CN103983533A - 一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法，属于岩石工程和非常规天然气工程领域，包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；本发明测试方法，以位移传感器代替应变片，解决应变片导线引起的油、气泄露问题；在试样上、中、下三个部位分别布置环向位移传感器，以监测试样不同部位的裂隙发育情况，利用轴向位移传感器，监测整个试样的变形；根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准和含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准，分析含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态，并对含气页岩试样破裂过程中整体裂隙的变化趋势加以判断。

Description

一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法

技术领域

本发明属于岩石工程和非常规天然气工程领域，主要涉及一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法。

背景技术

含气页岩储层非常致密，依靠储层自然降压开采产量低、衰减快，要达到商业开发的目的，必须利用压裂技术增加产量。含气页岩粘土含量高，采用高压水进行压裂，会使得含气页岩中粘土吸水膨胀，水分子包裹粘土颗粒，导致被水包裹的粘土颗粒内气体难以解吸和运移，致使增产效果不佳。采用气体压裂则不存在上述问题，气体粘度小，且二氧化碳等气体的吸附性大于甲烷气体，至裂后还可以利用其竞争吸附的性能使吸附态甲烷分子变为游离态，进一步增加含气页岩产气量，气体压裂成为页岩气开发中的一项关键增产技术。

含气页岩气体压裂技术中，增产的关键问题在于破坏过程中含气页岩裂隙的发育、扩展和贯通程度，及其对含气页岩渗透性能的影响。目前利用已有设备进行的含气页岩破裂过程裂隙演化规律测试，均在测试结束后利用扫描电镜等设备进行裂隙观察和统计，这种测试方法不能监测含气页岩破裂过程中裂隙的动态发育和扩展规律。CT可以实现含气页岩破裂过程中裂隙发育的动态监测，但是无法为测试提供注气条件。

压裂的主要目的是提高含气页岩储层渗透性能、以增加产气量，研究气体压裂不仅需要监测含气页岩的破裂演化过程，更需要测试裂隙演化过程中的气体流量和渗透性能变化。目前，含气页岩破裂过程中渗透性能的测试多采用MTS展开，具体方法为：加载试样外部偏压，达到指定值后保持偏压不变，利用瞬态法进行该级偏压下的含气页岩渗透性能。现有测试方法存在以下几点问题：(1)采用的流体为蒸馏水，而实际储层中的渗透介质为气体，研究气体压裂过程中的渗透性能必须利用气体作为渗透介质；(2)只能用渗透性能反映不同偏压下含气页岩裂隙最终的扩展情况，无法实时反映含气页岩在偏应力下的裂隙动态演化；(3)因采用的渗透性能测试方法为瞬态法，不能反应含气页岩破裂过程中流量变化。

中国含气页岩储层埋深500-3500m，含气页岩和储存于其中的气体分子均处于一定的温度环境中，测试中需考虑不同温度对含气页岩破裂和气体渗流的影响。目前对岩石破裂过程渗透性能变化的测试只对试样加温，未对测试气体加温，不符合工程实际。原有高、中渗透岩石多采用流量计人工记录岩石破裂过程中的流量，误差大，且难以及时记录，无法获取实时动态的完整流量信息。致密含气页岩测试过程中流量小至10^-2ml/min，温度的影响不可忽略，流量计测定流量无法提供收集气体的恒温环境，测试误差大，含气页岩致密流量测定必须提供满足一定精度的恒温环境。

含气页岩由于埋深大，致使井筒内存在很高一段气柱，井底气体压力不为零；同时，压裂后，裂隙通道存在一定气体压力，基质向裂隙的气体流动是在一定背压下进行的。现有测试中，流量收集端均连入大气，导致偏离了工程实际。

由于沉积成岩过程、地质改造、地应力、压裂改造等综合作用，使得含气页岩存在非均质各向异性的特征，测试过程中试样不同部位裂隙发育不同，必须对试样多部位进行变形特征监测，而现有的测试装置和方法均只对试样中部变形进行监测，不足以代表试样整体变形。现有的变形测试多采用应变片进行，应变片导线常引起漏油、漏气问题，导致测试不准确。

本发明含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置和方法中的关键技术难点为：

1.如何实时测试和表征含气页岩动态的裂隙发育特征。

2.如何提供背压、恒温的条件，准确实时测得破裂过程中流入和流出致密含气页岩的动态气体流量和渗透率变化。

3.如何解决测试过程中的漏油漏气问题。

发明内容

针对现有测试方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法。

本发明含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；

三轴压力室包括轴压室、围压室、轴向位移传感器、上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器和试样加温装置；轴压室设置在围压室之上，轴向位传感器竖直设置在围压室底部，分立两侧，上部环向位移传感器环绕在试样上部，中部环向位移传感器环绕在试样中部，下部环向位移传感器环绕在试样下部；试样加温装置设置在围压室内。

偏压加载系统设置在三轴压力室的轴压室内；

静水压力加载系统设置在三轴压力室的围压室内；

上端流体系统，包括高精度柱塞泵，上端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；

下端流体系统，包括高精度柱塞泵，下端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；

抽真空系统，分别与上端流体系统及下端流体系统相连通；

恒温系统，分别与上端流体系统的高精度柱塞泵及下端流体系统的高精度柱塞泵相连接；

数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压加载系统数据控制端、静水压力加载系统数据控制端、上端流体系统数据控制和下端流体系统数据控制端相连接。

其中：

上端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样上部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

下端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样下部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

