CN103344539B - 渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法，该实验装置包括三轴压力室、多相流体混合控制装置、出口流体收集与测量装置。多相流体混合控制装置包括气体计量泵、液体计量泵、气体压缩瓶、储液箱、混合容器、控制箱、真空泵。通过控制箱的电平信号来控制计量泵的工作状态，保证恒定的渗透压力以及混合流体的气液成分比例。渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验的测试方法是在上述实验装置的基础上进行的测试方法，本发明通过改变不同的荷载条件、混合流体相态组分、渗透压力以及温度，可实现岩石试件在不同相态混合流体渗透作用下的热流固耦合蠕变实验。

Description

渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法

技术领域

本发明涉及一种渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法。

背景技术

在石油，水力，采矿和能源等工程建设项目中，经常会遇到各种各样的多相渗流问题。在油气田开发过程中，地层和井底附近，经常发生的是油气、油水、气水两相或油、气、水三相同时流动的多相渗流情况。二氧化碳的咸水层储存涉及到二氧化碳、咸水两相混合流体在地层中的渗透问题。页岩气的开采过程也存在天然气和氮气等多相混合流体的渗透作用。此外，对于能源开发与输送、核废料的处理及二氧化碳地下封存等复杂深部岩体工程还会涉及温度的影响。岩层内部流体相态也会随着地层压力和温度的变化而发生变化，同一流体成分的不同相态具有不同的物理化学性质，对岩体工程的影响作用也不一样。例如二氧化碳地下储存工程中涉及到的就是超临界状态的二氧化碳。对这类问题的评价和研究，就需要我们考察不同压力温度作用下多相混合流体对岩石的渗透-应力-温度-化学长期耦合作用机理。

为了研究上述耦合机理，可以通过室内耦合实验获取渗透系数、应力、应变数据等并对渗透溶液进行成分浓度分析来研究多相混合流体渗透作用对岩石力学性质和渗透特性的影响以及多相流体对岩石矿物成分的改造作用。然而目前，在实验这方面研究人员所掌握的技术以及装置设计都有所欠缺。其中现有的实验方法在多相混合流体渗透这一方面尤其存在不足。国内已公开的与渗流耦合实验相关的主要侧重的都是单相渗流,通过在三轴压力室的上下加载端面添加渗流管路，上游连接控制渗透压力的泵，下游为渗流出口，这样三轴压力室内岩样上下端面形成渗透压力差，从而实现渗流与应力的耦合实验。在两相或者多相渗透方面，虽然已有研究人员已经开展相关的短期渗流—力学耦合实验，但是其中许多实验是首先用液体对岩样进行饱和处理，然后再将气体按照一定压力注入岩样以此来进行不同相态之间的混合渗流，例如，公开号：CN 102901803 公开日期：2013.01.30 发明名称为“受载含瓦斯媒水气两相吸附-解吸-渗流试验系统和方法”。值得注意的是该混合相态的渗流状态仅发生在饱和岩样中的液相被气相驱尽前的的这段时间内。一旦液相被气相完全驱替后该渗流状态即为单相渗流状态，由于该时间的限制，仅能实现短期内的渗流—力学耦合实验。当需要研究岩石在多相渗流条件下的长期性质时，这种渗流方式无法满足要求。此外，严格意义上的两相渗流是指两相流体在多孔介质中同时参与流动，其渗流形态主要是其中一相成柱塞状分散在另一相中流动,或者其中一相成液滴或气泡分散在另一相中流动。然而，受室内实验岩样尺寸的限制，在渗透压较大或渗透性较好的情况下，这种渗流方法也无法实现严格意义上两相渗流形态。尽管，也有许多学者对该实验进行过改进，先将多相流体混合在一起再进行渗透以实现多相渗流，但是由于技术和实验条件的限制，没有实现在实验过程中同时控制恒定的渗透压力以及恒定的多相比例。而且，前人开展多相流体渗透实验时也鲜少将其与蠕变和温度耦合起来研究。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是克服现有实验条件和方法上的不足，通过对三轴渗透-压力耦合实验仪器的改造，完善该实验装置中的多相流体混合控制装置以及多相流体收集测量装置，提供一种渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法，通过改变不同的混合流体的相分比例、不同的渗透压力不同的蠕变荷载条件和实验温度，可以实现不同混合流体渗透作用时的岩石渗透-蠕变-温度-化学耦合实验。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置，包括三轴压力室、电机伺服泵以及之间的连接管路和阀门，将所述的电机伺服泵通过管路连接到三轴压力室的下游出口处，下游出口和电机伺服泵管路之间设有阀门，三轴压力室的上游进口通过管路与混合容器的混合流体出口连接，上游进口与混合流体出口管路之间设有阀门，气体压缩瓶的出气口通过管路与气体计量泵的进气口连接，气体计量泵的出气口通过管路与混合容器的进气口连接，气体压缩瓶与气体计量泵之间设有减压阀，气体计量泵与进气口之间设有阀门，储液箱的出液口通过管路与液体计量泵的进液口连接，液体计量泵的出液口通过管路与混合容器的进液口连接，储液箱的出液口通过管路与三向阀门的进液口连接，三向阀门的两个出液口分别通过管路并联在液体计量泵的清洗口和进液口上，其中与清洗口连接的管路上设置有止水阀，液体计量泵的出液口通过管路与混合容器进液口连接，管路上设有阀门，真空泵的抽气口通过管路与混合容器的排气口连接，管路上设有阀门，气体计量泵、液体计量泵的信号输入端通过并联连接到混合容器的控制箱的电平信号输出端上，混合容器中的热电偶、磁力搅拌器与压力传感器通过线路分别连接到控制箱上，混合容器中的加热板外接电源。

