岩石压裂模拟装置的制作方法

本发明属于岩石物理模拟试验技术领域，更具体地说，是涉及一种岩石压裂模拟装置。

背景技术

近年来非常规油气开发进程加快，与常规油气储层相比，非常规油气储层通常更加致密、孔隙结构更加复杂，低孔低渗特性导致油气产出更加困难，最终制约油气采收率和开采效率。目前业界主要通过压裂改造的技术实现储层的造缝增渗，进而获得非常规油气井的高效开发。压裂技术已在煤层气、致密气、页岩气等领域得到广泛应用，而储层岩石的可压裂性被公认为是评价非常规油气藏开发价值的一个重要指标。因此，如何全方位、真实准确地模拟岩石储层的压裂过程，获得有效裂缝参数，综合评价压裂效果是当前非常规油气储层地质和开发技术评价的关键。

岩石压裂物理模拟是在室内通过人工增大岩石样品内部压力，从而对岩石的可压裂性、裂缝产生延展机制进行研究的一种方法。现有的室内压裂模拟装置均采用基于常规或真三轴应力装置的压裂模拟设备，当前的真三轴岩石压裂模拟装置仅能提供三个方向的压裂压力，与实际岩石的压裂仍存在较大差异，无法还原岩石压裂中地应力的分布和大小，不能真实模拟岩石受力状况，模拟试验结果的可信度有待提高。

技术实现要素：

本发明提供了一种岩石压裂模拟装置，旨在解决现有技术中岩石压裂模拟装置不能真实模拟岩石受力状况、实验室模拟试验结果的可信度有待提高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种岩石压裂模拟装置，包括

主体框架；

岩样室，设置在所述主体框架上，所述岩样室具有用于容置待测岩样的密封腔；

轴向加压机构，位于所述岩样室下方用于对待测岩样施加轴向压力，所述轴向加压机构设有第一压力传感器；

径向加压机构，设置在所述主体框架上用于对待测岩样施加径向压力，所述径向加压机构上设有第二压力传感器；

环状围压机构，用于与所述径向加压机构连接并对待测岩样施加周向压力。

进一步地，所述环状围压机构包括设于待测岩样环周的立式环状承压板和嵌设在所述立式环状承压板与待测岩样之间的承压钢珠。

进一步地，所述立式环状承压板包括至少一组间隔环状分布的第一立式环状承压板和第二立式环状承压板，所述第一立式环状承压板与所述第二环状承压板通过链环连接，所述第一立式环状承压板与所述第二环状承压板的连接处设有间隙。

进一步地，还包括设于待测岩样环周的用于加热待测岩样的加热管、罩设在所述加热管外部的用于保护所述加热管的挡板，所述挡板设于待测岩样与所述立式环状承压板之间且嵌入所述承压钢珠中间，所述立式环状承压板外部围设有密封的保温防护壳体。

进一步地，所述挡板内部设有温度传感器，所述挡板与待测岩样接触面设有开槽。

进一步地，所述密封腔上方设有用于使压裂液注入的开孔，所属密封腔上方法兰连接有压裂观察窗，所述密封腔下方依次设有用于放置待测岩样的岩样软垫、用于驱动并压裂待测岩样的压裂活塞，所述轴向加压机构与所述压裂活塞固定连接。

进一步地，所述径向加压机构包括多个用于向待测岩样施加径向压力的径向液压千斤顶，每个所述径向液压千斤顶通过斜楔机构与所述立式环状承压板连接，所述轴向加压机构包括轴向液压千斤顶，所述第一压力传感器位于所述轴向液压千斤顶与所述压裂活塞之间。

进一步地，所述斜楔机构包括与所述径向液压千斤顶固定连接的第一传压联动板、设于立式环状承压板环周的第二传压联动板，第二传压联动板和第一传压联动板滑动配合且第二传压联动板位于第一传压联动板上方，所述配合面为斜面，第一传压联动板上与第二传压联动板通过回型钩连接在一起。

进一步地，还包括与所述斜楔机构抵接的滑动块以及用于将所述第二压力传感器抵接在所述滑动块上的调节螺栓，所述滑动块位于所述斜楔机构远离所述立式环状承压板的一侧，所述调节螺栓、所述第二压力传感器和所述滑动块沿水平方向依次固定安装在位于所述斜楔机构两侧的固定挡板上。

