CN110018057A - 一种微震-剪切-渗流耦合测试装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微震‑剪切‑渗流耦合测试装置及试验方法，涉及试验测试技术领域，包括筒体、监测系统和压力控制系统，筒体内设置有围压腔、轴压活塞和注气室，围压腔内设置有橡胶活塞，轴压活塞上设置有剪切位移计，注气室内设置有气管柱塞、电热丝、应力传感器、微震传感器和夹持器，监测系统包括应变监测、温度监测、微震监测与流量监测，压力控制系统包括气缸、控制阀、气管和流量计，利用该装置能够记录恒温恒压加载过程中微震事件个数、剪切位移和渗透率等，分析微震‑剪切位移和速率的对应关系，数据拟合得出微震‑孔隙压力‑渗透率之间对应关系，利用上述各项参数，尤其是微震及渗透率之间的关系指导工程应用中煤层气产量的预测。
Description
技术领域
本发明涉及试验测试技术领域，尤其是一种微震-剪切-渗流耦合作用下的岩石试件测试装置，以及利用该装置研究微震能量和渗流关系的试验方法。
背景技术
煤层气是赋存在煤层及煤系地层的烃类气体，属于优质清洁能源。煤层气资源的储量丰富，但是由于其赋存地质条件复杂、渗透性极低(约为10-4～10-3mD)，远低于当前技术下煤层气经济开采的标准。虽然目前已经采用了一系列的增产技术(比如压裂、注热驱替等)，但是煤层气井产量仍然普遍存在日产气量低、衰减快、总产气量难以达到理论预期的问题。利用室内实验方法深入研究煤储层损伤与流体运移规律对于高效开发利用煤层气资源，保障清洁能源供应与减少温室气体排放具有重要意义。
目前，大多数室内实验是为了测试煤基质物性特征与基质渗透率变化，其中物性特征包括裂纹扩展、孔隙结构等，渗透率实验包括裂缝达西流动与基质内扩散。基于目前的研究，仅通过研究煤的物理性质及理想状态下的渗透率很难阐释煤岩体多场耦合之间相互作用规律，并且不利于实际应用。为了研究微震-剪切-渗流耦合作用下煤岩体与气体吸附、解吸的规律，需要提供一种应力渗流耦合条件下的试验装置及方法。
发明内容
为了解决试件在微震场、剪切场和流动场多场耦合试验的恒温恒压问题,并且测量微震能量和剪切位移与渗透率之间的关系从而预测煤层气的产量，本发明提供了一种微震-剪切-渗流耦合测试装置及试验方法，具体技术方案如下。
一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，包括筒体、监测系统和压力控制系统，筒体内设置有围压腔、轴压活塞和注气室，筒体保持密封，围压腔内设置有橡胶活塞，轴压活塞设置在筒体的端部，轴压活塞端部设置有剪切位移计；注气室内设置有气管柱塞、电热丝、应力传感器、微震传感器和夹持器，夹持器设置有剪切槽，电热丝设置在气管柱塞的进气侧；监测系统包括应变监测、温度监测、微震监测与流量监测，试件的轴向和径向上均设置有微震传感器，流量计用于监测流量；压力控制系统包括气源、控制阀、气管和流量计。
优选的是，气源包括第一高压气源、第二高压气源和第三高压气源，第一高压气源和进气口相通，第二高压气源和注气室相通，第三高压气源的气体通入筒体内，推动轴压活塞运动。
进一步优选的是，第一高压气源和参考气缸相连，第一高压气源和参考气缸之间设置有控制阀；第二高压气源连接有控制阀和围压阀，第二高压气源通入气体通过橡胶活塞施加压力；第三高压气源连接有控制阀和轴压阀。
进一步优选的是，进气口设置在夹持器的一端，出气口设置在夹持器的另一端，夹持器的另一端和出气管相连，出气管穿过轴压活塞，出气管上还设置有流量计。
优选的是，筒体下方设置有支架；监测系统还包括监测主机，监测主机与微震记录仪、应变显示器、温度控制器和位移记录仪相连。
进一步优选的是，夹持器的剪切槽用于放置标准长方体试件，试件包括上块体和下块体，上块体和下块体之间设置人工裂缝。
进一步优选的是，夹持器包括上夹持器和下夹持器，上夹持器和下夹持器配合，上夹持器设置的剪切槽和上块体配合，下夹持器的剪切槽和下块体配合。
