CN114199739A - 岩石化学腐蚀环境下co2三轴渗流测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统及方法，包括压力室、气体增压系统、偏压压力泵、围压压力泵、排气系统和压力测试装置，其中：压力室内底部设置有一个平台，平台上放置有岩样，压力室内顶部设置有轴向传力杆，轴向传力杆下端连接有压头，压头下端与岩样顶部接触；岩样上环向设置有环形应变计，岩样两侧设置有轴向应变计；气体增压系统通过管路与岩样底部的进气孔连接；排气系统通过管路与岩样顶部的出气孔连接；偏压压力泵与压力室顶部连接；围压压力泵与压力室底部连接。本发明可开展不同化学腐蚀条件下岩石CO2渗透测试验，实现不同围压、偏压和气体渗透压力下岩石材料渗透率精确测试，具有重要的工程实践意义。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程领域，具体为一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测 试系统。
背景技术
二氧化碳(CO2)作用约占所有温室气体60％以上，是温室效应的主要因素。深部咸水层是目前最有发展前景的地质封存方式之一。因此，咸水层围岩CO2渗透率是评价 岩体是否具备封存条件的指标。而且。深部岩石处于复杂地质条件，岩体受不同化学浓 度腐蚀损伤作用，有效测试化学腐蚀作用下封存围岩的CO2渗透率是评价工程安全可行 的重要依据。目前，市场上多是采用水渗测试装置测试岩石混凝土等材料的渗透率，气 渗测试多是采用惰性气体测试低渗透岩石的渗透率，如何准确、有效的测试化学腐蚀环 境下岩石CO2渗流测试仍研究不多。
发明内容
为克服上述现有技术不足，本发明的目的是提供一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴 渗流测试系统及方法，以实现化学腐蚀损伤作用下岩石不同偏压、围压和渗压条件下渗透率测试。
一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，包括压力室、气体增压系统、偏压压力泵、围压压力泵、排气系统和压力测试装置，其中：
所述压力室内底部设置有一个平台，平台上放置有岩样，压力室内顶部设置有轴向 传力杆，轴向传力杆下端连接有压头，压头下端与岩样顶部接触；岩样上环向设置有环形应变计，岩样两侧设置有轴向应变计，轴向应变计的上端与压头固定，下端与压力室 底部固定；
所述气体增压系统通过管路与岩样底部的进气孔连接；
所述排气系统通过管路与岩样顶部的出气孔连接；
所述偏压压力泵与压力室顶部连接；
所述围压压力泵与压力室底部连接。
所述气体增压系统包括通过塑料管依次连接的CO2气瓶、气体增压泵、气体缓冲器， CO2气瓶和气体增压泵之间的塑料管中设置有第一阀门，增压泵连接有空压机，增压泵和空压机之间设置有第二阀门，气体缓冲器的出口与进气孔连接，气体缓冲器和进气孔 之间的塑料管中设置有压力表和减压阀。
所述排气系统包括与出气孔连接的气液分离器，气液分离器通过管路依次连接有第 三阀门、干燥器、第一气体流量计、第二气体流量计、第三气体流量计。
所述偏压压力泵与压力室的连接管路中设置有第四阀门和偏压压力传感器。
所述围压压力泵与压力室的连接管路中设置有第五阀门和围压压力传感器。
所述压头下端设置有橡胶套。
所述压力室外部设置有压力室外部钢板，所述轴向传力杆上端设置有轴向传力压头，轴向传力压头上端连接有钢杆，钢杆穿出压力室顶部的压力室外部钢板，并通过螺 母固定。
所述轴向传力压头上设置有密封圈。
一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试方法，包括以下步骤：
(1)通过HNO3，蒸馏水和NaCl配置不同PH值的中性、弱酸性和强酸性溶液， 将圆柱形岩样浸泡后，得到不同化学腐蚀环境下岩样；
(2)将岩样安装至压力室中，关闭减压阀和第四阀门，打开第五阀门，通过围压 压力泵向压力室内充油，直至压力室内达到满油状态；
(3)保持围压不变，打开第四阀门，施加偏压至不同应力水平；
(4)然后保持围压和偏压不变，打开减压阀和第三阀门，向岩样内注入CO2气体，通过气体增压泵控制气体压力水平，记录第一气体流量计、第二气体流量计、第三气体 流量计的数据；
(5)计算不同应力水平和气压条件下试样CO2渗透率。