在所述的混合容器上设有备用的进气口和进液口。

所述的连接管路采用不锈钢材质。

渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验的测试方法，所述测试方法按以下步骤进行：

a在三轴压力室上安装制备好的标准岩样，岩样上下端面采用透水板，安装已标定好的环向变形计和LVDT来实现环向应变和轴向应变的测量，关闭所有阀门，打开三轴压力室的上游进口阀门与下游出口阀门、气体计量泵的减压阀和液体计量泵的三向阀门以及混合容器的混合流体出口阀门、进气口阀门、进液口阀门与排气口阀门，运行真空泵将混合容器、岩样以及渗流管路内的空气抽为真空后，关闭排气口阀门。

b关闭混合容器的混合流体出口阀门，按照实验所需配比分别设定好气体计量泵和液体计量泵的流量, 打开气体计量泵和液体计量泵出口，按照实验需要的渗透压力设定混合容器的控制箱的压力阈值、容忍度、温度和搅拌速率，其中压力值≤15MPa，容忍度为0.1bar, 温度值范围在20℃－80℃之间，搅拌速率≤1000rpm，控制箱调动气体计量泵和液体计量泵以固定流量往容器内注入流体直到达到设定压力后才停泵。

c 待混合容器达到固定压力和温度后，按照常规蠕变实验操作步骤，设定三轴压力室温度,对岩样加围压和轴压，其中轴压不超过600KN，围压不超过60MPa。

d 待三轴压力室内围压、轴压以及温度达到设定值后，根据实验需要的渗透压来设定电机伺服泵的压力值，压力值小于上游进口的压力值，打开混合容器的混合流体出口阀门，运行电机伺服泵，当电机伺服泵的容积读数开始发生变化时，关闭混合容器的混合流体出口阀门。记录此时容积读数为初始值。

e 开启混合容器的混合流体出口阀门和电机伺服泵，开始进行岩石多相混合流体渗流-蠕变-温度耦合实验。

f 通过电机伺服泵的当前容积读数、初始容积读数、渗流时间可以计算出渗透流速，进而求得渗透率。通过三轴压力室上的LVDT和环向变形计记录的加载实验过程中的轴向变形和环向变形数据计算得到岩样在渗流-应力-温度耦合作用下的轴向、横向应变规律。

