CN111795993A - 一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统及方法，该测试系统包括多个测温部件；保温加压装置，其内流通有加压加热介质，且内置有与加压加热介质隔离的岩石试样，向岩石试样施加设定围压并对其进行加热，岩石试样配置有多个测温部件；加热控制装置，其设定温度并对保温加压装置加热；施压装置，其设定压力对保温加压装置加压；数据采集装置，其记录瞬态过程中岩石试样的表面温度随时间的变化；冷却装置，其在岩石试样的测量温度达到设定温度时，对岩石样品进行冷却；循环通路，其将保温加压装置、施压装置和冷却装置连通。本发明能够同时测量岩石样品热导率和比热容随温度压力的变化。

Description

一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统及方法

技术领域

本发明属于岩石热物性测量方法的技术领域，具体涉及一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统及方法。

背景技术

岩石热物性参数(如热导率、比热容等)直接影响岩层温度分布时空演化规律，是岩石圈热结构、沉积盆地热演化史、地热、稠油热采、油页岩热解等领域的重要研究内容。现有较为成熟的实验测试装置能够测量不同温度条件下的样品热导率和比热容，例如差示扫描量热仪用于测量样品比热容，Hotdisk热分析仪测量样品热导率，激光热导仪通过测量样品热扩散率间接获得样品热导率。随着客户需求呈现多样化，上述仪器的生产厂家也在开发高压环境下的样品热物性测量方法和装置，但是差示扫描量热仪、激光热导仪等设备对样品尺寸要求严格，样品加工困难，尤其针对硬度大、脆性大的花岗岩样品。

已有实验技术中通过三轴压缩试验装置或者高压气体环境，对岩石样品加热加压到一定温度和压力后，利用一定实验方法测量得到样品的热导率、比热容等。然而，现有技术预测地下深层岩石高压高温状态下岩石的热传递性能的精度不高、误差较大，而且测试系统较为复杂，无法在一次实验中同时得到岩石热导率和比热容的实验数据。因此，需要一种能够同时测量岩石样品热导率和比热容随温度压力变化的实验系统和实验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够同时测量岩石热导率和比热容随温压动态变化的实验系统及快速反演方法，利用本发明试验系统的一次瞬态加热实验的实验数据结合本发明建立的数据反演模型即可获得某围压条件下岩石热物性与温度的关系式，大大减少了实验测试工作量。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统，该系统包括：多个测温部件；保温加压装置，其内流通有加压加热介质，且内置有与所述加压加热介质隔离的岩石试样，通过所述加压加热介质向所述岩石试样施加设定围压并对其进行加热，所述岩石试样配置有多个测温部件；加热控制装置，其与所述保温加压装置连接，设定温度并对所述保温加压装置加热；施压装置，其与所述保温加压装置连通，设定压力对所述保温加压装置加压；数据采集装置，其与所述多个测温部件连接，记录瞬态过程中岩石试样的表面温度随时间的变化；冷却装置，其在岩石试样的测量温度达到所述设定温度时，与所述保温加压装置连通，对所述岩石样品进行冷却；循环通路，其将所述保温加压装置、施压装置和冷却装置连通。

根据本发明的一个实施例，所述保温加压装置为由保温材料和加热元件构成的容器；所述加压加热介质为导热油。

根据本发明的一个实施例，所述施压装置包括加压加热介质补充容器和与该加压加热介质补充容器经循环通路连接的加压控制装置。

根据本发明的一个实施例，该系统还包括夹持器，其将所述岩石试样夹持并固定在保温加压装置中；以及耐高温胶套，其装入夹持有岩石试样的夹持器；所述测温部件包括T型热电偶，其从所述夹持器内引出与所述数据采集装置连接。

根据本发明的一个实施例，所述冷却装置包括开关阀、与所述开关阀经循环通路连通的换热器和冷水浴。

根据本发明的另一方面，还提供了一种高温高压下岩石热物性瞬态测试方法，该方法包括：利用如上所述的测试系统对岩石试样进行测试，记录不同围压条件下瞬态加热过程中岩石表面温度随时间的变化；选取初始的待求解变量，该变量包括与热导率和比热容相关的待求解参量；利用记录的测量温度和由初始的待求解变量得到的温度值确定目标函数值；判断所述目标函数值是否满足迭代终止条件，若满足，则将选取的迭代求解变量作为最终求解值，得到表征岩石热物性的热导率和比热容，否则，确定搜索方向和搜索步长以确定新的待求解变量，并重新确定目标函数直到满足迭代终止条件。

