一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统及方法技术方案

一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统及方法，系统：顶板和底座上下相对地设置，并通过多根连接杆固定连接，在顶板、底座和多根连接杆之间形成圆柱形的夹持空间；所述岩心束缚套、液压缸同轴心地设置在夹持空间的上部、下部，且液压缸的缸筒座支设在底座的上部，岩心束缚套的上下两端分别与顶板的下端面、液压缸的活塞杆的端部抵接配合；顶板在对应夹持空间的轴心处开设有贯穿厚度方向的轴向中心孔，并在径向上开设有与轴向中心孔相连通的径向孔道A和B；方法：制造岩样；加载岩样；注入液氮，并记录实验数据；结束。该系统能得到岩性、液氮流量、液氮注入时间等因素对岩石损伤特性的影响，能获取岩石在液氮气化膨胀作用下的宏观破坏特征。

【技术实现步骤摘要】
一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统及方法
本专利技术涉及涉及低温流体冷冻及气化膨胀致裂的实验测试系统，具体涉及一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统及方法，属于岩石破碎及油气开采

技术介绍
当前，水力压裂技术是维持油气经济开采的必要手段，包括页岩气、煤层气等非常规资源大多需要经过压裂改造后方能投产。但随着油气勘探开始向更加致密地层的发展，水力压裂在现场应用中逐步呈现出一系列问题。首先，在水力压裂结束后，大量水分会滞留在裂缝附近的地层中，导致这些区域含水饱和度升高，从而产生水锁伤害。另外，储层中粘土矿物遇水会发生膨胀，进而会堵塞渗流通道。再者，水力压裂需要消耗大量的水资源，会进一步加剧干旱地区水资源的紧张形势。同时，压裂液中含有大量的化学成分，会对地表及地下水资源造成污染。为了能够解决水力压裂存在的问题，同时消除该技术对环境造成的不利影响。石油工作者们正致力于寻找水基压裂液的替代用品。液氮无色无味，在大气压下温度约为-195.8℃，曾作为压裂液用于储层压裂改造中，并取得了较好的增产效果。随着无水压裂技术的发展，该技术开始受到重视。液氮不含任何水相，有望解决常规水力压裂存在的储层伤害，水资源消耗和污染等问题。液氮压裂一个最显著特点就是液氮能引起储层周围温度的骤降，从而在岩石内部产生热应力，使岩石内部产生裂隙。热应力还会在裂隙尖端产生应力集中，当应力强度因子大于岩石断裂韧性时，裂隙会进一步扩展。当液氮与岩石接触时，除了对岩石产生低温致裂效果之外，自身还会发生气化膨胀。液氮气化后体积会迅速膨胀，进而导致压力快速升高。研究表明，井底条件下，液氮气化膨胀后体积可以增加8倍左右。因此，在液氮压裂过程中，液氮的气化膨胀可以有效提高井底以及裂缝内的流量，从而提高储层的破裂体积。液氮在短时间内的气化膨胀还会在裂缝内产生强烈的压力波，在气压冲击作用下，裂缝周围的岩石还会发生松动形成微裂缝体系，从而增加岩石基质的渗透率。微裂隙内的液氮发生气化膨胀时，还会促进微裂隙面张开和延伸，使得微裂隙尺度和密度增加，有利于增加储层的整体改造体积。当前，关于液氮致裂方面的研究主要针对于岩石与液氮接触后微观结构及力学性质的变化规律，对于岩石在液氮低温冷冻和气化膨胀共同作用下的破裂特征及机理尚缺乏系统研究。特别是，液氮低温冷冻对岩石造成的损伤对岩石宏观破裂特征的影响无法进行定量的评价。因此，开展液氮冷冻及气化膨胀作用下的岩石破裂实验研究，对于完善液氮压裂基础理论具有重要意义。为此，设计了一套液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，用于模拟液氮注入过程中岩石的液氮冷冻及气化膨胀作用下的破裂过程，根据实验所监测的压力数据及岩石破裂参数，揭示岩石的损伤及破裂机理，评价液氮冷冻-气化膨胀对岩石的致裂造缝能力。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，该系统不仅能够测试岩石与液氮接触过程中的微破裂特征，得到岩性、液氮流量、液氮注入时间等因素对岩石损伤特性的影响，还能进一步获取岩石在液氮气化膨胀作用下的宏观破坏特征，能为评价液氮提高储层岩石可压性和破裂程度的可行性提供理论依据。