CN103278428A - 含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石工程领域，特别涉及含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置及方法。实验装置包括三轴压力腔室、轴压加载系统、围压加载系统、上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气体压力加载和收集系统和下游液体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置、加温系统和数据采集控制系统；实验方法为固定试样→施加围压→施加轴压→加温→抽真空→施加上游液体压力（或预饱和甲烷）→施加上游气体压力（或施加一种上游气体压力）→多相混合流体注入（或施加另一种上游液体压力）→试样预吸附饱和（多组分定比例混合气体注入）→收集。本发明实验装置根据实际地应力情况对试样施加三轴应力条件，重塑符合实际的应力环境。
Description
技术领域
本发明属于岩石工程领域，特别涉及含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置及方法。
背景技术
含气页岩在应力、渗流、温度等多因素共同作用下的力学行为研究是中国页岩气开发的基础性研究课题之一，具有十分重要的科学意义。国家十二五规划中明确要求2015年页岩气产量65亿立方米，力争2020年产量达到600-1000亿立方米。然而中国系统、深入的页岩气基础理论研究还非常薄弱，导致页岩气开采仍处于初期勘探阶段，其根本原因在于缺乏与基础理论相配套的实验设备。
页岩气体主要成分为甲烷，页岩气主要有两种赋存状态，即游离态和吸附态，吸附状态天然气的含量为20%~85%。生成的页岩气一般情况下先满足吸附，然后为游离析出。另外，页岩气在生产过程中产生一定的水分，因此，页岩气开采实验必须要考虑页岩的预吸附气体和含水饱和度。
我国含气页岩储层多位于千米以下，含气页岩储层处于复杂地应力场、多相渗流场、温度场的共同作用之中：(1)页岩气储层位于高地应力状态下；(2) 页岩储层流包含气、水两相流体，尤其在页岩储层压裂后，使得页岩储层中含水量增加，因此气、水两相流体在页岩岩石中相互竞争流动通道；(3)随着排采的不断进行，孔隙流体压力发生变化，从而引起页岩气藏骨架有效应力的改变和页岩骨架的变形；页岩骨架变形改变了气、水的流动通道，影响着骨架的渗透规律；(4)高埋深使得储层所处温度增高，一方面促使页岩气体分子更为活跃，产生对渗透率有益的影响；另一方面又使得页岩基质膨胀，使得原本就非常微小的页岩孔隙和狭窄的页岩裂隙进一步缩小，从而引起渗透率的降低。
页岩气在开采过程中的运移是上述应力、多相渗流、温度作用下的动态耦合过程，在应力场、温度场两场耦合下的渗透性能是影响页岩气排采产能的关键参数，影响着页岩气勘探后期的井网布置和强化处理方案的实施。含气页岩应力-多相渗流-温度耦合实验是研究上述关键参数的有效手段，同时可以作为页岩气资源开发潜力评价和开发方案优化提供科学依据，对于页岩气的开采起着至关重要的作用。在中国页岩气勘探开发快速起步的今天，页岩气开采试验研究的系统开展对页岩气工业的发展具有极其重要的意义。
目前测试致密含气页岩变形和渗透性能的实验及其装置存在以下问题：页岩变形和渗透性能实验均分别展开，使得变形和渗透性能不能进行同步记录和分析，不能反映实际开采过程中页岩变形和渗透性能的动态耦合变化过程。而常规应力-渗流耦合设备因受出口处流量量程限制，无法完成低渗透率致密含气页岩的流固耦合实验。另外，目前所做的含气页岩渗透装置均未考虑原始状态下页岩的气体吸附和含水饱和：吸附气体的存在使得原有裂隙通道变得更为狭窄，不考虑预先吸附会使得到的渗透系数偏大，不符合地下页岩储层的实际条件；页岩含水使得页岩的强度发生改变，且影响气体在页岩中的流动状态，不考虑页岩的预含水饱和度，会使得所得到的页岩强度偏高。现有的含气页岩变形和渗透性能实验装置中，均未考虑温度的影响，对于中国大埋深的低渗含气页岩，温度导致的页岩孔喉变化对渗透率的影响不可忽视。综上，目前的测试手段难以对实际地层条件下的含气页岩变形和渗透性能进行准确的测量。
天然气中气、水饱和度呈一定的比例关系，以美国五套页岩气储层参数为例：安特里姆页岩中含气、含水饱和度均为4%，俄亥俄页岩含气、含水饱和度分别为2%、3%，新奥尔巴尼页岩含气、含水饱和度分别为5%、8%，因此页岩实验中必须考虑气、水两相流体的定比例混合注入。而目前的页岩渗透实验设备中均只采用单相气体测试页岩的渗透率，未实现气、水两相流体注入条件下页岩渗透性能的测试。现有可以实现其他材料气、水两相渗透率测试的仪器中，注入试样的气、水混合液体均按照等压力注入，在等压注入的条件下，便无法控制注入的混合气体比例，因此不能实现气、水两相流体定比例、等压混合注入，使得测试结果无法反应工程实际。
含气页岩较为致密，导致页岩气井日产量较低，很难达到商业化开采的要求，因此必须采取增产措施。注气增产是一种主要的页岩气开发增产技术，主要是对含气页岩注入大于甲烷吸附性能的混合气体，以使含气页岩颗粒降低对甲烷分子的吸附，使甲烷分子由吸附态转为游离状态进而被开采出来。不同比例的混合气体对页岩气的驱替效果不同，如何寻求最优配比的混合气体实现最佳驱替效果是注气增产的关键问题。而目前的驱替实验设备存在以下几点问题：驱替实验未能实现在三轴应力环境下进行，而含气页岩储层多深埋于千米以下，处于高应力环境中，不考虑三轴应力环境的驱替实验无法揭示含气页岩的实际驱替规律。且目前的驱替实验中，所注入的混合驱替气体均为等压注入，未能实现定比例、等压混合气体的驱替效果研究。因此，完全有必要考虑上述中所涉及到的影响因素和开采工艺流程，研制新型含气页岩预吸附条件下应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对深部致密含气页岩、考虑预吸附条件的应力-多相渗流-温度耦合作用下的变形、渗透性能和驱替效果测定的实验装置及其实验方法。
含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，包括三轴压力腔室、轴压加载系统、围压加载系统、上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气液混合流体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置、加温系统和数据采集控制系统；所述的轴压加载系统连入连通三轴压力腔室的轴压室，围压加载系统连通三轴压力腔室的围压室，上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统通过加温系统连通到三轴压力腔室的试样底部流体注入端口，下游气液混合流体收集系统和多组分混合气体收集系统通过抽真空装置连通三轴压力腔室的试样顶部流体流出端口；所述的上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统和下游气液混合流体收集系统通过RS232电缆与数据采集控制系统连接，上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统通过数据采集控制系统控制混合流体的定比例等压注入；
所述的下游气液混合流体收集系统设置在三轴压力腔室的顶部，包括第一高压气瓶、第一减压阀、第六截止阀、第五三通阀、第一高压注入泵、第五截止阀、第三压力传感器、第三自动稳压阀、气水分离装置、电子天平和第十四截止阀；所述的第一高压注入泵连接在第五三通阀的进口和第五截止阀的出口之间；第一高压注入泵通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信；
所述的上游气体压力加载系统设置在三轴压力腔室的底部，包括第二高压气瓶、第二减压阀、第七截止阀、第二高压注入泵、第八截止阀、第四压力传感器和第四自动稳压阀；所述的第二高压注入泵连接在第七截止阀的出口与第八截止阀的进口之间；第二高压注入泵通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信；
所述的上游液体压力加载系统包括储水罐、第三减压阀、第九截止阀、第三高压注入泵、第十截止阀、第五压力传感器和第五自动稳压阀；所述的第三高压注入泵连接在第九截止阀的出口与第十截止阀的进口之间；第三高压注入泵通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信。
