CN112903740A - 一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，包括计算机控制系统、电阻应变仪和高压实验筒；计算机控制系统分别与围压控制系统、轴向压力控制系统、温度控制系统相连接，电阻应变仪与耐温电阻应变片相连接，高压实验筒顶部与围压控制系统相连通，底部设置有液压系统，液压系统与轴向压力控制系统相连接，顶端设置有载物台，高压实验筒内部设置有用于加热试样的硅胶加热片、用于保温的保温隔热层和用于固定试样的施压块，保温隔热层和施压块外侧缠绕有热缩管。本发明还提供了一种测量围压下岩石热膨胀系数的方法，实现了对地层中岩石真实应力状态的模拟，提高了测量精度，为准确获取深部高应力地层岩石的热应力提供了依据。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，具体涉及一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置及方法。
背景技术
深部油气开采已成为石油工业最重要的发展领域之一，深部油气开采中钻遇地层温度一般在120℃以上，该地层条件下岩石的热应力已无法忽略，而热膨胀系数是衡量岩石热力学的重要指标。
国内学者针对岩石热膨胀系数的测量进行了相关研究，专利CN103868947A公开了一种0-60℃岩石线性热膨胀系数的测量方法和测量装置，借助恒温水域循环控制装置、阶梯级变温水域槽等装置，实现了对0-60℃条件下岩石热膨胀系数的测量，但是该方法缺乏持续升温装置，适用温度范围较窄，无法满足深部油气开采的需要。专利CN104897717A公开了一种室内岩样轴向与径向热膨胀系数测试装置，采用高精度百分表、内置式加热丝等装置，实现了对岩石轴向和径向热膨胀系数的测量，但是该装置无法施加外载，不能实现地应力状态下岩石热膨胀系数的测量。专利CN104749210A公开了一种利用压力试验机测量岩石热膨胀系数的装置，该装置采用硅胶加热片进行加热，通过测量不同温度下热应力引起的轴向载荷变化间接获取岩石的热膨胀系数，该装置无法实现地应力条件下岩石热膨胀系数的测量，并且由于温度变化引起的热应力相对较小，使得该装置的测量误差较大。专利CN103235002A公开了一种室内岩样热膨胀系数测量装置，该装置采用内置油加热，利用应变片测量岩石加热后的热膨胀系数，但是利用该装置测量过程中升降温速率较慢，影响岩样的测量效率，并且由于内置油的压缩性，该装置无法实现对同一围压不同温度条件下岩石变形的测量。
因此，针对上述问题，亟需对地层中岩石的真实应力状态进行模拟，提出一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，满足深部地层热应力的分析要求，实现对不同外载条件下岩石热膨胀系数的测量。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置及方法，实现了对地层中岩石真实应力状态的模拟以及不同外载条件下岩石热膨胀系数的测量，结构简单，使用方便，为准确获取深部高应力地层岩石的热应力提供了依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，包括计算机控制系统、电阻应变仪和高压实验筒；
所述计算机控制系统分别与设置于高压实验筒外部的围压控制系统、轴向压力控制系统、温度控制系统相连接；
所述电阻应变仪设置于高压实验筒外部，与筒体内部用于测量试样轴向和径向应变的耐温电阻应变片相连接；
所述高压实验筒顶部通过输油管道与围压控制系统相连通，筒体底部设置有液压系统，液压系统底端与轴向压力控制系统相连接，顶端设置有用于放置试样的载物台，高压实验筒内部设置有硅胶加热片、保温隔热层、上施压块和下施压块，硅胶加热片用于对试样进行加热，保温隔热层用于对试样进行保温，上施压块和下施压块用于将试样固定于载物台上，上施压块和下施压块底端均设置有用于保温的保温隔热垫，上施压块、保温隔热层和下施压块外侧均缠绕有热缩管。
优选地，所述围压控制系统内设置有耐高温液体。
优选地，所述耐高温液体为液压油。
优选地，所述计算机控制系统分别与围压控制系统、轴向压力控制系统、温度控制系统通过数据线相连接，耐温电阻应变片与电阻应变仪通过数据线相连接，硅胶加热片通过导线与温度控制系统相连接。
一种测量围压下岩石热膨胀系数的方法，采用如上所述的装置，具体包括如下步骤：
步骤1，利用测量地层的岩石样品制作试样，将耐温电阻应变片紧贴于试样表面，保温隔热层内壁与试样表面相紧贴，外壁缠绕有热缩管，试样两端与保温隔热垫相紧贴，通过上施压块和下施压块夹持固定于载物台上，开启电阻应变仪；
步骤2，设置试样的围压值Pi，开启围压控制系统，利用计算机控制系统控制围压控制系统释放耐高温液体，耐高温液体经输油管道流入高压实验筒内，向试样施加围压，当试样的围压达到设定的围压值Pi时，围压控制系统停止向试样施加围压，并保持试样所受的围压值不变；
