CN117723407A - 深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，S1，准备试样；S2，将试样置于试样夹具内，试样夹具包括6个方向的矩形压头，试样的12个棱角部位以及6个矩形压头的边缘通过柔性密封框密封；S3，将试样夹具置于密封腔室的内，6个方向的液压缸的伸缩杆件分别与6个矩形压头接触；S4，向密封腔室内注满液压油，并对试样抽真空；S5，三维应力加载；S6，流体吸附：S7，测定渗流参数。本申请实现了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；可更好地模拟实际地层储层中流体流动的三维多方向特性，继而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，利于储层能源的开发和利用。

Description

深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法

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下多向渗流规律测试方法。

背景技术

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。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。

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，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。

目前,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，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，且只能测试轴向上的渗透参数，难以获得全面准确的渗透率数据。

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下多向渗流规律测试方法。

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下多向渗流规律测试方法,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，将试样置于试样夹具内；

所述试样夹具包括6个方向的矩形压头，6个矩形压头的前端分别与试样的6个面接触，6个矩形压头上均设有渗流通道，渗流通道前端贯通矩形压头的前端；试样的12个棱角部位以及6个矩形压头的边缘通过柔性密封框密封；柔性密封框为立方体框架结构，柔性密封框有12条框边，试样的棱角部位与柔性密封框的12条框边密封配合；

S3，将装有试样的试样夹具置于密封腔室的内，密封腔室在六个方向分别设有一个对接口,6个对接口分别供6个方向的液压缸的伸缩杆件伸入，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；

6个液压缸的伸缩杆件前端均装有压头座，缓慢控制液压缸，使六个液压缸伸缩杆件前端的压头座分别与其中一个6个矩形压头的后端接触；

在每对压头座或每对矩形压头之间均设位移检测装置,用于检测试样在X、Y、Z三个方向的变形量；

S4，注油抽真空：向密封腔室内注满液压油；

关闭其中5个矩形压头的渗流通道，开启另一个矩形压头的渗流通道，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：利用6个液压缸对试样分步依次循环加载；

S6，流体吸附：开启其中一个矩形压头的渗流通道，其余5个矩形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：将所述其中一个矩形压头相对的另一矩形压头的渗流通道打开，作为流体流出通道，等待至流体流出通道出口流体流量稳定，观察该流体流出通道出口压力和流量随时间的变化规律，一段时间后停止该测试环境下该方向的岩体渗透性；随后，关闭该已测方向的矩形压头的渗流通道，开启另一方向的矩形压头的渗流通道进行另一方向的岩体渗透率测试；依次类推，测试剩下另一方向的岩体渗透性，由此完成同一三维应力、流体压力环境下岩体三向渗透性测试完；

调制X、Y、Z各向三向应力、加载方式、流体压力，重复S5-S7步骤，测定不同储层环境条件下的岩体三维渗透性；

S5至S7的过程中动态测定以下参数：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、流体流出通道流出的流体流量；

S8，停止实验、保存数据：卸除外接渗流流体压力，缓慢卸载三向应力，最后关闭液压源，拆出试样。

可选的，所述位移检测装置包括LVDT传感器，每个矩形压头配有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矩形压头或压头座上，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。

可选的，密封腔室装于立式框架的中空部位中,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；

S3中，先缓慢控制Z轴、Y轴方向四个液压缸前端的压头座分别接触Z轴、Y轴方向的4个矩形压头；然后将X轴方向两个开放式液压缸的缸体分别在X轴方向的两个对接口处通过螺钉或螺栓与密封腔室固定连接，随后缓慢控制X轴方向的两个液压缸前端的压头座接触X轴方向的两个矩形压头。

可选的，每个矩形压头上均开孔装有声发射探头，声发射探头通过声发射采集导线与声发射监测系统连接；所述步骤S5中的，打开声发射监测系统。

可选的，矩形压头包括压头底板和渗流板，渗流板上有均匀布设的多个渗流孔，压头底板前端的中心面凹陷平面，压头底板上开孔构成介质通道，介质通道一端开口于压头底板的凹陷平面中央，介质通道另一端开口于压头底板侧面；多个渗流孔与对应的介质通道相通构成渗流通道。

可选的，试样夹具还包括多个自支撑构件，所述步骤S2中，6个方向的矩形压头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矩形压头连接，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矩形压头连接，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，与其中一个矩形压头连接的其中一根导杆与该矩形压头所在的轴向垂直，相对应的另一导杆与该矩形压头所在的轴向平行。

