模拟页岩损伤套管的试验装置及模拟页岩损伤套管的试验方法与流程

1.本发明涉及油气开采技术领域，具体而言，涉及一种模拟页岩损伤套管的试验装置及模拟页岩损伤套管的试验方法。


背景技术：

2.在页岩气的开采过程中，地层滑移导致的剪切型套管损坏事故频发，严重影响了页岩气的开采。目前针对页岩滑移致套损机理的研究主要采用数值解和数值模拟的方法，而通过室内试验手段研究地层滑移剪切型套损的方法较少。常用的实验手段有如下几种：一种是采用高强度膨胀剂模拟地层应力剪切套管的防范；第二种是利用非常态相似理论，解决模型试验中模型尺寸受限制的问题；此外，还有的在地面条件下对套管进行直接剪切试验的。
3.然而，上述这些方法设定的条件要么太理想化，要么考虑的因素太少，无法模拟地下真实情况，测试结果存在较大的误差以致最终得出的数据对于实际操作并没有太大的指导意义。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种模拟页岩损伤套管的试验装置及模拟页岩损伤套管的试验方法，以解决现有技术中的页岩气开采过程中套管容易损坏的问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种模拟页岩损伤套管的试验装置，包括：样本组件，样本组件包括第一页岩样本和第二页岩样本，第一页岩样本和第二页岩样本连接，其中，第一页岩样本上设有第一安装槽，第二页岩样本上设有第二安装槽，第一安装槽与第二安装槽位置对应地设置以围成安装孔；套管，套管设置在安装孔内；第一加载系统，第一加载系统与样本组件连接，以给样本组件施加沿第一预设方向上的作用力；第二加载系统，第二加载系统与样本组件连接，以给样本组件施加沿第二预设方向上的作用力，其中，第二预设方向与第一预设方向相互垂直。
6.进一步地，模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：粘接剂，粘接剂设置在第一页岩样本和第二页岩样本之间，以将第一页岩样本和第二页岩样本粘接连接。
7.进一步地，第一加载系统包括第一加载组件和第二加载组件，样本组件具有两个相对设置的第一侧面和第二侧面，第一加载组件与第一侧面连接，以对第一侧面施加作用力，第二加载组件与第二侧面连接，以对第二侧面施加作用力。
8.进一步地，第一加载组件包括多个第一加载部，多个第一加载部分别与第一侧面上的不同位置连接，第二加载组件包括多个第二加载部，多个第二加载部分别与第二侧面上的不同位置连接，其中，多个第一加载部与多个第二加载部一一对应地设置。
9.进一步地，模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：控制器，控制器与多个第一加载部和多个第二加载部均连接，以分别控制各个第一加载部和各个第二加载部对样本组件施
加作用力。
10.进一步地，模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：第三加载系统，第三加载系统与样本组件连接，以给样本组件施加沿第三预设方向上的作用力，其中，第三预设方向垂直于第一预设方向和第二预设方向所在的平面。
11.进一步地，模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：供水组件，供水组件与套管连接，以向套管内注入预设压力的水。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种模拟页岩损伤套管的试验方法，包括：步骤s1：将第一页岩样本和第二页岩样本采用粘接胶粘在一起以形成样本组件，并在第一页岩样本和第二页岩样本之间的连接处开设安装孔，以安装套管；步骤s2：对样本组件施加作用力，以使第一页岩样本和第二页岩样本在连接处发生滑移，以对安装孔内的套管进行剪切。
13.进一步地，模拟页岩损伤套管的试验方法还包括在步骤s1和步骤s2之间的步骤s11，步骤s11：对样本组件的x轴方向、y轴方向和z轴方向分别施加围压，并检测样本组件在x 轴方向、y轴方向和z轴方向上的位移变化。
