CN217717315U - 一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，包括岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统及与岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统分别连接的轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统，还包括计算机数据记录与控制系统；所述轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统均与计算机数据记录与控制系统连接；本实用新型最大程度上模拟二氧化碳钻井、压裂、驱替、埋存等过程中地下储层岩石与二氧化碳直接接触过程中的三轴岩石力学参数测试，能够得到最接近真实储层环境和工程条件下的二氧化碳与岩石直接接触作用过程中的岩石力学参数。

Description

一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置。

背景技术

随着我国油气对外依存度不断增加，如何在“双碳”背景下加大油气勘探开发的力度，保证我国能源安全，是目前亟需解决的重要问题。通过超临界二氧化碳对页岩油气等非常规资源进行高效、低碳开采，尤其通过二氧化碳这一清洁流体进行钻完井、储层压裂改造、油气驱替置换，提高油气单井产量和油气藏采收率，同时实现二氧化碳地质埋存，具有重要意义。

二氧化碳对油气储层岩石力学性质的影响显是进行超临界二氧化碳钻完井、压裂、驱油气及地层埋存等最为关键的影响因素之一。室内实验测试是最为直接有效的方式，但目前国内外进行的二氧化碳对岩石力学参数影响实验均无法实现二氧化碳直接接触岩石条件下三轴力学参数实验测试，从而最大程度上模拟二氧化碳钻完井、压裂、驱替、埋存等过程中二氧化碳与地下储层岩石相互作用下的岩石三轴力学性质变化，这一局限问题一直未能解决。

发明内容

本实用新型旨在针对上述问题，提出一种用于实验室，在一定温压条件下二氧化碳与岩心直接接触浸泡，并在直接接触浸泡条件下测试三轴岩石力学参数的装置及方法。

本实用新型的技术方案在于：

本实用新型提出一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置。

一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，包括岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统及与岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统分别连接的轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统，还包括计算机数据记录与控制系统；所述轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统均与计算机数据记录与控制系统连接；

其中，所述岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统包括一腔体，腔体内设有应变测试装置，应变测试装置连接计算机数据记录与控制系统；腔体分为岩心室和液压油腔室，岩心室内放置有岩心；液压油腔室充满液压油；所述岩心室的上端设有上岩心夹持器，上岩心夹持器从下至上依次设有上凹槽、第一孔道及上二氧化碳腔室，上二氧化碳腔室顶端连接至轴压控制系统；所述岩心室的下端设有下岩心夹持器，下岩心夹持器从上至下依次设有下凹槽、第一孔道、下二氧化碳腔室及第二孔道，第二孔道连接至二氧化碳压力控制系统；上岩心夹持器与腔体顶端动密封，下岩心夹持器与腔体底端固定连接；

还包括一上下开口的软套筒，所述软套筒裹设于岩心外侧，软套筒的上限高于上凹槽，软套筒的下限低于下凹槽；通过软套筒分隔岩心室和液压油腔室；上二氧化碳腔室及下二氧化碳腔室内存有二氧化碳。

所述二氧化碳压力控制系统包括依次连接的二氧化碳气瓶、二氧化碳增压系统及二氧化碳缓冲罐；二氧化碳缓冲罐的输出端分别连接有二氧化碳回收装置及抽真空装置；二氧化碳缓冲罐的输出端还连接至第二孔道；二氧化碳缓冲罐的输出端与第二孔道的连接管路上设有二氧化碳压力传感器，所述二氧化碳压力传感器及二氧化碳增压系统分别连接至计算机数据记录与控制系统。

所述轴压控制系统包括分别轴压加载系统及载荷传感器；载荷传感器连接至上二氧化碳腔室顶端；轴压加载系统一端连接至上二氧化碳腔室，另一端连接计算机数据记录与控制系统；所述围压控制系统包括围压加载系统及围压传感器；围压传感器位于液压油腔室，围压加载系统一端连接至液压油腔室，另一端连接计算机数据记录与控制系统；所述温度控制系统包括加热系统及温度传感器，温度传感器位于液压油腔室，加热系统一端连接至液压油腔室，另一端连接计算机数据记录与控制系统；载荷传感器、围压传感器及温度传感器均与计算机数据记录与控制系统连接。