步骤3，开启温度控制系统，测量试样温度T1，利用电阻应变仪记录此时试样的轴向应变值εi和径向应变值ψi，设定试样的加热温度值T2，利用计算机控制系统控制硅胶加热片对试样进行加热，直至试样达到设定的加热温度值T2，停止加热并保持试样温度不变，利用电阻应变仪记录此时试样的轴向应变值εi′和径向应变值ψi′后，关闭温度控制系统；
步骤4，计算试样的轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数，轴向热膨胀系数计算公式为：
αi＝(εi′-εi)/(T2-T1) (1)
式中，αi表示试样的轴向热膨胀系数，单位为10-6/℃；εi′和εi无量纲；
径向热膨胀系数计算公式为：
φi＝(ψi′-ψi)/(T2-T1) (2)
式中，φi表示试样的径向热膨胀系数，单位为10-6/℃；ψi′和ψi无量纲；
步骤5，调节围压控制系统9，改变试样的围压值Pi，重复步骤2至步骤4，得到不同围压下试样轴向应变值和径向应变值，确定不同围压下试样轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数随温度的变化；
步骤6，利用输油管道排出高压实验筒内的耐高温液体，从高压实验筒内取出试样，结束实验。
优选地，所述步骤2中保持试样所受的围压值不变后，可开启轴向压力控制系统，设定向试样施加的轴压值，通过计算机控制系统控制轴向压力控制系统，利用液压系统向试样施加轴压，当试样所受轴压达到设定值时，轴向压力控制系统停止向试样施加轴压，并保持试样所受的轴压值不变。
优选地，所述试样尺寸可根据需要进行调节。
本发明所带来的有益技术效果：
1、本发明提出了一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，该装置能够准确模拟岩石在地层中的真实应力状态，测量不同外载条件下岩石的热膨胀系数，为准确获取深部高应力地层岩石的热应力提供了依据。
2、本发明利用温度控制装置控制硅胶加热片对试样进行加热，通过在硅胶加热片外侧包裹保温隔热层，使得试样最高可升温至250℃，更加符合深部地层热应力分析的要求，同时，本发明通过设置围压控制系统、轴向压力控制系统和温度控制系统，实现了压力和温度的单独控制，准确控制温度的同时避免了围压变化对试样温度的干扰，提高了测量结果的准确度。
附图说明
图1为本发明岩石热膨胀系数测量装置示意图。
图2为本发明高压实验筒内部结构示意图。
图中，1、计算机控制系统，2、第三数据传输线，3、第一数据传输线，4、轴向压力控制系统，5、第二数据传输线，6、载物台，7、液压系统，8、高压实验筒，9、围压控制系统，10、输油管道，11、第四数据传输线，12、电阻应变仪，13、上施压块，14、耐温电阻应变片，15、下施压块，16、导线，17、温度控制系统，18、第五数据传输线，19、保温隔热层，20、硅胶加热片，21、保温隔热垫，22、试样，23、热缩管。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，如图1所示，包括计算机控制系统1、电阻应变仪12和高压实验筒8。
所述计算机控制系统1分别与设置于高压实验筒8外部的围压控制系统9、轴向压力控制系统4、温度控制系统17相连接，其中，围压控制系统9内储存有耐高温的液压油，用于向试样22施加围压，通过第三数据传输线2与计算机控制系统1相连接；轴向压力控制系统4用于向试样22施加轴压，通过第一数据传输线与计算机控制系统1相连接；温度控制系统17用于控制硅胶加热片20对试样进行加热，计算机控制系统1通过第五数据传输线18与温度控制系统17相连接，实时监测试样22的温度。
所述电阻应变仪12设置于高压实验筒8外部，通过第四数据传输线11与设置于筒体内部的耐温电阻应变片14相连接，耐温电阻应变片14紧贴于试样22表面，用于测量试样22的轴向应变和径向应变，并实时将测量的轴向应变和径向应变发送至电阻应变仪12中保存记录。
所述高压实验筒8顶部通过输油管道10与围压控制系统9相连通，围压控制系统9内储藏的液压油经输油管道10注入高压实验筒8内，向试样22施加围压，同时，高压实验筒8内的液压油也可经输油管道10流回围压控制系统9，回收后再利用；高压实验筒8内部结构如图2所示，高压实验筒8底部设置有液压系统7，液压系统7底端通过第二数据传输线5与轴向压力控制系统4相连接，轴向压力控制系统4用于控制液压系统7向试样22施加轴压值，液压系统7顶端设置有载物台6，载物台6用于放置试样22，高压实验筒8内部设置有硅胶加热片20、保温隔热层19、上施压块13和下施压块15，硅胶加热片20用于对试样22进行加热，通过导线16与温度控制系统17相连接，硅胶加热片20内侧紧贴于试样22表面，外侧紧贴于保温隔热层19内壁，保温隔热层19用于对试样进行保温，与试样22两端相紧贴，上施压块13和下施压块15用于将试样固定于载物台6上，上施压块13和下施压块15底端均设置有用于保温的保温隔热垫21，保温隔热垫21和保温隔热层19均用于保证试样22的温度不受压力影响，上施压块13、保温隔热层19和下施压块15外侧均缠绕有热缩管23，热缩管23避免了试样22被液压油所侵蚀。
