CN112924300A - 深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土和地下工程、石油工程领域，具体地，涉及一种深层超深层岩石高温‑渗流‑应力‑化学耦合试验系统。主要包括超高温调控系统、高温高压加载系统、渗流‑化学配套模块、数据采集系统以及一个适应多场耦合试验的多功能高强度合金底座。本发明试验系统含两个围压室：高温三轴围压室和采用镍基合金制成的超高温三轴围压室，根据试验温度要求选择适合的围压室，并通过超高温三轴围压室的发明提供了一种岩石体积应变的测量方法。本发明试验系统达到高围压210MPa、高渗压150MPa，高温度400℃，对揭示深层超深层岩石力学性质在温度场、渗流场、应力场、化学场之间相互影响作用下的规律提供了技术支持，克服了以往多场耦合试验难以实现高温条件的缺陷。

Description

深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统

技术领域

本发明涉及岩土和地下工程、石油工程领域，特别地涉及一种深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统。

背景技术

近年来，随着世界经济的迅速发展，资源开发逐渐走向地球深部。国际上相对认可的深层标准是埋深大于4500m以上。目前煤炭开采深度达到1500m，地热开采深度超过3000m，金属矿开采超过4500m，油气藏开采深度达到7000m。据全球428个深层油气藏温度数据显示，油气藏最高温度达到200℃以上，最高压力达到200MPa。

然而，世界范围内岩石力学实践远超前于力学基础理论研究，普遍存在着盲目性和不确定性，在地下资源开采或开挖过程中往往伴随着大量工程灾害，难以预测和有效防治。经典力学难以描述深层超深层岩石的本构行为，尤其基于深部地层高温度、高渗透压、高地应力环境特征下，深部地层岩石的流变和塑性失稳与普通条件下有巨大差别。传统岩石力学认为材料参数是常数，而实际上并非常数。在深部岩石力学研究中发现，即使同一种岩石，随着赋予深度的变化，其组分、密度、模量等都是变化的。因此深层岩石力学特性以及深层热流固耦合等方面是亟需解决的关键前沿力学问题。

岩石力学新设备和新方法不断研发，单轴、双轴、三轴力学试验愈发普及，并逐渐在试验过程中考虑了加载路径、水、温度等影响。然而，现有的力学试验机大都基于中浅层岩石力学特性研究，没有考虑深层超深层环境下具有的“三高”特性，尤其现有试验仪器在温度达到200℃以上时，面临着无法精准测量试验数据及仪器管线、橡胶套等设备失效的问题。因此深层超深层岩石变形特性试验研究成果并不丰富，少量成果仍基于常规试验技术，直接限制了深层超深层多场耦合作用下岩石力学性质的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，包括超高温调控系统、高温高压加载系统、渗流-化学配套模块、数据采集系统以及一个适应多场耦合试验的多功能高强度合金底座。超高温调控系统包括超高温三轴围压室、铝合金加载套、温度控制调节器；高温高压加载系统包括加载框架、液压伺服系统、高温三轴围压室；渗流-化学配套模块包括耐腐的孔压加载泵、耐腐的背压加载泵、精密电子天平；数据采集系统包括水下试验荷载传感器、岩石变形引伸计、压力传感器、荷载传感器、数据采集设备，数据采集设备将数据发送给计算机，计算机使用软件工具读取、分析和记录数据。

超高温调控系统其特征在于，所述超高温三轴围压室采用镍基合金构成，最大安全承压210MPa，耐温400℃，通过含磁致位移传感器和压力传感器全闭环控制的围压伺服增压泵增压。待试验稳定后可由超高温三轴围压室内的筒体围压液排除的体积确定岩样体积应变，进而推测试验过程中岩石的侧向应变；试样用铝合金加载套包裹，由加热炉和保温套加热，配合快速充液和循环装置加热围压液，使试样均匀加温受热，解决加热温度断层和常规橡胶套在超高温失效的问题，其保温隔热材料采用保温性能好的硅酸铝填充材料，并使外露部件温度控制在30℃以下；所述温度控制调节器与计算机相连，加热最高温度400℃。

高温高压加载系统其特征在于：所述加载框架刚度由立柱、上下顶板、液压油缸串联而成；所述液压伺服系统对岩样进行轴压、围压加载，自动化对液压系统进行控制和监测，可设置恒定加载速率，实现定位移、定荷载、定应力加载测试；所述高温三轴围压室自带提升和扶正导向机构，卸去围压后可自动升降，采用自锁结构，下端连接不受围压影响；加热采用两步措施：外部铺热与内部加热。外部使用柔性高温隔热的保温套进行辅热，施加温度由室温～100℃，隔热起安全保护和减少围压室吸热作用；内置加热棒，加热温度由室温～200℃。高温三轴围压室内安置有水下载荷称重传感器，耐压210MPa，耐温200℃，耐腐蚀，可直接测试施加在岩样上的轴向荷载。