进一步地，还包括控制组件，所述控制组件用于根据所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述温度传感器反馈的参数控制所述轴向加压机构和所述径向加压机构和所述加热管的输出参数。

本发明提供的岩石压裂模拟装置有益效果在于，与现有技术相比，通过设置环状围压机构，将径向加压机构产生的单个方向的水平压力转换为环周压力施加到待测岩样上产生围压，同时可通过轴向加压机构对待测岩样产生轴向压力，相比于仅能在水平方向上模拟两个垂直径向压力的真三轴压裂模拟机构，本发明提供的岩石压力模拟装置的径向压力以环周围压的方式施加到待测岩样上，可以真实的模拟岩石压裂中地应力的分布和大小；本发明提供的岩石压裂模拟装置，模拟了储层岩石承受水平环状围压受力状况，还原地应力的分布和大小，真实模拟了岩石的受力状况，提高了实验室模拟试验结果的可信度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的岩石压裂模拟装置的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的岩石压裂模拟装置的结构示意图二；

图3为本发明实施例提供的岩石压裂模拟装置的剖视图；

图4为本发明实施例提供的环状围压机构结构示意图；

图5为本发明实施例提供的液压千斤顶布置示意图；

图6为本发明实施例提供的斜楔机构的导向板的结构示意图；

图7为本发明实施例中控制单元的控制原理图。

其中，图中各附图标记：

1—岩样室；2—待测岩样；3—下密封板；4—上密封板；5-主机底座；6-立柱拉杆；7-轴向加压机构；8-轴向液压千斤顶；9-第一压力传感器；10-轴向液压千斤顶活塞；11-径向加压机构；12—径向液压千斤顶；13—第二压力传感器；15-环状围压机构；16-立式环状承压板；1601-第一立式环状承压板；1602-第二立式环状承压板；17-承压钢珠；18-加热管；19-挡板；20-温度传感器；21—保温防护壳体；2101-导槽板；22—第一传压联动板；2201-限位槽；2202-滑动槽；23—第二传压联动板；24—凸轮；25—调节螺栓；26—固定挡板；27—压裂观察窗；29—岩样软垫；30-控制组件；31-密封法兰螺栓；32-压裂活塞；33-密封腔；34-链环；35-斜楔机构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的岩石压裂模拟装置进行说明。本发明采用的技术方案是提供一种岩石压裂模拟装置，用于模拟岩石压裂中地应力的分布和大小并对待测岩样进行加压，包括主体框架、设置在主体框架上的岩样室1、位于岩样室1下方用于对待测岩样2施加轴向压力的轴向加压机构7，设置在主体框架上用于对待测岩样2施加径向压力的径向加压机构11、用于与径向加压机构11连接并对待测岩样2施加周向压力的环状围压机构15，岩样室1具有用于容置待测岩样的密封腔33，轴向加压机构7上设有第一压力传感器9，径向加压机构11上设有第二压力传感器13。

岩样室1包括用于放置待测岩样2的下密封板3、以及与下密封板3一起向待测岩样2施加轴向压力的上密封板4，以及用于形成密封腔33的侧壁，侧壁与上密封板4固定在一起。优选地，下密封板3和上密封板4均采用高强度钢制材料。

主体框架包括主机底座5和设置在主机底座5上的立柱拉杆6，立柱拉杆6向下贯穿主机底座5并固定在主机底座5上，向上贯穿下密封板3与上密封板4通过密封法兰螺栓31连接；优选地，立柱拉杆6有四根,四根立柱拉杆6对称设置在轴向液压千斤顶8的四周，立柱拉杆6采用高强度钢制材料。

轴向加压机构7包括轴向电动液压千斤顶8和设于轴向电动液压千斤顶8上的第一压力传感器9，轴向电动液压千斤顶8设置于主机底座5上，轴向电动液压千斤顶8与下密封板3固定连接并可驱动下密封板3沿立柱拉杆6轴线方向移动，向上运动时与上密封板4和侧壁形成密封腔33，对放置在密封腔33内的待测岩样施加轴向压力，向下运动，下密封板3与侧壁分离，可以将待测岩样2放置在下密封板3上；径向加压机构11包括多个用于向待测岩样2施加水平压力的径向液压千斤顶8和第二压力传感器13。