一种微震-剪切-渗流耦合测试方法，利用上述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，步骤包括：
步骤一：制作试件，在试件的上块体和下块体之间制作人工裂缝，并在试件上安设微震传感器，制作完成后将试件放入夹持器内；
步骤二：施加围压，开启第二高压气源连接的控制阀，气体经过围压阀进入围压腔推动橡胶活塞，活塞通过夹持器对试件施加围压；应变传感器接收应变信号，微震传感器接收微震信号；
步骤三：施加轴压，开启第三高压气源连接的控制阀，气体经过轴压阀进入筒体内推动轴压活塞，从而轴压活塞通过夹持器对试件施加轴压，试件发生剪切位移，位移传感器记录位移变化；
步骤四：注入气体，启动第一高压气源的控制阀，气体进入参考气缸，气体由参考气缸经过进气口从人工裂缝内流动；
步骤五：温度控制器控制电热丝从而控制筒体内的温度，参考气缸保持通入气体的压力稳定，流量计记录气体的流量；
步骤六：监测主机根据微震记录仪、应变显示器、温度控制器和位移记录仪的监测数据分析微震能量和渗透率的关系。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，通过筒体内设置的围压腔、轴压活塞和注气室等结构，解决了试件在微震场、剪切场和流动场耦合条件下气体的吸附及解吸过程的观测问题，通过微震记录仪、应变显示器、温度控制器和位移记录仪观测试验过程中试件的变化和渗透率的变化关系，并且还能够测量微震能量和剪切位移与渗透率之间的关系从而预测煤层气的产量。
(2)本装置通过加持部放置包括上块体和下块体的试件，并在上块体和下块体之间设置人工裂缝，从而保证气体从裂缝流动，并记录渗透率；另外保持筒体的密封可以保证装置内稳定的恒定，并保证压力的稳定；在第一高压气源的出口设置参考气缸，气体进入参考气缸缓冲，从而可以保证通入的气体压力稳定。
(3)本装置进行测试的方法通过气源分步进行加压加载，并且能够同时实现对微震事件和渗透率的监测，试验过程中通过橡胶活塞施加围压，保证夹持器夹紧试件，轴压活塞施加轴压从而剪切试件，并注入恒压气体测试渗透率，在此过程中实时监测位移、应力、温度和微震能量变化等情况，并对试验数据进行分析，得到微震能量和渗透率的变化规律。
附图说明
图1是：微震-剪切-渗流耦合测试装置结构示意图；
图2是：筒体部分结构示意图；
图3是：夹持器的部分结构示意图；
图4是：试件结构示意图；
图中：1-第一高压气源；2-第二高压气源；3-第三高压气源；4-控制阀；5-围压阀；6-轴压阀；7-参考气缸；8-密封塞；9-应变传感器；10-连接卡槽；11-气管柱塞；12-微震传感器；13-电热丝；14-橡胶活塞；15-支架；16-微震记录仪；17-应变显示器；18-温度控制器；19-位移记录仪；20-监测主机；21-剪切位移计；22-试件；23-流量计；24-轴压活塞；25-夹持器；26-剪切槽；27-进气口；28-人工裂缝；29-微震传感器。
具体实施方式
结合图1至图4所示，本发明提供的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置及方法，具体实施方式如下。
一种微震-剪切-渗流耦合测试装置具体包括筒体、监测系统和压力控制系统，试件放置在筒体内，在施加轴压、围压的作用下监测系统对应力和位移的变化进行监测，同时还会监测渗透率及微震能量的变化情况，压力控制系统控制加压。