渗流-化学配套模块其特征在于，所述孔压加载泵和背压加载泵采用恒速恒压泵，最高压力达150MPa，能够长时间连续不断提供高精度的速度恒定、压力恒定流体；孔压加载泵施加液体压力于岩样的上游，流体渗透通过岩石孔隙、裂隙从下游流出，由背压加载泵控制接收并监测流量；采用氧化锆陶瓷柱塞，具有极高耐磨损、抗腐蚀、抗冲击特点，并且柱塞与泵体间的密封为弹簧蓄能密封圈，弹性系数小，耐腐耐温，且在围压室内部镀镍，以避免注入化学溶液造成腐蚀性损害，研究不同化学溶剂下岩石力学性质的改变；所述精密电子天平采集排除液体体积。

数据采集系统其特征在于，所述岩石变形引伸计分为轴向引伸计和径向引伸计；其轴向变形传感器装置夹在岩样上，并且采用2个LVDT式传感器取平均值提高轴向测量精度，避免试样由于无法绝对平行和无法有光滑平面端部引起的误差；其径向引伸计使用弹簧安装，采用链条式结构，夹持在试样上进行测量整个圆周变化；所述磁致伸缩位移传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰特点，安装在活塞杆中。所述以上传感器与数据采集设备相连，数据采集设备将数据发送给计算机，计算机使用软件工具读取、分析和记录数据。

所述多功能高强度合金底座在平台可自由拖动，包含轴压注入口、围压注入口、孔压液接口、孔压液入口、内温监测接口、位移传感器接口、测压接口、声波引出器、声波接受引出器、声发射引出器、声发射引出器接口及预备接口，配合本发明实现多场耦合试验，并进行声速测试、电阻率测试和声发射试验等。

本试验系统可支持的试样尺寸包括：三轴压缩试验的φ50mm×(50-150)mm、φ25mm×(50-150)mm试样；单轴压缩试验的100mm×100mm×(100-200)mm试样。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本试验系统满足岩石单轴压缩、三轴压缩、分级蠕变、应力松弛等试验要求和岩石温度-渗流-应力-化学多场耦合试验。

2、本试验系统能良好模拟深层超深层环境下岩石所处的“三高”环境，最大轴向力1500kN，最高温度400℃，最大围压210MPa，最大渗压150MPa。

3、本试验系统围压室分为高温三轴围压室和超高温三轴围压室，根据不同试验温度采用合适的围压室，其超高温三轴围压室采用镍基合金材料制成，耐腐耐高温，可进行400℃高温试验，克服了以往多场耦合试验难以实现高温条件的缺陷。

4、本试验系统中超高温三轴围压室的设计提供了一种可靠的岩石体积应变测试方法，通过围压室内筒体中围压液的排除体积确定岩石的体应变，进而确定岩石的侧向应变。

附图说明

图1：深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统结构图。

图2：深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统三维图。

图3：超高温三轴围压室内部结构示意图。

图中：1.液压油缸，2.磁致伸缩位移传感器，3.加载框架，4.竖向导轨，5.高温三轴围压室，6.超高温三轴围压室，7.水平导轨，8.铝合金加载套，9.试样，10.垫块，11.引伸计，12.多功能高强度合金底座，13.围压增压缸，14.轴压增压缸，15.渗流-化学配套模块，16.精密电子秤，17.控制主机，18.液压伺服系统，19.保温套，20.平衡螺钉，21.拉紧螺钉，22.楔形填料，23.楔形钢圈，24.上岩心塞，25.加热炉，26.铝合金加载套或退火紫铜，27.筒体，28.下法兰，29.下岩心塞，30.轴向加载连接法兰，31.内填圈，32.入口管线，33.出口管线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，包括1.液压油缸，2.磁致伸缩位移传感器，3.加载框架，4.竖向导轨，5.高温三轴围压室，6.超高温三轴围压室，7.水平导轨，8.铝合金加载套，9.试样，10.垫块，11.引伸计，12.多功能高强度合金底座，13.围压增压缸，14.轴压增压缸，15.渗流-化学配套模块，16.精密电子秤及液体收集器，17.控制主机，18.液压伺服系统。

所述加载框架3上部是液压油缸1，液压油缸1内部含磁致伸缩位移传感器2，下部是通过竖向导轨4可升降的高温三轴围压室5，在做超高温试验时，升起高温三轴围压室5，通过水平导轨7将超高温三轴围压室6移动到由铝合金加载套8包裹的试样9外部，将轴向引伸计和径向引伸计11直接夹在试样9上测量应变，在试样9下是φ100×50mm高硬度垫块10和多功能高强度合金底座12。轴压增压缸14、围压增压缸13和液压伺服系统对试样9进行轴压、围压加载。渗流-化学配套模块15连通高温三轴围压室5、超高温三轴围压室6和控制主机17进行孔压加载，通过控制主机17进行温度调节和数据读取。精密电子秤及液体收集器16采集围压液，通过围压液的排除确定试样的体积应变，进而推测试验过程中岩石的侧向应变。

