一种页岩岩样密封性检测及取芯集气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密封性检测及取芯集气模拟试验方法。

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，泥页岩含气性对于评价页岩气资源潜力及有利区优先是至关重要的直接参数，但是目前页岩含气量的取样测试技术不够完备。现有的评价页岩含气量的方法是利用等温吸附解吸实验装置，此方法是将钻井过程中返上来的煤芯进行等温吸附解吸，通过解吸所得的甲烷含量来评估页岩气储层的含气量。若是地下岩石在破碎过程中损失的气量较多的话，页岩气现场解吸得到的气量将是脱离实际。此方法在游离气含量比较低的煤层如中高煤阶煤层在一定程度上是有效的，但对于页岩而言，虽然其整体含气量低于中高阶煤，但由于其游离气含气量普遍较高，在钻头钻进过程中由于页岩破碎所逸散的气量相对较高，对于含气性本来就较差的泥页岩而言，该部分逸散气量的准确测定显得尤为重要。基于这种情况，若将钻井过程中损失的气量测出，再结合等温吸附解吸法，将更加准确的评价泥页岩储层的含气性。目前，尚未有类似的能够测量在钻井过程中由于页岩破碎而导致的气体散失量的装置。由于泥页岩裂缝不发育但大孔发育，页岩本身的密闭程度较好，在钻进过程中，只有岩体被破坏的部分的气体散失，而其内部的气体基本保存完好，为岩芯钻取过程损失气量模拟试验方法提供了基础条件。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种页岩岩样密封性检测及取芯集气模拟试验方法，其是在钻井过程中页岩岩样进行密封处理，先进行裂缝检测认定致密页岩气层最中心的部位气体没有逸出的情况下，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：一种页岩岩样密封性检测及取芯集气模拟试验方法，包括以下步骤：

一、先在实际钻井地点制备岩石柱，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；

二、将岩石柱放置到岩样内部裂缝检测装置内进行裂缝检测；

三、裂缝检测合格后的岩石柱放置到岩石取芯集气装置内进行取芯集气。

步骤二中的岩样内部裂缝检测装置包括柜体，柜体内设置有岩样容纳舱、气体检测舱、电动四通阀、真空泵和鼓风机，岩样容纳舱呈前端敞口的圆筒形结构，岩样容纳舱前端通过螺钉固定连接在柜体的前侧内壁上，气体检测舱设置在柜体内的底部并与岩样容纳舱通过密封管接头相连，气体检测舱内安装有甲烷探测仪和气压检测仪，气体检测舱通过进排气管路与电动四通阀的第一个接口相连，电动四通阀的第二个接口通过排气管路与真空泵相连，电动四通阀的第三个接口通过进气管路与鼓风机相连，电动四通阀第四个接口接空；

柜体前侧外表面安装有操作面板，操作面板上设有启动按钮和急停按钮，柜体内底部安装有控制柜，操作面板通过数据总线与控制柜相连，甲烷探测仪通过一号数据线与控制柜相连，气压检测仪通过二号数据线与控制柜相连，电动四通阀通过三号数据线与控制柜相连，控制柜上外延出设备控制线，设备控制线分别与真空泵和鼓风机相连；

柜体前侧安装有与岩样容纳舱对应的舱门，舱门上装有柜体前侧面配合的旋转锁；旋转锁锁紧时，舱门将岩样容纳舱密封，旋转锁开启时，打开舱门，将岩样放入或取出岩样容纳舱；柜体右侧外部设置电源插头和总电源按钮，柜体底部安装有四只万向轮，柜体左侧上部和右侧上部均安装有一个把手，柜体内安装有稳压电源，稳压电源通过输出电源线与控制柜连接，稳压电源通过输入电源线与电源插头连接；柜体左侧开有栅格透气孔。