试样加温装置包括试样表面温度传感器、测压力室油温传感器和加热线圈；试样表面温度传感器紧贴试样放置，测压力室油温传感器竖直放置于围压室底部，加热线圈紧贴围压室的侧壁放置。

轴向位移传感器为压弹式移传感器，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器和下部环向位移传感器均为链条式位移传感器。

偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路为不锈钢耐压管线。偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外包裹保温夹套。偏压加载系统和静水压力加载系统均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系统相连接。

本发明的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试方法的是，以位移传感器代替应变片，解决应变片导线引起的油、气泄露问题。在试样上、中、下三个部位分别布置环向位移传感器，以监测试样不同部位的裂隙发育情况，利用轴向位移传感器，监测整个试样的变形。实时采集上端流体系统精度柱塞泵和下端流体系统精度柱塞泵泵内体积变化，根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考，分析含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态，同时整体上利用含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准对含气页岩试样破裂过程中整体裂隙的变化趋势加以判断。

本发明测试方法中所采用的测试气体为氦气、氮气、甲烷或二氧化碳。

采用本发明的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，进行含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，包括以下步骤：

步骤1：将试样表面温度传感器紧贴含气页岩试样上固定，将轴向位移传感器固定于试样外部，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器环绕试样的上、中、下部固定；

步骤2：利用偏压加载系统，将三轴压力室的轴压室充满油；利用静水压力加载系统，将三轴压力室的围压室充满油；

步骤3：利用抽真空系统将含气页岩试样、上端流体系统和下端流体系统管阀内气体抽真空，达到所需真空状态时，关闭三轴压力室与上端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀，关闭三轴压力室与下端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀；

利用上端流体系统将上端流体系统的高精度柱塞泵在压力P₁下充满测试气体，利用下端流体系统将下端流体系统的高精度柱塞泵在压力P₂下充满测试气体，P₂＞P₁，运行上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵；

步骤4：利用三轴压力室的试样加温装置对试样加温，使试样达到恒定温度T₁，待轴向位移传感器数值、上部环向位移传感器数值、中部环向位移传感器数值和下部环向位移传感器的数值不再变化时，读取此时的轴向位移传感器数值H_shale-1、上部环向传感器数值L_shale-1-a、中部环向传感器数值L_shale-1-b和下部环向传感器数值L_shale-1-c；

步骤5：利用恒温系统使上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵的泵内气体达到恒定温度T₁，气体温度恒定的标准为上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积和压力稳定不再变化，此刻记为时间t₀。

从t₀时刻，同时进行以下①至③操作：

①.开始持续采集轴向位移传感器数值H_shale-i、上部环向传感器数值L_shale-i-a、中部环向传感器数值L_shale-i-b、下部环向传感器数值L_shale-i-c；并利用以下公式将轴向位移传感器数值、上部环向传感器数值、中部环向传感器数值和下部环向传感器数值转化为轴向应变ε_axial-shale、上部环向应变ε_{circle-shale-a}、中部环向应变ε_{circle-shale-b}和下部环向应变ε_{circle-shale-c}：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{axial}-\mathrm{shale}}=\frac{H_{\mathrm{shale}-i}-H_{\mathrm{shale}-1}}{H_{\mathrm{shale}}}$

其中，H_shale为含气页岩试样高度；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{circle}-\mathrm{shale}-a}=\frac{(L_{\mathrm{shale}-i-a}-L_{\mathrm{shale}-1-a})}{A_a\×D_{\mathrm{shale}}}$

其中，A_a为上部环向传感器修正系数，D_shale为含气页岩试样直径；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{circle}-\mathrm{shale}-b}=\frac{(L_{\mathrm{shale}-i-b}-L_{\mathrm{shale}-1-b})}{A_b\×D_{\mathrm{shale}}}$

其中，A_b为上部环向传感器修正系数；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{circle}-\mathrm{shale}-c}=\frac{(L_{\mathrm{shale}-i-c}-L_{\mathrm{shale}-1-c})}{A_c\×D_{\mathrm{shale}}}$

其中，A_c为上部环向传感器修正系数；

②.开始持续采集上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体体积随时间的变化；根据体积随时间的变化，实时判断上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵的流量变化；

③.利用静水压力加载系统对试样施加围压，达到指定压力σ_c1时，保持围压稳定。

步骤6：打开三轴压力室与上端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀，打开三轴压力室与下端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀；对含气页岩下端以恒定压力P₂注入测试气体，含气页岩试样上端以恒定压力P₁的背压收集流出含气页岩试样的气体，待上端流体系统的高精度柱塞泵收集平均流量稳定时，拟合上端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，取其斜率θ作为上端流体系统的高精度柱塞泵的平均流量；

计算含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率：

$K=\frac{2\mathrm{\θ}{P}_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}$

其中，θ为上端流体系统的高精度柱塞泵的平均流量；μ为注入测试气体粘度；L为含气页岩试样高度；A为含气页岩试样横截面积；

步骤7：根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考，分析含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态：

含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，共有以下十种状态：

状态一：当含气页岩试样的轴向应变、上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均几乎无变化，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量均比较连续，表明含气页岩试样无裂隙产生；

状态二：当含气页岩试样的轴向应变增加，上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量突增时，表明含气页试样上端有裂隙发育；

状态三：当含气页岩试样的轴向应变增加、上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量逐渐减小时，表明含含气页试样内部产生的新的裂隙，但是原有裂隙被压闭合；

状态四：当含气页岩试样的轴向应变增加，上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量转变为流出流量时，表明含气页试样上端有大的裂隙产生；

