气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属深部油气开采岩石力学测试领域，具体地，涉及一种气热力耦合作用下 低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法，适用于深部高温和高压作用下油气田开发及气热 力耦合作用下核废料地下储存工程中低渗透岩石材料气体渗透系数的研宄和测定。
【背景技术】
[0002] 温度、应力及气体渗透是影响油气低渗储层地质环境的主要因素，三者相互联系、 相互影响、相互制约，形成岩石气热力多场耦合问题。作为西部石油和核废料储存工程常见 复杂介质，低渗致密岩石在深部高温、高气压和高地应力耦合作用下，力学特性会产生显著 变化，对工程建设及运行期安全起控制性作用。鉴于岩石渗透演化规律可从微细观力学角 度反映岩石孔隙结构压缩、闭合、扩展贯通和坍塌破坏全过程，故开展低渗岩石复杂环境耦 合条件下气体渗透测试研宄对于油气开采工程具有重要的意义。
[0003] 作为多孔介质，渗透性是指在流体作用下，岩石的孔隙和裂隙渗透的能力，是岩石 的重要力学特性。但现有岩石渗透率和变形关系研宄主要集中在水为渗透介质上，气体渗 透演化规律并不多见，针对油气开采低渗岩石气体渗透特性测试更是鲜有介绍，仅存的部 分气体渗透性测试结果如下： 潘伟义和伦增珉等在专利《一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法》（申请号 201010520289. 1)中提供了一种高压下岩石气测渗透率的装置及方法；但此装置仅考虑了 围压的作用，无法模拟实际地层三向应力不等的状态和研宄不同轴向应力对岩石气体渗透 性的影响。岩石渗透性与荷载紧密相关，专利申请人和徐卫亚等在文《渗流_应力耦合作用 下碎肩岩流变特性和渗透演化机制试验研宄》(岩石力学与工程学报，33(8): 1613-1625， 2014.)中认为加载将导致岩石渗透率发生2-5个数量级的变化，且具有强烈的方向性；此 外，该装置为基于达西定律计算岩石气体渗透系数；但由于深部岩石致密度较高，渗透率较 低、油汽水赖以流动的通道微细、渗流阻力较大，导致液固界面相互作用力显著，渗透存在 明显的启动压力，导致经典的达西线性渗流关系并不适用，故此装置针对深部低渗岩石气 体渗透性测试并不适用； 陈益峰和胡少华等在专利《低渗岩石瞬态气压脉冲渗透率测量装置及测量方法》（申请 号201310207056.X)中提出了低渗岩石瞬态气压脉冲渗透率测量装置及测量方法，此装置 采用压力脉冲法对低渗岩石的气体渗透性予以了测试，但未考虑实际地层三向应力不等的 状态和温度对岩石气体渗透特性的影响，故此装置对深部高温、高渗透和高地应力状态下 岩石气体渗透性测试亦不适用； 徐卫亚和王伟等在专利《一种岩石气体渗透测定装置和测定方法》（申请号 201210590766. 0)中提出了一种通过记录不同时刻岩石试样材料两端的轴向气压差推求岩 石气体渗透性的测定装置与方法，此装置的计算方法类似于压力脉冲法，但仍未考虑实际 地层三向应力不等的状态和温度对岩石气体渗透特性的影响；油气藏工程中，地层温度随 埋藏深度增加而增加，温度升高，岩石骨架颗粒热膨胀，力学性能劣化，结合气体渗透的作 用，结构将产生明显损伤，极易发生膨胀甚至崩解，造成致密岩石储层孔隙结构坍塌和强度 大幅度降低，故温度的影响是开展岩石气体渗透性研宄须要考虑的重要因素。
[0004] 在参阅国内相关资料的基础上，认为原有岩石气体渗透测试技术均具有一定得局 限性，存在无法考虑不同应力路径、温度不能控制、测试装置密封性不好、数据处理完全手 工化等缺陷；本发明人将多场耦合岩石测试技术和气体渗透性测定技术及数据处理可视化 技术相结合，发明一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法，装置具 有较高的准确性，可精确设置应力、温度和气渗压力等环境参数，实现了数据传输和自动化 处理，数据和曲线同时输出，提高了数据采集处理效率，并保证了准确性，此项技术在国内 外尚属首次，具有良好的实用性和前瞻性。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗 透测试装置和测试方法，以测量深部致密岩石材料在不同温度、不同应力和不同气体渗透 压力单独或共同作用下渗透系数随应力、应变及温度的演化过程，并利用计算机程序予以 可视化显示，弥补了现存装置未考虑多场耦合因素引起的数据结果的误差，提高测量准确 性，且操作简单，结果可靠，亦可直观显示。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的解决方案如下： 气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，包括：三轴压力室、高气压罐、低气压 罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器和数据传输采集处理器；其中：高气压罐、低气压 罐和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、 不同应力路径的加载；温度加热器紧贴三轴压力室并将三轴压力室无缝包围，实现试验温 度的控制；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压 加载器、温度加热器相连，定时采集试验数据并予以存储处理。