所述应变测试装置包括引伸计或者应变片；引伸计位于液压油腔室内，且附着于软套筒外壁；应变片位于岩心室内，且粘附于岩心。

所述围压加载系统包括增压泵，所述增压泵与液压油之间通过进油管线及回油管线连接；所述加热系统包括外部电阻加热带，外部电阻加热带裹设于腔体外；所述二氧化碳增压系统为电动柱塞泵；所述二氧化碳回收装置包括依次连接的减压阀及回收罐；所述抽真空装置包括依次连接的针阀和真空泵。

所述第一孔道有5个，且第一孔道的直径与上凹槽/下凹槽的截面直径相等；上凹槽/下凹槽的截面为半圆；第二孔道的直径为第一孔道的直径的1.5-2.5倍。

所述第二孔道与二氧化碳缓冲罐的输出端、二氧化碳回收装置及抽真空装置之间通过四通连接。

本实用新型提出一种二氧化碳接触条件下的岩石三轴力学参数测试方法。

一种二氧化碳接触条件下的岩石三轴力学参数测试方法，使用如上所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，过程如下：

步骤1：将岩心放置于上岩心夹持器及下岩心夹持器之间，并施加轴压对岩心进行固定；软套筒套设于岩心室外侧，软套筒的上限高于上凹槽，软套筒的下限低于下凹槽；安装应变测试装置；向液压油腔室内充液压油施加围压并保持轴压继续加载，保持岩心稳定平衡；

步骤2：关闭二氧化碳缓冲罐和二氧化碳回收装置，通过抽真空装置对岩心室抽真空；

步骤3：关闭抽真空装置、打开二氧化碳缓冲罐，通过计算机数据记录与控制系统控制二氧化碳增压系统依次通过二氧化碳缓冲罐、第二孔道、下二氧化碳腔室及第一孔道向岩心室充入二氧化碳，将二氧化碳与岩石直接接触；二氧化碳压力始终低于围压5-10MPa；同时，通过加热系统对液压油进行加热；

步骤4：继续向岩心室充入二氧化碳，直至达到预设的二氧化碳压力及二氧化碳温度；开始接触浸泡；

步骤5：达到预设的接触浸泡时间后，进行岩石三轴压缩实验，通过计算机数据记录与控制系统控制轴压加载系统对岩心进行轴向加压，并记录轴向加压的实验过程中载荷及应变变化；

步骤6：岩石三轴压缩实验结束后，关闭二氧化碳缓冲罐和二氧化碳增压系统，打开二氧化碳回收装置对岩心室的二氧化碳进行回收，待岩心室的二氧化碳全部排入二氧化碳回收装置，卸载岩心室围压。

其中，所述步骤1中轴压为100-1000N，围压0-80MPa；步骤4中二氧化碳压力为0-60MPa，二氧化碳温度为0-100℃；步骤5中预设的接触浸泡时间为0-120h。

更优选地，所述步骤1中轴压为500N，围压15MPa；步骤4中二氧化碳压力为10MPa，二氧化碳温度为45℃；步骤5中预设的接触浸泡时间为2h。

本实用新型的技术效果在于：

1、 本实用新型最大程度上模拟二氧化碳钻井、压裂、驱替、埋存等过程中地下储层岩石与二氧化碳直接接触过程中的三轴岩石力学参数测试，能够得到最接近真实储层环境和工程条件下的二氧化碳与岩石直接接触作用过程中的岩石力学参数；

2、 本实用新型可以使得二氧化碳与岩心充分直接接触并进行一定时间、温度和压力条件下的浸泡反应，接触充分，且可以实现二氧化碳与岩心接触反应过程中的少量消耗的瞬时补充；

3、 本实用新型可适用于任何储层岩石与二氧化碳接触条件下的岩石三轴压缩实验；

4、 本实用新型可以通过改变二氧化碳岩心接触与岩石三轴压缩测试装置的尺寸大小、材料钢级等，实现不同尺寸圆柱体岩心的实验测试；

5、 本实用新型可以实现二氧化碳与岩心直接接触浸泡过程中的温度、压力、接触浸泡时间等实验条件随意变化和连续变化；

6、 本实用新型可以通过改变设备仪器的材料、尺寸和钢级等，从而实现二氧化碳温度、压力等实验条件不受限制；

7、 本实用新型系统使用范围广，稳定可靠，组装和拆卸方便，维护检修成本低。

附图说明

图1为二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置的结构示意图。

图2为岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统示意图。

图3为上岩心夹持器及下岩心夹持器的端面示意图。

附图标记：1、液压油腔室；2、岩心室；3、上岩心夹持器；4、下岩心夹持器；5、第一孔道；6、上二氧化碳腔室；7、第二孔道；8、软套筒；9、下二氧化碳腔室。

具体实施方式

实施例1--一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置

一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，包括岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统及与岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统分别连接的轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统，还包括计算机数据记录与控制系统；所述轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统均与计算机数据记录与控制系统连接；