状态五：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量突增，表明含气页岩试样上端有裂隙发育；

状态六：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量逐渐减小，表明试样含气页岩试样上端裂隙闭合；

状态七：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量转变为流入流量，表明含气页岩试样上端裂隙闭合程度较大；

状态八：当含气页岩试样的轴向应变增加、中部环向应变减小，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量并未发生变化，表明所形成的裂隙并未贯穿整个含气页岩试样；

状态九：当含气页岩试样的轴向应变增加、中部环向应变减小，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量发生变化，表明所形成的裂隙贯穿整个含气页岩试样；

状态十：当含气页岩的轴向应变成倍突增，上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均成倍突减，第一高精度柱塞泵流量成倍突增，第二高精度柱塞泵流量成倍突减，说明含气页岩试样已破坏，失去承载力；

步骤8：

步骤8.1：利用偏压加载系统对试样施加偏压σ_d1并保持偏压稳定，待上端流体系统的高精度柱塞泵收集平均流量稳定时，拟合上端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，取其斜率θ₁作为上端流体系统的高精度柱塞泵的平均流量，

计算含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率：

$K_1=\frac{2{\mathrm{\θ}}_1{P}_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}$

步骤8.2：根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，来分析含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的破裂过程；并执行步骤9；

根据含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准，来分析含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的整体破裂过程；

含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准：

(1)、当含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率大于含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率时，说明含气页岩试样裂隙整体在发育；

(2)、当含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率小于含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率时，说明含气页岩试样裂隙整体闭合；

步骤9：如无含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准的状态十出现，继续提高偏压σ_d1，返回步骤8；如出现含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准的状态十，则完成测试。

本发明含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置及方法，具有以下优点：

1.采用气体作为渗透介质，并为气体提供与试样相同的恒温环境。恒温后，温度的波动误差控制在±0.1℃以内，气体体积误差可控制在0.3％以内，注入压力的误差可控制在0.5％以内。获取的测试结果更为准确。；

2.为含气页岩破裂过程中的流量测定提供背压环境，测试条件更符合工程实际。

3.用应变和流量两种手段实时动态监测和反映含气页岩中裂纹的发育情况；

4.可以通过进出试样流量反映裂隙的开裂和闭合程度；同时测得背压下破裂过程中含气页岩渗透率变化。

附图说明

图1本发明实施例1的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置的结构示意图；

1、轴压泵；2、第一压力传感器；3、油泵；4、围压泵；5、第二压力传感器；6、第一流量计；7、第一温度传感器；8、第三压力传感器；9、第一高精度柱塞泵；10、真空泵；11、低温槽；12、高压气瓶；13、第二流量计；14、第二温度传感器；15、第四压力传感器；16、第二高精度柱塞泵；V1、第一截止阀；V2、第二截止阀；V3、第三截止阀；V4、第四截止阀；V5、第五截止阀；V6、第六截止阀；V7、第七截止阀；V8、第八截止阀；V9、第九截止阀；V10、第十截止阀；V11、第十一截止阀；V12、第十二截止阀；T1、第一三通；T2、第二三通；T3、第三三通；T4、第四三通；T5、第五三通；T6、第六三通；T7、第七三通；T8、第八三通；T9、第九三通；

图2本发明实施例1的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置中三轴压力室的结构示意图；

其中，轴压室17、围压室25、自平衡活塞18、球头19、加热线圈20、上部环向位移传感器21、中部环向位移传感器22、下部环向位移传感器23、第一测压力室油温传感器24、上压头26、多孔垫片27、轴向位移传感器28、试样表面温度传感器29、第二测压力室油温传感器30、下部承压台31；

图3本发明实施例1的恒温25℃、围压15MPa，注气压力2MPa、背压1MPa、无偏压时含气页岩试样上端流出气体的体积随时间的变化曲线；

图4本发明实施例1的恒温25℃、围压15MPa，注气压力2MPa、背压1MPa、无偏压时含气页岩试样的裂隙和渗流特征；其中，a为含气页岩试样轴向应变；d为含气页岩试样中部环向应变；b为含气页岩试样下端流量；c为含气页岩试样上端流量；

图5本发明实施例1的恒温25℃、围压15MPa，注气压力2MPa、背压1MPa、偏压180MPa下含气页岩试样上端流出气体的体积随时间的变化曲线；

图6本发明实施例1的恒温25℃、围压15MPa，注气压力2MPa、背压1MPa、围压180MPa下含气页岩试样的裂隙和渗流特征，其中，a为含气页岩试样轴向应变；d为含气页岩试样中部环向应变；b为含气页岩试样下端流量；c为含气页岩试样上端流量；

图7本发明实施例1的恒温25℃、围压15MPa，注气压力2MPa、背压1MPa、偏压185MPa下含气页岩试样上端流出气体的体积随时间的变化曲线；

图8本发明实施例1的恒温25℃、围压15MPa，注气压力2MPa、背压1MPa、偏压185MPa下含气页岩试样的裂隙和渗流特征；其中，a为含气页岩试样轴向应变，d为含气页岩试样中部环向应变，b为含气页岩试样下端流量，c为含气页岩试样上端流量，e为第一阶段，f为第二阶段，g为裂隙贯通。

