CN117723406A - 深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法，包括液压系统、立式框架、三轴六向加载系统、密封腔室和三轴六向压头组；三轴六向加载系统包括6个方向的液压缸，密封腔室装于立式框架中,密封腔室在六个方向分别设有一个与液压缸适配的对接口；三轴六向压头组置于密封腔室内，其包括6个方向的加载压头，至少一对加载压头上设有渗流通道，每个加载压头上均装有声发射探头和位移传感器；试样密封装置为试样隔绝高压液体。本申请考虑了真实真三轴地应力状态，使渗透率测试能够在多轴地应力状态下进行，从而更全面地了解深部储层渗透率的演化规律；配套的剪切渗流压头，可实现真三维应力下储层岩石剪切‑渗流一体化测试。

Description

深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，尤其涉及深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法。

背景技术

深部储层如煤层气、页岩气、油气等是重要的能源资源，对能源供应和经济发展至关重要。了解储层渗透率的演化规律对于储层能源的开发意义重大。

渗透率是储层中流体(如天然气、石油等)通过岩石孔隙和裂缝的能力，直接影响能源的开采效率和产量。实际地层中的流体流动是三维多方向同步进行的。地层储层通常是复杂的多孔介质，其中存在着复杂的孔隙和裂缝网络。流体在地层中的运移过程涉及多个方向的流动，即不仅包括沿着水平方向的流动，还包括沿着垂直方向的流动。这种三维多方向的流动在地质条件、应力状态和渗透性等方面都会产生显著的影响。然而，深部储层受到复杂的地应力状态影响，这导致储层渗透率的测量和预测面临挑战。

目前的实验测试设备在研究深部储层渗透率时，主要采用常规三轴应力下的岩体轴向渗透率测试，即在实验室条件下使用三轴压力实验仪，施加水平和轴向的应力于储层岩石样本上，模拟地层中的压力状态；然后在岩芯轴向方向通过预留流体注入通道注入流体，测量岩样在轴向上的渗透率来获得渗透率数据。这种方法仅考虑常规三轴状态，无法真实模拟深部储层三维各向异性地应力状态，因此对储层渗透性的理解有一定局限，难以获得全面准确的渗透率数据。

研究人员一直在寻找一种能够同时考虑真实三轴地应力状态的实验装置，以更准确地模拟深部储层的地质条件，为储层能源的开发提供更可靠的依据。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法

本发明通过如下技术方案实现：

深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，包括液压系统、立式框架、三轴六向加载系统、密封腔室、三轴六向压头组和试样密封装置；液压系统包括高压液压泵站,用于给三轴六向加载系统提供加载动力；立式框架为中空结构，三轴六向加载系统包括6个方向的液压缸，分别为两个X轴方向的液压缸、两个Y轴方向的液压缸和两个Z轴方向的液压缸；密封腔室装于立式框架的中空部位中,密封腔室在六个方向分别设有一个对接口,6个方向的液压缸的伸缩杆件分别从其中一个对接口伸入密封腔室内部，密封腔室有流体注入通道和流体流出通道；三轴六向压头组包括6个方向的加载压头，分别为X轴方向的一对加载压头、Y轴方向的一对加载压头和Z轴方向的一对加载压头；三轴六向压头组置于密封腔室内，6个加载压头的后端分别用于与其中一个液压缸的伸缩杆件对接，6个加载压头的前端分别用于对试样的6个面施压；至少一对加载压头上设有渗流通道，渗流通道前端贯通该加载压头的前端；试样密封装置具有容纳试样的空间，为试样隔绝密封腔室内的高压液体。

可选的，X轴方向的两个液压缸的下部设有滑动支撑结构，滑动支撑结构与两条水平滑轨滑动连接，水平滑轨与X轴方向平行，水平滑轨一端延伸至立式框架内部；所述立式框架外围的上下左右4个方向留有与4个圆形孔洞，所述Y轴方向两个液压缸、Z轴方向两个液压缸的缸体分别在其中一个圆形孔洞处与立式框架固定连接，其伸缩杆件依次穿过所述圆形孔洞、对接口伸入密封腔室内部；X轴方向的两个液压缸的缸体分别在X轴方向的两个对接口处与密封腔室固定连接。

可选的，每个加载压头上均开孔装有声发射探头。

可选的，6个加载压头内均设有介质通道，6个加载压头的前端均有多个渗流孔，多个渗流孔与对应的介质通道相通构成渗流通道；

所述试样密封装置包括柔性密封框，柔性密封框为立方体框架结构，柔性密封框有12条框边；实验时，试样黏合装在柔性密封框内，试样的棱角部位与柔性密封框的12条框边黏合密封配合；试样的6个面分别与其中一个加载压头接触,柔性密封框实现试样棱角部位的密封。

可选的，每个加载压头均包括压块，压块前端用于与试样紧密接触；压块包括压块底板和渗流板，压块底板前端的中心面凹陷平面，压块底板上开孔构成介质通道，介质通道一端开口于压块底板的凹陷平面中央，介质通道另一端开口于压块底板侧面。

可选的，6个压块通过多个自支撑构件组装在一起形成整体结构，所述自支撑构件包括两根导杆和导向套，两根导杆相互垂直，导向套上有分别与两根导杆适配的两个导向孔，两个导向孔相互垂直；其中一根导杆的一端与压块连接，其另一端穿过导向套的其中一个导向孔；另一根导杆一端与另一压块连接，其另一端穿过导向套的另一个导向孔；两个导杆的另一端开有环形槽，环形槽中安装有橡胶卡环；橡胶卡环位于导向套外侧，可防止两根导杆的另一端从导向套中脱出；

