一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置及实验方法

本发明涉及石油工程领域，特别涉及一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置及实验方法。
背景技术：
：渗流力作为土力学的重要概念，对边坡失稳、坝体稳定性以及滑坡等现象有着重要的影响。在石油工程领域，渗流力广泛存在于油气田开发过程。例如水力压裂过程中压裂液渗流进入岩石孔隙会对岩石骨架施加渗流力，从而影响岩石裂缝的扩展延伸过程；在注水或者开采过程中，流体在岩石孔隙大规模运移，会对岩石造成速敏伤害，进而影响岩石孔隙结构产生出砂现象。虽然渗流力对石油与天然气开发有着重要的影响，但是目前尚没有实验装置可以模拟流体流动过程中对孔隙介质施加的渗流力，这就严重制约了关于渗流力对储层伤害和裂缝扩展的研究与应用。技术实现要素：为了模拟渗流力对储层岩石的作用，本发明提供了一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置及实验方法，利用该装置可以模拟不同流体压差作用下渗流力对岩石的作用，从而分析渗流力对储层孔隙结构损伤以及裂缝扩展的影响。本发明采用的技术方案如下：一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置，包括离心装置、立方体岩心夹持器和圆柱体岩心夹持器，立方体岩心夹持器的顶面及四个侧面均设有回压阀，圆柱体岩心夹持器上设有回压阀，离心装置包括驱动机构和转盘，驱动机构与转盘连接，立方体岩心夹持器包括设置于转盘中心的第一立方体岩心夹持器和设置于转盘边缘并对称的第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器，第一立方体岩心夹持器与第二立方体岩心夹持器相邻的侧面正对，第一立方体岩心夹持器与第三立方体岩心夹持器相邻的侧面正对，圆柱体岩心夹持器包括设置于转盘边缘并对称的第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器，第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器的轴线同轴。优选的，本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置还包括圆柱体岩心、中空立方体岩心和立方体岩心，中空立方体岩心的中心沿顶面至底面开设有圆形孔眼，第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器设有所述圆柱体岩心，第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器设有所述立方体岩心，第一立方体岩心夹持器中设有所述中空立方体岩心。优选的，中空立方体岩心和立方体岩心的边长相同，边长为10-20cm；中空立方体岩心上的圆形孔眼直径为1.5cm-2.5cm；圆柱体岩心的长度为10-15cm，直径为2.5-3cm。优选的，转盘的直径为1000mm-1200mm。优选的，本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置还包括防护罩，转盘位于所述防护罩内。本发明还提供了一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的实验方法，所述实验方法利用本发明如上所述的装置进行，用于模拟渗流力作用下岩石裂缝扩展，包括如下过程：向第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器分别装入立方体岩心；通过第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器给两个立方体岩心施加最大水平主应力、最小水平主应力和垂向地应力；驱动机构驱动转盘以预设离心速度旋转预设时间；转盘停止后，对第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器卸压；对立方体岩心表面各个面进行拍照、采集数据，以及对立方体岩心进行ct扫描，观察内部裂缝的萌生与扩展情况。优选的，若模拟岩心每单位体积上受到的平均渗流力大小为fs2时，则所述预设离心速度x通过下式计算：式中，pm为岩心的密度，单位为单位kg/m3；ra和rb分别为岩心内侧和外侧距离转盘轴线距离，fs2的单位为m。