CN114720507A - 一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量装置技术领域，具体涉及一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置及测量方法。所述原位条件下岩石热膨胀系数测量装置包括压力釜，压力釜的底部设有支撑部，顶部滑动密封安装有岩心盖体，支撑部和岩心盖体外侧套设有柔性套，柔性套上设有环向位移传感器，压力釜内腔连通有围向增压泵，岩心盖体顶部抵接有轴向增压缸，活塞或岩心盖体上设有轴向位移传感器，压力釜内腔设有加热组件。本装置能够真实模拟岩石的原位条件，在原位条件下检测岩心的热膨胀系数，通过本装置得出的检测结果与原位条件下的岩石热膨胀系数基本相同，能够对地热开采提供较好的指导作用。

Description

一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量装置技术领域，具体涉及一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置及测量方法。

背景技术

地热资源是一种储存量巨大的清洁能源，其开采利用，全程不释放二氧化碳等温室气体，对于缓解全球温室效应有重要意义，同时也有助于我国实现“3060”双碳战略目标。地热开采层位的温度高达数百摄氏度，压力高达数十兆帕。高温高压条件下，岩石表现出与地表常温截然不同的物理性质，在热胀冷缩的作用下，岩石会产生形变。因此，原位条件下岩石热膨胀系数的准确测量对地热开发有重要意义。

根据美国Dudley等学者的理论，单轴应变条件是岩石在地下受到的原位条件，即岩层在水平面上不产生应变与位移，在竖直方向不发生应力改变。只有在实验室中还原原位应力条件，才能准确测试出岩石在原位条件的热膨胀变形规律，有助于解释原位条件下岩石的热膨胀变形机理。现有技术中，对于岩石热膨胀系数的测量皆是基于一定的额外条件，与岩石所处的原位条件有一定区别，其测量结果对地热开采的指导作用有限。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中缺乏原位条件下岩石热膨胀系数测量相关技术的缺陷，从而提供一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置及测量方法。

本发明提供的一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，包括：

压力釜，其包括压力釜底座和压力釜盖体，所述压力釜底座中心上凸形成支撑部，所述压力釜盖体固定在所述压力釜底座上且开设有安装孔，所述安装孔与所述支撑部竖直对应；

岩心盖体，滑动密封安装在所述安装孔内，且与所述支撑部的横截面尺寸相同，所述岩心盖体与所述支撑部之间形成适于容置待测岩心的空间；

柔性套，适于同时套接在所述支撑部、待测岩心和岩心盖体上，所述柔性套外侧安装有环向位移传感器，所述环向位移传感器适于检测待测岩心的围向形变；

围向增压泵，与所述压力釜的内腔连通，适于向所述压力釜的内腔中注入介质实现增压；

加热组件，设于所述压力釜的内腔中，且配置有温度传感器；

轴向增压缸，其缸体相对固定在所述压力釜上，且活塞抵接至所述岩心盖体的顶端，所述活塞的运动方向为上下方向，所述活塞或岩心盖体上安装有轴向位移传感器，所述轴向位移传感器适于检测待测岩心的轴向变形。

可选的，所述岩心盖体的顶面与所述活塞的底面通过球面接触。

可选的，所述压力釜的内腔壁上设有隔热层。

可选的，所述柔性套为热缩管。

可选的，测量装置还包括：

控制模块，与所述围向增压泵、轴向增压缸、加热组件、温度传感器、轴向位移传感器和环向位移传感器皆连接，且适于根据环向位移传感器的反馈值控制围向增压泵动作以保持待测岩心水平层面不产生位移。

可选的，测量装置还包括：

支架，固定在所述压力釜外侧，所述缸体固定在所述支架上。

可选的，所述轴向位移传感器和环向位移传感器皆为MTS传感器。

本发明提供的一种基于前述原位条件下岩石热膨胀系数测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1.选取横截面尺寸与所述支撑部相同的岩心，烘干至样品恒重，测量岩心长度L；

S2.将岩心放置在所述支撑部上，并在岩心上放置所述岩心盖体，在岩心盖体、岩心和支撑部形成的整体外侧套上柔性套，保证密闭性，并在柔性套上安装环向位移传感器；

S3.盖上压力釜盖体，并使岩心盖体滑动密封安装在所述压力釜盖体的安装孔内；

S5.安装轴向增压缸，使其活塞抵接在所述岩心盖体上，并在所述活塞或岩心盖体上固定轴向位移传感器；

S6.通过围向增压泵向压力釜内注入介质增压，直至围压达到目标初始值P_C0；通过轴向增压缸向岩心盖体增压，直至轴压达到目标初始值P_h0；

S7.归零环向位移传感器和轴向位移传感器；

S8.升温压力釜内的介质至目标温度T₁，保持至少30min，此过程中增加围压以保持岩心环向位移为0，并同时通过调整轴向增压缸保持轴压不变，读取轴向位移数据ΔL₁；