步骤三中的岩石取芯集气装置包括立柱，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。

步骤二具体包括以下过程：

1）岩样内部裂缝检测装置的启动；

2）岩样容纳舱和气体检测舱的校准；

3）岩样内部裂缝检测实验；

4）岩样内部裂缝检测实验后的仪器整理。

步骤1）具体包括以下过程：

a、将自动岩样内部裂缝检测装置推放在平整的地面上；

b、将民用220V电源接入岩样内部裂缝检测装置的电源插头；

c、按下电源插头旁的总电源按钮，岩样内部裂缝检测装置内各元器件通电。

步骤2）具体包括以下过程：

A、按下操作面板上的启动按钮，岩样内部裂缝检测装置开机；

B、打开舱门，在操作面板上下达“气体清洁”命令，此时电动四通阀自动调整为连通鼓风机和气体检测舱，然后启动鼓风机一分钟，为岩样容纳舱和气体检测舱通风，消除其中可能存在的干扰气体；

C、“气体清洁”程序结束后，在操作面板上下达“气体校准”命令，此时电动四通阀自动调整为连通电动四通阀的第四个接口和气体检测舱，甲烷探测仪和气压检测仪读数归零。

步骤3）具体包括以下过程：

Ⅰ、“气体校准”程序结束后，打开舱门，将制备好的岩样置入岩样容纳舱，关闭舱门并锁紧旋转锁；

Ⅱ、在操作面板上下达“岩样检测”命令，此时电动四通阀自动调整为连通真空泵和气体检测舱，随后真空泵启动开始为岩样容纳舱和气体检测舱减压，减压过程中甲烷探测仪和气压检测仪实时读数，标定气体检测舱内的甲烷含量和气压值，当甲烷浓度达到设定的阈值时，信息反馈在操作面板上，显示当前岩样内部缝隙发育完好，当气压值达到设定的阈值时，真空泵停止工作，防止舱内气压过低引起设备损坏；

Ⅲ、“岩样检测”程序结束后，在操作面板上下达“舱内复压”命令，此时电动四通阀缓慢地连通的第四个接口和气体检测舱，为气体检测舱和岩样容纳舱恢复气压。

步骤4）具体包括以下过程：

①、“舱内复压”命令结束后，打开舱门，将岩样取出；

②、在操作面板上下达“气体清洁”命令，此时电动四通阀自动调整为连通鼓风机和气体检测舱，之后启动鼓风机一分钟，为岩样容纳舱和气体检测舱通风，消除其中存在的甲烷气体；

③、按动电源插头旁的总电源按钮，为岩样内部裂缝检测装置断电，将岩样内部裂缝检测装置推到归置位置。

步骤三具体包括以下过程：

（1）将裂缝检测合格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；

（2）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；

（3）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；

（4）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；

（5）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；

（6）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；

（7）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，本发明中的岩样内部裂缝检测装置可以对岩样检测采取非接触检测，可以保持岩样的完整性，免除了传统方法中对岩样的切割整理工作，并且整机结构紧凑，移动性好，自动化程度高，实验流程简单，可以在短时间内完成岩样密封性的检测实验，能显著后续取芯集气实验的效率和实验结果的准确性。

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是本发明中岩样内部裂缝检测装置外型在一个视角下的立体结构示意图；

图2是本发明中岩样内部裂缝检测装置外型在另一个视角下的立体结构示意图；

图3是本发明中岩样内部裂缝检测装置的内部结构示意图；

图4是本发明中岩样内部裂缝检测装置去掉柜体和岩样容纳舱后的结构示意图；

图5是本发明中岩石取芯集气装置外型的立体结构示意图；

图6是本发明中岩石取芯集气装置的内部结构示意图；

图7是图6中钻筒的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1-图7所示，本发明的一种页岩岩样密封性检测及取芯集气模拟试验方法，包括以下步骤：

一、先在实际钻井地点制备岩石柱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；

二、将岩石柱38放置到岩样内部裂缝检测装置内进行裂缝检测；

三、裂缝检测合格后的岩石柱38放置到岩石取芯集气装置内进行取芯集气。

步骤二中的岩样内部裂缝检测装置包括柜体40，柜体40内设置有岩样容纳舱41、气体检测舱42、电动四通阀45、真空泵46和鼓风机47，岩样容纳舱41呈前端敞口的圆筒形结构，岩样容纳舱41前端通过螺钉固定连接在柜体40的前侧内壁上，气体检测舱42设置在柜体40内的底部并与岩样容纳舱41通过密封管接头48相连，气体检测舱42内安装有甲烷探测仪43和气压检测仪44，气体检测舱42通过进排气管路49与电动四通阀45的第一个接口相连，电动四通阀45的第二个接口通过排气管路50与真空泵46相连，电动四通阀45的第三个接口通过进气管路51与鼓风机47相连，电动四通阀45第四个接口接空；