可选的，其中一对矩形压头的四周分别通过一个或两个自支撑构件与另外4个矩形压头连接；或者，每个矩形压头的4个侧面均配装有1个或2个自支撑构件。

可选的，所述S2包括以下步骤：

S2.1，试样放置在立方体结构的注胶框内，6个矩形压头的前端分别从注胶框的6个镂空面贴合进入其内部与试样的6个面紧密接触，注胶框与矩形压头周边形成密封，使试样与注胶框不接触并位于注胶框的中央，注胶框整体为可拆卸设计；

S2.2，用注胶泵将密封胶缓慢注满注胶框棱边与试样的棱边的整个空间；

将6个矩形压头连接在一起；

等待至注胶框内密封胶完全凝固并形成具有一定粘结强度的柔性密封框，此时试样黏合套装在柔性密封框内，试样的6个面分别与6个矩形压头紧密接触,试样的棱角部位与柔性密封框的12条框边黏合密封配合，矩形压头的四周与柔性密封框的框边密封配合；

S2.3，拆散注胶框，使注胶框与6个矩形压头、试样及柔性密封框分离，获得6个矩形压头、试样及柔性密封框构成的整体结构。

优选地，所述注胶框包括底部的方形框、顶部的方形框以及中间的四个立柱，两个方形框与四个立柱采用螺钉连接，两个方形框的其中一边均设有一个胶孔；

所述S2.2中，密封胶从底部方形框的胶孔由注胶泵经一定压力注入充满试样与注胶框棱边的整个空间，并从上部方形框的胶孔溢出。

可选的，所述S2采用了装样辅助装置，所述装样辅助装置包括4个L形限位杆、支撑底座和顶部限位横杆，支撑底座底部的4个边中部位置分别设有一个卡槽，支撑底座顶部有4个支撑柱，4个支撑柱分别矩形凹槽的4条边外侧；所述L形限位杆的竖直部内侧有横向支撑平台，L形限位杆的竖直部上开水平孔装有螺纹顶杆，螺纹顶杆位于横向支撑平台上方；

所述S2.1包括以下步骤：

将4个L形限位杆的水平部一一卡入支撑底座底部的4个卡槽中并通过螺钉与支撑底座连接固定；

将底部的矩形压头放置在支撑底座顶面的矩形凹槽中；

将注胶框底部的方形框与四个立柱的底端用螺钉连接固定；随后放置于支撑底座的4个支撑柱上，使底部的矩形压头的前端从底部方形框的镂空面贴合进入，并与该方形框周边形成密封。

将试样放置在注胶框内并置于底部的矩形压头上，调整位置使其位于中间位置；

将注胶框顶部的方形框与四个立柱的顶端用螺钉连接固定；

将前后左右四个矩形压头分别放置在4个L形限位杆的横向支撑平台上，使得四个矩形压头分别与试样的4个面正对；旋转螺纹顶杆，螺纹顶杆前端顶在矩形压头上，使矩形压头前端从4个立柱之间贴合进入至试样的四个侧面紧密贴合；

将顶部矩形压头通过顶部方形框的镂空面放置于试样的顶面；随后，将顶部限位横杆的两端与其中相对的两个L形限位杆的顶部连接，顶部限位横杆使顶部的矩形压头紧密贴合在试样的顶面；

S2.3中，依次卸除顶部限位横杆、螺纹顶杆；随后拆除注胶框的螺钉，缓慢拆除L形限位杆，将试样、柔性密封框和6个矩形压头整体取出。

相对于现有技术，本申请具有如下有益效果：

本申请通过模拟真实三轴地应力状态，使渗透率测试在多轴地应力状态下进行，并对储层样本在三个方向进行渗透率测试，从而能更全面地了解深部储层渗透率的演化规律，对深部储层能源的开发和利用具有重大意义，具有重要的实际应用价值和推广价值。

