CN104596854B - 一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置，它包括三轴试验舱（1）、岩心夹持装置、气体供给系统、液压油围压加载系统（2）和安装有控制器以及实验数据采集器的计算机，三轴试验舱（1）外壁上设置有加热圈（5）、连通三轴试验舱（1）的进油阀（6）和回油阀（7），岩心夹持装置由岩心夹持器（10）、气垫（11）、绝缘自粘密封带（12）和热缩套（13）组成，气体供给系统由顺次连接的二氧化碳气瓶（14）、气体增压器（15）和空气压缩机（16）组成，它还公开了测定方法。本发明的有益效果是：很好地实现了超临界二氧化碳条件下岩石的三轴强度测量，且装置改装便捷易行、测量误差小、工作效率高、二氧化碳利用率高。

Description

一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置及其 方法

技术领域

本发明涉及在超临界二氧化碳条件下测定岩石的三轴强度的技术领域，特别是一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置及其方法。

背景技术

随着国内油气田开发的不断发展，以及海外业务的不断扩大，国内外非常规特种油气藏开发技术要求越来越高，运用超临界二氧化碳开发非常规油气资源也引起社会各界广泛的关注。全面了解和掌握在超临界二氧化碳条件下地层岩石的力学参数，对编制油气田开发方案、指导现场施工提供重要依据。尤其对于二氧化碳置换页岩气技术（拟将工业捕集的二氧化碳以液态注入页岩层实现超临界二氧化碳射流致裂、増渗、置换驱替页岩气达到强化页岩气高效开发的目的），了解超临界二氧化碳条件下岩石的力学响应是极为重要的。

然而岩石在超临界二氧化碳条件时不同应力下的力学响应在国内外理论和实验研究中都难以准确预测，而实验室可获取的常规条件下利用标准尺寸岩心直接测量出来的岩石力学参数不能满足实际需要，且常规实验条件下二氧化碳难以注入到高温高压试验舱内塑封后的岩心中，根本不能实现超临界条件下的岩石力学性质的测量。因此目前急需一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有岩石力学实验方法技术中，二氧化碳无法达到超临界状态、超临界二氧化碳无法注入岩心中、无法在超临界二氧化碳条件下测得岩石三轴强度等缺陷，提供一种改装便捷易行、操作安全简单、测量误差小、工作效率高、二氧化碳利用率高的测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置，它包括三轴试验舱、岩心夹持装置、气体供给系统、液压油围压加载系统和安装有控制器以及实验数据采集器的计算机，所述的三轴试验舱内且位于三轴试验舱的上、下两端分别设置有轴压加载实验台上压杆和轴压加载实验台下压杆，轴压加载实验台上压杆固定于三轴试验舱上，轴压加载实验台下压杆可上、下活动以加载轴压，轴压加载实验台下压杆与轴压加载装置连接，三轴试验舱外壁上设置有带有温度控制装置和温度传感器的加热圈、连通三轴试验舱的进油阀和回油阀，三轴试验舱的底部设置有进气阀和出气阀，所述的液压油围压加载系统由油泵、加压泵和油箱组成，加压泵和油泵的吸引口均与油箱连接，加压泵和油泵的出油口均与进油阀连接，油泵还与回油阀连接，所述的岩心夹持装置由岩心夹持器、气垫、绝缘自粘密封带和热缩套组成，岩心夹持器的上、下端分别设置有与进气阀连接的进气口和与出气阀连接的出气口，所述的气体供给系统由顺次连接的二氧化碳气瓶、气体增压器和空气压缩机组成，气体增压器还与进气阀连接。

