测量高温高压下多孔弹性介质Biot系数的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩石力学领域，特别涉及一种测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置及方法，用于获得计算弹性多孔介质有效应力的B1t系数，为精细分析地层高温高压条件下岩石的力学特性，指导油气、矿场资源的钻采提供依据。
【背景技术】
[0002]1925年Terzahi首先在土力学中提出有效应力原理，B1t在其基础上进行了开创性的研究，提出了反映多孔弹性介质有效应力的B1t系数。B1t系数已成为描述岩石等多孔介质的一个非常重要的特性参数，是水力压裂设计、出砂预测以及井壁稳定性分析计算等所需的关键参数。
[0003]近年来，尽管人们试图通过室内试验的方法获得较准确的B1t系数，但由于地层岩性、结构复杂，实验具有一定的局限性，误差较大。如中国专利申请号为CN201310232298的发明专利公布的《一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置及试验方法》，本发明涉及的装置包括轴压伺服系统、围压伺服系统、水(气)压伺服系统、数据采集系统及数据处理系统，可开展静水压缩、三轴压缩全过程及加卸载循环下的应力一渗流耦合试验。通过数据采集系统实时测量记录岩石试样当前围压、偏压值，轴向、环向以及体积应变值，进、出口端压力值；数据处理系统绘制出相应的应力一应变曲线，进、出口端压力一时程曲线，试样变形与孔隙水(气)压曲线，然后自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向B1t系数，并进行存储及显示。
[0004]该发明专利虽然可完成岩石材料特别是低渗岩石在复杂应力路径下应力一渗流耦合试验，自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向B1t系数，但试验过程中未考虑温度对试验结果的影响。实际上，在现场钻井施工过程中发现钻遇温度较高的地层时，运用常温下获得的B1t系数计算多孔介质的有效应力来预测地层压力时，往往与实际情况产生很大的偏差，偏差较大时很可能导致复杂事故发生。
[0005]为满足高温高压地层岩石力学应用的要求，准确获得多孔弹性介质的B1t系数，亟须研制出能真实反映地层温度压力状态的测量岩石力学参数的实验装置。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置及方法，以更加准确地测试高温高压等复杂条件下岩石的B1t系数，避免导致复杂事故的发生。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置，包括高压釜、孔压栗系统、围压栗系统、计算机控制系统、加温系统、温控箱，
所述孔压栗系统的一端与计算机控制系统相连，另一端通过第一高压管线穿过加温系统与高压釜底端相连； 围压栗系统的一端与计算机控制系统相连，另一端通过第二高压管线穿过加温系统与高压釜相连；
第一放空阀安装在第三高压管线上，并通过第三高压管线穿过加温系统与高压釜相连；
第二放空阀安装在第四高压管线上，并通过第四高压管线穿过加温系统与高压釜相连；
加温系统包裹在高压釜的外侧；
第三数据传输线的一端与计算机控制系统相连，另一端穿过加温系统与高压釜相连；第四数据传输线的一端与计算机控制系统相连，另一端穿过加温系统与高压釜相连；第五数据传输线的一端与温控箱相连，另一端上装有温度传感器，穿过加温系统与高压釜内侧相连；
第六数据传输线的一端与温控箱相连，另一端上装有温度传感器，穿过加温系统与高压釜外侧相连。
[0008]优选的，本发明提到的高压釜包括岩心、下垫块、上垫块、传感器系统，所述岩心夹在上垫块和下垫块之间，传感器系统位于岩心外侧。
[0009]上述下垫块的中间设有圆形通道，上部端面剖面上带有凹槽。
[0010]上述上垫块内设有圆形通道，下部端面剖面上带有凹槽。
[0011]本发明提到的一种测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置的使用方法，其利用上述实验装置，具体实验步骤如下:
(1)准备岩心:岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；
(2)将待实验岩心外侧装上传感器系统，置于高压釜内；
(3)打开围压栗系统，使高压釜中充满耐高温流体；
(4)打开温控箱，并设置目标温度，对高压釜内流体进行加热，直至温度达到预定值，并保证在整个实验过程中保持不变；
(5)利用计算机控制系统控制围压栗系统给高压釜内施加围压，当围压达到5MPa时，并保持不变，再用计算机控制系统控制孔压栗系统给高压釜内岩心施加孔隙压力，此时，第二放空阀处于打开状态，观察出口是否有液体流出，当有液体流出时，视为岩心已达到饱和状态，此时停止加孔隙压力，并维持孔隙压力不变；
