一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法。定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方。本发明专利技术所述定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，操作简单、容易安装且模拟效果好；可模拟井筒内高能气体压裂的动态过程的一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法，属于石油开发实验装置的

技术介绍
随着我国经济的不断发展，以及石油工业的不断壮大，我国陆上的石油开发已进入深层和低渗透，乃至超低渗透等难以开采的原油开发时期。近期已探明的油气田，大多数储层类型丰富多样、埋藏深度大、开发技术要求高、开发成本较大。对于此类油气藏，高能气体压裂技术具有其他压裂技术无法比拟的优点：可在瞬间压开多条裂缝、污染小、不受地层水敏酸敏性质的影响、操作过程简单、成本较低。因此，在今后的油气田开发中，高能气体压裂技术将具有较广泛的应用前景。高能气体压裂技术(简称为HEGF)又称为爆燃压裂技术，它是以爆炸压裂的技术作为基础又与爆炸压裂技术有所区别的一项新技术，经过逐步的发展，该技术在上世纪90年代开始流行起来并逐渐应用于现场。它的基本原理是把火药或者推进剂通过设备安放在井底点燃使其爆燃，火药或推进剂燃爆过程中会产生大量的高温高压气体，这些气体将沿着射孔进入油气层，在压开了多条径向裂缝的同时沟通了天然存在的裂缝。在高能气体压裂过程中，会产生酸化作用、热化学作用等多种作用，这些作用可以清除近井带由于钻井、射孔等所造成堵塞和污染带，从而提高近井带的渗透率并且达到使油气田增产的目的。虽然高能气体压裂以及复合压裂技术在一定范围内有应用，但由于储层的情况复杂和必要的测试手段的欠缺等方方面面存在的限制，虽然高能气体压裂技术在现场工艺方面发展很快，但是，在相关机理研究方面，尤其在既能有效的在油气层压开多条裂缝又不会对套管产生破坏的合理装药量的定量计算以及相关工艺参数设计上还比较欠缺，已成为制约该技术大面积现场推广的关键因素。目前，研究岩石在受到强动载冲击作用下的破裂压力，目前主要应用的方法为霍普金森压杆(SHPB)实验和通过岩石动态损伤装置进行实验，但是前者不能直接模拟圆形孔眼内部的加载破坏，后者实验的加载速率及其冲击能量受到支架高度和重力加速度的限制，并且在实验的过程中由于重物与柱塞的反复运动造成了多次加载冲击，增加了实验误差，由此可见，对于强动载冲击破岩模拟实验装置还需进一步的改进和提高。由此，本专利技术将提供一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法，可实现10～110kg(间隔为10kg)的重物做距离为0～2.0m的下落运动。通过选择劲度系数不同的弹簧进行组合，同时调节重物的高度及其质量，实现加载速率及冲击能量的定量化。在实验过程中，重物下落撞击内活动柱塞向中心孔眼内的流体加压，外活动柱塞在轴向方向向实验岩样施加压力，通过安装在不同位置的3个压力传感器测试实验岩样中心孔眼内流体压力和岩芯围压的变化规律，以及计算岩芯渗透率变化时所需的径向流体压差，从而探究强动载冲击过程压力和岩石在定制脉冲冲击作用前后的物性变化规律。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置。本专利技术还提供一种利用上述装置进行定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法。专利技术概述：一种室内模拟高能气体压裂过程的实验系统及其应用方法，具体涉及到定量设计不同的加载速率和冲击能量，对不同尺寸的模拟岩芯进行冲击破岩室内模拟实验，近似模拟地层中的高能气体压裂的动态加载过程，并依此分析岩石在动载冲击作用下的应变量，研究岩石性质、加载参数、应力水平等对岩石冲击的应变量、破裂压力、裂缝条数的影响规律，从而对高能气体压裂的动态加载过程的研究提供支撑。术语说明：柱塞压力倍增容器：采用上下两个直径不同的柱塞，基于压强＝压力/面积的原理，将大直径柱塞外的液压，扩大为小柱塞外的高压。(例如，当大柱塞面积为小柱塞面积两倍时，压力也能相应增加一倍。)中间过渡容器：采用一个大直径长圆筒，中间为密封的活动柱塞，利用该柱塞的移动，可以传递压力的同时，分割柱塞上下的液体。