CN109738294A - 适用于x-ct的真三轴应力渗流耦合试验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

一种适用于X‑CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，包括保温腔，在保温腔内设有岩心夹持器，在保温腔外相对的两侧分别设有X射线源和X射线探测器；所述岩心夹持器包括釜体，釜体上方设有上盖，釜体外部设有固定瓦片，在夹持器内设有五个胶囊，可以对岩心施加三个独立方向的应力；在其中两个相对方向分别设有流体注入及渗出流体的测量装置，该测量包括流量、压力、温度参数。本发明可以对岩心施加真三轴应力条件及孔隙压力条件，并能适用于CT扫描需求。

Description

适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置及其应用

技术领域

本发明涉及能源开采领域中的实验技术，尤其涉及一种适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置及其应用。

背景技术

在CO₂地质封存和利用中，石油、天然气、页岩气、煤层气开采领域中都会涉及流体在多孔介质中流动的问题，其开采效率受到多孔介质的流动特性影响，多孔介质的流动特性与介质的孔隙结构、地应力和地层压力密切相关。实际的地应力是一种真三轴应力状态。因此对真三轴应力状态下多孔介质的渗流特性的研究具有重大意义。而当前对该特性研究及其机理研究尚不深入。CT无损扫描技术可以实现对岩石内部的微观结构进行表征，是揭示多孔介质的渗流特性及其机理的有效方法。目前，用于CT扫描的岩芯加持器只能施加围压和轴向应力，无法实现真三轴应力状态；渗流方向只能沿其轴向，无法研究各向异性渗流特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置及其应用，可以对岩心施加真三轴应力条件及孔隙压力条件，并能适用于CT扫描需求。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，包括保温腔，在保温腔内设有岩心夹持器，在保温腔外相对的上、下侧分别设有X射线源和X射线探测器；

所述岩心夹持器包括放置岩心的釜体，釜体上方设有上盖，釜体两侧设有固定瓦片，用于将上盖固定在釜体上，在釜体内，沿岩心第一水平方向的两侧分别嵌有一号胶囊和二号胶囊，一号胶囊和二号胶囊同时连接有第一水平方向应力加载泵，在釜体内，沿岩心第二水平方向的两侧分别嵌有三号胶囊和四号胶囊，三号胶囊和四号胶囊同时连接第二水平方向应力加载泵，第二水平方向垂直于第一水平方向，在上盖内嵌有五号胶囊，五号胶囊连接竖直方向应力加载泵；

在岩心第一水平方向的一侧连接有孔压计量泵，在另一侧连接有第一水平方向计量天平和第一水平方向流量计，在连接孔压计量泵一侧的管线上设有第一水平方向上游温度计和第一水平方向上游压力计，在连接第一水平方向流量计一侧的管线上设有第一水平方向下游温度计和第一水平方向下游压力计。

进一步的，在第二水平方向上，孔压计量泵还通过分支管路与岩心的一侧相连，在该侧管线上设有第二水平方向上游温度计和第二水平方向上游压力计，在另一侧连接有第二水平方向计量天平和第二水平方向流量计，同样，在管线上设有第二水平方向下游温度计和第二水平方向下游压力计。

进一步的，所述岩心夹持器为外圆内方状，其釜体和上盖均采用强度高、密度小的材料制成，如航空铝、碳纤维复合材料，这样可以施加较大的应力；

进一步的，所有胶囊由橡胶材料制成，通过内部充液为岩心施加压力，充液后，整体呈长方体状，并通过变形与岩心紧密接触。

进一步的，所述保温腔由聚氨酯保温材料制成，并由外部恒温风源提供循环热风。

进一步的，本发明系统还包括与各个计量天平、流量计、温度计、压力计相连的数据采集系统。

适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置的应用方法，包括以下步骤：

①岩心制备及装样：将岩石加工成与夹持器尺寸匹配的板状样品，表面打磨光滑，平行度小于20微米，岩心四个侧面及上表面放置好密封胶圈，放入岩心夹持器，并连接好管路及热风风道；