柜体40前侧外表面安装有操作面板54，操作面板54上设有启动按钮62和急停按钮63，柜体40内底部安装有控制柜56，操作面板54通过数据总线55与控制柜56相连，甲烷探测仪43通过一号数据线57与控制柜56相连，气压检测仪44通过二号数据线58与控制柜56相连，电动四通阀45通过三号数据线61与控制柜56相连，控制柜56上外延出设备控制线59，设备控制线59分别与真空泵7和鼓风机47相连。

柜体40前侧安装有与岩样容纳舱41对应的舱门52，舱门52上装有柜体40前侧面配合的旋转锁53；旋转锁53锁紧时，舱门52将岩样容纳舱41密封，旋转锁53开启时，打开舱门52，将岩样放入或取出岩样容纳舱41；柜体40右侧外部设置电源插头64和总电源按钮65，柜体40底部安装有四只万向轮66，柜体40左侧上部和右侧上部均安装有一个把手67，柜体40内安装有稳压电源69，稳压电源69通过输出电源线68与控制柜56连接，稳压电源69通过输入电源线70与电源插头64连接。柜体40左侧开有栅格透气孔60。

步骤三中的岩石取芯集气装置包括立柱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。

步骤二具体包括以下过程：

1）岩样（即岩石柱38）内部裂缝检测装置的启动；

2）岩样容纳舱41和气体检测舱42的校准；

3）岩样内部裂缝检测实验；

4）岩样内部裂缝检测实验后的仪器整理。

步骤1）具体包括以下过程：

a、将岩样内部裂缝检测装置推放在平整的地面上；

b、将民用220V电源接入岩样内部裂缝检测装置的电源插头64；

c、按下电源插头64旁的总电源按钮65，岩样内部裂缝检测装置内各元器件通电。

步骤2）具体包括以下过程：

a、将岩样内部裂缝检测装置推放在平整的地面上；

b、将民用220V电源接入岩样内部裂缝检测装置的电源插头64；

c、按下电源插头64旁的总电源按钮65，岩样内部裂缝检测装置内各元器件通电。

步骤3）具体包括以下过程：

Ⅰ、“气体校准”程序结束后，打开舱门52，将制备好的岩样置入岩样容纳舱，关闭舱门52并锁紧旋转锁53；

Ⅱ、在操作面板54上下达“岩样检测”命令，此时电动四通阀45自动调整为连通真空泵46和气体检测舱42，随后真空泵46启动开始为岩样容纳舱41和气体检测舱42减压，减压过程中甲烷探测仪43和气压检测仪44实时读数，标定气体检测舱42内的甲烷含量和气压值，当甲烷浓度达到设定的阈值时，信息反馈在操作面板54上，显示当前岩样内部缝隙发育完好，当气压值达到设定的阈值时，真空泵46停止工作，防止舱内气压过低引起设备损坏；

Ⅲ、“岩样检测”程序结束后，在操作面板54上下达“舱内复压”命令，此时电动四通阀45缓慢地连通的第四个接口和气体检测舱42，为气体检测舱42和岩样容纳舱41恢复气压。

步骤4）具体包括以下过程：

①、“舱内复压”命令结束后，打开舱门52，将岩样取出；

②、在操作面板54上下达“气体清洁”命令，此时电动四通阀45自动调整为连通鼓风机47和气体检测舱42，之后启动鼓风机47一分钟，为岩样容纳舱41和气体检测舱42通风，消除其中存在的甲烷气体；

③、按动电源插头64旁的总电源按钮65，为岩样内部裂缝检测装置断电，将岩样内部裂缝检测装置推到归置位置。

步骤三具体包括以下过程：

（1）将裂缝检测合格的岩石柱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；

（2）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；

（3）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；

（4）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；

（5）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；

（6）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；

（7）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。