有益效果：本发明通过设计，实现岩石CO2渗透测试测量，可以开展实际工程中化学腐蚀环境下岩石的三轴应力状态下气体测试试验，从而了解深部复杂地质条件下岩石力学性能，为工程施工、设计提供试验基础。
附图说明
图1为发明的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统装置结构示意图。
图中：1、CO2气瓶；2、第一阀门；3、塑料管；4、气体增压泵；5、第二阀门；6、 空压机；7、气体缓冲器；8、减压阀；9、压力表；10、平台；11、轴向应变计；12、 进气孔；13、岩样、14、橡胶套；15、环向应变计；16、出气孔；17、压头；18、轴向 传力杆；19、压力室；20、密封圈；21、轴向传力压头；22、钢杆；23、压力室外部钢 板；24、螺母；25、气液分离器；26、第三阀门；27、干燥器；28、第一气体流量计； 29、第二气体流量计；30、第三气体流量计；31、第四阀门；32、偏压压力泵；33、第 五阀门；34、围压压力泵；35、气体压力传感器；36、偏压压力传感器；37、围压压力 传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，包括压力室19、气体增压系统、偏压压力泵32、围压压力泵34、排气系统和压力测试装置，其 中：
压力室19内底部设置有一个平台10，平台10上放置有岩样13，压力室19内顶部 设置有轴向传力杆18，轴向传力杆18下端连接有压头17，压头17下端与岩样13顶部 接触；岩样13上环向设置有环形应变计15，岩样13两侧设置有轴向应变计11，轴向 应变计11的上端与压头17固定，下端与压力室19底部固定；压头17下端设置有橡胶 套14。压力室19外部设置有压力室外部钢板23，轴向传力杆18上端设置有轴向传力 压头21，轴向传力压头21上端连接有钢杆22，钢杆22穿出压力室19顶部的压力室外 部钢板23，并通过螺母24固定。轴向传力压头21上设置有密封圈20。
气体增压系统包括通过塑料管3依次连接的CO2气瓶1、气体增压泵4、气体缓冲 器7，CO2气瓶1和气体增压泵4之间的塑料管3中设置有第一阀门2，增压泵4连接 有空压机6，增压泵4和空压机6之间设置有第二阀门5，气体缓冲器7的出口与岩样 13底部的进气孔12连接，气体缓冲器7和进气孔12之间的塑料管3中设置有压力表9 和减压阀8。
排气系统包括与岩样13顶部的出气孔16连接的气液分离器25，气液分离器25通过管路依次连接有第三阀门26、干燥器27、第一气体流量计28、第二气体流量计29、 第三气体流量计30。
偏压压力泵32与压力室19顶部连接；偏压压力泵32与压力室19的连接管路中设置有第四阀门31和偏压压力传感器36。
围压压力泵34与压力室19底部连接；围压压力泵34与压力室19的连接管路中设置有第五阀门33和围压压力传感器37。
气体增压泵一端与CO2气瓶和空压机连接，另外一端与气体缓冲器连接，通过气体压力泵和空压机提供气体压力，气体压力可以通过气体压力传感器测得。
压力室采用液压环境，轴压采用围压和偏压两部分组成，其中偏压采用轴向传力装 置控制，并通过密封圈确保压力室与偏压区域分离。
压力室内采用钢环将橡胶套、岩样、压头和平台固定，采用橡胶套将岩样和周围液压油分离，并在压头两侧安装轴向变形计和岩样中部安装环向应变计，分别监测轴向和 环向变形；
岩样13底部的进气孔12设置在压力室平台中心，岩样13顶部的出气孔16设置在压头中心内，分别与外部气体入渗系统和排气系统连接。
本发明的一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试方法，包括以下步骤：
(1)通过质量浓度65％的HNO3，蒸馏水和NaCl配置不同PH＝7，PH＝4和PH＝2 的中性、弱酸性和强酸性溶液，将工程现场岩块加工成直径为50mm和高为50mm的圆 柱样，分别将圆柱形岩样浸泡一周、一个月、六个月和一年，然后取出烘干，准备CO2渗透测试；
(2)将岩样13安装至压力室19中，关闭减压阀8和第四阀门31，打开第五阀门 33，通过围压压力泵34向压力室19内充油，直至压力室19内达到满油状态；
(3)保持围压不变，打开第四阀门31，施加偏压至不同应力水平；
(4)然后保持围压和偏压不变，打开减压阀8和第三阀门26，向岩样13内注入 CO2气体，通过气体增压泵4控制气体压力水平，记录第一气体流量计28、第二气体流 量计29、第三气体流量计30的数据；
