一种在多场耦合作用下利用二氧化碳置换页岩气的测试装置的制作方法

本实用新型涉及石油与天然气工程领域，特别是一种在多场耦合作用下利用二氧化碳置换页岩气的测试装置。

背景技术：

目前，随着中国页岩气的迅速发展，开发和利用页岩气资源已经成了我国长远战略目标，但在开发的过程中，如何提高页岩地层的开采效率逐渐成为石油行业的热点，由于我国地质条件非常复杂，页岩气开采领域存在埋藏深度范围广、温度变化范围大等特点。随着页岩气开采理论的不断发展，发现二氧化碳气体在页岩上的吸附能力比CH4气体强，通过外界注入二氧化碳与储层吸附状态页岩气发生竞争吸附，置换出页岩气，从而达到提高采收率的作用。置换与注气驱替有本质上的差别，注气驱替是把已经吸附或者游离在孔隙中的油气赶走。而二氧化碳在地层中的置换效率是反映储层中页岩气通过置换的方式开采成功与否的标志，因此如何准确测量出储层致密岩石中气体的置换效率对于开采页岩气；以及开采系统的设计都具有重要意义。

温度场、应力场、压力场及气体渗流场是影响页岩等低渗致密储层环境的主要因素，三者相互联系、相互影响、相互制约，形成岩石热流固多场藕合问题。不同地层温度和压力下，二氧化碳具有不同的相态，同时不同的温度和压力对于地层孔隙度、渗透率以及裂缝的变化都有影响。现有相关研究只是简单的进行了实验测定，并没有在完全模拟地下环境的条件下，完成相关实验，缺少在多场耦合作用下进行相关测试实验的装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服了现有测量实验时，无法满足温度、轴向压力、围压和流体的同时加载，不能完全模拟地层环境的变化；且无法同时监控岩样尺寸在轴向和径向上的变化及岩样内部孔缝变化等多种不足之处，提供一种能够在温度场、应力场和孔隙压力场条件下利用二氧化碳置换页岩气的在多场耦合作用下利用二氧化碳置换页岩气的测试装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种在多场耦合作用下利用二氧化碳置换页岩气的测试装置，它包括装置本体、应力场控制系统、温度场控制系统、气体加载控制系统和流体渗流测量系统；所述装置本体内设置有实验腔，实验腔内设置有承载台、岩样、压头、金属垫圈和热缩管，承载台设置于实验腔内，岩样的上下端均设置有温度传感器，岩样上设置有轴向引伸计和径向引伸计，岩样放置于承载台顶部且套装于热缩管内，压头向下伸入于实验腔内，压头的底部顺次连接有橡胶圈和金属垫圈，金属垫圈与岩样顶表面接触，所述实验腔内壁上设置有电阻丝，实验腔内设置有管道，管道的端口与岩样的下端面接触，管道上连接有阀门Vh；所述应力场控制系统包括围压液压泵和轴压液压泵，围压液压泵的出液口处顺次连接有阀门Vf和压力表A，压力表A的另一端与实验腔连通，轴压液压泵的出液口处连接有阀门Vg和压力表B，压力表B的另一端与压头内的液压流道连通；所述温度场控制系统包括加热炉和温度计A，加热炉与电阻丝连接，温度计A与温度传感器连接；所述气体加载控制系统包括平流泵、第一中间容器和第二中间容器，平流泵的出口端与中间容器之间连接有阀门Va，所述第一中间容器、第二中间容器的出口端分别连接有阀门Vb和阀门Vc，所述阀门Vb和阀门Vc的另一端均经压力表C与阀门Vh连接，压力表C与阀门Vh之间的节点处顺次连接有阀门Ve和真空泵；流体渗流测量系统包括回压阀和阀门Vd，阀门Vd的一端连接于阀门Ve和阀门Vh之间的节点处，阀门Vd的另一端与回压阀连接，回压阀的一端与回压泵连接，回压阀的另一端顺次连接有气量计和气相色谱仪；