所述的轴压加载系统包括油泵、轴压泵、第一截止阀、第一压力传感器、第一自动稳压阀、第一三通阀、第二截止阀和第二三通阀；所述的第一自动稳压阀连接在第一压力传感器的一端接口与第一三通阀的进口之间；
所述的围压加载系统包括油泵、围压泵、第四截止阀、第二压力传感器、第二自动稳压阀、第三三通阀、第三截止阀和第二三通阀；所述的第二自动稳压阀连接在第二压力传感器的一端接口与第三三通阀的出口之间；
所述的加温系统包括：具有多通阀门的流体混合容器中的恒温水域、第十一截止阀和三轴压力腔室内部左右侧壁上分别连接的内加温装置；所述的具有多通阀门的流体混合容器通过第十一截止阀连入到三轴压力腔室的试样底部流体注入端口；
所述的上游液体压力加载系统在驱替实验中，作为上游另一种气体压力加载系统，耦合实验中的注入气、水定比例混合流体或驱替实验中的多组分定比例混合气体先汇入到具有多通阀门的流体混合容器中，具有多通阀门的流体混合容器置于恒温水域中，具有多通阀门的流体混合容器的第三个阀门接口与第十一截止阀的一端相连，第十一截止阀的另一端连入到三轴压力腔室的试样底部流体注入端口；
为了防止不锈钢耐压管线散热造成注入液体的温度降低，在上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气液混合流体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置和加温系统中的所有不锈钢耐压管线外部包裹保温夹套。
采用上述装置进行含气页岩应力-渗流-温度耦合试验的方法，按照固定试样→对试样施加围压→对试样施加轴压→对试样加温→抽真空的步骤进行，抽真空后的步骤包括：
（1）对试样施加上游液体压力：压力值为0~70MPa；打开三轴压力腔室与储水罐相连的第九截止阀、第十截止阀和第十一截止阀，使液体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，同时将第五自动稳压阀的压力设置为注入压力，使得活塞推动气体压缩达到预设压力，以保证液体以恒定压力注入，并记下注入液体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进液体阀门，使液体以恒定压力注入到具有多通阀门的流体混合容器中，当达到预定液体体积时，关闭第三高压注入泵；
（2）对试样施加上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体以恒定压力注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和液体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（3）多相混合流体注入试样：加温范围为0~100℃；打开恒温水域的开关，使得水域升温到预定温度，等待一段时间，使得在具有多通阀门的流体混合容器中的流体温度升高至预定温度；打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使气、液混合流体注入试样中；
（4）对试样预吸附饱和：利用上述（1）（2）（3）三个步骤对试样重复进行混合流体注入，当上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中的第二高压注入泵和第三高压注入泵的内流体体积不再变化，说明试样已被定比例的气体和液体饱和；此时，继续重复上述（1）（2）（3）三个步骤，使得定比例气、液混合流体通过混合流体饱和的试样；
（5）收集多相混合流体：打开下游气液混合流体收集系统，通过试样的多相混合流体先经过气水分离装置，使得流出的水落入气水分离装置中，而流出的气体则通过气水分离装置上部的出口流入到第一高压注入泵中；利用电子天平对水的质量变化进行实时测量，并利用第一高压注入泵对进入其中气体体积进行实时测量。
采用上述装置进行含气页岩应力-渗流-温度驱替试验的方法，按照固定试样→对试样施加围压→对试样施加轴压→对试样加温→抽真空的步骤进行，抽真空后的步骤包括：
（1）对试样预饱和甲烷：反向利用下游气液混合流体收集系统，将下游气液混合流体收集系统作为试样预饱和甲烷的注入通道；在第一高压气瓶中充满甲烷气体，设置第一减压阀的压力，并打开与之相连的第六截止阀和第五三通阀，使气体流入第一高压注入泵内，待第一高压注入泵充满后，关闭与第一高压注入泵进口相连的第六截止阀和第五三通阀；设置第一高压注入泵的注入压力，将第三自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第一高压注入泵出口处的第五截止阀，使气体注入试样中，当第一高压注入泵内气体体积不再变化时，认为试样已吸附甲烷饱和，关闭第一高压注入泵；
（2）对试样施加一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（3）对试样施加另一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第三减压阀的压力，并打开与之相连的第九截止阀，使气体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，将第三自动稳压阀V17的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和上一种注入气体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第三高压注入泵；
（4）多组分定比例混合气体注入试样：打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使多相定比例混合气体注入试样中；
（5）收集多组分混合气体：打开多组分混合气体收集系统中的第十二截止阀和第十三截止阀，使通过试样的多组分混合气体流入气体收集罐中，然后打开连接气体组分色谱仪，以确定收集气体的成分及浓度。
采用上述装置进行含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的方法，按照固定试样→对试样施加围压→对试样施加轴压→对试样加温→抽真空的步骤进行，抽真空后的步骤包括：
（1）对试样施加上游液体压力：压力值为0~70MPa；打开三轴压力腔室与储水罐相连的第九截止阀、第十截止阀和第十一截止阀，使液体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，同时将第五自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证液体以恒定压力注入，并记下注入液体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进液体阀门，使液体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，当达到预定液体体积时，关闭第三高压注入泵；
（2）对试样施加上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和液体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（3）多相混合流体注入试样：打开恒温水域的开关，使得水域升温到0~100℃，等待一段时间，使得在具有多通阀门的流体混合容器中的流体温度升到至预定温度；打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使气、液混合流体注入试样中；
（4）对试样预吸附饱和：利用上述（1）（2）（3）三个步骤对试样重复进行混合流体注入，当上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中的第二高压注入泵和第三高压注入泵的内流体体积不再变化，说明试样已被定比例的气体和液体饱和；此时，继续重复上述（1）（2）（3）三个步骤，使得定比例气、液混合流体通过混合流体饱和的试样；
（5）收集多相混合流体：打开下游气液混合流体收集系统，通过试样的多相混合流体先经过气水分离装置，使得流出的水落入气水分离装置中，而流出的气体则通过气水分离装置上部的出口流入到第一高压注入泵中；利用电子天平对水的质量变化进行实时测量，并利用第一高压注入泵对进入其中气的体积进行实时测量；
（6）耦合实验中试样已进入定比例气、水饱和状态，直接基于耦合实验的试样继续驱替实验，不必再进行预饱和；首先关闭流体管路中的所有阀门，清理上游液体压力加载系统和上游气体压力加载系统注入系统中的残余流体：将第二高压气瓶和储水罐更换为高压氦气瓶，分别设置第二减压阀和第三减压阀的压力，然后将第四稳压阀和第五自动稳压阀的压力设置为减压阀同等压力值，依次打开第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀、第十截止阀，断开第十一截止阀的进口，将管路中的残余的气体和液体清理干净，清理完毕后，重新关闭所有阀门；