根据本发明的一个实施例，利用如下表达式计算所述目标函数值，

其中，J(R)表示目标函数，T_n,m,mea表示岩石试样表面M个温度测点的N个时间点的测量温度，T_n,m,cal(R)表示利用待求解变量R的猜测值求解导热正问题而计算得到的温度值，R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}，其中，k₀和a表示与热导率相关的待求解参量，c₀、b₁和b₂表示与热比容相关的待求解参量。

根据本发明的一个实施例，所述导热正问题为如下表达式所示，

其中，初始条件：

将岩石试样外壁面选取温度测量值作为第一类边界条件：

岩石试样端面绝热边界条件：

岩石试样中心轴线处：

其中，ρ表示岩石密度，T表示温度，t表示时间，L表示岩石试样为圆柱体的高度，r表示圆柱岩石样品半径，k(T)＝k₀+a·T表示岩石热导率、c(T)＝c₀+b₁·T+b₂·T²表示岩石比热容，x表示x方向坐标、T_i表示岩石加热初始温度、T_R(t)表示岩石周向壁面温度、T(r,x,t)表示岩石样品某一位置某个时刻的温度。

根据本发明的一个实施例，通过如下步骤确定搜索方向和搜索步长，计算与热导率和比热容相关的待求解参量的敏度系数方程；利用各敏度系数方程计算共轭系数、目标函数的梯度以及温度对待求解变量的梯度；根据所述共轭系数、目标函数的梯度以及温度对待求解变量的梯度确定搜索方向和搜索步长。

根据本发明的一个实施例，通过如下表示确定新的待求解变量，

R^b+1＝R^b-β^bd^b

其中，R^b+1表示第b+1步确定的待求解变量，R^b表示第b步确定的待求解变量，β^b表示搜索步长，d^b表示搜索方向；

d^b＝▽J(R^b)+r^bd^b-1

式中，r^b表示共轭系数：

式中，▽J表示目标函数的梯度：

式中，M表示温度测点数目，N表示瞬态测试时间点数目、b表示迭代步数，T_n,m,cal(R^b)表示温度测点的反演计算温度、T_n,m,mea表示测点温度测量值、r₁,r₂,r₃,r₄,r₅分别为待求解变量k₀,c₀,a,b₁,b₂，温度对待求解变量的梯度

分别是温度对变量k₀、a、c₀、b₁和b₂的梯度，由各敏度方程求解获得。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例公开了一种一定围压环境下的岩石瞬态加热过程测试系统以及岩石热导率和比热容随温度动态变化的同时反演方法，实现了快速准确地测量岩石热物性参数随温度和压力的变化。本实施例可准确预测地下深层岩石高压高温状态下岩石的热传递性能，测试系统操作简单，热物性反演结果准确可靠。而且，实验过程为瞬态加热过程，克服了稳态加热过程时间长的缺点，测试周期短，而且本方面建立的多参量反演方法可同时获得热导率和比热容，因此大大减少实验测试工作量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是本发明实施例的高温高压下岩石热物性测试系统的示意图。

图2是本发明实施例的高温高压下岩石热物性测试方法的流程示意图。

图3是本发明实施例的一种岩石热物性参数反演模型的计算流程图。

图中：1.岩石样品，2.环状加热带，3.油浴，4.加热器，5.保温棉，6.夹持器，7.数据采集系统，8.热电偶，9.球阀，10.换热器，11.冷水浴，12.油浴罐，13.自动油压泵。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

