背景技术

众所周知，随着表层油气田的不断挖掘开采，浅层油气资源变得越来越少，人们开始把探索油气资源的目标瞄向了深层油气田。而深层油气田处于高温高压环境中，故要对深层油气田进行研究，就需要模拟地下深处的高温高压环境。通过检测含油岩石在不同压力和温度条件下物理特性的变化，可以对储油层的生成、变化和迁移等进行研究，其数据对油、气田的开发有着重要的指导意义。

在现有技术中，普遍采用的测量系统是利用真三轴应力仪在常温、常压条件下对样品进行静态检测。真三轴应力仪是一种真实模拟主应力状态,且能在任意应力路径下测试样品力学特征的试验仪器。真三轴应力仪可以实现3个方向分别施加不同大小的主应力,使样品沿3个轴向产生不同的应变情况,从而模拟真实岩体中的应力条件。但这种测量系统无法在模拟天然气储层的高温高压条和气体吸附件下对样品的应力应变情况进行检测，使得其检测的实验数据与真实环境中岩石样品的物理特性不相符，实验数据的参考价值较低。

发明内容

为了解决现有技术中的应力应变测试系统无法检测真实环境条件下岩石样品物理特性的缺陷，本发明设计了一种模拟储层环境的应力应变测试系统及其测试方法。

该测试系统的设计思路如下：

模拟储层环境的应力应变测试系统，包括真三轴应力仪1；所述真三轴应力仪1加载在待测岩样上。

所述测试系统还包括压力仓2、密封套3、加热单元6、加压单元7、注气单元8以及应力应变传感器；所述密封套3包裹设置在所述待测岩样外部，且所述密封套3设置在所述压力仓2内，所述真三轴应力仪1设置在所述密封套3与压力仓2之间；所述加热单元6设置在所述压力仓2外壁上，所述加压单元7与所述压力仓2内腔相连通，所述注气单元8与所述密封套3内腔相连通；所述应力应变传感器设置在所述待测岩样上。

为了实现对所述待测岩样的三个轴向进行加压，所述真三轴应力仪1包括6个机械臂；6个所述机械臂两两对称设置在所述密封套3外表面的X、Y、Z轴上；

所述机械臂包括钢杆4-1和钢片4-2；所述钢片4-2紧贴住所述密封套3的外表面，所述钢杆4-1与所述钢片4-2垂直，所述钢杆4-1一端与所述钢片4-2相连接，另一端延伸至所述压力仓2外部并与控制单元相连接；所述钢片4-2与所述密封套3外表面之间设有所述应力应变传感器。

机械臂作为真三轴应力仪1的一部分，其实现了固定待测岩样和密封套3以及对待测岩样施加轴向力。

所述测试系统还包括检测单元，所述检测单元包括所述应力应变传感器、温度传感器以及压力传感器；所述温度传感器以及压力传感器均设置在所述压力仓2中。

所述加热单元6包括电热丝，所述电热丝沿周向设置在所述压力仓2外侧壁上；

所述加压单元7包括液压泵以及压力管线；所述压力管线一端与所述液压泵相连接，另一端与所述压力仓2内腔相连通。

所述注气单元8包括气泵、气体计量装置以及气体管线；所述气体管线一端与所述气泵相连接，另一端穿过所述压力仓2并与所述密封套3内腔相连通，所述气体计量装置设置在所述密封套3中。

所述控制单元包括计算机5；所述计算机5的信号控制端口分别与真三轴应力仪1、加热单元、加压单元以及注气单元相连接，所述计算机5的信号接收端口与所述检测单元相连接。

在具体实施中，

所述压力仓2的形状为正方体，所述压力仓2的侧壁厚度为10～20厘米。

为保证压力仓3具备足够的抗热与抗压能力，压力仓3的仓壁材质为耐高温、耐高压的非金属材质，优选为聚四氟乙烯。

密封套3的表面为胶质材料。

所述注气单元注入的气体为甲烷气。

利用上述模拟储层环境的应力应变测试系统实现的应力应变测试方法，其步骤为，

步骤1，搭建好模拟储层环境的应力应变测试系统，并将所述密封套3包裹设置在所述待测岩样外部，控制所述真三轴应力仪1上的机械臂将所述密封套3和待测岩样固定在所述压力仓2内；

步骤2，设置环境参数，所述环境参数包括环境温度、围压、注气速率以及轴向压力；

步骤3，开启加热单元6以及加压单元7，对所述待测岩样进行加热、加压操作，并通过所述计算机5实时监测所述待测岩样的温度、压力信息，当满足所述环境参数的设定条件时，停止对所述待测岩样进行加热、加压；