（7）清理下游气液混合流体收集系统中的残余流体：将第一高压气瓶更换为高压氦气瓶，设置第一减压阀的压力，然后将第三自动稳压阀的压力值设置为和减压阀压力相同，依次打开第六截止阀、第五截止阀，将下游混合流体收集系统中的残余流体清理干净，清理完毕后，重新关闭所有阀门；将第二高压气瓶和储水罐更换为要注入气体的高压气瓶；
（8）对试样施加一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，对第二高压注入泵的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（9）对试样施加另一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第三减压阀的压力，并打开与之相连的第九截止阀，使气体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，将第三自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和上一种注入气体充分进行混合，对第三高压注入泵的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第三高压注入泵；
（10）多组分定比例混合气体注入试样：打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使多相定比例混合气体注入试样中；
（11）收集多组分混合气体：定比例注入驱替气体后，试样出口的混合气体直接流入混合流体收集系统管路中，打开第十四截止阀和第五截止阀，使得流出的气体推动第一高压注入泵的活塞下行，当检测到的第一高压注入泵的活塞位移发生变化时，这时可视为混合气体已开始驱替甲烷；等到第一高压注入泵满后，打开多组分混合气体收集系统中的第十二截止阀和第十三截止阀，使通过试样的多组分混合气体流入气体收集罐中，然后打开连接气体组分色谱仪，以确定收集气体的成分及浓度；同时利用链条式环向传感器和压弹式轴向传感器对实验过程中试样的变形进行监测。
本发明的特点和有益效果在于：
本发明实验装置可以根据实际地应力情况利用轴压加载系统、围压加载系统中的注入泵和稳压阀对试样施加稳定的三轴应力条件，为页岩气渗流和驱替实验重塑符合实际的应力环境；根据页岩气储层气、水饱和度，利用上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中高压注入泵活塞进程的监测对试样进行定比例气体预吸附和液体预饱和，重塑地下页岩气储层含流体的原始状态；通过上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中高压注入泵，先将要注入气体和液体压缩至预定注入压力，然后控制高压注入泵活塞进程的实时监测，控制流体等压力条件下的注入量，根据页岩储层实际压力和流体饱和度，以实现对试样进行混合流体定比例、等压注入以测试含气页岩的实际渗透率；通过上游气体压力加载系统和上游另一种气体压力加载系统中注入泵活塞进程的实时监测，控制流体注入量，以实现驱替实验中对试样进行多组分气体定比例等压注入；利用注入泵活塞进程的实时监测以及注入泵内气体体积的变化，计量下游出口处的气体流量，以实现致密含气页岩的渗透率测定；自动稳压阀的引入，提高了试样轴压、围压、流体压力注入的稳定性和精确性。现有的设备都是渗透实验和驱替实验分开来完成，因为涉及要预先吸附饱和，很浪费时间和设备，本发明一套设备可以完成两个实验，两个实验可以分别进行，也可以同时进行；在渗流耦合实验后，直接基于耦合实验做驱替试验，无需再进行预饱和操作，节省了时间和成本，也增加了可对比度。
附图说明
图1为本发明实验装置的结构示意图；
图2为本发明中三轴压力腔室的结构示意图；
在图中，1、油泵；2、轴压泵；3、围压泵；4、第一高压注入泵；5、第二高压注入泵；6、第三高压注入泵；7、电子天平；8、第一压力传感器；9、第二压力传感器；10、第三压力传感器；11、第四压力传感器；12、第五压力传感器；13、温度传感器；14、链条式环向位移传感器；15、压弹式轴向位移传感器；16、第一高压气瓶；17、第二高压气瓶；18、储水罐；19、真空泵；20、具有多通阀门的流体混合容器；21、恒温水域；22、三轴压力腔室；23、内加热装置；24、气水分离装置；25、气体收集罐；26、气体组分色谱仪；27、球头；28、自平衡活塞；29、轴压室；30、围压室；T1、第一三通阀；T2、第二三通阀；T3、第三三通阀；T4、第四三通阀；T5、第五三通阀；T6、第六三通阀；V1、第一截止阀；V2、第一自动稳压阀；V3、第二截止阀；V4、第三截止阀；V5、第四截止阀；V6、第二自动稳压阀；V7、第三自动稳压阀；V8、第五截止阀；V9、第六截止阀；V10、第一减压阀；V11、第二减压阀；V12、第七截止阀；V13、第八截止阀；V14、第四自动稳压阀；V15、第九截止阀；V16、第十截止阀；V17、第五自动稳压阀；V18、第十一截止阀；V19、第十二截止阀；V20、第十三截止阀；V21、第十四截止阀；V22、第十五截止阀；V23、第三减压阀。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，包括三轴压力腔室、轴压加载系统、围压加载系统、上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气液混合流体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置、加温系统和数据采集控制系统；其中：
所述的三轴压力腔室22包括轴压室29、围压室30、自平衡活塞28、球头27、压弹式轴向位移传感器15、链条式环向位移传感器14、温度传感器13和加热装置23；
所述的轴压加载系统包括油泵1、轴压泵2、第一截止阀V1、第一压力传感器8、第一自动稳压阀V2、第一三通阀T1、第二截止阀V3和第二三通阀T2；所述的轴压泵2与三轴压力腔室22之间依次连接有第一截止阀V1、第一压力传感器8、第一自动稳压阀V2和第一三通阀T1，所述的第一三通阀T1通过第二截止阀V3、第二三通阀T2连接到油泵1；轴压泵2通过不锈钢耐压管线与第一截止阀V1的进口相连接，第一截止阀V1的出口通过不锈钢耐压管线连接第一压力传感器8的一端接口，第一压力传感器8的另一端接口通过不锈钢耐压管线与第一自动稳压阀V2的一端接口相连，第一自动稳压阀V2的另一端接口通过不锈钢耐压管线与第一三通阀T1的进口相连接，第一三通阀T1的第一出口通过不锈钢耐压管线与三轴压力腔室的轴压室29相连，第一三通阀T1的第二出口与第二截止阀V3的进口相连，第二截止阀V3的出口与第二三通阀T2的第一进口相连，第二三通阀T2的第二进口与油泵1相连，第二三通阀T2的出口与围压加载系统相连；
所述的围压加载系统包括油泵1、围压泵3、第四截止阀V5、第二压力传感器9、第二自动稳压阀V6、第三三通阀T3、第三截止阀V4和第二三通阀T2；所述的围压泵3与三轴压力腔室22之间依次连接有第四截止阀V5、第二压力传感器9、第二自动稳压阀V6和第三三通阀T3，所述的第三三通阀T3通过第三截止阀V4、第二三通阀T2连接到油泵1； 围压泵3通过不锈钢耐压管线与第四截止阀V5的进口相连接，第四截止阀V5的出口通过不锈钢耐压管线连接第二压力传感器9的一端接口，第二压力传感器9的另一端接口通过不锈钢耐压管线与第二自动稳压阀V6的一端接口相连，第二自动稳压阀V6的另一端接口通过不锈钢耐压管线与第三三通阀T3的第一进口相连接，第三三通阀T3的出口通过不锈钢耐压管线与三轴压力腔室22的围压室30相连，第三三通阀T3的第二进口与第三截止阀V4的出口相连，第三截止阀V4的进口与第二三通阀T2的出口相连；
所述的加温系统包括：具有多通阀门的流体混合容器20中的恒温水域21、第十一截止阀V18和三轴压力腔室22内部左右侧壁上分别连接的内加温装置23；所述的具有多通阀门的流体混合容器20通过第十一截止阀V18连入到三轴压力腔室22的试样底部流体注入端口；所述的加温系统通过具有多通阀门的流体混合容器20的第一进口与上游气体压力加载系统相连，通过具有多通阀门的流体混合容器20的第二进口与上游液体压力加载系统相连；