在现有技术技术中，如专利申请(CN201610130643.7)公开了一种高压条件下无需电加热“热源”的岩石热物性测试系统，通过快速打开排泄阀来实现岩石样品的瞬间加载，并监测围压瞬间升高过程中岩石样品中心、表面级传压介质的温度变化，利用建立的有限元数值反演模型，结合全局优化方法，即可获得高压条件下岩石样品的热物性参数。在此基础上，通过测试装置改进升级，利用水下机器人，将整套岩石热物性测试系统携带至深海预定深度，水下快速打开排泄阀，即可测量深海某处的岩石热物性测量。该方法利用岩石样品瞬间加载导致的样品温度变化反演热物性参数，由于该过程样品温度变化较小(<2℃)，因此该申请中未能获得某围压条件下较大温度范围内岩石样品的热物性参数(对此技术问题，本发明实施例通过记录岩石样品瞬态加热过程反演得到不同温度下岩石的热物性参数，测量温度范围由仪器加热能力决定，不受测试环境影响)，另外考虑到温度传感器测量精度，实验测量误差较大。另外，一些学者利用平行平板实验方法测量得到一定围压条件下岩石样品的热导率。Abdulagatov等利用稳态平行平板实验，对250℃温度范围内，压力0.1-400MPa范围内砂岩、石灰岩、石粒、辉石岩和含油砂岩等的热导率开展了实验研究。

等实验研究了单轴应力和含水率对多种岩石的热导率的影响规律，并未开展压力对岩石比热容的影响研究。在另一专利申请(CN201610848074.X)中将长方体岩石试样通过MTS真三轴测试缸内加压加温，利用稳态平板法测量岩石试样的热导率。此类研究方法由于稳态加热过程时间较长，因此获取某一样品热物性随温度和压力的变化规律的实验耗时过长。而且由于实验为稳态加热过程，因此无法在一次实验中同时得到岩石热导率和比热容的实验数据，需要另外搭建实验装置进行测量，实验过程中测试样品内部结构的变化，会直接影响到其他实验结果。

鉴于上述提到的技术问题，本发明实施例提出了一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统以及测试方法，利用利用该测试系统能够同时测量高温高压环境下岩石样品导热系数和比热容随温度的动态变化，而且依据提出的数据反演方法对实验数据进行快速反演即可获取某围压条件下岩石热物性与温度的关系式。该发明克服了目前已有实验系统和实验方法无法实现高温高压条件下岩石样品热导率和比热容随温度动态变化的同时测量，现有实验系统稳态加热过程长等缺点，在保证实验测试精度的同时，缩短实验耗时，减少实验测试工作量。

为实现上述目的，该发明的技术方案通过测量一定围压作用下岩石瞬态加热实验过程中岩石侧面和端面多个测点温度变化，采用基于非稳态多宗量导热反问题建立的数据反演模型，即可获得一定围压条件下岩石热导率和比热容随温度的变化规律。调整围压，重复实验，即可获得围压对热物性的影响规律。

下面参考附图来说明本发明的具体实施例。

图1是本发明涉及的高温高压下岩石热物性测试系统示意图。

如图1所示，该系统包括：多个T型热电偶8(测温部件的一个例子)；保温加压装置200，其内流通有油浴3(加压加热介质的一个例子)，且内置有与油浴3隔离的岩石试样1，通过油浴3向岩石试样1施加设定围压并对其进行加热，岩石试样1配置有多个T型热电偶8；加热控制装置(例如加热器)4，其与保温加压装置200连接，设定温度并对保温加压装置200加热；施压装置300，其与保温加压装置200连通，设定压力对保温加压装置200加压；数据采集装置7，其与多个T型热电偶8连接，记录瞬态过程中岩石试样1的外壁面和端面温度随时间的变化；冷却装置400，其在岩石试样1的测量温度达到设定温度时，与保温加压装置200连通，对其内部的岩石样品1进行冷却；循环通路14，其将保温加压装置200、施压装置300和冷却装置400连通。

在一个优选例子中，保温加压装置200可以为由保温棉(保温材料的一个例子)5和环状加热带(加热元件的一个例子)2构成的容器，如图1所示，在该容器两端有与循环通路14连通的通孔。施压装置300包括油浴罐(加压加热介质补充容器的一个例子)12和与该油浴罐12经循环通路14连接的油压泵(加压加热介质的加压控制装置的一个例子)13。油压泵13根据设定好的围压，通过抽取油浴罐12中适量的油浴向保温加压装置200内的岩石试样1加压。为了更好地将岩石试样固定在保温加压装置中，如图1所示，该系统包括夹持器6，其将岩石试样夹持并固定在保温加压装置中。该系统还包括耐高温胶套(未图示)，其装入夹持有岩石试样的夹持器，有效地将岩石试样1与油浴3很好地隔离。根据岩石测试所需温度，耐高温胶套可以采用氟橡胶套、塑料热缩管、胶套或紫铜薄套管等，实现在围压作用下与岩心样品充分贴合以达到密封效果。多个T型热电偶8从夹持器6内引出与数据采集装置7连接。冷却装置400包括球阀9(开关阀的一个例子)、与球阀9经循环通路14连通的换热器10和冷水浴11。在岩石试样1测量温度接近加热器4设定的温度时，停止瞬态加热，打开球阀9和冷水浴11，对油路循环通路14中的油浴和岩石试样1进行冷却。

