一种页岩岩样取芯模拟试验装置及其模拟试验方法与流程

本发明属于页岩含气性测气技术领域，尤其涉及一种页岩岩样取芯模拟试验装置及其模拟试验方法。

背景技术：

在天然气生产过程中，尤其是页岩气的生产过程中，现有的比较准确的评价天然气含气量以及规模的方法是岩石解析法，此方法是将钻井过程中返上来的页岩岩心进行现场解析，通过解析所得的天然气含量来评估页岩气储层的含气量。此方法在一定程度上是有效的，但却忽略了在钻头钻进过程中由于岩石破碎所逸散的气量，同时在取芯钻头返回地面的过程中，由于温度、压力及其他各种物理条件的变化，气体也必然会产生一定程度的逸散，综上所述，页岩气的现场解析法在一定程度上是不太准确的，若是地下岩石在破碎过程中损失的气量较多的话，页岩气现场解析得到的气量将是脱离实际的。基于这种情况，若将钻井过程中损失的气量测出，再结合现场解析法，将更加准确的评价页岩气储层的含气性。目前，尚未有类似的测量在钻井过程中由于岩石破碎而导致的气体散失量的装置。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种页岩岩样取芯模拟试验装置及其模拟试验方法，其是在认定致密页岩气层最中心的部位气体没有逸出的情况下，对此类岩心进行密封处理，再用实验室中模拟地下的物理条件下，对岩心进行再次钻进，测出钻进过程中由于岩石破碎而损失的气量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种页岩岩样取芯模拟试验装置，包括立柱，立柱上水平设置有试验台，试验台上固定设有呈圆筒形结构的试验筒，试验筒的中心线沿垂直方向设置，试验筒内壁上固定设有岩石柱定位结构和位于岩石柱周向定位结构上方的岩石柱轴向定位结构，试验筒上端外侧边沿水平设置有安装盘，安装盘上表面通过紧固螺栓可拆卸连接有将试验筒密封的密封盖，密封盖下表面与安装盘上表面之间第一密封圈，密封盖上设有下端均与试验筒内部连通的注水管、放空管和计量管；试验台下表面连接有与试验筒内部连通的排水管，排水管上设有排水阀；

安装盘下表面固定设有两个关于试验筒中心线对称的升降电机，每个升降电机的主轴均垂直向上穿过安装盘并同轴向传动连接有一根丝杠，每根丝杠上均螺纹连接有一个套筒，两个套筒之间通过一块安装板连接，安装板的中部上表面固定设有一个取芯电机，取芯电机的主轴垂直向下穿过安装板并同轴向传动连接有钻筒，钻筒下端圆周边沿设置有齿状的金刚石钻削刃，钻筒自上而下穿过密封盖伸入到试验筒内，密封盖上设置有与钻筒外壁密封配合的第二密封圈；安装盘上表面沿垂直方向固定设有两根关于试验筒中心线对称的导杆，安装板上连接有分别对应滑动套设在一根导杆上的导向板。

安装盘上表面垂直设有沿试验筒中心线圆形阵列布置的至少四根支杆，所有支杆上端连接有一个整体呈圆环形的水箱，丝杠和导杆均位于水箱的内侧，注水管的进水口连接在水箱的底部，注水管上设置有注水阀；

水箱上设置有真空泵、安装盘上设有储气箱，储气箱上连接有压力表，计量管的上端与储气箱连接，计量管上设置有计量球阀，放空管上设置有放空球阀；

试验台上设置有用于控制升降电机、取芯电机以及真空泵启闭及转速的控制装置。

岩石柱定位结构设置有两层，每层的岩石柱定位结构均包括四根沿试验筒径向设置的定位杆，四根定位杆沿试验筒的中心线方向圆周阵列布置，每根定位杆的外端均固定设在试验筒内壁上，每根定位杆内端均固定设有一块弧形板，四块弧形板的中心线与试验筒的中心线重合。

岩石柱轴向定位结构包括定位环板和三块固定板，定位环板的圆周外壁固定设有三块连接板，三块沿试验筒中心线圆形阵列布置的固定板，固定板固定设在试验筒内壁上，三块连接板上分别对应与一块固定板通过定位螺栓连接。

