本實(shí)用新型屬于油氣田開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能自動(dòng)記錄處理數(shù)據(jù)的定量測(cè)定泥頁巖結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

井壁失穩(wěn)問題一直是鉆井工程中一個(gè)世界性的難題，從20世紀(jì)40年代起就開始進(jìn)行研究。由于泥頁巖地層的特殊性，鉆井過程中90％以上的井壁失穩(wěn)問題發(fā)生在泥頁巖地層，因此泥巖地層穩(wěn)定性是井壁穩(wěn)定性研究的主要內(nèi)容。泥頁巖井壁失穩(wěn)問題，經(jīng)過國內(nèi)外很多學(xué)者幾十年的艱苦研究，已經(jīng)形成了一套系統(tǒng)的研究方法?？紤]到井壁失穩(wěn)機(jī)理，其整體的研究思路是從剛開始的純力學(xué)理論研究，到力學(xué)與化學(xué)耦合的實(shí)驗(yàn)研究，再到力學(xué)-化學(xué)-熱力學(xué)耦合研究，前人做出了很多貢獻(xiàn)。到目前為止，大多數(shù)學(xué)著采用結(jié)合力學(xué)與化學(xué)兩方面定量化的方法來研究泥巖穩(wěn)定性問題。21世紀(jì)初期，Lomba，Chenevert以及Sharma等人利用唯象規(guī)律，通過不可逆?zhèn)鬟f過程的“流”與“力”的耦合，將水力-電化學(xué)耦合起來。至此，真正多場耦合的數(shù)學(xué)模型開始建立。而在考慮水化對(duì)泥頁巖井壁穩(wěn)定性影響研究中，前人只在宏觀層面考慮含水量對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響，且實(shí)驗(yàn)過程分步進(jìn)行沒有連續(xù)性，這就使得在實(shí)驗(yàn)過程中難以避免的存在操作誤差。盡管隨后的研究者提出大量模型，但由于問題的高度復(fù)雜性，已有研究成果并不一致，而且每一種理論都有明顯缺陷。泥巖水化問題的力學(xué)與化學(xué)耦合需要更為逼近真實(shí)的理論基礎(chǔ)，也需要進(jìn)一步深化的機(jī)理研究。對(duì)此有研究提出水化對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響分為強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、自由水含量對(duì)力學(xué)參數(shù)影響得結(jié)論，但并沒有設(shè)計(jì)成套的裝置對(duì)此進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣沒有連續(xù)性。本實(shí)用新型從微觀層面出發(fā)，結(jié)合水化機(jī)理，考慮到水化對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響分為強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、自由水含量對(duì)力學(xué)參數(shù)的影響。通過設(shè)計(jì)一套可定量測(cè)定粘土含水與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)取不同結(jié)合水含量及類型與力學(xué)參數(shù)的定量化關(guān)系，進(jìn)而分析水化對(duì)井壁穩(wěn)定性影響的主要作用機(jī)制。

目前國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室通常使用的泥頁巖吸附量測(cè)定儀器、三軸試驗(yàn)儀器測(cè)量的方法分別對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究，無法適應(yīng)連續(xù)測(cè)量樣品吸附量及三軸試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求。國內(nèi)相關(guān)專利如《一種定量測(cè)定黏土結(jié)合水的方法》(CN104297096A)，只能分析強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水的測(cè)試，但并未與力學(xué)參數(shù)銜接；《一種定量測(cè)定黏土結(jié)合水含量的方法》(CN104297096B)，在其實(shí)施方式中同樣提到了強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水的測(cè)試，但并未提到本實(shí)用新型所采用的裝置來進(jìn)行測(cè)量。《非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層巖石力學(xué)特征分析儀》(CN103868799A)，在其方案中公布了一種可以用來進(jìn)行力學(xué)測(cè)試的裝置，可以進(jìn)行本實(shí)用新型理學(xué)部分所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但不能進(jìn)行活度測(cè)試；《軟巖三軸實(shí)驗(yàn)裝置》(CN204389307U)，只能分析泥頁巖樣品力學(xué)參數(shù)，并未與吸附水量銜接。