体积应变为：

推导的侧向应变为：

其中：ε₁、ε₃、ε_V分别为岩石的轴向应变、侧向应变、体积应变；V为试验前岩石的体积；ΔV_P1、ΔV_P2分别为孔压加载泵和背压加载泵流量的变化量，下游流向上游为负，上游流向下游为正。

如图3所示，超高温三轴围压室，包括9.试样，19.保温套，20.平衡螺钉，21.拉紧螺钉，22.楔形填料，23.楔形钢圈，24.上岩心塞，25.加热炉，26.铝套或退火紫铜，27.筒体，28.下法兰，29.下岩心塞，30.轴向加载连接法兰，31.内填圈，32.入口管线，33.出口管线。

上岩心塞24和下岩心塞29分别位于试样9上、下方，并分别贯穿有入口管线32和出口管线33，试样9周围是铝合金加载套或退火紫铜26。上岩心塞24和下岩心塞29周围设有楔形填料22、楔形钢圈23，内填圈31包裹于铝合金加载套26外侧。筒体27紧贴于上述整体。加热炉25上部与拉紧螺钉21和保温套19相连，其下部与下法兰28和轴向加载连接法兰30连接，上述整体和保温套19相接。

采用深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统进行试验时，根据试验温度选择适合的三轴围压室，当试验温度小于200℃时选用高温三轴围压室，当试验温度大于200℃时选用超高温三轴围压室，步骤如下：

1)当试验温度小于200℃时，具体试验步骤如下：

<1>将制备好的岩石试样9居中固定于垫块10上，并安装引伸计11；

<2>将超高温三轴围压室6调整至加载框架3侧面位置并固定；

<3>将高温三轴围压室5由加载框架3内的竖直导轨7下降调整至合适高度，连接相应管线和传感器，并通过液压伺服系统18施加试验所需围压并保持稳定；

<4>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，配合渗流模块15对试样9施加试验所需渗压并保持恒定；

<5>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，连接控制主机17对试样9加热温度至试验所需并保持稳定；

<6>保持围压、温度、渗压恒定，通过液压伺服系统18使用液压缸1对试样9施加轴压，实时通过控制主机17监测数据，进行数据分析；

2)当试验温度大于200℃时，具体试验步骤如下：

<1>将制备好的岩石试样9居中固定于垫块10上，并安装引伸计11；

<2>将高温三轴围压室5调整至加载框架3内的上部；

<3>将超高温三轴围压室6调整至加载框架3内的中心位置，连接相应管线和传感器，并通过液压伺服系统18施加试验所需围压并保持稳定；

<4>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，配合渗流模块15对试样9施加试验所需渗压并保持恒定；

<5>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，连接控制主机17对试样9加热温度至试验所需并保持稳定；

<6>保持围压、温度、渗压恒定，通过液压伺服系统18使用液压油缸1对试样9施加轴压，实时通过控制主机17监测数据，进行数据分析。

Claims (8)

1.一种深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，包括超高温调控系统、高温高压加载系统、渗流-化学配套模块、数据采集系统以及一个适应多场耦合试验的多功能高强度合金底座；

所述超高温调控系统包括超高温三轴围压室、铝合金加载套、温度控制调节器；所述高温高压加载系统包括加载框架、液压伺服系统、高温三轴围压室；所述渗流-化学配套模块包括耐腐的孔压加载泵、耐腐的背压加载泵、精密电子天平；所述数据采集系统包括水下试验荷载传感器、岩石变形引伸计、压力传感器、荷载传感器、数据采集设备；

根据试验温度要求选择适合的三轴围压室，当试验温度小于200℃时选用高温三轴围压室，当试验温度大于200℃时选用超高温三轴围压室。

2.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，所述超高温三轴围压室采用镍基合金构成，最大安全承压210MPa，耐温400℃；其内部构成：上岩心塞和下岩心塞分别位于试样上、下方，并分别贯穿有入口管线和出口管线，试样周围是铝合金加载套或退火紫铜；上岩心塞和下岩心塞周围设有楔形填料、楔形钢圈，内填圈包裹于铝合金加载套外侧；筒体紧贴于上述整体；加热炉上部与拉紧螺钉和保温套相连，其下部与下法兰和轴向加载连接法兰连接，上述整体和保温套相接；待试验稳定后，由筒体中围压液排除的体积确定岩石体积应变，进而推测试验过程中岩石的侧向应变；