本专利技术的技术方案：一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方；冲击岩样夹持模块包括，自上而下依次连接的柱塞盖、中间夹持体和底座；柱塞盖和中间夹持体均为圆筒形结构；柱塞盖包括柱塞盖顶部开口和柱塞盖底部开口；柱塞盖的侧壁上设置有外活动柱塞加压孔；柱塞盖底部开口与中间夹持体构成环形凸缘滑动腔；中间夹持体包括自上而下依次设置的中间夹持体顶部开口、岩芯塞空腔和中间夹持体底部开口；柱塞盖顶部开口和中间夹持体顶部开口内滑动设置有柱塞；所述柱塞包括套接的内活动柱塞和外活动柱塞，内活动柱塞滑动设置在外活动柱塞内；外活动柱塞的外侧壁上水平设置有环形凸缘，环形凸缘环绕外活动柱塞的外侧壁一周；环形凸缘滑动设置在环形凸缘滑动腔内；内活动柱塞和外活动柱塞密封连接；通过外活动柱塞加压孔向环形凸缘滑动腔内输入设计液压，从而通过外活动柱塞的传递，给岩芯施加一定的轴向的静态压力，用于模拟岩石上覆压力。岩芯塞空腔内设置有上岩芯塞和下岩芯塞，上岩芯塞和下岩芯塞均为圆筒形结构；上岩芯塞包括上岩芯塞上开口和上岩芯塞下开口，上岩芯塞上开口的内径大于上岩芯塞下开口的内径；上岩芯塞上开口的内径与内活动柱塞的外径相应；内活动柱塞与上岩芯塞上开口的内壁滑动连接；上岩芯塞和下岩芯塞围成岩芯腔；岩芯腔的四周设置有热收缩套管；热收缩套管与上岩芯塞和下岩芯塞套接；热收缩套管起到隔绝的作用，防止用于给岩芯施加围压的水等液体与岩芯接触后对岩芯的物性产生影响，进而影响实验结果。岩芯塞空腔通过管道连接有第一压力传感器；下岩芯塞的底部开口通过管道连接有第二压力传感器；下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙通过管道连接有第三压力传感器；第一压力传感器通过管路连接有第一加压系统；第二压力传感器和第三压力传感器通过互通连接有第二加压系统；第一加压系统包括分别与第一压力表连接的第一加压手摇泵和第一充液泵；第二加压系统包括第二加压手摇泵、第二充液泵、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器；第二加压手摇泵和第二充液泵分别与第二压力表连接；压力表依次通过柱塞压力倍增通道和中间过渡容器与互通连接；柱塞压力倍增通道包括依次连接的第一柱塞阀门、柱塞压力倍增容器和第二柱塞阀门；第一柱塞阀门与第二压力表连接，第二柱塞阀门与中间过渡容器连接。压力传感器用于测试实验过程冲击压力和岩石在受到定制脉冲冲击作用前后的渗透率变化规律。定制脉冲发生装置包括，下落架和支架；所述支架包括上横梁、中间竖梁和底座横梁；下落架滑动设置在中间竖梁上；下落架与上横梁通过压缩弹簧连接，下落架与下横梁通过拉伸弹簧连接；下落架上设置有电磁离合器、重物和撞击头；电磁离合器、重物和撞击头自上而下依次设置。将下落架置于实验设计高度时，下部弹簧被拉伸，弹力向下，上部弹簧被压缩，弹力向下，共同产生方向向下的弹性势能。定制脉冲发生装置可以根据所设计的实验加载速率和冲击能量选择不同劲度系数的压缩弹簧和拉伸弹簧进行组合，同时，通过重物质量及下落高度的配合，实现大范围的加载速率和冲击能量的定量可控，从而实现定制脉冲的设计目的。电磁离合器用于控制下落架的释放，使撞击头向下运动撞击内活动柱塞；从而使柱塞压缩中心孔眼内的流体，制作撞击头的材料的强度足够大，能够满足多次撞击不变形。优选的，中间过渡容器还连接有氮气瓶。氮气瓶有两个作用：1)当柱塞压力倍增容器内的柱塞运行到最下端的时候，反向推动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方；冲击岩样夹持模块包括，自上而下依次连接的柱塞盖、中间夹持体和底座；柱塞盖和中间夹持体均为圆筒形结构；柱塞盖包括柱塞盖顶部开口和柱塞盖底部开口；柱塞盖的侧壁上设置有外活动柱塞加压孔；柱塞盖底部开口与中间夹持体构成环形凸缘滑动腔；中间夹持体包括自上而下依次设置的中间夹持体顶部开口、岩芯塞空腔和中间夹持体底部开口；柱塞盖顶部开口和中间夹持体顶部开口内滑动设置有柱塞；所述柱塞包括套接的内活动柱塞和外活动柱塞，内活动柱塞滑动设置在外活动柱塞内；外活动柱塞的外侧壁上水平设置有环形凸缘，环形凸缘环绕外活动柱塞的外侧壁一周；环形凸缘滑动设置在环形凸缘滑动腔内；内活动柱塞和外活动柱塞密封连接；岩芯塞空腔内设置有上岩芯塞和下岩芯塞，上岩芯塞和下岩芯塞均为圆筒形结构；上岩芯塞包括上岩芯塞上开口和上岩芯塞下开口，上岩芯塞上开口的内径大于上岩芯塞下开口的内径；上岩芯塞上开口的内径与内活动柱塞的外径相应；内活动柱塞与上岩芯塞上开口的内壁滑动连接；上岩芯塞和下岩芯塞围成岩芯腔；岩芯腔的四周设置有热收缩套管；热收缩套管与上岩芯塞和下岩芯塞套接；岩芯塞空腔通过管道连接有第一压力传感器；下岩芯塞的底部开口通过管道连接有第二