待测岩样2可以为钻井现场获取的真实岩心，也可以为人工试样，为与实际应用工控相匹配，待测岩样2上设有盲孔，盲孔侧壁上有模拟岩石裂缝的射孔，优选地，待测岩样2为圆柱型。

本发明提供的岩石压裂模拟装置有益效果在于，与现有技术相比，通过设置环状围压机构，将径向加压机构产生的单个方向的水平压力转换为环周压力施加到待测岩样上产生围压，同时可通过轴向加压机构对待测岩样产生轴向压力，相比于仅能在水平方向上模拟两个垂直径向压力的真三轴压裂模拟机构，本发明提供的岩石压力模拟装置的径向压力以环周围压的方式施加到待测岩样上，可以真实的模拟岩石压裂中地应力的分布和大小；本发明提供的岩石压裂模拟装置，模拟了储层岩石承受水平环状围压受力状况，还原地应力的分布和大小，真实模拟了岩石的受力状况，提高了实验室模拟试验结果的可信度。

进一步地，请参阅图3和4，作为本发明提供的岩石压裂物理模拟系统的一种具体实施方式，环状围压机构15包括设于密封腔4环周的立式环状承压板16和嵌设在立式环状承压板16与密封腔33侧壁之间的承压钢珠17。

具体地，立式环状承压板16环周设于密封腔33周围，与密封腔44的侧壁形成环形空间，立式环状承压板16根据待测岩样2的尺寸定制，为厚约0.5cm的高强度钢材料，承压钢珠17放置在上述环形空间中，优选地，承压钢珠17材质为滚珠轴承钢，直径优选为5mm，磨圆度高、表面光洁、承压荷载不小于20mpa，使用时嵌入待测岩样2和立式环状承压板16之间，并根据待测岩样2尺寸选择铺展承压钢珠17的层数。通过设置承压钢珠，将环状承压板承受的压力均匀的施加到待测岩石样品上，更接近真实的岩石受力工况。

进一步地，请参阅图3和图4，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，立式环状承压板16包括至少一组间隔环状分布的第一立式环状承压板1601和第二立式环状承压板1602，第一立式环状承压板1601与第二环状承压板1602通过链环34链接，链接处设有间隙。

具体地，立式环状承压板16包括两组间隔环状分布的第一立式环状承压板1601和第二立式环状承压板1602，两组中的第一立式环状承压板1601对称分布，两组中的第二立式环状承压板1602对称分布，每一个第一立式环状承压板1601和第二立式环状承压板1602均单独与径向液压千斤顶12固定连接，可单独承受径向液压千斤顶12施加的水平压力，对称设置的立式环状承压板16之间受到的水平压力相同。第一立式环状承压板1601和第二立式承压板1602通过链环34连接在一起，连接处设有间隙，间隙尺寸小于承压钢珠17的外径，则第一立式环状承压板1601与第二立式承压板1602连接为一个环形整体，可以将承压钢珠17嵌入立式环状承压钢板16与待测岩样2形成的环形空间中，每一个立式环状承压钢板可以在径向加压机构11的压力输出方向移动，通过环状连接的结构设置，第一立式环状承压板1601和第二立式环状承压板1602可以承受大小不同的水平压力，更符合岩石压裂中的真实应力情况。如图4所示，σ1为第二立式环状承压板承受的水平拉力，σ2第一立式环状承压板承受到的水平压力，两者大小不同。应理解的是，两组立式环状承压板结构仅为一个示例性实施例。通过环状的立式承压板结构，实现了单个方向径向压力向环周压力的转换，可以更真实的模拟岩石的受力状况。

进一步地，请参阅图3和图4，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，还包括设于待测岩样2环周的用于加热待测岩样的加热管18，罩设在加热管18外部的用于保护加热管18的挡板19，挡板19设于待测岩样2与立式环状承压板16之间，并嵌入承压钢珠17中间，立式环状承压板16外围设有密封的保温防护壳体21。

