高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法技术

本发明专利技术公开了一种高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法，步骤一、试件准备；步骤二、配比相似材料；步骤三、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；步骤四、对试件进行加热；步骤五、施加真三轴应力；步骤六、渗流试验；步骤七、模拟采动应力及渗透率实时测定；步骤八、更换油砂试样，重复步骤三至步骤四，然后单独增加上压头施加的力至新预定值；步骤九、重复步骤五至步骤七；步骤十、同组其他试验；步骤十一、整理试验数据。通过长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态及高温应力环境下，油砂强度、应变及渗流综合状况。应变及渗流综合状况。应变及渗流综合状况。

【技术实现步骤摘要】
高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法


[0001]本专利技术属于油砂开采模拟试验方法
，具体涉及一种高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法。

技术介绍

[0002]现有的模拟真实地应力环境中油砂开采的试验方法，主要存在以下问题：(1)所采用的模型尺寸较小，模拟动力灾害的发展过程有一定的空间限制，不能够准确模拟现场；(2)装置安装的自动化程度较低；(3)装置密封性不高，模拟渗流压力不大；(4)试验方式单一，不能模拟高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合状况。

技术实现思路

[0003]本专利技术拟提供一种高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法，通过长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态及高温应力环境下，油砂强度、应变及渗流综合状况。
[0004]为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法，包括以下步骤：
[0005]步骤一、试件准备；
[0006]现场钻井过程中，分别取出油砂储层、底层、盖层和夹层的岩芯，在岩石力学试验机上测试各地层岩石的物理力学性质，包括岩石的单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比参数；
[0007]步骤二、配比相似材料；
[0008]确保相似材料物理力学性质与各地层的相同，其中储层由现场取回的油砂进行模拟，先将取回的油砂岩样粉碎，再根据试验要求筛选出用于压制储层的油砂颗粒，当模拟各地层的相似材料和模拟储层的油砂颗粒准备好后，即可开始压制模拟地层；在铺设材料时同时布置温度传感器，对加载过程中的温度进行实时监测；
[0009]步骤三、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
[0010]多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；
[0011]步骤四、对试件进行加热；
[0012]在试件箱底部铺设有电加热管，电热管里的合金电热丝通电发热，通过填充在管子里并压缩非常紧实的氧化镁粉传导热量，至电热管管体，对试件箱内的材料进行加热，最高可加热至250℃，控温精度
±
1℃；
[0013]步骤五、施加真三轴应力；
[0014]将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σ
x
＝σ
y
＝σ
z
的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；
[0015]步骤六、渗流试验；
[0016]在主体模型的后部接入进气管路，在试件箱的箱体底部设置有四个流体注入通道，且进气管路分别与四个流体注入通道连通，在主体模型的右侧渗流出口接出气管路；待初始三向应力稳定后，首先打开进气口和出气口阀门，然后在进气口施加预定的气体压力，出于安全考虑，使用氮气，同时出气口气体流量计实时采集并记录出气口流量，直至气口流量稳定；利用达西定律计算渗透率，公式如下：k为渗透率，m2；q为标准状况下的气体渗流流量，m3/s；μ为气体动力黏度，μPa
·
s；L为试样长度，m；A为试样横截面面积，m2；P2为大气压，MPa；P1为气体进口端气压，MPa；设置动荷载施加频率、压力峰值与谷值开始试验，直至渗流发生，动载荷最大加载频率为30Hz；
[0017]步骤七、模拟采动应力及渗透率实时测定；
[0018]维持水平的两向应力恒定，改变垂直方向不同压板的应力，进而模拟采动应力；设置4#压头的垂直应力为5MPa，3#压头的应力为25MPa，2#压头的应力为20MPa，1#压头的垂直应力保持为15MPa，实时监测上述采动过程中气体流量，并记录流量与渗透率数据；
[0019]步骤八、更换油砂试样，重复步骤三至步骤四，然后单独增加上压头施加的力至新预定值；
[0020]步骤九、重复步骤五至步骤七；
[0021]步骤十、同组其他试验；更换油砂试样，更改气体压力，或者改变真三轴应力，改变温度，重复步骤一至步骤九；
[0022]步骤十一、整理试验数据。
[0023]作为上述方案的优选，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱，所述主体高压腔模块的外壳是采用圆环、左圆端盖、右圆端盖结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构，在圆环内壁的前后上下分别安装有前垫块、后垫块、上垫块和下垫块，且前垫块、后垫块、上垫块和下垫块围成一个矩形腔正好供试件箱放入，所述左圆端盖上贯穿安装有轴向液压缸，所述右圆端盖的中部贯穿设置有渗流通道并外接出气管路，左圆端盖、右圆端盖上分别贯穿开有线束管路引出孔，下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器，所述升降器能突出下垫块外，也能沉入下垫块内；