②抽真空：对岩心抽真空；

③加温：通入循环热风，对岩心进行加热处置，直至到达设定温度为止；

④应力加载：利用三个应力加载泵同时从三个方向缓慢加载应力，直至达到预定值时维持恒定；

⑤CT扫描：打开X-CT对岩心初始状态进行扫描；

⑥流体注入/应力加载/水力压裂

流体注入：将孔压计量泵设定好预定的流量或压力，然后对岩心注入流体；若为气体，通过流量计计量流出的气体量，若为液体，通过计量天平计量流出液体质量；

应力加载：根据预定的应力路径，对岩心施加应力，直至岩心破坏；

水力压裂：以恒定的流量或压力速率通过上部孔隙管路对岩心施加孔隙压力，直至样品破坏；

⑦CT扫描：待岩心达到破坏或渗流要求后，进行CT扫描；

⑧孔隙压力及应力卸载：CT扫描完成后，停止循环热风；首先卸载孔隙压力，孔隙压力完全卸载后，卸载应力(围压)；

⑨设备及数据的整理：保存数据，取出试样，整理设备。

本发明的有益效果：

本发明装置采用新型应力施加方式，装置中的岩心夹持器的主体由碳纤维复合材料制成，具有很高强度，夹持器可以承受较高的应力，另外，胶囊由橡胶制成，因而整个夹持器的X射线穿透性好，对X-CT的影响较小；

通过三个独立的应力加载泵分别控制三个互相垂直方向的应力胶囊来实现三个方向不等应力的真三轴应力条件，可以对岩心进行不同方向的渗透性研究；

循环热风通过单独对夹持器进行加热，实现对岩心的温度控制，并避免对X-CT的影响；

本发明装置可以对岩心施加真三轴应力状态，在X-CT监测下进行原位应力测试，获得岩石内部结构的变化信息；

另外，通过孔压计量泵对岩心施加孔压，以及压力传感器、流体计或天平等对渗流过岩心的流体进行测量，再借助X-CT观测岩石内部的流体流动特性，可以实现真三轴应力状态下的渗流测试；

除此而外，该系统还可以实现水力压裂实验，借助于CT可观测到岩石内部裂纹的产生、扩展、贯通情况。

附图说明

图1是本发明装置整体结构纵剖面图；

图2是本发明装置的横剖面图(过五号胶囊与岩心接触面)；

图中，1、X射线源，2、保温腔，3、釜体，4、固定瓦片，5、上盖，6、X射线探测器，A、岩心，H、岩心夹持器，H1、一号胶囊，H2、二号胶囊，H3、三号胶囊，H4、四号胶囊，H5、五号胶囊，P1、第一水平方向上游压力计，P2、第二水平方向下游压力计，P3、第一水平方向下游压力计，P4、第二水平方向上游压力计，T1、第一水平方向上游温度计，T2、第二水平方向下游温度计，T3、第一水平方向下游温度计，T4、第二水平方向上游温度计，M1、第一水平方向计量天平，M2、第二水平方向计量天平，N1、第一水平方向流量计，N2、第二水平方向流量计，X0、第一水平方向应力加载泵，Y0、第二水平方向应力加载泵，Z0、竖直方向应力加载泵，P0、孔压计量泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种适用于CT的真三轴应力渗流耦合系统，包括保温腔2，在保温腔2内设有岩心夹持器H，在保温腔2外相对的两侧分别设有X射线源1和X射线探测器6；所述保温腔2由聚氨酯保温材料制成，并由外部恒温风源提供循环热风(在图1中，热风方向沿观察者视线方向，垂直于图1所在平面)。

所述岩心夹持器H包括放置岩心的釜体3，釜体3上方设有上盖5，釜体3外侧设有固定瓦片4，用于将上盖固定在釜体上，所述岩心夹持器H为外圆内方状，其釜体3和上盖5均采用高强度、密度小的航空铝材料制成，可以施加较大的应力；