因此，研發(fā)一種具有多種用途，能精確的同時(shí)測(cè)量并連續(xù)記錄不同活度條件下泥頁巖吸附結(jié)合水類型及含量與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，可以減小人為誤差與不確定因素的影響，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，獲得樣品結(jié)合水量與力學(xué)參數(shù)連續(xù)變化的過程。同時(shí)減少了實(shí)驗(yàn)人員的工作量，大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)耗時(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種定量測(cè)定泥頁巖結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置及配套軟件，該裝置能夠通過溶液以及氣氛動(dòng)態(tài)循環(huán)器，有效控制工作區(qū)內(nèi)的氣體活度(濕度)。利用該裝置內(nèi)結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)測(cè)量的單元裝置，連續(xù)精確測(cè)量其中兩個(gè)樣品區(qū)的樣品結(jié)合水量及力學(xué)參數(shù)并記錄，從而獲得整個(gè)吸附過程的重量及力學(xué)參數(shù)的變化曲線，提供樣品在不同活度情況下的吸附情況及力學(xué)情況。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案：

一種定量測(cè)定泥頁巖結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，由活度控制箱、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)測(cè)量單元裝置組成，所述活度控制箱包括隔箱、攪拌器、空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、壓力表；所述隔箱安裝在活度控制箱左側(cè)，隔箱內(nèi)放置有無機(jī)鹽溶液，用以制造活度氣氛；空氣壓縮機(jī)置于隔箱右側(cè)，用以對(duì)活度氣氛進(jìn)行加壓，其壓力由調(diào)壓閥調(diào)節(jié)并在壓力表上顯示；活度控制箱右側(cè)上方和下方分別設(shè)有帶管線的進(jìn)氣孔和出氣孔，出氣孔外管線連接有1#調(diào)壓閥，1#調(diào)壓閥上設(shè)有1#壓力計(jì)；

所述結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)測(cè)量單元裝置由高溫高壓夾持系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)組成；高溫高壓加持系統(tǒng)包括壓力室、加熱套、底座、膠圈、巖樣、上蓋、活塞、壓力傳感器、應(yīng)變儀、荷重傳感器，所述巖樣有2個(gè)，分別置于膠圈中，并安裝到底座與活塞之間，底座設(shè)有兩個(gè)圓形突臺(tái)，其中膠圈下端套設(shè)在底座的突臺(tái)上，上端套設(shè)在活塞下端，巖樣上側(cè)活塞處連接荷重傳感器，用以測(cè)量應(yīng)力，樣品下側(cè)連接壓力傳感器、應(yīng)變儀，用以測(cè)量吸附水量及巖樣應(yīng)變；樣品下側(cè)還設(shè)有兩條線路，分別連接活度控制箱右側(cè)的進(jìn)氣孔和出氣孔；圍壓系統(tǒng)由氮?dú)馄俊?#調(diào)壓閥、2#壓力表組成，氮?dú)馄客ㄟ^2#調(diào)壓閥連接到底座通入壓力室內(nèi)，2#調(diào)壓閥上設(shè)有2#壓力表；

所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為集成電路，由數(shù)據(jù)采集器及電腦組成；數(shù)據(jù)采集器有6個(gè)數(shù)據(jù)線接口，分別接兩個(gè)樣品區(qū)的2個(gè)荷重傳感器、2個(gè)壓力傳感器、2個(gè)應(yīng)變儀，數(shù)據(jù)采集器與電腦之間設(shè)有傳輸線路。