一种页岩岩样取芯模拟试验装置的模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）先在实际工程地点制备岩石柱，岩石柱采用致密页岩气层最中心的部位，在气体没有逸出的情况下，对岩石柱进行密封处理，运送到实验室内；

（2）将制备好的岩石柱放入试验筒中，采集的岩石柱的外径等于或稍小于弧形板的内径，上下两层共8块弧形板的内弧面与岩石柱外弧面贴合对岩石柱进行径向限位，然后将定位环板放置到岩石柱上端，使用定位螺栓连接固定板和连接板，定位环板与岩石柱压接配合，对岩石柱起轴向限位；

（3）打开放空球阀及注水阀，关闭排水阀和计量球阀，水箱中的水在高度差作用下经注水管流入到试验筒体中，随着试验筒内水面的升高，空气由放空管排出，第一密封圈和第二密封圈起到避免漏气和漏水的作用，当试验筒体中排完空气充满水后，关闭放空球阀和注水阀；

（4）保持计量球阀为关闭状态，开启真空泵，对储气箱进行抽真空处理，通过储气箱顶部连接的压力表进行储气箱内部压力显示，待储气箱抽真空完成后打开计量球阀；

（5）启动取芯电机及两个升降电机，两个升降电机的转速相同，升降电机带动丝杠转动，由于导向板套设在导杆上限定套筒随丝杠转动，随着丝杠的转动，套筒沿丝杠向下运动，两个套筒之间的安装板带动取芯电机实现向下轴向进给运动，取芯电机带动钻筒旋转，钻筒下端的金刚石钻削刃切割岩石柱进行取芯；

（6）钻筒在旋转切割岩石柱的过程中，试验筒内的水对刚石钻削刃起到润滑降温作用，同时岩石柱内部破碎岩石会释放气体，所释放气体由于压差作用进入储气箱内并通过压力表显示储气箱内气体压力变化，从而实现在取芯过程中对岩石柱所释放的气体进行收集及显示；

（7）通过储气箱固有体积及压力表显示的压力换算得到采集气体的体积；

（8）打开排水阀，试验筒内的水通过排水管排出，然后将切割分离的岩芯取出。

采用上述技术方案，本发明能够模拟在页岩气生产过程中采集岩芯所释放的气量，本发明通过模拟实现取芯过程，同时采集计量在取芯过程中破碎岩芯时岩芯所释放的气量。本发明是在认定致密页岩气层最中心的部位气体没有逸出的情况下，对此类岩心进行密封处理，再用实验室中模拟地下的物理条件下，对岩心进行再次钻进，测出钻进过程中由于岩石破碎而损失的气量。本发明与传统的含气量评估方法的结合，将更加准确的解决页岩气层含气性的问题，更加有利于页岩气层的评价。

附图说明

图1是本发明的外型立体结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是图2中钻筒的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明的一种页岩岩样取芯模拟试验装置，包括立柱1，立柱1上水平设置有试验台2，试验台2上固定设有呈圆筒形结构的试验筒3，试验筒3的中心线沿垂直方向设置，试验筒3内壁上固定设有岩石柱定位结构和位于岩石柱周向定位结构上方的岩石柱轴向定位结构，试验筒3上端外侧边沿水平设置有安装盘4，安装盘4上表面通过紧固螺栓5可拆卸连接有将试验筒3密封的密封盖6，密封盖6呈中间向上凸出的曲面结构，密封盖6下表面与安装盘4上表面之间第一密封圈7，密封盖6上设有下端均与试验筒3内部连通的注水管8、放空管9和计量管10；试验台2下表面连接有与试验筒3内部连通的排水管11，排水管11上设有排水阀12。