[0024]所述试件箱是采用左侧板、底板、顶板、右侧板、前侧板、后侧板结合螺栓围成的矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在矩形试件容纳腔内的左侧安装有左压板、顶部左右依次安装有若干上压板、前部左右依次安装有若干前压板，所述轴向液压缸能穿过左侧板与左压板相连，每个上压板通过贯穿安装在顶板上的上垫块与顶部液压缸相连，每个前压板通过贯穿安装在前侧板上的侧垫块与侧向液压缸相连，所述上压板、前压板、底板、后侧板上开孔安装有若干加热管和控温探头，上压板、前压板、左压板、底板、后侧板、右侧板上开孔安装有若干超声波探头，所述试件箱的底部通过衬板左
右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方；
[0025]在所述底板的正上方设置有与上压板一一对应的防窜流板，所述防窜流板上开设有中心进气孔和若干环绕中心进气孔的环形槽，且所有环形槽与中心进气孔通过呈发散状分布的联络槽连通，进气管横向穿过试件箱的后侧壁接入所述中心进气孔的底部，所述防窜流板的上方安装有透气隔板，在试件的左右两端安装有过滤板，在试件的上下前后安装有密封垫。
[0026]进一步优选为，所述轴向液压缸仅一个，最大加载压力为5000kN；顶部液压缸、侧向液压缸各四组，每组液压缸配备有两个并联的液压加载系统进行加压，其中一个为静载荷加载系统，另一个为动载荷加载系统，单组液压加载装置最大加载压力为3000kN，每组液压加载系统单独控制一个压板并在对应的压板上左右居中设置，轴向液压缸、顶部液压缸、侧向液压缸均能进行动静载荷的加载。
[0027]进一步优选为，所述环形槽为矩形或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、试件准备；现场钻井过程中，分别取出油砂储层、底层、盖层和夹层的岩芯，在岩石力学试验机上测试各地层岩石的物理力学性质，包括岩石的单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比参数；步骤二、配比相似材料；确保相似材料物理力学性质与各地层的相同，其中储层由现场取回的油砂进行模拟，先将取回的油砂岩样粉碎，再根据试验要求筛选出用于压制储层的油砂颗粒，当模拟各地层的相似材料和模拟储层的油砂颗粒准备好后，即可开始压制模拟地层；在铺设材料时同时布置温度传感器，对加载过程中的温度进行实时监测；步骤三、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；步骤四、对试件进行加热；在试件箱底部铺设有电加热管，电热管里的合金电热丝通电发热，通过填充在管子里并压缩非常紧实的氧化镁粉传导热量，至电热管管体，对试件箱内的材料进行加热，最高可加热至250℃，控温精度
±
1℃；步骤五、施加真三轴应力；将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σ
x
＝σ
y
＝σ
z
的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；步骤六、渗流试验；在主体模型的后部接入进气管路，在试件箱的箱体底部设置有四个流体注入通道，且进气管路分别与四个流体注入通道连通，在主体模型的右侧渗流出口接出气管路；待初始三向应力稳定后，首先打开进气口和出气口阀门，然后在进气口施加预定的气体压力，出于安全考虑，使用氮气，同时出气口气体流量计实时采集并记录出气口流量，直至气口流量稳定；利用达西定律计算渗透率，公式如下：k为渗透率，m2；q为标准状况下的气体渗流流量，m3/s；μ为气体动力黏度，μPa
·
s；L为试样长度，m；A为试样横截面面积，m2；P2为大气压，MPa；P1为气体进口端气压，MPa；设置动荷载施加频率、压力峰值与谷值开始试验，直至渗流发生，动载荷最大加载频率为30Hz；步骤七、模拟采动应力及渗透率实时测定；维持水平的两向应力恒定，改变垂直方向不同压板的应力，进而模拟采动应力；设置4#
压头的垂直应力为5MPa，3#压头的应力为25MPa，2#压头的应力为20MPa，1#压头的垂直应力保持为15MPa，实时监测上述采动过程中气体流量，并记录流量与渗透率数据；步骤八、更换油砂试样，重复步骤三至步骤四，然后单独增加上压头施加的力至新预定值；步骤九、重复步骤五至步骤七；步骤十、同组其他试验；更换油砂试样，更改气体压力，或者改变真三轴应力，改变温度，重复步骤一至步骤九；步骤十一、整理试验数据。2.按照权利要求1所述的高温应力环境下油砂强度、应变及渗流综合试验方法，其特征在于：所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱，所述主体高压腔模块的外壳(1)是采用圆环(3)、左圆端盖(4)、右圆端盖(5)结合螺栓围成的外圆内圆的高压封闭压力仓结构，在圆环(3)内壁的前后上下分别安装有前垫块(2)、后垫块(9)、上垫块(10)和下垫块(11)，且前垫块(2)、后垫块(9)、上垫块(10)和下垫块(11)围成一个矩形腔正好供试件箱放入，所述左圆端盖(4)上贯穿安装有轴向液压缸(6)，所述右圆端盖(5)的中部贯穿设置有渗流通道并外接出气管路，左圆端盖(4)、右圆端盖(5)上分别贯穿开有线束管路引出孔(7)，下垫块(11)顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器(8)，所述升降器(8)能突出下垫块(11)外，也能沉入下垫块(11)内；所述试件箱是采用左侧板(12)、底板(13)、顶板(14)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东明，余北辰，王浩，王重洋，陈宇，杜苇航，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：