具体地，保温防护壳体21由四面密封连接的高强度钢板组成，保温防护壳体21与上密封板4和下密封板3构成密封的保温空间，主要起到岩心加热保温作用以及高温高压防护作用，待测岩样2和环状围压机构15均位于该密封保温空间中。挡板19采用不锈钢材质构成，置于待测岩样2和立式环状承压板16之间，嵌入承压钢珠17之中，挡板19的高度比待测岩样2的高度略小，挡板19位于加热管15的环周，且加热管15上下两侧无挡板19，加热管15的高度比挡板19的高度略小，可以避免加热管15承受承压钢珠17的围压和轴向加压机构的轴向压力而损害，同时加热管18优选为不锈钢防爆电加热管，挡板19、加热管15均为两组，对称设于待测岩样2的两侧，优选地，加热管15设于承受压力较小的立式环状承压板16的两侧。在地表岩层中，岩石的温度与环境高温度相同，但随着地层深度的增加，岩层温度上升，岩石真实压裂中，同时承受高压和高温，故应考虑温度对岩石压裂特性的影响，现有技术中的岩石加热多采用岩石提前加热或者将整个岩样室统一加热的方式，第一种方式中，岩石加热和加压不可以同时进行，不符合实际的压裂工况，第二种方法中，受空间的影响仅适用于较小尺寸的岩石样品，本装置可在对待测岩样加压的过程中同时对其进行加热和保温，更真实的模拟了温度和地应力条件，能够综合考虑温度和压力对岩石压裂的影响。

进一步地，请参阅图4，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，挡板19内部设有温度传感器20，挡板19与待测岩样2接触面设有开槽。温度传感器20有两组，分别位于两个挡板19内部，挡板19与待测岩样2接触面设有开槽，便于进行岩样加热和温度测量。优选地，还包括温控箱和计时器用于控制岩样2加热，保证加热电流稳定，温度平稳上升。

进一步地，请参阅图3和图5，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，密封腔33上方设有用于使压裂液注入的开孔，密封腔33上方法兰连接有压裂观察窗27，密封腔33下方依次设有用于放置待测岩样的岩样软垫29、用于驱动并压裂待测岩样2的压裂活塞32，轴向加压机构7与压裂活塞32固定连接。

具体地，开孔设于上密封板4上，压裂观察窗27与开孔位置对应，压裂观察窗27采用高强度玻璃，可从压裂观察窗27观测获取岩石压裂后的纹路。下密封板3上方设有用于支撑待测岩样2的岩样软垫32和用于对待测岩样2施加轴向压力的压裂活塞32，轴向电动液压千斤顶10贯穿下密封板3和压裂活塞32连接，压裂活塞32在轴向电动液压千斤顶10驱动下沿密封腔4的侧壁上下滑动，压裂活塞32位于底端时，下密封板3和压裂活塞与密封腔33分离，可以将待测岩样2放进岩样软垫32，压裂活塞32向上运行，与密封腔4侧壁和上密封板4形成密封腔33，继续向上运行，待测岩样2与上密封板19接触，轴向压力施加到待测岩石2上进行轴向加压，岩样软垫32采用硬质海绵，避免待测岩样加压过程中表面划伤或损坏。

进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，径向加压机构11包括多个用于向待测岩样2施加径向压力的径向液压千斤顶12，每个径向液压千斤顶12通过斜楔机构35与立式环状承压板16连接，轴向加压机构7包括轴向液压千斤顶8，第一压力传感器9位于轴向液压千斤顶8与压裂活塞32之间。轴向液压千斤顶、待测岩样与岩样室的轴线共线，还设有液压控制器用以保障液压传输稳定平缓。

轴向液压千斤顶8和径向液压千斤顶12均为具备自锁功能的电动液压千斤顶，其均固定在主机底座5上，径向电动液压千斤顶12个数与立式环状承压板16的个数一一对应，四个径向电动液压千斤顶12以轴向电动液压千斤顶8的轴线为中心对称分布。