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为实施例中三向渗流测试系统的三维图；

图2为实施例中三向渗流测试系统的XZ平面的剖视图；

图3为实施例中密封腔室的三维图；

图4为实施例中试样夹具的三维图；

图5为实施例中自支撑构件的结构示意图；

图6为实施例中矩形压头的三维图；

图7为实施例中矩形压头的剖视图；

图8为实施例中压头底板的三维图；

图9为实施例中试样夹具与6个压头座对接在一起时的三维图；

图10为实施例中试样夹具与6个压头座对接在一起时的剖视图；

图11为实施例中试样装于试样夹具内时的剖视图；

图12为实施例中柔性密封框的三维图；

图13为实施例中位移检测装置的三维图；

图14为实施例中利用注胶框注胶的剖视图；

图15为实施例中注胶框的三维图。

图16为实施例中装样辅助装置的三维图；

图17为实施例中装样辅助装置的剖视图；

图18为实施例中支撑固定底座的三维图；

图19为实施例中框式限位杆的三维图；

图20为实施例利用装样辅助装置装样、密封时的示意图。

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。

本实施例公开的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其采用了三向渗流测试系统。如图1、图2所示，三向渗流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和试样夹具。

其中，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。

在一种可能的设计中，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，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中部为圆形中空结构，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。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，Y轴方向的两个液压缸2、Z轴方向的两个液压缸2分别通过螺丝在4个圆形孔洞处与立式框架固定连接。

密封腔室3位于立式框架1的中心圆腔内，密封腔室3内部用于放置试样夹具和容纳高压液体。如图3所示，密封腔室3在六个方向分别设有一个对接口31。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。

当然，三向渗流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。

如图4所示，试样夹具包括6个方向的矩形压头41，X、Y、Z三个轴各一对。6个矩形压头41的前端分别与试样10的6个面接触，6个矩形压头41上均设有渗流通道，渗流通道前端贯通矩形压头41的前端。

在一种可能的设计中，试样夹具还包括多个自支撑构件43，S2中，利用多个自支撑构件43将6个矩形压头41连接在一起。S2.3中，中，依次卸除顶部限位横杆622、螺纹顶杆624；随后拆除注胶框63的8颗螺钉，缓慢拆除L形限位杆621，将试样10、柔性密封框5、6个矩形压头41和多个自支撑构件43整体取出，以备实验；组装在一起的6个矩形压头41，分别在6个方向，X、Y、Z三个轴各一对，如图11所示。

如图5所示，自支撑构件43包括两根导杆和导向套433，两根导杆分别为第一导杆431、第二导杆432。第一导杆431与第二导杆432相互垂直，导向套433上有分别与第一导杆431、第二导杆432适配的两个导向孔，两个导向孔相互垂直；其中第一导杆431的一端与矩形压头41连接，第一导杆431另一端穿过导向套433的其中一个导向孔；第二导杆432一端与另一矩形压头41连接，第二导杆432一端穿过导向套433的另一个导向孔。第一导杆431和第二导杆432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，可防止第一导杆431和第二导杆432的另一端从导向套433中脱出。

每一自支撑构件43中，与矩形压头41连接的其中一根导杆与该矩形压头41所在的轴向垂直，另一导杆与该矩形压头41所在的轴向平行。通过多个自支撑构件43的共同作用，将6个矩形压头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，其中一对矩形压头41的四周分别通过一个或两个自支撑构件43与另外4个矩形压头41连接；或者，每个矩形压头41的4个侧面均配装有1个或2个自支撑构件43，6个矩形压头41通过多个自支撑构件43可实现相互支撑作用。

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。

在一种可能的设计中，如图6、图7所示，矩形压头41内均设有介质通道413，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。介质通道413通过渗流管道415与外接流体注入或流出系统连接，渗流管道415上有阀门，通过阀门的开闭可以实现该渗流通道的开启、关闭。

在一种可能的设计中，矩形压头41包括压头底板411和渗流板412，压头底板411前端的中心面凹陷平面，渗流板412嵌装在压头底板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。压头底板411上开孔构成介质通道413，介质通道413一端开口于压头底板411的凹陷平面中央，介质通道413另一端开口于压头底板411侧面。

在一种可能的设计中，如图8所示，每个矩形压头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，声发射探头416通过采集导线417与外接声发射采集仪连接。

可选的，压头底板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。可在压头底板411前端留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。还可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8所示，压头底板411前端的凹陷平面和/或渗流板412背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。若渗流板412背面留有相互贯通的环状米字形流体通路410，渗流孔414与渗流板412背面的环状米字形流体通路410贯通。

因矩形压头41为矩形，为便于与液压缸伸缩杆对接。在一种可能的设计中，如图9、图10所示，每块矩形压头41配有压头座42，压头座42前端为矩形、后端为圆形，矩形压头41前端用于与中心试样紧密接触，矩形压头41后端与压头座42前端对接，压头座42的后端连接液压缸2的伸缩杆件实现应力传递。