其中，所述岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统包括一腔体，腔体内设有应变测试装置，应变测试装置连接计算机数据记录与控制系统；腔体分为岩心室2和液压油腔室1，岩心室2内放置有岩心；液压油腔室1充满液压油；所述岩心室2的上端设有上岩心夹持器3，上岩心夹持器3从下至上依次设有上凹槽、第一孔道5及上二氧化碳腔室6，上二氧化碳腔室6顶端连接至轴压控制系统；所述岩心室2的下端设有下岩心夹持器4，下岩心夹持器4从上至下依次设有下凹槽、第一孔道5、下二氧化碳腔室9及第二孔道7，第二孔道7连接至二氧化碳压力控制系统；上岩心夹持器3与腔体顶端动密封，下岩心夹持器4与腔体底端固定连接；还包括一上下开口的软套筒8，所述软套筒8裹设于岩心外侧，软套筒8的上限高于上凹槽，软套筒8的下限低于下凹槽；通过软套筒8分隔岩心室2和液压油腔室1；上二氧化碳腔室6及下二氧化碳腔室9内存有二氧化碳。

上凹槽/下凹槽的截面为半圆，直径1-2mm，便于二氧化碳气体流动，增加二氧化碳与岩心接触面积；第一孔道5为5个，直径1-2mm；第一孔道5的直径与上凹槽/下凹槽的截面直径相等；5个第一孔道5增加了气流通道，结合上凹槽/下凹槽，使得二氧化碳与岩心接触更加充分和快速；上二氧化碳腔室6及下二氧化碳腔室9为均为圆柱状，高度为50-100mm，直径25-100mm；第二孔道7的直径是第一孔道5直径的1.5-2.5倍。本实施例中，上凹槽/下凹槽及第一孔道5的直径均为1mm；上二氧化碳腔室6及下二氧化碳腔室9的高度为25mm，直径30mm；第二孔道7直径为2mm。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括：

所述二氧化碳压力控制系统包括依次连接的二氧化碳气瓶、二氧化碳增压系统及二氧化碳缓冲罐；二氧化碳缓冲罐的输出端分别连接有二氧化碳回收装置及抽真空装置；二氧化碳缓冲罐的输出端还连接至第二孔道7；二氧化碳缓冲罐的输出端与第二孔道7的连接管路上设有二氧化碳压力传感器，所述二氧化碳压力传感器及二氧化碳增压系统分别连接至计算机数据记录与控制系统。

所述轴压控制系统包括分别轴压加载系统及载荷传感器；载荷传感器连接至上二氧化碳腔室6顶端；轴压加载系统一端连接至上二氧化碳腔室6，另一端连接计算机数据记录与控制系统；所述围压控制系统包括围压加载系统及围压传感器；围压传感器位于液压油腔室1，围压加载系统一端连接至液压油腔室1，另一端连接计算机数据记录与控制系统；所述温度控制系统包括加热系统及温度传感器，温度传感器位于液压油腔室1，加热系统一端连接至液压油腔室1，另一端连接计算机数据记录与控制系统；载荷传感器、围压传感器及温度传感器均与计算机数据记录与控制系统连接。

所述应变测试装置包括引伸计或者应变片；引伸计位于液压油腔室1内，且附着于软套筒8外壁；应变片位于岩心室2内，且粘附于岩心。

所述围压加载系统包括增压泵，所述增压泵与液压油之间通过进油管线及回油管线连接；所述加热系统包括外部电阻加热带，外部电阻加热带裹设于腔体外；所述二氧化碳增压系统为电动柱塞泵；所述二氧化碳回收装置包括依次连接的减压阀及回收罐；减压阀材质为奥氏体022Cr17Ni12Mo2不锈钢（316L），最大进口压力60MPa，出口压力0-8MPa；回收罐材质为2205双相不锈钢，最高耐压20MPa，体积1000L。所述抽真空装置包括依次连接的针阀和真空泵，抽气速率为3.6m3/h，极限真空0.1MPa。

