[發明專利]非常規油氣儲集層巖石力學特征分析儀

有效

• 申請號: 201410108386.8
• 申請日: 2014-03-21
• 公開（公告）號: CN103868799B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 張金川;黃瀟
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 北京方韜法業專利代理事務所11303
• 代理人: 劉晶婷

技術領域

本發明涉及一種非常規油氣勘探開發領域的實驗設備，特別是涉及一種非常規油氣儲集層巖石力學特征分析儀。

背景技術

隨著我國對油氣資源需求的不斷增長，油氣需求缺口也越來越大。在常規油氣勘探越來越難以取得重大突破的情況下，非常規油氣資源將會成為我國重要的接替能源。目前能夠進行大規模開發的非常規油氣資源主要是頁巖油氣、煤層氣以及致密砂巖氣，對應的儲集層分別是泥頁巖、煤層和致密砂巖。

頁巖油氣是一種存在于暗色泥頁巖或炭質泥頁巖中以吸附或游離態為主的石油和天然氣，煤層氣是指賦存在煤層中以吸附態為主的天然氣，致密砂巖氣通常是指低滲—特低滲砂巖儲層中無自然產能的天然氣。泥頁巖、煤層和致密砂巖通常儲層致密，基質孔隙度和滲透率低，在通常情況下難以形成產能，必須通過大規模壓裂進行儲層改造才能形成工業生產價值。巖石力學特征是進行壓裂設計的重要參數，包括彈性模量、泊松比、地應力特征、巖石強度等，其中最重要的兩個參數是彈性模量和泊松比。巖石力學特征影響儲層改造，例如壓裂裂縫的方向、長度、形態等特征，因此巖石力學特征的準確表征是壓裂成功的關鍵。目前，巖石力學特征參數通常采用壓力試驗機進行測量。

非常規油氣儲集層——泥頁巖、煤層和致密砂巖均為沉積巖類，其中泥頁巖和煤層的抗壓強度較低，致密砂巖的抗壓強度稍高，但均遠遠低于巖漿巖、變質巖類巖石如花崗巖、大理巖。現有的巖石壓力試驗機針對巖土力學研究領域，應用于所有巖石類型以及混凝土等，如國產TYX—500型巖石三軸壓力機，軸壓5MN（5×10⁶N）；美國MTS公司的巖石伺服試驗機，軸壓4.5MN（4.5×10⁶N）。這些常規壓力試驗機載荷很大，從而導致在小壓力載荷情況下對壓力載荷變化的控制精度相對降低。

由計算機控制的壓力試驗機通常采用分體式設計，由相互分離的計算機系統、液壓控制系統和壓力測試平臺系統三部分組成，如TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機等。該類儀器體積和重量龐大，實驗室及實驗條件適應性能差，具有移動和安裝不便的缺點。

此外，巖石樣品的體積通常較小，很難直接反映理論無限大巖石體的力學特征。如果需要在巖石鉆孔中直接進行壓裂模擬實驗，則現有的壓力試驗機還難以承擔該類壓裂模擬實驗任務。非常規油氣儲集層通常具有巖性致密、基質孔隙度和滲透率低等特點，泥頁巖和煤層還具有儲層穩定性差、遇水易膨脹和坍塌等特點，對其中的油氣開發造成了較大困難。因此，壓裂施工之前通常需要進行壓裂物理模擬，從而輔助壓裂設計。要想反映理論大體積巖石體的力學特征，需要壓裂模擬實驗可在野外淺鉆孔或巨型巖石樣品中進行，換句話說，需要把通常的“巖芯放在機器里”理念修改為“把機器放在巖石里”。

由此可見，巖土力學研究領域使用的現有壓力試驗機不適宜在頁巖油氣勘探領域廣泛推廣，必須進行重大改進。如何能創設一種既能高精度測量非常規油氣儲集層巖力學基本參數，又能進行儲集層壓裂模擬實驗的新的非常規油氣儲集層巖石力學特征分析儀，實屬當前本領域的重要研發課題之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種非常規油氣儲集層巖石力學特征分析儀，使其操作簡便，移動方便，既能夠高精度測量泥頁巖彈性模量、泊松比等基本巖石力學特征參數，又能進行三軸應力環境實驗分析和野外淺層巖石壓裂模擬實驗。

為解決上述技術問題，本發明一種非常規油氣儲集層巖石力學特征分析儀，包括實驗箱以及安裝在實驗箱內的單軸壓力系統、圍壓增壓系統和壓裂模擬器，其中：所述的壓裂模擬器包括橫向放置的雙向液壓缸，雙向液壓缸的兩側活塞端頭均安裝有井壁壓頭和橫向壓力傳感器。

作為本發明的一種改進，所述的實驗箱內還安裝有計算機控制系統，所述的計算機控制系統控制雙向液壓缸、單軸壓力系統和圍壓增壓系統的動作，并與壓裂模擬器的橫向壓力傳感器以及單軸壓力系統的縱向壓力傳感器通信連接。

所述的單軸壓力系統包括上壓頭、下壓頭、縱向液壓缸、液壓控制模塊以及油箱，縱向液壓缸的活塞上裝有位移傳感器，上壓頭安裝在縱向液壓缸的活塞連桿上，并在上壓頭或下壓頭上裝有縱向壓力傳感器；所述的圍壓增壓系統包括三軸壓力室、三軸壓力室底座和圍壓控制模塊，縱向液壓缸的活塞連桿穿過三軸壓力室的頂面，上壓頭位于三軸壓力室內，三軸壓力室底部設有開口，三軸壓力室底座與三軸壓力室的開口對應，圍壓控制模塊控制三軸壓力室或三軸壓力室底座移動使其密封連接或分離，并在密封時控制三軸壓力室內的注油和圍壓；所述的壓裂模擬器的雙向液壓缸通過所述液壓控制模塊與所述油箱連接。