步骤4，开启注气单元8，控制所述气泵向所述密封套3内腔通入气体，并通过所述计算机5实时监测注入气体的体积，当24小时内气体吸附量波动小于1%时，停止注入气体，所述待测岩样达到气体吸附平衡状态；达到平衡状态的标志是24小时累计气体吸附体积稳定不变。

步骤5，启动所述真三轴应力仪1，控制所述机械臂分别沿X、Y、Z轴向所述待测岩样施加轴向力，并通过所述应力应变传感器实时采集所述待测岩样的应变信息；

步骤6，将所述待测岩样的形变信息传输至所述计算机5，所述计算机5分析得到所述待测岩样的应力应变曲线。

在步骤3中，所述待测岩样的最高表面温度为120℃。

在步骤5中，所述真三轴应力仪1施加的最大轴向压力为70Mpa。

与现有技术相比，本测试系统能在高温、高压和甲烷气体吸附状态下对岩石等样品进行应力应变检测，能够在应力连续变化时,记录样品三个轴向上的几何形态变化,并以应力应变曲线的形式，清晰、准确地展示被检测物体在受三个轴向应力挤压下的形变状况，极大提升了实验数据的准确性、真实性，为石油勘探研究提供了有效的检测手段和检测方法。

附图说明

图1为本发明的模拟储层环境的应力应变测试系统的模块连接图；

图2为本发明的高压仓内部结构的轴向剖面图；

图3为本发明的测试方法的流程框图；

附图编号说明：

1-真三轴应力仪；2-压力仓；3-密封套；4-1钢杆；4-2钢片；

5-计算机；6-加热单元；7-加压单元；8-注气单元；

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

如图1、图2所示，模拟储层环境的应力应变测试系统，包括真三轴应力仪1、压力仓2、密封套3、加热单元6、加压单元7、注气单元8、检测单元、机械臂以及计算机5。

密封套3包裹设置在待测岩样外部，且设置在压力仓2内，真三轴应力仪1设置在密封套3与压力仓2之间，并加载在待测岩样上；

压力仓2的形状为正方体，压力仓2的侧壁厚度为15厘米，压力仓2的侧壁材质为聚四氟乙烯。

真三轴应力仪1包括6个机械臂；6个机械臂两两对称设置在密封套3外表面的X、Y、Z轴上；

机械臂包括钢杆4-1和钢片4-2；钢片4-2紧贴住密封套3的外表面，钢杆4-1与钢片4-2垂直，钢杆4-1一端与钢片4-2相连接，另一端延伸至压力仓2外部并与控制单元相连接；钢片4-2与密封套3外表面之间设有应力应变传感器。

加热单元6包括电热丝，电热丝沿周向设置在压力仓2外侧壁上；

加压单元7包括油压泵以及压力管线；压力管线一端与液压泵相连接，另一端与压力仓2内腔相连通。

注气单元8为气体解析吸附仪器，其型号为H-sorB 2600，所述气体解吸吸附仪器包括气泵、气体计量装置以及气体管线；气体管线一端与气泵相连接，另一端穿过压力仓2并与密封套3内腔相连通，气体计量装置设置在密封套3中。

注气单元注入的气体为甲烷气。

检测单元包括应力应变传感器、温度传感器以及压力传感器；温度传感器以及压力传感器均设置在压力仓2中；应力应变传感器、温度传感器以及压力传感器分别与计算机5相连接。

计算机5的信号控制端口分别与真三轴应力仪1、电热丝、油压泵以及气泵相连接，计算机5的信号接收端口分别与应力应变传感器、温度传感器以及压力传感器相连接。

如图3所示，使用上述模拟储层环境的应力应变测试系统的测试方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建好模拟储层环境的应力应变测试系统，并将密封套3包裹设置在待测岩样外部，控制真三轴应力仪1上的机械臂将密封套3和待测岩样固定在压力仓2内；

步骤2，设置环境参数，所述环境参数包括环境温度、围压、注气速率以及轴向压力；

步骤3，开启加热单元6以及加压单元7，对待测岩样进行加热、加压操作，并通过计算机5实时监测待测岩样的温度、压力信息，当满足所述环境参数的设定条件时，停止对待测岩样进行加热、加压；

步骤4，开启注气单元8，控制气泵向密封套3内腔通入甲烷气，并通过计算机5实时监测注入气体的体积，当24小时内气体吸附量波动小于1%时，停止注入气体，待测岩样表面达到气体吸附平衡状态；

步骤5，启动真三轴应力仪1，控制机械臂分别沿X、Y、Z轴向待测岩样施加轴向力，并通过应力应变传感器实时采集待测岩样的应变信息；

步骤6，将待测岩样的形变信息传输至所述计算机5，计算机5分析得到待测岩样的应力应变曲线。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.模拟储层环境的应力应变测试系统，包括真三轴应力仪（1）；所述真三轴应力仪（1）加载在待测岩样上，其特征在于：

