一种测定岩石扩容变化规律的实验装置和实验方法
阅读说明：本技术 一种测定岩石扩容变化规律的实验装置和实验方法 (Experimental device and experimental method for measuring rock expansion change rule ) 是由 贺甲元 宋丽阳 刘长印 张乐 杨科峰 李小龙 张�雄 程洪 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种测定岩石扩容规律的实验装置和实验方法。实验装置包括实验箱体、带注液孔的岩样、加载于岩样外周的围压加载组件、伸入注液孔内的注液组件,以及设于围压加载组件和注液组件上的数据采集组件。实验方法包括：交替向岩样加载围压和注液,当达到目标围压时,停止围压加载和注液；继续向岩样稳定注液,当注液压力明显上涨、达到岩心破裂压力时停止；当注液压力下降至低于岩心破裂压力时,向岩样小排量注液；当注液压力达到岩心破裂压力、且不再下降或压降小时,停止小排量注液；根据全程记录的压力数据获得岩心扩容体积和扩容压力变化曲线。本发明具有可全程监测岩石扩容变化过程、提高扩容改造体积和效果、实验安全性高等优点。(The invention provides an experimental device and an experimental method for measuring a rock capacity expansion rule. The experimental device comprises an experimental box body, a rock sample with a liquid injection hole, a confining pressure loading assembly loaded on the periphery of the rock sample, a liquid injection assembly extending into the liquid injection hole, and a data acquisition assembly arranged on the confining pressure loading assembly and the liquid injection assembly. The experimental method comprises the following steps: alternately loading confining pressure and liquid injection to the rock sample, and stopping confining pressure loading and liquid injection when the target confining pressure is reached; continuing to stably inject liquid into the rock sample, and stopping when the liquid injection pressure obviously rises and reaches the rock core fracture pressure; when the injection pressure is reduced to be lower than the fracture pressure of the rock core, injecting liquid into the rock sample at a small displacement; stopping small-displacement injection when the injection pressure reaches the core fracture pressure and does not drop or is small in pressure drop; and obtaining the volume expansion volume of the rock core and the volume expansion pressure change curve according to the pressure data recorded in the whole process. The rock volume-expanding and changing monitoring system has the advantages of being capable of monitoring the rock volume-expanding and changing process in the whole process, improving the volume-expanding and transforming effect, being high in experimental safety and the like.)
技术领域
本发明涉及油气田开发领域，尤其涉及一种测定岩石扩容变化规律的实验装置和实验方法。
背景技术