值得说明的是，矩形压头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可事先通过螺钉或连接套环连接在液压缸2的伸缩杆件前端。

具体的，深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法,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置于试样夹具内：如图11所示，6个矩形压头41的前端分别与试样10的6个面接触，试样10的12个棱角部位以及6个矩形压头41的边缘通过柔性密封框5密封，6个矩形压头41组装在一起形成整体结构；如图12所示，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，试样10的棱角部位与柔性密封框5的12条框边密封配合。

S3，将装有试样10的试样夹具置于密封腔室3的内，缓慢控制Z轴方向两个液压缸2，使其伸缩杆件前端的压头座42分别接触Z轴方向的两个矩形压头41；缓慢控制Y轴方向的两个液压缸2，使其伸缩杆件前端的压头座42分别接触Y轴方向的两个矩形压头41；使4个矩形压头41受力均在10kN左右；

然后将X轴方向两个开放式液压缸2的缸体分别在X轴方向的两个对接口31处通过螺钉或螺栓与密封腔室3固定连接，随后缓慢控制X轴方向的两个液压缸2前端的压头座42接触X轴方向的两个矩形压头41，使矩形压头41受力在10kN左右，如图2所示。

在每对压头座42或每对矩形压头41之间均设有位移检测装置,可在实验中检测试样10在X、Y、Z三个方向的变形量。

S4，注油抽真空：向密封腔室3内注满液压油；关闭其中5个矩形压头41的渗流通道，开启另一个矩形压头41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个矩形压头41的渗流管道415上的阀门，开启下侧矩形压头41的渗流管道415上的阀门，由下侧矩形压头41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的阀门。

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流体压力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：开启其中一个矩形压头41的渗流通道，其余5个矩形压头41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。

比如，将Z轴方向上侧矩形压头41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轴方向上侧矩形压头41的渗流管道415的阀门，关闭其余5个矩形压头41的渗流管道415的阀门，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：将Z轴方向下侧的矩形压头41的渗流通道打开，作为流体流出通道，等待至流体流出通道出口流体流量稳定，观察该流体流出通道出口压力和流量随时间的变化规律，10min后停止该测试环境下该方向的岩体渗透性；随后，关闭Z轴方向的矩形压头41的渗流通道，开启X轴方向的矩形压头41的渗流通道进行另一方向的岩体渗透率测试；依次类推，测试Y轴方向的岩体渗透性，由此完成同一三维应力、流体压力环境下岩体三向渗透性测试完；

随后，调制X、Y、Z各向三向应力、加载方式、流体压力，重复S5-S7步骤，测定不同储层环境条件下的岩体三维渗透性；

S5至S7的过程中动态测定以下参数：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、流体流出通道流出的流体流量。

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，流体流量指流体通过一侧渗流管道415进口流入，通过试样10后，经相对侧渗流管道415流出的部分，可通过流量计测量。

S8，停止实验、保存数据。具体操作：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，缓慢卸载三向应力，最后关闭液压源，取出试样10，观察试样10形态。其中，应力的卸载顺序可为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。

值得说明的是，注入的密封胶的材料可根据需要合理选择,只要可由凝胶状凝固为固体胶状且能承受一定变形量即可。例如高强度耐压硅胶、硅脂胶黏剂等。

在一种可能的设计中，S2中，用注胶泵以0.2MPa压力将高强度耐压硅胶缓慢注入的注胶框63的胶孔634。

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。

在一种可能的设计中，如图9、图13所述位移检测装置包括LVDT传感器7，每个压头上安装有1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固定在相对两个矩形压头41或压头座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位置的固定。

在一种可能的设计中，所述S2包括以下步骤：

S2.1，如图14所示，试样10放置在立方体结构的注胶框63内，6个矩形压头41的前端分别从注胶框63的6个镂空面贴合进入其内部与试样10的6个面紧密接触，注胶框63与矩形压头41周边形成密封，使试样10与注胶框63不接触并位于注胶框63的中央，注胶框63整体为可拆卸设计；

S2.2，用注胶泵将密封胶缓慢注满注胶框63棱边与试样10的棱边的整个空间；

利用多个自支撑构件43将6个矩形压头41连接在一起；

等待至注胶框63内密封胶完全凝固并形成具有一定粘结强度的柔性密封框5，此时试样10黏合套装在柔性密封框5内，试样10的6个面分别与6个矩形压头41紧密接触,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，矩形压头41的四周与柔性密封框5的框边密封配合；

