油砂岩石的力学参数测试方法与流程

本发明涉及石油开采领域，具体而言，涉及一种油砂岩石的力学参数测试方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展和社会生活的不断进步，大量利用的常规能源的生产规模已不能满足目前市场的需求。在这种严峻的形势下，非常规能源表现出巨大的资源潜力，油砂即是一种非常规能源，而且我国油砂的资源储量非常丰富。

油砂是一种由砂质、沥青、粘土和水等的混合物，油砂和传统的岩石有很大区别，通常表现为油砂储层疏松、塑性较强，采用常规岩石力学方法难以对油砂测取力学参数。

具体地，对油砂进行岩石力学试验以测取力学参数的工作主要存在以下难点：

(1)试件制作困难：在油砂试件制作过程中，取心机钻进油砂岩石过程中产生大量热量，导致沥青熔化，岩心疏松发生形变。

(2)塑性较强：由于油砂容易疏松软化，无法对油砂试件进行单轴抗压试验，必须对油砂试件加载一定的围压和孔压才能进行试验，但围压和孔压的大小不易控制。

(3)加载速率不易控制：由于油砂的破坏方式为剪切破坏，且无明显的破坏强度，因此试验过程中加载速率直接影响油砂的最终破坏形式和破坏强度。

(4)粘土吸附：由于必须加注围压和孔压，导致油砂中的粘土会随孔压的注水而流出并吸附在管壁上造成堵塞注水管道，导致局部压力增大，损坏试验仪器。

(5)隔离困难：油砂由于温敏性较强，常规热缩管加热到300℃左右油砂开始变形，因此无法用传统的热缩管进行样品与围压油的隔离。

综上，鉴于油砂岩石力学试验的种种难题，目前无法准确测试油砂岩石的力学参数，这一定程度上限制了测取油砂岩石力学参数的工作。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种油砂岩石的力学参数测试方法，以解决现有技术中无法准确测试油砂岩石的力学参数的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种油砂岩石的力学参数测试方法，包括以下步骤：对油砂岩石进行取心操作以获得油砂岩心，并对油砂岩心进行打磨处理，其中，在取心操作和打磨处理的过程中进行冷冻操作；对获得的油砂岩心的周向侧面进行封装，并在 油砂岩心的端部安装滤网，以获得油砂试件；将油砂试件安装在试验设备上，对油砂试件进行加载试验，以试验并获取力学参数。

进一步地，冷冻操作为：在对油砂岩石进行取心操作以获得油砂岩心的过程中，利用取心机上的取心筒钻取油砂岩心，并向取心筒喷液氮进行降温处理；在打磨油砂岩心的过程中，利用液氮切割机打磨平整油砂岩心的两个端面。

进一步地，对获得的油砂岩心的周向侧面进行封装为：利用乳胶膜套住油砂岩心的周向侧面，以通过乳胶膜将油砂岩心的周向侧面与外部隔离。

进一步地，在油砂岩心的端部安装滤网为：将滤网分别放置在油砂岩心的两个端面上，利用乳胶膜套住滤网的边沿，其中，滤网与油砂岩心的端面接触。

进一步地，滤网的直径大于油砂岩心的直径。

进一步地，在将油砂试件安装在试验设备上的过程中，油砂试件的轴线与试验设备的测试上压头的轴线在同一条直线上，测试上压头压紧滤网，且乳胶膜套住测试上压头。

进一步地，测试上压头的直径小于或等于滤网的直径。

进一步地，在对油砂试件进行加载试验的过程中，先利用油液浸没油砂试件以使油砂试件达到预定温度，当油砂试件达到预定温度后，再对油砂试件进行加载压力以试验测得力学参数。

进一步地，对油砂试件进行加载压力的过程包括：对油砂试件的侧面加载液压油以施加围压，以试验测得油砂试件的径向位移；对油砂试件的端面加载水压以施加孔压。

进一步地，围压和孔压交替加载。

应用本发明的技术方案，通过冷冻操作使得钻取油砂岩心和打磨油砂岩心的过程中，油砂岩心不会因为温度上升而导致油砂岩心中的沥青熔化而变得疏松，并且通过对油砂岩心进行封装，充分地将油砂岩心与外部进行隔离，然后对制作完成的，且在试验设备安装完成的油砂试件进行加载试验，以准确测试油砂岩石的力学参数。