由于采用了以上技术方案，本发明所述的渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法既考虑了多相流体的混合渗透作用，又考虑了岩石的蠕变过程，能够分析岩石在长期化学渗透作用下和蠕变之间的相互影响关系。本发明所述的实验装置采用三轴压力室、混合容器和计量泵的结合，利用混和容器的控制箱输出的电平信号调动气体计量泵和液体计量泵的工作状态，控制多相混合流体的相分比例和渗透压力；利用混合容器和三轴压力室的加温装置为实验提供所需的恒定温度；利用三轴压力室的围压、轴压加载系统对岩样进行加载，通过以上技术手段来分析不同流体相态组分、不同渗透压力、不同温度和不同荷载作用条件对岩样的耦合作用。本发明所述的试验装置既可以实现气液之间不同相态、不同组分的混合流体渗流，也可以实现气相或液相单相态单组分的渗流，在混合容器备用进气口或进液口上进行气体管路和液体管路的连接便可实现两种流体以上的混合流体渗流。本发明所述的试验装置具备的渗透试验功能包括：单相渗透；恒定多相流体成分比例条件下的定压渗透；加载条件下的多相驱替实验等。通过处理试件变形测量数据可以得到应变-时间的蠕变曲线；通过处理渗透流量、渗透压力数据可以得到渗透率随时间变化曲线。由于电机伺服泵的出口接头比较灵活，可以根据实验的进一步分析需要来连接气液分离器、皂沫流量计、计量瓶以及气相色谱仪等一系列测量分析装置，分离气液相态后再分别分析气/液态的成分和浓度数据，这样可以得到不同气体的穿透曲线或者各类矿物质浓度随时间的变化曲线，这使得实验装置具有一定的可扩展性。本发明的实验装置与测试方法能够同时保证实验所需的恒定渗透压力以及恒定多相比例，通过改变不同的混合流体的相分比例、不同的渗透压力不同的蠕变荷载条件和实验温度，可以实现不同混合流体渗透作用时的岩石渗透-蠕变-温度-化学耦合实验。

附图说明

图1是本发明实验装置的结构示意图；

具体实施方式   

下面根据附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的实验装置由三轴压力室1、多相混合控制装置和出口流体收集与测量装置组成，其中三轴压力室1采用法国Top Industria公司生产的岩石三轴流变仪，出口流体收集与测量装置由该流变仪上用于控制入口渗流压力和流量的电机伺服泵2改装而成，将该电机伺服泵2通过管路连接到三轴压力室1的下游出口3处，在下游出口3和电机伺服泵2之间设有阀门，电机伺服泵2作为一个出口流体收集与测量装置来控制下游的出水端压力，同时测量下游出水流量，该电机伺服泵2可以记录各时刻活塞的位置，通过标定泵内容积与活塞刻度的关系来实现用活塞位置数据记录泵内收集到的流体体积，其出口与外界相通，用于排空泵内流体或取样流体来分析流体质量、成分、浓度。多相流体混合控制装置由气体计量泵6、液体计量泵7、气体压缩瓶8、储液箱9、混合容器10、真空泵11、控制箱、三向阀17、气体减压阀13和管路组成，其中混合容器10及其控制箱采用法国Top Industria公司生产的饱和反应釜及其控制系统，将三轴压力室1的上游进口4通过管路与混合容器10的混合流体出口5相连，在上游进口4与混合流体出口5之间设有阀门，

气体压缩瓶8的出气口通过管路与气体计量泵6的进气口连接，气体计量泵6的出气口通过管路与混合容器10的进气口14连接，气体压缩瓶8与气体计量泵6之间设有减压阀13，气体计量泵6与进气口14之间设有阀门，储液箱9的出液口通过管路与液体计量泵7的进液口连接，液体计量泵7的出液口通过管路与混合容器10的进液口15连接，储液箱9的出液口通过管路与三向阀门17的进液口连接，三向阀门17的两个出液口分别通过管路并联在液体计量泵7的清洗口和进液口上，其中与清洗口连接的管路上设置有止水阀，液体计量泵7的出液口通过管路与混合容器10进液口15连接，管路上设有阀门，混合容器10上的备用进气口和进液口可根据实验所需的混合流体种类按照上述方式进行气体管路和液体管路的连接，真空泵11的抽气口通过管路与混合容器10的排气口16连接，管路上设有阀门，气体计量泵6、液体计量泵7的信号输入端通过并联连接到混合容器10的控制箱的电平信号输出端上，混合容器10中的热电偶18、磁力搅拌器19与压力传感器12通过线路分别连接到控制箱上，混合容器10中的加热板20外接电源，通过设定多相流体混合控制装置中的控制箱上的参数来调节混合容器10的搅拌速率、温度以及容器内所需压力阈值和压降容忍度，当混合容器10的压力传感器12所测压力值低于压力阈值下限时，气体计量泵6和液体计量泵7通过信号输入端接收到开始工作的信号并以计量泵设定的流量注入到混合容器10里，同时该计量泵记录下当前累计工作时间。其中全部渗流管路为不锈钢材质制作，其材质要求应满足化学溶液pH值在2～10之间的使用，以避免渗流溶液的化学腐蚀作用。

