[发明专利]在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法

说明书

本发明提供的用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，包括设置在三轴室底盘上的下压头和轴向压杆作用其上的上压头，上压头和下压头均设计有压力水流道，其特征在于还包括套置在岩石试样外防止压力水混入三轴室内围压油的防泄套和渗透板，所述防泄套的上下两端固定在上压头和下压头上；所述渗透板上分布有压力水渗流孔，设置在压力水出流端的岩石试样与压头之间；上压头和下压头之一为组合结构压头，由作用于岩石试样的作用压头和转换压头构成，作用压头与转换压头通过凸凹嵌插结构联接。本发明还提供了适用于上述装置的岩石试样以及基于上述装置于常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的方法，以实现在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验。

技术领域

本发明属于水力压裂室内实验领域，具体涉及在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法。

背景技术

天然气作为一种优质高效的清洁能源，在我国能源结构中占据十分重要的地位，但短期内，我国常规天然气开采能力无法与快速增长的需求相匹配，亟需加大非常规天然气的勘探开发。而非常规天然气储层多具有“低孔、低渗”等特点，因此非常规天然气开采的核心技术之一便是储层的压裂增渗，而水力压裂技术是当前储层压裂改造中最为成熟的技术手段。

目前鲜有看到基于常规岩石力学试验机顺利完成水力压裂室内实验的报道。在常规岩石力学试验机(普通三轴实验系统)上直接开展水力压裂实验需将岩石试样直接粘接在试验机渗透压头上，在对岩样进行水力压裂时，由于所需的流体压力必须大于试样所受最小主应力(σ3)，即试样所受到的水压压力高于围压，从而导致包裹试样的防泄套(隔油膜)与试样脱离，水压水和围压油混合在一起导致实验失败，甚至可能造成设备损坏等。因此目前水力压裂室内实验一般在真三轴实验系统上完成，所用试件形状为平行六面体。然而，井下取出的岩芯为圆柱体试样，加工成六面体试件过程中需经过切割、打磨等一系列繁琐的工序，对岩石造成不必要的损伤，且加工完成后试样尺寸也会缩减。并且，真三轴实验系统对试件各个面的平行度和垂直度要求很高，无论是利用岩芯还是露头加工岩石试件都会面临加工困难、加工成本较高等问题。真三轴实验系统自身价格十分昂贵，且对包裹试样的防泄套要求较高，这又增加了实验成本。此外，真三轴实验系统进行实验时操控难度较大、实验精度低。这些都一定程度上限制了水力压裂技术的研究深度。

因此，开发一种新的水力压裂实验方法以期能够在常规岩石力学试验机上开展水力压裂实验研究具有重要意义。

发明内容

针对现有水力压裂实验技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，以实现在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验；本发明的第二个目的是提供适用于上述装置的岩石试样，以顺利开展水力压裂实验；本发明的第三个目的是提供一种利用上述装置在常规岩石力学试验机上开展水力压裂实验的方法，以缩减试验成本与时间，简化实验操作，增加试验的控制与测量精度。

基于本发明的第一个目的，本发明提供的用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，包括设置在三轴室底盘上的下压头和轴向压杆作用其上的上压头，套置在岩石试样外防止压力水混入三轴室内围压油的防泄套和渗透板，上压头和下压头均设计有压力水流道，且两者之一为组合结构压头，由作用于岩石试样的作用压头和转换压头构成，作用压头与转换压头通过凸凹嵌插结构联接，所述防泄套的上下两端固定在上压头和下压头上；所述渗透板上分布有压力水渗流孔，设置在压力水出流端的岩石试样与压头之间。

上述用于在常规岩石力学试验机上进行水力压裂实验的装置，优先将下压头设计为组合结构压头，上压头为整体结构压头。构成组合结构下压头的作用压头和转换压头，优先设计为通过作用压头上的凹腔和转换压头上的凸台构成的嵌插结构联接。作用压头上的凹腔优先设计为圆柱形凹腔，转换压头上的凸台优先设计为圆柱形凸台，作用压头的上端面中央设计有插入岩石试样盲孔的凸台，所述凸台设计有压力水注入岩石试样盲孔的流道。转换压头圆柱形凸台的顶面和柱面分别设计有用于嵌入密封圈的密封槽，以便在组装时嵌入密封圈防止压力水和围压油混渗。