附图说明

构成本申请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：

图1示出了本发明的油砂岩石的力学参数测试方法的流程框图；

图2示出了根据本发明的油砂试件的实施例的结构示意图；

图3示出了根据本发明的对油砂试件进行力学参数测试的设备结构示意图；

图4示出了图3中对油砂试件进行加载围压测试的围压加载系统的加载油路示意图；

图5示出了图3中的对油砂试件进行加载孔压测试的孔压加载系统的注水管路示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、滤网；2、平衡环；

3、径向位移传感器；4、油砂岩心；

5、测试上压头；6、测试底座；

7、压力室；8、围压加载系统；

9、孔压加载系统；11、第一阀门；

12、第二阀门；13、第三阀门；

14、第四阀门；15、第五阀门；

21、围压油量指示管；22、第一空压机；

23、第二空压机；8′、围压动作器；

31、第一孔压阀门；32、第二孔压阀门；

33、第三孔压阀门；41、孔压水量指示管；

42、空气压缩机；9′、孔压动作器；

16、第六阀门；34、第四孔压阀门。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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。

图4中黑色箭头表示围压加压油流程，空心箭头表示围压泄压的油流程；图5中黑色箭头表示孔压加压水流程，空心箭头表示孔压泄压的水流程。

在本实施例中，钻取油砂岩心的取心机为通用的油砂岩心取心机，打磨油砂岩心端部的液氮切割机为石油开采领域中通用的液氮切割机。

如图2和图3所示，在本发明的油砂岩石的力学参数测试方法中，测试人员将制作完成的如图2所示的油砂试件放在测试底座6上，然后将测试上压头5压紧油砂试件上端的滤网1，然后利用围压加载系统8对油砂试件进行围压加载，通过孔压加载系统9对油砂试件进行加载孔压。在本发明的实施例中，如图2所示，油砂试件的主体为油砂岩心4，油砂岩心4的外侧由平衡环2进行稳定，并且测试油砂岩心4的径向位移的径向位移传感器3围绕在油砂岩心4的中部位置，径向位移传感器3与平衡环2连接形成整体结构。当油砂试件制作完成之后，油砂试件放进压力室7内，并在测试底座6放置好，再将测试上压头5压紧油砂试件。

在本发明中，如图1所示的力学参数测试的流程框图，该力学参数测试方法包括以下过程：

对油砂岩石进行取心操作以获得油砂岩心4，并对油砂岩心4进行打磨处理，其中，在取心操作和打磨处理的过程中进行冷冻操作；其中，在对油砂岩石进行取心操作以获得油砂岩心4的过程中，利用取心机上的取心筒钻取油砂岩心4，并向取心筒喷液氮进行降温处理，且在打磨油砂岩心4的过程中，利用液氮切割机打磨平整油砂岩心4的两个端面。测试人员在地层获取油砂岩石之后，立即将油砂岩石进行冷藏处理，此时，可以利用液氮冷冻，也可以利用干冰冷冻，还可以利用冷冻车进行冷冻。然后利用取心机对油砂岩石进行钻去油砂岩心4的操作，让取心机的取心筒对准需要取油砂岩心4的部位，并控制液氮筒上橡胶捏头，一边喷液氮在取心筒上，一边转动取心筒的把手，匀速地旋转取心筒与油砂岩心4，最后，测试人员将油砂岩心4从取心筒重取出。接着，测试人员将油砂岩心4放在液氮切割机中进行打磨。这样，测试人员加工获得标准的油砂岩心4(25mm×50mm或38mm×76mm的油砂岩心4)。

对获得的油砂岩心4的周向侧面进行封装，并在油砂岩心4的端部安装滤网，以获得油砂试件；在加载围压油过程中，为了保证油砂试件中的油砂岩心4与围压油隔离，利用乳胶膜套住油砂岩心4的周向侧面，以通过乳胶膜将油砂岩心4的周向侧面隔离，将滤网分别放置在油砂岩心4的两个端面上，利用乳胶膜套住滤网的边沿，其中，滤网与油砂岩心4的端面接触。在封装油砂岩心4的过程中，测试人员使用一个略大于油砂岩心4的直径的圆筒将乳胶膜撑开，然后将油砂岩心4放入圆筒内，再缓慢下拉取出圆筒，直至乳胶膜完全套在油砂岩心4上。接着，在油砂岩心4的两端均放置好滤网1，其中，滤网1的直径大于油砂岩心4的直径，并且，滤网1被乳胶膜卡在油砂岩心4的两端。