在所述的混合容器10上还设置有备用液体或气体进口，可根据实验所需的混合流体种类在备用液体或气体进口上分别进行不同方式的组合连接液体计量泵（气体计量泵）和储液箱（气体压缩瓶）。

渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验的测试方法，首先将三轴压力室、多相混合控制装置和出口流体收集与测量装置按要求连接，准备好试样并分别准备好实验所需的气体和液体。

所述测试方法按以下步骤进行：

a在三轴压力室上安装制备好的标准岩样，岩样上下端面采用透水板，安装已标定好的环向变形计和LVDT来实现环向应变和轴向应变的测量，关闭所有阀门，打开三轴压力室的上游进口阀门与下游出口阀门、气体计量泵的减压阀和液体计量泵的三向阀门以及混合容器的混合流体出口阀门、进气口阀门、进液口阀门与排气口阀门，运行真空泵将混合容器、岩样以及渗流管路内的空气抽为真空后，关闭排气口阀门。

b关闭混合容器的混合流体出口阀门，按照实验所需配比分别设定好气体计量泵和液体计量泵的流量,打开气体计量泵和液体计量泵出口，按照实验需要的渗流压在设定混合容器的控制箱的压力阈值、容忍度、温度和搅拌速率，其中压力值≤15MPa，容忍度为0.1bar, 温度值范围在20℃－80℃之间，搅拌速率≤1000rpm，控制箱调动气体计量泵和液体计量泵以固定流量往容器内注入流体直到达到设定压力后才停泵。其中容忍度的取值与压力传感器的精度有关，本实验中容忍度取0.1Bar,如果需要更小的容忍度可以通过提高压力传感器精度来实现。

c待混合容器达到固定压力和温度后，按照常规蠕变实验操作步骤，设定三轴压力室温度,对岩样加围压和轴压，其中轴压不超过600KN，围压不超过60MPa。

d 待三轴压力室内围压、轴压以及温度达到设定值后，根据实验需要的渗透压来设定电机伺服泵的压力值，压力值小于上游进口的压力值，打开混合容器的混合流体出口阀门，运行电机伺服泵，当电机伺服泵的容积读数开始发生变化时，关闭混合容器的混合流体出口阀门。记录此时容积读数为初始值。

e 开启混合容器的混合流体出口阀门和电机伺服泵，开始进行岩石多相混合流体渗流-蠕变-温度耦合实验。

f 通过电机伺服泵的当前容积读数、初始容积读数、渗流时间可以计算出渗透流速，进而求得渗透率。通过三轴压力室上的LVDT和环向变形计记录的加载实验过程中的轴向变形和环向变形数据计算得到岩样在渗流-应力-温度耦合作用下的轴向、横向应变规律。

本发明所述的渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置，可通过三轴蠕变实验获得实验过程中岩石的围压大小、轴压大小、轴向变形、横向变形，并通过多相混合流体的渗透实验获得渗透过程中流体的相态比例、流体温度、渗透压力大小、混合流体流量大小。通过这些数据能够得到岩石在应力-温度-多相流体渗流长期耦合作用下的力学变形演化规律以及渗透性质演化规律。此外通过对混合流体成分浓度的进一步分析能够掌握多相流体对岩石的化学改造作用以及混合气体的驱替效果等。为岩石多场耦合方面的研究提供准确真实的实验数据。