在针对砂岩储层开展体积改造过程中，通常可通过采用岩石扩容技术增大储层岩石孔隙度，以在近井地带形成复杂、大体积的微观张剪裂缝区。但现有的岩石扩容技术中尚未有岩石在流体注入过程中全程监测扩容变化过程的实验装置和方法，具体讲：
中国发明专利CN201711043563公开了一种“一种基于损伤扩容理论的围岩位移预警方法”，其主要基于传统的Fennar公式，通过弹性力学求解，得到围岩压力计算式，考虑围岩随开挖过程损伤扩容变形的扩容效应，得到考虑围岩损伤区扩容效应的洞壁位移公式，但其无法全程监测岩石扩容变化过程，未能提供岩心扩容体积计算公式。中国发明专利CN201810450260公开了“一种基于应力应变曲线评价致密储层可压性的方法”，其根据轴向应变-裂缝体积应变关系曲线，确定岩样扩容点，通过从扩容点到破裂点围成的应力应变曲线包络面积，获得其应变能大小，但同样也无法全程监测注入过程中岩石扩容变化过程。文献“高应力卸荷条件下砂岩扩容特征及其剪胀角函数”通过开展不同初始围压水平的三轴峰前卸围压试验和常规三轴压缩试验，分析了卸荷应力路径对砂岩扩容的影响效应，但无法监测流体注入过程中岩石扩容变化规律；文献“修正的盐岩扩容模型及扩容界限研究”通过研究盐岩试件体积应变随偏应力变化规律，提出了修正的增量形式扩容模型，但上述文献均无法全程监测岩石在水力作用下扩容变化过程，也未能提供岩心扩容体积计算公式。
由于现有技术中暂无全程监测岩石在水力作用下扩容变化过程的实验装置和方法，导致对岩石在低于岩心破裂压力条件下扩容变化规律认识不够深入，无法精确预测不同岩石在不同注入压力条件下的扩容体积，使得在现场开发和储层改造时无法优化扩容工艺参数，导致砂岩储层体积难以充分改造、扩容工艺改造效果差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可全程监测岩石扩容变化过程、提高扩容改造体积和效果，且实验安全性高的测定岩石扩容变化规律的实验装置和实验方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种测定岩石扩容规律的实验装置，包括实验箱体、带有注液孔的岩样、对岩样加载围压以模拟地应力环境的围压加载组件、向岩样内部注液模拟岩石扩容的注液组件，以及实时采集注液压力、加载围压、岩石扩容后的围压的数据采集组件，其中，所述岩样设于所述实验箱体内，且所述围压加载组件加载于所述岩样的外周；所述注液组件的注入端伸入所述岩样的注液孔内；所述数据采集组件设于所述围压加载组件和注液组件上。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述围压加载组件包括弹性夹持件、加载液压腔、加压管线及加载控制单元，所述弹性夹持件包裹于所述岩样的外周，且所述弹性夹持件的顶端高于所述岩样的顶端；所述加载液压腔设于所述弹性夹持件与所述实验箱体之间；所述加压管线的两端分别连通所述加载液压腔和所述加载控制单元。
所述数据采集系统包括数据采集与控制单元、加载围压检测件和扩容围压检测件，所述数据采集与控制单元分别与所述加载围压检测件和所述扩容围压检测件连接，以接收和记录检测件的检测值；所述加载围压检测件设于所述加载控制单元上，所述扩容围压检测件设于所述加压管线上。
所述注液组件包括注液管柱、注液管线和注液控制单元，所述注液管柱的一端伸入所述岩样的注液孔，所述注液管柱的另一端通过注液管线与所述注液控制单元连通。
所述数据采集系统包括数据采集与控制单元和注入压力检测件，所述数据采集与控制单元与所述注入压力检测件连接，以接收和记录检测件的检测值；所述注入压力检测件所述注液管线上。
实验装置还包括保证液体仅从注液组件进入岩样内部的隔离密封组件，所述隔离密封组件包括隔离片和注液孔密封圈，所述隔离片覆盖所述岩样的上端面，且所述隔离片上设有与所述注液孔对应的避让孔；所述注液孔密封圈密封安装于所述注液孔内，且所述注液孔密封圈上设有供注液组件的注入端插入注液孔的贯通孔。
所述注液孔的直径d1、所述岩样的直径d2满足d1＝(1/5～1/4)d2；所述注液孔的高度a，所述岩样的高度b满足a＝(1/2～4/5)b。
实验装置还包括在实验后泄空实验箱体内部压力的泄压组件，所述泄压组件包括泄压阀和泄压管线，所述泄压管线连接于所述实验箱体的底部，所述泄压阀设于所述泄压管线上。
一种如上述所述的测定岩石扩容规律的实验装置的实验方法，包括如下步骤：
1)交替向岩样加载围压和注液，当围压加载至目标围压时，停止加载和注液；
2)继续向岩样稳定注液，当注液压力明显上涨、达到岩心破裂压力时，停止稳定注液；当注液压力下降至低于岩心破裂压力时，向岩样小排量注液；当注液压力达到岩心破裂压力、且不再下降或压降小时，停止小排量注液；全程记录注液过程中、停止稳定注液和停止小排量注液时的注液压力、加载围压、岩石扩容后的围压；
