一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持器

摘要

一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持器，包括承压筒体、上法兰、下法兰、弧形立板、框架式胶套、三轴向组合液压缸、腔体堵头、密封圈、环压加压系统、支撑杆、支撑底板和支撑垫片，夹持器由承压筒体及上下法兰组成，岩心放置在框架式胶套内，三轴方向组合液压缸作用于岩心上，且XY向组合液压缸经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端，腔体堵头与承压筒体间设置有密封圈，环压加压系统用于对框架式胶套加载环封压力，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，XY向组合液压缸底部设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑XY向组合液压缸重量。

说明书

技术领域

本发明属于油气实验技术领域，涉及一种储层在地下真实应力环境下渗透率各向异性的测试系统，尤其涉及一种保持岩石三轴应力不变的情况下实现不同方向渗流的真三轴夹持器。

背景技术

油气储层岩石受自身沉积、成岩作用，以及受地下非均质应力环境等影响，其渗透率往往表现出明显的非均质性和各向异性。储层在地下环境中渗透率的各向异性是油气田开发的重要岩石物性参数，它将影响油藏布井方式、井距大小、水平井水平段延展方向、人工压裂方案等。目前有关油气藏数值模拟的软件基本都能处理渗透率各向异性模型，采用储层地下渗透率张量对油藏进行描述，能更准确反映油气等流体在地下储层中流动规律，有效提高油藏数值模拟研究精度，为油气藏开发方案及提高采收率措施等提供理论基础，对于指导油气田开发具有重要的意义。

岩石渗透率各向异性的传统测试方法为在同一块较大的岩石上沿着不同的方向分别钻取岩心柱，通过测试不同方向上取得的岩心柱渗透率统计得到该岩石不同方向的渗透率。由于岩石渗透率在不同位置上的非均质性强，使得该方法受到局限。另外，岩石所受应力的大小和方向对渗透率具有显著的影响，而传统的测试方法不能准确反应岩石在地下所受应力状态，因此不能有效评价地下岩石渗透率的各向异性特征。

真三轴应力夹持器能有效的模拟岩石在地下的受力状态，但是目前该类装置只有一个渗流方向，不能在加载应力后保持此应力条件同时测试岩石不同方向的渗透率。申请号为201611217456.9的发明专利，提出了先测试岩石在三轴应力条件下的一个方向的渗透率，通过卸载应力更换岩心方向后重新加载应力进行重复实验，得出其余方向的渗透率。该实验装置及方法的局限在于，由于应力的多次加载卸载会对岩心渗透率造成损害，导致不能准确反应岩石在地下应力环境中的渗透率各向异性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够保持岩石真三轴应力不变的情况下，可任意选择渗流方向的三轴夹持器，解决现有装置不能准确测试油气储层在地下应力环境中渗透率各向异性的弊端。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式来实现：

一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持器，包括承压筒体、上法兰、下法兰、弧形立板、框架式胶套、X向组合液压缸、Y向组合液压缸、Z向组合液压缸、腔体堵头、密封圈、环压加压系统、支撑杆、支撑底板和支撑垫片，所述夹持器由承压筒体及设置在承压筒体上下面的上法兰和下法兰螺栓固定组成，方形岩心放置在框架式胶套内并整体置于夹持器中心位置，三轴方向成对的六个组合液压缸分别作用于方形岩心六个端面上，且X向组合液压缸和Y向组合液压缸均经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端，腔体堵头与承压筒体间还设置有密封圈，所述环压加压系统用于对框架式胶套加载环封压力，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，X向组合液压缸与Y向组合液压缸底部均设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑X向组合液压缸与Y向组合液压缸重量。

进一步的，所述组合液压缸由应力液压缸和渗流液压缸组成，应力液压缸由应力液压缸不动活塞、应力液压缸堵头I和应力液压缸堵头II组成，渗流液压缸设置在应力液压缸堵头I和应力液压缸堵头II的内部，且应力液压缸堵头II内部空腔自上至下分成圆形空腔、十字形空腔和圆环形空腔，所述渗流液压缸由渗流缸活塞、加载杆、密封固定垫片、活动十字杆和活动压圈组成，所述渗流缸活塞放置在圆形空腔内，密封固定垫片由螺纹固定在圆形空腔底部，活动十字杆放置在十字形空腔内，活动压圈放置在圆环形空腔内，活动压圈与活动十字杆之间螺纹连接，渗流缸活塞的下端通过加载杆螺纹连接在活动十字杆，各装置间设有密封圈。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明装置岩心端面的密封方式能有效实现端面密封，防止渗流过程中在端面上发生串流，同时首次实现了岩心在保持三轴应力不变条件下，可自由选择及切换渗流方向，实现岩心在地下应力状态下渗透率方向性测试。