具体实施方式

如图1所示，本发明含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；

如图2所示，三轴压力室包括轴压室17、围压室25、自平衡活塞18、球头19、轴向位移传感器28、上部环向位移传感器21、中部环向位移传感器22、下部环向位移传感器23、多孔垫片27、上压头26、下部承压台31和试样加温装置。轴压室17设置在围压室25之上，之间通过自平衡活塞18连接，自平衡活塞18延伸到围压室25内的一端连接球头19，上压头26与球头19紧密连接，并位于球头19正下方；围压室25底部设有下部承压台31，用于承载试样，试样的上下两端分别放置多孔垫片27；轴向位传感器28竖直设置在下部承压台31的上面，分立两侧，上部环向位移传感器21环绕在试样上部，中部环向位移传感器22环绕在试样中部，下部环向位移传感器23环绕在试样下部；试样加温装置设置在围压室25内，包括试样表面温度传感器29、第一测压力室油温传感器24、第二测压力室油温传感器30、加热线圈20，试样表面温度传感器29紧贴试样放置，第一测压力室油温传感器24和第二测压力室油温传感器30竖直放置于下部承压台31之上，对立两侧设置，加热线圈20紧贴围压室的侧壁放置。

偏压加载系统包括轴压泵1、第一截止阀V1、第一压力传感器2、第一三通T1、第二截止阀V2、第二三通T2、油泵3、第一稳压阀R1；所述的第一稳压阀R1连接在第一三通T1的一端接口与轴压室17之间。轴压泵1与第一截止阀V1的一端相连通，第一截止阀V1的另一端与第一三通T1的第一出油端相连通，第一三通T1的第二出油端与第一稳压阀R1的一端相连通，第一稳压阀R1的另一端与三轴压力室的轴压室17相连通，第一三通T1的进油端和第二截止阀V2的一端相连通，第二截止阀V2的另一端与第二三通T2的第一出油端相连通，第二三通T2的进油端与油泵相连通，第一截止阀V1与第一三通T1之间设置第一压力传感器2。

静水压力加载系统包括围压泵4、第三截止阀V3、第二压力传感器5、第三三通T3、第四截止阀V4、第二稳压阀R2；所述的第二稳压阀R2连接在第三三通T3的一端接口与围压室25之间。围压泵4与第三截止阀V3的一端相连通，第三截止阀V3的另一端与第三三通T3的第一出油端相连通，第三三通T3的第二出油端与第二稳压阀R2的一端相连通，第二稳压阀R2的另一端与三轴压力室中的围压室25相连通，第三三通T3的进油端与第四截止阀V4的一端相连通，第四截止阀V4的另一端与轴压加载系统中的第二三通T2的第二出油端相连通，第三截止阀V3与第三三通T3之间设置第二压力传感器5。

上端流体系统包括第一流量计6、第五截止阀V5、第一温度传感器7、第四三通T4、第三压力传感器8、第一高精度柱塞泵9、第六截止阀V6、第六三通T6、第一减压阀R3、高压气瓶12。第五截止阀V5的一端与试样上端气体出口通过围压室的下部承压台31穿孔相连通，第五截止阀V5的另一端与第四三通T4的第一出气端相连通，第四三通T4进气端与第一高精度柱塞泵9的一端相连通，第一高精度柱塞泵9的另一端与第六截止阀V6的一端相连通，第六截止阀V6的另一端与第六三通T6的第一出气端相连通，第六三通T6的进气端与第一减压阀R3的一端相连通，第一减压阀R3的另一端与高压气瓶12的出气端相连通，第五截止阀V5与试样上端气体出口之间设置第一流量计6，第五截止阀V5和第四三通T4之间设置温度传感器7，第四三通T4和第一高精度柱塞泵9之间设置第三压力传感器8。

下端流体系统包括第二流量计13、第九截止阀V9、第二温度传感器14、第七三通T7、第四压力传感器15、第二高精度柱塞泵16、第十截止阀V10。第九截止阀V9的一端与试样下端气体进口通过围压室的下部承压台31穿孔相连通，第九截止阀V9的另一端与第七三通T7的第一出气端相连通，第七三通T7的进气端与第二高精度柱塞泵16的一端相连通，第二高精度柱塞泵16的另一端与第十截止阀V10的一端相连通，第十截止阀V10的另一端与第六三通T6的第二出气端相连通，试样下端气体进口与第九截止阀V9之间设置第二流量计，第九截止阀V9与第七三通T7之间设置第二温度传感器14，第七三通T7与第二高精度柱塞泵16之间设置第四压力传感器15。

抽真空系统包括第七截止阀V7、第五三通T5、第八截止阀V8、真空泵10。真空泵10与第五三通T5的进气端相连通，第五三通T5的第一出气端与第七截止阀V7的一端相连通，第七截止阀V7的另一端与第四三通T4的第二出气端相连通，第五三通T5的第二出气口与第八截止阀V8的一端相连通，第八截止阀V8的另一端与第七三通T7的第二出气端相连通。

恒温系统分为两部分，用于为注气气体加温，包括第八三通T8、第十一截止阀V11、第九三通T9、第十二截止阀V12、低温槽11；第八三通T8的第一出水端与上端流体系统中的第一高精度柱塞泵9的外部恒温腔室的入水端相连通，第八三通T8的第二出水端与下端流体系统中的第二高精度柱塞泵16的外部恒温腔室的入水端相连通，第八三通T8的进水端与第十一截止阀V11的一端相连通，第十一截止阀V11的另一端与低温槽11的出水口相连通；第九三通T9的第一出水端与上端流体系统中的第一高精度柱塞泵9的外部恒温腔室的出水端相连通，第九三通T9的第二出水端与下端流体系统中的第二高精度柱塞泵16的外部恒温腔室的出水端相连通，第九三通T9的入水端与第十二截止阀V12的一端相连通，第十二截止阀V12的另一端与低温槽11的进水口相连通。

