氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置和測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬深部油氣開采巖石力學測試領域，具體地，涉及一種氣熱力耦合作用下 低滲巖石氣體滲透測試裝置和測試方法，適用于深部高溫和高壓作用下油氣田開發及氣熱 力耦合作用下核廢料地下儲存工程中低滲透巖石材料氣體滲透系數的研宄和測定。
【背景技術】
[0002] 溫度、應力及氣體滲透是影響油氣低滲儲層地質環境的主要因素，三者相互聯系、 相互影響、相互制約，形成巖石氣熱力多場耦合問題。作為西部石油和核廢料儲存工程常見 復雜介質，低滲致密巖石在深部高溫、高氣壓和高地應力耦合作用下，力學特性會產生顯著 變化，對工程建設及運行期安全起控制性作用。鑒于巖石滲透演化規律可從微細觀力學角 度反映巖石孔隙結構壓縮、閉合、擴展貫通和坍塌破壞全過程，故開展低滲巖石復雜環境耦 合條件下氣體滲透測試研宄對于油氣開采工程具有重要的意義。
[0003] 作為多孔介質，滲透性是指在流體作用下，巖石的孔隙和裂隙滲透的能力，是巖石 的重要力學特性。但現有巖石滲透率和變形關系研宄主要集中在水為滲透介質上，氣體滲 透演化規律并不多見，針對油氣開采低滲巖石氣體滲透特性測試更是鮮有介紹，僅存的部 分氣體滲透性測試結果如下： 潘偉義和倫增珉等在專利《一種高壓下巖石氣測滲透率的裝置及方法》（申請號 201010520289. 1)中提供了一種高壓下巖石氣測滲透率的裝置及方法；但此裝置僅考慮了 圍壓的作用，無法模擬實際地層三向應力不等的狀態和研宄不同軸向應力對巖石氣體滲透 性的影響。巖石滲透性與荷載緊密相關，專利申請人和徐衛亞等在文《滲流_應力耦合作用 下碎肩巖流變特性和滲透演化機制試驗研宄》(巖石力學與工程學報，33(8): 1613-1625， 2014.)中認為加載將導致巖石滲透率發生2-5個數量級的變化，且具有強烈的方向性；此 外，該裝置為基于達西定律計算巖石氣體滲透系數；但由于深部巖石致密度較高，滲透率較 低、油汽水賴以流動的通道微細、滲流阻力較大，導致液固界面相互作用力顯著，滲透存在 明顯的啟動壓力，導致經典的達西線性滲流關系并不適用，故此裝置針對深部低滲巖石氣 體滲透性測試并不適用； 陳益峰和胡少華等在專利《低滲巖石瞬態氣壓脈沖滲透率測量裝置及測量方法》（申請 號201310207056.X)中提出了低滲巖石瞬態氣壓脈沖滲透率測量裝置及測量方法，此裝置 采用壓力脈沖法對低滲巖石的氣體滲透性予以了測試，但未考慮實際地層三向應力不等的 狀態和溫度對巖石氣體滲透特性的影響，故此裝置對深部高溫、高滲透和高地應力狀態下 巖石氣體滲透性測試亦不適用； 徐衛亞和王偉等在專利《一種巖石氣體滲透測定裝置和測定方法》（申請號 201210590766. 0)中提出了一種通過記錄不同時刻巖石試樣材料兩端的軸向氣壓差推求巖 石氣體滲透性的測定裝置與方法，此裝置的計算方法類似于壓力脈沖法，但仍未考慮實際 地層三向應力不等的狀態和溫度對巖石氣體滲透特性的影響；油氣藏工程中，地層溫度隨 埋藏深度增加而增加，溫度升高，巖石骨架顆粒熱膨脹，力學性能劣化，結合氣體滲透的作 用，結構將產生明顯損傷，極易發生膨脹甚至崩解，造成致密巖石儲層孔隙結構坍塌和強度 大幅度降低，故溫度的影響是開展巖石氣體滲透性研宄須要考慮的重要因素。
[0004] 在參閱國內相關資料的基礎上，認為原有巖石氣體滲透測試技術均具有一定得局 限性，存在無法考慮不同應力路徑、溫度不能控制、測試裝置密封性不好、數據處理完全手 工化等缺陷；本發明人將多場耦合巖石測試技術和氣體滲透性測定技術及數據處理可視化 技術相結合，發明一種氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置和測試方法，裝置具 有較高的準確性，可精確設置應力、溫度和氣滲壓力等環境參數，實現了數據傳輸和自動化 處理，數據和曲線同時輸出，提高了數據采集處理效率，并保證了準確性，此項技術在國內 外尚屬首次，具有良好的實用性和前瞻性。
【發明內容】
[0005] 為克服現有技術存在的缺陷，本發明提供一種氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲 透測試裝置和測試方法，以測量深部致密巖石材料在不同溫度、不同應力和不同氣體滲透 壓力單獨或共同作用下滲透系數隨應力、應變及溫度的演化過程，并利用計算機程序予以 可視化顯示，彌補了現存裝置未考慮多場耦合因素引起的數據結果的誤差，提高測量準確 性，且操作簡單，結果可靠，亦可直觀顯示。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用的解決方案如下： 氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置，包括：三軸壓力室、高氣壓罐、低氣壓 罐、圍壓加載器、軸壓加載器、溫度加熱器和數據傳輸采集處理器；其中：高氣壓罐、低氣壓 罐和圍壓加載器、軸壓加載器分別與三軸壓力室連接，實現氣體壓力施加和不同應力方式、 不同應力路徑的加載；溫度加熱器緊貼三軸壓力室并將三軸壓力室無縫包圍，實現試驗溫 度的控制；數據傳輸采集處理器分別與三軸壓力室、高氣壓罐、低氣壓罐、圍壓加載器、軸壓 加載器、溫度加熱器相連，定時采集試驗數據并予以存儲處理。