S9.重复步骤S8，获取在温度T₂、T₃……T_n下的轴向位移数据ΔL₂、ΔL₃……ΔL_n；

S10.计算热膨胀系数。

可选的，步骤S6中，以0.01～0.03MPa/s的速度提升至目标初始值P_C0和P_h0。

可选的，步骤S6中，所述介质为硅油。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，压力釜底座上设有支撑部，压力釜盖体上滑动密封安装有岩心盖体，岩心置于压力釜盖体与支撑部之间，并通过柔性套初步固定，一方面能够避免岩心在受压时窜动，满足基本检测需要，另一方面也能避免对岩心轴向变形造成较大阻力，影响检测精度；压力釜连接有围向增压泵、轴向增压缸和加热组件，围向增压泵能够为岩心提供围压环境且可通过调整围压保证岩心在水平层面不产生环向位移，轴向增压缸能够为岩心提供轴压环境且通过轴向增压缸能控制该轴压不变，加热组件能够加热压力釜内的介质以为岩心提供可变化的温度环境，如此使得本装置能够真实模拟岩石的原位条件，在原位条件下检测岩心的热膨胀系数，通过本装置得出的检测结果与原位条件下的岩石热膨胀系数基本相同，能够对地热开采提供较好的指导作用。

2.本发明提供的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，岩心盖体与活塞通过球面接触，本领域公知的，活塞是通过密封圈安装在缸体内的，即活塞在水平方向上是有微量的活动余量的，当活塞通过球面压在岩心盖体上时，球面对活塞具有一定的导向作用，即使活塞与岩心盖体在水平方向上出现了一定的偏差，活塞也能够通过球面自行纠正，这样在保证轴向位移检测精度的同时，也能够避免岩心轴向受压时因受力偏移导致岩心倾斜，甚至影响密封导致压力釜内的介质泄漏。

3.本发明提供的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，在压力釜的内墙壁上设有隔热层，隔热层能够将热量隔绝在压力釜内，从而有效避免缸内介质温度不均衡导致岩心的热膨胀变形的不均衡。

4.本发明提供的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，柔性套采用热缩管，操作方便且箍紧效果较好。

5.本发明提供的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，设有控制模块，能够集中对各部件进行控制，从而实现全自动化的检测。

6.本发明提供的原位条件下岩石热膨胀系数测量方法，能够还原岩石所处的原位应力条件，测试过程更能反映岩石在地下的真实变化过程，且能够在高温条件下连续测量岩石的热膨胀系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中测量装置的结构示意图。

附图标记说明：

1、压力釜；1-1、压力釜底座；1-1-1、支撑部；1-2、压力釜盖体；2、岩心盖体；3、柔性套；4、岩心；5、环向位移传感器；6、围向增压泵；7、加热组件；8、轴向增压缸；8-1、缸体；8-2、活塞；9、轴向位移传感器；10、隔热层；11、控制模块；12、支架；13、轴向增压泵。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置的具体实施方式，包括：

压力釜1，其包括压力釜底座1-1和压力釜盖体1-2，压力釜底座1-1中心上凸形成支撑部1-1-1，压力釜盖体1-2固定在压力釜底座1-1上且开设有安装孔，安装孔与支撑部1-1-1竖直对应；

岩心盖体2，滑动密封安装在安装孔内，且与支撑部1-1-1的横截面尺寸相同，岩心盖体2与支撑部1-1-1之间形成适于容置待测岩心4的空间；

柔性套3，适于同时套接在支撑部1-1-1、待测岩心4和岩心盖体2上，柔性套3外侧安装有环向位移传感器5，环向位移传感器5适于检测待测岩心4的围向形变；

围向增压泵6，与压力釜1的内腔连通，适于向压力釜1的内腔中注入介质实现增压；

加热组件7，设于压力釜1的内腔中，且配置有温度传感器；

轴向增压缸8，其缸体8-1相对固定在压力釜1上，且活塞8-2抵接至岩心盖体2的顶端，活塞8-2的运动方向为上下方向，活塞8-2或岩心盖体2上安装有轴向位移传感器9，轴向位移传感器9适于检测待测岩心4的轴向变形。