数据控制采集系统：上端流体系统中的第一高精度柱塞泵9和下端流体系统中的第二高精度柱塞泵16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，再通过电缆与计算机之间进行通信。轴压泵1、围压泵4、油泵3、第一压力传感器2、第二压力传感器5、第三压力传感器8、第四压力传感器15、第一温度传感器7、第二温度传感器14、第一流量计6、第二流量计13、轴向位移传感器28、上部环向位移传感器21、中部环向位移传感器22、下部环向位移传感器23、试样表面温度传感器29、加热线圈20、第一测压力室油温传感器24、第二测压力室油温传感器30通过电缆与控制器采集模块相连，再通过控制器与计算机之间进行通信。

上述各截止阀、三通、压力传感器之间用不锈钢管线连接，为了防止不锈钢耐压管线散热造成注入液体的温度降低，在上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统和恒温系统中的所有不锈钢耐压管线外部包裹保温夹套。上端流体系统和下端流体系统中的第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16外部也包裹保温夹套。

本实施例含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置的各器件均由市场采购。

采用本实施例的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，进行含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，包括以下步骤：

步骤1：将试样表面温度传感器29紧贴含气页岩试样上固定，试样上、下端均放置多孔垫片27，放置于上压头26及下部承压台31之间。将试样中心对准上压头26及下部承压台31中心，外部套上热塑管进行隔绝密封；将轴向位移传感器28固定于试样外部，上部环向位移传感器21、中部环向位移传感器22、下部环向位移传感器23环绕试样的上、中、下部固定，关闭测试装置的所有截止阀；

步骤2.打开第二截止阀V2，先将轴压室17充满油，打开截止阀V1，运行轴压泵1，将轴压泵充满油，关闭第二截止阀V2；打开第四截止阀V4，再将围压室25内充满油，打开截止阀V3，运行围压泵4，将围压泵充满油，关闭第四截止阀V4。

步骤3.打开第五截止阀至第十截止阀V5-V10，将试样及管阀内抽真空。关闭第五截止阀V5、第七截止阀V7、第八截止阀V8、第九截止阀V9，调节第一减压阀R3至压力P₁，值为1MPa，打开高压气瓶12，将第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16充满氦气。将第一高精度柱塞泵9压力设置为P₁、1MPa，将第二高精度柱塞泵16压力设置为P₂，值为2MPa，运行第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16。

步骤4.启动加热线圈20，加热三轴压力室内液压油以含气页岩加温，到达指定温度T₁值25℃后，持续采集轴向位移传感器28的数值、上部环向位移传感器21的数值、中部环向位移传感器22的数值、下部环向位移传感器23的数值，一般需24～48小时，待轴向位移传感器28、上部环向位移传感器21、中部环向位移传感器22和下部环向位移传感器23的测量位移值不再变化时，读取此时的轴向位移传感器数值H_shale-1为1.533mm、上部环向传感器数值L_shale-1-a为0.478mm、中部环向传感器数值L_shale-1-b为0.444mm、下部环向传感器数值L_shale-1-c为0.524mm；

步骤5.打开低温槽11，设置与三轴压力室相同的温度T₁，值为25℃。水浴内部温度恒定后，使恒温水循环入第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16的外部恒温腔室，通过加温泵壁，使泵内气体通过热交换逐渐达到温度恒定。气体温度恒定的标准为第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16泵内气体的体积和压力稳定不再变化，此刻记为时间t₀。

从t₀时刻，同时进行以下①至③操作：

①.开始持续采集轴向位移传感器数值H_shale-i、上部环向传感器数值L_shale-i-a、中部环向传感器数值L_shale-i-b、下部环向传感器数值L_shale-i-c；并利用以下公式将轴向位移传感器数值、上部环向传感器数值、中部环向传感器数值和下部环向传感器数值转化为轴向应变ε_axial-shale、上部环向应变ε_{circle-shale-a}、中部环向应变ε_{circle-shale-b}和下部环向应变ε_{circle-shale-c}：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{axial}-\mathrm{shale}}=\frac{H_{\mathrm{shale}-i}-H_{\mathrm{shale}-1}}{H_{\mathrm{shale}}}$

其中，H_shale为含气页岩试样高度，99.99cm；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{circle}-\mathrm{shale}-a}=\frac{(L_{\mathrm{shale}-i-a}-L_{\mathrm{shale}-1-a})}{A_a\×D_{\mathrm{shale}}}$

其中，A_a为上部环向传感器修正系数，为2.987；D_shale为含气页岩试样直径，4.91cm；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{circle}-\mathrm{shale}-b}=\frac{(L_{\mathrm{shale}-i-b}-L_{\mathrm{shale}-1-b})}{A_b\×D_{\mathrm{shale}}}$

其中，A_b为上部环向传感器修正系数，为2.987；

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{circle}-\mathrm{shale}-c}=\frac{(L_{\mathrm{shale}-i-c}-L_{\mathrm{shale}-1-c})}{A_c\×D_{\mathrm{shale}}}$

其中，A_c为上部环向传感器修正系数，为2.987；

②.开始持续采集第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16的体积随时间的变化；根据体积随时间的变化，实时判断第一高精度柱塞泵9和第二高精度柱塞泵16的流量变化；

③.利用围压泵4对试样施加围压，达到指定压力σ_c1值15MPa时，保持围压稳定。

步骤6：打开第五截止阀和第九截止阀，对含气页岩下端以恒定压力P₂值2MPa注入氦气，含气页岩试样上端以恒定压力P₁值1MPa的背压收集流出含气页岩试样的氦气，待第一高精度柱塞泵收集平均流量稳定后，拟合第一精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，即试样上端流出气体的体积随时间的变化曲线，见图3，取其斜率θ＝0.18ml/h作为第一高精度柱塞泵的平均流量；