所述的抽真空装置包括真空泵19、第十五截止阀V22和第四三通阀T4，所述的真空泵19带有压力表，真空泵19的接口通过转换接口和不锈钢耐压管线与第十五截止阀V22的出口相连，第十五截止阀V22的进口通过不锈钢耐压管线与第四三通阀T4的第二出口相连，由第四三通阀T4的进口通过不锈钢耐压管线连入三轴压力腔室22的试样顶部流体流出端口；
所述的上游气体压力加载系统设置在三轴压力腔室22的底部，包括第二高压气瓶17、第二减压阀V11、第七截止阀V12、第二高压注入泵5、第八截止阀V13、第四压力传感器11和第四自动稳压阀V14；所述的第二高压气瓶17与三轴压力腔室22之间依次连接有第二减压阀V11、第七截止阀V12、第二高压注入泵5、第八截止阀V13、第四压力传感器11和第四自动稳压阀V14；所述的第二高压气瓶17的出口通过不锈钢耐压管线和第二减压阀V11的进口连接，第二减压阀V11的出口通过不锈钢耐压管线与第七截止阀V12的进口连接，第七截止阀V12的出口通过不锈钢耐压管线与第二高压注入泵5的进口相连，第二高压注入泵5的出口通过不锈钢耐压管线与第八截止阀V13的进口连接，第八截止阀V13的出口通过不锈钢耐压管线连接到第四压力传感器11的一端，第四压力传感器11的另一端连接到第四自动稳压阀V14的进口，第四自动稳压阀V14的出口通过不锈钢耐压管线连接到具有多通阀门的流体混合容器20的第一进口，具有多通阀门的流体混合容器20的出口通过不锈钢耐压管线连接到第十一截止阀V18的进口，第十一截止阀V18的出口通过不锈钢耐压管线连接到三轴压力腔室22的试样底部注入端口；
所述的上游液体压力加载系统包括储水罐18、第三减压阀V23、第九截止阀V15、第三高压注入泵6、第十截止阀V16、第五压力传感器12和第五自动稳压阀V17；所述的储水罐18与三轴压力腔室22之间依次连接有第三减压阀V23、第九截止阀V15、第三高压注入泵6、第十截止阀V16、第五压力传感器12、第五自动稳压阀V17、具有多通阀门的流体混合容器20和第十一截止阀V18；所述的储水罐18的出口通过不锈钢耐压管线与第三减压阀V23的一端相连，第三减压阀V23的另一端与第九截止阀V15的进口连接，第九截止阀V15的出口通过不锈钢耐压管线与第三高压注入泵6的进口相连，第三高压注入泵6的出口通过不锈钢耐压管线与第十截止阀V16的进口连接，第十截止阀V16的出口通过不锈钢耐压管线连接到第五压力传感器12的一端，第五压力传感器12的另一端连接到第五自动稳压阀V17的进口，第五自动稳压阀V17的出口通过不锈钢耐压管线连接到具有多通阀门的流体混合容器20的第二个进口，具有多通阀门的流体混合容器20的出口通过不锈钢耐压管线连接到第十一截止阀V18的进口，第十一截止阀V18的出口通过不锈钢耐压管线连接到三轴压力腔室22的试样底部注入端口；
所述的下游气液混合流体收集系统设置在三轴压力腔室22的顶部，包括第一高压气瓶16、第一减压阀V10、第六截止阀V9、第五三通阀T5、第一高压注入泵4、第五截止阀V8、第三压力传感器10、第三自动稳压阀V7、气水分离装置24、电子天平7、第十四截止阀V21；所述的第一高压气瓶16与三轴压力腔室22之间依次连接有第一减压阀V10、第六截止阀V9、第五三通阀T5、第一高压注入泵4、第五截止阀V8、第三压力传感器10、第三自动稳压阀V7、气水分离装置24、电子天平7、第十四截止阀V21和第四三通阀T4；所述的第一高压气瓶16的进口通过不锈钢耐压管线连接到第一减压阀V10的出口，第一减压阀V10的进口通过不锈钢耐压管线连接到第六截止阀V9的出口，第六截止阀V9的进口连接到第五三通阀T5的第二出口，第五三通阀T5的进口连接到第一高压注入泵4的出口，第五三通阀T5的第一出口与多组分混合气体收集系统相连，第一高压注入泵4的进口通过不锈钢耐压管线连接到第五截止阀V8的出口，第五截止阀V8的进口通过不锈钢耐压管线连接到第三压力传感器10的一端，第三压力传感器10的另一端接口连接到第三自动稳压阀V7的出口，第三自动稳压阀V7的进口通过不锈钢耐压管线与气水分离装置24的一个接口相连，气水分离装置24的另一个接口通过不锈钢耐压管线与第十四截止阀V21的出口相连，第十四截止阀V21的进口连接到第四三通阀T4的第一出口，第四三通阀T4的进口通过不锈钢耐压管线连入三轴压力腔室22的试样顶部流体流出端口，气水分离装置24置于电子天平7上；
所述的多组分混合气体收集系统包括第十二截止阀V19、第六三通阀T6、第十三截止阀V20、气体收集罐25和气体组分色谱仪26；第五三通阀T5的第一出口通过不锈钢耐压管线与第十二截止阀V19的进气口相连，第十二截止阀V19的出气口通过不锈钢耐压管线与第六三通阀T6的进口相连接，第六三通阀T6的第二出口通过不锈钢耐压管线与气体收集罐25相连，第六三通阀T6的第一出口通过不锈钢耐压管线、第十三截止阀V20与气体组分色谱仪26相连，多组分混合气体收集系统通过第五三通阀T5的进口连入下游气液混合流体收集系统，进而依次通过下游气液混合流体收集系统中的第一高压注入泵4、第五截止阀V8、第三压力传感器10、第三自动稳压阀V7、气水分离装置24、第十四截止阀V21、第四三通阀T4连入三轴压力腔室22的试样上端气体出口；
所述的数据采集控制系统：下游气液混合流体收集系统中的第一高压注入泵4和电子天平7、上游气体压力加载系统中的第二高压注入泵5及上游液体压力加载系统中的第三高压注入泵6通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信，下游气液混合流体收集系统中的电子天平7的连接口通过RS232电缆利用Labview软件与计算机之间进行通信。
其中，所述的上游气体压力加载系统设置在三轴压力腔室22的底部，为了模拟气体和液体的重力作用，模拟地下页岩气开采的真实状态。
所述的上游液体压力加载系统在驱替实验中，作为上游另一种气体压力加载系统，耦合实验中的注入气、水混合流体或驱替实验中的多组分定比例混合气体先汇入到具有多通阀门的流体混合容器20中，具有多通阀门的流体混合容器20至于恒温水域21中，具有多通阀门的流体混合容器20的第三个阀门接口与第十一截止阀V18的一端相连，第十一截止阀V18的另一端连入到三轴压力腔室22的流体注入孔中。
为了防止不锈钢耐压管线散热造成注入流体的温度降低，在上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气液混合流体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置和加温系统中的所有不锈钢耐压管线外部包裹保温夹套。
采用上述装置进行含气页岩应力-渗流-温度耦合试验的方法，包括以下步骤：
（1）实验开始前，将岩样密封、固定于三轴压力腔室22的球头27之间，并将轴向位移传感器15和环向位移传感器14固定于试样上。打开三轴压力腔室22，将试样至于三轴压力腔室22的球头27上，调整试样，使其中心和球头27中心位于同一条轴线。将试样外部用密封套密封，然后将轴向位移传感器15固定在上、下球头27上，同时将环向位移传感器14固定于试样中部，将三轴压力腔室22闭合。实验开始前，首先对三轴压力腔室22内的试样施加围压，然后对三轴压力腔室22内的试样施加轴压，最后根据需要进行的实验，对三轴压力腔室22内施加流体压力。
（2）对试样施加围压：压力值为0~70 MPa；将围压加载系统中的第三截止阀V4和第四截止阀V5全部打开，此时将第二自动稳压阀V6调节到一个较大的压力值，用油泵1向三轴压力腔室22的围压室30中充油。当油充满后，关闭第三三通阀T3与油泵1之间相连的截止阀。将第二自动稳压阀V6调到实验设计的预定压力，利用围压泵3对试样施加压力，第二自动稳压阀V6根据预设置的压力值不断对压力进行微调整，直至第二自动稳压阀V6的压力稳定在预定值，开始对试样施加轴向压力。
（3）对试样施加轴压：压力值为0~300 MPa；将轴压加载系统中的第一截止阀V1和第二截止阀V3全部打开，此时将第一自动稳压阀V2调节到一个较大的压力值，用油泵1向三轴压力腔室22的轴压室29中充油。当轴压室29内的活塞达到轴压室底部时，轴压室29内充满油，关闭第一三通阀T1与油泵1之间相连的截止阀。将第一自动稳压阀V2调到实验设计的预定压力，利用轴压泵2对试样施加压力，第一自动稳压阀V2根据预设置的压力值不断对压力进行微调整，直至第一自动稳压阀V2的压力稳定在预定值，开始对试样加温。
（4）对试样加温：打开控制三轴压力腔室22内加热装置的开关，将温度设定为实验需要达到的预定温度值，通过加热三轴压力腔室22内的油，使得试样慢慢被加热到到0~100℃，和恒温水域21温度保持一致，待温度稳定后，开始对试样气体注入、收集系统抽真空。
