CN115032227A - 一种测量岩石热膨胀系数的装置和方法 - Google Patents

一种测量岩石热膨胀系数的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测量岩石热膨胀系数的装置和方法，所述装置包括：密封釜，所述密封釜内形成有岩心室，所述岩心室用于放置岩心；轴压机构，所述轴压机构位于所述密封釜的上方，用于对所述岩心施加轴向作用力以模拟垂向地应力；围压机构，所述围压机构套设在所述岩心室内，用于对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力；孔压机构，所述孔压机构用于为所述岩心室内的岩心提供孔隙流体，以模拟孔隙压力；应变检测机构，所述应变检测机构贴设在所述岩心的外侧壁用于检测所述岩心在所述垂向地应力、水平地应力和孔隙压力作用下的应变。本装置和方法同时考虑岩石的原地应力和孔隙压力，还原了真实地层岩石所处的应力状态，获得了准确的岩石热膨胀系数值。

Description

一种测量岩石热膨胀系数的装置和方法
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，尤其涉及一种测量岩石热膨胀系数的装置和方法。
背景技术
在油气开采和地下岩土工程领域，普遍存在着岩石的热变形和热膨胀现象。施工和生产过程中随着地层内部的热量变化和传递，地层岩石的物理力学性质将发生变化，用以表征岩石材料的热物理参数诸如热膨胀系数、导热系数、比热、导温系数和热交换系数等也随之发生变化。这些参数对岩体及地下工程中温度场分布特征、热量的传递、热应力的计算和热破坏的形成都非常重要，是分析计算和工程设计的关键参数，也是掌握和调控岩石材料热变形规律的基础。其中，热膨胀系数在计算高温高压下岩体中热应力、热应变方面有着重要的作用，对于油气开采和地下岩土工程中的热-流-固耦合计算，原地应力状态下岩石的热膨胀系数更是一个至关重要的热物理力学参数。
目前，对于岩石热膨胀系数的取值，大多采用无约束条件、无孔隙压力下的试验测定值，而应用无约束条件、无孔隙压力状态下热膨胀系数进行计算会造成很大误差，因为实际地层状态下岩石的热变形和热膨胀系数的值大小不仅与温度有关，而且与岩石所处原地应力及孔隙压力状态有很大关系。由于受到原地应力和孔隙压力的作用和约束，与自由状态(无约束条件、无孔隙压力)下获得的热变形与热膨胀规律有很大不同。因此，对考虑原地应力状态和孔隙压力的岩石热膨胀系数进行准确测定具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量岩石热膨胀系数的装置和方法，同时考虑岩石的原地应力和孔隙压力，还原了真实地层岩石所处的应力状态，获得了具有实际工程和生产参考意义的岩石热膨胀系数值。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的技术方案一方面提供了一种测量岩石热膨胀系数的装置，包括：
密封釜，所述密封釜内形成有岩心室，所述岩心室用于放置岩心；
轴压机构，所述轴压机构位于所述密封釜的上方，用于对所述岩心施加轴向作用力以模拟垂向地应力；
围压机构，所述围压机构套设在所述岩心室内，用于对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力；
孔压机构，所述孔压机构用于为所述岩心室内提供孔隙流体，以模拟孔隙压力；
应变检测机构，所述应变检测机构贴设在所述岩心的外侧壁用于检测所述岩心在所述垂向地应力、水平地应力和孔孔隙压力作用下的应变。
进一步地，所述密封釜包括密封釜体、密封上盖和活塞式压头，所述密封釜体内形成有所述岩心室，所述密封上盖与所述密封釜体的顶部可拆卸式密封连接，所述活塞式压头套设在所述岩心室内且与所述岩心室的内壁滑动连接，所述轴压机构通过对所述活塞式压头对岩心施加均匀的轴向载荷以模拟垂向地应力。
进一步地，所述围压机构包括液压装置和围压垫片，所述围压垫片套设在所述岩心室内，所述围压垫片与所述密封釜体的内壁之间形成有液压腔体，所述液压装置位于所述密封釜外侧，用于向所述液压腔体内提供液压油以推动所述围压垫片沿着水平方向对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力。