所述高溫高壓夾持系統(tǒng)與活度控制箱之間，以及氮?dú)馄颗c底座之間的連接為管線連接，使其氣相可以相互交換；所述2個(gè)荷重傳感器、2個(gè)壓力傳感器、2個(gè)應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集器之間采用信號(hào)傳輸線連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型可同時(shí)定量測(cè)定不同含水類型(強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、自由水)，以及含水量對(duì)力學(xué)參數(shù)的影響，并分析對(duì)力學(xué)參數(shù)影響最大的因素，進(jìn)而評(píng)價(jià)水化對(duì)井壁穩(wěn)定性影響的本質(zhì)，本裝置方便快捷、操作簡單、精確度較高。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、活度控制箱，2、隔箱，3、無機(jī)鹽溶液，4、攪拌器，5、空氣壓縮機(jī)，6、1#調(diào)壓閥，7、1#壓力表，8、底座，9、膠圈，10、樣品區(qū)，11、上蓋，12、活塞，13、壓力傳感器，14、應(yīng)變儀，15、壓力室，16、加熱套，17、氮?dú)馄浚?8、荷重傳感器，19、2#調(diào)壓閥，20、2#壓力表，21、數(shù)據(jù)采集器，22、電腦。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種定量測(cè)定泥頁巖結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，由活度控制箱1、隔箱2、無機(jī)鹽溶液3、攪拌器4、空氣壓縮機(jī)5、1#調(diào)壓閥6、1#壓力表7，底座8、膠圈9、樣品區(qū)10、上蓋11、活塞12、壓力傳感器13、應(yīng)變儀14、壓力室15、加熱套16、氮?dú)馄?7、荷重傳感器18、2#調(diào)壓閥19、2#壓力表20，數(shù)據(jù)采集器21，電腦22組成。所述活度控制箱1內(nèi)設(shè)有無機(jī)鹽溶液3、攪拌器4、空氣壓縮5，無機(jī)鹽溶液3中插入攪拌器4，進(jìn)氣口和出氣口連接樣品區(qū)10及壓力室15，巖樣10置于膠圈9及活塞12之間且與壓力傳感器13、應(yīng)變儀14、荷重傳感器17連接，調(diào)壓閥20處與壓力室15連接，數(shù)據(jù)采集器22與壓力傳感器13、應(yīng)變儀14、荷重傳感器17連接。

本實(shí)用新型所述組成零部件和儀表等，均為市面可購得產(chǎn)品，其電路連接模式、密封方法等，也都是常規(guī)方法，無特別要求，在測(cè)定值范圍內(nèi)，更換不同型號(hào)的產(chǎn)品，并不影響實(shí)驗(yàn)效果。

使用本實(shí)用新型進(jìn)行測(cè)試時(shí)，步驟如下：

將巖樣10置于膠圈9中，然后將2個(gè)膠圈9下端分別套到2個(gè)底座8的凸臺(tái)上，調(diào)節(jié)活塞12塞入膠圈9，使巖樣10固定住，打開攪拌器4及空氣壓縮機(jī)5，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥6在壓力表7上讀數(shù)到設(shè)定值，同時(shí)調(diào)節(jié)2#調(diào)壓閥19在2#壓力表20上讀數(shù)到設(shè)定值，打開電腦22開關(guān)，系統(tǒng)自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集器21，采集數(shù)據(jù)并在電腦22顯示，至此完成強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水與力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。

上述步驟中，在打開攪拌機(jī)4攪拌無機(jī)鹽溶液3時(shí)，便不斷的有氣氛存在于活度控制箱1內(nèi)，通過空氣壓縮機(jī)5對(duì)這些活度氣氛進(jìn)行壓縮后通入壓力室15內(nèi)，隨后在高溫高壓系統(tǒng)中通過設(shè)定不同的溫度值以實(shí)現(xiàn)多個(gè)活度的控制測(cè)量，以此便能精確的同時(shí)測(cè)量并連續(xù)記錄不同溫度下多個(gè)活度多個(gè)樣品的數(shù)據(jù)，獲得樣品強(qiáng)、弱結(jié)合水含量及力學(xué)參數(shù)連續(xù)變化的過程。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，本實(shí)用新型并不局限于上述方式，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還能進(jìn)一步改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。