优选的，当模拟正常地应力类型下施加的围压时，最大水平主应力、最小水平主应力和垂向地应力满足：垂向地应力>最大水平主应力>最小水平主应力；当模拟走滑地应力类型下施加的围压时，最大水平主应力、最小水平主应力和垂向地应力满足：最大水平主应力>垂向地应力>最小水平主应力；当模拟反转地应力类型下施加的围压时，最大水平主应力、最小水平主应力和垂向地应力满足：最大水平主应力>最小水平主应力>垂向地应力；转盘的转速为2000-4000rpm，在预设离心速度下的旋转时间为30-180min。本发明还提供了一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的实验方法，所述实验方法利用本发明如上所述的装置进行，用于模拟渗流力对储层岩石孔隙结构损伤，包括如下过程：向第一立方体岩心夹持器装入中空立方体岩心，中空立方体岩心上的圆形孔眼方向为竖直方向；向第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器均装入圆柱体岩心；通过第一立方体岩心夹持器给中空立方体岩心施加最大水平主应力、最小水平主应力和垂向地应力；通过第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器分别给两个圆柱体岩心施加不同的围压；驱动机构驱动转盘以预设离心速度旋转预设时间；转盘停止后，对第一立方体岩心夹持器、第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器卸压；利用岩心驱替实验、核磁共振扫描仪、岩心切片实验分析所述中空立方体岩心以及圆柱体岩心离心后孔喉损伤情况。优选的，若模拟岩心每单位体积上受到的平均渗流力大小为fs2时，则所述预设离心速度x通过下式计算：式中，pm为岩心的密度，单位为单位kg/m3；ra和rb分别为岩心内侧和外侧距离转盘轴线距离，fs2的单位为m。本发明具有如下有益效果：本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置利用离心装置能够驱动立方体岩心夹持器和圆柱体岩心夹持器进行旋转，立方体岩心夹持器和圆柱体岩心夹持器中能够夹持对应形状的岩心样品，在进行模拟实验时，通过转盘的旋转，能够是岩心样品中产生离心力，利用离心力模拟渗流力，无需流体驱替，排除了除渗流力以外所有其他应力的干扰。整个离心过程中，真正给岩心样品施加作用的只有离心力和地应力。通过控制转速能够模拟不同流体压差作用下渗流力对岩石的作用，从而分析渗流力对储层孔隙结构损伤以及裂缝扩展的影响。本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置作用功能齐全，可以模拟渗流力作用下岩石裂缝的扩展延伸规律，也可以用来模拟渗流力对岩石孔隙结构的损伤情况。附图说明图1为本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置整体的侧视图；图2为本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置中转盘的俯视图；图3(a)为本发明实施例1中v2岩心离心前ct扫描图；图3(b)为本发明实施例1中v2岩心离心后ct扫描图；图4(a)为本发明实施例2中a2岩心离心前的岩心切片示意图；图4(b)为本发明实施例2中a2岩心离心后的岩心切片示意图。图中，1.防护罩，2.立方体岩心夹持器，3.回压阀，4.转盘，5.底盘，6.传动机构，7.底座，8.传动带，9.电动机，10.主控制柜，11.圆柱体岩心，12.中空立方体岩心，12-1.孔眼，13.立方体岩心，14.圆柱体岩心夹持器。具体实施方式下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。本发明设计了一种利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置。利用该装置能够模拟流体在不同压差状态下对岩石孔隙介质施加的渗流力，基于该装置可以分析渗流力对岩石裂缝扩展规律以及储层孔隙结构损伤的影响机理。