轴向液压千斤顶8的活塞与下密封板3固定连接，第一压力传感器9位于轴向液压千斤顶8与下密封板3连接处，轴向液压千斤顶8顶升后可作为承载保持固定，轴向液压千斤顶8向上顶升，驱动下密封板3和位于下密封板3上的压裂活塞32和待测岩样2向上托举，与上密封板4和主体框架一起对待测岩样2施加轴向载荷。有利的，通过电动液压千斤顶的设置，可以精确的控制千斤顶的压力大小，同时通过斜楔机构实现了径向液压千斤顶输出压力的方向的改变，将轴向的活塞压力转换为径向的活塞压力，因此可以将轴向液压千斤顶和径向液压千斤顶均沿待轴向方向竖直的布置在主机底座上，大大的减少了安装空间，且安装方便可靠。

进一步地，请参阅图1和图3和图6，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，斜楔机构35包括与径向液压千斤顶12固定连接的第一传压联动板22、设于立式环状承压板16环周的第二传压联动板23，第二传压联动板23和第一传压联动板22滑动配合且第二传压联动板23位于第一传压联动板上方，配合面为斜面，第一传压联动板22上与第二传压联动板23通过回型钩连接在一起。

径向液压千斤顶8通过斜楔机构35的斜面配合的第一传压联动板22和第二传压联动板23的斜面配合，实现径向液压千斤顶输出压力方向由竖直向水平方向转换，第一传压联动板22上设有用于第二传压联动板23嵌入的限位槽2201，保障第二传压联动板23仅可沿限位槽导向方向水平移动，第一传压联动板上22与第二传压联动板23通过回型钩连接在一起，第二传压联动板23可以在第一传压联动板的驱动下实现水平移动，第一传压联动板向上运动时，第二传压联动板水平运动靠近立式环状承压板，对立式环状承压板施加径向压力，第一传压联动板向下运动时，通过回型钩带动第二传动联动板水平运动远离立式环状承压板，释放径向压力。优选地，第二传压联动板23贯穿保温防护壳体21与立式环状承压板16固定水平连接，保温防护壳体21上设有导槽板2101，所述导槽板2101上设有用于第二传压联动板23穿过的导向槽，导向槽和导向限位槽2201限定的移动方向相同，则第二穿压联动板23在受到挤压时不易产生变形。与径向电动液压千斤顶水平布置在环状围压装置四周的方案相比，本方案中进项电动液压千斤顶固定安装在主机底座，竖直布置，大大减少了轴向加压装置的水平环状尺寸，实际使用中，仅需将主机底座固定在地面上，节约空间，且便于安装和固定。

进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，还包括与斜楔机构35抵接的滑动块以及用于将所述第二压力传感器抵接在所述滑动块上的调节螺栓25，滑动块位于斜楔机构35远离立式环状承压板16的一侧，调节螺栓25、第二压力传感器13和滑动块沿水平方向依次固定安装在位于斜楔机构35两侧的固定挡板26上。

具体地，固定挡板26采用不锈钢材质，固定安装在保温防护壳体21上，位于斜楔机构35的前后两侧，斜楔机构35的第一侧面上设有与滑动块滑动配合的滑动槽，环状围压机构15与滑动块位于斜楔机构35的左右两侧，即斜楔机构35挤压环状围压机构15的同时，挤压位于第一侧面上的滑动块，滑动块与环状围压机构15承受相同的水平压力，滑动块挤压第二压力传感器13，通过调节调节螺栓25可以保障第二压力传感器13与滑动块抵接。优选地，滑动块与滑动槽之间设有凸轮24。通过该结构的设置，可以直接得到施加到环状围压机构15的各立式环状承压板16上的压力，每个立式环状承压板的压力互不干涉。

进一步地，请参阅图7，作为本发明提供的岩石压裂模拟装置的一种具体实施方式，还包括控制组件30，控制组件30用于根据第一压力传感器9、第二压力传感器13和温度传感器20反馈的参数控制轴向液压千斤顶9、所述径向液压千斤顶12和加热管18的输出参数。

具体地，控制组件30采用计算机控制和处理单元，目的是实现压裂模拟过程的自动化，最大限度地提升立式环状加压装置的稳定性。岩样室1上方设有用于高压高温导线引出的通孔，位于岩样室1的加热管18和温度传感器20通过高压高温导线与计算机控制和处理单元电连接，第一压力传感器9和第二压力传感器13也通过高压高温导线与计算机控制盒处理单元电连接。

具体地，控制组件还包括通讯单元和显示单元，可以实时显示压力和温度信息及岩石压裂信息并上传至远程服务器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。