一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及在超臨界二氧化碳條件下測定巖石的三軸強度的技術領域，特別是一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]隨著國內油氣田開發的不斷發展，以及海外業務的不斷擴大，國內外非常規特種油氣藏開發技術要求越來越高，運用超臨界二氧化碳開發非常規油氣資源也引起社會各界廣泛的關注。全面了解和掌握在超臨界二氧化碳條件下地層巖石的力學參數，對編制油氣田開發方案、指導現場施工提供重要依據。尤其對于二氧化碳置換頁巖氣技術(擬將工業捕集的二氧化碳以液態注入頁巖層實現超臨界二氧化碳射流致裂、増滲、置換驅替頁巖氣達到強化頁巖氣高效開發的目的)，了解超臨界二氧化碳條件下巖石的力學響應是極為重要的。
[0003]然而巖石在超臨界二氧化碳條件時不同應力下的力學響應在國內外理論和實驗研宄中都難以準確預測，而實驗室可獲取的常規條件下利用標準尺寸巖心直接測量出來的巖石力學參數不能滿足實際需要，且常規實驗條件下二氧化碳難以注入到高溫高壓試驗艙內塑封后的巖心中，根本不能實現超臨界條件下的巖石力學性質的測量。因此目前急需一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有巖石力學實驗方法技術中，二氧化碳無法達到超臨界狀態、超臨界二氧化碳無法注入巖心中、無法在超臨界二氧化碳條件下測得巖石三軸強度等缺陷，提供一種改裝便捷易行、操作安全簡單、測量誤差小、工作效率高、二氧化碳利用率高的測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的裝置及其方法。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的裝置，它包括三軸試驗艙、巖心夾持裝置、氣體供給系統、液壓油圍壓加載系統和安裝有控制器以及實驗數據采集器的計算機，所述的三軸試驗艙內且位于三軸試驗艙的上、下兩端分別設置有軸壓加載實驗臺上壓桿和軸壓加載實驗臺下壓桿，軸壓加載實驗臺上壓桿固定于三軸試驗艙上，軸壓加載實驗臺下壓桿可上、下活動以加載軸壓，軸壓加載實驗臺下壓桿與軸壓加載裝置連接，三軸試驗艙外壁上設置有帶有溫度控制裝置和溫度傳感器的加熱圈、連通三軸試驗艙的進油閥和回油閥，三軸試驗艙的底部設置有進氣閥和出氣閥，所述的液壓油圍壓加載系統由油泵、加壓泵和油箱組成，加壓泵和油泵的吸引口均與油箱連接，加壓泵和油泵的出油口均與進油閥連接，油泵還與回油閥連接，所述的巖心夾持裝置由巖心夾持器、氣墊、絕緣自粘密封帶和熱縮套組成，巖心夾持器的上、下端分別設置有與進氣閥連接的進氣口和與出氣閥連接的出氣口，所述的氣體供給系統由順次連接的二氧化碳氣瓶、氣體增壓器和空氣壓縮機組成，氣體增壓器還與進氣閥連接。
[0006]所述的軸壓加載實驗臺下壓桿的頂部設置有溫度傳感器。
[0007]一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的方法，它包括以下步驟:
51、塑封巖心:先將端面磨平后的巖心的兩端加裝氣墊，再先后用絕緣自粘密封帶和熱縮套將巖心包裹固定于巖心夾持器之間，從而實現了巖心的塑封；
52、加裝傳感器:在巖心夾持器上端的下部和巖心夾持器下端的上部安裝軸向位移傳感器，熱縮套外表面上且位于巖心的中部安裝徑向位移傳感器，巖心的中部安裝溫度傳感器；
53、超臨界二氧化碳的實現:
S (I):先將S2中的巖心夾持器置于軸壓加載實驗臺上壓桿與軸壓加載實驗臺下壓桿之間，再將加熱圈、溫度傳感器、軸向位移傳感器和徑向位移傳感器與計算機連接，然后關閉三軸試驗艙，啟動油泵使液壓油充滿三軸試驗艙同時開啟加壓油泵使加壓油泵活塞按照加載速率50mm/min加載將巖心圍壓提升至20MPa，隨后關閉加壓油泵和進油閥，使整個實驗過程中圍壓穩定在20MPa ；
S (2):經加熱圈對三軸試驗艙加溫，并控制艙內溫度在35°C ~40°C之間并穩定30min ；
S (3):關緊三軸試驗艙的進氣閥和出氣閥，打開二氧化碳氣瓶的閥門，使適量二氧化碳進入氣體增壓器后關閉氣瓶，用空氣壓縮機對氣體增壓器加壓，使氣體增壓器中二氧化碳壓力提升至1MPa并保持不變；
S (4):打開三軸試驗艙的進氣閥，使上述S (3)中壓力為10 MPa的二氧化碳進入到巖心中；
S (5):維持注入二氧化碳lh，維持溫度穩定在35°C ~40°C之間，巖心被二氧化碳完全飽和，關閉三軸試驗艙的進氣閥，使二氧化碳密封在絕緣自粘密封帶內，在該溫度和壓力條件下二氧化碳已達到超臨界狀態，且巖心已完全被超臨界二氧化碳所飽和，從而實現了超臨界二氧化碳條件；
