一种高温三轴岩心水力致裂夹持器及其使用方法与流程

本发明专利涉及岩心测试设备，尤其是一种高温三轴岩心水力致裂夹持器及其使用方法。

背景技术：

随着我国地下资源开采技术的日益成熟，地底储藏绝大部分热源的干热岩被视为未来我国资源结构的重要组成部分，相关理论和实践的完善对于干热岩的开发至关重要。室内试验不仅理论研究的基础，也为现场生产提供了有效的模拟场景。其中，岩心夹持器作为地质岩心相关试验最常用的基础设备之一，其性能决定着所能开展试验的类型和条件。

广义上称温度处于150-650度的地底岩体为干热岩，而就目前来看最具经济开发效益的温度应为200-300度左右。水力致裂是目前干热岩开发的重要技术手段，而在实验室条件下，为准确模拟干热岩的所处环境，除三轴应力外，最主要因素的即温度应达到目前干热岩开发的主要温度范围。但目前，多数岩心夹持器仅能给岩心施加三轴应力作用，而部分高温夹持器则仅能提供最高温度为180度的高温环境，且多数高温夹持器无法用于开展岩心的水压致裂试验。目前的仪器尚不能充分模拟实际干热岩的赋存条件，由此得出的结论尚难以应用于实际中。

造成目前多数夹持器难以进行三轴应力和高温条件下的岩心水力致裂试验的主要原因为：(1)包裹岩心的方式难以同时承受三轴应力和高温的作用并实现岩心水力致裂。多数高温夹持器常采用紫铜套来包裹岩心，而此方法的缺点一方面在于紫铜套刚度较大、恢复形变的能力较差，若其发生较大的变形则无法继续使用。而对于水力致裂试验而言，在岩样破坏的瞬间极易发生局部岩块崩落使注入水力直接冲击包裹岩心的紫铜套，造成原先均匀包裹岩心的紫铜套在外部应力和内部水力的冲击下易发生一定的变形，随着试验次数的增加极易使紫铜套失效；另一方面则在于大于200度的高温条件下所产生的热应力使得上述的问题被进一步放大；(2)岩心腔密封性差。一方面对于不够标准的圆柱样岩心采用紫铜套包裹易在局部留下空隙，使密封性难以保证；另一方面则在于致裂接头部分的密封往往采用o形圈封堵后填充密封胶的方式进行密封，但o形圈除在高温环境下寿命难以保证外，其与密封胶之间的粘结效果也难以满足要求，当注入的水压大于围压时极易发生泄露，造成试验失败。若再加上外部高温条件，将因密封材料耐热性不足等原因使得密封的难度进一步加大。

综上，目前夹持器在干热岩室内试验应用中主要存在可施加环境温度不高、难以同时施加三轴应力-温度作用、水力致裂试验环境密封性差、部件材料寿命较短的问题。因此，鉴于上述困难，在此基于室内试验经验和岩心夹持器的实际应用，提供一种新的三轴应力和高温条件下的岩心水力致裂夹持器，在满足干热岩模拟所需的三轴应力和高温的条件的同时保证其内部岩心包裹的密封性，并在外部监测部件的监测下顺利完成三轴应力和高温条件下的岩心水力致裂试验且保证包裹材料不发生破坏而缩短其使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高温三轴岩心水力致裂夹持器及其使用方法，旨在解决目前夹持器在干热岩室内试验应用中所主要存在的可施加温度不高、难以同时施加三轴应力-温度作用、水力致裂试验环境密封性差、部件材料寿命较短的问题。

为达到上述目的，本发明提供的是一种高温三轴岩心水力致裂夹持器，包括筒体部件、高温胶套、监测组件、加热套及致裂接头。

包括筒体部件、高温胶套、监测组件、加热套和致裂接头；所述的夹持器筒体部件包括左堵头和右堵头，左堵头由两部分组成，第一部分为带有螺栓连接孔的圆柱件，圆柱件自其中一个水平端面中心向内切削出一个外径逐步变小的阶梯圆柱槽并贯穿至另一水平端面；左堵头的第二部分为阶梯圆柱件，阶梯圆柱件外部轮廓与左堵头的第一部分的圆柱件的阶梯圆柱槽内部轮廓相同；左堵头的第二部分即阶梯圆柱件穿过左堵头的第一部分的圆柱件的阶梯圆柱槽与圆柱件进行配合。