S2.3，拆散注胶框63，使注胶框63与6个矩形压头41、试样10及柔性密封框5分离，获得6个矩形压头41、试样10及柔性密封框5构成的整体结构。

在一种可能的设计中，注胶框63包括底部的方形框631、顶部的方形框631以及中间的四个立柱632，两个方形框631与四个立柱632采用螺钉连接，两个方形框631的其中一边均设有一个胶孔634；所述S2.2中，密封胶从底部方形框631的胶孔634由注胶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。

可选的，注胶框63的12条棱边内侧为圆弧形凹槽结构633，可确保密封胶注入凝固均匀。

在一种可能的设计中，步骤S2采用了装样辅助装置，如图16、图17所示，装样辅助装置包括4个L形限位杆621、支撑底座61和顶部限位横杆622。如图18所示，支撑底座61为矩形结构，支撑底座61的顶面有矩形凹槽611，矩形凹槽611的边长与矩形压头41的边长一致，可用于放置矩形压头41；矩形凹槽611底部设有四组螺纹通孔，支撑底座61底部的4个边中部位置分别设有一个卡槽612，四组螺纹通孔分别与其中一个卡槽612贯通。

4个卡槽612用于卡入限位框62的4个L形限位杆621，通过在螺纹通孔处安装螺钉可将L形限位杆621与支撑底座61固定在一起。

支撑底座61顶部的4个边位置各设有一个凸起的支撑柱613，4个支撑柱613分别位于矩形凹槽611的4条边外侧，支撑柱613用于支撑注胶框63。

如图19所示，4个L形限位杆621的竖直部的内侧有横向支撑平台623，4个L形限位杆621的水平部可一一卡入支撑底座61的4个卡槽612内，L形限位杆621的水平部对应支撑底座61的螺纹通孔的位置有适配的螺钉孔。L形限位杆621的竖直部上开水平孔装有螺纹顶杆624，螺纹顶杆624位于横向支撑平台623上方。当矩形压头41放置在横向支撑平台623上时，螺纹顶杆624正对矩形压头41中部，旋转调节螺纹顶杆624的横向位置，可用于对矩形压头41位置进行固定。顶部限位横杆622的两端可用螺钉分别与其中相对的两个L形限位杆621连接。

在一种可能的设计中，左侧和后侧的两个支撑柱613的顶部为内低外高的L形结构，可用于支撑注胶框63并起到限位作用，另外两个支撑柱613的顶部为平面结构。

如图16-图20所示，步骤S2.1具体包括以下步骤：

S2.1.1，将4个L形限位杆621的水平部一一卡入支撑底座61底部的4个卡槽612中并通过螺钉与支撑底座61连接固定。

S2.1.2，将底部的矩形压头41放置在支撑底座61的矩形凹槽611中。

S2.1.3，在注胶框63的12个棱边内侧的圆弧形凹槽结构633内涂抹一层防粘油膜；

随后将底部方形框631与四个立柱632的底端用4颗螺钉连接固定；随后放置于支撑底座61的4个支撑柱613上，将注胶框63的左边、后边分别贴紧支撑底座左方与后方的支撑柱613的L形结构的竖直部，以此使注胶框63位置限定；此时，底部的矩形压头41的前端从底部方形框631的镂空面贴合进入，并与方形框631周边形成密封；

S2.1.4，将试样10放置在注胶框63内并置于底部的矩形压头41上，调整位置使其位于中间位置；

S2.1.5，将顶部方形框631与四个立柱632的顶端用4颗螺钉连接固定；

S2.1.6，将前后左右四个矩形压头41分别放置在4个L形限位杆621的横向支撑平台623上，使得四个矩形压头41分别与试样10的4个面正对；旋转螺纹顶杆624，螺纹顶杆624前端顶在矩形压头41上，使矩形压头41前端从4个立柱632之间贴合进入至试样10的四个侧面紧密贴合；

其中，四个矩形压头41最好两两成对安装，例如可依次先安装左右两侧的矩形压头41，再依次安装前后两侧的矩形压头41。

S2.1.7，将顶部的矩形压头41通过顶部方形框631的镂空面放置于试样10的顶面；随后，将顶部限位横杆622的两端与其中相对的两个L形限位杆621的顶部连接，顶部限位横杆622使顶部的矩形压头41紧密贴合在试样10的顶面。