所述的轴压加载实验台下压杆的顶部设置有温度传感器。

一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的方法，它包括以下步骤：

S1、塑封岩心：先将端面磨平后的岩心的两端加装气垫，再先后用绝缘自粘密封带和热缩套将岩心包裹固定于岩心夹持器之间，从而实现了岩心的塑封；

S2、加装传感器：在岩心夹持器上端的下部和岩心夹持器下端的上部安装轴向位移传感器，热缩套外表面上且位于岩心的中部安装径向位移传感器，岩心的中部安装温度传感器；

S3、超临界二氧化碳的实现：

S（1）：先将S2中的岩心夹持器置于轴压加载实验台上压杆与轴压加载实验台下压杆之间，再将加热圈、温度传感器、轴向位移传感器和径向位移传感器与计算机连接，然后关闭三轴试验舱，启动油泵使液压油充满三轴试验舱同时开启加压油泵使加压油泵活塞按照加载速率50mm/min加载将岩心围压提升至20MPa，随后关闭加压油泵和进油阀，使整个实验过程中围压稳定在20MPa；

S（2）：经加热圈对三轴试验舱加温，并控制舱内温度在35℃~40℃之间并稳定30min；

S（3）：关紧三轴试验舱的进气阀和出气阀，打开二氧化碳气瓶的阀门，使适量二氧化碳进入气体增压器后关闭气瓶，用空气压缩机对气体增压器加压，使气体增压器中二氧化碳压力提升至10MPa并保持不变；

S（4）：打开三轴试验舱的进气阀，使上述S（3）中压力为10 MPa的二氧化碳进入到岩心中；

S（5）：维持注入二氧化碳1h，维持温度稳定在35℃~40℃之间，岩心被二氧化碳完全饱和，关闭三轴试验舱的进气阀，使二氧化碳密封在绝缘自粘密封带内，在该温度和压力条件下二氧化碳已达到超临界状态，且岩心已完全被超临界二氧化碳所饱和，从而实现了超临界二氧化碳条件；

S4、轴压加载开始实验：在计算机中输入岩心初始尺寸参数，对轴向位移传感器和径向位移传感器清零，开始执行实验程序，采用应变控制实验，其控制速率为0.04mm/min，增加轴向荷载直到试样发生破坏，在施加轴向载荷的过程中记录下岩心中温度、围压、二氧化碳压力以及各级应力下的应力、应变值；

S5、实验后计算：

S（1）：岩心失效破坏后，停止加载轴向载荷，打开三轴试验舱的出气阀将二氧化碳排放放空，同时打开回油阀并启动油泵将三轴试验舱内液压油抽回油箱；

S（2）：打开三轴试验舱，拆卸岩心夹持器与三轴试验舱连接的各传感器的数据线和气体进出管线；

S（3）：取回岩心夹持器并切下位于岩心上、下端的气垫，保存好实验后的岩心和实验数据，准备下次实验；

S（4）：计算岩心在超临界二氧化碳条件下的弹性模量、抗压强度和泊松比，最后绘制岩心在超临界二氧化碳条件下的应力应变曲线，从而实现了测定超临界二氧化碳条件下岩石的三轴强度。

本发明具有以下优点：（1）本发明实现了在超临界二氧化碳条件测定下岩石力学响应，实时监测记录岩石的温度、围压、岩心中二氧化碳的压力、轴向应力、轴向应变数据和径向应变数据，并根据这些数据计算岩石在超临界二氧化碳条件下的弹性模量、抗压强度、泊松比，并绘制岩石在超临界二氧化碳条件下的应力应变曲线，具有测量误差小、工作效率高的特点。（2）实验过程简便，需要的仪器设备都很容易制得，实验效率较高。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为本发明的岩心夹持装置与轴向位移传感器和径向位移传感器的安装示意图；