压力传感器；下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙通过管道连接有第三压力传感器；第一压力传感器通过管路连接有第一加压系统；第二压力传感器和第三压力传感器通过互通连接有第二加压系统；第一加压系统包括分别与第一压力表连接的第一加压手摇泵和第一充液泵；第二加压系统包括第二加压手摇泵、第二充液泵、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器；第二加压手摇泵和第二充液泵分别与第二压力表连接；压力表依次通过柱塞压力倍增通道和中间过渡容器与互通连接；柱塞压力倍增通道包括依次连接的第一柱塞阀门、柱塞压力倍增容器和第二柱塞阀门；第一柱塞阀门与第二压力表连接，第二柱塞阀门与中间过渡容器连接；定制脉冲发生装置包括，下落架和支架；所述支架包括上横梁、中间竖梁和底座横梁；下落架滑动设置在中间竖梁上；下落架与上横梁通过压缩弹簧连接，下落架与下横梁通过拉伸弹簧连接；下落架上设置有电磁离合器、重物和撞击头；电磁离合器、重物和撞击头自上而下依次设置。...

【技术特征摘要】
1.一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方；冲击岩样夹持模块包括，自上而下依次连接的柱塞盖、中间夹持体和底座；柱塞盖和中间夹持体均为圆筒形结构；柱塞盖包括柱塞盖顶部开口和柱塞盖底部开口；柱塞盖的侧壁上设置有外活动柱塞加压孔；柱塞盖底部开口与中间夹持体构成环形凸缘滑动腔；中间夹持体包括自上而下依次设置的中间夹持体顶部开口、岩芯塞空腔和中间夹持体底部开口；柱塞盖顶部开口和中间夹持体顶部开口内滑动设置有柱塞；所述柱塞包括套接的内活动柱塞和外活动柱塞，内活动柱塞滑动设置在外活动柱塞内；外活动柱塞的外侧壁上水平设置有环形凸缘，环形凸缘环绕外活动柱塞的外侧壁一周；环形凸缘滑动设置在环形凸缘滑动腔内；内活动柱塞和外活动柱塞密封连接；岩芯塞空腔内设置有上岩芯塞和下岩芯塞，上岩芯塞和下岩芯塞均为圆筒形结构；上岩芯塞包括上岩芯塞上开口和上岩芯塞下开口，上岩芯塞上开口的内径大于上岩芯塞下开口的内径；上岩芯塞上开口的内径与内活动柱塞的外径相应；内活动柱塞与上岩芯塞上开口的内壁滑动连接；上岩芯塞和下岩芯塞围成岩芯腔；岩芯腔的四周设置有热收缩套管；热收缩套管与上岩芯塞和下岩芯塞套接；岩芯塞空腔通过管道连接有第一压力传感器；下岩芯塞的底部开口通过管道连接有第二压力传感器；下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙通过管道连接有第三压力传感器；第一压力传感器通过管路连接有第一加压系统；第二压力传感器和第三压力传感器通过互通连接有第二加压系统；第一加压系统包括分别与第一压力表连接的第一加压手摇泵和第一充液泵；第二加压系统包括第二加压手摇泵、第二充液泵、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器；第二加压手摇泵和第二充液泵分别与第二压力表连接；压力表依次通过柱塞压力倍增通道和中间过渡容器与互通连接；柱塞压力倍增通道包括依次连接的第一柱塞阀门、柱塞压力倍增容器和第二柱塞阀门；第一柱塞阀门与第二压力表连接，第二柱塞阀门与中间过渡容器连接；定制脉冲发生装置包括，下落架和支架；所述支架包括上横梁、中间竖梁和底座横梁；下落架滑动设置在中间竖梁上；下落架与上横梁通过压缩弹簧连接，下落架与下横梁通过拉伸弹簧连接；下落架上设置有电磁离合器、重物和撞击头；电磁离合器、重物和撞击头自上而下依次设置。2.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，中间过渡容器还连接有氮气瓶。3.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，所述互通还连接有抽真空系统；所述抽真空系统包括回压阀、抽真空泵和流体计量承接板，互通通过回压阀与流体计量承接板连接，抽真空泵通过第九阀门与互通连接；第二压力传感器和第三压力传感器分别通过第八阀门和第七阀门与互通连接。4.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，上岩芯塞与中间夹持体之间设置有金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴飞鹏，谭鑫宇，杨旭达，张骁阳，刘恒超，刘杨，李悦静，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37