本实用新型提出一种二氧化碳接触条件下的岩石三轴力学参数测试方法。

一种二氧化碳接触条件下的岩石三轴力学参数测试方法，使用如上二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，过程如下：

步骤1：将岩心放置于上岩心夹持器3及下岩心夹持器4之间，本实施例所用岩心为标准圆柱体页岩油长7层岩心，尺寸为Φ25×50mm；并施加轴压500N对岩心进行固定；软套筒8为含胶双壁热缩套管，厚度0.5mm，由外层聚烯烃合金与内层热熔胶复合加工而成；含胶双壁热缩套管通过热风吹塑实现密封；软套筒8裹设于岩心外侧，软套筒8的上限高于上凹槽，软套筒8的下限低于下凹槽；应变测试装置为引伸计，位于液压油腔室1内，且附着于软套筒8外壁；引伸计轴向变形0-8mm，径向变形0-4mm，测量分辨率0.0001 mm，测量精度±1%，可以测量岩心应变变化；向液压油腔室1内充液压油施加围压并保持轴压继续加载，保持岩心稳定平衡；围压15MPa，围压加载速率为0.05MPa/s；

步骤2：关闭二氧化碳缓冲罐和二氧化碳回收装置，通过抽真空装置对岩心室2抽真空；

步骤3：关闭抽真空装置、打开二氧化碳缓冲罐，通过计算机数据记录与控制系统控制二氧化碳增压系统依次通过二氧化碳缓冲罐、第二孔道7、下二氧化碳腔室9及第一孔道5向岩心室2充入10MPa 压力条件的二氧化碳，将二氧化碳与岩石直接接触；同时，通过加热系统对液压油进行加热；

步骤4：继续向岩心室2充入二氧化碳，直至达到预设的二氧化碳压力10MPa及二氧化碳温度45℃；开始接触浸泡；

步骤5：达到预设的接触浸泡时间2h后，进行岩石三轴压缩实验，通过计算机数据记录与控制系统控制轴压加载系统对岩心进行轴向加压，轴压加载速率为0.25kN/s（连续），直至岩心破坏，并记录轴向加压的实验过程中载荷及应变变化；

步骤6：岩石三轴压缩实验结束后，关闭二氧化碳缓冲罐和二氧化碳增压系统，打开二氧化碳回收装置对岩心室2的二氧化碳进行回收，待岩心室2的二氧化碳全部排入二氧化碳回收装置，卸载岩心室2围压。

计算机数据记录与控制系统型号为朝阳三轴岩土力学综合试验系统2017SR539588；采用10kHz系统频率，以100µs(0.1毫秒)为基本单位可调控制和采样频率，在参数输入界面可以输入载荷、围压、温度、压力等，通过数据传输控制轴向载荷加载、围压加载、温度加热及二氧化碳增压，相关的传感器将实际的应力、应变、载荷、围压、温度等反馈至计算机数据记录与控制系统，界面可以输出轴向载荷、围压、温度和压力，还可以输出岩石三轴压缩测试过程中的应力和应变参数。

轴压加载系统的轴压加载控制速率为0.1-20kN/s（连续），轴向载荷最大1000KN，载荷传感器量程为10-1000KN，示值精度为1%；轴向加载位移量程为120mm（连续），测量精度±1%FS，测量分辨率0.001mm，轴向加载位移控制速率：0.1-50mm/min（连续）。

围压加载系统通过二氧化碳增压系统对液压油增压，进入液压油腔室1，可提供压力0-70Mpa，液压油流量最大18L/min，加压速率：0.01-1MPa/s（连续）；围压传感器可测试压力范围为0-70MPa，精度为0.01MPa。

加热系统为外部电阻加热带，实验装置外部缠绕外部电阻加热带进行加热保温，内部加热范围为0-100℃，外部电阻加热带外表面温度最高50℃；内部装有温度传感器，可测温度范围为0-100℃，精度±0.1℃。