图3 为实验中岩心的轴向、径向应力应变曲线图；

图中，1-三轴试验舱，2-液压油围压加载系统，3-计算机，4a-轴压加载实验台上压杆，4b-轴压加载实验台下压杆，5-带有温度控制装置和温度传感器的加热圈，6-进油阀，7-回油阀，8-进气阀，9-出气阀，10-岩心夹持器，11-气垫，12-绝缘自粘密封带，13-热缩套，14-二氧化碳气瓶，15-气体增压器，16-空气压缩机，17-轴向位移传感器，18-径向位移传感器，19-进气口，20-出气口，21-岩心，22-岩心及岩心夹持装置，23-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1和图2所示，一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置，它包括三轴试验舱1、岩心夹持装置、气体供给系统、液压油围压加载系统2和安装有控制器以及实验数据采集器的计算机3，所述的三轴试验舱1内且位于三轴试验舱1的上、下两端分别设置有轴压加载实验台上压杆4a和轴压加载实验台下压杆4b，轴压加载实验台上压杆4a固定于三轴试验舱1上，轴压加载实验台下压杆4b可上、下活动以加载轴压，轴压加载实验台下压杆4b与轴压加载装置连接，三轴试验舱1外壁上设置有带有温度控制装置和温度传感器的加热圈5、连通三轴试验舱1的进油阀6和回油阀7，三轴试验舱1的底部设置有进气阀8和出气阀9，所述的液压油围压加载系统2由油泵、加压泵和油箱组成，加压泵和油泵的吸引口均与油箱连接，加压泵和油泵的出油口均与进油阀6连接，油泵还与回油阀7连接，所述的岩心夹持装置由岩心夹持器10、气垫11、绝缘自粘密封带12和热缩套13组成，岩心夹持器10的上、下端分别设置有与进气阀8连接的进气口19和与出气阀9连接的出气口20，所述的气体供给系统由顺次连接的二氧化碳气瓶14、气体增压器15和空气压缩机16组成，气体增压器15还与进气阀8连接。所述的轴压加载实验台下压杆4b的顶部设置有温度传感器23。

如图1和图2所示，一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的方法，它包括以下步骤：

步骤一、塑封岩心：

S（1）：取出直径为25mm、长度为50mm的岩心样本，通过磨石机磨平岩心21的两个端面，使两端面均垂直于岩心21轴线，轴向角度偏差不超过0.05°；

S（2）：将岩心21两端的顶部均重叠放置直径25mm的气垫11，再将气垫11放置于岩心夹持器10中间；

S（3）：用绝缘自粘密封带12将岩心夹持器10、气垫11和岩心21的侧面均匀缠绕包裹为整体，目的是为了防止实验过程中二氧化碳气体沿岩心侧面窜流，造成二氧化碳损耗，增大测量误差；

S（4）：将热缩套13套在岩心夹持器中间，用300℃到500℃热风机从岩心夹持器10中部向其上、下两端均匀加热并旋转，使热缩套13在高温的作用下均匀无气泡的缩紧包裹岩心21、气垫11和岩心夹持器10的上下端部分，用以在加载围压时隔绝液压油。

步骤二、加装传感器：

S（1）：在塑封后的岩心夹持器10上端的下部和岩心夹持器10下端的上部分别用四个螺钉固定轴向位移传感器17；

S（2）：在塑封后的岩心夹持器岩心中部用四个螺钉紧固径向位移传感器18，同时在螺钉下紧扣一个橡胶圈，以防止径向位移传感器18轴向向下滑动；

S（3）：在岩心21的中部加装温度传感器23，轴向位移传感器17、径向位移传感器18、安装在加热圈5内的温度传感器23、岩心21中部的温度传感器23和安装在轴压加载实验台下压杆4b的压力传感器传递给计算机3电信号，计算机3将电信号转换为数值信号。

步骤三、超临界二氧化碳的实现：

S（1）：先将S2中的岩心夹持器10置于轴压加载实验台上压杆4a与轴压加载实验台下压杆4b之间，再将加热圈5、温度传感器23、轴向位移传感器17和径向位移传感器18与计算机3连接，然后关闭三轴试验舱1，启动油泵使液压油充满三轴试验舱1同时开启加压油泵使加压油泵活塞按照加载速率50mm/min加载将岩心21围压提升至20MPa，随后关闭加压油泵和进油阀6，使整个实验过程中围压稳定在20MPa；

