页岩吸水测试装置与测试方法与流程

1.本发明涉及油气开采技术领域，具体而言，涉及一种页岩吸水测试装置与测试方法。


背景技术：

2.在页岩气的开采过程中，常常需要压裂改造增加页岩气井产能。在压裂过程中井壁岩石在压裂液的影响下，具有明显的流变效应。水通过对岩石结构和力学参数的影响，使岩石蠕变变形大幅增加。页岩吸水膨胀发生蠕变变形过程中，会对套管造成一定损害，给页岩气的开采带来重大经济损失。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种页岩吸水测试装置与测试方法，以解决现有技术中无法预测页岩吸水膨胀对套管造成损伤的问题。
4.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种页岩吸水测试装置，页岩吸水测试装置用于测试页岩样本的吸水膨胀机理，页岩吸水测试装置包括：膨胀管组件，膨胀管组件设置在页岩样本内部的容纳腔内；供水组件，供水组件与膨胀管组件连接，以通过向膨胀管组件注入预设压力的水，使膨胀管组件的体积膨胀并给页岩样本的容纳腔壁施加向外的膨胀力；检测机构，检测机构与页岩样本连接，以检测膨胀管组件在膨胀后页岩样本的体积变化。
5.进一步地，检测机构包括激光扫描仪，激光扫描仪设置在页岩样本的一侧以用于检测页岩样本表面的形变。
6.进一步地，检测机构包括：第一检测板组件，第一检测板组件沿第一预设方向设置在页岩样本的侧面，并与页岩样本的侧面抵接连接；第一位移检测器，第一位移检测器与第一检测板组件连接，以检测第一检测板组件在页岩样本膨胀前后沿第一预设方向上的位移变化。
7.进一步地，第一检测板组件包括两个第一检测板，两个第一检测板分别设置在页岩样本的相对两侧，检测机构还包括：第一加载系统，第一加载系统与两个第一检测板均连接，以通过两个第一检测板给页岩样本施加一对大小相同、方向相反的第一预应力，以夹紧页岩样本；第一压力表，第一压力表与第一检测板组件连接，以检测页岩样本膨胀前后对第一检测板组件的推力变化。
8.进一步地，检测机构还包括：第二检测板组件，第二检测板组件沿第二预设方向设置在页岩样本的侧面，并与页岩样本的侧面抵接连接，其中，第二预设方向与第一预设方向相互垂直；第二位移检测器，第二位移检测器与第二检测板组件连接，以检测第二检测板组件在页岩样本膨胀前后沿第二预设方向上的位移变化。
9.进一步地，第二检测板组件包括两个第二检测板，两个第二检测板分别设置在页岩样本的相对两侧，检测机构还包括：第二加载系统，第二加载系统与两个第二检测板均连
接，以通过两个第二检测板给页岩样本施加一对大小相同、方向相反的第二预应力，以夹紧页岩样本；第二压力表，第二压力表与第二检测板组件连接，以检测页岩样本膨胀前后对第二检测板组件的推力变化。
10.进一步地，检测机构还包括：支撑组件，支撑组件可移动地设置在页岩样本的底部，以支撑页岩样本；第三位移检测器，第三位移检测器与支撑组件连接，以检测支撑组件在页岩样本膨胀前后沿竖直方向上的位移变化。
11.进一步地，膨胀管组件包括：膨胀管，膨胀管的一端开口，膨胀管的另一端封闭，供水组件与膨胀管开口的一端连接，以向膨胀管内输入预设压力的水。
12.进一步地，供水组件包括：注水泵，注水泵通过水管与膨胀管组件连接；第三压力表，第三压力表设置在水管上，以检测向膨胀管组件内注入水的压力。
13.根据本发明的另一方面，提供了一种测试方法，测试方法采用上述的页岩吸水测试装置对页岩样本进行测试，测试方法包括：
14.步骤s1：选取页岩样本，将页岩样本放置在支撑组件上，并将膨胀管组件放置在页岩样本的容纳腔内；
15.步骤s2：沿第一预设方向和第二预设方向分别对页岩样本加载预应力；
16.步骤s3：向膨胀管组件内注入预设压力的水，以使膨胀管组件膨胀并对容纳腔的内壁施加向外的力；