其中筒体内设置有围压腔、轴压活塞和注气室，围压腔通过装置对试件施加围压，轴压活塞24对试件22施加轴向上的压力，注气室通过注入恒压气体测试渗透率。筒体整体保持密封，在筒体和气管的连接位置通过密封塞8保证筒体的气密性。围压腔内设置有橡胶活塞14，轴压活塞24设置在筒体的端部，轴压活塞24端部设置有剪切位移计21。注气室内设置有气管柱塞11、电热丝13、应力传感器、微震传感器29和夹持器25，夹持器25设置有剪切槽26，电热丝23设置在气管柱塞11的进气侧，从而控制筒体内的温度。监测系统包括应变监测、温度监测、微震监测与流量监测，试件22的轴向和径向上均设置有微震传感器29，用于监测剪切过程中试件内部的能量变化，流量计23用于监测流量，从而计算渗透率。压力控制系统包括气源、控制阀4、气管和流量计23，压力控制系统控制轴压和围压的加载，并且通入恒压气体测试试件的渗透率。
气源包括第一高压气源1、第二高压气源2和第三高压气源3，第一高压气源1和进气口27相通，可以通入恒压气体，测量试件渗透率；第二高压气源2和注气室相通，用于施加围压；第三高压气源3的气体通入筒体内，推动轴压活塞24运动，用于施加轴压。第一高压气源1和参考气缸7相连，第一高压气源1和参考气缸7之间设置有控制阀4。第一高压气源1的出口设置参考气缸7，气体进入参考气缸7缓冲，从而可以保证通入的气体压力稳定。第二高压气源2连接有控制阀4和围压阀5，第二高压气源2通入气体通过橡胶活塞14施加压力。第三高压气源3连接有控制阀4和轴压阀6，气体通入后推动轴压活塞24运动，从而施加轴压。
试件22放置在夹持器25内，进气口27设置在夹持器25的一端，出气口设置在夹持器25的另一端，夹持器25的另一端和出气管相连，出气管穿过轴压活塞，出气管上还设置有流量计23，从而可以测量试件的渗透率。
筒体下方设置有支架15，用于支撑试验装置。监测系统还包括监测主机20，监测主机20与微震记录仪16、应变显示器17、温度控制器18和位移记录仪19相连，监测主机20分析微震记录仪16、应变显示器17、温度控制器18和位移记录仪记录19的监测数据。筒体还具有保温保压的功能，筒体和气体流动管线使用高强橡胶材料制作而成，气体流动管线的管线槽均由高强碳纤维材料制作而成。
夹持器25的剪切槽用于放置标准长方体试件，试件22包括上块体和下块体，上块体和下块体之间设置人工裂缝28。夹持器25包括上夹持器和下夹持器，上夹持器和下夹持器配合，上夹持器设置的剪切槽26和上块体配合，下夹持器的剪切槽和下块体配合。
利用该装置能够记录恒温恒压下试件加载过程中微震事件个数、剪切位移和渗透率等数据，通过数据分析定位微震事件与剪切位移、剪切速率对应关系；通过数据拟合得出微震-孔隙压力-渗透率之间对应关系。试件在微震场、剪切场和流动场耦合作用下的各项参数，特别是恒温恒压下微震参数与渗透率之间的关系用于指导工程应用中煤层气产量的预测。
一种微震-剪切-渗流耦合测试方法，利用上述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，步骤包括：
步骤一：制作试件，在试件的上块体和下块体之间制作人工裂缝，并在试件上安设微震传感器，制作完成后将试件放入夹持器内，通过制作人工裂隙从而模拟实际的开采渗流情况。
步骤二：施加围压，开启第二高压气源连接的控制阀，气体经过围压阀进入围压腔推动橡胶活塞，活塞通过夹持器对试件施加围压；应变传感器接收应变信号，微震传感器接收微震信号。从而可以模拟深部环境下的围岩应力情况，并且可以监测微震信号，建立微震信号与渗透率变化的关系。
步骤三：施加轴压，开启第三高压气源连接的控制阀，气体经过轴压阀进入筒体内推动轴压活塞，从而轴压活塞通过夹持器对试件施加轴压，试件发生剪切位移，位移传感器记录位移变化。剪切发生过程中，可以模拟实际围岩的剪切破坏过程，从而进一步的模拟煤层气的渗流。
步骤四：注入气体，启动第一高压气源的控制阀，气体进入参考气缸，气体由参考气缸经过进气口从人工裂缝内流动。
步骤五：温度控制器控制电热丝从而控制筒体内的温度，参考气缸保持通入气体的压力稳定，流量计记录气体的流量。
步骤六：监测主机根据微震记录仪、应变显示器、温度控制器和位移记录仪的监测数据分析微震能量和渗透率的关系。