每一自支撑构件中，与其中一个压块连接的其中一根导杆与该压块所在的轴向垂直，相对应的另一导杆与该压块所在的轴向平行。

可选的，每个加载压头均还包括压头座，压块后端与压头座对接，压头座的后端连接液压缸的伸缩杆件实现应力传递。

可选的，其中两对加载压头为刚性平面式加载压头，另一对加载压头为剪切渗流压头，剪切渗流压头上设有渗流通道；所述剪切渗流压头包括固定压头和活动压头,固定压头前端开有活动压头安装槽，活动压头活动装于活动压头安装槽中，活动压头与槽底之前有轴向设置的弹簧；在不受外力时，活动压头与固定压头前端面处于同一平面；

所述试样密封装置包括热缩管，试样置于热缩管内，一对剪切渗流压头分别从热缩管两端的管口伸入其内部与试样的两个面直接接触；另外两对刚性平面式加载压头则隔着热缩管的管壁作用在试样的另外四个面上；剪切渗流压头的固定压头外壁设或者不设橡胶密封圈，橡胶密封圈用于与热缩管密封配合。

可选的，每对的其中一个加载压头上装有超声波发射探头，每对的另一个加载压头上装有超声波接收探头。

可选的，每对加载压头之间均设有位移检测装置,用于检测试样在X、Y、Z三个方向的变形量。

可选的，位移检测装置包括LVDT传感器，每个加载压头上安装有1个LVDT传感器，LVDT传感器的两端分别由Y形支座卡构件固定在相对两个加载压头上，LVDT传感器端部卡在Y形支座卡构件的前端开口中，在Y形支座卡构件的前端装有一活动螺母实现LVDT传感器位置的固定。

深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试方法，包括以下步骤：

S1，准备试样：根据实验需求制备立方体地质储层试样；

S2，将试样置于试样密封装置内；

S3，将试样和三轴六向加载压头组放置于密封腔室的中心位置，使六个液压缸的伸缩杆件分别接触其中一个加载压头；

S4，注油抽真空：关闭密封腔室的流体流出通道，向密封腔室内注满液压油；

关闭其中5个加载压头的渗流通道，开启另一个加载压头的渗流通道，通过真空泵经该开启的渗流通道对试样抽真空，随后关闭该渗流通道；

S5，三维应力加载：启动液压系统的高压油泵，采用力控制方式，利用三轴六向加载系统对试样分步依次循环加载，三个方向所分步数相等；

S6，流体吸附：开启其中一个加载压头的渗流通道，其余5个加载压头的渗流通道保持关闭，经该开启的渗流通道向试样充入流体，观察流体压力的动态变化情况，等流量计数值稳定后，吸附至吸附平衡；

S7，测定渗流参数：将所述其中一个加载压头相对的加载压头的渗流通道打开，观察该渗流通道出口压力变化随时间的变化规律，等待至该渗流通道出口流体压力稳定；调制X、Y、Z各向三向应力、加载方式、流体压力；从三向应力加载阶段开始动态测定以下参数：密封腔室的油压、XYZ三向压力、流体压力、试样的横向变形、试样的轴向变形、流体流量；

S8，停止实验、保存数据。

相对于现有技术，本申请具有如下有益效果：

1，本申请考虑了真实真三轴地应力状态，使渗透率测试能够在多轴地应力状态下进行，该实验装置将能够同时对储层样本在三个方向进行渗透率测试，模拟真实地应力状态，从而更全面地了解深部储层渗透率的演化规律；

2，本申请配套的剪切渗流压头，可实现真三维应力下储层岩石剪切-渗流一体化测试；

3，本申请可解决目前实验测试设备无法考虑真实三轴地应力状态多向渗透率参数同步监测及剪切渗流的难题，具有重要的实际应用价值和推广价值，对深部储层能源的开发和利用具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为实施例中深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统的三维图；

图2为实施例中深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统的YZ平面的剖视图；

图3为实施例中深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统的XZ平面的剖视图；

图4为实施例中压力室的三维图；

图5为实施例中三向渗流压头组的三维图；

图6为实施例中三向渗流压头组的剖视图；

图7为实施例中6个压块组装在一起时的三维图；

图8为实施例中6个压块组装在一起时的剖视图；

图9为实施例中自支撑构件的结构示意图；

图10为实施例中压块的三维图；

图11为实施例中压块的剖视图；

图12为实施例中压块底板的三维图；

图13为实施例中位移检测装置的三维图；

图14为实施例中柔性密封框的三维图；

图15为实施例中装样密封辅助装置的三维图；

图16为实施例中装样密封辅助装置的剖视图；

图17为实施例中支撑固定底座的三维图；

图18为实施例中框式限位杆的三维图；

图19为实施例中注胶框的三维图；

图20为实施例中三维应力剪切渗流压头组的三维图；

图21为实施例中三维应力剪切渗流压头组的剖视图；

图22为实施例中热缩管热缩后的三维图；

图23为实施例中刚性平面式加载压头的三维图；

图24为实施例中剪切渗流压头的三维图；

图25为实施例中剪切渗流压头的剖视图；

图26为实施例中剪切渗流压头的活动压头的三维图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本实施例公开的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，主要包括液压系统(图中未示出)、立式框架1、三轴六向加载系统、密封腔室3、试样密封装置和三轴六向压头组。