参照图1-图2，本发明利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置，包括防护罩1、离心装置、立方体岩心夹持器2和圆柱体岩心夹持器14，立方体岩心夹持器2的顶面及四个侧面均设有回压阀3，圆柱体岩心夹持器14上设有回压阀3，离心装置包括驱动机构和转盘4，驱动机构与转盘4连接，立方体岩心夹持器2包括设置于转盘4中心的第一立方体岩心夹持器和设置于转盘4边缘并对称的第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器，第一立方体岩心夹持器与第二立方体岩心夹持器相邻的侧面正对，第一立方体岩心夹持器与第三立方体岩心夹持器相邻的侧面正对，圆柱体岩心夹持器14包括设置于转盘边缘并对称的第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器，第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器的轴线同轴。转盘4位于所述防护罩1内。利用离心力模拟渗流力对岩石作用的装置还可附带对应的岩心样品，岩心样品包括圆柱体岩心11、中空立方体岩心12和立方体岩心13，中空立方体岩心12的中心沿顶面至底面开设有圆形孔眼12-1，第一圆柱体岩心夹持器和第二圆柱体岩心夹持器设有所述圆柱体岩心11，第二立方体岩心夹持器和第三立方体岩心夹持器设有所述立方体岩心13，第一立方体岩心夹持器中设有所述中空立方体岩心12。圆柱体岩心本发明上述岩心样品中：圆柱体岩心11的尺寸为：长10-15cm，直径2.5-3cm；中空立方体岩心12的边长和立方体岩心13的边长尺寸相同，均为10-20cm，中空立方体岩心12中间钻有直径为1.5cm-2.5cm的孔眼12-1。本发明上述岩心样品中，转盘14的直径要求为1000mm-1200mm；最高设计转速要求为：3000rpm-4000rpm，离心机转速控制为变频控制。驱动机构的主机驱动方式采用变频器启动，制动方式为能耗制动方式，传动方式为皮带传动，主电机功率3kw-3.5kw，采用防爆电机，保障离心过程中整体装置平稳安全可靠。离心装置的主控制柜面板设有：转速设置按钮、状态指示灯、急停按钮、防爆按钮、显示屏，制动按钮。立方体岩心夹持器2与圆柱体岩心夹持器14上设置的回压阀用于：实验开始前需借助回压系统，通过回压阀向岩心夹持器内部的橡胶皮套施加压力，使橡胶皮套膨胀固定夹紧岩心，同时向岩心施加最大水平主应力、最小水平主应力、垂向应力或者围压，模拟岩心在地层真实受力状态。当设离心转速为x(单位rpm)，转盘4半径为r(单位m)，岩心的密度为pm(单位kg/m3)，则模拟的岩心每单位体积上受到的渗流力大小与半径的关系为：fs1＝pm·(2π·x/60)2·r，单位n/m3。设岩心内侧和外侧距离转盘轴线距离为ra和rb(单位m)，岩心某一点距离转盘轴线为r(单位m)。则模拟的岩心每单位体积上受到的平均渗流力大小为：fs2＝pm·(2π·x/60)2·((rb-ra/2)+ra)，单位n/m3，模拟岩心的孔隙压力梯度为：pf＝pa/(ra-rb)·r-rb·pa/(ra-rb)，单位mpa，其中pa＝fs2·10-6·(rb-ra)，pa为模拟内侧边界处的孔隙压力，而外侧边界处的孔隙设为0mpa基于该装置的实验方法有两种，分别用来模拟渗流力对裂缝扩展和储层孔隙结构损伤的影响机理，具体步骤为：实验方法1：渗流力作用下岩石裂缝扩展模拟实验步骤：(1)准备10cm×10cm×10cm的立方体岩心两块，打磨岩心表面使得其光滑平整，并对各个面标记数字1-6。(2)打开离心装置，设定500rpm转速进行5min的离心，观察装置的安全平稳性能。(3)关闭离心装置，待离心装置的转盘4彻底停止，将准备的两块立方体岩心放入位于转盘边缘的两个立方体岩心夹持器中。(4)借助围压系统，通过回压阀给两个立方体岩心施加以不同的地应力，所述地应力包括：sh(最大水平主应力)、sh(最小水平主应力)和sv(垂向地应力)；(5)放下防护罩，打开离心装置开始离心，以低速500rpm的转速开始逐渐加速至实验设计转速x，稳定离心实验设计离心时间t。(6)实验结束后，关闭离心装置，通过回压阀卸去岩心施加的地应力，小心取出岩心。(7)对岩心表面各个面进行拍照采集数据，然后对岩心进行ct扫描，观察内部裂缝的萌生与扩展情况。实验方法2：渗流力对储层岩石孔隙结构损伤模拟实验步骤：(1)准备10cm×10cm×10cm的立方体岩心一块；长lcm、直径2.5cm圆柱体岩心两块，打磨岩心表面使得其光滑平整，并在立方体岩心中间钻出直径r的孔眼，得到中空立方体岩心12。(2)打开离心装置，设定500rpm转速进行5min的离心，观察装置的安全平稳性能。