夹持器筒体部件的右堵头由两部分组成，第一部分为阶梯圆柱件，所述的阶梯圆柱件在外径较小的一端自水平端面中心处向内切除出一个圆柱槽，在圆柱槽的底端向内钻一小于圆柱槽内径的螺纹孔；右堵头的第二部分为一圆柱杆件，圆柱杆件的一端带有螺纹，且所述的带有螺纹的圆柱杆件的一端的外部轮廓与第一部分阶梯圆柱件的圆柱槽及圆柱槽底端螺纹孔的内部轮廓相同；右堵头的第二部分即圆柱杆件的带有螺纹的一端与第一部分的阶梯圆柱外径较小端的水平端面上的圆柱槽底部的螺纹孔通过螺纹进行配合；左堵头的外径最大的水平端面的中心处设置有一个内径与致裂接头外径较小端外径相等的盲孔，盲孔用来与致裂接头进行配合；所述的左堵头自某一水平端面中心处有一圆孔贯穿至另一水平端面；所述的右堵头自某一水平端面中心处有一圆孔贯穿至另一水平端面。

所述的右堵头在筒体内可沿筒体的轴向进行移动，左堵头和右堵头分别通过锥形环与高温胶套进行配合形成密闭的可承受外部三轴应力和高温条件的岩心压裂试验腔；所述的锥形环的外径最小端的圆环内径与堵头外径相同；左堵头和右堵头从锥形环的外径最大端穿过锥形环的最小端与岩心相接触；锥形环的外径最小端挤入高温胶套内形成整体。

所述的致裂接头为一阶梯圆柱件，自某一水平端面中心处有一圆孔贯穿至另一水平端面，所述的贯穿两个端面中心处的圆孔内径与左堵头的贯穿两个端面中心处的圆孔内径相等；所述的阶梯圆柱件外径较小的一端的外径与左堵头的外径最大的水平端面的中心处设置的盲孔的内径相等；所述的阶梯圆柱件的外径较大的一端外部经切削沿轴线方向形成螺旋形凹槽。

岩心水力压裂夹持器可进行三轴应力和高温条件同时作用下的岩心水力致裂试验，三轴应力最大值分别为：轴压为25mpa，围压为20mpa，高温条件最高为300度。

所述的一种高温三轴岩心水力致裂夹持器的夹持器筒体部件、致裂接口和加热套材料均为316l耐高压高温材料，临界压力和温度分别为60mpa和350℃；所述的高温胶套材料为耐高温全氟醚橡胶，临界压力和温度分别为30mpa和350℃。

所述的一种高温三轴岩心水力致裂夹持器的致裂接头与左堵头和岩心的配合方式为：将致裂接头即阶梯圆柱件的外径较小的一端插入左堵头的盲孔内，外径较大的一端插入岩心端面中心处预先设置有一内径不小于阶梯圆柱件最大外径的盲孔内，并通过耐高温无机胶进行粘结。

所述的一种高温三轴岩心水力致裂夹持器在高温高压下的水力致裂试验方法，其具体实验过程如下：(1)首先准备试验用的样品。所用的试验样品为直径50mm、长度100mm的圆柱体岩心，对岩心的两端进行磨平后自其某一水平端面沿轴线自中心向内钻一直径为8-10mm、长度为40-50mm的盲孔。(2)其次，将试样样品利用高温无机胶将致裂接头固定在盲孔内并将所述的左堵头和右堵头及锥形环配合在高温胶套两端，再利用螺栓将堵头部件在夹持器筒体上进行固定。随后将安装好的筒体与加热套和保温套进行组装。将各温度探头依次伸入温度监测口内。(3)其次，利用平流泵进行围压和轴压的施加，当压力达到要求后，将轴压进程接口和围压接口关闭。随后通过外部电源对加热套上的加热电阻进行加热，间接传导至筒体内的岩心。在加热过程中通过外部压力放空装置不断微调围压和轴压的大小保证试验精度。当温度达到所需要求后即设置为保温状态。(4)最后，当外部施加环境作用稳定后，利用平流泵通过左堵头的贯穿两个水平端面中心的圆孔向岩心盲孔内注入水压。通过外部仪表及电脑设备观察注入流体的压力和温度的变化情况。当水压突降时意味着试验完成。此后将注入压力逐渐降为零，再卸掉围压，最后卸掉轴压。待温度自然累却后再将岩样取出。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1、试验场合即岩心腔具有高密封性。三轴应力-高温条件下的岩心水力致裂试验要求试验发生的场所即岩心腔需具备高密封性，且组合成岩心腔的结构需可承受一定程度的形变以抵抗试验结束后来自致裂水力的冲击和外部应力的作用。相比于常规高温夹持器所用的紫铜套，全氟醚橡胶材料除可耐更高的温度外，还具有较好的耐变形的特性，可更好地贴合岩心的外部轮廓，避免由于胶套与岩心间的空隙造成外部应力不可均匀施加在岩心上，同时也可承受试验结束后在内部水力作用和外部应力作用下的较大变形，保证使用寿命。