下面说明如何利用图1所示的测试系统进行高温高压下岩石热物性的测试，具体参见图2的流程图。

在步骤S210中，制作岩石试样，并计算该岩石试样的密度。

具体地，对野外露天或者井下采集的岩心样品加工为规则的圆柱岩石试样，将岩石试样表面打磨光滑平整，采用游标卡尺多次测量取平均值，确定试样半径R和圆柱岩石试样的高度L。分析天平测量试样质量，根据试样尺寸和质量计算该岩石试样的密度。

在步骤S220中，在岩石试样上配置多个热电偶，将配置完成的岩石试样置于测试系统中。

具体来说，将岩石试样的侧面(也称外壁面)和端面布置多个温度测点，将T型热电偶丝线8置于这些温度测点处并从夹持器6内引出，将安装好的试样和夹持器6放入油浴3内，使该岩石试样与油浴3相互分离。需要说明的是，根据岩石测试所需温度，可以选用合适的加热加压介质，例如采用苯甲基硅油，加热温度可达280℃，满足大多数储层岩石温度范围。

在步骤S230中，向置于油浴中的岩石试样加压加温，记录不同围压条件下瞬态加热过程中岩石试样表面(外壁面和端面)温度随时间的变化。

首先，关闭球阀9，设定油浴加压泵13的压力，通过油浴向岩石样品施加一定围压。打开加热器4，设定温度，加热油浴3。加热过程中，油浴加压泵13的自动控制系统使得油浴一直保持在设定压力中。同时数据采集系统7开始数据采集，记录瞬态过程中岩石外壁面温度和端面温度随时间的变化。在一个例子中，若采用苯甲基硅油作为加热加压介质，加热温度可达280℃，压力可达30MPa。本发明对加热加压介质不做限定，根据实际需要可以进行选择。通过加热器4加热油浴3，油浴3加热岩石样本，在瞬态加热过程中记录岩石壁面温度变化，保证了实验过程处于瞬态加热过程。

然后，当岩石试样的测量温度接近或达到加热器4的设定温度，即可停止瞬态加热，保存数据。打开球阀9和冷水浴11，则油路循环14中的油浴和岩石试样可以被冷却，待岩石壁面温度在20min内变化不超过0.2℃，各温度测点温度一致相差不超过0.2℃，即可认为冷却过程完成。调整油浴压力，重复上述步骤，记录不同围压条件下瞬态加热过程岩心壁面温度变化。

通过该测试系统能够快速准确地测量岩石热物性参数随温度和压力的变化，由于实验过程为瞬态加热过程，克服了稳态加热过程时间长的缺点，测试周期短。

在步骤S240中，利用岩石热物性参数反演模型计算岩石试样的热物性参数-热导率和比热容。

具体地，选取初始的待求解变量，该变量包括与热导率和比热容相关的待求解参量，然后，利用记录的测量温度和由初始的待求解变量得到的温度值确定目标函数值。判断目标函数值是否满足迭代终止条件，若满足，则将选取的迭代求解变量作为最终求解值，得到表征岩石热物性的热导率和比热容，否则，确定搜索方向和搜索步长以确定新的待求解变量，并重新确定目标函数直到满足迭代终止条件。

下面具体参考图3来说明如何采用导热反问题求解岩石热物性参数的程序计算模型来计算热导率和比热容。

在步骤(1)中，先选取初始的待求解变量R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}。

首先，确定导热反问题的待求解变量。

在工程计算中，材料导热系数(也称热导率)对温度的依变关系往往可以表示成线性关系，因此某一特定压力下干热岩样品热导率k随温度T的变化关系式如下所示。

k＝k₀+a·T (1)

其中，k₀和a表示与热导率相关的待求解参量。

材料无点缺陷，温度不靠近熔点时，材料比热容c与温度T的关系采用二次多项式即可获得满意的结果，如下式所示。

c＝c₀+b₁·T+b₂·T² (2)