本发明提供的实验装置能实现如下主要实验功能：

（1）  单相渗透条件下的岩石三轴蠕变实验；

（2）  恒定多相流体成分比例的定压渗透条件下的岩石三轴蠕变实验；

（3）  加载条件下的多相驱替实验；

以上实验功能中可以考虑温度的影响，通过加热板分别对三轴压力室1和混合容器10加热达到实验所需温度。

上述实验功能的具体实验方法和步骤：

实施例一

单相渗透条件下的岩石三轴蠕变实验——以氮气渗透条件下的岩石三轴蠕变实验为例，首先将三轴压力室、多相混合控制装置和出口流体收集与测量装置按要求连接，准备好试样和实验所需的气体，气体为氮气，并关闭装置连接中进液口的控制阀门。

其具体操作步骤如下：

（一）将制备好的岩样上下端面放置渗透用的透水板然后装入三轴蠕变实验仪器的三轴压力室1内，分别采用LVDT和环向变形计来记录实验过程中的轴向变形和环向变形。

（二）打开气体减压阀13和进气口14阀门，启动气体计量泵6，往混合容器10内注入氮气，当混合容器10上的压力表指针开始摆动时，暂停气体计量泵6停止输送，这一过程使得气体压缩瓶8到气体计量泵6之间的管路内充满氮气，打开排气口16阀门、混合容器10的出口5阀门以及三轴压力室1的下游出口3阀门，启动真空泵11将从气体计量泵6开始到电机伺服泵2之间的混合容器10、三轴压力室1及其渗流管路抽为真空，关闭真空泵11、排气口16阀门和出口5阀门。

（三）设定气体计量泵6的流量，设定控制箱压力阈值为P1＝15MPa，容忍度H=0.1Bar，温度T1=80℃后运行控制箱，控制箱调动气体计量泵6往混合容器10内注入氮气，直到混合容器10内压力值达到阈值时，气体计量泵6暂停工作。

（四）待混合容器10内的气相流体压力和温度都恒定后，按照常规蠕变实验操作步骤，恒定三轴压力室1的温度为80℃，先对岩样加围压10MPa再加轴压25MPa。

（五）待三轴压力室1荷载与温度达到设定值后，根据实验所需渗透压ΔP设定电机伺服泵2内压力值为P2=P1-ΔP，打开混合容器10的出口5阀门，运行电机伺服泵2，如此在岩样上下端面形成渗透压差ΔP。当电机伺服泵2的容积读数开始发生变化时，暂停电机伺服泵2，关闭出口5阀门，记录容积读数V0作为初始容积。

（六）打开出口5阀门，启动电机伺服泵2，开始进行氮气渗透条件下的岩石三轴蠕变实验。根据各时间点记录的电机伺服泵2的读数 可计算得到各时间段内的流量，进而求得渗透率。第n到n+1时间点之间流速计算公式如下：

式中：为岩样直径。

标准状态（压力，温度）下的收集到的体积为，根据气体状态方程：

则第n到n+1时间点之间标准状态下的流速计算公式如下：

   标准状态下第n到n+1时间点之间岩样的渗透率计算公式为：

   式中：为该标准状态下气体的粘度，为岩样的高度，为渗透压差。

（七）通过LVDT和环向变形计记录的加载实验过程中的轴向变形和环向变形数据计算得到岩样在渗流-应力-温度耦合作用下的轴向、横向应变规律。

实施例二

恒定多相流体成分比例的定压渗透条件下的岩石三轴蠕变实验——以二氧化碳与咸水混合流体定压渗透条件下的岩石三轴蠕变实验为例，首先将三轴压力室、多相混合控制装置和出口流体收集与测量装置按要求连接，准备好试样并分别准备好实验所需的气体和液体，气体采用二氧化碳，液体采用咸水。