[0007] 相對于現有技術，本發明具有如下有益效果： 1、 可實現不同溫度和不同應力加載路徑低滲巖石氣體滲透性測試； 2、 采用勒緊項圈對高性能硅膠套裝置分別與圓形底座裝置和軸向加壓圓蓋裝置接觸 部分予以勒緊、密封，確保了試驗施加圍壓后氣體壓力的密封性； 3、 采用數據自動采集、計算，自動化程度較高，避免人工主觀處理數據帶來的試驗誤 差； 4、 采用計算機語言，編制數據計算可視化程序，可直觀顯示計算得到巖石氣體滲透性 等參數，并繪制出巖石氣體滲透性、溫度、應力和應變參數間的相互關系曲線； 5、 試驗基于脈沖計算原理，解決了氣熱力耦合作用下低滲巖石滲透系數測試及數據處 理方法； 6、 設置三向應力加載系統，可實現巖石不同應力方式和路徑的加載。
【附圖說明】
[0008] 圖1是氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置的結構示意圖； 圖2是氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置中試樣夾持器結構示意圖； 圖3是氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置中圓形底座與軸向加壓圓蓋結 構示意圖 圖中：1、三軸壓力室，2、高氣壓罐，3、低氣壓罐，4、圍壓加載器，5、軸壓加載器，6、溫度 加熱器，7、數據傳輸采集處理器。
【具體實施方式】
[0009] 如圖1所示，氣熱力耦合作用下低滲巖石氣體滲透測試裝置，包括：三軸壓力室1、 高氣壓罐2、低氣壓罐3、圍壓加載器4、軸壓加載器5、溫度加熱器6和數據傳輸米集處理器 7 ;其中：高氣壓罐2、低氣壓罐3和圍壓加載器4、軸壓加載器5分別與三軸壓力室1連接， 實現氣體壓力施加和不同應力方式、不同應力路徑的加載；溫度加熱器6緊貼三軸壓力室1 并將三軸壓力室1無縫包圍，實現試驗溫度的控制；數據傳輸采集處理器7分別與三軸壓力 室1、高氣壓罐2、低氣壓罐3、圍壓加載器4、軸壓加載器5、溫度加熱器6相連，定時采集試 驗數據并予以存儲處理； 三軸壓力室1內設有試樣夾持器11、圓形底座12、軸向加壓圓蓋13 ;圓形底座12位于 三軸壓力室底部，軸向加壓圓蓋13位于三軸壓力室頂部，試樣夾持器11安裝于圓形底座 12、軸向加壓圓蓋13之間。
[0010] 如圖2所示，試樣夾持器11，包括：硅膠套111、兩個軸向應變傳感器112、三個環 向應變傳感器113、上圓形剛體墊塊114和下圓形剛體墊塊115 ;上剛體墊塊114直徑、下剛 體墊塊115直徑、硅膠套111內徑、試樣直徑與圓形底座12直徑、軸向加壓圓蓋13直徑相 同，通常為50mm;硅膠套111高于試樣，試樣高度為100mm，硅膠套長度為130mm;上圓形剛 體墊塊114、下圓形剛體墊塊115分別位于試樣的上下兩端，上圓形剛體墊塊114、下圓形剛 體墊塊115、試樣置于硅膠套111內；硅膠套不透水、不透氣，以確保夾持器的密封性；上剛 體墊塊114、下剛體墊塊115均分布有均勻滲透孔，用于確保氣體壓力的均勻性，墊塊高度 取3_ ;硅膠套111上下端分別與軸向加壓圓蓋13和圓形底座12相連。
[0011] 硅膠套111外部設有兩個軸向應變傳感器112和三個環向應變傳感器113 ;兩個 軸向應變傳感器112設在硅膠套111的軸向兩側，軸向應變值取兩個軸向應變傳感器112 所測值之和的平均；三個環向應變傳感器113分別設在硅膠套111外表面上部、中部和下 部，環向應變值取三個環向應變傳感器113三者之和的平均。
[0012] 如圖3所示，圓形底座12,包括：底部勒緊項圈121和底部帶孔剛塊122,底部帶孔 剛塊122的1/3安置在硅膠套111內，并用勒緊項圈121將接觸部分予以勒緊、密封，確保 試驗過程中底部的密封性；底部帶孔剛塊122的圓心上設有的圓孔123,且圓孔123貫通整 個剛塊；圓孔123通過管線32與低氣壓罐3連接，用于施加低氣壓力。該管線32上設有壓 力表31，用于測量管線內氣體壓力； 軸向加壓圓蓋裝置13,包括：頂部勒緊項圈131和頂部帶孔剛塊132,頂部帶孔剛塊 132的1/3安置在硅膠套111內，并用勒緊項圈131將接觸部分予以勒緊、密封，確保試驗過 程中頂部的密封性；頂部帶孔剛塊132的圓孔由剛塊側面133和圓心134相互貫通，圓孔通 過管線22與高氣壓罐2連接，用于施加高氣壓力，管線上設有壓力表21，用于測量管線內 氣體壓力； 三軸壓力室1的外壁設有溫度加熱器6,溫度加熱器6將三軸壓力室1無縫包圍；溫