其中，c₀、b₁和b₂表示与热比容相关的待求解参量。

因此，容易理解，该问题中待反演向量为R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}，也称待求解变量。

在迭代初始阶段，先选取一个R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}的猜测值来计算目标函数，若目标函数值没有满足迭代终止条件，则根据确定的搜索方向和搜索补偿来更新得到新的待求解变量，直到得到的目标函数满足迭代终止条件，将该待求解变量作为最终求解值，得到表征岩石热物性的热导率和比热容。

在步骤(2)中，迭代求解导热正问题，求出测点温度T_n,m,cal(R)。

有关导热正问题，通过建立圆柱岩石试样瞬态导热过程的能量控制方程和定解条件来确定，具体如下所示。

其中，初始条件：

边界条件：

将岩石试样外壁面选取温度测量值作为第一类边界条件：

岩石试样端面绝热边界条件：

岩石试样中心轴线处：

其中，ρ表示岩石密度，T表示温度，t表示时间，L表示岩石试样为圆柱体的高度，r表示圆柱岩石样品半径，k(T)＝k₀+a·T表示岩石热导率、c(T)＝c₀+b₁·T+b₂·T²表示岩石比热容，x表示x方向坐标、T_i表示岩石加热初始温度、T_R(t)表示岩石周向壁面温度、T(r,x,t)表示岩石样品某一位置某个时刻的温度。

在此步骤中，利用待求解变量R的猜测值，采用试样端面M个温度测点的N个时间点的测量温度T_n,m,mea和根据R的猜测求解正问题而得计算温度值T_n,m,cal(R)

接下来，在步骤(3)中，计算目标函数J(R)。

具体地，采用试样端面M个温度测点的N个时间点的测量温度T_n,m,mea和根据R的猜测值求解正问题而得计算温度值T_n,m,cal(R)，从而确定目标函数J(R)值。

在步骤(4)中，判断目标函数J(R)是否满足迭代终止条件。当目标函数J(R)值满足迭代终止条件时，其输入的猜测值则可确定为待反演向量R最终的求解值。

在本例中，判断J(R)＜ε，若满足，则将判断迭代收敛，停止迭代，将当前输入的变量R作为最终求解值，输出求解变量R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}。

若不满足，则采用共轭梯度法寻找目标函数J(R)达到最小值时的待反演向量。具体地，采用共轭梯度法确定搜索方向和搜索步长以确定新的待求解变量，并重新确定目标函数直到满足迭代终止条件，具体参见图3所示的步骤(5)～(9)。

接着，在步骤(5)中，计算与热导率和比热容相关的待求解参量的敏度系数方程，得到敏度系数▽T_n,m。

具体地，建立各个待求参量的敏度系数方程和定解条件，进行敏感度分析，求出各测点处温度对反演参数的偏导数，。

1、待求参量k₀敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

2、待求参量a敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

3、待求参量c₀敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

4、待求参量b₁敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

5、待求参量b₂敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

敏度系数即温度对反演变量的梯度

由上述的敏度方程(9)-(13)求解得到。

接下来，利用各敏度系数方程计算共轭系数、目标函数的梯度以及温度对待求解变量的梯度，并根据共轭系数、目标函数的梯度以及温度对待求解变量的梯度确定搜索方向和搜索步长，具体参见步骤(6)～(8)

在步骤(6)中，计算目标函数的梯度

▽J为目标函数的梯度，利用下式来计算：

在步骤(7)中，计算搜索方向d^b和共轭系数r^b。

确定搜索方向d^b为：d^b＝▽J(R^b)+r^bd^b-1 (15)

式中r^b共轭系数为：

式中，▽J为目标函数的梯度，

在步骤(8)中，计算搜索步长β^b。

确定搜索步长β^b为：

式中：温度对反演变量的梯度

由上述的敏度方程(9)-(13)求解得到。

在步骤(9)中，更新反演向量R^b+1＝R^b-β^bd^b。

根据搜索方向和搜索步长确定新产生反演向量R^b+1：

R^b+1＝R^b-β^bd^b (18)

