一种模拟地层流体复杂运移过程的岩芯夹持器及其使用方法
【专利摘要】本发明公开一种模拟地层流体复杂运移过程夹持器及其使用方法，夹持器是由轴压柱塞、夹持器筒体、及其嵌入岩芯的耐压软管组成一个密闭组合体；测试岩芯加工成中空圆柱形状，将耐压软管穿入岩芯内部孔道，轴压柱塞布置在岩芯两端；设置三台计量泵分别连通轴压柱塞对岩芯施加最大主应力，连通夹持器筒体内环压腔对岩芯施加中间主应力，连通耐压软管对岩芯内孔施加最小主应力；另设置一台计量泵连通柱塞偏轴线孔道对岩芯注入流体；通过控制各液压腔内传压流体的压力及其流量，实现对岩芯进行应力与变形控制功能。本发明不仅可以实现真三轴应力状态下岩芯的孔隙气/液渗流，还满足应力解除过程中岩芯变形及其渗透率测试。
【专利说明】一种模拟地层流体复杂运移过程的岩芯夹持器及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤炭开采、煤层气与页岩气开发领域，用于模拟原位岩层中孔隙流体在复杂工况条件下的运移过程。本发明不仅可以实现真三轴应力状态下岩芯的孔隙气/液渗流，同时满足岩芯在应力与位移边界条件下应力解除过程中岩芯变形及其渗透率测试要求，还可以使用CT三维可视化技术获取岩芯细观孔隙结构。
【背景技术】
[0002]目前绝大多数的真三轴岩石渗流测试装置的应力加载方式是通过是对立方体或长方体岩芯的六个端面三个方向分别施加荷载实现的。该方式较好模拟岩石的真三轴受力状态，但是对于除应力之外的其他物理参数的造成很大影响:(I)由于岩芯的六个端面均是受到刚性加载，岩芯压缩变形量只能根据刚性压头的位移量计算。如果模拟受力卸载过程，通常采用一个方向的压头与其加载端面分离的方式实现，这种情况下卸载压头的位移量已经不能作为岩芯的真实变形。(2)即使在岩芯表面粘贴应变片，在加载过程中压头与岩芯端面的摩擦效应也影响应变片的准确测量。此外在加载过程中很容易出现应变片引线与电阻栅格受挤压出现应变片断裂问题。(3)方形岩芯对加工精度有很高要求，一旦岩芯的六个端面的垂直度出现偏差，将出现偏心受压以及不均匀变形等问题。传统的岩芯渗透率测试简化为应力控制，岩芯轴向受力采用加载一端柱塞，固定另一端柱塞的方式实现。这种方式事实上会造成岩芯的侧面与一个轴压加载端面处于应力约束，而另一端面处于位移约束，使岩芯的边界条件复杂化。通过大量现场监测数据证实，原位岩层的边界条件并不是应力约束，而是更接近于位移约束状态，因此，有必要发明一种新型真三轴渗流夹持器克服目前设备中存在弊端，更贴近实际工况模拟地层流体运移，获取更全面可靠的物理力学参数数据。
【发明内容】
[0003]本发明目的是提供一种模拟地层流体复杂运移过程的岩芯夹持器及其测试方法，应用于对圆柱形岩芯施加三向不等压应力，同时也可以对受载岩芯注入各种流体，模拟真/假三轴状态应力控制或者位移控制边界条件下流体稳流、应力卸载时岩体破裂导致流场变化问题。
[0004]本发明的岩石真三轴渗流夹持器组成结构，其左端设有左轴压柱塞、左柱塞套筒；右端设有右轴压柱塞、右柱塞套筒。其特征在于，在左右两端轴压柱塞中心位置各有两个孔道，其中一对孔道布设在柱塞中心位置，另外一对孔道布置在中心孔道附近。柱塞嵌套进柱塞套筒内，柱塞与其套筒之间空腔为液压腔室，柱塞套筒嵌入夹持器筒体。本发明涉及的测试样品为圆柱状岩芯，沿岩芯轴线位置钻孔贯穿两个端面。孔道内置入耐压胶管，分别连通两端柱塞。
[0005]本发明所述的真三轴岩芯夹持器对于圆柱状试件所受三向不等压力依次为轴压(最大主应力)、外部环压(中间主应力)与内部环压(最小主应力)，岩芯承载三向不等压力与孔隙压力是这样实现的:
1)岩芯所受最大主应力也就是轴向压力是通过一台高压计量泵对左右轴压柱塞注压实现；
2)岩芯所受中间主应力也就是外部环压是通过一台高压计量泵对胶套外围的液压腔注压实现；