S（2）：经计算机3控制加热圈5对三轴试验舱1加温，并控制舱内温度在35℃~40℃之间并稳定30min；

S（3）：关紧三轴试验舱1的进气阀8和出气阀9，打开二氧化碳气瓶14的阀门，使适量二氧化碳进入气体增压器15后关闭气瓶，用空气压缩机16对气体增压器15加压，使气体增压器15中二氧化碳压力提升至10MPa并保持不变；

S（4）：打开三轴试验舱1的进气阀8，使上述S（3）中压力为10 MPa的二氧化碳顺次经进气阀8和进气口19进入到岩心21中；

S（5）：维持注入二氧化碳1h，维持温度在35℃~40℃之间，岩心21被二氧化碳完全饱和，关闭三轴试验舱1的进气阀8，使二氧化碳密封在绝缘自粘密封带12内，在该温度和压力条件下二氧化碳已达到超临界状态，且岩心21已完全被超临界二氧化碳所饱和，从而实现了超临界二氧化碳条件；

步骤四、轴压加载开始实验：

S（1）：在计算机3中输入岩心21初始尺寸参数，对轴向位移传感器17和径向位移传感器18清零，准备开始加载轴压；

S（2）：开始执行实验程序，采用应变控制实验，其控制速率为0.04mm/min，为防止加载时冲击载荷对测得数据的影响，实验轴压加载不能过快，在施加轴向载荷的过程中，测试人员记录下岩心21中温度、围压、二氧化碳压力以及各级应力下的应力、应变值。增加轴向荷载直到试样发生破坏；

步骤五、实验后计算：

S（1）：岩心失效破坏后，停止加载轴向载荷，打开三轴试验舱1的出气阀9将二氧化碳排放放空，同时打开回油阀7并启动油泵将三轴试验舱1内液压油抽回油箱；

S（2）：打开三轴试验舱1，拆卸岩心夹持器10与三轴试验舱1连接的各传感器的数据线和气体进出管线；

S（3）：取回岩心夹持器10并切下位于岩心21上、下端的气垫11，保存好实验后的岩心21和实验数据，准备下次实验；

S（4）：计算岩心21在超临界二氧化碳条件下的弹性模量、抗压强度和泊松比，最后绘制岩心21在超临界二氧化碳条件下的应力应变曲线，求解弹性模量的方法为：应变=加载过程中轴向变形/岩心试件的长度；画出加载过程中的应力、应变图；求取曲线中直线段的斜率，即为弹性模量。求解泊松比的方法为：轴向应变=加载过程中轴向变形/岩心试件的长度；径向应变=加载过程中径向变形/岩心试件的直径；画出加载过程中的轴向应变、 径向应变图；求取曲线中直线段的斜率，即为泊松比。

Claims (1)

1.一种测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的方法，它采用测定超临界二氧化碳条件下岩石三轴强度的装置，该装置包括三轴试验舱（1）、岩心夹持装置、气体供给系统、液压油围压加载系统（2）和安装有控制器以及实验数据采集器的计算机（3），所述的三轴试验舱（1）内且位于三轴试验舱（1）的上、下两端分别设置有轴压加载实验台上压杆（4a）和轴压加载实验台下压杆（4b），轴压加载实验台上压杆（4a）固定于三轴试验舱（1）上，轴压加载实验台下压杆（4b）可上、下活动以加载轴压，轴压加载实验台下压杆（4b）与轴压加载装置连接，三轴试验舱（1）外壁上设置有带有温度控制装置和温度传感器的加热圈（5）、连通三轴试验舱（1）的进油阀（6）和回油阀（7），三轴试验舱（1）的底部设置有进气阀（8）和出气阀（9），所述的液压油围压加载系统（2）由油泵、加压油泵和油箱组成，加压油泵和油泵的吸引口均与油箱连接，加压油泵和油泵的出油口均与进油阀（6）连接，油泵还与回油阀（7）连接，所述的岩心夹持装置由岩心夹持器（10）、气垫（11）、绝缘自粘密封带（12）和热缩套（13）组成，岩心夹持器（10）的上、下端分别设置有与进气阀（8）连接的进气口（19）和与出气阀（9）连接的出气口（20），所述的气体供给系统由顺次连接的二氧化碳气瓶（14）、气体增压器（15）和空气压缩机（16）组成，气体增压器（15）还与进气阀（8）连接，所述的轴压加载实验台下压杆（4b）的顶部设置有温度传感器（23），