17.步骤s4：通过检测机构检测页岩样本在膨胀管组件膨胀前后页岩样本的体积变化。
18.应用本发明技术方案的页岩吸水测试装置用于测试页岩吸水性能的装置，通过观察页岩吸水后的变化以分析对套管的损伤，从而在安装或设计套管时避免这种问题的出现，具体的，该页岩吸水测试装置先将膨胀管组件安装到页岩样本的容纳腔内，然后供水组件与膨胀管组件连通，打开供水组件向膨胀管组件内注入高压水，以使膨胀管组件体积变大从而推动页岩样本容纳腔的内壁向外扩张，此时，检测机构检测页岩样本在膨胀管组件膨胀后发生的形状和体积变化，从而分析页岩样本可能对套管所产生的损坏机理。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了根据本发明的页岩吸水测试装置的实施例的连接示意图；以及
21.图2示出了本发明的页岩吸水测试装置的实施例的部分结构剖视图。
22.其中，上述附图包括以下附图标记：
23.10、页岩样本；20、膨胀管组件；30、供水组件；31、注水泵；32、第三压力表；41、激光扫描仪；42、第一检测板组件；43、第一加载系统；44、第一压力表；46、第二加载系统；47、第二压力表；48、支撑组件；481、下推板；482、底活塞；483、底堵头；49、第三位移检测器；50、计算机；60、夹持器。
具体实施方式
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
25.为了解决现有技术中无法预测页岩吸水膨胀对套管造成损伤的问题，本发明提供了一种页岩吸水测试装置与测试方法。
26.请参考图1和图2，一种页岩吸水测试装置，页岩吸水测试装置用于测试页岩样本10的吸水膨胀机理，页岩吸水测试装置包括：膨胀管组件20，膨胀管组件20设置在页岩样本10内部的容纳腔内；供水组件30，供水组件30与膨胀管组件20连接，以通过向膨胀管组件20注入预设压力的水，使膨胀管组件20的体积膨胀并给页岩样本10的容纳腔壁施加向外的膨胀力；检测机构，检测机构与页岩样本10连接，以检测膨胀管组件20在膨胀后页岩样本10的体积变化。
27.本发明提供了一种用于测试页岩吸水性能的装置，通过观察页岩吸水后的变化以分析对套管的损伤，从而在安装或设计套管时避免这种问题的出现，具体的，该页岩吸水测试装置先将膨胀管组件20安装到页岩样本10的容纳腔内，然后供水组件30与膨胀管组件20连通，打开供水组件30向膨胀管组件20内注入高压水，以使膨胀管组件20体积变大从而推动页岩样本10容纳腔的内壁向外扩张，此时，检测机构检测页岩样本10在膨胀管组件20膨胀后发生的形状和体积变化，从而分析页岩样本10可能对套管所产生的损坏机理。
28.检测机构包括：激光扫描仪41，激光扫描仪41设置在页岩样本10的一侧以用于检测页岩样本10表面的形变。
29.如图1和图2所示，本实施例中的激光扫描仪41设置在页岩样本10的正上方，以便对页岩样本10的顶部进行观察，以检测页岩样本10顶部的形变。
30.检测机构包括：第一检测板组件42，第一检测板组件42沿第一预设方向设置在页岩样本10的侧面，并与页岩样本10的侧面抵接连接；第一位移检测器，第一位移检测器与第一检测板组件42连接，以检测第一检测板组件42在页岩样本10膨胀前后沿第一预设方向上的位移变化。第一检测板组件42包括两个第一检测板，两个第一检测板分别设置在页岩样本10的相对两侧，检测机构还包括：第一加载系统43，第一加载系统43与两个第一检测板均连接，以通过两个第一检测板给页岩样本10施加一对大小相同、方向相反的第一预应力，以夹紧页岩样本10；第一压力表44，第一压力表44与第一检测板组件42连接，以检测页岩样本10膨胀前后对第一检测板组件42的推力变化。