(6)以一定的加载速度缓慢增加围压，利用计算机控制系统记录岩心的轴向和径向变形，当围压达到设定值时，停止记录，并卸载围压；
(7)关闭第二放空阀，以相同的加载速度同时施加孔隙压力和围压，直至目标值，利用计算机控制系统记录岩心的轴向和径向变形，卸载孔隙压力和围压，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算出B1t系数。
[0012]本发明的有益效果是:
(1)本发明解决了岩心在高温条件下B1t系数的测试问题，可较真实的还原岩心在地层的温压条件，对现场应用更具指导性，避免导致复杂事故的发生；
(2)本发明所用主体设备是在原有的常温三轴实验设备基础上改造而来的，既大大节约了成本，又能满足实验要求； (3)高压釜外电磁加热系统的应用，既保证了加温安全，又能使温度达到石油钻井工程中地层温度的要求(500°C以内)。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置的结构示意图； 图2为高压釜内部结构示意图；
图3为高压釜内下垫块示意图及俯视图；
图4为高压釜内上垫块示意图及仰视图；
图中，1、高压釜，2、孔压栗系统，3、围压栗系统，4、计算机控制系统，5、加温系统，6、第四数据传输线，7、第一放空阀，8、第三高压管线，9、第一数据传输线，10、第一高压管线，11、第四高压管线，12、第二放空阀，13、第二数据传输线，14、第二高压管线，15、第三数据传输线，16、第五数据传输线，17、温控箱，18、第六数据传输线，20、岩心，21、下垫块，22、上垫块，23、传感器系统。
【具体实施方式】
[0014]实施例1，如图1所示，本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置，为一种实验装置，包括高压釜1、孔压栗系统2、围压栗系统3、计算机控制系统4、加温系统5、第一放空阀7，第二放空阀12，温控箱17。
[0015]所述孔压栗系统2的一端通过第一数据传输线9与计算机控制系统4相连，并由计算机控制系统4控制；孔压栗系统2的另一端通过第一高压管线10穿过加温系统5与高压釜I底端相连，用于给高压釜I中的岩心施加孔隙压力；
围压栗系统3的一端通过第二数据传输线13与计算机控制系统4相连，并由计算机控制系统4控制；围压栗系统3的另一端通过第二高压管线14穿过加温系统5与高压釜I相连，用于给高压釜I中的岩心施加围压；
第一放空阀7安装在第三高压管线8上，并通过第三高压管线8穿过加温系统5与高压釜I相连，用以实现对高压釜I中围压流体的放空。
[0016]第二放空阀12安装在第四高压管线11上，并通过第四高压管线11穿过加温系统5与高压釜I相连，用以实现高压釜I中孔隙流体的流出。
[0017]加温系统5包裹在高压釜I的外侧，利用电磁波加热原理，对高压釜I内的岩心进行加热；
第三数据传输线15的一端与计算机控制系统4相连，第三数据传输线15的另一端穿过加温系统5与高压釜I相连，用于实现计算机控制系统4对高压釜I内岩心轴向变形的监测。
[0018]第四数据传输线6的一端与计算机控制系统4相连，第四数据传输线6的另一端穿过加温系统5与高压釜I相连，用于实现计算机控制系统4对高压釜I岩心径向变形的监测。
[0019]第五数据传输线16的一端与温控箱17相连，第五数据传输线16的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统5与高压釜I内侧相连，用于温控箱17对高压釜I岩心温度的监测。
[0020]第六数据传输线18的一端与温控箱17相连，第六数据传输线18的另一端上装有温度传感器，穿过加温系统5与高压釜I外侧相连，用于温控箱17对高压釜I外侧温度的监测。
[0021]如图2所示，所述高压釜I包括岩心20，下垫块21，上垫块22，传感器系统23。岩心20夹在上垫块22和下垫块21之间。传感器系统23位于岩心外侧，用于实现对岩心变形和温度的监测。
[0022]如图3所示，下垫块21的中间设有圆形通道，用以将孔隙流体传递到岩心中，实现流体的流动；下垫块21的上部端面剖面上带有凹槽，便于流体在岩心入口端面的流动。
[0023]如图4所示，上垫块22内设有圆形通道，用以实现孔隙流体从岩心端面流出；上垫块22的下部端面剖面上带有凹槽，便于流体在岩心出口端面的流动。
[0024]，本发明提到的测量高温高压下多孔弹性介质B1t系数的装置的使用方法，利用上述实验装置，具体实验步骤如下:
(I)准备岩心:岩心标准为直径25mm，高度50mm，为减少误差需保证岩心两端面完全平行。
[0025](2)将待实验岩心外侧装上传感器系统23，