一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置及方法与流程

文档序号：12450017阅读：274来源：国知局

本发明涉及一种岩石力学实验装置及方法，特别涉及一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置及方法。

背景技术：

随着非常规油气资源的开发利用，页岩气和煤层气的开采备受关注。然而，由于受到沉积环境的影响，页岩和煤岩具有明显的沉积层理，与均质岩石相比，其渗透率和弹性模量表现出明显的各向异性，使得页岩和煤岩储层的压裂施工及效果评价更加复杂。因此，准确的测量各向异性岩石的渗透率和弹性模量具有重要的工程意义。

目前，岩石渗透率和弹性模量的测量主要针对均质岩石，不能较好的体现岩石的各向异性，如申请号为201310745508.X的发明专利和申请号为201110368838.2的发明专利，只能得到岩石的渗透率，而不能得到三轴压缩过程中岩石渗透率和应力-应变的同步数据；申请号为201310733764.7的发明专利，只能得到非饱和土的渗透率和应力-应变数据，不能得到各向异性岩石不同方向的渗透率和弹性模量数据。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置及方法，在不同压力和温度条件下，对各向异性岩石进行三轴压缩实验，获得三轴压缩过程中岩心试样的渗透率和应力-应变的同步数据；通过橡胶套结构，实现三个方向上立方体岩心的放置，得到同一块各向异性岩石不同方向的渗透率和弹性模量数据。

本发明提到的一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置，包括三轴应力釜（1）、底座（16）、活塞杆（9）、橡胶套（14）、应变片（15）、电磁加热圈（3）、渗透率测量仪（18）和气瓶（20），所述活塞杆（9）安装在三轴应力釜（1）上端，可用于给岩心（13）施加压力；所述底座（16）安装在三轴应力釜（1）下端，所述岩心（13）放置在橡胶套（14）内，并一起放置在活塞杆（9）和底座（14）之间，用热塑管（4）密封；所述液体孔（6）安置在三轴压力釜（1）侧壁下部，用于向釜腔（2）内部注入、排放液体，实现对岩心（13）加卸载围压；所述气体孔（12）安装在三轴应力釜（1）侧壁上部，实现釜腔（2）内部的换气；所述电磁加热圈（3）安装在三轴应力釜（1）外壁，用于给釜腔（2）加温；所述进气通道（10）设置在活塞杆（9）内部，通过输气软管（11）与渗透率测量仪（18）连接，并通过气槽Ⅱ（26）实现岩心（13）上端气体的供给；所述排气通道（17）设置在底座（16）内部，与大气连通，并通过气槽Ⅰ（25），实现岩心（13）下端气体的排放；所述气瓶（20），经过减压阀（19）与渗透率测量仪（18）连接，实现气体的供给；所述应变片（15）粘贴在岩心（13）相邻端面的四个不同方位，通过数据线（21）、线槽（24）与计算机（22）连接，实现岩心（13）应变数据的读取。

上述的橡胶管（14）为圆筒形结构，中心设有方形结构的空腔，空腔内可以放置立方体形状的岩心（13），实现各向异性岩心渗透率和弹性模量的测量。

上述的气槽Ⅱ（26）和气槽Ⅰ（25）为正方形结构的环形槽，可以实现岩心（13）三轴压缩过程中，渗透率和应力-应变数据的同步测量。

上述的活塞杆（9）与三轴应力釜（1）之间用密封圈Ⅱ（8）密封。

上述的底座（16）与三轴应力釜（1）之间用密封圈Ⅰ（7）密封。

上述的数据线（21）用密封塞（5）密封。

本发明提到的一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）、制备立方体结构的岩心试样，放置在橡胶套结构内部，并一起放置在活塞杆和底座之间，用热塑管密封，用于向釜腔内部注入、排放液体，实现对岩心加卸载围压；

（2）、测量装置进行不同压力和温度条件下的弹性阶段压缩实验，得同一块各向异性岩石不同方向的渗透率和弹性模量数据；

（3）、所述测量装置进行不同压力和温度条件下的三轴压缩实验，获得三轴压缩过程中岩心试样的渗透率和应力-应变的同步数据。

本发明提到的一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置的使用方法，包括具体步骤如下：

（1）选取各向异性岩石加工成立方体形状的岩心试样，在试样相邻端面的四个不同方向粘贴应变片，并按照某一方向放置在所述橡胶套内部；

（2）将放有岩心试样的橡胶套放置在所述活塞杆和底座之间，并用热塑管进行密封固定；

（3）向所述釜腔内注入液体，对岩石试样施加围压，达到预设值后，关闭液体孔和气体孔，然后通过电磁加热圈对釜腔加温；

（4）利用活塞杆对岩心试样施加轴向载荷，进行不同压力和温度条件下的弹性阶段压缩实验，在岩心未破坏的条件下，得到岩心试样该方向上的岩心顶端和底端气体压力和气体流量，以及应力-应变值；

（5）将上述岩心顶端和底端气体压力和气体流量代入岩石气测渗透率计算公式，得到该方向上岩石试样的渗透率：

（1）

式中，为岩石试样的渗透率，μm²=D；为大气压力，MPa；为岩心顶端端的绝对压力，MPa；为岩心底端的绝对压力，MPa；为气体流量氮气流量，cm³/s；为气体粘度，mPa.s；为岩心的横截面积，cm²；为岩心的长度，cm；