14.进一步地，在步骤s2中，仅对第一页岩样本或第二页岩样本施加沿第一预设方向上的作用力，并检测第一页岩样本和第二页岩样本之间的相对位移变化。
15.进一步地，在步骤s2中，对样本组件相对设置的第一侧面和第二侧面分别施加第一剪切力和第二剪切力，其中，第一剪切力和第二剪切力的施加方向相反且第一剪切力和第二剪切力的施加位置不在同一水平面上。
16.进一步地，模拟页岩损伤套管的试验方法还包括在步骤s1和步骤s11之间的步骤s10，步骤s10：向套管内注入预设压力的水，以模拟样本组件的压裂过程。
17.应用本发明的技术方案的模拟页岩损伤套管的试验装置，以探究页岩滑移对设置在其中的套管的损伤机理，从而在设计套管或安装套管时提前避免这些损伤，保护套管，具体的，该试验装置选取一个矩形的样本组件，然后沿对角线方向斜向切开，以模拟页岩断层对套管的影响，样本组件内设有用于安装套管的安装孔，在切开时，要把该安装孔切割成两部分，并分别位于第一页岩样本和第二页岩样本上，第一加载系统和第二加载系统模拟样本组件周围的页岩给样本组件施加围压，其中，第一加载系统对样本组件水平位置沿x轴的相对两侧施加一对方向相反的作用力，第二家在系统对样本组件水平位置沿y轴的相对两侧施加一对方向相反的作用力，从而对样本组件的四个侧边分别时间围压，以模拟页岩组件受到水平力时，对内部的套管产生的影响。
附图说明
18.构成本技术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：
19.图1示出了根据本发明的模拟页岩损伤套管的试验装置的实施例的连接示意图；
20.图2示出了本发明的模拟页岩损伤套管的试验装置的实施例的部分结构示意图；
21.图3示出了本发明的模拟页岩损伤套管的试验方法中沿第一预设方向上单侧剪切的示意图；
22.图4示出了本发明的模拟页岩损伤套管的试验方法中沿第一预设方向上双侧剪切的示意图。
23.其中，上述附图包括以下附图标记：
24.10、样本组件；11、安装孔；12、第一侧面；13、第二侧面；20、套管；30、第一加载系统；31、第一加载组件；311、第一加载部；312、第一压力表；32、第二加载组件；321、第二加载部；322、第二压力表；40、第二加载系统；50、第三加载系统；51、第三压力表；60、供水组件；61、注水泵；62、供水压力表；70、控制器；80、位移传感器；90、夹持器。
具体实施方式
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术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。
26.为了解决现有技术中的页岩气开采过程中套管20容易损坏的问题，本发明提供了一种模拟页岩损伤套管的试验装置及模拟页岩损伤套管的试验方法。
27.请参考图1至图4，一种模拟页岩损伤套管的试验装置，包括：样本组件10，样本组件 10包括第一页岩样本和第二页岩样本，第一页岩样本和第二页岩样本连接，其中，第一页岩样本上设有第一安装槽，第二页岩样本上设有第二安装槽，第一安装槽与第二安装槽位置对应地设置以围成安装孔11；套管20，套管20设置在安装孔11内；第一加载系统30，第一加载系统30与样本组件10连接，以给样本组件10施加沿第一预设方向上的作用力；第二加载系统40，第二加载系统40与样本组件10连接，以给样本组件10施加沿第二预设方向上的作用力，其中，第二预设方向与第一预设方向相互垂直。