进一步地，所述液压装置包括液压油罐、液压泵和输油管线，所述液压油罐内储存有液压油，所述液压油罐与所述液压腔体之间通过所述输油管线连接，所述液压泵设置在所述输油管线上，所述液压泵将所述液压油从所述液压油罐抽送至所述液压腔体内。
进一步地，孔压机构包括孔隙流体罐、流体增压泵和孔隙流体管线，所述孔隙流体罐与所述岩心室通过所述孔隙流体管线连接，所述流体增压泵设置在所述孔隙流体管线上，用于将孔隙流体通过所述孔隙流体罐内抽送至所述岩心室内以模拟孔隙压力。
进一步地，还包括温度控制机构，所述温度控制机构包括电子温控器和电阻加热棒，所述电阻加热棒插入至所述液压腔体内与所述液压油接触，所述电阻加热棒与所述电子温控器电连接，用于控制所述电阻加热棒的加热温度。
进一步地，所述应变检测机构包括至少两组应变片和应变测量仪，两组所述应变片与所述应变测量仪相连，两组所述应变片分别贴设在所述岩心的侧壁和端部，分别用于检测所述岩心的轴向和径向应变，并将检测的结果发送给所述应变测量仪进行显示。
本发明的技术方案另一方面还提供了一种测量岩石热膨胀系数的方法，基于所述的测量岩石热膨胀系数的装置，包括步骤：
将连接应变测量仪的一组应变片分别置于岩心的侧壁和端部，将岩心放入岩心室，在岩心上放置活塞式压头，并安装密封上盖；
按照原地应力数据设定轴压和围压，同时开启轴压机构和围压机构；
使轴压机构和围压机构压力加载直至加载至预设的轴压和围压；
开启孔压系统，通过流体增压泵向岩心室中的岩心孔隙泵入孔隙流体，通过对应实际地层的孔隙压力设定流体增压泵的压力值；
通过温度控制机构设置电阻加热棒的温度T1，应变测量仪的示数稳定后记录对应的轴向应变εa1和径向应变εr1；
通过温度控制机构设置电阻加热棒的温度T2，应变测量仪的示数稳定后记录对应的轴向应变εa2和径向应变εr2；
计算预设轴压、围压、孔压下岩心的热膨胀系数，所述岩心的热膨胀系数分为轴向热膨胀系数αa和径向热膨胀系数αr，所述轴向热膨胀系数αa根据公式(1)计算得出，所述径向热膨胀系数αr根据公式(2)计算得出：
αa＝Δεa/ΔT＝(εa2-εa1)/(T2-T1) (1)
αr＝Δεr/ΔT＝(εr2-εr1)/(T2-T1) (2)。
进一步地，所述轴压机构和围压机构的压力加载包括两步，第一步使轴压和围压同步增长，当压力值达到轴压和围压二者中的较小的预设值时，开始第二步使轴压和围压进行独立加载，直至轴压和围压均加载至预设的轴压和围压。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
同时考虑岩石的原地应力和孔隙压力，还原了真实地层岩石所处的应力状态，获得了具有实际工程和生产参考意义的岩石热膨胀系数值。
装置结构合理可靠，液压油在提供液压的同时还作为加热介质储存和传递热量。所提出的测量方法操作简单，可以测得较为准确的岩石热膨胀系数值。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明提供的测量岩石热膨胀系数的装置的一实施例的结构示意图；
附图中各标记表示如下：
1-密封釜体；2-密封上盖；3-活塞式压头；4-轴压系统；5-岩心；6-围压垫片；7-液压油；8-液压油罐；9-液压泵；10-输油管线；11-液压腔体；12-岩心室；13-孔隙流体；14-孔隙流体罐；15-流体增压泵；16-孔隙流体管线；17-电子温控器；18-电阻加热棒；19-应变片；20-应变测量仪。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的实施例提供了一种测量岩石热膨胀系数的装置和方法，所述装置包括：密封釜、轴压机构、围压机构、孔压机构和应变检测机构。所述密封釜内形成有岩心室，所述岩心室用于放置岩心；所述轴压机构位于所述密封釜的上方，用于对所述岩心施加轴向作用力以模拟垂向地应力；所述围压机构套设在所述岩心室内，用于对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力；所述孔压机构用于为所述岩心室内提供孔隙流体，以模拟孔隙压力；所述应变检测机构贴设在所述岩心的外侧壁用于检测所述岩心在所述垂向地应力、水平地应力和孔隙压力作用下的应变。本装置和方法同时考虑岩石的原地应力和孔隙压力，还原了真实地层岩石所处的应力状态，获得了准确的岩石热膨胀系数值。
实施例1