计算含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率：

$K=\frac{\mathrm{\θ}}{3600}\frac{2P_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}=3.50\×{10}^{-8}D$

其中，μ为注入氦气气体粘度，0.019912mPa·s；L为含气页岩试样高度，99.99cm；A为含气页岩试样横截面积，1895.76cm²；

步骤7:根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准根据含气页岩试样的轴向应变、上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变的变化，以及第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵的流量变化，来分析破裂过程中裂隙演化与渗流特点，共有以下十种状态：

状态一：当含气页岩试样的轴向应变、上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均几乎无变化，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量均比较连续，表明含气页岩试样无裂隙产生；

状态二：当含气页岩试样的轴向应变增加，上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量突增时，表明含气页试样上端有裂隙发育；

状态三：当含气页岩试样的轴向应变增加、上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量逐渐减小时，表明含含气页试样内部产生的新的裂隙，但是原有裂隙被压闭合；

状态四：当含气页岩试样的轴向应变增加，上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量转变为流出流量时，表明含气页试样上端有大的裂隙产生；

状态五：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量突增，表明含气页岩试样上端有裂隙发育；

状态六：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量逐渐减小，表明试样含气页岩试样上端裂隙闭合；

状态七：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量转变为流入流量，表明含气页岩试样上端裂隙闭合程度较大；

状态八：当含气页岩试样的轴向应变增加、中部环向应变减小，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量并未发生变化，表明所形成的裂隙并未贯穿整个含气页岩试样；

状态九：当含气页岩试样的轴向应变增加、中部环向应变减小，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量发生变化，表明所形成的裂隙贯穿整个含气页岩试样；

状态十：当含气页岩的轴向应变成倍突增，上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均成倍突减，第一高精度柱塞泵流量成倍突增，第二高精度柱塞泵流量成倍突减，说明含气页岩试样已破坏，失去承载力。

根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，分析本实施例含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态为：

围压15MPa下含气页岩试样的裂隙和渗流特征如图4，图中a为试样轴向应变，d为试样环向应变，b为试样下端流量，c为试样上端流量。含气页岩试样在围压15MPa、温度下25℃下，轴向应变、上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均几乎无变化，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量均比较连续，表明含气页岩试样无裂隙产生；

步骤8：

步骤8.1：打开第一截止阀V1，利用轴压泵对试样施加偏压σ_d1，达到指定压力σ_d1180MPa时，保持轴压稳定，待第一高精度柱塞泵9收集平均流量稳定时，拟合第一精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，即试样上端流出气体的体积随时间的变化曲线，见图5，取其斜率θ₁＝0.22ml/h作为第一高精度柱塞泵的平均流量，

计算含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率：

$K_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{3600}\frac{2P_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}=4.28\×{10}^{-8}D$

步骤8.2：偏压σ_d1为180MPa时，含气页岩试样裂隙演化和渗流特征见图6，图中a为试样轴向应变，d为试样环向应变，b为试样下端流量，c为试样上端流量，e为第一阶段，f为第二阶段。根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，来分析含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的破裂过为：

偏压180MPa下，含气页岩轴向应变逐渐增加、环向应变逐渐减小，试样上、下端流量不连续，说明含气页岩试样内部一直存在裂隙的动态演化。第一阶段，试样下端第二高精度柱塞泵流出流量与无偏压下相比并无明显变化，表明试样下端无明显裂隙发育；试样上端第一高精度柱塞泵无流量，说明上端出口处裂隙被压密。第二阶段，试样下端无流量，说明下端裂隙被压闭合；试样上端出现流入流量，且试样轴线和环向应变均出现突跳点，说明试样上部裂隙发育。其他几阶段与第一、第二阶段类似，在该级测试过程中，试样上下部裂隙交替发育。

随着时间的推移，试样轴向变形和环向变形越来越大，试样上端流入流量逐渐密集和变大，说明试样上端裂隙扩展程度越来越高；试样下端流入流量也有随时间密集和增加的趋势，说明试样下端裂隙发育程度也越来越高。试样上、下端流量的不连续特征说明含气页岩的裂隙的演化是扩展—闭合—扩展交替发育的过程。

含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准为：

(1)、当含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率大于含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率时，说明含气页岩试样裂隙整体在发育；

(2)、当含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率小于含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率时，说明含气页岩试样裂隙整体闭合；

根据含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准，偏压σ_d1为180MPa下，含气页岩试样裂隙整体在发育。

步骤9：无含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗透性能的参考标准的状态十出现，继续提高偏压σ_d2为185MPa，返回步骤8；

打开第一截止阀V1，利用轴压泵对试样施加偏压σ_d2，达到指定压力σ_d2185MPa时，保持轴压稳定，待第一高精度柱塞泵9收集平均流量稳定时，拟合第一精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，即试样上端流出气体的体积随时间的变化曲线，见图7，指定偏压压力σ_d2185MPa下含气页岩试样的渗透率变化分为三个阶段，取每阶段的斜率θ₂＝1.07ml/h、θ₃＝0.23ml/h、θ₄＝623.32ml/h作为第一高精度柱塞泵的平均流量，

计算含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d2、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下各阶段的稳态法的渗透率：

$K_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{3600}\frac{2P_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}=2.08\×{10}^{-7}D$

