[发明专利]立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔加工方法

说明书

本发明公开了一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔加工方法，装置包括基础平台、气钻、试样夹持器、气压控制装置和位置调节装置；气钻和试样夹持器均通过位置调节装置设置；位置调节装置由升降装置、纵向移位装置和试样移位装置组成：纵向移位装置呈可升降和俯仰角度可调节的结构；试样夹持器呈可水平横向移动地设置；气钻包括气动机呈可移动的竖直设置，气动机的输出端连接有输出端构成钻杆的转角传动装置，钻杆前端设有金刚石刀具夹持用轴套，钻杆轴线与气钻移动方向平行，且二者重合在同一竖直平面内。加工方法基于预射孔装置实施。本发明的有益效果是，装置结构简单、布局紧凑，便于倾斜射孔操作；加工方法工艺过程合理，操作方便，效率高。

技术领域

本发明属于非常规油气开采模拟技术，具体是一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置及预射孔方法。

背景技术

在非常规油气开采的压裂开采工程中，如页岩油气、煤层气等的开采，现场试验已经从单井的水力压裂、CO2相变致裂等发展到多井多段压裂。当在压裂开采现场采用多段压裂时，往往需要选取不同间距、不同方位等的射孔布置对试验段或工程段进行现场试验。此时，现场试验往往会形成多簇的压裂裂缝网络，不同射孔间距导致了不同的裂缝网络簇间距，同时，不同簇间距下的裂缝网络之间会形成缝间干扰，对压裂开采效果影响巨大，因此，制作用于实验尺度的压裂模拟试样，并在其内模拟的水平井内布置射孔以模拟多段压裂试验是十分必要的。

无论是工程中还是实验过程中，流体压裂时，学者们都认识到最大水平地应力对起裂行为有很大影响，但在现有的研究实验中，大都采用与垂直地应力成90°夹角的射孔进行研究起裂行为。实际上，水平井中心轴线与射孔中心轴线的倾斜角度(即垂直地应力与射孔中心轴线的夹角)和其相应的缝间干扰对压裂效果具有重要影响，然而其倾斜角度对起裂行为、裂纹形态和裂纹扩展的影响这方面鲜有研究，更缺少相关的实验数据和实验设备。学者大都只考虑了射孔与最大水平地应力夹角对起裂压力和裂纹的影响，忽略了射孔与垂直地应力的夹角的影响。有研究表明平均主应力与垂直应力的比值随深度的增加而减少，在-1000m处平均主应力与垂直应力几乎相等。然而随着资源的进一步开采，人类不得不向地底更深处寻求资源。笔者认为，随着开采深度的增加，垂直地应力与射孔的夹角对起裂压力和裂纹扩展的影响越来越大。所以，有必要针对射孔倾角及其对射孔起裂压力、裂纹形态和裂纹方向的影响开展一系列研究。

而在现有的实验研究中，鲜有涉及到倾斜射孔，其相关设备更是匮乏。有学者利用相似材料提前预制射孔，虽然可以实现在立方岩石钻孔内预制倾斜射孔，但是相似材料本身与实际岩石的物理力学性质仍有很大差距，并且在工况上也有很大不同。

发明内容

本发明的第一目的就是针对现有技术中多段压裂实验中采用模拟相似材料制作试样的不足，提供一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，以通过此装置在原岩试样钻孔中进行预射孔制作，以解决原岩试样制作困难问题。本发明的第二目的是提供一种基于预射孔制作装置而实施的原岩试样制作方法，以通过该方法获得原岩试样，为获得更加贴近现场的压裂试验结果创造条件。

为实现第一目的，本发明采用如下技术方案。

一种立方体原岩试样钻孔内倾斜预射孔装置，包括基础平台、气钻、试样夹持器、气压控制装置和位置调节装置；所述气钻和试样夹持器均通过位置调节装置与所述基础平台连接；所述位置调节装置由升降装置、纵向移位装置和试样移位装置组成：纵向移位装置可升降地设在升降装置上，纵向移位装置通过第一角度调节器形成俯仰角度可调节的结构；所述试样夹持器设在试样移位装置上，试样移位装置呈可水平横向移动地设在所述基础平台上；所述气钻还通过所述气压控制装置连接有压力气源；气钻包括横截面小于试样中部通孔截面的杆状微型气动机，微型气动机可移动地设在纵向移位装置上，并通过第二角度调节器形成轴线呈竖直的状态，微型气动机的输出端连接有转角传动装置，转角传动装置的壳体与微型气动机的壳体相对固定，转角传动装置的动力输入端与微型气动机的输出轴连接，转角传动装置的输出端构成钻杆，钻杆前端设有金刚石刀具夹持用轴套，钻杆轴线与所述纵向移位装置轴线呈平行地重合在同一竖直平面内。