(3)关闭离心装置，待离心装置转盘彻底停止，将准备的圆柱体岩心放入位于转盘边缘的两个圆柱体岩心夹持器中，而中空立方体岩心12放入位于正中间的立方体岩心夹持器当中。(4)借助围压系统，通过回压阀给中空立方体岩心12施加以地应力，地应力包括：sh(最大水平主应力)；sh(最小水平主应力)；sv(垂向地应力)；给两个圆柱体岩心施加以不同的围压s1和s2(5)放下防护罩，打开离心装置开始离心，以低速500rpm的转速开始逐渐加速至实验设计转速x，稳定离心实验设计离心时间t。(6)实验结束后，关闭离心装置，通过回压阀卸去岩心施加的地应力，小心取出岩心。(7)借助岩心驱替实验、核磁共振扫描仪、岩心切片实验分析岩心离心后孔喉损伤情况。本发明的原理是：渗流力是流体流动过程中对岩石孔隙介质施加的摩擦力和拖曳力，该力以体积力的形式作用于岩石的单元体，影响单元体的受力状态。为了排除流体渗流过程形成的其他应力干扰，单独模拟渗流力对岩石的作用，本专利提出利用离心力模拟渗流力。离心装置高速旋转过程中，会对岩石介质每个单元体施加离心力，该力方向为径向方向，和径向渗流状态下渗流力的方向一致，通过控制离心装置转速就可以模拟出实验所需的渗流力。实施例1：利用采集的长庆油田致密砂岩组岩石的野外露头，然后基于本发明实验装置对渗流力作用下该岩样的裂缝扩展规律进行了研究。具体步骤如下：(1)将露头岩样切割成10cm×10cm×10cm的立方体岩心9块，并编号v1-v9，打磨岩心表面使得其光滑平整，并利用马克笔对各个面标记了数字1-6。(2)打开离心装置，设定500rpm转速进行5min的离心，观察装置的安全平稳性能。(3)关闭离心装置，待离心装置转盘彻底停止，将两块立方体放入位于转盘边缘的两个立方体岩心夹持器中。(4)借助围压系统，通过回压阀给两个立方体岩心施加以不同的地应力，其中v1-v3为正常地应力组；v4-v6为走滑地应力组；v7-v9为反转地应力组，设计实验方案如表1所示。(5)放下防护罩，打开离心装置开始离心，以低速500rpm的转速开始逐渐加速至实验设计转速3000rpm，稳定离心实验设计离心时间45min。(6)实验结束后，关闭离心装置，通过回压阀卸去岩心施加的地应力，小心取出岩心。(7)对岩心表面各个面进行拍照采集数据，然后对岩心进行ct扫描，观察内部裂缝的萌生与扩展情况。表1岩心样本sh/mpash/mpasv/mpa转速/rpm离心时间v11.515.5200020minv22.51.55.5250015minv33.525.5300010minv45.511.5200020minv55.51.52.5250015minv65.523.5300010minv75.51.51200020minv85.52.51.5300015minv95.53.52350010min参见图3(a)和图3(b)显示的v2岩心离心前后ct扫描对比图，以v2岩心为例说明离心的效果，可以看出离心力作用下裂缝扩展明显，渗流力对裂缝的延伸和扩展有显著作用。实施例2利用采集的延长油田致密砂岩组岩石的野外露头，然后基于本发明实验装置研究了渗流力对储层岩石孔隙结构损伤影响机理。具体实验步骤如下：(1)将露头岩样切割成10cm×10cm×10cm的立方体岩心一块，并在立方体岩心中间钻出直径2.5cm的孔眼，得到中空立方体岩心；然后钻取长12cm，直径2.5cm圆柱体岩心两块，打磨岩心表面使得其光滑平整，分别编号为a1和a2。(2)打开离心装置，设定500rpm转速进行5min的离心，观察装置的安全平稳性能。(3)关闭离心装置，待离心装置转盘彻底停止，将准备的圆柱体岩心a1和a2放入位于转盘边缘的两个圆柱体岩心夹持器中，而钻孔的立方体岩心放入位于正中间的立方体岩心夹持器当中。(4)借助围压系统，通过回压阀给钻孔的立方体岩心施加以地应力包括：sh＝3.5mpa；sh＝1.5mpa；sv＝5mpa；给两个圆柱体岩心a1和a2施加的围压分别为s1＝17.5mpa和s2＝5mpa；(5)放下防护罩，打开离心装置开始离心，以低速500rpm的转速开始逐渐加速至实验设计转速2500rpm，稳定离心实验设计离心时间120min。(6)实验结束后，关闭离心装置，通过回压阀卸去岩心施加的地应力，小心取出岩心。(7)借助岩心驱替实验、核磁共振扫描仪、岩心切片实验分析了岩心离心后孔喉损伤情况。参照图4(a)和图4(b)，以a2岩心切片的分析结果可以看出渗流力作用使得岩石孔径结构发生明显变化，较大的微裂缝扩展，孔喉增大，渗流力对岩石孔隙喉道有明显作用。当前第1页12