上述原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，在压力釜底座1-1上设有支撑部1-1-1，压力釜盖体1-2上滑动密封安装有岩心盖体2，岩心4置于压力釜盖体1-2与支撑部1-1-1之间，并通过柔性套3初步固定，一方面能够避免岩心4在受压时窜动，满足基本检测需要，另一方面也能避免对岩心4轴向变形造成较大阻力，影响检测精度；压力釜1连接有围向增压泵6、轴向增压缸8和加热组件7，围向增压泵6能够为岩心4提供围压环境且可通过调整围压保证岩心4在水平层面不产生环向位移，轴向增压缸8能够为岩心4提供轴压环境且通过轴向增压缸8能控制该轴压不变，加热组件7能够加热压力釜1内的介质以为岩心4提供可变化的温度环境，如此使得本装置能够真实模拟岩石的原位条件，在原位条件下检测岩心4的热膨胀系数，通过本装置得出的检测结果与原位条件下的岩石热膨胀系数基本相同，能够对地热开采提供较好的指导作用。

压力釜1的形状不作限定，可以为圆柱状结构，也可以为棱柱状结构。

需要理解的，支撑部1-1-1是用于支撑岩心4的，所以支撑部1-1-1的上表面需为一平面，以与岩心4面面接触，避免局部应力多大造成岩心4损坏等情况发生。

压力釜盖体1-2可以通过图1中所示的螺纹拧装在压力釜底座1-1上，也可以通过卡扣、焊接等方式固定在压力釜底座1-1上。优选采用螺纹或卡扣等可拆卸的方式，这样压力釜1可循环使用。容易理解的是，不管采用哪种固定方式，压力釜盖体1-2与压力釜底座1-1之间都得保持密封相接，这样才能避免内部介质泄漏，起到压力釜1的作用。

安装孔的形状不作限定，可以为圆形或方形或其他形状皆可。但需与岩心盖体2、待测岩心4及支撑部1-1-1保持一致。

容易理解的是，岩心盖体2滑动密封安装在安装孔内，即岩心盖体2能够相对压力釜1上下移动，并且移动过程中始终保持密封。具体的，采用密封圈等本领域常用结构实现即可。

需要理解的，岩心盖体2与支撑部1-1-1的横截面尺寸相同，即横截面形状和大小皆相同。

柔性套3的材质不作限定，可以为橡胶套或柔性硅胶套或热缩管。优选采用热缩管，操作方便且箍紧效果较好。容易理解的是，如果这里采用刚度较大的套，则为保证箍筋效果则必须贴紧岩心盖体2、岩心4和支撑部1-1-1，这样岩心4受热膨胀产生轴向位移时，岩心4与套之前的摩擦力可能会过大影响轴向位移的数据精度；采用柔性套3，由于其自身柔软易变性的特性，相对于岩心4热胀力而言基本可以忽略。

环向位移传感器5采用现有常用的结构即可，例如公告号为CN106248477B的发明专利公开的岩石类圆柱形标准试件环向位移测量装置及测试方法，或公告号为CN2153039Y的实用新型专利公开的环向位移放大器，或如图1所示：在柔性套3外侧套装一个带有断口的环形钢链，在端口处安装一个MTS位移传感器，并将MTS位移传感器的两端分别连接在环形钢链的两端，当有环向位移时，MTS位移传感器便会产生位移，从而完成环向位移检测的功能。

围向增压泵6输入的介质可以为硅油或液压油或气体等，优选采用硅油，耐高温，且相对气体而言更利于岩心4的受热均匀。

加热组件7的作用就是提高压力釜1内介质的温度，具体包含加热器的数量不作限定。例如图1中在压力釜1内布置2个加热器，单个加热组件7的最高加热功率为500W，加热速度控制在0.5℃/min，利于介质在反应釜内各处的温度相同。当然，设置一个加热器或多个皆可。

轴向增压缸8相对固定在压力釜1上，具体实施时，如图1所示，可先将轴向增压缸8的缸体8-1固定在一个支架12上，然后再将该支架12与压力釜1固连即可。当然，也可取消支架12，直接将轴向增压缸8的缸体8-1通过连接件采用焊接等手段固定在压力釜1上。

在具体实施时，轴向增压缸8连接有轴向增压泵13，轴向增压泵13适于向轴向增压缸8内输送压力介质。轴向增压缸8可以为气缸，也可以为液压缸，优选采用后者，输出压力更大。

轴向位移传感器9采用现有成熟结构皆可，其安装位置不作限定，可以是在活塞8-2或岩心盖体2的表面，也可以直接将其预埋在活塞8-2或岩心盖体2的的内部。优选采用MTS位移传感器，精度高达0.0001mm，可精确捕捉岩心4受温度影响时产生的体积变化，从而提升了热膨胀系数的测量精确度。