（5）对试样气体注入、收集系统抽真空：打开三轴压力腔室22与真空泵19相连接的第十五截止阀V22，同时打开流下游气液混合流体收集系统中除了第六截止阀V9、第七截止阀V12、第九截止阀V15外的所有阀门，使得实验前将管线中的空气抽出。抽真空后，使下游气液混合流体收集系统中所有的阀门处于关闭状态。
（6）对试样施加上游液体压力：压力值为0~70MPa；打开数据采集控制系统，打开三轴压力腔室22与储水罐18相连的第九截止阀V15，使液体流入第三高压注入泵6内，待第三高压注入泵6充满后，关闭与第三高压注入泵6进口相连的第九截止阀V15。设置第三高压注入泵6的注入压力，同时将第五自动稳压阀V17的压力设置为注入压力，以保证液体以恒定压力注入，并记下泵内活塞位置，以计算注入液体的体积。打开第三高压注入泵6出口处的第十截止阀V16，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进液体阀门，使液体注入到具有多通阀门的流体混合容器20中，当达到预定液体体积时，关闭第三高压注入泵6。
（7）对试样施加上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀V11的压力，并打开与之相连的第七截止阀V12，使气体流入第二高压注入泵5内，待第二高压注入泵5充满后，关闭与第二高压注入泵5进口相连的第七截止阀V12。设置第二高压注入泵5的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下泵内活塞位置，以计算注入气体的体积。打开第二高压注入泵5出口处的第八截止阀V13，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器20中，和液体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵5。
（8）多相混合流体注入试样：打开恒温水域21的开关，使得水域升温到预定温度，等待一段时间，使得在具有多通阀门的流体混合容器20中的流体温度升到至预定温度。打开具有多通阀门的流体混合容器20的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器20前的第十一截止阀V18，使气、液混合流体注入试样中。
（9）对试样预吸附饱和：利用上述（6）（7）（8）三个步骤对试样重复进行混合流体注入，当上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中的第二高压注入泵5和第三高压注入泵6的内流体体积不再变化，说明试样已被定比例的气体和液体饱和。此时，继续重复上述三个步骤，使得定比例气、液混合流体通过混合流体饱和的试样。
（10）收集多相混合流体：打开下游气液混合流体收集系统，通过试样的多相混合流体先经过气水分离装置24，使得流出的水落入气水分离装置24中，而流出的气体则通过气水分离装置24上部的出口流入到第一高压注入泵4中。利用电子天平7对水的质量变化进行实时测量，并利用第一高压注入泵4中活塞进程的监测对进入其中气的体积进行实时测量，以计算含气页岩的渗透性能。同时利用链条式环向传感器14和压弹式轴向传感器15对实验过程中试样的变形进行监测。
通过所设计的含气页岩应力-多相渗流-温度耦合实验装置，为页岩气渗流和驱替实验重塑符合实际的应力和温度环境；通过本发明所设计的预吸附条件下深部致密含气页岩应力-多相渗流-温度耦合实验，可以得到实际地应力和温度条件下，不同气、水饱和度比例下含气页岩抽采过程中的骨架变形和渗透率的动态变化，以及骨架变形和渗透率变化之间的动态关系，为页岩气开采提供实验依据。
采用上述装置进行含气页岩应力-渗流-温度驱替试验的方法，包括以下步骤：
（1）实验开始前，将岩样密封、固定于三轴压力腔室22的球头27之间，并将轴向位移传感器15和环向位移传感器14固定于试样上。打开三轴压力腔室22，将试样至于三轴压力腔室22的球头27上，调整试样，使其中心和球头27中心位于同一条轴线。将试样外部用密封套密封，然后将轴向位移传感器15固定在上、下球头27上，同时将环向位移传感器14固定于试样中部，将三轴压力腔室22闭合。实验开始前，首先对三轴压力腔室22内的试样施加围压，然后对三轴压力腔室22内的试样施加轴压，最后根据需要进行的实验，对三轴压力腔室22内施加流体压力。
（2）对试样施加围压：压力值为0~70 MPa；将围压加载系统中的第三截止阀V4和第四截止阀V5全部打开，此时将第二自动稳压阀V6调节到一个较大的压力值，用油泵1向三轴压力腔室22的围压室30中充油。当油充满后，关闭第三三通阀T3与油泵1之间相连的截止阀。将第二自动稳压阀V6调到实验设计的预定压力，利用围压泵3对试样施加压力，第二自动稳压阀V6根据预设置的压力值不断对压力进行微调整，直至第二自动稳压阀V6的压力稳定在预定值，开始对试样施加轴向压力。
（3）对试样施加轴压：压力值为0~300 MPa；将轴压加载系统中的第一截止阀V1和第二截止阀V3全部打开，此时将第一自动稳压阀V2调节到一个较大的压力值，用油泵1向三轴压力腔室22的轴压室29中充油。当轴压室29内的活塞达到轴压室底部时，轴压室29内充满油，关闭第一三通阀T1与油泵1之间相连的截止阀。将第一自动稳压阀V2调到实验设计的预定压力，利用轴压泵2对试样施加压力，第一自动稳压阀V2根据预设置的压力值不断对压力进行微调整，直至第一自动稳压阀V2的压力稳定在预定值，开始对试样加温。
（4）对试样加温：打开控制三轴压力腔室22内加热装置的开关，将温度设定为实验需要达到的预定温度值，通过加热三轴压力腔室22内的油，使得试样慢慢被加热到0~100℃，和恒温水域21温度保持一致，待温度稳定后，开始对试样气体注入、收集系统抽真空。
（5）对试样气体注入、收集系统抽真空：打开三轴压力腔室22与真空泵19相连接的第十五截止阀V22，同时打开流体加载和收集系统的所有阀门，使得实验前将管线中的空气抽出。
（6）对试样预饱和甲烷：反向利用下游气液混合流体收集系统，将下游气液混合流体收集系统作为试样预饱和甲烷的注入通道；在第一高压气瓶16中充满甲烷气体，设置第一减压阀V10的压力，并打开与之相连的第六截止阀V9和第五三通阀T5，使气体流入第一高压注入泵4内，待第一高压注入泵4充满后，关闭与第一高压注入泵4进口相连的第六截止阀V9和第五三通阀T5；设置第一高压注入泵4的注入压力，将第三自动稳压阀V7的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第一高压注入泵4出口处的第五截止阀V8，使气体注入试样中，当第一高压注入泵4内气体体积不再变化时，认为试样已吸附甲烷饱和，关闭第一高压注入泵4；
（7）对试样施加一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀V11的压力，并打开与之相连的第七截止阀V12，使气体流入第二高压注入泵5内，待第二高压注入泵5充满后，关闭与第二高压注入泵5进口相连的第七截止阀V12。设置第二高压注入泵5的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积。打开第二高压注入泵5出口处的第八截止阀V13，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进气阀门，对第二高压注入泵5的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵5。
（8）对试样施加另一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第三减压阀V23的压力，并打开与之相连的第九截止阀V15，使气体流入第三高压注入泵6内，待第三高压注入泵6充满后，关闭与第三高压注入泵6进口相连的第九截止阀V15。设置第三高压注入泵6的注入压力，将第三自动稳压阀V17的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积。打开第三高压注入泵6出口处的第十截止阀V16，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器20中，和上一种注入气体充分进行混合，对第三高压注入泵6的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第三高压注入泵6。
（9）多组分定比例混合气体注入试样：打开具有多通阀门的流体混合容器20的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器20前的第十一截止阀V18，使多相定比例混合气体注入试样中。