在釜体3内岩心A第一水平方向上两侧分别嵌有一号胶囊H1和二号胶囊H2，一号胶囊H1和二号胶囊H2同时连接有第一水平方向应力加载泵X0，在釜体内岩心第二水平方向的两侧分别嵌有三号胶囊H3和四号胶囊H4，三号胶囊H3和四号胶囊H4同时连接第二水平方向应力加载泵Y0，第二水平方向垂直于第一水平方向，在上盖5内嵌有五号胶囊H5，五号胶囊H5连接竖直方向应力加载泵Z0，所有胶囊由橡胶材料制成，通过内部充液为岩心施加压力，充液后，整体呈长方体状，并通过变形与岩心紧密接触；所述应力加载泵，是一种常用的液体计量泵，可以实现压力控制或流量控制，为胶囊施加较高的恒定压力，并能精确控制压力大小，通过五个不同方向的胶囊，为岩心提供不同方向的应力；

在岩心第一水平方向的一侧连接有孔压计量泵P0，在另一侧连接有第一水平方向计量天平M1和第一水平方向流量计N1，该流量计能够将气体流体流量转化为电信号，在连接孔压计量泵P0一侧的管线上设有第一水平方向上游温度计T1和第一水平方向上游压力计P1，在连接第一水平方向流量计N1一侧的管线上设有第一水平方向下游温度计T3和第一水平方向下游压力计P3；在第二水平方向上，孔压计量泵P0还通过分支管路与岩心的一侧相连，在该侧管线上设有第二水平方向上游温度计T4和第二水平方向上游压力计P4，在另一侧连接有第二水平方向计量天平M2和第二水平方向流量计N2，同样，在管线上设有第二水平方向下游温度计T2和第二水平方向下游压力计P2；孔压计量泵用以向岩心注入流体，该流体从岩心一侧流入，从相对的另一侧流出并被计量天平或者流量计进行计量，在管线上设置的温度计和压力计用以记录渗流过程中系统的温度和压力变化状况。

本发明装置还包括与各个计量天平、流量计、温度计、压力计相连的数据采集系统，用于采集压力、温度、流量、质量等数据。

适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置的应用方法，包括以下步骤：

①岩心制备及装样：将岩石加工成与夹持器尺寸匹配的板状样品，表面打磨光滑，平行度小于20微米，岩心四个侧面及上表面放置好密封胶圈，放入岩心夹持器，并连接好管路及热风风道；

②抽真空：对岩心抽真空；

③加温：通入循环热风，对岩心进行加热处置，直至到达设定温度为止；

④应力加载：利用三个应力加载泵同时从三个方向缓慢加载应力，直至达到预定值时维持恒定；

⑤CT扫描：打开CT对岩心初始状态进行扫描；

⑥流体注入/应力加载/水力压裂

流体注入：将孔压计量泵设定好预设流量或压力，然后对岩心注入流体；若为气体，通过流量计计量流出的气体量，若为液体，通过计量天平计量流出液体质量；

应力加载：根据预定的应力路径，对岩心施加应力，直至岩心破坏；

水力压裂：以恒定的流量或压力速率通过上部孔隙管路对岩心施加孔隙压力，直至样品破坏；

⑦CT扫描：待岩心达到破坏或渗流要求后，进行CT扫描；

⑧孔隙压力及应力卸载：CT扫描完成后，停止循环热风；首先卸载孔隙压力，孔隙压力完全卸载后，卸载应力(围压)；

⑨设备及数据的整理：保存数据，取出试样，整理设备。

Claims (7)

1.适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，其特征在于，包括保温腔(2)，在保温腔(2)内设有岩心夹持器(H)，在保温腔(2)外相对的上、下两侧分别设有X射线源(1)和X射线探测器(6)；