其具体操作步骤如下：

（一）将制备好的岩样上下端面放置渗透用的透水板然后装入三轴蠕变实验仪器的三轴压力室1内，分别采用LVDT和环向变形计来记录实验过程中的轴向变形和环向变形。

（二）断开液体计量泵7下游出口端与进液口15阀门之间的管路，启动液体计量泵7，当泵的下游出口有流体流出时，暂停液体计量泵7并连接液体计量泵7下游端与进液口15阀门之间的管路，这一过程使得液体计量泵4与存放咸水的储液箱9之间的管路充满咸水。打开进液口15阀门、气体减压阀13和进气口14阀门，启动气体计量泵6，往混合容器10内以一定流量输入气相流体，当混合容器10上的压力表10指针开始摆动时，暂停气体计量泵6停止输送，这一过程使得CO2气体压缩瓶8到气体计量泵6之间的管路内充满CO2，打开排气口16阀门、混合容器10出口5阀门以及三轴压力室1的下游出口3阀门，启动真空泵11将从气体计量泵6和液体计量泵7开始到电机伺服泵2之间的混合容器10、三轴压力室1及其渗流管路抽为真空，关闭真空泵11、排气口16阀门和出口阀门5。

（三）按照实验需要的成分比例设定液体计量泵7和气体计量泵6的流量，设定控制箱压力阈值P1=7.8MPa，容忍度H=0.1Bar，温度T1=38.5℃以及搅拌速率450rpm后运行控制箱，控制箱同时调动液体计量泵7和气体计量泵6往混合容器10内注入咸水和CO₂并将混合流体搅拌均匀，直到混合容器10内压力值达到阈值时，液体计量泵7和气体计量泵6暂停工作。

（四）待混合容器10内的混合流体压力和温度都恒定后，按照常规蠕变实验操作步骤，恒定三轴压力室1的温度为38.5℃，先对岩样加围压10MPa再加轴压25MPa。

（五）待三轴压力室1荷载与温度达到设定值后，根据实验所需渗透压ΔP设定电机伺服泵2内压力值为P2=P1-ΔP，打开混合容器10的出口5阀门，运行电机伺服泵2，如此在岩样上下端面形成渗透压差ΔP。当电机伺服泵2的容积读数开始发生变化时，暂停电机伺服泵2，关闭下游出口3阀门，记录容积读数V₀作为初始容积。

（六）打开出口5阀门，启动电机伺服泵2，开始进行多相渗流条件下的岩石三轴蠕变实验。根据各时间点记录的电机伺服泵2的读数可计算得到各时间段内的流量（混合流体的流速及渗透率计算方法参见功能一操作说明）。若需分开计算各相态的流速，可以各时间点测量电机伺服泵2出口处收集的混合流体中液体的体积，再计算出CO₂的体积，再代入前面功能一操作说明的公式即可。或者也可以在电机伺服泵2出口处安装气液分离器，分别通过皂沫流量计和流体计量装置的计量瓶来分别计算气体和液体的流量。

（七）通过LVDT和环向变形计记录的加载实验过程中的轴向变形和环向变形数据计算得到岩样在渗流-应力-温度耦合作用下的轴向、横向应变规律。

实施例三

加载条件下的多相驱替实验——以二氧化碳和氮气的混合气体驱替吸附储层的甲烷实验为例，首先将三轴压力室、多相混合控制装置和出口流体收集与测量装置按要求连接，准备好试样，气体压缩瓶8内准备好实验所需的甲烷，并将混合容器10的两个备用气体进口分别连接到二氧化碳和氮气的气体计量泵的出气口上，二氧化碳和氮气的气体计量泵的出气口分别与二氧化碳和氮气的气体压缩瓶连接，二氧化碳和氮气的气体计量泵出气口与二氧化碳和氮气的气体压缩瓶之间分别设有二氧化碳和氮气的减压阀，并关闭装置连接中进液口的控制阀门。三轴压力室1下游端需要压力时连接电机伺服泵2后再连接气相色谱分析仪，不需要压力时可以直接连接气相色谱分析仪。

其具体操作步骤如下：

（一）将制备好的岩样上下端面放置渗透用的透水板然后装入三轴蠕变实验仪器的三轴压力室1内，分别采用LVDT和环向变形计来记录实验过程中的轴向变形和环向变形，对岩样加围压再加轴压，保持温度恒定。