3)根据全程记录的压力数据绘制岩石扩容的压力变化曲线，并计算获得岩心扩容体积。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤1)中，始终保持加载的围压高于注液压力；在步骤2)中，始终保持注液压力低于岩心破裂压力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的岩样设于实验箱体内，围压加载组件加载于岩样的外周，以对岩样加载围压模拟地应力环境；注液组件的注入端伸入岩样的注液孔内，以向岩样内部注液模拟岩石扩容现象；数据采集组件设于围压加载组件和注液组件上，以实时采集注液压力、加载围压和岩石扩容后的围压。其整体结构简单、布局紧凑。同时，本发明通过实验箱体、围压加载组件、注液组件及数据采集组件的组合形式实现了岩石扩容过程的模拟，且可全程检测围压和注液压力的变化情况，实现岩石在流体注入时扩容变化过程的全程监测，可有效掌握不同岩石在不同围压、不同注液压力条件下的扩容变化规律，且通过采集的压力数值可精确预测不同岩石在不同注入压力条件下的扩容体积，以为扩容工艺参数的优化设计提供指导，其有效提高了扩容改造体积，最大程度地保证了扩容工艺改造效果。
本发明的实验方法同样具有上述优点，且实验过程安全性高，具体讲：在步骤1)中通过交替向岩样加载围压和注液的方式使得岩样在小压差范围内逐步增加至目标围压，其避免了岩样在围压一次注入时易损坏现象的发生。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是本发明测定岩石扩容变化规律的实验装置的结构示意图。
图2是本发明实验箱体内部各部件的位置关系示意图。
图3是本发明岩样与隔离密封组件的分解结构示意图。
图4是本发明测定岩石扩容变化规律的实验方法的流程图。
图中各标号表示：
1、实验箱体；2、岩样；21、注液孔；3、围压加载组件；31、弹性夹持件；32、加载液压腔；33、加压管线；34、加载控制单元；4、注液组件；41、注液管柱；42、注液管线；43、注液控制单元；5、数据采集组件；51、数据采集与控制单元；52、加载围压检测件；53、扩容围压检测件；54、注入压力检测件；6、隔离密封组件；61、隔离片；62、注液孔密封圈；7、泄压组件；71、泄压阀；72、泄压管线。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1示出了本发明测定岩石扩容规律的实验装置的实施例，该实验装置主要针对砂岩储层，包含疏松砂岩、致密砂岩和致密砂砾岩等，主要应用于油气田现场及室内实验中岩石扩容变化规律动态监测。本实施例中，实验装置包括实验箱体1、岩样2、围压加载组件3、注液组件4及数据采集组件5。其中，岩样2设于实验箱体1内，岩样2上设有注液孔21；围压加载组件3加载于岩样2的外周，以对岩样2加载围压模拟地应力环境；注液组件4的注入端伸入岩样2的注液孔21内，以向岩样2内部注液模拟岩石扩容现象；数据采集组件5设于围压加载组件3和注液组件4上，以实时采集注液压力、加载围压、岩石扩容后的围压。其整体结构简单、布局紧凑。
同时，本发明通过实验箱体1、围压加载组件3、注液组件4及数据采集组件5的组合形式实现了岩石扩容过程的模拟，且可全程检测围压和注液压力的变化情况，实现岩石在流体注入时扩容变化过程的全程监测，可有效掌握不同岩石在不同围压、不同注液压力条件下的扩容变化规律，且通过采集的压力数值可精确预测不同岩石在不同注入压力条件下的扩容体积，以为扩容工艺参数的优化设计提供指导，其有效提高了扩容改造体积，最大程度地保证了扩容工艺改造效果。
进一步地，围压加载组件3包括弹性夹持件31、加载液压腔32、加压管线33及加载控制单元34。其中，弹性夹持件31包裹于岩样2的外周，以使岩样2均匀、可靠受力，保证地应力环境的有效模拟；且弹性夹持件31的顶端高于岩样2的顶端，以避免加载液压腔32的液体流入岩样2上端面，使得液体仅从注液组件4进入岩样2内部，保证实验结果的准确性。
同时，加载液压腔32设于弹性夹持件31与实验箱体1之间，加压管线33的两端分别连通加载液压腔32和加载控制单元34。在加载围压时，加载控制单元34控制进入加载液压腔32的液体量，以实现围压的逐步加载，且可有效模拟不同的地应力环境。本发明的围压加载组件3加载效果好、操作方便，且整体结构简单、成本低。本实施例中，弹性夹持件31为橡胶夹持件。
本实施例中，数据采集系统包括数据采集与控制单元51、加载围压检测件52和扩容围压检测件53。其中，加载围压检测件52设于加载控制单元34上，以实时采集加载围压；扩容围压检测件53设于加压管线33上，以实时采集岩石扩容后的围压。在岩样2未扩容前，加载围压检测件52与扩容围压检测件53的检测值相同；当岩心出现扩容时，岩样2体积将膨胀变大，此时岩样2的膨胀作用力反作用于弹性夹持件31上，使得加载液压腔32的体积压缩，扩容围压检测件53的检测值开始上涨。即扩容围压检测件53的检测值上涨的点为扩容临界点；加载围压检测件52的检测值明显低于扩容围压检测件53的检测值时，说明岩心出现扩容现象。
同时，数据采集与控制单元51分别与加载围压检测件52和扩容围压检测件53连接，以接收和记录加载围压检测件52和扩容围压检测件53的检测值，且数据采集与控制单元51可根据检测值输出控制信号控制围压加载组件3动作，以调节围压。
如图1所示，注液组件4包括注液管柱41、注液管线42和注液控制单元43。其中，注液管柱41的一端伸入岩样2的注液孔21，注液管柱41的另一端通过注液管线42与注液控制单元43连通。在实验时，注液控制单元43控制注液管柱41的注入量，注液管柱41向岩样2内部注液，即可有效模拟岩石扩容现象，其操作方便、结构简单。