所述密封釜包括密封釜体1、密封上盖2和活塞式压头3，所述密封釜体1内形成有岩心室12，所述密封上盖2与所述密封釜体1的顶部可拆卸式密封连接，所述活塞式压头3套设在所述岩心室12内且与所述岩心室12的内壁滑动连接，所述轴压机构通过对所述活塞式压头3对岩心施加均匀的轴向载荷以模拟垂向地应力。
所述围压机构包括液压装置和围压垫片6，所述围压垫片6套设在所述岩心室12内，所述围压垫片6与所述密封釜体1的内壁之间形成有液压腔体13，所述液压装置位于所述密封釜外侧，用于向所述液压腔体13内提供液压油7以推动所述围压垫片6沿着水平方向对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力。
所述液压装置包括液压油罐8、液压泵9和输油管线10，所述液压油罐8内储存有液压油7，所述液压油罐8与所述液压腔体13之间通过所述输油管线10连接，所述液压泵9设置在所述输油管线10上，所述液压泵9将所述液压油7从所述液压油罐8抽送至所述液压腔体13内，并通过控制所述围压垫片6对岩心施加水平地应力。
孔压机构包括孔隙流体罐14、流体增压泵15和孔隙流体管线16，所述孔隙流体罐14与所述岩心室12通过所述孔隙流体管线16连接，所述流体增压泵15设置在所述孔隙流体管线16上，用于将孔隙流体13通过所述孔隙流体罐14内抽送至所述岩心室12内以模拟孔隙压力。
所述孔隙流体13优选为液态或者气态的氮气。
所述的测量岩石热膨胀系数的装置，还包括温度控制机构，所述温度控制机构包括电子温控器17和电阻加热棒18，所述电阻加热棒18插入至所述液压腔体11内与所述液压油7接触，所述电阻加热棒18与所述电子温控器17电连接，用于控制所述电阻加热棒18的加热温度。
所述应变检测机构包括至少两组应变片19和应变测量仪20，两组所述应变片19与所述应变测量仪20相连，两组所述应变片19分别贴设在所述岩心5的侧壁和端部，分别用于检测所述岩心5的轴向和径向应变，并将检测的结果发送给所述应变测量仪20进行显示。
所述测量岩石热膨胀系数的装置的测量方法为，包括步骤：
将连接应变测量仪20的一组应变片分别置于岩心的轴向和径向表面上，即前面所述的侧壁和端部，将岩心5放入岩心室12，在岩心5上放置活塞式压头3，并安装密封上盖2；
按照原地应力数据设定轴压和围压，轴压为45MPa和围压为35MPa，同时开启轴压机构和围压机构；
所述轴压机构和围压机构的压力加载包括两步，第一步轴压和围压同步增长，当压力值达到轴压和围压的35MPa时，开始第二步的独立加载过程，使围压稳定在35Mpa，轴压继续加载直至加载至预设的轴压；采用分步骤加载的方式可避免出现初期的非均匀施力导致岩心5发生破坏，完成预设的轴压和围压加载。
开启孔压系统，通过流体增压泵15向岩心室12中的岩心孔隙泵入孔隙流体13，通过对应实际地层的孔隙压力设定流体增压泵的压力值为20MPa；
通过温度控制机构设置电阻加热棒18的温度60℃，应变测量仪20的示数稳定后记录对应的轴向应变εa1和径向应变εr1；
通过温度控制机构设置电阻加热棒18的温度90℃，应变测量仪20的示数稳定后记录对应的轴向应变εa2和径向应变εr2；
计算预设轴压、围压、孔压下岩心的热膨胀系数，分为轴向热膨胀系数αa和径向热膨胀系数αr，所述轴向热膨胀系数αa根据公式(1)计算得出，所述径向热膨胀系数αr根据公式(2)计算得出：
αa＝Δεa/ΔT＝(εa2-εa1)/30 (1)
αr＝Δεr/ΔT＝(εr2-εr1)/30 (2)
本发明针对目前岩石热膨胀系数测定条件的不全面性，考虑到原地应力状态和孔隙压力，提出了一种地应力和孔隙压力条件下测量岩石热膨胀系数的装置及方法。同时考虑岩石的原地应力和孔隙压力，还原了真实地层岩石所处的应力状态，获得了具有实际工程和生产参考意义的岩石热膨胀系数值。所提出的装置结构合理可靠、测量方法操作简单、测量结果精确，有助于油气生产和地下岩土工程的准确热耦合分析。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，包括：
密封釜，所述密封釜内形成有岩心室，所述岩心室用于放置岩心；
轴压机构，所述轴压机构位于所述密封釜的上方，用于对所述岩心施加轴向作用力以模拟垂向地应力；
围压机构，所述围压机构套设在所述岩心室内，用于对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力；