3)岩芯所受最小主应力也就是内部环压是通过一台高压计量泵对岩芯内部的橡胶套注压实现；
4)注入岩芯内部的流体通过位于偏离左柱塞中心位置的孔道，进入岩芯后从右柱塞孔道流出；
5)在岩芯外表面中部正交布设粘贴应变片，导线从夹持器中部的数据接口端引出。
[0006]通过改变各个计量泵的输出压力或者流量可模拟地层中不同应力边界或者位移边界条件与孔隙压力，同时监测岩芯表面应变。
[0007]本发明的三轴夹持器由于采用三种加载方式，相比常规假三轴夹持器可以模拟真实地层的三向不等受压状况，而且可以三个方向选择不同边界条件，为研究地层多物理场耦合问题提供更完善实验模拟方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明的三轴岩芯夹持器的结构示意图；
图2为岩芯在夹持器内的工作状态不意图。
[0009]其中，I为流体注入泵，2为内部环压泵，3为左柱塞，4为左端柱塞套筒，5为夹持器筒体，6为内部环压注入端,7为流体注入端,8为密封套,9为应变采集仪,10为岩芯，11为右端柱塞套筒，12为右柱塞，13为外部环压泵，14为流量计，15为内部环压卸压孔，16为右端轴压腔，17为孔隙流体流出孔，18为外部环压腔，19为左端轴压腔，20为轴压泵，21为内部环压胶套，22为应变花，23为外部环压注入端，24为外部环压控制阀门，25为孔隙流体注入阀门，26为内部环压注压阀门，27为内部环压卸压阀门，28为孔隙流体排空阀门，29为轴压控制阀门。
【具体实施方式】
[0010]结合说明书【专利附图】
【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0011]如图1所示，本发明的三轴岩芯夹持器为左端柱塞套筒4联结左柱塞3与夹持器筒体5，右端柱塞套筒11联结右柱塞12与夹持器筒体5，左柱塞3嵌套在左端柱塞套筒4内，右柱塞12嵌套右端柱塞套筒11内，左端柱塞套筒4与左柱塞3之间有左端轴压腔19，右端柱塞套筒11与右柱塞12之间有右端轴压腔16，岩芯10包裹在密封套10内，其左右端分别接触左柱塞3与右柱塞12，密封套10与夹持器筒体5之间有外部环压腔18，外部环压泵13连通外部环压腔18，在左柱塞3的中心位置留有内部环压注入端6，在右柱塞12的中心位置留有内部环压卸压孔15，内部环压胶套21连通内部环压注入端6与内部环压卸压孔15，在内部环压注入端6附近留有孔隙流体注入端7，在内部环压卸压孔15附近留有孔隙流体流出孔17，内部环压注入端6连通内部环压泵2，孔隙流体注入端7连通孔隙流体注入泵1，孔隙流体流出孔17连通流量计14。
[0012]本发明所述三轴岩芯夹持器的安装工作步骤为:
(1)制备岩芯10，首先沿岩芯10轴线位置钻取孔道，将内部环压胶套21插入孔道内，在岩芯外表面中部位置粘贴应变花22，将岩芯10安装在密封套8内，应变花22的导线穿过密封套8 ；
(2)组装岩芯10，将包裹密封套8的岩芯10安装进夹持器筒体5内，左柱塞3与右柱塞12分别接触岩芯的两端，连接内部环压注入端6到内部环压胶套21，连接内部环压卸压孔15到内部环压胶套21 ；
(3)安装计量泵，连接孔隙流体注入泵I与孔隙流体注入端7，孔隙流体流出孔与流量计14，连接内部环压泵2与内部环压注入端6，连接轴压泵20与右端轴压腔16和左端轴压腔19，连接外部环压注入端23与外部环压泵13，连接应变花22与应变采集仪9 ；
如图2所示本发明所述三轴岩芯夹持器的使用工作步骤为:
(1)首先启动外部环压泵13，对外部环压腔18注压至设定值，其次启动轴压泵20对左右端轴压腔注压至设定值，接着启动内部环压泵对内部环压胶套21注压至设定值，对于真三轴受力状态，轴压与外部环压值均大于内部环压值，最后启动孔隙流体注入泵I对岩芯10注气或注液，流量计14实时监测溢出流体体积；