31.如图1和图2所示，本实施例中为了便于给页岩样本10施加外力以模拟页岩样本10周围的围压，在第一预设方向上给页岩样本10施加了第一预应力，第一预设方向为x轴方向，施加第一预应力后第一检测板与页岩样本10的侧面紧贴，此时位移组件记录此时第一检测板的位置，当注入水后，膨胀管组件20发生膨胀从而使页岩样本10表面发生变形，页岩样本10发生变形从而推动第一检测板移动，此时位移检测板检测并记录第一检测板的移动距离。
32.检测机构还包括：第二检测板组件，第二检测板组件沿第二预设方向设置在页岩样本10的侧面，并与页岩样本10的侧面抵接连接，其中，第二预设方向与第一预设方向相互垂直；第二位移检测器，第二位移检测器与第二检测板组件连接，以检测第二检测板组件在页岩样本10膨胀前后沿第二预设方向上的位移变化。第二检测板组件包括两个第二检测板，两个第二检测板分别设置在页岩样本10的相对两侧，检测机构还包括：第二加载系统46，第二加载系统46与两个第二检测板均连接，以通过两个第二检测板给页岩样本10施加
一对大小相同、方向相反的第二预应力，以夹紧页岩样本10；第二压力表47，第二压力表47与第二检测板组件连接，以检测页岩样本10膨胀前后对第二检测板组件的推力变化。
33.如图1和图2所示，与第一检测板组件42相似，第二检测版组件在在第二预设方向上给页岩样本10施加了第二预应力，第二预设方向为y轴方向，施加第二预应力后第二检测板与页岩样本10的侧面紧贴，此时位移组件记录此时第二检测板的位置，当注入水后，膨胀管组件20发生膨胀从而使页岩样本10表面发生变形，页岩样本10发生变形从而推动第二检测板移动，此时位移检测板检测并记录第二检测板的移动距离。
34.检测机构还包括：支撑组件48，支撑组件48可移动地设置在页岩样本10的底部，以支撑页岩样本10；第三位移检测器49，第三位移检测器49与支撑组件48连接，以检测支撑组件48在页岩样本10膨胀前后沿竖直方向上的位移变化。
35.如图2所示，本实施例中支撑组件48包括下推板481、底活塞482、底堵头483，支撑组件48与夹持器60连接以固定夹持器60，第三位移检测器49用于检测底活塞482的移动位置距离。
36.膨胀管组件20包括：膨胀管，膨胀管的一端开口，膨胀管的另一端封闭，供水组件30与膨胀管开口的一端连接，以向膨胀管内输入预设压力的水。供水组件30包括：注水泵31，注水泵31通过水管与膨胀管组件20连接；第三压力表32，第三压力表32设置在水管上，以检测向膨胀管组件20内注入水的压力。
37.本实施例中的膨胀管在高压水注入其内侧时，高压会推动膨胀管内侧的物体撑开，此外，膨胀管还可以选择遇水体积变大的材料，第三压力表32用于检测水管的水压，以判断向膨胀管内注入水的压力。
38.本发明还提供了一种测试方法，测试方法采用上述的页岩吸水测试装置对页岩样本10进行测试，测试方法包括：
39.步骤s1：选取页岩样本10，将页岩样本10放置在支撑组件48上，并将膨胀管组件20放置在页岩样本10的容纳腔内；
40.步骤s2：沿第一预设方向和第二预设方向分别对页岩样本10加载预应力；
41.步骤s3：向膨胀管组件20内注入预设压力的水，以使膨胀管组件20膨胀并对容纳腔的内壁施加向外的力；
42.步骤s4：通过检测机构检测页岩样本10在膨胀管组件20膨胀前后页岩样本10的体积变化。
43.测试方法步骤如下：初始状态保证套损模拟夹持器60中的底活塞482在最底部；套损模拟夹持器60中装入页岩样本10；打开x轴方向的伺服液压加载系统，压力可设定，保持所有压力、位移监测；打开y轴方向的伺服液压加载系统，压力可设定，保持所有压力、位移监测；保持x、y轴伺服液压加载系统高压恒压，保持所有压力、位移监测；打开供水组件30的高压注入系统，注入高压液体，压力可设定；打开套损模拟夹持器60上方的激光扫描系统，扫描岩样表面；利用软件系统分析所得数据和结果；
44.高压注入系统可以设定恒流或恒压模式，进行恒流或恒压模式的膨胀实验，整个过程保持所有压力和位移的监测。