液压系统包括高压液压泵站,高压液压泵站用于给三轴六向加载系统提供加载动力。

三轴六向加载系统包括6个方向的液压缸2，具体为：两个X轴方向的液压缸2、两个Y轴方向的液压缸2和两个Z轴方向的液压缸2。6个液压缸2均具备多级伸缩结构，通过高压液压泵站提供加载动力，连接外部伺服控制系统进行位移、压力等不同模式的精确控制移动。

当然，液压缸2为高压液压缸。

其中，X轴方向的两个液压缸2为开放移动式设计，以便于试样安装工作及相关特殊实验等，X轴方向的两个液压缸2的下部设有滑动支撑结构21，滑动支撑结构21与两条水平滑轨103滑动连接，水平滑轨103与X轴方向平行，可根据需要沿水平X方向自由滑动X轴方向的两个液压缸2。

水平滑轨103的侧面上设计有连续凹槽，滑动支撑结构21包括与连续凹槽适配的凹槽支撑模块，凹槽支撑模块与连续凹槽连接，从而实现X轴方向的两个液压缸2的开放式拆卸。

如图1所示，立式框架1的整体外形为立方体结构，中部为圆形中空结构，水平滑轨103可通过螺丝与立式框架1固定,水平滑轨103一端延伸至立式框架1的中心圆腔内。立式框架1外围的上下左右4个方向留有与4个圆形孔洞，4个圆形孔洞分别用于与Y轴方向的两个液压缸2、Z轴方向的两个液压缸2密封连接，立式框架1用于与液压缸2接触的整个交连面预留有多个丝孔，通过螺栓或螺钉可将Y轴方向、Z轴方向的两对液压缸2连接固定。

立式框架1下部采用4个圆形立柱101支撑，圆形立柱101下部连接平面支撑构件102。

密封腔室3位于立式框架1的中心圆腔内，内部有用于容纳高压液体的空腔。如图4所示，密封腔室3在六个方向分别设有一个对接口31,分别用于与其中一个液压缸2对接。

具体的，Y轴方向以及Z轴方向的液压缸2的伸缩杆件可通过对应的对接口31接入密封腔室3内部，密封腔室3在X轴方向的两个对接口31的边缘设有多个丝孔33，可分别与X轴方向的两个液压缸2的缸体紧密对接，最终实现密封腔室3内部形成密封空间。在密封腔室3的6个对接口31的内部边缘间隔布设圆环形的高强度耐压耐磨橡胶塑条，可实现动态密封以保障密封腔室3内高压液压油密封，同时液压缸2的伸缩杆件可自由伸缩移动。

在密封腔室3周围留有多个流体孔道34，其中一部分流体孔道34作为注入通道可实现不同流体注入，其余流体孔道34作为流出通道，可实现流体流出。密封腔室3的注入通道通过液压油注入阀、管路连接液压油注入泵；密封腔室3的流出通道连接液压油流出阀。在实验过程中可向密封腔室3内注入高温高压液压油，实现流体密封作用，进而进行岩芯渗透率测试实验。

当然，深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统还包括流体注入、流出系统，流体注入系统包括外接气源、外接高压柱塞泵、流体注入管道、压力表等；流出系统包括流体流出管道、压力表、流量计等。

在一种可能的设计中，在密封腔室3周围留有多个传感器连接通道，可与外接多参量监测系统连接，可实现不同岩芯物理力学相关参量的获取。

在一种可能的设计中，密封腔室3为壳体结构。优选地，密封腔室3为球形壳体结构，内部有球形腔体,底部有支撑腿35，对接口31外端有同轴且一体制造的环形凸缘32；X轴方向两个对接口31外围的丝孔33均匀设于环形凸缘32上。

三轴六向压头组放置于密封腔室3内。如图5所示，三轴六向压头组包括6个方向的加载压头4，X、Y、Z三个轴各一对，6个方向的加载压头4的后端分别用于与其中一个液压缸2的伸缩杆件对接，6个加载压头4的前端分别用于对试样10的6个面施压，实现中心试样三轴六向应力加载。至少一对加载压头4上设有渗流通道，渗流通道前端贯通该加载压头4的前端。三轴六向压头组与六个液压缸2的伸缩杆件可通过螺钉和/或圆形连接导板85实现相接。

在一种可能的设计中，三轴六向压头组为三向渗流压头组。如图6所示，三向渗流压头组的6个加载压头4内均设有介质通道413，6个加载压头4的前端均有多个渗流孔414，多个渗流孔414与对应的介质通道413相通构成渗流通道。

可选的，该三向渗流压头组的每个加载压头4均包括矩形的压块41以及与其对接的压头座42，压块41前端用于与中心试样紧密接触，压块41后端与压头座42对接，压头座42前端为矩形、后端为圆形，压头座42的后端连接液压缸2的伸缩杆件实现应力传递。

值得说明的是，压块41后端与压头座42对接是指对中位置面接触关系，压头座42可事先通过螺钉连接在液压缸2的伸缩杆件上。

如图7、图8所示，6个方向的压块41通过多个自支撑构件43组装在一起形成整体结构。自支撑构件43包括两根导杆和导向套433，两根导杆相互垂直，导向套433上有分别与两根导杆适配的两个导向孔，两个导向孔相互垂直；其中一根导杆的一端与压块41连接，其另一端穿过导向套433的其中一个导向孔；另一根导杆一端与另一压块41连接，其另一端穿过导向套433的另一个导向孔；两个导杆的另一端开有环形槽，环形槽中安装有橡胶卡环435；橡胶卡环435位于导向套433外侧，可防止两根导杆的另一端从导向套433中脱出；每一自支撑构件43中，与其中一个压块41连接的其中一根导杆与该压块41所在的轴向垂直，相对应的另一导杆与该压块41所在的轴向平行。