54、軸壓加載開始實驗:在計算機中輸入巖心初始尺寸參數，對軸向位移傳感器和徑向位移傳感器清零，開始執行實驗程序，采用應變控制實驗，其控制速率為0.04mm/min,增加軸向荷載直到試樣發生破壞，在施加軸向載荷的過程中記錄下巖心中溫度、圍壓、二氧化碳壓力以及各級應力下的應力、應變值；
55、實驗后計算:
S (I):巖心失效破壞后，停止加載軸向載荷，打開三軸試驗艙的出氣閥將二氧化碳排放放空，同時打開回油閥并啟動油泵將三軸試驗艙內液壓油抽回油箱；
S (2):打開三軸試驗艙，拆卸巖心夾持器與三軸試驗艙連接的各傳感器的數據線和氣體進出管線；
S (3):取回巖心夾持器并切下位于巖心上、下端的氣墊，保存好實驗后的巖心和實驗數據，準備下次實驗；
S (4):計算巖心在超臨界二氧化碳條件下的彈性模量、抗壓強度和泊松比，最后繪制巖心在超臨界二氧化碳條件下的應力應變曲線，從而實現了測定超臨界二氧化碳條件下巖石的三軸強度。
[0008]本發明具有以下優點:(I)本發明實現了在超臨界二氧化碳條件測定下巖石力學響應，實時監測記錄巖石的溫度、圍壓、巖心中二氧化碳的壓力、軸向應力、軸向應變數據和徑向應變數據，并根據這些數據計算巖石在超臨界二氧化碳條件下的彈性模量、抗壓強度、泊松比，并繪制巖石在超臨界二氧化碳條件下的應力應變曲線，具有測量誤差小、工作效率高的特點。(2)實驗過程簡便，需要的儀器設備都很容易制得，實驗效率較高。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為本發明的巖心夾持裝置與軸向位移傳感器和徑向位移傳感器的安裝示意圖；
圖3為實驗中巖心的軸向、徑向應力應變曲線圖；
圖中，1-三軸試驗艙，2-液壓油圍壓加載系統，3-計算機，4a-軸壓加載實驗臺上壓桿，4b-軸壓加載實驗臺下壓桿，5-帶有溫度控制裝置和溫度傳感器的加熱圈，6-進油閥，7-回油閥，8-進氣閥，9-出氣閥，10-巖心夾持器，11-氣墊，12-絕緣自粘密封帶，13-熱縮套，14- 二氧化碳氣瓶，15-氣體增壓器，16-空氣壓縮機，17-軸向位移傳感器，18-徑向位移傳感器，19-進氣口，20-出氣口，21-巖心，22-巖心及巖心夾持裝置，23-溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發明做進一步的描述，本發明的保護范圍不局限于以下所述: 如圖1和圖2所示，一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的裝置，它包括三軸試驗艙1、巖心夾持裝置、氣體供給系統、液壓油圍壓加載系統2和安裝有控制器以及實驗數據采集器的計算機3，所述的三軸試驗艙I內且位于三軸試驗艙I的上、下兩端分別設置有軸壓加載實驗臺上壓桿4a和軸壓加載實驗臺下壓桿4b，軸壓加載實驗臺上壓桿4a固定于三軸試驗艙I上，軸壓加載實驗臺下壓桿4b可上、下活動以加載軸壓，軸壓加載實驗臺下壓桿4b與軸壓加載裝置連接，三軸試驗艙I外壁上設置有帶有溫度控制裝置和溫度傳感器的加熱圈5、連通三軸試驗艙I的進油閥6和回油閥7，三軸試驗艙I的底部設置有進氣閥8和出氣閥9，所述的液壓油圍壓加載系統2由油泵、加壓泵和油箱組成，加壓泵和油泵的吸引口均與油箱連接，加壓泵和油泵的出油口均與進油閥6連接，油泵還與回油閥7連接，所述的巖心夾持裝置由巖心夾持器10、氣墊11、絕緣自粘密封帶12和熱縮套13組成，巖心夾持器10的上、下端分別設置有與進氣閥8連接的進氣口 19和與出氣閥9連接的出氣口 20，所述的氣體供給系統由順次連接的二氧化碳氣瓶14、氣體增壓器15和空氣壓縮機16組成，氣體增壓器15還與進氣閥8連接。所述的軸壓加載實驗臺下壓桿4b的頂部設置有溫度傳感器23。
[0011]如圖1和圖2所示，一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強度的方法，它包括以下步驟:
步驟一、塑封巖心:
S (I):取出直徑為25mm、長度為50mm的巖心樣本，通過磨石機磨平巖心21的兩個端面，使兩端面均垂直于巖心21軸線，軸向角度偏差不超過0.05° ;
S (2):將巖心21兩端的頂部均重疊放置直徑25mm的氣墊11，再將氣墊11放置于巖心夾持器10中間；
S (3):用絕緣自粘密封帶12將巖心夾持器10、氣墊11和巖心21的側面均勻纏繞包裹為整體，目的是為了防止實驗過程中二氧化碳氣體沿巖心側面竄流，造成二氧化碳損耗，增大測量誤差；
S (4):將熱縮套13套在巖心夾持器中間，用300°C到500°C熱風機從巖心夾持器10中部向其上、下兩端均勻加熱并旋轉，使熱縮套13在高溫的作用下均勻無氣泡的縮緊包裹巖心21、氣墊11和巖心夾持器10的上下端部分，用以在加載圍壓時隔絕液壓油。
[0012]步驟二、加裝傳感器:
S (I):在塑封后的巖心夾持器10