二氧化碳气瓶压力4MPa，容量为20L，6瓶并联供气；二氧化碳增压系统为电动柱塞泵，流量0.2m3/h，最大增压可达30MPa；二氧化碳缓冲罐材质为2205双相不锈钢，容量为10L，最高耐压38MPa，出口处装有直读压力表，量程为0-45MPa。

Claims (7)

1.一种二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于，包括岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统及与岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统分别连接的轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统，还包括计算机数据记录与控制系统；所述轴压控制系统、围压控制系统、温度控制系统及二氧化碳压力控制系统均与计算机数据记录与控制系统连接；

其中，所述岩石与二氧化碳接触及三轴压缩测试系统包括一腔体，腔体内设有应变测试装置，应变测试装置连接计算机数据记录与控制系统；腔体分为岩心室(2)和液压油腔室(1)，岩心室(2)内放置有岩心；液压油腔室(1)充满液压油；所述岩心室(2)的上端设有上岩心夹持器(3)，上岩心夹持器(3)从下至上依次设有上凹槽、第一孔道(5)及上二氧化碳腔室(6)，上二氧化碳腔室(6)顶端连接至轴压控制系统；所述岩心室(2)的下端设有下岩心夹持器(4)，下岩心夹持器(4)从上至下依次设有下凹槽、第一孔道(5)、下二氧化碳腔室(9)及第二孔道(7)，第二孔道(7)连接至二氧化碳压力控制系统；上岩心夹持器(3)与腔体顶端动密封，下岩心夹持器(4)与腔体底端固定连接；

还包括一上下开口的软套筒(8)，所述软套筒(8)裹设于岩心外侧，软套筒(8)的上限高于上凹槽，软套筒(8)的下限低于下凹槽；通过软套筒(8)分隔岩心室(2)和液压油腔室(1)；上二氧化碳腔室(6)及下二氧化碳腔室(9)内存有二氧化碳。

2.根据权利要求1所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于：所述二氧化碳压力控制系统包括依次连接的二氧化碳气瓶、二氧化碳增压系统及二氧化碳缓冲罐；二氧化碳缓冲罐的输出端分别连接有二氧化碳回收装置及抽真空装置；二氧化碳缓冲罐的输出端还连接至第二孔道(7)；二氧化碳缓冲罐的输出端与第二孔道(7)的连接管路上设有二氧化碳压力传感器，所述二氧化碳压力传感器及二氧化碳增压系统分别连接至计算机数据记录与控制系统。

3.根据权利要求2所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于：所述轴压控制系统包括分别轴压加载系统及载荷传感器；载荷传感器连接至上二氧化碳腔室(6)顶端；轴压加载系统一端连接至上二氧化碳腔室(6)，另一端连接计算机数据记录与控制系统；所述围压控制系统包括围压加载系统及围压传感器；围压传感器位于液压油腔室(1)，围压加载系统一端连接至液压油腔室(1)，另一端连接计算机数据记录与控制系统；所述温度控制系统包括加热系统及温度传感器，温度传感器位于液压油腔室(1)，加热系统一端连接至液压油腔室(1)，另一端连接计算机数据记录与控制系统；载荷传感器、围压传感器及温度传感器均与计算机数据记录与控制系统连接。

4.根据权利要求3所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于：所述应变测试装置包括引伸计或者应变片；引伸计位于液压油腔室(1)内，且附着于软套筒(8)外壁；应变片位于岩心室(2)内，且粘附于岩心。

5.根据权利要求4所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于：所述围压加载系统包括增压泵，所述增压泵与液压油之间通过进油管线及回油管线连接；所述加热系统包括外部电阻加热带，外部电阻加热带裹设于腔体外；所述二氧化碳增压系统为电动柱塞泵；所述二氧化碳回收装置包括依次连接的减压阀及回收罐；所述抽真空装置包括依次连接的针阀和真空泵。

6.根据权利要求5所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于：所述第一孔道(5)有5个，且第一孔道(5)的直径与上凹槽/下凹槽的截面直径相等；上凹槽/下凹槽的截面为半圆；第二孔道(7)的直径为第一孔道(5)的直径的1.5-2.5倍。

7.根据权利要求6所述二氧化碳接触下的岩石三轴力学参数测试装置，其特征在于：所述第二孔道(7)与二氧化碳缓冲罐的输出端、二氧化碳回收装置及抽真空装置之间通过四通连接。

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