28.本发明提供了一种模拟页岩损伤套管的试验装置，以探究页岩滑移对设置在其中的套管 20的损伤机理，从而在设计套管20或安装套管20时提前避免这些损伤，保护套管20，具体的，该试验装置选取一个矩形的样本组件10，然后沿对角线方向斜向切开，以模拟页岩断层对套管20的影响，样本组件10内设有用于安装套管20的安装孔11，在切开时，要把该安装孔11切割成两部分，并分别位于第一页岩样本和第二页岩样本上，第一加载系统30和第二加载系统40模拟样本组件10周围的页岩给样本组件10施加围压，其中，第一加载系统30对样本组件10水平位置沿x轴的相对两侧施加一对方向相反的作用力，第二家在系统对样本组件10水平位置沿y轴的相对两侧施加一对方向相反的作用力，从而对样本组件10的四个侧边分别时间围压，以模拟页岩组件受到水平力时，对内部的套管20产生的影响。
29.模拟页岩损伤套管的试验装置还包括粘接剂，粘接剂设置在第一页岩样本和第二页岩样本之间，以将第一页岩样本和第二页岩样本粘接连接。
30.本实施例中采用粘接剂将切开后的样本组件10在粘接起来，粘接剂起到模拟页岩断层相互移动时两个断层之间的摩擦力，如果是一整块页岩组件，则对其施加作用力无法观察到内部套管20的受力情况，而如果不采用粘接剂，对第一页岩样本或第二页岩样本施加力则直接作用于套管20，无法模拟真实环境，因此，本实施例中采用适合的粘接剂以模拟断层之间的摩擦力，然后观察施加剪切力多大才会对套管20造成损伤。
31.第一加载系统30包括第一加载组件31和第二加载组件32，样本组件10具有两个相对设置的第一侧面12和第二侧面13，第一加载组件31与第一侧面12连接，以对第一侧面12施加作用力，第二加载组件32与第二侧面13连接，以对第二侧面13施加作用力。第一加载组件31包括多个第一加载部311，多个第一加载部311分别与第一侧面12上的不同位置连接，第二加载组件32包括多个第二加载部321，多个第二加载部321分别与第二侧面13上的不同
位置连接，其中，多个第一加载部311与多个第二加载部321一一对应地设置。
32.如图2和图3所示，本实施例中的第一加载系统30和第二记载系统的加载方式基本一致，区别在于对其不同的位置施加力，以第一加载系统30为例说明，第一加载系统30包括两个相对设置的第一加载组件31和第二加载组件32，每个加载组件包括沿竖直方向上的上、中、下三个第一加载部311，以分别对不同高度的页岩施加压力，从而模拟对样本组件10施加剪切力时样本组件10内的受力影响。
33.模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：控制器70，控制器70与多个第一加载部311和多个第二加载部321均连接，以分别控制各个第一加载部311和各个第二加载部321对样本组件 10施加作用力。
34.本实施例中试验装置还包括控制器70，控制器70与第一加载系统30、第二加载系统40、第三加载系统50和供水组件60均连接，以控制向套管20内加入液体的压力，同时控制各个加载系统上各个加载部对样本组件10所施加的力的大小。
35.此外，第一加载系统30内的各个第一加载部311上设有第一压力表312，第二加载系统 40内的各个加载部上设有第二压力表322，第三加载系统50内的各个加载部上设有第三压力表51，供水组件包括注水泵61和供水压力表62，控制器70分别与注水泵61、供水压力表 62、第一压力表312、第二压力表322和第三压力表51分别控制连接，以对整个装置进行控制。
36.模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：第三加载系统50，第三加载系统50与样本组件 10连接，以给样本组件10施加沿第三预设方向上的作用力，其中，第三预设方向垂直于第一预设方向和第二预设方向所在的平面。
37.第三加载系统50分为上下两部分，下半部分包括底活塞、底堵头、位移组件和底部支撑，以通过对样本组件10的底部施加压力以观察对套管20的影响，第三预设方向为竖直的z轴方向。
38.模拟页岩损伤套管的试验装置还包括：供水组件60，供水组件60与套管20连接，以向套管20内注入预设压力的水。
39.通过供水组件60以模拟套管20在运行时内侧输送液体的压力，从而使整个试验装置和环境达到真实环境，保证试验效果和结论的可靠性。