$K_3=\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{3600}\frac{2P_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}=4.48\×{10}^{-5}D$

$K_4=\frac{{\mathrm{\θ}}_4}{3600}\frac{2P_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}=1.2\×{10}^{-4}D$

偏压σ_d2为185MPa时，其裂隙演化和渗流特征见图8，图中a为试样轴向应变，d为试样环向应变，b为试样下端流量，c为试样上端流量，e为第一阶段，f为第二阶段，g为裂隙贯通。根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，来分析含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d2、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的破裂过程为：

偏压185MPa下，第一阶段，含气页岩下端流量表现为流入流量，裂隙内气体被挤压出，说明含气页岩试样下端已有裂隙被压密；含气页岩上端流量表现为流入流量，但是其流量小于偏压180MPa下的流量，则表明试样上端裂隙也存在闭合的趋势。第二阶段，含气页岩试样下端流量由流入流量转变为流出流量，气体由高压泵注入试样，且流量随时间推移逐渐增加，说明试样下端裂隙快速发育；此时对应的试样上端流入流量逐渐衰减为无流量，说明试样上端裂隙被压闭合，随后试样上端流量转变为流出流量，气体由高压泵注入试样，表明试样上端裂隙迅速发育，裂隙体积迅速增加，但此时试样上、下端裂隙并未贯通。在最后时刻，含气页岩轴向和环向应变突增，试样下端流入流量突增，试样上端流量由流出流量转变为流入流量，且流入流量逐渐增加，说明试样上、下端裂隙贯通，含气页岩试样已破坏，失去承载力。

根据含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准，偏压σ_d2为185MPa下，含气页岩试样裂隙整体在发育。

步骤10：出现含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗透性能的参考标准的状态十，则完成测试。

利用本发明的测试装置和方法，该方法利用应变和流量同时对破裂过程中含气页岩裂隙发育、扩展和贯通进行评估，并利用流量值变化对裂隙开裂和闭合程度进行评估，同时获得含气页岩在裂隙演化过程中的渗透性能演化规律。

Claims (10)

1.一种含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的测试装置包括三轴压力室、偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统；

所述的三轴压力室包括轴压室、围压室、轴向位移传感器、上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器和试样加温装置；轴压室设置在围压室之上，轴向位传感器竖直设置在围压室底部，分立两侧，上部环向位移传感器环绕在试样上部，中部环向位移传感器环绕在试样中部，下部环向位移传感器环绕在试样下部；试样加温装置设置在围压室内。

所述的偏压加载系统设置在三轴压力室的轴压室内；

所述的静水压力加载系统设置在三轴压力室的围压室内；

所述的上端流体系统，包括高精度柱塞泵，上端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样上部相连通；

所述的下端流体系统，包括高精度柱塞泵，下端流体系统通过三轴压力室围压室底部穿孔与试样下部相连通；

所述的抽真空系统，分别与上端流体系统及下端流体系统相连通；

所述的恒温系统，分别与上端流体系统的高精度柱塞泵及下端流体系统的高精度柱塞泵相连接；

所述的数据控制采集系统，与三轴压力室的数据控制端、偏压加载系统数据控制端、静水压力加载系统数据控制端、上端流体系统数据控制和下端流体系统数据控制端相连接。

2.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的上端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样上部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

3.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的下端流体系统包括压力传感器、高精度柱塞泵、减压阀、高压气瓶和截止阀；高压气瓶与减压阀的一端相连通，减压阀的另一端与高精度柱塞泵的进气端相连通，高精度柱塞泵的出气端通过围压室底部穿孔与三轴压力室的试样下部相连通，在高压气瓶与减压阀之间、减压阀与高精度柱塞泵之间、高精度柱塞泵与三轴压力室的试样之间设置有截止阀，靠近三轴压力室的截止阀与三轴压力室的试样之间设置有压力传感器。

4.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的试样加温装置包括试样表面温度传感器、测压力室油温传感器和加热线圈；试样表面温度传感器紧贴试样放置，测压力室油温传感器竖直放置于围压室底部，加热线圈紧贴围压室的侧壁放置。

5.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的轴向位移传感器为压弹式移传感器，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器和下部环向位移传感器均为链条式位移传感器。

6.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统和数据控制采集系统的管路为不锈钢耐压管线。

7.如权利要求6所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的偏压加载系统、静水压力加载系统、上端流体系统、下端流体系统、抽真空系统、恒温系统的不锈钢耐压管线外包裹保温夹套。

8.如权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，其特征在于，所述的偏压加载系统和静水压力加载系统均设置有压力传感器，压力传感器数据输出端与数据控制采集系统相连接。

9.采用权利要求1所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试装置，进行含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将试样表面温度传感器紧贴含气页岩试样上固定，将轴向位移传感器固定于试样外部，上部环向位移传感器、中部环向位移传感器、下部环向位移传感器分别环绕试样的上、中、下部固定；

步骤2：利用偏压加载系统，将三轴压力室的轴压室充满油；利用静水压力加载系统，将三轴压力室的围压室充满油；

步骤3：利用抽真空系统将含气页岩试样、上端流体系统和下端流体系统管阀内气体抽真空，达到所需真空状态时，关闭三轴压力室与上端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀，关闭三轴压力室与下端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀；

利用上端流体系统将上端流体系统的高精度柱塞泵在压力P₁下充满测试气体，利用下端流体系统将下端流体系统的高精度柱塞泵在压力P₂下充满测试气体，P₂＞P₁，运行上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵；