具体的，可在反应釜上开设一个介质入口和两个介质出口，将介质入口开设于反应釜的底部，将两个介质出口分别开设在反应釜的底部和顶部。当向反应釜内注射介质时，关闭位于底部的出口，如果顶部的出口有介质溢出，则代表反应釜内充满了介质；当需要排出介质时，打开位于底部的出口，则可顺利将介质排出。当然，这种结构适用于介质为液体的情景，例如硅油。

作为岩心盖体2与活塞8-2接触方式的一种具体实施方式，岩心盖体2的顶面与活塞8-2的底面通过球面接触。具体的，可以是岩心盖体2的顶面为凹状球面，活塞8-2的底面为凸状球面；也可以是岩心盖体2的顶面为凸状球面，活塞8-2的底面为凹状球面。

上述接触方式使得岩心盖体2与活塞8-2通过球面接触，本领域公知的，活塞8-2是通过密封圈安装在缸体8-1内的，即活塞8-2在水平方向上是有微量的活动余量的，当活塞8-2通过球面压在岩心盖体2上时，球面对活塞8-2具有一定的导向作用，即使活塞8-2与岩心盖体2在水平方向上出现了一定的偏差，活塞8-2也能够通过球面自行纠正，这样在保证轴向位移检测精度的同时，也能够避免岩心4轴向受压时因受力偏移导致岩心4倾斜，甚至影响密封导致压力釜1内的介质泄漏。

作为上述接触方式的可替换实施方式，岩心盖体2与活塞8-2也可通过平面直接接触。

作为上述测量装置的一种改进实施方式，压力釜1的内腔壁上设有隔热层10。隔热层10能够将热量隔绝在压力釜1内，从而有效避免缸内介质温度不均衡导致岩心4的热膨胀变形的不均衡。隔热层10的厚度不做限定，优选为4mm。

作为上述测量装置的另一种改进实施方式，测量装置还包括：

控制模块11，与围向增压泵6、轴向增压缸8、加热组件7、温度传感器、轴向位移传感器9和环向位移传感器5皆连接，且适于根据环向位移传感器5的反馈值控制围向增压泵6动作以保持待测岩心4水平层面不产生位移。控制模块11能够集中对各部件进行控制，从而实现全自动化的检测。

容易理解的，上述所述只是本控制模块11较为独特之处，除此之外，控制模块11还能够根据温度传感器的反馈值控制加热组件7动作以使温度达到预设值；还能够独立控制围向增压泵6和轴向增压缸8的动作，具体的，控制模块11通过控制轴向增压泵13间接控制轴向增压缸8；还能够显示轴向位移传感器9的检测值。

当然，如果去掉控制模块，利用各个部件集成的独立控制单元进行控制也可行，只是操作较为麻烦。

实施例2

本实施例提供的一种基于前述原位条件下岩石热膨胀系数测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1.选取横截面尺寸与支撑部1-1-1相同的岩心4，烘干至样品恒重，测量岩心4长度L；

S2.将岩心4放置在支撑部1-1-1上，并在岩心4上放置岩心盖体2，在岩心盖体2、岩心4和支撑部1-1-1形成的整体外侧套上柔性套3，保证密闭性，并在柔性套3上安装环向位移传感器5；

S3.盖上压力釜盖体1-2，并使岩心盖体2滑动密封安装在压力釜盖体1-2的安装孔内；

S5.安装轴向增压缸8，使其活塞8-2抵接在岩心盖体2上，并在活塞8-2或岩心盖体2上固定轴向位移传感器9；

S6.通过围向增压泵6向压力釜1内注入介质增压，直至围压达到目标初始值P_C0；通过轴向增压缸8向岩心盖体2增压，直至轴压达到目标初始值P_h0；

S7.归零环向位移传感器5和轴向位移传感器9；

S8.升温压力釜1内的介质至目标温度T₁，保持至少30min，此过程中增加围压以保持岩心4环向位移为0，并同时通过调整轴向增压缸8保持轴压不变，读取轴向位移数据ΔL₁；