40.本发明还提供了一种模拟页岩损伤套管的试验方法，包括步骤s1：将第一页岩样本和第二页岩样本采用粘接胶粘在一起以形成样本组件10，并在第一页岩样本和第二页岩样本之间的连接处开设安装孔11，以安装套管20；步骤s2：对样本组件10施加作用力，以使第一页岩样本和第二页岩样本在连接处发生滑移，以对安装孔11内的套管20进行剪切。
41.本发明采用上述的页岩损伤套管的试验装置对套管20进行试验，使用时先处理样本组件 10，分割并粘接在一起，然后将套管20插设在安装孔11内，之后对样本组件10施加作用力，同时检测组件检测套管20受力后的变换，该试验装置的检测组件包括激光扫描仪、位移检测器等，以对样本组件10的形变和套管20的受力进行检测分析。
42.模拟页岩损伤套管的试验方法还包括在步骤s1和步骤s2之间的步骤s11，步骤s11：对样本组件10的x轴方向、y轴方向和z轴方向分别施加围压，并检测样本组件10在x轴方向、y轴方向和z轴方向上的位移变化。在步骤s2中，仅对第一页岩样本或第二页岩样本施加沿第一预设方向上的作用力，并检测第一页岩样本和第二页岩样本之间的相对位移变
化。在步骤s2中，对样本组件10相对设置的第一侧面12和第二侧面13分别施加第一剪切力和第二剪切力，其中，第一剪切力和第二剪切力的施加方向相反且第一剪切力和第二剪切力的施加位置不在同一水平面上。
43.本实施例中，可分步对页岩样本施加压力，根据一种方式为，先对页岩样本的x轴方向施加作用力，然后观察样本组件10和套管20的变化，在对x、y两个方向同时施加压力进行检测和观察，最后对x、y和z方向施加围压并观察检测，此外，在对样本组件10的各个方向上施加剪切力，如图3所示，可以采用单侧施加剪切力，也可以采用双侧施加剪切力，参考图4所示。
44.模拟页岩损伤套管的试验方法还包括在步骤s1和步骤s11之间的步骤s10，步骤s10：向套管20内注入预设压力的水，以模拟样本组件10的压裂过程。
45.供水组件60包括注入泵和供水压力表，控制器70控制注入泵按照预设好的压力值向套管20内注入水，供水压力表实时监测供水管路内的水压。
46.本发明中的试验装置还包括多个位移传感器80，多个位移传感器80分别与第一加载系统 30、第二加载系统40和第三加载系统50连接，以检测各个加载系统在加压后，样本组件10 沿各个加载作用力方向上的变化，以第一加载系统30为例，第一加载系统30采用液压控制压力，以推动加载板组件对样本组件10施加作用力，其中，第一加载组件31包括多个第一加载板，每个第一加载板上均设置有位移传感器80，第二加载组件32包括多个第二加载板，各个第二加载板上也分别设置有位移传感器80，位移传感器80通过检测相应加载板的位移变化，来判断样本组件10的体积变化。
47.第一预设方向、第二预设方向和第三预设方向分别对应x轴方向、y轴方向和z轴方向。
48.本发明中的模拟页岩损伤套管的试验方法采用上述任意一种的模拟页岩损伤套管的试验装置进行试验。
49.本发明的试验方法包括：将页岩样本斜向切开，然后用胶粘起来；将压裂套管20放入到页岩样本的压裂腔内，通入预设压力的水，并检测所述页岩样本的受力和体积变化；沿z轴方向上对所述页岩样本的表面施加第一预设应力，并检测所述页岩样本的受力和体积变化；沿y轴方向上对所述页岩样本的表面施加第一预设应力，并检测所述页岩样本的受力和体积变化；沿x轴方向上对部分地所述页岩样本的表面施加第一预设应力，并检测所述页岩样本的受力和体积变化；
50.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：
51.本发明提供了一种页岩滑移致套损机理仿真模拟试验装置，包括物模装置本体、高压注入系统、围压加载系统、软件系统。
52.物模装置本体包括套损模拟夹持器90、拆卸模块；物模装置本体是一种能够真正模拟地下岩石应力状况的多用途样本组件10夹持装置,用于模拟地层非均匀地应力和油藏条件。