所述测试系统还包括压力仓（2）、密封套（3）、加热单元（6）、加压单元（7）、注气单元（8）以及应力应变传感器；所述密封套（3）包裹设置在所述待测岩样外部，且所述密封套（3）设置在所述压力仓（2）内，所述真三轴应力仪（1）设置在所述密封套（3）与压力仓（2）之间；所述加热单元（6）设置在所述压力仓（2）外壁上，所述加压单元（7）与所述压力仓（2）内腔相连通，所述注气单元（8）设置在所述压力仓（2）外部并与所述密封套（3）内腔相连通；所述应力应变传感器设置在所述待测岩样上。

2.根据权利要求1所述的模拟储层环境的应力应变测试系统，其特征在于：

所述真三轴应力仪（1）包括6个机械臂；6个所述机械臂两两对称设置在所述密封套（3）外表面的X、Y、Z轴上；

所述机械臂包括钢杆（4-1）和钢片（4-2）；所述钢片（4-2）紧贴住所述密封套（3）的外表面，所述钢杆（4-1）与所述钢片（4-2）垂直，所述钢杆（4-1）一端与所述钢片（4-2）相连接，另一端延伸至所述压力仓（2）外部并与控制单元相连接；所述钢片（4-2）与所述密封套（3）外表面之间设有所述应力应变传感器。

3.根据权利要求1所述的模拟储层环境的应力应变测试系统，其特征在于：

所述测试系统还包括检测单元，所述检测单元包括所述应力应变传感器、温度传感器以及压力传感器；所述温度传感器以及压力传感器均设置在所述压力仓（2）中。

4.根据权利要求1所述的模拟储层环境的应力应变测试系统，其特征在于：

所述加热单元（6）包括电热丝，所述电热丝沿周向设置在所述压力仓（2）外侧壁上；

所述加压单元（7）包括液压泵以及压力管线；所述压力管线一端与所述液压泵相连接，另一端与所述压力仓（2）内腔相连通。

5.根据权利要求1所述的模拟储层环境的应力应变测试系统，其特征在于：

所述注气单元（8）包括气泵、气体计量装置以及气体管线；所述气体管线一端与所述气泵相连接，另一端穿过所述压力仓（2）并与所述密封套（3）内腔相连通，所述气体计量装置设置在所述密封套（3）中。

6.根据权利要求2所述的模拟储层环境的应力应变测试系统，其特征在于：

所述控制单元包括计算机（5）；所述计算机（5）的信号控制端口分别与真三轴应力仪（1）、加热单元、加压单元以及注气单元相连接，所述计算机（5）的信号接收端口与所述检测单元相连接。

7.根据权利要求1～5之一所述的模拟储层环境的应力应变测试系统，其特征在于：

所述压力仓（2）的形状为正方体，所述压力仓（2）的侧壁厚度为10～20厘米，所述压力仓（2）的侧壁为非金属材质。

8.利用根据权利要求1～7之一所述的模拟储层环境的应力应变测试系统实现的应力应变测试方法，其特征在于：

所述测试方法的步骤为，

步骤1，搭建好模拟储层环境的应力应变测试系统，并将所述密封套（3）包裹设置在所述待测岩样外部，控制所述真三轴应力仪（1）上的机械臂将所述密封套（3）和待测岩样固定在所述压力仓（2）内；

步骤2，设置环境参数，所述环境参数包括环境温度、围压、注气速率以及轴向压力；

步骤3，开启所述加热单元（6）以及加压单元（7），对所述待测岩样进行加热、加压操作，并通过所述计算机（5）实时监测所述待测岩样的温度、压力信息，当满足所述环境参数的设定条件时，停止对所述待测岩样进行加热、加压；

步骤4，开启所述注气单元（8），控制所述气泵向所述密封套（3）内腔通入气体，并通过所述计算机（5）实时监测注入气体的体积，当24小时内气体吸附量波动小于1%时，停止注入气体，所述待测岩样表面达到气体吸附平衡状态；

步骤5，启动所述真三轴应力仪（1），控制所述机械臂分别沿X、Y、Z轴向所述待测岩样施加轴向力，并通过所述应力应变传感器实时采集所述待测岩样的应变信息；

步骤6，将所述待测岩样的形变信息传输至所述计算机（5），所述计算机（5）分析得到所述待测岩样的应力应变曲线。

9.根据权利要求8所述的应力应变测试方法，其特征在于：

所述步骤3中，所述待测岩样的最高表面温度为120℃。

10.根据权利要求8所述的应力应变测试方法，其特征在于：

所述步骤5中，所述真三轴应力仪（1）施加的最大轴向压力为70Mpa。

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