S9.重复步骤S8，获取在温度T₂、T₃……T_n下的轴向位移数据ΔL₂、ΔL₃……ΔL_n；

S10.计算热膨胀系数。

上述测量方法，能够还原岩石所处的原位应力条件，测试过程更能反映岩石在地下的真实变化过程，且能够在高温条件下连续测量岩石的热膨胀系数。

步骤S1中，可将岩心4置于鼓风干燥箱中，在50±5℃的温度条件下烘干48h，直至样品恒重。

步骤S6中，以0.01～0.03MPa/s的速度提升至目标初始值P_C0和P_h0。优选采用0.02MPa/s。

具体的，在步骤S9之后，还需关闭加热组件7、释放介质、取出岩心4。

容易理解的，热膨胀系数通过以下公式进行计算：

式中：

α为岩石的高温热膨胀系数，单位为1/℃；

ΔLi为第i次的轴向位移数据，单位为mm；

L为岩心4长度，单位为mm；

T_i为第i次的岩心4温度，单位为℃。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，包括：

压力釜(1)，其包括压力釜底座(1-1)和压力釜盖体(1-2)，所述压力釜底座(1-1)中心上凸形成支撑部(1-1-1)，所述压力釜盖体(1-2)固定在所述压力釜底座(1-1)上且开设有安装孔，所述安装孔与所述支撑部(1-1-1)竖直对应；

岩心盖体(2)，滑动密封安装在所述安装孔内，且与所述支撑部(1-1-1)的横截面尺寸相同，所述岩心盖体(2)与所述支撑部(1-1-1)之间形成适于容置待测岩心(4)的空间；

柔性套(3)，适于同时套接在所述支撑部(1-1-1)、待测岩心(4)和岩心盖体(2)上，所述柔性套(3)外侧安装有环向位移传感器(5)，所述环向位移传感器(5)适于检测待测岩心(4)的围向形变；

围向增压泵(6)，与所述压力釜(1)的内腔连通，适于向所述压力釜(1)的内腔中注入介质实现增压；

加热组件(7)，设于所述压力釜(1)的内腔中，且配置有温度传感器；

轴向增压缸(8)，其缸体(8-1)相对固定在所述压力釜(1)上，且活塞(8-2)抵接至所述岩心盖体(2)的顶端，所述活塞(8-2)的运动方向为上下方向，所述活塞(8-2)或岩心盖体(2)上安装有轴向位移传感器(9)，所述轴向位移传感器(9)适于检测待测岩心(4)的轴向变形。

2.根据权利要求1所述的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述岩心盖体(2)的顶面与所述活塞(8-2)的底面通过球面接触。

3.根据权利要求1所述的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述压力釜(1)的内腔壁上设有隔热层(10)。

4.根据权利要求1所述的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述柔性套(3)为热缩管。

5.根据权利要求1-4任一项所述的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，还包括：

控制模块(11)，与所述围向增压泵(6)、轴向增压缸(8)、加热组件(7)、温度传感器、轴向位移传感器(9)和环向位移传感器(5)皆连接，且适于根据环向位移传感器(5)的反馈值控制围向增压泵(6)动作以保持待测岩心(4)水平层面不产生位移。

6.根据权利要求1-4任一项所述的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，还包括：

支架(12)，固定在所述压力釜(1)外侧，所述缸体(8-1)固定在所述支架(12)上。

7.根据权利要求1-4任一项所述的原位条件下岩石热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述轴向位移传感器(9)和环向位移传感器(5)皆为MTS传感器。

8.一种基于如权利要求1-7任一项所述原位条件下岩石热膨胀系数测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.选取横截面尺寸与所述支撑部(1-1-1)相同的岩心(4)，烘干至样品恒重，测量岩心(4)长度L；

S2.将岩心(4)放置在所述支撑部(1-1-1)上，并在岩心(4)上放置所述岩心盖体(2)，在岩心盖体(2)、岩心(4)和支撑部(1-1-1)形成的整体外侧套上柔性套(3)，保证密闭性，并在柔性套(3)上安装环向位移传感器(5)；

S3.盖上压力釜盖体(1-2)，并使岩心盖体(2)滑动密封安装在所述压力釜盖体(1-2)的安装孔内；

S5.安装轴向增压缸(8)，使其活塞(8-2)抵接在所述岩心盖体(2)上，并在所述活塞(8-2)或岩心盖体(2)上固定轴向位移传感器(9)；

S6.通过围向增压泵(6)向压力釜(1)内注入介质增压，直至围压达到目标初始值P_C0；通过轴向增压缸(8)向岩心盖体(2)增压，直至轴压达到目标初始值P_h0；

S7.归零环向位移传感器(5)和轴向位移传感器(9)；

S8.升温压力釜(1)内的介质至目标温度T₁，保持至少30min，此过程中增加围压以保持岩心(4)环向位移为0，并同时通过调整轴向增压缸(8)保持轴压不变，读取轴向位移数据ΔL₁；

S9.重复步骤S8，获取在温度T₂、T₃……T_n下的轴向位移数据ΔL₂、ΔL₃……ΔL_n；

S10.计算热膨胀系数。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤S6中，以0.01～0.03MPa/s的速度提升至目标初始值P_C0和P_h0。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤S6中，所述介质为硅油。

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