（10）收集多组分混合气体：定比例注入驱替气体后，试样出口的混合气体直接流入混合流体收集系统管路中，打开第十四截止阀V21和第五截止阀V8，使得流出的气体推动第一高压注入泵4的活塞下行，当检测到的第一高压注入泵4的活塞位移发生变化时，这时可视为混合气体已开始驱替甲烷。等到第一高压注入泵4满后，打开多组分混合气体收集系统中的第十二截止阀V19和第十三截止阀V20，使通过试样的多组分混合气体流入气体收集罐25中，然后打开连接气体组分色谱仪26，以确定收集气体的成分及浓度。同时利用链条式环向传感器14和压弹式轴向传感器15对实验过程中试样的变形进行监测。
通过本发明所设计的致密含气页岩应力-多相渗流-温度下的混合气体驱替试验实现了驱替气体等压条件下的定比例注入；可以得到实际地应力和温度条件下含气页岩注入不同比例混合气体所驱替出的甲烷含量，及其注入过程中所引起的固体骨架变形，从而得到适用于工程实际的最优驱替气体比例，为页岩气增产提供实验依据。
采用上述装置进行含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的方法，包括以下步骤：
（1）实验开始前，将岩样密封、固定于三轴压力腔室22的球头27之间，并将轴向位移传感器15和环向位移传感器14固定于试样上。打开三轴压力腔室22，将试样至于三轴压力腔室22的球头27上，调整试样，使其中心和球头27中心位于同一条轴线。将试样外部用密封套密封，然后将轴向位移传感器15固定在上、下球头27上，同时将环向位移传感器14固定于试样中部，将三轴压力腔室22闭合。实验开始前，首先对三轴压力腔室22内的试样施加围压，然后对三轴压力腔室22内的试样施加轴压，最后根据需要进行的实验，对三轴压力腔室22内施加流体压力。
（2）对试样施加围压：压力值为0~70 MPa；将围压加载系统中的第三截止阀V4和第四截止阀V5全部打开，此时将第二自动稳压阀V6调节到一个较大的压力值，用油泵1向三轴压力腔室22的围压室30中充油。当油充满后，关闭第三三通阀T3与油泵1之间相连的截止阀。将第二自动稳压阀V6调到实验设计的预定压力，利用围压泵3对试样施加压力，第二自动稳压阀V6根据预设置的压力值不断对压力进行微调整，直至第二自动稳压阀V6的压力稳定在预定值，开始对试样施加轴向压力。
（3）对试样施加轴压：压力值为0~300 MPa；将轴压加载系统中的第一截止阀V1和第二截止阀V3全部打开，此时将第一自动稳压阀V2调节到一个较大的压力值，用油泵1向三轴压力腔室22的轴压室29中充油。当轴压室29内的活塞达到轴压室底部时，轴压室29内充满油，关闭第一三通阀T1与油泵1之间相连的截止阀。将第一自动稳压阀V2调到实验设计的预定压力，利用轴压泵2对试样施加压力，第一自动稳压阀V2根据预设置的压力值不断对压力进行微调整，直至第一自动稳压阀V2的压力稳定在预定值，开始对试样加温。
（4）对试样加温：打开控制三轴压力腔室22内加热装置的开关，将温度设定为实验需要达到的预定温度值，通过加热三轴压力腔室22内的油，使得试样慢慢被加热到到0~100℃，和恒温水域21温度保持一致，待温度稳定后，开始对试样气体注入、收集系统抽真空。
（5）对试样气体注入及收集系统抽真空：打开三轴压力腔室22与真空泵19相连接的第十五截止阀V22，同时打开流下游气液混合流体收集系统中除了第六截止阀V9、第七截止阀V12、第九截止阀V15外的所有阀门，使得实验前将管线中的空气抽出。抽真空后，使下游气液混合流体收集系统中所有的阀门处于关闭状态。
（6）对试样施加上游液体压力：压力值为0~70MPa；打开数据采集控制系统，打开三轴压力腔室22与储水罐18相连的第九截止阀V15，使液体流入第三高压注入泵6内，待第三高压注入泵6充满后，关闭与第三高压注入泵6进口相连的第九截止阀V15。设置第三高压注入泵6的注入压力，同时将第五自动稳压阀V17的压力设置为注入压力，以保证液体以恒定压力注入，并记下泵内活塞位置，以计算注入液体的体积。打开第三高压注入泵6出口处的第十截止阀V16，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进液体阀门，使液体注入到具有多通阀门的流体混合容器20中，当达到预定液体体积时，关闭第三高压注入泵6。
（7）对试样施加上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀V11的压力，并打开与之相连的第七截止阀V12，使气体流入第二高压注入泵5内，待第二高压注入泵5充满后，关闭与第二高压注入泵5进口相连的第七截止阀V12。设置第二高压注入泵5的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下泵内活塞位置，以计算注入气体的体积。打开第二高压注入泵5出口处的第八截止阀V13，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器20中，和液体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵5。
（8）多相混合流体注入试样：打开恒温水域21的开关，使得水域升温到预定温度，等待一段时间，使得在具有多通阀门的流体混合容器20中的流体温度升到至预定温度。打开具有多通阀门的流体混合容器20的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器20前的第十一截止阀V18，使气、液混合流体注入试样中。
（9）对试样预吸附饱和：利用上述（6）（7）（8）三个步骤对试样重复进行混合流体注入，当上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中的第二高压注入泵5和第三高压注入泵6的内流体体积不再变化，说明试样已被定比例的气体和液体饱和。此时，继续重复上述三个步骤，使得定比例气、液混合流体通过混合流体饱和的试样。
（10）收集多相混合流体：打开下游气液混合流体收集系统，通过试样的多相混合流体先经过气水分离装置24，使得流出的水落入气水分离装置24中，而流出的气体则通过气水分离装置24上部的出口流入到第一高压注入泵4中。利用电子天平7对水的质量变化进行实时测量，并利用第一高压注入泵4中活塞进程的监测对进入其中气的体积进行实时测量，以计算含气页岩的渗透性能。同时利用链条式环向传感器14和压弹式轴向传感器15对实验过程中试样的变形进行监测。
（11）耦合实验中试样已进入定比例气、水饱和状态，直接基于耦合实验的试样继续驱替实验，不必再进行预饱和；首先关闭流体管路中的所有阀门，清理上游液体压力加载系统和上游气体压力加载系统注入系统中的残余流体：将第二高压气瓶17和储水罐18更换为高压氦气瓶，分别设置第二减压阀V11和第三减压阀V23的压力，然后将第四稳压阀V14和第五自动稳压阀V17的压力设置为减压阀同等压力值，依次打开第七截止阀V12、第八截止阀V13、第九截止阀V15、第十截止阀V16，断开第十一截止阀V18的进口，将管路中的残余的气体和液体清理干净，清理完毕后，重新关闭所有阀门；
（12）清理下游气液混合流体收集系统中的残余流体：将第一高压气瓶16更换为高压氦气瓶，设置第一减压阀V10的压力，然后将第三自动稳压阀V7的压力值设置为和减压阀压力相同，依次打开第六截止阀V9、第五截止阀V8，将下游混合流体收集系统中的残余流体清理干净，清理完毕后，重新关闭所有阀门；将第二高压气瓶17和储水罐18更换为要注入气体的高压气瓶；
（13）对试样施加一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀V11的压力，并打开与之相连的第七截止阀V12，使气体流入第二高压注入泵5内，待第二高压注入泵5充满后，关闭与第二高压注入泵5进口相连的第七截止阀V12。设置第二高压注入泵5的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积。打开第二高压注入泵5出口处的第八截止阀V13，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进气阀门，对第二高压注入泵5的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵5。