然后，测试人员将相互连接的径向位移传感器3(并同时安好发射探头)和平衡环2安装在乳胶膜的外侧，在油砂岩心4上连接好径向位移传感器3的数据采集线，启动数据采集控制系统、信号调节控制器。这样，油砂试件制作完成。

将油砂试件安装在试验设备上，对油砂试件进行加载试验，以试验并获取力学参数。测试人员将油砂试件转入轴向加压系统的压力室7中，在测试底座6放置好，调整好测试上压头5的位置，使得油砂试件的轴线与测试上压头5的轴线在同一条直线上，再将测试上压头5压紧滤网，且乳胶膜套住测试上压头5的端部，以密封油砂试件和测试上压头5的端部之间的空隙，此时，测试上压头5的直径与滤网1的直径相等(当然，测试上压头5的直径也可以稍小于油砂试件的直径)。

然后，测试人员利用围压加载系统8和孔压加载系统9对油砂试件进行力学参数测试。在加压进行力学参数测试的过程中，首先加载围压，然后加载孔压(更优选地，围压与孔压交替加载)。

当加载围压过程中，如图4所示，控制第一空压机22和第二空压机23配合开闭，在软件digitaloutput中打开cpairenable，打开第二阀门12、第六阀门16和第三阀门13，并将第一阀门11打向b位置，第五阀门15打向a位置，最后打开第四阀门14，在第二空压机23 的作用下，围压动作器8′的储油箱内的油会被压入压力室7，并通过围压油量指示管21观察围压油的输入量。等压力室7的观察窗全部充满油，，并且没有气泡，说明压力室7充满油，充满油后，等待5到15分钟，以保证压力室7完全充满油，然后关闭第四阀门14。

按照下列步骤启动温度控制器，此时，应保证第二阀门12、第六阀门16和第三阀门13处于开启状态。温度升高，液压油膨胀会部分回流，在温度输入框内输入试验温度，再等待压力室7内的油温达到设置温度值。温度控制器系统默认为们分钟升高1℃，且加热到指定温度后，还需要等到半个小时到一个小时左右，以保证油砂岩心4达到指定温度，即在对油砂试件进行加载试验的过程中，先利用油液浸没油砂试件以使油砂试件达到预定温度，当油砂试件达到预定温度后，再对油砂试件进行加载压力以试验测得力学参数。

然后加载围压，关闭第二阀门12和第三阀门13，启动围压加载系统8，并设置作试验时所需要用到的压力值，等待围压动作器8′将压力室7内的围压压力施加到指定值。建议每间隔5mpa进行加压，每个间隔停顿一会，同时观察油砂岩心4的径向位移的变化，防止一次加压过大。

如图5所示，测试人员接着进行孔压加载操作。保持围压中的第二阀门12和第三阀门13关闭，启动孔压动作其器9′和空气压缩机42，并控制第一孔压阀门31、第二孔压阀门32、第三孔压阀门33和第四孔压阀门34之间的配合开闭，实现向压力室7内的油砂试件加载孔压注水，并通过孔压水量指示管41观察注水的输入量。

即，对油砂试件进行加载压力的过程包括：对油砂试件的侧面加载液压油以施加围压，以试验测得油砂试件的径向位移，对油砂试件的端面加载水压以施加孔压。优选地，围压与孔压交替加载。

在加载围压、孔压的同时，测试人员进行数据采集：将油砂岩心4的轴向位移数据清零，同时将多个径向位移传感器3(优选为三个)的数据清零，调出两个曲线图，一个观察围压的径向位移随时间的变化，另外一个观察应力-应变曲线和泊松比的变化。

压力卸载和压力室7回油：先卸孔压，再卸围压。卸载时同样要时刻注意油砂试件在围压中径向位移变化，泄压后都要调回至位移控制。温度降下来以后，打开第二阀门12、第六阀门16和第三阀门13，第一阀门11和第五阀门15调至adraincell，然后打开第四阀门14进行回油，直至围压油量指示管21中油面回复至原始高度。

测试人员根据以上设计的油砂岩石的力学参数测试方法，调整试验设备的条件，测试人员重复上述的加载围压、孔压操作过程，即可得到不同条件下的油砂岩石力学参数。

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：

本发明的油砂岩石的力学参数测试方法，抑制了油砂中粘土的外溢，也同时采用了针对塑性岩石的加载方法，避免了塑性带来的过快破坏，而且实现了批量试验，本发明在上述的条件下实现了对油砂在原始底层中的温度场和压力场的模拟，对试验室力学模型的建立和现场指导施工都有一定意义。

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。