实施例1
本实施例以圆柱体试样为例，说明本发明提出的一种测量围压下岩石热膨胀系数的方法，采用上述岩石热膨胀系数测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1，利用测量地层的岩石样品制作试样22，将耐温电阻应变片14紧贴于试样22表面，保温隔热层19内壁与试样22表面相紧贴，外壁缠绕有热缩管23，试样22两端与保温隔热垫21相紧贴，通过上施压块13和下施压块15夹持固定于载物台上，开启电阻应变仪12。
步骤2，设置试样的围压值Pi，开启围压控制系统9，利用计算机控制系统1控制围压控制系统9释放液压油，液压油经输油管道10流入高压实验筒8内，向试样施加围压，当试样的围压达到设定的围压值Pi时，围压控制系统9停止向试样施加围压，并保持试样所受的围压值不变，其中，i表示实验编号。
步骤3，开启温度控制系统17，测量试样温度T1，利用电阻应变仪12记录此时试样的轴向应变值εi和径向应变值ψi，设定试样的加热温度值T2，利用计算机控制系统1控制硅胶加热片20对试样进行加热，直至试样达到设定的加热温度值T2，停止加热并保持试样温度不变，利用电阻应变仪12记录此时试样的轴向应变值εi′和径向应变值ψi′后，关闭温度控制系统17。
步骤4，利用公式(1)计算试样的轴向热膨胀系数，再利用公式(2)计算试样的径向热膨胀系数。
步骤5，调节围压控制系统9，改变试样的围压值Pi，重复步骤2至步骤4，得到不同围压下试样轴向应变值和径向应变值，确定不同围压下试样轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数随温度的变化。
步骤6，利用输油管道10将高压实验筒8内的液压油排出至围压控制系统9回收，打开高压实验筒8将试样22从载物台6内取出，结束实验。
实施例2
本实施例采用本发明岩石膨胀系数测量装置，对围压条件下试样的岩石热膨胀系数进行测量，具体包括如下步骤：
步骤1，利用测量地层的岩石样品制作圆柱体试样22，将耐温电阻应变片14紧贴于试样表面，保温隔热层19内壁与试样表面相紧贴，外壁缠绕有热缩管23，试样两端与保温隔热垫21相紧贴，通过上施压块13和下施压块15夹持固定于载物台上，开启电阻应变仪12。
步骤2，设置试样的围压值Pi，开启围压控制系统9，利用计算机控制系统1控制围压控制系统9释放液压油，液压油经输油管道10流入高压实验筒8内，向试样施加围压，当试样的围压达到设定的围压值Pi时，围压控制系统9停止向试样施加围压，并保持试样所受的围压值不变；
保持试样所受的围压值稳定后，开启轴向压力控制系统4，设定向试样施加的轴压值，通过计算机控制系统1控制轴向压力控制系统4，利用液压系统7向试样施加轴压，当试样所受轴压达到设定值时，轴向压力控制系统4停止向试样施加轴压，并保持试样所受的轴压值不变。
步骤3，开启温度控制系统17，测量试样温度T1，利用电阻应变仪12记录此时试样的轴向应变值εi和径向应变值ψi，设定试样的加热温度值T2，利用计算机控制系统1控制硅胶加热片20对试样进行加热，直至试样达到设定的加热温度值T2，停止加热并保持试样温度不变，利用电阻应变仪12记录此时试样的轴向应变值εi′和径向应变值ψi′后，关闭温度控制系统17。
步骤4，利用公式(1)计算试样的轴向热膨胀系数，再利用公式(2)计算试样的径向热膨胀系数。
步骤5，调节围压控制系统9，改变试样的围压值Pi，重复步骤2至步骤4，得到不同围压下试样轴向应变值和径向应变值，确定不同围压下试样轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数随温度的变化。
步骤6，利用输油管道10将高压实验筒8内的液压油排出至围压控制系统9回收，打开高压实验筒8将试样22从载物台6内取出，结束实验。
本发明实现了对岩石在地层中真实应力状态的模拟，通过测量不同外载条件下岩石试样的热膨胀系数，准确获取岩石所受围压对岩石热膨胀系数的影响，为准确获取深部高应力地层岩石的热应力提供了依据。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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 (7)
1.一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，包括计算机控制系统(1)、电阻应变仪(12)和高压实验筒(8)；
所述计算机控制系统(1)分别与设置于高压实验筒(8)外部的围压控制系统(9)、轴向压力控制系统(4)、温度控制系统(17)相连接；
所述电阻应变仪(12)设置于高压实验筒(8)外部，与筒体内部用于测量试样轴向和径向应变的耐温电阻应变片(14)相连接；