最后，将新的反演向量R^b+1代入导热正问题中循环计算，直到目标函数满足迭代终止条件

示例

下面以某地区花岗岩岩心样品为例来说明各个步骤的具体实现过程。

步骤1：对野外采集的花岗岩岩心样品加工为规则的圆柱试样，直径25.4mm，长度50mm。将岩石试样表面打磨光滑平整，采用游标卡尺多次测量取平均值确定试样半径R和长度L，所述游标卡尺精度0.02mm。采用分析天平测量试样质量，精度0.1mg，根据试样尺寸和质量计算岩石密度2650kg/m³；

步骤2：将岩石试样侧面距离左端面15mm、25mm和35mm处沿轴向均匀布置3个T型热电偶，左右两个端面中心点处各布置1个温度测点，所用热电偶单根裸丝直径为0.127mm，经标定测温误差±0.15℃。热电偶丝线从夹持器内引出，试样和夹持器一同装入耐高温的氟橡胶套，放入油浴内并固定；

步骤3：关闭球阀，设定油浴加压泵压力，打开温度控制箱，环形加热带加热油浴，高温高压油浴中的岩心温度开始上升，开启数据采集，记录瞬态过程中岩石样品壁面各个温度测点随时间的变化。瞬态温度信号采集采用多功能精密电压/热电偶测量仪(AmetekEX1048A)，测量频率为200Hz，能够快速实现温度信号的高精度测量。

步骤4：瞬态加热过程结束后，保存数据。打开球阀，开启油路循环，冷却油浴，岩石温度降低，待岩石壁面温度在20min内变化不超过0.2℃，各温度测点温度一致相差不超过0.2℃，即认为冷却过程完成。调整油浴压力，重复上述步骤1-3，记录不同围压条件下瞬态加热过程岩心壁面温度变化。

步骤5：待实验工况结束后，建立圆柱岩石试样瞬态导热过程的能量控制方程和定解条件，即导热正问题：

步骤6：确定导热反问题的待求解变量和优化目标函数。

某一特定压力下干热岩样品热导率随温度的变化关系式，比热容与温度的关系采用二次多项式。

k＝k₀+a·T (02)

c＝c₀+b₁·T+b₂·T² (03)

该问题中待反演向量为R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}，采用试样端面M(M＝2)个温度测点的N个时间点的测量温度T_n,m,mea和根据R的猜测求解正问题而得计算温度值T_n,m,cal(R)，确定目标函数J(R)达到最小值时的待反演参数向量R：

步骤7：建立待求参量的敏度系数方程和边界条件，进行敏感度分析，求出各测点处温度对待反演参数的导数。

待求参量k₀敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

待求参量a敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

待求参量c₀敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

待求参量b₁敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

待求参量b₂敏度系数方程的控制方程和定解条件如下：

步骤8：采用共轭梯度法寻找目标函数J(R)达到最小值时的待反演参数向量R。

确定搜索方向d^b为：d^b＝▽J(R^b)+r^bd^b-1 (010)

式中r^b共轭系数为：

式中▽J为目标函数的梯度

确定搜索步长β^b为：

式中温度对反演变量的梯度

由上述的敏度方程(05)-(09)求解得到。

根据搜索方向和搜索步长确定新产生反演向量R^b+1，代入导热正问题中循环计算，直到目标函数满足迭代终止条件

R^b+1＝R^b-β^bd^b (014)

采用本发明实施例提出的岩石热导率和比热容测试与数据处理方法，得到常压环境下的热物性参数反演结果热导率k＝2.50-0.0009·T和比热容c＝777.72+1.61·T-0.0012·T²，此结果与激光导热仪和差示扫描量热仪的常压测试结果一致。

本发明公开了一种基于一定围压环境下岩石瞬态加热过程测试系统的岩石热导率和比热容随温度动态变化的同时反演方法，实现了快速准确地测量岩石热物性参数随温度和压力的变化。通过测量一定围压作用下干热岩瞬态加热实验过程中岩石壁面温度变化，利用建立的多参量反演模型，即可同时获得一定围压条件下岩石样品的热导率和比热容随温度的变化。调整围压，重复实验，即可获得不同围压条件下岩石的热物性参数。由于该发明中的实验系统和方法实现干热岩热导率和比热容的快速同时测量，因此大大减少了实验测试工作量，缩短了稳态加热实验耗时，反演结果准确可靠，可操作性强。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统，该系统包括：