本申请实现了真三维地应力状态下的岩芯三向渗透率测试，实现了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；可更好地模拟实际地层储层中流体流动的三维多方向特性，继而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 (10)

1.深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法,其特征在于，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)置于试样夹具内；

所述试样夹具包括6个方向的矩形压头(41)，6个矩形压头(41)的前端分别与试样(10)的6个面接触，6个矩形压头(41)上均设有渗流通道，渗流通道前端贯通矩形压头(41)的前端；试样(10)的12个棱角部位以及6个矩形压头(41)的边缘通过柔性密封框(5)密封；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，试样(10)的棱角部位与柔性密封框(5)的12条框边密封配合；

S3，将装有试样(10)的试样夹具置于密封腔室(3)的内，密封腔室(3)在六个方向分别设有一个对接口(31),6个对接口(31)分别供6个方向的液压缸(2)的伸缩杆件伸入，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)；

6个液压缸(2)的伸缩杆件前端均装有压头座(42)，缓慢控制液压缸(2)，使六个液压缸(2)伸缩杆件前端的压头座(42)分别与其中一个6个矩形压头(41)的后端接触；

在每对压头座(42)或每对矩形压头(41)之间均设位移检测装置,用于检测试样(10)在X、Y、Z三个方向的变形量；

S4，注油抽真空：向密封腔室(3)内注满液压油；

关闭其中5个矩形压头(41)的渗流通道，开启另一个矩形压头(41)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：利用6个液压缸(2)对试样(10)分步依次循环加载；

S6，流体吸附：开启其中一个矩形压头(41)的渗流通道，其余5个矩形压头(41)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：将所述其中一个矩形压头(41)相对的另一矩形压头(41)的渗流通道打开，作为流体流出通道，等待至流体流出通道出口流体流量稳定，观察该流体流出通道出口压力和流量随时间的变化规律，一段时间后停止该测试环境下该方向的岩体渗透性；随后，关闭该已测方向的矩形压头(41)的渗流通道，开启另一方向的矩形压头(41)的渗流通道进行另一方向的岩体渗透率测试；依次类推，测试剩下另一方向的岩体渗透性，由此完成同一三维应力、流体压力环境下岩体三向渗透性测试完；

调制X、Y、Z各向三向应力、加载方式、流体压力，重复S5-S7步骤，测定不同储层环境条件下的岩体三维渗透性；

S5至S7的过程中动态测定以下参数：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、流体流出通道流出的流体流量；

S8，停止实验、保存数据：卸除外接渗流流体压力，缓慢卸载三向应力，最后关闭液压源，拆出试样(10)。

2.根据权利要求1所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，所述位移检测装置包括LVDT传感器(7)，每个矩形压头(41)配有有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)固定在相对两个矩形压头(41)或压头座(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)位置的固定。

3.根据权利要求1所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，密封腔室(3)装于立式框架(1)的中空部位中,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；

S3中，先缓慢控制Z轴、Y轴方向四个液压缸(2)前端的压头座(42)分别接触Z轴、Y轴方向的4个矩形压头(41)；

然后将X轴方向两个开放式液压缸(2)的缸体分别在X轴方向的两个对接口(31)处通过螺钉或螺栓与密封腔室(3)固定连接，随后缓慢控制X轴方向的两个液压缸(2)前端的压头座(42)接触X轴方向的两个矩形压头(41)。

4.根据权利要求1所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，每个矩形压头(41)上均开孔装有声发射探头(416)，声发射探头(416)通过声发射采集导线(417)与声发射监测系统连接；

所述步骤S5中的，打开声发射监测系统。

5.根据权利要求1或4所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，矩形压头(41)包括压头底板(411)和渗流板(412)，渗流板(412)上有均匀布设的多个渗流孔(414)，压头底板(411)前端的中心面凹陷平面，压头底板(411)上开孔构成介质通道(413)，介质通道(413)一端开口于压头底板(411)的凹陷平面中央，介质通道(413)另一端开口于压头底板(411)侧面；多个渗流孔(414)与对应的介质通道(413)相通构成渗流通道。

6.根据权利要求1所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，试样夹具还包括多个自支撑构件(43)，所述步骤S2中，6个方向的矩形压头(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矩形压头(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矩形压头(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，与其中一个矩形压头(41)连接的其中一根导杆与该矩形压头(41)所在的轴向垂直，相对应的另一导杆与该矩形压头(41)所在的轴向平行。