（14）对试样施加另一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第三减压阀V23的压力，并打开与之相连的第九截止阀V15，使气体流入第三高压注入泵6内，待第三高压注入泵6充满后，关闭与第三高压注入泵6进口相连的第九截止阀V15。设置第三高压注入泵6的注入压力，将第三自动稳压阀V17的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积。打开第三高压注入泵6出口处的第十截止阀V16，并打开具有多通阀门的流体混合容器20的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器20中，和上一种注入气体充分进行混合，对第三高压注入泵6的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第三高压注入泵6。
（15）多组分定比例混合气体注入试样：打开具有多通阀门的流体混合容器20的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器20前的第十一截止阀V18，使多相定比例混合气体注入试样中。
（16）收集多组分混合气体：定比例注入驱替气体后，试样出口的混合气体直接流入混合流体收集系统管路中，打开第十四截止阀V21和第五截止阀V8，使得流出的气体推动第一高压注入泵4的活塞下行，当检测到的第一高压注入泵4的活塞位移发生变化时，这时可视为混合气体已开始驱替甲烷。等到第一高压注入泵4满后，打开多组分混合气体收集系统中的第十二截止阀V19和第十三截止阀V20，使通过试样的多组分混合气体流入气体收集罐25中，然后打开连接气体组分色谱仪26，以确定收集气体的成分及浓度。同时利用链条式环向传感器14和压弹式轴向传感器15对实验过程中试样的变形进行监测。
通过本发明所设计的致密含气页岩应力-多相渗流-温度下的混合气体驱替试验直接基于耦合实验的试样进行，可以得到实际地应力和温度条件下，不同气、水饱和度比例下含气页岩抽采过程中的骨架变形和渗透率的动态变化，以及骨架变形和渗透率变化之间的动态关系；同时可以得到同一块试样下不同比例驱替气体下的骨架变形和驱出甲烷量，以确定混合驱替气体最优比例。该项实验不仅节省了时间，而且所得的驱替实验结果和耦合实验结果对比性更强，准确度更高。
Claims (10)
1.含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，其特征在于包括三轴压力腔室、轴压加载系统、围压加载系统、上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气液混合流体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置、加温系统和数据采集控制系统；所述的轴压加载系统连入连通三轴压力腔室的轴压室，围压加载系统连通三轴压力腔室的围压室，上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统通过加温系统连通到三轴压力腔室的试样底部流体注入端口，下游气液混合流体收集系统和多组分混合气体收集系统通过抽真空装置连通三轴压力腔室的试样顶部流体流出端口；所述的上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统和下游气液混合流体收集系统通过RS232电缆与数据采集控制系统连接，上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统通过数据采集控制系统控制混合流体的定比例等压注入。
2.根据权利要求1所述的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，所述的下游气液混合流体收集系统设置在三轴压力腔室的顶部，包括第一高压气瓶、第一减压阀、第六截止阀、第五三通阀、第五截止阀、第三压力传感器、第三自动稳压阀、气水分离装置、电子天平和第十四截止阀；其特征在于还包括第一高压注入泵，所述的第一高压注入泵连接在第五三通阀的进口和第五截止阀的出口之间，第一高压注入泵通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信。
3.根据权利要求1所述的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，所述的上游气体压力加载系统设置在三轴压力腔室的底部，包括第二高压气瓶、第二减压阀、第七截止阀、第八截止阀、第四压力传感器和第四自动稳压阀；其特征在于还包括第二高压注入泵，所述的第二高压注入泵连接在第七截止阀的出口与第八截止阀的进口之间，第二高压注入泵通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信。
4.根据权利要求1所述的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，所述的上游液体压力加载系统包括储水罐、第三减压阀、第九截止阀、第十截止阀、第五压力传感器和第五自动稳压阀；其特征在于还包括第三高压注入泵，所述的第三高压注入泵连接在第九截止阀的出口与第十截止阀的进口之间，第三高压注入泵通过自身配备的传感器和数据采集盒将压力和位移电信号换成所需数字信号，再通过RS232电缆与计算机之间进行通信。
5.根据权利要求1所述的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，所述的轴压加载系统包括油泵、轴压泵、第一截止阀、第一压力传感器、第一三通阀、第二截止阀和第二三通阀；其特征在于还包括第一自动稳压阀，所述的第一自动稳压阀连接在第一压力传感器的一端接口与第一三通阀的进口之间。
6.根据权利要求1所述的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，所述的围压加载系统包括油泵、围压泵、第四截止阀、第二压力传感器、第三三通阀、第三截止阀和第二三通阀；其特征在于还包括第二自动稳压阀，所述的第二自动稳压阀连接在第二压力传感器的一端接口与第三三通阀的出口之间。
7.根据权利要求1所述的含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，其特征在于所述的加温系统包括具有多通阀门的流体混合容器中的恒温水域、第十一截止阀和三轴压力腔室内部左右侧壁上分别连接的内加温装置；所述的具有多通阀门的流体混合容器通过第十一截止阀连入到三轴压力腔室的试样底部流体注入端口； 所述的上游液体压力加载系统在驱替实验中，作为上游另一种气体压力加载系统，耦合实验中的注入气、水定比例混合流体或驱替实验中的多组分定比例混合气体汇入到具有多通阀门的流体混合容器中； 为了防止不锈钢耐压管线散热造成注入液体的温度降低，在上游气体压力加载系统、上游液体压力加载系统、下游气液混合流体收集系统、多组分混合气体收集系统、抽真空装置和加温系统中的所有不锈钢耐压管线外部包裹保温夹套。
8.采用权利要求1所述的装置进行含气页岩应力-渗流-温度耦合试验的方法，按照固定试样→对试样施加围压→对试样施加轴压→对试样加温→抽真空的步骤进行，其特征在于抽真空后的步骤包括：
（1）对试样施加上游液体压力：压力值为0~70MPa；打开三轴压力腔室与储水罐相连的第九截止阀、第十截止阀和第十一截止阀，使液体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，同时将第五自动稳压阀的压力设置为注入压力，使得活塞推动气体压缩达到预设压力，以保证液体以恒定压力注入，并记下注入液体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进液体阀门，使液体以恒定压力注入到具有多通阀门的流体混合容器中，当达到预定液体体积时，关闭第三高压注入泵；
（2）对试样施加上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体以恒定压力注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和液体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（3）多相混合流体注入试样：加温范围为0~100℃；打开恒温水域的开关，使得水域升温到预定温度，等待一段时间，使得在具有多通阀门的流体混合容器中的流体温度升高至预定温度；打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使气、液混合流体注入试样中；