[0007] 相对于现有技术，本发明具有如下有益效果： 1、 可实现不同温度和不同应力加载路径低渗岩石气体渗透性测试； 2、 采用勒紧项圈对高性能硅胶套装置分别与圆形底座装置和轴向加压圆盖装置接触 部分予以勒紧、密封，确保了试验施加围压后气体压力的密封性； 3、 采用数据自动采集、计算，自动化程度较高，避免人工主观处理数据带来的试验误 差； 4、 采用计算机语言，编制数据计算可视化程序，可直观显示计算得到岩石气体渗透性 等参数，并绘制出岩石气体渗透性、温度、应力和应变参数间的相互关系曲线； 5、 试验基于脉冲计算原理，解决了气热力耦合作用下低渗岩石渗透系数测试及数据处 理方法； 6、 设置三向应力加载系统，可实现岩石不同应力方式和路径的加载。
【附图说明】
[0008] 图1是气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置的结构示意图； 图2是气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置中试样夹持器结构示意图； 图3是气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置中圆形底座与轴向加压圆盖结 构示意图 图中：1、三轴压力室，2、高气压罐，3、低气压罐，4、围压加载器，5、轴压加载器，6、温度 加热器，7、数据传输采集处理器。
【具体实施方式】
[0009] 如图1所示，气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，包括：三轴压力室1、 高气压罐2、低气压罐3、围压加载器4、轴压加载器5、温度加热器6和数据传输米集处理器 7 ;其中：高气压罐2、低气压罐3和围压加载器4、轴压加载器5分别与三轴压力室1连接， 实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度加热器6紧贴三轴压力室1 并将三轴压力室1无缝包围，实现试验温度的控制；数据传输采集处理器7分别与三轴压力 室1、高气压罐2、低气压罐3、围压加载器4、轴压加载器5、温度加热器6相连，定时采集试 验数据并予以存储处理； 三轴压力室1内设有试样夹持器11、圆形底座12、轴向加压圆盖13 ;圆形底座12位于 三轴压力室底部，轴向加压圆盖13位于三轴压力室顶部，试样夹持器11安装于圆形底座 12、轴向加压圆盖13之间。
[0010] 如图2所示，试样夹持器11，包括：硅胶套111、两个轴向应变传感器112、三个环 向应变传感器113、上圆形刚体垫块114和下圆形刚体垫块115 ;上刚体垫块114直径、下刚 体垫块115直径、硅胶套111内径、试样直径与圆形底座12直径、轴向加压圆盖13直径相 同，通常为50mm;硅胶套111高于试样，试样高度为100mm，硅胶套长度为130mm;上圆形刚 体垫块114、下圆形刚体垫块115分别位于试样的上下两端，上圆形刚体垫块114、下圆形刚 体垫块115、试样置于硅胶套111内；硅胶套不透水、不透气，以确保夹持器的密封性；上刚 体垫块114、下刚体垫块115均分布有均匀渗透孔，用于确保气体压力的均匀性，垫块高度 取3_ ;硅胶套111上下端分别与轴向加压圆盖13和圆形底座12相连。
[0011] 硅胶套111外部设有两个轴向应变传感器112和三个环向应变传感器113 ;两个 轴向应变传感器112设在硅胶套111的轴向两侧，轴向应变值取两个轴向应变传感器112 所测值之和的平均；三个环向应变传感器113分别设在硅胶套111外表面上部、中部和下 部，环向应变值取三个环向应变传感器113三者之和的平均。
[0012] 如图3所示，圆形底座12,包括：底部勒紧项圈121和底部带孔刚块122,底部带孔 刚块122的1/3安置在硅胶套111内，并用勒紧项圈121将接触部分予以勒紧、密封，确保 试验过程中底部的密封性；底部带孔刚块122的圆心上设有的圆孔123,且圆孔123贯通整 个刚块；圆孔123通过管线32与低气压罐3连接，用于施加低气压力。该管线32上设有压 力表31，用于测量管线内气体压力； 轴向加压圆盖装置13,包括：顶部勒紧项圈131和顶部带孔刚块132,顶部带孔刚块 132的1/3安置在硅胶套111内，并用勒紧项圈131将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过 程中顶部的密封性；顶部带孔刚块132的圆孔由刚块侧面133和圆心134相互贯通，圆孔通 过管线22与高气压罐2连接，用于施加高气压力，管线上设有压力表21，用于测量管线内 气体压力； 三轴压力室1的外壁设有温度加热器6,温度加热器6将三轴压力室1无缝包围；温