孔压机构，所述孔压机构用于为所述岩心室内提供孔隙流体，以模拟孔隙压力；
应变检测机构，所述应变检测机构贴设在所述岩心的外侧壁用于检测所述岩心在所述垂向地应力、水平地应力和孔孔隙压力作用下的应变。
2.根据权利要求1所述的测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述密封釜包括密封釜体、密封上盖和活塞式压头，所述密封釜体内形成有所述岩心室，所述密封上盖与所述密封釜体的顶部可拆卸式密封连接，所述活塞式压头套设在所述岩心室内且与所述岩心室的内壁滑动连接，所述轴压机构通过对所述活塞式压头对岩心施加均匀的轴向载荷以模拟垂向地应力。
3.根据权利要求2所述的测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述围压机构包括液压装置和围压垫片，所述围压垫片套设在所述岩心室内，所述围压垫片与所述密封釜体的内壁之间形成有液压腔体，所述液压装置位于所述密封釜外侧，用于向所述液压腔体内提供液压油以推动所述围压垫片沿着水平方向对所述岩心施加径向载荷以模拟水平地应力。
4.根据权利要求3所述的测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述液压装置包括液压油罐、液压泵和输油管线，所述液压油罐内储存有液压油，所述液压油罐与所述液压腔体之间通过所述输油管线连接，所述液压泵设置在所述输油管线上，所述液压泵将所述液压油从所述液压油罐抽送至所述液压腔体内。
5.根据权利要求4所述的测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，孔压机构包括孔隙流体罐、流体增压泵和孔隙流体管线，所述孔隙流体罐与所述岩心室通过所述孔隙流体管线连接，所述流体增压泵设置在所述孔隙流体管线上，用于将孔隙流体通过所述孔隙流体罐内抽送至所述岩心室内以模拟孔隙压力。
6.根据权利要求3所述的测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，还包括温度控制机构，所述温度控制机构包括电子温控器和电阻加热棒，所述电阻加热棒插入至所述液压腔体内与所述液压油接触，所述电阻加热棒与所述电子温控器电连接，用于控制所述电阻加热棒的加热温度。
7.根据权利要求1所述的测量岩石热膨胀系数的装置，其特征在于，所述应变检测机构包括至少两组应变片和应变测量仪，两组所述应变片与所述应变测量仪相连，两组所述应变片分别贴设在所述岩心的侧壁和端部，分别用于检测所述岩心的轴向和径向应变，并将检测的结果发送给所述应变测量仪进行显示。
8.一种测量岩石热膨胀系数的方法，其特征在于，基于权利要求1～7中任一项所述的测量岩石热膨胀系数的装置，包括步骤：
将连接应变测量仪的一组应变片分别置于岩心的侧壁和端部，将岩心放入岩心室，在岩心上放置活塞式压头，并安装密封上盖；
按照原地应力数据设定轴压和围压，同时开启轴压机构和围压机构；
使轴压机构和围压机构压力加载直至加载至预设的轴压和围压；
开启孔压系统，通过流体增压泵向岩心室中的岩心孔隙泵入孔隙流体，通过对应实际地层的孔隙压力设定流体增压泵的压力值；
通过温度控制机构设置电阻加热棒的温度T1，应变测量仪的示数稳定后记录对应的轴向应变εa1和径向应变εr1；
通过温度控制机构设置电阻加热棒的温度T2，应变测量仪的示数稳定后记录对应的轴向应变εa2和径向应变εr2；
计算预设轴压、围压、孔压下岩心的热膨胀系数，所述岩心的热膨胀系数分为轴向热膨胀系数αa和径向热膨胀系数αr，所述轴向热膨胀系数αa根据公式(1)计算得出，所述径向热膨胀系数αr根据公式(2)计算得出：
αa＝Δεa/ΔT＝(εa2-εa1)/(T2-T1) (1)
αr＝Δεr/ΔT＝(εr2-εr1)/(T2-T1) (2)。
9.根据权利要求8所述的测量岩石热膨胀系数的方法，其特征在于，所述轴压机构和围压机构的压力加载包括两步，第一步使轴压和围压同步增长，当压力值达到轴压和围压二者中的较小的预设值时，开始第二步使轴压和围压进行独立加载，直至轴压和围压均加载至预设的轴压和围压。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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