45.页岩吸水测试装置还包括页岩样本10，第一加载系统43还包括第一压力表44，第二加载系统46还包括第二压力表47，本实施例中的第一加载系统43和第二加载系统46均是
通过液压驱动加载的形式，具体的，向管道内通入预定压力的油，来推动第一检测板或第二检测板移动，该预定压力与第一检测板对页岩样本10的推力成正比，通过第一压力表44和第二压力表47能够知晓第一检测板和第二检测板对页岩样本10的推力大小，以便操作人员通过计算机50进行设定和控制。
46.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
47.本发明的目的在于弥补现有研究的不足，提供了一种页岩吸水测试装置与测试方法。该发明中使用膨胀管组件20模拟页岩吸水膨胀，同时引入激光扫描技术实时监测页岩膨胀蠕变的过程。该发明能够直观揭示页岩在吸水膨胀过程中表面的形变情况，从而为研究页岩吸水膨胀导致的套管损伤提供理论依据。其技术解决方案如下：
48.页岩吸水测试装置，包括物模装置本体、高压注入系统、伺服液压加载系统、软件系统等，物模装置本体包括套损模拟夹持器60和拆卸模块，物模装置本体是一种能够真正模拟地下岩石应力状况的多用途页岩样本10夹持装置，用于模拟地层非均匀地应力和油藏条件。
49.物模装置本体包括套损模拟夹持器60、激光扫描系统、主体、膨胀管组件20、页岩样本10、第一检测板组件42、下推板481、底活塞482、底堵头483和位移组件，用于模拟页岩吸水膨胀过程，并监测页岩表面变化过程；的膨胀管组件20为一种一端开口，一端盲端的膨胀管，尺寸为25
×
400mm。
50.高压注入系统包括高精度恒流恒压泵、预增压泵、活塞容器、管汇单元、应力测量模块，用于为膨胀管注水，使膨胀管发生膨胀；所述的高精度恒流恒压泵是一种用于提供恒定压力或恒定流量流体的计量泵，它可以根据实验需要进行恒压或恒流模式控制。应力测量模块采用高精度压力传感器，检测精度达0.1％。
51.伺服液压加载系统包括三轴加载模块和伺服控制模块。三轴加载模块可以在x、y、z三个方向上对试件进行压力加载；伺服控制模块可以动态监测和调整位移，保持围压应力不变。
52.软件系统包括数据采集模块和数据处理模块，可以采集压力、温度、位移、流量等数据，实现3d流程显示、数据处理、图表保存等功能。
53.一种页岩吸水测试方法包括通过伺服液压加载系统向设置在套损模拟夹持器60中的页岩样品在x、y两个方向施加压力，模拟地层最大水平地应力、最小水平地应力；
54.通过高压注入系统向设置在套损模拟夹持器60中的膨胀管注水，模拟页岩吸水膨胀；
55.通过设置在套损模拟夹持器60上方的激光扫描仪41，监测岩样表面高度、面积、体积的变化。
56.本技术的测试装置通过将页岩样品设置在套损模拟夹持器60中，并在页岩样品内部设置膨胀管。通过向膨胀管注水，模拟页岩吸水膨胀，通过设置在套损模拟夹持器60上方的激光扫描仪41，实时扫描监测岩样表面高度、面积、体积的变化，分析页岩吸水膨胀后的蠕变情况，从而研究页岩吸水蠕变与套管损伤之间的相关性。
57.本发明具有以下优点：
58.1、套损模拟夹持器60中使用膨胀管注水膨胀模拟页岩吸水膨胀，研究页岩吸水蠕变过程。
59.2、配备激光扫描系统，可以扫描岩样表面变化，更加直观显示页岩膨胀蠕变过程。
60.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
61.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
63.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
64.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。