可选的，其中一对压块41的四周分别通过一个或两个自支撑构件43与另外4个压块41连接；或者，每个压块41的4个侧面均配装有1个或2个自支撑构件43。6个压块41通过该构件可实现相互支撑作用。在一种可能的设计中，Z轴方向的两个压块41的四周分别通过一个或两个自支撑构件43与另外4个压块41连接。

如图9所示，自支撑构件43包括水平导杆431、竖直导杆432和导套433，导套433上有水平导孔和竖直导孔，水平导杆431的一端与Z轴方向的压块41连接，水平导杆431的另一端穿过导套433的水平导孔，水平导杆431的另一端开环形槽套装有橡胶卡环435，橡胶卡环435的外径大于导孔孔径，继而防止水平导杆431另一端从导套433中脱出。同理，竖直导杆432的一端与X轴或Y轴方向的压块41连接，竖直导杆432的另一端穿过导套433的竖直导孔，竖直导杆432另一端开环形槽套装有橡胶卡环435，可防止竖直导杆432另一端从导套433中脱出。通过多个自支撑构件43的共同作用，可将6个压块41组装在一起，允许其在外力作用下沿其轴向移动继而传递压力给中心试样，同时又能防止其向其轴向以外的其他方向移动。

在一种可能的设计中，竖直导杆432前端、水平导杆431前端以及导套433的水平导孔和竖直导孔均为六棱形434，可实现二者限位对接并可相对轴向移动。

如图10、图11所示，每个压块41的前端有多个渗流孔414，每个压块41的中心位置设有圆形的介质通道413，介质通道413与渗流孔414相通，介质通道413通过渗流管道415与外接流体注入-流出系统连接，渗流管道415上有截止阀。实验时，在X、Y、Z方向的其中一个方向注入流体，然后从其相对的方向流出则可实现储层岩石试样的某一方向的渗透性测试，在进行某一方向渗透性测试实验时其它两个方向则保持密封状态，依次类推可实现真三维应力场下岩体试样三个方向的渗流特性实时测试。

在一种可能的设计中，如图10-图12所示，压块41包括压块底板411和渗流板412，压块底板411前端的中心面有一6mm深的凹陷平面，压块底板411上开孔构成介质通道413，介质通道413一端开口于压块底板411的凹陷平面中央，介质通道413另一端开口于压块底板411侧面。

渗流板412嵌装在压块底板411前端的凹陷平面中，渗流板412正面设有均匀分布的渗流孔414。渗流板412四边均设有一磁性凸出圆角方块419，可实现渗流板412与压块底板411的紧密对接。

每个压块41上设有4个声发射探头安装孔与声发射采集导线通道，声发射安装孔中装有声发射探头416，三轴六向压头组共24个声发射探头416，声发射探头416通过采集导线417与外接声发射采集仪连接，压块41上的介质通道413通过渗流管道415与外接高压柱塞泵连接，可实现试样在三轴六向真三轴压力加载环境下的三轴六向渗流及声发射参数实时监测采集。

可选的，压块底板411其中两侧各设计有两个声发射采集导线通道，以此实现声发射采集导线417的布设。可选的，在压块底板411前端留有直径6mm、深度10mm的圆孔作为声发射探头安装孔，确保声发射探头416安装嵌入，在渗流板412上对应每个声发射探头416的位置分别设有一个直径8mm的通孔来安装高强度工程陶瓷418，以此达到传递声波并避免探头受高压损坏效果。特别的，在声发射探头安装孔孔底可放置一个高性能弹簧片使声发射探头416与高强度工程陶瓷418紧密接触，以此达到信号的保真保质传输。

在一种可能的设计中，如图12所示，压块底板411前端的凹陷平面有相互贯通的环状米字形流体通路410，介质通道413的前端位于环状米字形流体通路410中央；可选的，环状米字形流体通路410包括多个同心的环形槽和多个周向等间隔布置的径向槽，径向槽一端与介质通道413前端贯通，径向槽另一端贯通多个环形槽。

在一种可能的设计中，渗流板412背面留有相互贯通的环状米字形流体通路，渗流孔414与渗流板412背面的环状米字形流体通路贯通。

如图5、图6所示，每对加载压头4之间均设有位移检测装置,可以检测试样10在X、Y、Z三个方向的变形量。位移检测装置包括LVDT传感器7。可选的，每个加载压头4上安装有1个LVDT传感器7，共6个LVDT传感器7，实现每个方向2个变形数据采集，可实现X、Y、Z三个方向变形的精确测量。

如图13所示，LVDT传感器7的两端分别由Y形支座卡构件71固定在相对两个加载压头4的压头座42上，LVDT传感器7端部卡在Y形支座卡构件71的前端开口中，在Y形支座卡构件71的前端装有一活动螺母72实现LVDT传感器7位置的调整并固定。

用试样密封装置隔绝密封腔室3内的高压液压油。在一种可能的设计中，试样密封装置包括柔性密封框5。如图7、图8、图14所示，试样10黏合装在柔性密封框5内，试样10为立方体试样，柔性密封框5为立方体框架结构，柔性密封框5有12条框边，框边内侧有与试样10棱角适配的角度结构，试样10的棱角部位与柔性密封框5的12条框边黏合密封配合。实验时，试样10的6个面分别与6个压块41中的其中一个接触,柔性密封框5实现试样10棱角部位的密封，可防止渗流介质从试样10的边缘流出。