进一步地，数据采集系统还包括注入压力检测件54，注入压力检测件54设于注液管线42上，以实时采集注液压力。数据采集与控制单元51与注入压力检测件54连接，以接收和记录注入压力检测件54的检测值，且数据采集与控制单元51可根据检测值输出控制信号控制注液组件4动作，以调节注液压力。本实施例中，扩容围压检测件53的检测值出现上涨的时间点对应的注入压力检测件54的检测值则为岩心扩容临界压力。
如图2及图3所示，测定岩石扩容规律的实验装置还包括隔离密封组件6，隔离密封组件6包括隔离片61和注液孔密封圈62。其中，隔离片61覆盖岩样2的上端面，以防止围压用液体在围压加载时从岩样2上端面渗透进入岩样2。同时，注液孔密封圈62密封安装于注液孔21内，以密封注液孔21，保证液体仅从注液组件4进入岩样2的注液孔21。本发明采用隔离片61和注液孔密封圈62组合的形式使得液体仅能从注液组件4进入岩样2内部，其有效保证了实验结果的准确性。
同时，隔离片61上设有与注液孔21对应的避让孔，以方便注液孔密封圈62放入注液孔21内部。注液孔密封圈62上设有贯通孔，贯通孔的孔径与注液管柱41的管径相同，以供注液管柱41插入注液孔21，且不存在漏液间隙。本实施例中，隔离片61采用防渗透膜，注液孔密封圈62采用橡胶密封圈。
进一步地，注液孔21的直径d1、岩样2的直径d2满足d1＝(1/5～1/4)d2，以保证液体有效注入岩样2内部，同时避免注液孔21直径过小导致的实验时间长、数据难以测得等现象的发生。注液孔21的高度a，岩样2的高度b满足a＝(1/2～4/5)b，在避免注液孔21高度过大导致的液体从岩样底部压穿现象的同时，防止岩样2下部无法检测、实验误差大的问题。
本实施例中，岩样2为两端平整的圆柱形岩样，岩样2的高度为15cm、岩样2的直径为5cm；注液孔21的高度为10cm，注液孔21的直径为1.2cm。在其他实施例中，岩样2和注液孔21的高度及直径的具体取值可根据实际需求进行调整。
如图1所示，测定岩石扩容规律的实验装置还包括泄压组件7，泄压组件7包括泄压阀71和泄压管线72。其中，泄压管线72连接于实验箱体1的底部，泄压阀71设于泄压管线72上。在实验过程中，保持泄压阀71关闭；在实验完成后，打开泄压阀71，以泄空实验箱体1内部压力。
如图4所示，本实施例的如上述所述的测定岩石扩容规律的实验装置的实验方法，包括如下步骤：
1)交替向岩样2加载围压和注液，当围压加载至目标围压时，停止加载和注液；
2)继续向岩样2稳定注液，当注液压力明显上涨、达到岩心破裂压力时，停止稳定注液；当注液压力下降至低于岩心破裂压力时，向岩样2小排量注液；当注液压力达到岩心破裂压力、且不再下降或压降小时，停止小排量注液；全程记录注液过程中、停止稳定注液和停止小排量注液时的注液压力、加载围压、岩石扩容后的围压；
3)根据步骤2)中记录的压力数据绘制岩石扩容的压力变化曲线，并计算获得岩心扩容体积。
本发明的实验方法同样具有测定岩石扩容规律的实验装置的上述优点，且实验过程安全性高。具体讲：在步骤1)中通过交替向岩样2加载围压和注液的方式使得岩样2在小压差范围内逐步增加至目标围压，其避免了岩样2在围压一次注入时易损坏现象的发生。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤1)中，始终保持加载的围压高于注液压力，可有效避免注液压力过高导致的岩样2弹出、围压加载组件3冲坏等现象的发生。本实施例中，加载的围压始终比注液压力高2～5MPa，在其他实施例中，围压与注液压力的压差可根据实际实验情况进行调整，只要能够防止实验装置在实验时受损即可。
在步骤1)的围压达到目标围压时，记录围压加载的流体注入量，以方便掌握岩石在扩容时的体积变化规律。
进一步地，围压加载介质采用去离子水或蒸馏水，以减少杂质、在保证围压稳定加载的同时，延长实验装置的使用寿命。
在步骤2)中，始终保持注液压力低于岩心破裂压力，以防止岩样2在实验时发生破裂。本实施例中，保持注液压力至少低于岩心破裂压力5MPa，在其他实施例中，注液压力与岩心破裂压力的压差可根据实际实验情况进行调整，只要能够避免岩样2在实验时破裂即可。
在步骤2)中，岩心破裂压力根据岩心性质预判。当压力下降至低于岩心破裂压力的2～3MPa后，再重启向岩样2注液。当注液压力达到岩心破裂压力，且不再下降或压降低于0.1MPa/30min后，停止注液。全程记录的压力数据通过数据采集组件5采集。
在步骤3)中，岩心扩容体积的计算表达式为：
式中，P1f为停止小排量注液时的岩石扩容后的围压、P2f为停止小排量注液时的加载围压，C为流体介质的压缩系数，e为常数。
本发明的实验方法可全程检测围压和注液压力的变化情况，实现岩石在流体注入时扩容变化过程的全程监测，可有效掌握不同岩石在不同围压、不同注液压力条件下的扩容变化规律，且通过采集的压力数值可精确预测不同岩石在不同注入压力条件下的扩容体积，以为扩容工艺参数的优化设计提供指导，其有效提高了扩容改造体积，最大程度地保证了扩容工艺改造效果。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。