多个测温部件；

保温加压装置，其内流通有加压加热介质，且内置有与所述加压加热介质隔离的岩石试样，通过所述加压加热介质向所述岩石试样施加设定围压并对其进行加热，所述岩石试样配置有多个测温部件；

加热控制装置，其与所述保温加压装置连接，设定温度并对所述保温加压装置加热；

施压装置，其与所述保温加压装置连通，设定压力对所述保温加压装置加压；

数据采集装置，其与所述多个测温部件连接，记录瞬态过程中岩石试样的表面温度随时间的变化；

冷却装置，其在岩石试样的测量温度达到所述设定温度时，与所述保温加压装置连通，对所述岩石样品进行冷却；

循环通路，其将所述保温加压装置、施压装置和冷却装置连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述保温加压装置为由保温材料和加热元件构成的容器；所述加压加热介质为导热油。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述施压装置包括加压加热介质补充容器和与该加压加热介质补充容器经循环通路连接的加压控制装置。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，

该系统还包括夹持器，其将所述岩石试样夹持并固定在保温加压装置中；以及耐高温胶套，其装入夹持有岩石试样的夹持器；

所述测温部件包括T型热电偶，其从所述夹持器内引出与所述数据采集装置连接。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，

所述冷却装置包括开关阀、与所述开关阀经循环通路连通的换热器和冷水浴。

6.一种高温高压下岩石热物性瞬态测试方法，该方法包括：

利用如权利要求1～5中任一项所述的测试系统对岩石试样进行测试，记录不同围压条件下瞬态加热过程中岩石表面温度随时间的变化；

选取初始的待求解变量，该变量包括与热导率和比热容相关的待求解参量；

利用记录的测量温度和由初始的待求解变量得到的温度值确定目标函数值；

判断所述目标函数值是否满足迭代终止条件，若满足，则将选取的迭代求解变量作为最终求解值，得到表征岩石热物性的热导率和比热容，否则，确定搜索方向和搜索步长以确定新的待求解变量，并重新确定目标函数直到满足迭代终止条件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用如下表达式计算所述目标函数值，

其中，J(R)表示目标函数，T_n,m,mea表示岩石试样表面M个温度测点的N个时间点的测量温度，T_n,m,cal(R)表示利用待求解变量R的猜测值求解导热正问题而计算得到的温度值，R＝{k₀,c₀,a,b₁,b₂}，其中，k₀和a表示与热导率相关的待求解参量，c₀、b₁和b₂表示与热比容相关的待求解参量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述导热正问题为如下表达式所示，

其中，初始条件：

将岩石试样外壁面选取温度测量值作为第一类边界条件：

岩石试样端面绝热边界条件：

岩石试样中心轴线处：

其中，ρ表示岩石密度，T表示温度，t表示时间，L表示岩石试样为圆柱体的高度，r表示圆柱岩石样品半径，k(T)＝k₀+a·T表示岩石热导率、c(T)＝c₀+b₁·T+b₂·T²表示岩石比热容，x表示x方向坐标、T_i表示岩石加热初始温度、T_R(t)表示岩石周向壁面温度、T(r,x,t)表示岩石样品某一位置某个时刻的温度。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的方法，其特征在于，通过如下步骤确定搜索方向和搜索步长，

计算与热导率和比热容相关的待求解参量的敏度系数方程；

利用各敏度系数方程计算共轭系数、目标函数的梯度以及温度对待求解变量的梯度；

根据所述共轭系数、目标函数的梯度以及温度对待求解变量的梯度确定搜索方向和搜索步长。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过如下表示确定新的待求解变量，R^b+1＝R^b-β^bd^b

其中，R^b+1表示第b+1步确定的待求解变量，R^b表示第b步确定的待求解变量，β^b表示搜索步长，d^b表示搜索方向；

式中，r^b表示共轭系数：

式中，

表示目标函数的梯度：

式中，M表示温度测点数目，N表示瞬态测试时间点数目、b表示迭代步数，T_n,m,cal(R^b)表示温度测点的反演计算温度、T_n,m,mea表示测点温度测量值、r₁,r₂,r₃,r₄,r₅分别为待求解变量k₀,c₀,a,b₁,b₂，温度对待求解变量的梯度

分别是温度对变量k₀、a、c₀、b₁和b₂的梯度，由各敏度方程求解获得。

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