所述高压实验筒(8)顶部通过输油管道(10)与围压控制系统(9)相连通，筒体底部设置有液压系统(7)，液压系统(7)底端与轴向压力控制系统(4)相连接，顶端设置有用于放置试样的载物台(6)，高压实验筒(8)内部设置有硅胶加热片(20)、保温隔热层(19)、上施压块(13)和下施压块(15)，硅胶加热片(20)用于对试样进行加热，保温隔热层(19)用于对试样进行保温，上施压块(13)和下施压块(15)用于将试样固定于载物台(6)上，上施压块(13)和下施压块(15)底端均设置有用于保温的保温隔热垫(21)，上施压块(13)、保温隔热层(19)和下施压块(15)外侧均缠绕有热缩管(23)。
2.根据权利要求1所述的一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述围压控制系统(9)内设置有耐高温液体。
3.根据权利要求2所述的一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述耐高温液体为液压油。
4.根据权利要求1所述的一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述计算机控制系统(1)分别与围压控制系统(9)、轴向压力控制系统(4)、温度控制系统(17)通过数据线相连接，耐温电阻应变片(14)与电阻应变仪(12)通过数据线相连接，硅胶加热片(20)通过导线(16)与温度控制系统(17)相连接。
5.一种测量围压下岩石热膨胀系数的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的装置，具体包括如下步骤：
步骤1，利用测量地层的岩石样品制作试样(22)，将耐温电阻应变片(14)紧贴于试样(22)表面，保温隔热层(19)内壁与试样(22)表面相紧贴，外壁缠绕有热缩管(23)，试样两端与保温隔热垫(21)相紧贴，通过上施压块(13)和下施压块(15)夹持固定于载物台上，开启电阻应变仪(12)；
步骤2，设置试样的围压值Pi，开启围压控制系统(9)，利用计算机控制系统(1)控制围压控制系统(9)释放耐高温液体，耐高温液体经输油管道(10)流入高压实验筒(8)内，向试样(22)施加围压，当试样(22)的围压达到设定的围压值Pi时，围压控制系统(9)停止向试样(22)施加围压，并保持试样(22)所受的围压值不变；
步骤3，开启温度控制系统(17)，测量试样温度T1，利用电阻应变仪(12)记录此时试样的轴向应变值εi和径向应变值ψi，设定试样的加热温度值T2，利用计算机控制系统(1)控制硅胶加热片(20)对试样(22)进行加热，直至试样(22)达到设定的加热温度值T2，停止加热并保持试样温度不变，利用电阻应变仪(12)记录此时试样的轴向应变值εi′和径向应变值ψi′后，关闭温度控制系统(17)；
步骤4，计算试样的轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数，轴向热膨胀系数计算公式为：
αi＝(εi′-εi)/(T2-T1) (1)
式中，αi表示试样的轴向热膨胀系数，单位为10-6/℃；εi′和εi无量纲；
径向热膨胀系数计算公式为：
φi＝(ψi′-ψi)/(T2-T1) (2)
式中，φi表示试样的径向热膨胀系数，单位为10-6/℃；ψi′和ψi无量纲；
步骤5，调节围压控制系统(9)，改变试样的围压值Pi，重复步骤2至步骤4，得到不同围压下试样轴向应变值和径向应变值，确定不同围压下试样轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数随温度的变化；
步骤6，利用输油管道(10)排出高压实验筒(8)内的耐高温液体，从高压实验筒(8)内取出试样(22)，结束实验。
6.根据权利要求1所述的一种测量围压下岩石热膨胀系数的方法，其特征在于，所述步骤2中保持试样(22)所受的围压值不变后，可开启轴向压力控制系统(4)，设定向试样(22)施加的轴压值，通过计算机控制系统(1)控制轴向压力控制系统(4)，利用液压系统(7)向试样(22)施加轴压，当试样(22)所受轴压达到设定值时，轴向压力控制系统(4)停止向试样(22)施加轴压，并保持试样(22)所受的轴压值不变。
7.根据权利要求1所述的一种测量围压下岩石热膨胀系数的方法，其特征在于，所述试样(22)尺寸可根据需要进行调节。
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| CN202110085264.1A Pending CN112903740A (zh) | 2021-01-22 | 2021-01-22 | 一种测量围压下岩石热膨胀系数的装置及方法 |
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2021
- 2021-01-22 CN CN202110085264.1A patent/CN112903740A/zh active Pending
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