7.根据权利要求6所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，其中一对矩形压头(41)的四周分别通过一个或两个自支撑构件(43)与另外4个矩形压头(41)连接；或者，每个矩形压头(41)的4个侧面均配装有1个或2个自支撑构件(43)。

8.根据权利要求1-4、6、7中任一项或6所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：

S2.1，试样(10)放置在立方体结构的注胶框(63)内，6个矩形压头(41)的前端分别从注胶框(63)的6个镂空面贴合进入其内部与试样(10)的6个面紧密接触，注胶框(63)与矩形压头(41)周边形成密封，使试样(10)与注胶框(63)不接触并位于注胶框(63)的中央，注胶框(63)整体为可拆卸设计；

S2.2，用注胶泵将密封胶缓慢注满注胶框(63)棱边与试样(10)的棱边的整个空间；

将6个矩形压头(41)连接在一起；

等待至注胶框(63)内密封胶完全凝固并形成具有一定粘结强度的柔性密封框(5)，此时试样(10)黏合套装在柔性密封框(5)内，试样(10)的6个面分别与6个矩形压头(41)紧密接触,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，矩形压头(41)的四周与柔性密封框(5)的框边密封配合；

S2.3，拆散注胶框(63)，使注胶框(63)与6个矩形压头(41)、试样(10)及柔性密封框(5)分离，获得6个矩形压头(41)、试样(10)及柔性密封框(5)构成的整体结构；

优选地，所述注胶框(63)包括底部的方形框(631)、顶部的方形框(631)以及中间的四个立柱(632)，两个方形框(631)与四个立柱(632)采用螺钉连接，两个方形框(631)的其中一边均设有一个胶孔(634)；

所述S2.2中，密封胶从底部方形框(631)的胶孔(634)由注胶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。

9.根据权利要求8所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，所述S2采用了装样辅助装置，所述装样辅助装置包括4个L形限位杆(621)、支撑底座(61)和顶部限位横杆(622)，支撑底座(61)底部的4个边中部位置分别设有一个卡槽(612)，支撑底座(61)顶部有4个支撑柱(613)，4个支撑柱(613)分别矩形凹槽(611)的4条边外侧；

所述L形限位杆(621)的竖直部内侧有横向支撑平台(623)，L形限位杆(621)的竖直部上开水平孔装有螺纹顶杆(624)，螺纹顶杆(624)位于横向支撑平台(623)上方；

所述S2.1包括以下步骤：

将4个L形限位杆(621)的水平部一一卡入支撑底座(61)底部的4个卡槽(612)中并通过螺钉与支撑底座(61)连接固定；

将底部的矩形压头(41)放置在支撑底座(61)顶面的矩形凹槽(611)中；

将注胶框(63)底部的方形框(631)与四个立柱(632)的底端用螺钉连接固定；随后放置于支撑底座(61)的4个支撑柱(613)上，使底部的矩形压头(41)的前端从底部方形框(631)的镂空面贴合进入，并与该方形框(631)周边形成密封。

将试样(10)放置在注胶框(63)内并置于底部的矩形压头(41)上，调整位置使其位于中间位置；

将注胶框(63)顶部的方形框(631)与四个立柱(632)的顶端用螺钉连接固定；

将前后左右四个矩形压头(41)分别放置在4个L形限位杆(621)的横向支撑平台(623)上，使得四个矩形压头(41)分别与试样(10)的4个面正对；旋转螺纹顶杆(624)，螺纹顶杆(624)前端顶在矩形压头(41)上，使矩形压头(41)前端从4个立柱(632)之间贴合进入至试样(10)的四个侧面紧密贴合；

将顶部矩形压头(41)通过顶部方形框(631)的镂空面放置于试样(10)的顶面；随后，将顶部限位横杆(622)的两端与其中相对的两个L形限位杆(621)的顶部连接，顶部限位横杆(622)使顶部的矩形压头(41)紧密贴合在试样(10)的顶面；

S2.3中，依次卸除顶部限位横杆(622)、螺纹顶杆(624)；随后拆除注胶框(63)的螺钉，缓慢拆除L形限位杆(621)，将试样(10)、柔性密封框(5)和6个矩形压头(41)整体取出。

10.根据权利要求1-4、6、7、9中任一项所述的深部地质储层岩体真三维应力下多向渗流规律测试方法，其特征在于，试样(10)的12个棱边磨成导角45°。