柔性密封框5可为高性能耐压硅胶材质。

如图15、图16所示，本实施例提供一种装样密封辅助装置6，其包括支撑固定底座61、框式限位杆62和注胶框63。

如图17所示，支撑固定底座61为矩形结构，支撑固定底座61的顶面设计为有一定深度的矩形凹槽型，矩形凹槽611的边长与实验用压头前端的压块41的边长一致，可用于放置下侧的压块41；其底部留设有螺纹通孔，并在支撑固定底座61底部的4个边中部位置分别设计有一个卡槽612，用于固定4个L形限位杆621；支撑固定底座61顶部的4个边位置各设有一个凸起的支撑柱613，支撑柱613用于支撑注胶框63。

如图18所示，框式限位杆62包括4个L形限位杆621和上部限位横杆622，4个L形限位杆621沿周向等间隔布置，L形限位杆621的水平部有螺钉孔，L形限位杆621的水平部对应插入支撑固定底座61的卡槽612中并通过螺钉与支撑固定底座61连接。4个L形限位杆621的竖直部的内侧有横向支撑平台623，用于支撑前后左右4个压块41；同时，L形限位杆621的竖直部上对应压块41中部的位置各装有一个限位螺丝624，可用于对压块41位置进行固定。

上部限位横杆622的两端用螺钉可分别连接固定前后两个L形限位杆621，使整体结构稳定，并能对上侧压块41进行固定限位。

值得说明的是，横向支撑平台623与注胶框63底部高度相同。

如图19所示，注胶框63为立方体框架结构，有12条棱边；注胶框63的6个镂空面可使6个压块41贴合进入，并与压块41周边形成密封，可保证高粘度塑态硅胶不从楞缝溢出且可使试样10棱角与压块41端部粘合密封。

注胶框63的12条棱边内侧为圆弧形凹槽结构633，可确保高强度硅胶注入凝固均匀。

注胶框63整体为可拆卸设计。可选的，注胶框63包括底部和上部的方形框631与四个立方柱632采用螺丝连接。注胶框63上部和底部的方形框631其中一边设有一个胶孔634。密封时，硅胶从底部方形框631的胶孔634由空气压力泵经一定压力注入充满试样10与注胶框63棱边的整个空间，并从上部方形框631的胶孔634溢出；当注胶框63内硅胶完全凝固后形成具有一定粘结强度的柔性密封框5。

装样密封辅助装置6的使用方法：将底部的压块41放置于支撑固定底座61上，接着将注胶框63放置在支撑固定底座61上并限位固定；然后将边长100mm的立方体试样放置于底部的压块41上；随后将其余5个压块41依次安装在试样10的另外5个面上，并采用框式限位杆62进行固定；此后采用多个自支撑构件43将6个压块41固定；将外部高压注胶系统与注胶框63的注胶孔连接，采用高压注胶系统将高强度塑性硅胶从注胶框63底部的胶孔634注入，在注压作用下硅胶进入注胶框63并将试样10的12个棱角边缘填充，硅胶凝固后将试样10的棱角与6个压块41的边缘紧密贴合，并形成一定强度的密封系统；随后卸除装样密封辅助装置6，将带装有试样10的柔性密封框5、压块41及多个自支撑构件43整体取出，以备实验。

在装样密封辅助装置6配合下，采用高性能耐压硅胶实现试样10棱角部位的密封，由此在密封腔室3内高压液压油作用下实现试样柔性密封，进而实现真三维应力下岩石试样三向渗流测试实验。

上述三向渗流压头组的加载压头4为可拆卸式，以此可实现不同地址储层赋存应力、流体环境等工况需求。为了模拟深部储层在真三维应力、流体耦合环境下岩体剪切-渗流力学行为规律，本实施例还特设计配备了另一种三轴六向压头组,该三轴六向压头组为三维应力剪切渗流压头组，用于实现真三维应力下储层岩石剪切-渗流一体化测试。如图20、图21所示，三维应力剪切渗流压头组的其中两对加载压头4为刚性平面式加载压头，另一对加载压头4为剪切渗流压头。

可选的，X、Y轴方向的4个加载压头4为刚性平面式加载压头，Z轴方向的2个加载压头4为剪切渗流压头。

为模拟实际深部工程三维应力与流体共同作用下储层岩体剪切渗流特性，用试样密封装置隔绝密封腔室3内的高压液压油。在一种可能的设计中，试样密封装置包括高强度耐压耐温热缩管。如图21、图22所示，在试样10周围采用高强度耐压耐温的热缩管84隔绝密封腔室3内的高压液压油。一对剪切渗流压头分别从热缩管84两端的管口伸入其内部与试样10的两个面直接接触；另外两对刚性平面式加载压头则隔着热缩管84的管壁作用在试样10的另外四个面上。

安装试样过程中，将热缩管84包裹在试样10周围并用热风枪进行均匀加热以此确保热缩管84与试样10紧密接触；同时热缩管84两端将上下剪切渗流压头中部位置的耐压橡胶密封圈89紧密覆盖；为确保密封效果，在热风枪加热后将热缩管84两端用耐压胶带紧密缠绕，使整个试样10在实验过程中处于完全密封状态。可选的，热缩管84为有机铁氟龙热缩管。

如上所述，为实现三维应力加载、单向剪切应力下岩体剪切破裂特性，在垂直方向的两个加载压头4设计为剪切渗流压头，剪切渗流压头前端一半为活动式。具体的，如图24、图25所示，剪切渗流压头包括固定压头811和活动压头812,固定压头811前端开有活动压头安装槽，活动压头812活动装于活动压头安装槽中，在槽底安装有轴向的弹簧813，弹簧813位于活动压头812下方，在不受压力时可保证活动压头812与固定压头811前端面处于同一平面；在受压力时活动压头812可压缩弹簧813向槽底侧移动。