为了实现上述目的，本专利技术提供一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，包括岩样夹持单元、数据采集单元和液氮加载单元；所述液氮加载单元包括自增压式液氮罐、液氮注入管路、导管和液氮排出管路，所述自增压式液氮罐上连接有出液阀，出液阀通过液氮注入管路与导管的进液端连接；所述岩样夹持单元包括顶板、底座、岩心束缚套和液压缸；所述顶板和底座上下相对地设置，并通过周向均匀分布的多根连接杆固定连接，在顶板、底座和多根连接杆之间形成圆柱形的夹持空间；所述岩心束缚套、液压缸同轴心地设置在夹持空间的上部、下部，且液压缸的缸筒座支设在底座的上部，岩心束缚套的上下两端分别与顶板的下端面、液压缸的活塞杆的端部抵接配合；顶板在对应夹持空间的轴心处开设有贯穿厚度方向的轴向中心孔，并在径向上开设有与轴向中心孔相连通的径向孔道A和径向孔道B；液压缸的无杆腔连接有动力源；所述数据采集单元包括压力传感器、温度传感器和智能终端；压力传感器连接在液氮排出管路上，温度传感器连接在径向孔道B中，智能终端分别与压力传感器和温度传感器连接；所述导管的出液端穿过轴向中心孔伸入到夹持空间中，导管与轴向中心孔上端之间的间隙通过密封件A密封；液氮排出管路的进液端与径向孔道A的端部连接。在该技术方案中，顶板和底板之间通过连接杆固定连接，并在顶板、底板和连接杆之间围成的夹持空间的上部和下部分别设置岩心束缚套和液压缸，这样，能在岩样加载到岩心束缚套中时，通过液压缸活塞杆的伸出使岩样的上端面与顶板的下端面紧密接触，以利于实现岩样和顶板之间的密封连接，从而能保证岩样中心孔与轴向中心孔的连接处具有良好的密封性，密封件A的设置能实现导向与轴向中心孔上端之间的良好密封，从而能保证注入的液氮能够有效的作用于岩样，同时，能保证排出的液氮全部通过径向通道A排入液氮排出管路。该系统能模拟液氮注入过程中岩石的液氮冷冻及气化膨胀作用下的破裂过程，有助于根据实验所监测的压力数据及岩石破裂参数，揭示岩石的损伤及破裂机理，评价液氮冷冻和气化膨胀共同作用下对岩石的致裂造缝的能力。进一步，为了便于手动控制活塞杆的伸出过程，所述动力源为手压泵，所述手压泵的出液端通过液压油液供应管路与液压缸的无杆腔连通，所述液压油液供应管路上连接有压力表A。进一步，为了提高实验过程中的安全系数，所述自增压式液氮罐上连接有压力表B和安全阀。进一步，为了便于精确控制实验过程，所述液氮加载单元还包括耐低温球阀A和耐低温球阀B，耐低温球阀A和耐低温球阀B分别设置在液氮排出管路和液氮注入管路上。进一步，为了便于对岩样进行包裹，所述岩心束缚套由两个半圆形套筒围合而成，两个半圆形套筒之间通过螺栓固定连接。进一步，为了便于安装，同时，也为了能保证良好的密封性能，所述密封件A为内卡套接头。进一步，为了便于自动化地采集和记录实验数据，所述压力表A和压力表B均与智能终端连接。作为一种优选，所述岩心束缚套的内径为100mm，其高度为200mm。作为一种优选，所述径向孔道A和径向孔道B均位于顶板厚度方向的中心。本专利技术还提供了一种道液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试方法，包括收下步骤：S1:制作圆柱形的岩样，并在岩样一端的轴心处钻出岩样中心孔；S2:在顶板的中心开设轴向中心孔、径向通道A和径向通道B；顶板和底座以上下相对的方式布置，并通过周向均匀分布的多根连接杆固定连接形成夹持空间；S3：将液压缸设置在底座上，再将岩样以岩样中心孔朝上的方式放置在活塞杆的上端，并保证岩样中心孔对准轴向中心孔；S4：将导管通过轴向中心孔插入岩样中心孔的内部，并使导管的出液端靠近岩样中心孔底部，通过密封件A将导管与轴向中心孔上端之间的间隙密封；S5:将两个半圆形套筒围合并包裹在岩样的外侧，并通过螺栓固定连接形成岩心束缚套；S6:利用手压泵向液压缸的无杆腔中压入乳化液，推动活塞杆向上移动，直至岩样的上端与顶板的下端面紧密接触；S7:关闭自增压式液氮罐上的排空阀，打开出液阀，并打开液氮排出管路上的耐低温球阀A和液氮注入管路上的耐低温球阀B；液氮在自增压式液氮罐内压力的作用下依次通过液氮注入管路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，包括岩样夹持单元、数据采集单元和液氮加载单元，所述液氮加载单元包括自增压式液氮罐(1)、液氮注入管路(12)和导管(13)，所述自增压式液氮罐(1)上连接有出液阀(29)，出液阀(29)通过液氮注入管路(12)与导管(13)的进液端连接，其特征在于，所述液氮加载单元还包括液氮排出管路(14)；所述岩样夹持单元包括顶板(