53.套损模拟夹持器90，包括螺栓螺母、上盖、样本组件10上部、样本组件10下部、下推板、底活塞、底堵头、位移组件和底部支撑，用于模拟页岩滑移过程中剪切破坏导致的套管 20损伤；套损模拟夹持器90独特的设计可以实现单剪切和双剪切两种剪切模式，从而研究不同剪切模式下的套管20损伤；夹持器90尺寸为1660mm
×
1660mm
×
1800mm,样本组件10规
格为500mm
×
500mm
×
500mm，能满足大尺寸样本组件10实验的需要。
54.供水组件60采用高压注入系统，包括高精度恒流恒压泵、预增压泵、活塞容器、管汇单元、应力测量模块，可以模拟页岩水力压裂。
55.围压加载系统，包括高精度恒压计量泵，提供最大围压50mpa；所述的高精度恒压计量泵，用于三向的应力加载，为真三轴应力条件下的各种实验试验提供支持；可由计算机设置自动加载功能，具备恒压及恒流等控制模式，且三个轴向可分别单独加载，为实验提供恒压和恒流不同控制模式，有利于研究不用实验条件下页岩滑移导致的套管20损伤。
56.软件系统，包括数据采集模块和数据处理模块，可以采集压力、温度、位移、流量等数据，实现3d流程显示、数据处理、图表保存等功能。
57.本发明的页岩滑移致套损机理仿真模拟方法，包括：通过围压加载系统向设置在套损模拟夹持器90中的页岩样品在x、y、z三个方向施加压力，模拟地层最大水平地应力、最小水平地应力和上覆岩层压力；通过高压注入系统向设置在套损模拟夹持器90中的模拟套管20 注水，模拟页岩压裂过程；通过软件系统进行数据采集与处理。
58.本技术提供的一种页岩滑移致套损机理仿真模拟装置与方法，通过将页岩样品设置在套损模拟夹持器90中，再利用不同方向上的围压加载系统施加不同方向的剪切应力，模拟页岩剪切破坏过程，从而研究页岩滑移剪切与套管20损伤之间的关系。
59.本发明具有以下优点：
60.1、套损模拟夹持器90设计新颖、先进，可以实现单剪切、左右双剪切多种剪切功能；
61.2、夹持器90尺寸设计增大，满足大尺寸样本组件10实验的需要，更加真实反映地层实际情况；
62.3、配套高精度恒压计量泵，可以实现恒压及恒流控制模式的自由转换。
63.本发明的页岩滑移致套损机理仿真模拟装置与方法具体包括以下步骤：
64.如图3和图4，初始状态保证套损模拟夹持器90中的活塞都在最底部或最外沿；
65.如图3和图4，在套损模拟夹持器90中装入样本组件10；
66.打开z轴方向的围压加载系统，压力可设定，保持所有压力、位移监测；
67.打开y轴方向的围压加载系统，压力可设定，保持所有压力、位移监测；
68.保持z、y轴围压加载系统高压恒压，保持所有压力、位移监测；
69.单侧剪切模式：
70.①
如图4，打开x轴方向的围压加载系统，只打开最底层的第一加载部311，压力可设定，保持所有压力、位移监测；
71.②
如图4，选择x轴方向的围压加载系统的恒压或恒速模式，打开第一加载部311后，完成单侧剪切，压力可设定，保持所有压力、位移监测；
72.需要说明的是位移超过设定值，剪切停止；压力位移实时保存；
73.双剪切模式：
74.打开x轴方向的围压加载系统，只打开第一加载组件31中最下端第一加载部311和第二加载组件32中最上端和中间的第一加载部311，压力可设定，保持所有压力、位移监测；
75.需要说明的是位移超过设定值，剪切停止；压力位移实时保存；
76.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
77.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
78.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
79.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
80.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
81.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。