(5)计算不同应力水平和气压条件下试样CO2渗透率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：包括压力室(19)、气体增压系统、偏压压力泵(32)、围压压力泵(34)、排气系统和压力测试装置，其中：
所述压力室(19)内底部设置有一个平台(10)，平台(10)上放置有岩样(13)，压力室(19)内顶部设置有轴向传力杆(18)，轴向传力杆(18)下端连接有压头(17)，压头(17)下端与岩样(13)顶部接触；岩样(13)上环向设置有环形应变计(15)，岩样(13)两侧设置有轴向应变计(11)，轴向应变计(11)的上端与压头(17)固定，下端与压力室(19)底部固定；
所述气体增压系统通过管路与岩样(13)底部的进气孔(12)连接；
所述排气系统通过管路与岩样(13)顶部的出气孔(16)连接；
所述偏压压力泵(32)与压力室(19)顶部连接；
所述围压压力泵(34)与压力室(19)底部连接。
2.根据权利要求1所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述气体增压系统包括通过塑料管(3)依次连接的CO2气瓶(1)、气体增压泵(4)、气体缓冲器(7)，CO2气瓶(1)和气体增压泵(4)之间的塑料管(3)中设置有第一阀门(2)，增压泵(4)连接有空压机(6)，增压泵(4)和空压机(6)之间设置有第二阀门(5)，气体缓冲器(7)的出口与进气孔(12)连接，气体缓冲器(7)和进气孔(12)之间的塑料管(3)中设置有压力表(9)和减压阀(8)。
3.根据权利要求1所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述排气系统包括与出气孔(16)连接的气液分离器(25)，气液分离器(25)通过管路依次连接有第三阀门(26)、干燥器(27)、第一气体流量计(28)、第二气体流量计(29)、第三气体流量计(30)。
4.根据权利要求1所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述偏压压力泵(32)与压力室(19)的连接管路中设置有第四阀门(31)和偏压压力传感器(36)。
5.根据权利要求1所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述围压压力泵(34)与压力室(19)的连接管路中设置有第五阀门(33)和围压压力传感器(37)。
6.根据权利要求1所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述压头(17)下端设置有橡胶套(14)。
7.根据权利要求1所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述压力室(19)外部设置有压力室外部钢板(23)，所述轴向传力杆(18)上端设置有轴向传力压头(21)，轴向传力压头(21)上端连接有钢杆(22)，钢杆(22)穿出压力室(19)顶部的压力室外部钢板(23)，并通过螺母(24)固定。
8.根据权利要求7所述的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试系统，其特征在于：所述轴向传力压头(21)上设置有密封圈(20)。
9.一种基于权利要求1-8任一所述系统的岩石化学腐蚀环境下CO2三轴渗流测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过HNO3，蒸馏水和NaCl配置不同PH值的中性、弱酸性和强酸性溶液，将圆柱形岩样浸泡后，得到不同化学腐蚀环境下岩样；
(2)将岩样(13)安装至压力室(19)中，关闭减压阀(8)和第四阀门(31)，打开第五阀门(33)，通过围压压力泵(34)向压力室(19)内充油，直至压力室(19)内达到满油状态；
(3)保持围压不变，打开第四阀门(31)，施加偏压至不同应力水平；
(4)然后保持围压和偏压不变，打开减压阀(8)和第三阀门(26)，向岩样(13)内注入CO2气体，通过气体增压泵(4)控制气体压力水平，记录第一气体流量计(28)、第二气体流量计(29)、第三气体流量计(30)的数据；
(5)计算不同应力水平和气压条件下试样CO2渗透率。
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