（4）对试样预吸附饱和：利用上述（1）（2）（3）三个步骤对试样重复进行混合流体注入，当上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中的第二高压注入泵和第三高压注入泵的内流体体积不再变化，说明试样已被定比例的气体和液体饱和；此时，继续重复上述（1）（2）（3）三个步骤，使得定比例气、液混合流体通过混合流体饱和的试样；
（5）收集多相混合流体：打开下游气液混合流体收集系统，通过试样的多相混合流体先经过气水分离装置，使得流出的水落入气水分离装置中，而流出的气体则通过气水分离装置上部的出口流入到第一高压注入泵中；利用电子天平对水的质量变化进行实时测量，并利用第一高压注入泵对进入其中气体体积进行实时测量。
9.采用权利要求1所述的装置进行含气页岩应力-渗流-温度驱替试验的方法，按照固定试样→对试样施加围压→对试样施加轴压→对试样加温→抽真空的步骤进行，其特征在于抽真空后的步骤包括：
（1）对试样预饱和甲烷：反向利用下游气液混合流体收集系统，将下游气液混合流体收集系统作为试样预饱和甲烷的注入通道；在第一高压气瓶中充满甲烷气体，设置第一减压阀的压力，并打开与之相连的第六截止阀和第五三通阀，使气体流入第一高压注入泵内，待第一高压注入泵充满后，关闭与第一高压注入泵进口相连的第六截止阀和第五三通阀；设置第一高压注入泵的注入压力，将第三自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第一高压注入泵出口处的第五截止阀，使气体注入试样中，当第一高压注入泵内气体体积不再变化时，认为试样已吸附甲烷饱和，关闭第一高压注入泵；
（2）对试样施加一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（3）对试样施加另一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第三减压阀的压力，并打开与之相连的第九截止阀，使气体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，将第三自动稳压阀V17的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和上一种注入气体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第三高压注入泵；
（4）多组分定比例混合气体注入试样：打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使多相定比例混合气体注入试样中；
（5）收集多组分混合气体：打开多组分混合气体收集系统中的第十二截止阀和第十三截止阀，使通过试样的多组分混合气体流入气体收集罐中，然后打开连接气体组分色谱仪，以确定收集气体的成分及浓度。
10.采用权利要求1所述的装置进行含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的方法，按照固定试样→对试样施加围压→对试样施加轴压→对试样加温→抽真空的步骤进行，其特征在于抽真空后的步骤包括：
（1）对试样施加上游液体压力：压力值为0~70MPa；打开三轴压力腔室与储水罐相连的第九截止阀、第十截止阀和第十一截止阀，使液体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，同时将第五自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证液体以恒定压力注入，并记下注入液体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进液体阀门，使液体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，当达到预定液体体积时，关闭第三高压注入泵；
（2）对试样施加上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀V14的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和液体充分进行混合，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（3）多相混合流体注入试样：打开恒温水域的开关，使得水域升温到0~100℃，等待一段时间，使得在具有多通阀门的流体混合容器中的流体温度升到至预定温度；打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使气、液混合流体注入试样中；
（4）对试样预吸附饱和：利用上述（1）（2）（3）三个步骤对试样重复进行混合流体注入，当上游气体压力加载系统和上游液体压力加载系统中的第二高压注入泵和第三高压注入泵的内流体体积不再变化，说明试样已被定比例的气体和液体饱和；此时，继续重复上述（1）（2）（3）三个步骤，使得定比例气、液混合流体通过混合流体饱和的试样；
（5）收集多相混合流体：打开下游气液混合流体收集系统，通过试样的多相混合流体先经过气水分离装置，使得流出的水落入气水分离装置中，而流出的气体则通过气水分离装置上部的出口流入到第一高压注入泵中；利用电子天平对水的质量变化进行实时测量，并利用第一高压注入泵对进入其中气的体积进行实时测量；
（6）耦合实验中试样已进入定比例气、水饱和状态，直接基于耦合实验的试样继续驱替实验，不必再进行预饱和；首先关闭流体管路中的所有阀门，清理上游液体压力加载系统和上游气体压力加载系统注入系统中的残余流体：将第二高压气瓶和储水罐更换为高压氦气瓶，分别设置第二减压阀和第三减压阀的压力，然后将第四稳压阀和第五自动稳压阀的压力设置为减压阀同等压力值，依次打开第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀、第十截止阀，断开第十一截止阀的进口，将管路中的残余的气体和液体清理干净，清理完毕后，重新关闭所有阀门；
（7）清理下游气液混合流体收集系统中的残余流体：将第一高压气瓶更换为高压氦气瓶，设置第一减压阀的压力，然后将第三自动稳压阀的压力值设置为和减压阀压力相同，依次打开第六截止阀、第五截止阀，将下游混合流体收集系统中的残余流体清理干净，清理完毕后，重新关闭所有阀门；将第二高压气瓶和储水罐更换为要注入气体的高压气瓶；
（8）对试样施加一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第二减压阀的压力，并打开与之相连的第七截止阀，使气体流入第二高压注入泵内，待第二高压注入泵充满后，关闭与第二高压注入泵进口相连的第七截止阀；设置第二高压注入泵的注入压力，将第四自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第二高压注入泵出口处的第八截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，对第二高压注入泵的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第二高压注入泵；
（9）对试样施加另一种上游气体压力：压力值为0~70MPa；设置第三减压阀的压力，并打开与之相连的第九截止阀，使气体流入第三高压注入泵内，待第三高压注入泵充满后，关闭与第三高压注入泵进口相连的第九截止阀；设置第三高压注入泵的注入压力，将第三自动稳压阀的压力设置为注入压力，以保证气体压力的恒定注入，控制气体活跃性引起的压力波动，并记下注入气体的体积；打开第三高压注入泵出口处的第十截止阀，并打开具有多通阀门的流体混合容器的进气阀门，使气体注入到具有多通阀门的流体混合容器中，和上一种注入气体充分进行混合，对第三高压注入泵的活塞进程进行监测，当达到预定气体体积时，关闭第三高压注入泵；
（10）多组分定比例混合气体注入试样：打开具有多通阀门的流体混合容器的流出阀门，并打开具有多通阀门的流体混合容器前的第十一截止阀，使多相定比例混合气体注入试样中；
（11）收集多组分混合气体：定比例注入驱替气体后，试样出口的混合气体直接流入混合流体收集系统管路中，打开第十四截止阀和第五截止阀，使得流出的气体推动第一高压注入泵的活塞下行，当检测到的第一高压注入泵的活塞位移发生变化时，这时可视为混合气体已开始驱替甲烷；等到第一高压注入泵满后，打开多组分混合气体收集系统中的第十二截止阀和第十三截止阀，使通过试样的多组分混合气体流入气体收集罐中，然后打开连接气体组分色谱仪，以确定收集气体的成分及浓度；同时利用链条式环向传感器和压弹式轴向传感器对实验过程中试样的变形进行监测。
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