安装盘4下表面固定设有两个关于试验筒3中心线对称的升降电机13，每个升降电机13的主轴均垂直向上穿过安装盘4并同轴向传动连接有一根丝杠14，每根丝杠14上均螺纹连接有一个套筒15，两个套筒15之间通过一块安装板16连接，安装板16的中部上表面固定设有一个取芯电机17，取芯电机17的主轴垂直向下穿过安装板16并同轴向传动连接有钻筒18，钻筒18下端圆周边沿设置有齿状的金刚石钻削刃19，钻筒18自上而下穿过密封盖6伸入到试验筒3内，密封盖6上设置有与钻筒18外壁密封配合的第二密封圈20；安装盘4上表面沿垂直方向固定设有两根关于试验筒3中心线对称的导杆21，安装板16上连接有分别对应滑动套设在一根导杆21上的导向板22。

安装盘4上表面垂直设有沿试验筒3中心线圆形阵列布置的至少四根支杆23，所有支杆23上端连接有一个整体呈圆环形的水箱24，丝杠14和导杆21均位于水箱24的内侧，注水管8的进水口连接在水箱24的底部，注水管8上设置有注水阀25。

水箱24上设置有真空泵26、安装盘4上设有储气箱27，储气箱27上连接有压力表28，计量管10的上端与储气箱27连接，计量管10上设置有计量球阀29，放空管9上设置有放空球阀31。

试验台2上设置有用于控制升降电机13、取芯电机17以及真空泵26启闭及转速的控制装置39。

岩石柱定位结构设置有两层，每层的岩石柱定位结构均包括四根沿试验筒3径向设置的定位杆32，四根定位杆32沿试验筒3的中心线方向圆周阵列布置，每根定位杆32的外端均固定设在试验筒3内壁上，每根定位杆32内端均固定设有一块弧形板33，四块弧形板33的中心线与试验筒3的中心线重合。

岩石柱轴向定位结构包括定位环板34和三块固定板35，定位环板34的圆周外壁固定设有三块连接板36，三块沿试验筒3中心线圆形阵列布置的固定板35，固定板35固定设在试验筒3内壁上，三块连接板36上分别对应与一块固定板35通过定位螺栓37连接。

一种页岩岩样取芯模拟试验装置的模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）先在实际工程地点制备岩石柱38，岩石柱38采用致密页岩气层最中心的部位，在气体没有逸出的情况下，对岩石柱38进行密封处理，运送到实验室内；

（2）将制备好的岩石柱38放入试验筒3中，采集的岩石柱38的外径等于或稍小于弧形板33的内径，上下两层共8块弧形板33的内弧面与岩石柱38外弧面贴合对岩石柱38进行径向限位，然后将定位环板34放置到岩石柱38上端，使用定位螺栓37连接固定板35和连接板36，定位环板34与岩石柱38压接配合，对岩石柱38起轴向限位；

（3）打开放空球阀31及注水阀25，关闭排水阀12和计量球阀29，水箱24中的水在高度差作用下经注水管8流入到试验筒3体中，随着试验筒3内水面的升高，空气由放空管9排出，第一密封圈7和第二密封圈20起到避免漏气和漏水的作用，当试验筒3体中排完空气充满水后，关闭放空球阀31和注水阀25；

（4）保持计量球阀29为关闭状态，开启真空泵26，对储气箱27进行抽真空处理，通过储气箱27顶部连接的压力表28进行储气箱27内部压力显示，待储气箱27抽真空完成后打开计量球阀29；

（5）启动取芯电机17及两个升降电机13，两个升降电机13的转速相同，升降电机13带动丝杠14转动，由于导向板22套设在导杆21上限定套筒15随丝杠14转动，随着丝杠14的转动，套筒15沿丝杠14向下运动，两个套筒15之间的安装板16带动取芯电机17实现向下轴向进给运动，取芯电机17带动钻筒18旋转，钻筒18下端的金刚石钻削刃19切割岩石柱38进行取芯；

（6）钻筒18在旋转切割岩石柱38的过程中，试验筒3内的水对刚石钻削刃起到润滑降温作用，同时岩石柱38内部破碎岩石会释放气体，所释放气体由于压差作用进入储气箱27内并通过压力表28显示储气箱27内气体压力变化，从而实现在取芯过程中对岩石柱38所释放的气体进行收集及显示；

（7）通过储气箱27固有体积及压力表28显示的压力换算得到采集气体的体积；

（8）打开排水阀12，试验筒3内的水通过排水管11排出，然后将切割分离的岩芯取出。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。