（二）打开三个气体减压阀13和三个进气口14阀门，启动三个气体计量泵6，往混合容器10内以一定流量输入甲烷、二氧化碳和氮气，当混合容器10上的压力表指针开始摆动时，暂停气体计量泵6停止输送，这一过程使得三个气体压缩瓶8到三个气体计量泵6之间的管路内分别充满这三种气体，打开排气口16阀门、混合容器10的出口5阀门以及下游出口3阀门，启动真空泵11将混合容器10、三轴压力室1、电机伺服泵2及其之间渗流管路抽为真空，关闭真空泵11、关闭排气口16阀门、出口5阀门、下游出口3阀门。

（三）关闭二氧化碳和氮气的进气口14阀门，保持甲烷的进气口14阀门打开，打开甲烷气体减压阀13，设定甲烷气体计量泵6的流量为，设定控制箱压力阈值P1=2MPa，容忍度H=0.1Bar，温度T1=20℃后运行控制箱，控制箱调动甲烷气体计量泵6往混合容器10内注入甲烷气体，直到混合容器10内压力值达到设定值时，气体计量泵6暂停工作。记录此时甲烷气体计量泵6的累计工作时间。

（四）打开出口5阀门，将三轴压力室1和混合容器10连通使得岩样开始吸附甲烷，此时混合容器10内压力下降，开始调动甲烷气体计量泵6工作，工作停止稳定后也就是吸附达到平衡后，记录甲烷气体计量泵6的工作时间。即可得到岩样吸附甲烷量。

（五）暂停控制箱和甲烷气体计量泵6，关闭出口5阀门和甲烷进气口14阀门，打开排气口16阀门，启动真空泵11将混合容器10内甲烷抽真空后，关闭真空泵11、关闭排气口16阀门。

（六）打开二氧化碳和氮气进气口14阀门，按照实验需要的成分比例设定二氧化碳气体计量泵6和氮气气体计量泵6的流量分别为和，设定控制箱压力阈值P2=2MPa，容忍度H=0.1Bar，温度T2=20℃以及搅拌速率450rpm后运行控制箱，控制箱同时调动两个气体计量泵6往混合容器10内注入二氧化碳和氮气并将混合流体搅拌均匀，直到混合容器10内压力值达到预定值时，气体计量泵6暂停工作。记录此时二氧化碳和氮气气体计量泵6的累计工作时间和。

（七）打开出口5阀门和下游出口3阀门，通过电机伺服泵2可以设定下游压力，混合容器10与三轴压力室1连通后开始进行定压条件下的混合气体驱替，驱替出来的混合气体都收集在电机伺服泵2内，可以获得泵内混合气体的体积。达到平衡后，记录计量泵累计工作时间和。分别得到二氧化碳和氮气的注入量和。打开电机伺服泵2出口，通过气相色谱仪可以分析气体浓度组分，可以得到不同气体的穿透曲线；通过甲烷吸附量、不同气体的注入量和出气端气体组分累积量的差值，最终得到混合气体的驱替效果。

通过改变混合气体成分比例、温度、压力以及岩样的荷载条件可以完成不同应力状态不同温度不同压力不同混合气体的驱替实验。

综上所述，本发明能够模拟多相混合流体长期渗透作用下蠕变-温度-渗流耦合实验，其中渗透条件能够维持恒定的多相流体成分比例以及恒定的渗透压力，各成分的注入量和出口量可以分别通过计量泵的累计工作时间和流速以及出口流体收集与测量装置获得。该实验装置不仅能够提供长期与短期荷载作用下的多场耦合分析实验平台也能进行加载条件下的驱替实验。

最后说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对本发明做一定程度的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。 

Claims (4)