但全氟醚橡胶材料在加工时需经历长时间的硫化作用，造成其在常温状态下呈现出较坚硬的状态，但其两端出口在加工后不一定呈完美的圆形，因此如何保证其在端部与外部堵头及内部岩心间的密封性则变成了新的问题。基于全氟醚橡胶材料常温下较坚硬却可承受一定形变的特点，将锥形环向高温胶套内挤压，把锥形环外径较小的一端作为岩心与堵头的出口，锥形环经精加工后可保证其精度可保证其较小端的内径与堵头进行很好的配合。而在两端受挤压的高温胶套也不会影响其后期使用，且挤压作用相当于预先在胶套内施加了一定的拉应力，此拉应力可使其产生收缩的趋势从而更好地贴合在锥形环上。

此外，将左堵头分成两个部分的目的在于，利用第二部分的阶梯圆柱件去承受轴压的作用而不使整体产生较大的位移，有利于密封；同样地，右堵头作为轴压的施加部件，刚度较高且重量较大，将其分为两部分主要为保证与岩心接触的端面的平整度以提高密封，而第二部分则可独立拆卸有利于减轻结构的重量。

且本发明所提出的一种新的水力致裂接头，可避免传统的o形圈密封所存在质量控制难、使用寿命难确定等问题，主要采用在接头插入岩心盲孔内的部分采用螺旋线对其表面进行切割处理的方式去增大接头与粘结剂间的粘结强度，相较于传统方法可更有效地发挥粘结剂的作用且处理方法简单有效。因此，基于密封性的考虑及以所用材料为基础，对岩心腔的结构如上合理的设计从而实现三轴应力-高温条件下的岩心水力致裂试验。

2、本发明可在三轴应力施加的同时施加最高为300度的高温，基于所采用的橡胶材料和筒体、连接件等材料，可保证装置的长时间耐热性能，同时基于以上所提出的结构，利用外部监测控件对试验过程中岩心及筒体的温度进行实时监测，更有利于对试验过程进行分析和及时发现过程中的问题。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明三轴应力和温度下岩心水力致裂夹持器的剖面结构示意图；

图2为本发明的压裂接头的结构示意图；

图3为本发明的加热套的结构示意图；

图4为本发明的左堵头部件的结构示意图；

图5为本发明的右堵头部件的结构示意图。

附图标记说明：

1-调节螺母；2-紧固螺栓；3-左锥形环；4-左堵头；5-1号岩心测温接口；6-2号岩心测温接口；7-3号岩心测温接口；8-岩心；9-右堵头；10-高温胶套；11-三轴活塞；12-右活塞腔体；13-右压块；14-轴压进程接口；15-轴压回程接口；16-右锥形环；17-筒体；18-筒体控温接口；19-围压接口；20-4号岩心测温接口；21-致裂接头；22-加热套；23-保温套；24-保温层；25-端盖；26-耐高温o形圈；27-加热电阻。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

1、高温三轴岩心水力致裂夹持器结构

参考图1为本发明三轴应力和温度下岩心水力致裂夹持器的剖面结构示意图。如图1所示，在此实施例中夹持器主体包括调节螺母1、紧固螺栓2、左锥形环3、左堵头4、1号岩心测温接口5、2号岩心测温接口6、3号岩心测温接口7、4号岩心测温接口20、右堵头9、高温胶套10、三轴活塞11、右压块13、轴压进程接口14、轴压回程接口15、右锥度环16、夹持器筒体17、筒体控温接口18、围压接口19、致裂接头21、加热套22、保温套23及端盖25。所测试岩心8直径为50mm，长度为100mm，从左端部沿轴心有一直径与致裂接头外径相等、深度为40-50mm的盲孔。

图2为致裂接头21的结构示意图。致裂接头21直径较小的一端上设有两道耐高温o形圈26以与左堵头4进行定位配合，直径较大的一端则为伸入岩心盲孔内进行粘结的部分，并自轴端起利用螺旋线对其表面进行切割形成螺旋形凹槽以增大与粘结剂之间的粘结力。图3和图4分别为左堵头4和右堵头9的结构示意图。左堵头4设计为两个结构配合而成，主要为在不影响岩心在轴线上的移动的同时保证岩心腔的密封性，同时为增强结构自身的密封性，在致裂接头21插入左堵头4的一端利用两道耐高温o形圈26进行配合。而右堵头则主要为保证岩心腔的密封性及减少重量，方便装卸。