所述岩心夹持器(H)包括放置岩心的釜体(3)，釜体(3)上方设有上盖(5)，釜体(3)外侧设有固定瓦片(4)，用于将上盖固定在釜体上，在釜体(3)内，沿岩心(A)第一水平方向的两侧分别嵌有一号胶囊(H1)和二号胶囊(H2)，一号胶囊(H1)和二号胶囊(H2)同时连接有第一水平方向应力加载泵(X0)，在釜体内，沿岩心(A)第二水平方向的两侧分别嵌有三号胶囊(H3)和四号胶囊(H4)，三号胶囊(H3)和四号胶囊(H4)同时连接第二水平方向应力加载泵(Y0)，第二水平方向垂直于第一水平方向，在上盖(5)内嵌有五号胶囊(H5)，五号胶囊(H5)连接竖直方向应力加载泵(Z0)；

在岩心(A)第一水平方向的一侧连接有孔压计量泵(P0)，在相对的另一侧连接有第一水平方向计量天平(M1)和第一水平方向流量计(N1)，在连接孔压计量泵(P0)一侧的管线上设有第一水平方向上游温度计(T1)和第一水平方向上游压力计(P1)，在连接第一水平方向流量计(N1)一侧的管线上设有第一水平方向下游温度计(T3)和第一水平方向下游压力计(P3)。

2.如权利要求1所述的适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，其特征在于，在第二水平方向上，孔压计量泵(P0)还通过分支管路与岩心的一侧相连，在该侧管线上设有第二水平方向上游温度计(T4)和第二水平方向上游压力计(P4)，在另一侧连接有第二水平方向计量天平(M2)和第二水平方向流量计(N2)，同样，在管线上设有第二水平方向下游温度计(T2)和第二水平方向下游压力计(P2)。

3.如权利要求1所述的适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，其特征在于，所述岩心夹持器(H)为外圆内方状，其釜体(3)和上盖(5)均采用强度高、密度小的航空铝或碳纤维复合材料制成。

4.如权利要求1所述的适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，其特征在于，所有胶囊由橡胶材料制成，通过内部充液为岩心施加压力，充液后，整体呈长方体状，并通过变形与岩心紧密接触。

5.如权利要求1所述的适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置，其特征在于，所述保温腔(2)由聚氨酯保温材料制成，并由外部恒温风源提供循环热风。

6.如权利要求1所述的适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合实验装置，其特征在于，本发明系统还包括与各个计量天平、流量计、温度计、压力计相连的数据采集系统。

7.适用于X-CT的真三轴应力渗流耦合试验装置的应用方法，包括以下步骤：

①岩心制备及装样：将岩石加工成与夹持器尺寸匹配的板状样品，表面打磨光滑，平行度小于20微米，岩心四个侧面及上表面放置好密封胶圈，放入岩心夹持器，并连接好管路及热风风道；

②抽真空：对岩心抽真空；

③加温：通入循环热风，对岩心进行加热处置，直至到达设定温度为止；

④应力加载：利用三个应力加载泵同时从三个方向缓慢加载应力，直至达到预定值时维持恒定；

⑤CT扫描：打开X-CT对岩心初始状态进行扫描；

⑥流体注入/应力加载/水力压裂

流体注入：将孔压计量泵设定好预定的流量或压力，然后对岩心注入流体；若为气体，通过流量计计量流出的气体量，若为液体，通过计量天平计量流出液体质量；

应力加载：根据预定的应力路径，对岩心施加应力，直至岩心破坏；

水力压裂：以恒定的流量或压力速率通过上部孔隙管路对岩心施加孔隙压力，直至样品破坏；

⑦CT扫描：待岩心达到破坏或渗流要求后，进行CT扫描；

⑧孔隙压力及应力卸载：CT扫描完成后，停止循环热风；首先卸载孔隙压力，孔隙压力完全卸载后，卸载应力(围压)；

⑨设备及数据的整理：保存数据，取出试样，整理设备。