1.渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置，包括三轴压力室（1）、电机伺服泵（2）以及之间的连接管路和阀门，其特征在于：将所述的电机伺服泵（2）通过管路连接到三轴压力室（1）的下游出口（3）处，下游出口（3）和电机伺服泵（2）管路之间设有阀门，三轴压力室（1）的上游进口（4）通过管路与混合容器（10）的混合流体出口（5）连接，上游进口（4）与混合流体出口（5）管路之间设有阀门，气体压缩瓶（8）的出气口通过管路与气体计量泵（6）的进气口连接，气体计量泵（6）的出气口通过管路与混合容器（10）的进气口（14）连接，气体压缩瓶（8）与气体计量泵（6）之间设有减压阀（13），气体计量泵（6）与进气口（14）之间设有阀门，储液箱（9）的出液口通过管路与液体计量泵（7）的进液口连接，液体计量泵（7）的出液口通过管路与混合容器（10）的进液口（15）连接，储液箱（9）的出液口通过管路与三向阀门（17）的进液口连接，三向阀门（17）的两个出液口分别通过管路并联在液体计量泵（7）的清洗口和进液口上，其中与清洗口连接的管路上设置有止水阀，液体计量泵（7）的出液口通过管路与混合容器（10）进液口（15）连接，管路上设有阀门，真空泵（11）的抽气口通过管路与混合容器（10）的排气口（16）连接，管路上设有阀门，气体计量泵（6）、液体计量泵（7）的信号输入端通过并联连接到混合容器（10）的控制箱的电平信号输出端上，混合容器（10）中的热电偶（18）、磁力搅拌器（19）与压力传感器（12）通过线路分别连接到控制箱上，混合容器（10）中的加热板（20）外接电源。

2.如权利要求1所述的渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置，其特征在于：在所述的混合容器（10）上设有备用的进液口和进气口。

3.如权利要求1所述的渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置，其特征在于：所述的连接管路采用不锈钢材质。

4.一种利用权利要求1所述的渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置进行测试的方法，其特征在于：所述测试方法按以下步骤进行：

a 在三轴压力室（1）上安装制备好的标准岩样，岩样上下端面采用透水板，安装已标定好的环向变形计和LVDT来实现环向应变和轴向应变的测量，关闭所有阀门，打开三轴压力室（1）的上游进口（4）阀门与下游出口（3）阀门、气体计量泵（6）的减压阀（13）和液体计量泵（7）的三向阀门（17）以及混合容器（10）的混合流体出口（5）阀门、进气口（14）阀门、进液口（15）阀门与排气口（16）阀门，运行真空泵（11）将混合容器（10）、岩样以及渗流管路内的空气抽为真空后，关闭排气口（16）阀门；

b 关闭混合容器(10)的混合流体出口(5)阀门，按照实验所需配比分别设定好气体计量泵（6）和液体计量泵（7）的流量, 打开气体计量泵（6）和液体计量泵（7）出口，按照实验需要的渗透压力设定混合容器（10）的控制箱的压力阈值、容忍度、温度和搅拌速率，其中压力值≤15MPa，容忍度为0.1bar, 温度值范围在20℃－80℃之间，搅拌速率≤1000rpm，控制箱调动气体计量泵（6）和液体计量泵（7）以固定流量往容器内注入流体直到达到设定压力后才停泵；

c 待混合容器(10)达到固定压力和温度后，按照常规蠕变实验操作步骤，设定三轴压力室（1）温度,对岩样加围压和轴压，其中轴压不超过600KN，围压不超过60MPa；

d 待三轴压力室（1）内围压、轴压以及温度达到设定值后，根据实验需要的渗透压来设定电机伺服泵（2）的压力值，压力值小于上游进口（4）的压力值，打开混合容器（10）的混合流体出口（5）阀门，运行电机伺服泵（2），当电机伺服泵（2）的容积读数开始发生变化时，关闭混合容器（10）的混合流体出口（5）阀门，记录此时容积读数为初始值；

e 开启混合容器(10)的混合流体出口（5）阀门和电机伺服泵（2），开始进行岩石多相混合流体渗流-蠕变-温度耦合实验；

f 通过电机伺服泵（2）的当前容积读数、初始容积读数、渗流时间可以计算出渗透流速，进而求得渗透率，通过三轴压力室（1）上的LVDT和环向变形计记录的加载实验过程中的轴向变形和环向变形数据计算得到岩样在渗流-应力-温度耦合作用下的轴向、横向应变规律。