所述超高温三轴围压室由加热炉和保温套加热，配合快速充液和循环装置加热围压液，使试样均匀加温受热，解决加热温度断层和常规橡胶套在超高温失效的问题，其保温隔热材料采用保温性能好的硅酸铝填充材料，并使外露部件温度控制在30℃以下；所述温度控制调节器与计算机相连，加热最高温度400℃。

3.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，所述加载框架刚度由立柱、上下顶板、液压缸串联而成；所述液压伺服系统对岩样进行轴压、围压加载；所述高温三轴围压室自带提升和扶正导向机构，卸去围压后可自动升降，采用自锁结构，下端连接不受围压影响；加热采用两步措施：外部铺热与内部加热；外部使用柔性高温隔热的保温套进行辅热，施加温度由室温～100℃，隔热起安全保护和减少围压室吸热作用；内置加热棒，加热温度由室温～200℃。高温三轴围压室内安置有水下载荷称重传感器，耐压210MPa，耐温200℃，耐腐蚀，直接测试施加在岩样上的轴向荷载。

4.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，所述孔压加载泵和背压加载泵采用恒速恒压泵，最高压力达150MPa，能够长时间连续不断提供高精度的速度恒定、压力恒定流体；孔压加载泵施加液体压力于岩样的上游，流体渗透通过岩石孔隙、裂隙从下游流出，由背压加载泵控制接收并监测流量；采用氧化锆陶瓷柱塞，具有极高耐磨损、抗腐蚀、抗冲击特点，并且柱塞与泵体间的密封为弹簧蓄能密封圈，弹性系数小，耐腐耐温，并可注入化学溶液，研究不同化学溶剂下岩石力学性质的改变；所述精密电子天平采集排除液体积。

5.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，所述水下试验荷载传感器在围压室内直接测试施加在岩样上的轴向荷载并忽略活塞杆摩擦的影响；所述岩石变形引伸计分为轴向引伸计和径向引伸计；其轴向变形传感器装置夹在岩样上，并且采用2个LVDT式传感器取平均值提高轴向测量精度，避免试样由于无法绝对平行和无法有光滑平面端部引起的误差；其径向引伸计使用弹簧安装，采用链条式结构，夹持在试样上进行测量整个圆周变化；所述磁致伸缩位移传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰特点，安装在活塞杆中。

6.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，所述多功能高强度合金底座在平台可自由拖动，包含引伸计、声波、电阻率、渗流等多功能接口，进行声速测试、电阻率测试和声发射试验的同时完全适应多场耦合试验。

7.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，由筒体中围压液排除的体积确定岩样体积应变，进而推测试验过程中岩石的侧向应变；

体积应变为：

推导的侧向应变为：

其中：ε₁、ε₃、ε_V分别为岩石的轴向应变、侧向应变、体积应变；V为试验前岩石的体积；ΔV_P1、ΔV_P2分别为孔压加载泵和背压加载泵流量的变化量，下游流向上游为负，上游流向下游为正。

8.根据权利要求1所述的深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，其特征在于，根据试验温度选择适合的三轴围压室，当试验温度小于200℃时选用高温三轴围压室，当试验温度大于200℃时选用超高温三轴围压室，步骤如下：

1)当试验温度小于200℃时，具体试验步骤如下：

<1>将制备好的岩石试样9居中固定于垫块10上，并安装引伸计11；

<2>将超高温三轴围压室6调整至加载框架3侧面位置并固定；

<3>将高温三轴围压室5由加载框架3内的竖直导轨7下降调整至合适高度，连接相应管线和传感器，并通过液压伺服系统18施加试验所需围压并保持稳定；

<4>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，配合渗流模块15对试样9施加试验所需渗压并保持恒定；

<5>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，连接控制主机17对试样9加热温度至试验所需并保持稳定；

<6>保持围压、温度、渗压恒定，通过液压伺服系统18使用液压缸1对试样9施加轴压，实时通过控制主机17监测数据，进行数据分析；

2)当试验温度大于200℃时，具体试验步骤如下：

<1>将制备好的岩石试样9居中固定于垫块10上，并安装引伸计11；

<2>将高温三轴围压室5调整至加载框架3内的上部；

<3>将超高温三轴围压室6调整至加载框架3内的中心位置，连接相应管线和传感器，并通过液压伺服系统18施加试验所需围压并保持稳定；

<4>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，配合渗流模块15对试样9施加试验所需渗压并保持恒定；

<5>利用多功能高强度合金底座12上的多功能接口，连接控制主机17对试样9加热温度至试验所需并保持稳定；

<6>保持围压、温度、渗压恒定，通过液压伺服系统18使用液压油缸1对试样9施加轴压，实时通过控制主机17监测数据，进行数据分析。

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