(2)在应力控制边界条件下，只需保持计量泵1、2、13和20的输出压力即可，在位移控制边界条件下，在轴压、内外环压达到预定值后，关闭阀门24、阀门25、阀门26、阀门27和阀门29，使左右轴压腔、外部环压腔与内部环压胶套内的压力流体处于封闭状态即可；
(3)对于真三轴压力卸载情况，当各部分压力平衡后，开启阀门27，内部环压胶套内压力会迅速释放，岩芯的真三轴受压状态转变为轴向与外部环向受压，等待流量计14显示流量值与岩芯变形量稳定后，将包裹密封套的岩芯10取出，进行CT扫描获取裂隙空间分布状态。
【权利要求】
1.一种模拟地层流体复杂运移过程的岩芯夹持器，其特征是由轴压柱塞、夹持器筒体、及其置入岩芯内部的耐压软管组成一个筒状组合体；其中，所述轴压柱塞由两个柱塞组成，对称布置在岩芯两端，分别沿两个柱塞的轴线位置及其偏离轴线位置设置孔道，一对孔道用来施加内部环压，另一对孔道用来注入孔隙流体；将岩芯加工成柱状，沿其轴线钻孔贯穿两个底面，将耐压软管插入岩芯孔道内，软管两端连接柱塞中心孔道；密封套包裹岩芯与两个轴压柱塞，置入夹持器筒体内，密封套与夹持器侧壁之间为外部环压腔；设置三台计量泵分别连通轴压柱塞端部的液压腔对岩芯施加最大主应力、连通外部环压腔对岩芯施加中间主应力、连通内部耐压软管对岩芯内孔施加最小主应力；另设置一台计量泵连接柱塞偏轴线孔道对岩芯注入流体。
2.如权利要求1所述的岩石真三轴渗流夹持器，其特征在于岩芯两端均设置轴压柱塞，依靠计量泵对柱塞末端的液压腔注压驱动柱塞同时对岩芯两个端面加载，这种结构保证岩芯两端在最大主应力方向上选择应力条件控制岩芯边界，也可以选择位移条件控制岩芯边界。
3.如权利要求1所述的岩石真三轴渗流夹持器，其特征在于沿柱状岩芯的轴线位置钻孔，并将耐压软管插入孔道内，软管连接两个轴压柱塞，对耐压软管注压后实现对岩芯施加最小主应力。
4.如权利要求1所述的岩石真三轴渗流夹持器，其特征在于每个轴压柱塞均有两条孔道，一条孔道在其轴线位置用于为岩芯内部环压介质提供注压通道，另一条在偏离轴线位置用于对岩芯孔隙流体提供流动通道。
5.如权利要求1-4所述的岩石真三轴渗流夹持器的使用方法，其特征在于， 第一步:将岩样加工成圆柱状岩芯后，沿岩芯轴线位置钻孔贯穿两个底面；在岩芯侧面中部位置粘贴电阻应变片；将耐压胶套插入孔道内，再将岩芯装入密封套内，应变片导线穿过密封套做密封处理； 第二步:将包裹岩芯的密封套置入夹持器筒壁内，组装左/右柱塞使其接触岩芯底面，连接岩芯内部耐压胶套与两个柱塞的中心孔道； 第三步:分别将柱塞、外部环压与内部环压的注压孔连接高压计量泵，从密封套引出应变片导线穿过夹持器筒壁接口端； 第四步:首先启动外部环压泵，使岩芯的外部环压达到设定值，其次启动轴压泵对岩芯施加轴压至设定值，接着启动内部环压泵对岩芯内部耐压胶套注至设定值；对于真三轴受力状态，轴压与外部环压均大于内部环压，最后启动计量泵对岩芯注入气体或液体，实时计量溢出流体质量或体积； 第五步:当岩芯的边界条件是应力控制时，只需控制各计量泵的输出压力即可；当边界条件是位移控制时，在轴压、外部环压与内部环压达到预定值后，关闭各自计量泵注压孔的阀门，使左右轴压腔、外部环压腔与内部环压胶套内的传压介质处于封闭状态即可；进行压力卸载过程模拟时，在轴压与外部环压达到预设值后，关闭内部环压计量泵，开启耐压管阀门，使内部环压胶管放空泄压，岩芯从三向受压状态转变为轴向与外部环向受压，等待流量计显示流量值与岩芯变形量稳定后，将包裹密封套的岩芯10取出，进行CT扫描获取裂隙空间分布状态。
【文档编号】G01N15/08GK103543092SQ201310526212
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】王春光, 蒋宇静, 王长盛, 公彬, 刘继山, 魏明尧 申请人:山东科技大学, 中国科学院武汉岩土力学研究所