致裂接头21、左堵头4和右堵头9在筒体17内安装定位后三者的轴线相同且各自沿轴线贯穿结构的小孔也相同。其中左堵头4与右堵头9的各自一端分别通过螺栓定位并固定在夹持器筒体17上，同时在左堵头4与右堵头9各自的另一端分别利用左锥形环3和右锥形环16挤压入高温胶套8内后，将左堵头4与右堵头9分别穿过左锥形环3和右锥形环16并抵住岩心的两端。左锥形环3和右锥形环16上设有o形圈以确保锥形环与筒体17间的密封。由于左堵头4与右堵头9与筒体17已被固定，因此在在高温胶套8内形成了密闭的岩心腔。

三轴应力通过平流泵进行加压。轴压的施加为机械作用，通过将液体泵入轴压进程接口14内推动右堵头部件9向左堵头部件4方向进行相对移动直接作用在岩心端面上，当达到所需轴压后将轴压进程接口14关闭。当轴压需卸载时则通过轴压回程接口15将液体导出。在达到所需轴压后，利用三轴活塞11可实现将轴压泵源切换为围压泵源，通过将液体泵入围压接口19内直接作用在高温胶套8上，使高温胶套8发生形变并向内挤压岩心以施加环向围压作用。

图5为加热套22的结构示意图。加热套22的内径与筒体17外径相同。加热套22与保温套24的间隙间铺设石棉层避免提高试验安全系数。加热时通过外部电源对加热电阻27进行加热，使其通过热传导将热量传入筒体内的高温胶套8，进而对岩心进行加热处理。

筒体17上共设有四个岩心测温接口5、6、7、20，将外部测温探头直接伸入筒体17内与高温胶套8的表面进行接触，可对试验过程中岩心四个区域的温度变化进行监测。同时为了保证测试温度的准确性和试验过程的安全性，在筒体上设有控温接口18以方便测温探头监测筒体17的温度。当达到试验要求温度并稳定后岩心测温接口5、6、7、20和加热套22间两者所测得的温度应大体一致，若相差较大则可说明密封不合格或仪器出现故障，有利于及时解决。

仪器中管阀件、筒体17、致裂接口21和加热套22材料均为316l耐高压高温材料，临界压力和温度分别为60mpa和350℃；内部包裹岩心的胶套及结构内部的o形圈材料均为全氟醚橡胶，临界压力和温度分别为30mpa和350℃。以上材料可使试验在三轴压力及温度最大值分别为轴压25mpa、围压20mpa及温度300度的条件下安全稳定地完成岩心水力致裂试验。

2、试验过程：

本实施例的具体实施步骤如下：

(1)首先准备试验用的样品。所用的试验样品岩心8为直径50mm、长度100mm的圆柱体岩心，对岩心的两端进行磨平后自其某一水平端面沿轴线自中心向内钻一直径为8-10mm、长度为40-50mm的盲孔。

(2)其次，将试样样品岩心8利用高温无机胶将致裂接头21固定在盲孔内并将所述的左堵头4和右堵头9及左锥形环3和右锥形环16配合在高温胶套10两端，再利用螺栓将左堵头4和右堵头9在夹持器筒体17上进行固定。随后将安装好的部分与加热套22和保温层24进行组装。将各温度探头依次伸入温度监测口内。

(3)再次，利用平流泵进行围压和轴压的施加，当压力达到要求后，将轴压进程接口14和围压接口19关闭。随后通过外部电源对加热套22上的加热电阻27进行加热，间接传导至筒体内的岩心8。因在加热过程中温度的变化将使已泵入的作为环压和轴压媒介的流体产生热膨胀等变化，使得已施加的围压和轴压增大。针对此问题，通过外部压力放空装置不断微调围压和轴压的大小可较好保证试验精度。当温度达到所需要求后即设置为保温状态。

(4)最后，当外部施加环境作用稳定后，利用平流泵通过左堵头4的贯穿两个水平端面中心的圆孔向岩心8的盲孔内注入水压。通过外部仪表及电脑设备观察注入流体的压力和温度的变化情况。当水压突降时意味着试验完成。待温度自然累却后再将岩样取出。

本发明可进行岩心在高温高压条件下的水力致裂试验并实时监测注入流体的压力和温度、岩心沿轴向上各点的温度，试验成功率有保证、计量误差小。基于本发明的结构和作用方式，本发明可用于研究注水过程中的储层裂隙萌生扩展机理，并有效揭示岩心致裂过程中的裂隙特征，为实际生产中干热岩储层损伤机理提供理论和实验依据。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。