步骤4：利用三轴压力室的试样加温装置对试样加温，使试样达到恒定温度T₁，待轴向位移传感器数值、上部环向位移传感器数值、中部环向位移传感器数值和下部环向位移传感器的数值不再变化时，读取此时的轴向位移传感器数值H_shale-1、上部环向传感器数值L_shale-1-a、中部环向传感器数值L_shale-1-b和下部环向传感器数值L_shale-1-c；

步骤5：利用恒温系统使上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵的泵内气体达到恒定温度T₁，气体温度恒定的标准为上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积和压力稳定不再变化，此刻记为时间t₀；

从t₀时刻，同时进行以下①至③操作：

①.开始持续采集轴向位移传感器数值H_shale-i、上部环向传感器数值L_shale-i-a、中部环向传感器数值L_shale-i-b、下部环向传感器数值L_shale-i-c；并利用以下公式将轴向位移传感器数值、上部环向传感器数值、中部环向传感器数值和下部环向传感器数值转化为轴向应变ε_axial-shale、上部环向应变ε_{circle-shale-a}、中部环向应变ε_{circle-shale-b}和下部环向应变ε_{circle-shale-c}：

其中，H_shale为含气页岩试样高度；

其中，A_a为上部环向传感器修正系数，D_shale为含气页岩试样直径；

其中，A_b为上部环向传感器修正系数；

其中，A_c为上部环向传感器修正系数；

②.开始持续采集上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体体积随时间的变化；根据体积随时间的变化，实时判断上端流体系统的高精度柱塞泵和下端流体系统的高精度柱塞泵的流量变化；

③.利用静水压力加载系统对试样施加围压，达到指定压力σ_c1时，保持围压稳定；

步骤6：打开三轴压力室与上端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀，打开三轴压力室与下端流体系统的高精度柱塞泵之间靠近三轴压力室端的截止阀；对含气页岩下端以恒定压力P₂注入测试气体，含气页岩试样上端以恒定压力P₁的背压收集流出含气页岩试样的气体，待上端流体系统的高精度柱塞泵收集平均流量稳定时，拟合上端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，取其斜率θ作为上端流体系统的高精度柱塞泵的平均流量；

计算含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率：

$K=\frac{2\mathrm{\θ}{P}_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}$

其中，θ为上端流体系统的高精度柱塞泵的平均流量；μ为注入测试气体粘度；L为含气页岩试样高度；A为含气页岩试样横截面积；

步骤7：根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考，分析含气页岩试样破裂过程中裂隙演化状态：

含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，共有以下十种状态：

状态一：当含气页岩试样的轴向应变、上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均几乎无变化，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量均比较连续，表明含气页岩试样无裂隙产生；

状态二：当含气页岩试样的轴向应变增加，上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量突增时，表明含气页试样上端有裂隙发育；

状态三：当含气页岩试样的轴向应变增加、上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量逐渐减小时，表明含含气页试样内部产生的新的裂隙，但是原有裂隙被压闭合；

状态四：当含气页岩试样的轴向应变增加，上部环向应变减小，第一高精度柱塞泵流入流量转变为流出流量时，表明含气页试样上端有大的裂隙产生；

状态五：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量突增，表明含气页岩试样上端有裂隙发育；

状态六：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量逐渐减小，表明试样含气页岩试样上端裂隙闭合；

状态七：当含气页岩试样的轴向应变增加、下部环向应变减小，第二高精度柱塞泵流出流量转变为流入流量，表明含气页岩试样上端裂隙闭合程度较大；

状态八：当含气页岩试样的轴向应变增加、中部环向应变减小，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量并未发生变化，表明所形成的裂隙并未贯穿整个含气页岩试样；

状态九：当含气页岩试样的轴向应变增加、中部环向应变减小，第一高精度柱塞泵和第二高精度柱塞泵流量发生变化，表明所形成的裂隙贯穿整个含气页岩试样；

状态十：当含气页岩的轴向应变成倍突增，上部环向应变、中部环向应变和下部环向应变均成倍突减，第一高精度柱塞泵流量成倍突增，第二高精度柱塞泵流量成倍突减，说明含气页岩试样已破坏，失去承载力；

步骤8：

步骤8.1：利用偏压加载系统对试样施加偏压σ_d1并保持偏压稳定，待上端流体系统的高精度柱塞泵收集平均流量稳定时，拟合上端流体系统的高精度柱塞泵泵内气体的体积随时间的变化曲线，取其斜率θ₁作为上端流体系统的高精度柱塞泵的平均流量，

计算含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率：

$K_1=\frac{2{\mathrm{\θ}}_1{P}_1\mathrm{\μL}}{A(P_2^2-{P_1}^2)}$

步骤8.2：根据含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准，来分析含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的破裂过程；并执行步骤9；

根据含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准，来分析含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的整体破裂过程；

含气页岩试样破裂过程整体裂隙演化的参考标准：

(1)、当含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率大于含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率时，说明含气页岩试样裂隙整体在发育；

(2)、当含气页岩试样围压σ_c1、偏压σ_d1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率小于含气页岩试样围压σ_c1、温度T₁、背压P₁、注气压力P₂下的稳态法的渗透率时，说明含气页岩试样裂隙整体闭合；

步骤9：如无含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准的状态十出现，继续提高偏压σ_d1，返回步骤8；如出现含气页岩试样破裂过程中裂隙演化与渗流特征的参考标准的状态十，则完成测试。

10.如权利要求9所述的含气页岩裂隙演化与渗流特征测试的方法，其特征在于，所述的测试气体为氦气、氮气、甲烷或二氧化碳中的一种。