可选的，如图26所示，活动压头812的侧面设有一条形限位槽8121，将一铆钉通过固定压头811外部插入条形限位槽8121，可实现活动压头812的限位，使其上下活动位移限制在一定的范围内，结合底部弹簧813可确保活动压头812的空载固定。

在一种可能的设计中，为实现剪切应力下流体的注入与流出，在垂向两个剪切渗流压头中设有介质通道413作为渗流通道，介质通道413一端开口于剪切渗流压头前端中央，另一端开口于剪切渗流压头侧面。特别的，由固定压头811前端中间位置轴向开一个到固定压头811中部的半通孔；固定压头811上有直角通孔，直角通孔一端开口于固定压头811侧面，直角通孔另一端与半通孔连通并贯通活动压头安装槽的槽底；在活动压头812一侧的中部位置有与固定压头811适配的半通孔8122，两个半通孔8122可共同组成一个圆孔，圆孔与固定压头811上的直角通孔共同构成介质通道413，可使流体由测周流至压头前端；介质通道413与外部流体泵相连可实现高压流体的注入/流出等，以此达到模拟三维应力下岩体剪切-渗流环境。

固定压头811中部外周装有耐压橡胶密封圈89。

可选的，活动压头812由两个弹簧813进行连接支撑。

在一种可能的设计中，剪切渗流压头前端面开有多个同心的环形槽88和多个周向间隔布置的径向槽87，径向槽87一端与介质通道413前端贯通，径向槽87另一端贯通多个环形槽88，介质通道413与环形槽88、径向槽87共同构成渗流通道。

如图23、图24所示，每个加载压头4的四角位置留设声发射探头安装通道，并开设传感导线通孔延伸至压头后端；声发射探头安装通道中装有耐压耐温的声发射探头416，该三轴六向压头组共24个声发射探头416，用以全面监测储层岩石在复杂应力、流体等条件下损伤破裂全过程三维演化特性。在加载压头4的中部位置开两个超声波探头传感导线通孔延伸至加载压头4后端。

在每个加载压头4的端面中部位置对称安设2个超声波发射探头82或超声波接收探头83，一个为P波，一个为S波；共12个超声探头。值得说明的是，在一个轴的两个相对方向分别安设超声波发射探头82、超声波接收探头83，可研究岩石试样在变形破坏全过程超声波速演化规律。

可选的，如图20所示，加载压头4的后端设计有“Y”形凹槽810，可使声发射探头、超声波探头传感导线沿“Y”形凹槽810布设至压头边缘，以此便于布设且避免导线受压破坏。如图21所示，在每个加载压头4后端安装有一圆形连接导板85，圆形连接导板85一端为圆形平面与加载压头4后端连接，用以密封声发射、超声波监测导线并承重；圆形连接导板85另一端呈圆环状，用于与液压缸2的伸缩杆件相接，并可用螺丝固定，以此达到加载压头4与液压缸2伸缩杆件连接实现传力作用。

在一种可能的设计中，每个加载压头4上安装有1个LVDT传感器7，共6个，实现每个方向2个变形数据采集，可实现X、Y、Z三个方向变形的精确测量。

LVDT传感器7的两端分别由Y形支座卡构件71固定在相对两个加载压头4的压头座42上，LVDT传感器7端部卡在Y形支座卡构件71的前端开口中，在Y形支座卡构件71的前端装有一活动螺母72实现LVDT传感器7位置的调整并固定。

本实施例公开的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试方法，包括以下步骤：

S1，准备试样10：根据实验需求制备立方体地质储层试样；可选的，试样10的边长在100±0.02mm，为保证密封效果，试样10的12个棱边磨成导角45°，导角楞宽3±0.02mm。

S2，将试样10置于试样密封装置内；

S3，将试样10和三轴六向压头组放置于密封腔室3的中心位置；缓慢控制Z轴方向两个液压缸2的伸缩杆件接触上、下加载压头4；缓慢控制Y轴方向两个液压缸2的伸缩杆件接触左右加载压头4，使其上下左右压头受力在10kN左右；

将X轴方向两个开放式液压缸2的缸体与密封腔室3对接并拧紧固定螺丝，使密封腔室3内形成密封空间；随后缓慢控制X轴方向两个液压缸2的伸缩杆件接触前后两个加载压头4；使其压头受力在10kN左右。

S4，注油抽真空：关闭密封腔室3的液压油流出阀，开启液压油注入阀，开启液压油注入泵，使液压油充满密封腔室3，并加压使密封腔室3内液压至1Mpa；

随后预先将三个方向的力加载至预定载荷值的2-4％；关闭其中5个加载压头4的渗流通道，开启另一个加载压头4的渗流通道，通过真空泵经该开启的渗流通道对试样10抽真空，随后关闭该渗流通道；

比如，关闭左、右、前、后以及上侧的5个加载压头4的渗流管道415上的截止阀，开启下侧加载压头4的渗流管道415上的截止阀，由下侧加载压头4的渗流管道415连接真空泵对试样10抽真空，持续两小时，真空度达1000Pa；关闭真空泵，关闭该渗流管道415的截止阀；

S5，三维应力加载：启动液压系统的高压油泵，利用独立的高压油泵向密封腔室3内注油加压，保证密封腔室3内的液压油的压力值高于渗流气体压力1MPa，以此确保试样密封效果；启动声发射监测系统，声发射监测系统与声发射采集导线417外端连接；