其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1、塑封岩心：先将端面磨平后的岩心（21）的两端加装气垫（11），再先后用绝缘自粘密封带（12）和热缩套（13）将岩心（21）包裹固定于岩心夹持器（10）之间，从而实现了岩心的塑封；

S2、加装传感器：在岩心夹持器（10）上端的下部和岩心夹持器（10）下端的上部安装轴向位移传感器（17），热缩套（13）外表面上且位于岩心（21）的中部安装径向位移传感器（18），岩心（21）的中部安装温度传感器（23）；

S3、超临界二氧化碳的实现：

S（1）：先将S2中的岩心夹持器（10）置于轴压加载实验台上压杆（4a）与轴压加载实验台下压杆（4b）之间，再将加热圈（5）、温度传感器（23）、轴向位移传感器（17）和径向位移传感器（18）与计算机（3）连接，然后关闭三轴试验舱（1），启动油泵使液压油充满三轴试验舱（1）同时开启加压油泵使加压油泵活塞按照加载速率50mm/min加载将岩心（21）围压提升至20MPa，随后关闭加压油泵和进油阀（6），使整个实验过程中围压稳定在20MPa；

S（2）：经加热圈（5）对三轴试验舱（1）加温，并控制舱内温度在35℃~40℃之间并稳定30min；

S（3）：关紧三轴试验舱（1）的进气阀（8）和出气阀（9），打开二氧化碳气瓶（14）的阀门，使适量二氧化碳进入气体增压器（15）后关闭气瓶，用空气压缩机（16）对气体增压器（15）加压，使气体增压器（15）中二氧化碳压力提升至10MPa并保持不变；

S（4）：打开三轴试验舱（1）的进气阀（8），使上述S（3）中压力为10 MPa的二氧化碳进入到岩心（21）中；

S（5）：维持注入二氧化碳1h，维持温度在35℃~40℃之间，岩心（21）被二氧化碳完全饱和，关闭三轴试验舱（1）的进气阀（8），使二氧化碳密封在绝缘自粘密封带（12）内，在该温度和压力条件下二氧化碳已达到超临界状态，且岩心（21）已完全被超临界二氧化碳所饱和，从而实现了超临界二氧化碳条件；

S4、轴压加载开始实验：在计算机（3）中输入岩心（21）初始尺寸参数，对轴向位移传感器（17）和径向位移传感器（18）清零，开始执行实验程序，采用应变控制实验，其控制速率为0.04mm/min，增加轴向荷载直到试样发生破坏，在施加轴向载荷的过程中记录下岩心（21）中温度、围压、二氧化碳压力以及各级应力下的应力、应变值；

S5、实验后计算：

S（1）：岩心失效破坏后，停止加载轴向载荷，打开三轴试验舱（1）的出气阀（9）将二氧化碳排放放空，同时打开回油阀（7）并启动油泵将三轴试验舱（1）内液压油抽回油箱；

S（2）：打开三轴试验舱（1），拆卸岩心夹持器（10）与三轴试验舱（1）连接的各传感器的数据线和气体进出管线；

S（3）：取回岩心夹持器（10）并切下位于岩心（21）上、下端的气垫（11），保存好实验后的岩心（21）和实验数据，准备下次实验；

S（4）：计算岩心（21）在超临界二氧化碳条件下的弹性模量、抗压强度和泊松比，最后绘制岩心（21）在超临界二氧化碳条件下的应力应变曲线，从而实现了测定超临界二氧化碳条件下岩石的三轴强度。