5)、底座(8)、岩心束缚套(6)和液压缸(7)；所述顶板(5)和底座(8)上下相对地设置，并通过周向均匀分布的多根连接杆(15)固定连接，在顶板(5)、底座(8)和多根连接杆(15)之间形成圆柱形的夹持空间；所述岩心束缚套(6)、液压缸(7)同轴心地设置在夹持空间的上部、下部，且液压缸(7)的缸筒座支设在底座(8)的上部，岩心束缚套(6)的上下两端分别与顶板(5)的下端面、液压缸(7)的活塞杆(17)的端部抵接配合；顶板(5)在对应夹持空间的轴心处开设有贯穿厚度方向的轴向中心孔(20)，并在径向上开设有与轴向中心孔(20)相连通的径向孔道A(22)和径向孔道B(30)；液压缸(7)的无杆腔连接有动力源；所述数据采集单元包括压力传感器(9)、温度传感器(10)和智能终端(11)；压力传感器(9)连接在液氮排出管路(14)上，温度传感器(10)连接在径向孔道B(30)中，智能终端(11)分别与压力传感器(9)和温度传感器(10)连接；所述导管(13)的出液端穿过轴向中心孔(20)伸入到夹持空间中，导管(13)与轴向中心孔(20)上端之间的间隙通过密封件A(21)密封；液氮排出管路(14)的进液端与径向孔道A(22)的端部连接。...

【技术特征摘要】
1.一种液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，包括岩样夹持单元、数据采集单元和液氮加载单元，所述液氮加载单元包括自增压式液氮罐(1)、液氮注入管路(12)和导管(13)，所述自增压式液氮罐(1)上连接有出液阀(29)，出液阀(29)通过液氮注入管路(12)与导管(13)的进液端连接，其特征在于，所述液氮加载单元还包括液氮排出管路(14)；所述岩样夹持单元包括顶板(5)、底座(8)、岩心束缚套(6)和液压缸(7)；所述顶板(5)和底座(8)上下相对地设置，并通过周向均匀分布的多根连接杆(15)固定连接，在顶板(5)、底座(8)和多根连接杆(15)之间形成圆柱形的夹持空间；所述岩心束缚套(6)、液压缸(7)同轴心地设置在夹持空间的上部、下部，且液压缸(7)的缸筒座支设在底座(8)的上部，岩心束缚套(6)的上下两端分别与顶板(5)的下端面、液压缸(7)的活塞杆(17)的端部抵接配合；顶板(5)在对应夹持空间的轴心处开设有贯穿厚度方向的轴向中心孔(20)，并在径向上开设有与轴向中心孔(20)相连通的径向孔道A(22)和径向孔道B(30)；液压缸(7)的无杆腔连接有动力源；所述数据采集单元包括压力传感器(9)、温度传感器(10)和智能终端(11)；压力传感器(9)连接在液氮排出管路(14)上，温度传感器(10)连接在径向孔道B(30)中，智能终端(11)分别与压力传感器(9)和温度传感器(10)连接；所述导管(13)的出液端穿过轴向中心孔(20)伸入到夹持空间中，导管(13)与轴向中心孔(20)上端之间的间隙通过密封件A(21)密封；液氮排出管路(14)的进液端与径向孔道A(22)的端部连接。2.根据权利要求1所述的一种道液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，其特征在于，所述动力源为手压泵(16)，所述手压泵(16)的出液端通过液压油液供应管路与液压缸(7)的无杆腔连通，所述液压油液供应管路上连接有压力表A(18)。3.根据权利要求1或2所述的一种道液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，其特征在于，所述自增压式液氮罐(1)上连接有压力表B(2)和安全阀(3)。4.根据权利要求3所述的一种道液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，其特征在于，所述液氮加载单元还包括耐低温球阀A(25)和耐低温球阀B(27)，耐低温球阀A(25)和耐低温球阀B(27)分别设置在液氮排出管路(14)和液氮注入管路(12)上。5.根据权利要求4所述的一种道液氮冷冻及气化膨胀致裂实验测试系统，其特征在于，所述岩心束缚套(6)由两个半圆形套筒围合而成，两个半圆形套筒之间通过螺栓(24)...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡承政，任科达，杨玉贵，高峰，王建国，陈培见，张志镇，李庆华，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32