采用力控制方式，利用三轴六向加载系统对试样10分步依次循环加载，三个方向所分步数相等；以防止试样10被偏应力压坏，并更准确模拟实际工况；

以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向，加载顺序可依次为Z向→X向→Y向→Z向，循环依次递增1MPa至预定载荷值。

S6，流体吸附：开启其中一个加载压头4的渗流通道，其余5个加载压头4的渗流通道保持关闭，经该开启的渗流通道向试样10充入瓦斯，观察瓦斯压力的动态变化情况，等流量计数值稳定后，吸附至吸附平衡；

比如，将Z轴方向上侧加载压头4的渗流管道415连接瓦斯气瓶，打开瓦斯气瓶减压阀，开启瓦斯气体增压装置；打开Z轴方向上侧加载压头4的渗流管道415的截止阀，关闭其余5个加载压头4的渗流管道415的截止阀，向试样10充入瓦斯，观察瓦斯压力的动态变化情况，等流量计数值稳定后，吸附12小时，直至吸附平衡。

S7，测定渗流参数：Z轴方向下侧加载压头4的渗流管道415作为留出通道连接流出系统，开启Z轴方向下侧加载压头4的渗流管道415的截止阀，观察该渗流管道415出口压力变化随时间的变化规律，等待至该渗流管道415出口瓦斯压力稳定；调制X、Y、Z各向三向应力、加载方式、瓦斯压力等；从三向应力加载阶段开始动态测定以下参数：密封腔室3的油压、XYZ三向压力、瓦斯压力、试样10的横向变形、试样10的轴向变形、瓦斯流量等。

其中，XYZ三向压力过液压缸杆件内部表面的应力监测装置监测采集。

值得说明的是，瓦斯流量指瓦斯气体通过上侧渗流管道415进口流入，通过试样10后，经下侧渗流管道415流出的部分，可通过流量计测量。

同理，当测定单一X方向渗透率时，关闭Y、Z方向压块连接的流体通道；测定其它方向时，依次类推。

值得说明的是，若采用三向渗流压头组测定三向渗流参数，每次单独测定一个方向的渗流参数，一个方向测定完毕，然后测定其他方向，最终测完每个方向的渗流参数。

S8，实验停止：先关掉瓦斯气体增压装置，关掉瓦斯气瓶减压阀，待气体压力卸除后，再关闭连接密封腔室3的液压油注入泵，卸掉密封腔室3内密封注塞泵压力，最后卸载应力。

应力的卸载顺序为Y向→X向→Z向→Y向，循环依次递减1MPa，载卸载完成后，关掉各液压缸2对应的油泵。

S9，数据存储：保存数据采集系统记录的所有数据；取出试样10，观察试样10形态。

值得说明的是，上面采用的瓦斯作为流体进行说明，实际上可以是任何流体，包括但不限于瓦斯、二氧化碳、氮气、水等等。

本申请实现了考虑真实真三维地应力状态下岩芯三向渗透率测试，可同时对储层岩芯在三个方向的应力场-变形场-渗流场-声发射场进行三维实时测试；此外，搭配三维应力剪切-渗流配套压头，可实现真三维应力场下储层岩体剪切-渗流耦合影响下岩体变形破裂过程多参数同步监测。本申请可更好地满足实际地层储层中流体流动的三维多方向特性，提供更准确和可靠的渗透率数据，能更全面地了解储层中流体的运移行为，为储层能源的开发和利用提供更科学的基础参数支撑。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，包括：

液压系统，包括高压液压泵站,用于给三轴六向加载系统提供加载动力；

立式框架(1)，为中空结构；

三轴六向加载系统，包括6个方向的液压缸(2)，分别为两个X轴方向的液压缸(2)、两个Y轴方向的液压缸(2)和两个Z轴方向的液压缸(2)；

密封腔室(3)，装于立式框架(1)的中空部位中,密封腔室(3)在六个方向分别设有一个对接口(31),6个方向的液压缸(2)的伸缩杆件分别从其中一个对接口(31)伸入密封腔室(3)内部；密封腔室(3)有流体注入通道和流体流出通道；

三轴六向压头组，包括6个方向的加载压头(4)，分别为X轴方向的一对加载压头(4)、Y轴方向的一对加载压头(4)和Z轴方向的一对加载压头(4)；三轴六向压头组置于密封腔室(3)内，6个加载压头(4)的后端分别用于与其中一个液压缸(2)的伸缩杆件对接，6个加载压头(4)的前端分别用于对试样(10)的6个面施压；至少一对加载压头(4)上设有渗流通道，渗流通道前端贯通该加载压头(4)的前端；

试样密封装置，具有容纳试样(10)的空间，为试样(10)隔绝密封腔室(3)内的高压液体。

2.根据权利要求1所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，X轴方向的两个液压缸(2)的下部设有滑动支撑结构(21)，滑动支撑结构(21)与两条水平滑轨(103)滑动连接，水平滑轨(103)与X轴方向平行，水平滑轨(103)一端延伸至立式框架(1)内部；

所述立式框架(1)外围的上下左右4个方向留有与4个圆形孔洞，所述Y轴方向两个液压缸(2)、Z轴方向两个液压缸(2)的缸体分别在其中一个圆形孔洞处与立式框架(1)固定连接，其伸缩杆件依次穿过所述圆形孔洞、对接口(31)伸入密封腔室(3)内部；

X轴方向的两个液压缸(2)的缸体分别在X轴方向的两个对接口(31)处与密封腔室(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，每个加载压头(4)上均开孔装有声发射探头(416)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，6个加载压头(4)内均设有介质通道(413)，6个加载压头(4)的前端均有多个渗流孔(414)，多个渗流孔(414)与对应的介质通道(413)相通构成渗流通道；