（6）将上述应力-应变值代入岩石弹性模量计算公式，得到该方向上岩心试样的弹性模量：

（2）

式中，为岩心的弹性模量，GPa；为岩心弹性变形阶段的应力差值，MPa；为应变差对应的应变差值，%；

（7）通过改变岩心试样在所述橡胶套结构内部的放置方向，重复上述步骤（2）到（6），得到同一块各向异性岩石三个不同方向的渗透率和弹性模量；

（8）所述测量装置进行不同压力和温度条件下的完整的三轴压缩实验，获得三轴压缩过程中岩心试样的渗透率和应力-应变的同步数据。

本发明的有益效果是：（1）本发明所述测量装置结构合理、操作简单，可以测量不同三轴应力和温度条件下各向异性岩石的渗透率和弹性模量，更好的模拟原始地应力状态；（2）本发明所述测量装置可获得三轴压缩过程中岩心试样的渗透率和应力-应变的同步数据；（3）本发明所述测量装置可得到同一块各向异性岩石三个方向上的渗透率和弹性模量，其测量方法可靠，可以更好的反应岩石的各向异性。

附图说明

图1为本发明的测量装置结构示意图；

图2为本发明的橡胶套结构剖面图；

图3为本发明的橡胶套结构立体图；

图4为本发明的各向异性岩石的岩心试样立体图；

图5为本发明的底座顶端结构示意图；

图6为本发明的活塞杆底端结构示意图；

图中，1、三轴压力釜，2、釜腔，3、电磁加热圈，4、热塑管，5、密封塞，6、液体孔，7、密封圈Ⅰ，8、密封圈Ⅱ，9、活塞杆，10、进气通道，11、输气软管，12、气体孔，13、岩心试样，14、橡胶套，15、应变片，16、底座，17、排气通道，18、渗透率测量仪，19、减压阀，20、气瓶，21、数据线，22、计算机，23、螺孔，24、线槽，25、气槽Ⅰ，26、气槽Ⅱ。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置，包括：三轴压力釜1、底座16、活塞杆9、橡胶套14、应变片15、电磁加热圈3、渗透率测量仪18、气瓶20。

所述活塞杆9安装在三轴应力釜1上端，用密封圈Ⅱ8密封，可用于给岩心13施加压力；所述底座16安装在三轴应力釜1下端，用密封圈Ⅰ7密封，并通过螺孔23固定；所述岩心13放置在橡胶套14内，并一起放置在活塞杆9和底座14之间，用热塑管4密封；所述液体孔6安置在三轴压力釜1侧壁下部，用于向釜腔2内部注入、排放液体，实现对岩心13加卸载围压；所述气体孔12安装在三轴应力釜1侧壁上部，实现釜腔2内部的换气；所述电磁加热圈3安装在三轴应力釜1外壁，用于给釜腔2加温；所述进气通道10，设置在活塞杆9内部，通过输气软管11与渗透率测量仪18连接，并通过气槽Ⅱ26，实现岩心13上端气体的供给；所述排气通道17，设置在底座16内部，与大气连通，并通过气槽Ⅰ25，实现岩心13下端气体的排放；所述气瓶20，经过减压阀19与渗透率测量仪18连接，实现气体的供给；所述应变片15粘贴在岩心13相邻端面的四个不同方位，其数据线21用密封塞5密封，通过线槽24与计算机22连接，实现岩心13应变数据的读取。

如图2、3、4所示，本发明的橡胶套结构和立方体岩心，实现三个方向上立方体岩心的放置。

如图5所示，本发明的底座装置，包括：底座16、排气通道17、螺孔23、线槽24、气槽25。

所述螺孔23将底座16固定在三轴压力釜1底端；所述排气通道17，设置在底座16内部，与大气连通，并通过气槽Ⅰ25，实现岩心13下端气体的排放；所述数据线21用密封塞5密封，通过线槽24与计算机22连接。

如图6所示，本发明的活塞杆装置，包括：活塞杆9、进气通道10、气槽26。

所述活塞杆9安装在三轴应力釜1上端，用密封圈Ⅱ8密封，可用于给岩心13施加压力；所述进气通道10，设置在活塞杆9内部，通过输气软管11与渗透率测量仪18连接，并通过气槽Ⅱ26，实现岩心13上端气体的供给。

本发明提到的一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）选取各向异性岩石加工成30mm的立方体岩心试样，按照某一方向放置在所述橡胶套结构内部；

（2）所述测量装置进行不同压力和温度条件下的弹性阶段压缩实验，在岩心未破坏的条件下，得到岩心试样该方向的渗透率和弹性模量数据；

（3）通过改变岩心试样在所述橡胶套结构内部的放置方向，重复上述步骤（2），得到同一块各向异性岩石三个不同方向的渗透率和弹性模量数据；

（4）所述测量装置进行不同压力和温度条件下的三轴压缩实验，获得三轴压缩过程中岩心试样的渗透率和应力-应变的同步数据。

本发明提到的一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置的使用方法，包括以下具体步骤：