附图说明

图1为真三轴夹持器的俯视结构示意图。

图2为真三轴夹持器的平视结构示意图。

图3为组合液压缸结构示意图。

图4为应力液压缸堵头II纵向截面示意图。

图中各个标记分别为：

1、承压筒体，2、上法兰，3、下法兰，4、弧形立板，5、框架式胶套，6、X向组合液压缸，7、Y向组合液压缸，8、Z向组合液压缸，9、腔体堵头，10、密封圈，11、环压加压系统，12、支撑杆，13、支撑底板，14、支撑垫片，15、应力液压缸不动活塞，16、应力液压缸堵头I，17、应力液压缸堵头II，18、渗流缸活塞，19、加载杆，20、密封固定垫片，21、活动十字杆，22、活动压圈，23、导流槽，24、密封垫，25、应力加载系统，26、液压加载系统，27、圆形空腔，28、十字形空腔，29、圆环形空腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1～2所示，一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持器，包括承压筒体1、上法兰2、下法兰3、弧形立板4、框架式胶套5、X向组合液压缸6、Y向组合液压缸7、Z向组合液压缸8、腔体堵头9、密封圈10、环压加压系统11、支撑杆12、支撑底板13和支撑垫片14，所述夹持器由承压筒体及设置在承压筒体上下面的上法兰和下法兰螺栓固定组成，方形岩心放置在框架式胶套内并整体置于夹持器中心位置，三轴方向成对的六个组合液压缸分别作用于方形岩心六个端面上，且X向组合液压缸和Y向组合液压缸均经弧形立板固定在承压筒体上，Z向组合液压缸经由腔体堵头和法兰固定在承压筒体两端。

进一步，所述腔体堵头与承压筒体间还设置有密封圈，夹持器上端法兰，腔体堵头以及Z向组合液压缸可以移出承压筒体外部，用于岩心装卸，所述环压加压系统用于对框架式胶套加载环封压力，Z向组合液压缸的下部与腔体堵头之间设有支撑底板，X与Y向组合液压缸底部设有支撑垫片，支撑杆一端固定在支撑底板上，另一端安装支撑垫片上，用于支撑X与Y向组合液压缸重量。

如图3所示，组合液压缸可实现岩心端面应力加载以及渗流通道的控制，其中组合液压缸由应力液压缸和渗流液压缸组成，应力液压缸由应力液压缸不动活塞15、应力液压缸堵头I 16和应力液压缸堵头II 17组成，渗流液压缸设置在应力液压缸堵头I和应力液压缸堵头II的内部。

如图3～4所示，应力液压缸堵头II内部空腔自上至下分成圆形空腔27、十字形空腔28和圆环形空腔29，所述渗流液压缸由渗流缸活塞18、加载杆19、密封固定垫片20、活动十字杆21和活动压圈22组成，所述渗流缸活塞放置在圆形空腔内，密封固定垫片由螺纹固定在圆形空腔底部，活动十字杆放置在十字形空腔内，活动压圈放置在圆环形空腔内，活动压圈与活动十字杆之间螺纹连接，渗流缸活塞的下端通过加载杆螺纹连接在活动十字杆，应力液压缸不动活塞与应力液压缸堵头I、应力液压缸堵头I与应力液压缸堵头II、渗流缸活塞与应力液压缸堵头II、密封固定垫片与应力液压缸堵头II、密封固定垫片与加载杆之间均设有密封圈，活动压圈下部也设有密封圈。

进一步的，应力液压缸堵头II外端面附有密封垫24，十字形空腔与圆环形空腔在堵头中部具有一定深度的重合，且应力液压缸堵头II上开设有导流槽23，所述导流槽设置在圆环形空腔段。

当岩心端面受力并在渗流通道关闭时，岩心端面受框架式胶套、密封圈及密封垫共同作用而实现密封，其中密封圈和密封垫部分作用在岩心端面上的应力相等。当岩心端面受力并在渗流通道开启时，密封圈和岩心端面脱离接触，流体经密封圈所在环形空腔和导流槽实现端面渗流，应力加载系统用于岩心三轴应力加载，液压加载系统用于组合液压缸端面渗流通道的开启。

组合液压缸应力加载系统实现的过程如下：关闭下阀门，打开上阀门，液压加载系统26压力调零，由应力加载系统25向两个组合液压缸加载压力，此时渗流缸活塞受力带动加载杆、活动十字杆及活动压圈向下运动，此时密封圈与密封垫所受应力相同，密封圈、密封垫与框架式胶套之间有效密封；而岩心端面受应力不变情况下实现渗流过程如下：关闭上阀门，打开放空下阀门，由液压加载系统26向渗流液压缸加压，使渗流缸活塞带动加载杆，活动十字杆，活动压圈向上运动，露出在应力液压缸堵头II下端的圆环形空腔与导流槽，实现端面渗流。

本发明所提供的装置测试岩心在地层应力条件下的方向渗透率时步骤如下：

1)岩心放置在框架式胶套内部，并安装固定好上端组合液压缸；2)加载XYZ三个方向的三轴应力；3)加载环封压力；4)开启X方向渗流通道，关闭其余方向渗流通道；5)进行渗流实验，计算岩石在该方向上的渗透率；6)选择不同的渗流方向，重复步骤4)和步骤5)。

以上所述仅是本发明的实施方式，再次声明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也列入本发明权利要求的保护范围内。