所述试样密封装置包括柔性密封框(5)，柔性密封框(5)为立方体框架结构，柔性密封框(5)有12条框边；

实验时，试样(10)黏合套装在柔性密封框(5)内，试样(10)的棱角部位与柔性密封框(5)的12条框边黏合密封配合；试样(10)的6个面分别与其中一个加载压头(4)接触,柔性密封框(5)实现试样(10)棱角部位的密封。

5.根据权利要求4所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，每个加载压头(4)均包括压块(41)，压块(41)前端用于与试样(10)紧密接触；

压块(41)包括压块底板(411)和渗流板(412)，多个渗流孔(414)设于渗流板(412)上，压块底板(411)前端的中心面凹陷平面，压块底板(411)上开孔构成介质通道(413)，介质通道(413)一端开口于压块底板(411)的凹陷平面中央，介质通道(413)另一端开口于压块底板(411)侧面。

6.根据权利要求5所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，6个压块(41)通过多个自支撑构件(43)组装在一起形成整体结构，所述自支撑构件(43)包括两根导杆和导向套(433)，两根导杆相互垂直，导向套(433)上有分别与两根导杆适配的两个导向孔，两个导向孔相互垂直；其中一根导杆的一端与压块(41)连接，其另一端穿过导向套(433)的其中一个导向孔；

另一根导杆一端与另一压块(41)连接，其另一端穿过导向套(433)的另一个导向孔；两个导杆的另一端开有环形槽，环形槽中安装有橡胶卡环(435)；橡胶卡环(435)位于导向套(433)外侧，可防止两根导杆的另一端从导向套(433)中脱出；

每一自支撑构件(43)中，与其中一个压块(41)连接的其中一根导杆与该压块(41)所在的轴向垂直，相对应的另一导杆与该压块(41)所在的轴向平行。

7.根据权利要求4、5或6所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，每个加载压头(4)均还包括压头座(42)，压块(41)后端与压头座(42)对接，压头座(42)的后端连接液压缸(2)的伸缩杆件实现应力传递。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，其中两对加载压头(4)为刚性平面式加载压头，另一对加载压头(4)为剪切渗流压头，剪切渗流压头上设有渗流通道；

所述剪切渗流压头包括固定压头(811)和活动压头(812),固定压头(811)前端开有活动压头安装槽，活动压头(812)活动装于活动压头安装槽中，活动压头(812)与槽底之前有轴向设置的弹簧(813)；在不受外力时，活动压头(812)与固定压头(811)前端面处于同一平面；

所述试样密封装置包括热缩管(84)，试样(10)置于热缩管(84)内，一对剪切渗流压头分别从热缩管(84)两端的管口伸入其内部与试样(10)的两个面直接接触；另外两对刚性平面式加载压头则隔着热缩管(84)的管壁作用在试样(10)的另外四个面上；

剪切渗流压头的固定压头(811)外壁设或者不设橡胶密封圈(89)，橡胶密封圈(89)用于与热缩管(84)密封配合。

9.根据权利要求8所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，每对的其中一个加载压头(4)上装有超声波发射探头(82)，每对的另一个加载压头(4)上装有超声波接收探头(83)。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，其特征在于，每对加载压头(4)之间均设有位移检测装置,用于检测试样(10)在X、Y、Z三个方向的变形量；

优选地，位移检测装置包括LVDT传感器(7)，每个加载压头(4)上安装有1个LVDT传感器(7)，LVDT传感器(7)的两端分别由Y形支座卡构件(71)固定在相对两个加载压头(4)上，LVDT传感器(7)端部卡在Y形支座卡构件(71)的前端开口中，在Y形支座卡构件(71)的前端装有一活动螺母(72)实现LVDT传感器(7)位置的固定。

11.深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试方法，其特征在于，采用了如权利要求1-10中任一项所述的深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，包括以下步骤：

S1，准备试样(10)：根据实验需求制备立方体地质储层试样；

S2，将试样(10)置于试样密封装置内；

S3，将试样(10)和三轴六向加载压头组放置于密封腔室(3)的中心位置，使六个液压缸(2)的伸缩杆件分别接触其中一个加载压头(4)；

S4，注油抽真空：关闭密封腔室(3)的流体流出通道，向密封腔室(3)内注满液压油；

关闭其中5个加载压头(4)的渗流通道，开启另一个加载压头(4)的渗流通道，通过真空泵经该开启的渗流通道对试样(10)抽真空，随后关闭该渗流通道；

S5，三维应力加载：启动液压系统的高压油泵，采用力控制方式，利用三轴六向加载系统对试样(10)分步依次循环加载，三个方向所分步数相等；

S6，流体吸附：开启其中一个加载压头(4)的渗流通道，其余5个加载压头(4)的渗流通道保持关闭，经该开启的渗流通道向试样(10)充入流体，观察流体压力的动态变化情况，等流量计数值稳定后，吸附至吸附平衡；

S7，测定渗流参数：将所述其中一个加载压头(4)相对的加载压头(4)的渗流通道打开，观察该渗流通道出口压力变化随时间的变化规律，等待至该渗流通道出口流体压力稳定；调制X、Y、Z各向三向应力、加载方式、流体压力；从三向应力加载阶段开始动态测定以下参数：密封腔室(3)的油压、XYZ三向压力、流体压力、试样(10)的横向变形、试样(10)的轴向变形、流体流量；

S8，停止实验、保存数据。