本方法通过气源分步进行加压加载，并且能够同时实现对微震事件和渗透率的监测，试验过程中通过橡胶活塞施加围压，保证夹持器夹紧试件，轴压活塞施加轴压从而剪切试件，并注入恒压气体测试渗透率，在此过程中实时监测位移、应力、温度和微震能量变化等情况，并对试验数据进行分析，得到微震能量和渗透率的变化规律。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，包括筒体、监测系统和压力控制系统，所述筒体内设置有围压腔、轴压活塞和注气室，筒体保持密封，围压腔内设置有橡胶活塞，轴压活塞设置在筒体的端部，轴压活塞端部设置有剪切位移计；所述注气室内设置有气管柱塞、电热丝、应力传感器、微震传感器和夹持器，夹持器设置有剪切槽，电热丝设置在气管柱塞的进气侧；所述监测系统包括应变监测、温度监测、微震监测与流量监测，试件的轴向和径向上均设置有微震传感器，流量计用于监测流量；所述压力控制系统包括气源、控制阀、气管和流量计。
2.根据权利要求1所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，所述气源包括第一高压气源、第二高压气源和第三高压气源，第一高压气源和进气口相通，第二高压气源和注气室相通，第三高压气源的气体通入筒体内，推动轴压活塞运动。
3.根据权利要求2所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，所述第一高压气源和参考气缸相连，第一高压气源和参考气缸之间设置有控制阀；所述第二高压气源连接有控制阀和围压阀，第二高压气源通入气体通过橡胶活塞施加压力；所述第三高压气源连接有控制阀和轴压阀。
4.根据权利要求3所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，所述进气口设置在夹持器的一端，出气口设置在夹持器的另一端，夹持器的另一端和出气管相连，出气管穿过轴压活塞，出气管上还设置有流量计。
5.根据权利要求1所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，所述筒体下方设置有支架；所述监测系统还包括监测主机，监测主机与微震记录仪、应变显示器、温度控制器和位移记录仪相连。
6.根据权利要求1所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，所述夹持器的剪切槽用于放置标准长方体试件，试件包括上块体和下块体，上块体和下块体之间设置人工裂缝。
7.根据权利要求6所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，所述夹持器包括上夹持器和下夹持器，上夹持器和下夹持器配合，上夹持器设置的剪切槽和上块体配合，下夹持器的剪切槽和下块体配合。
8.一种微震-剪切-渗流耦合测试方法，利用权利要求1至7任一项所述的一种微震-剪切-渗流耦合测试装置，其特征在于，步骤包括：
步骤一：制作试件，在试件的上块体和下块体之间制作人工裂缝，并在试件上安设微震传感器，制作完成后将试件放入夹持器内；
步骤二：施加围压，开启第二高压气源连接的控制阀，气体经过围压阀进入围压腔推动橡胶活塞，活塞通过夹持器对试件施加围压；应变传感器接收应变信号，微震传感器接收微震信号；
步骤三：施加轴压，开启第三高压气源连接的控制阀，气体经过轴压阀进入筒体内推动轴压活塞，从而轴压活塞通过夹持器对试件施加轴压，试件发生剪切位移，位移传感器记录位移变化；
步骤四：注入气体，启动第一高压气源的控制阀，气体进入参考气缸，气体由参考气缸经过进气口从人工裂缝内流动；
步骤五：温度控制器控制电热丝从而控制筒体内的温度，参考气缸保持通入气体的压力稳定，流量计记录气体的流量；
步骤六：监测主机根据微震记录仪、应变显示器、温度控制器和位移记录仪的监测数据分析微震能量和渗透率的关系。
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