它还包括控制台和声发射系统，声发射系统的探头与岩样接触，控制台与轴向引伸计、径向引伸计、声发射系统和加热炉连接。

所述的压力表C与阀门Ve之间的节点处连接有温度计B。

所述的所述装置本体包括顶盖、底座和壳体，顶盖固设于壳体顶部，底座固设于壳体底部。

所述的承载台固设于底座的顶部。

本实用新型具有以下优点：（1）本实用新型通过模拟深部地层的压力和温度环境，测试页岩气在该地层环境下的真实的二氧化碳置换效率。（2）本实用新型可以在模拟不同压力和温度条件下，探寻压力和温度对二氧化碳置换页岩气置换效率的影响规律，同时对岩样轴向和径向的尺寸变化及岩样内部裂缝的监测。

附图说明

图1 为本实用新型的结构示意图；

图2 为装置本体的结构示意图；

图3为多场耦合作用下岩样应力-应变关系图；

图4 为岩样在轴压加载情况下的三维声发射信号点示意图；

图中，1-实验腔，2-承载台，3-岩样，4-压头，5-金属垫圈，6-热缩管，7-电阻丝，8-围压液压泵，9-轴压液压泵，10-压力表A，11-压力表B，12-加热炉，13-温度计A，14-平流泵，15-第一中间容器，16-第二中间容器，17-压力表C，18-真空泵，19-回压阀，20-回压泵，21-气量计，22-气相色谱仪，23-控制台，24-声发射系统，25-温度计B，26-顶盖，27-底座，28-壳体，30-控制台。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，本实用新型的保护范围不局限于以下所述：

如图1~2所示，一种在多场耦合作用下利用二氧化碳置换页岩气的测试装置，它包括装置本体、应力场控制系统、温度场控制系统、气体加载控制系统和流体渗流测量系统。

所述装置本体内设置有实验腔1，实验腔1内设置有承载台2、岩样3、压头4、金属垫圈5和热缩管6，承载台2设置于实验腔1内，岩样3的上下端均设置有温度传感器，岩样3上设置有轴向引伸计和径向引伸计，岩样3放置于承载台2顶部且套装于热缩管6内，压头4向下伸入于实验腔1内，压头4的底部顺次连接有橡胶圈和金属垫圈5，金属垫圈5与岩样3顶表面接触，所述实验腔1内壁上设置有电阻丝7，实验腔1内设置有管道，管道的端口与岩样3的下端面接触，管道上连接有阀门Vh。

所述应力场控制系统包括围压液压泵8和轴压液压泵9，围压液压泵8的出液口处顺次连接有阀门Vf和压力表A10，压力表A10的另一端与实验腔1连通，轴压液压泵9的出液口处连接有阀门Vg和压力表B11，压力表B11的另一端与压头4内的液压流道连通。

所述温度场控制系统包括加热炉12和温度计A13，加热炉12与电阻丝7连接，温度计A13与温度传感器连接，温度传感器能够实时监测岩样3的温度，并将温度数值反应到温度计A13上，方便读取。所述的加热炉12能够给电阻丝7通电，通电后产生热量以加热实验腔。

所述气体加载控制系统包括平流泵14、第一中间容器15和第二中间容器16，平流泵14的出口端与中间容器之间连接有阀门Va，所述第一中间容器15、第二中间容器16的出口端分别连接有阀门Vb和阀门Vc，所述阀门Vb和阀门Vc的另一端均经压力表C17与阀门Vh连接，压力表C17与阀门Vh之间的节点处顺次连接有阀门Ve和真空泵18。

所述的流体渗流测量系统包括回压阀19和阀门Vd，阀门Vd的一端连接于阀门Ve和阀门Vh之间的节点处，阀门Vd的另一端与回压阀19连接，回压阀19的一端与回压泵20连接，回压阀19的另一端顺次连接有气量计21和气相色谱仪22。

它还包括控制台23和声发射系统24，声发射系统24的探头与岩样3接触，控制台30与轴向引伸计、径向引伸计、声发射系统24和加热炉12连接。

所述的压力表C17与阀门Ve之间的节点处连接有温度计B25。所述的所述装置本体包括顶盖26、底座27和壳体28，顶盖26固设于壳体28顶部，底座27固设于壳体28底部。所述的承载台2固设于底座27的顶部。

本实用新型的工作步骤如下：

S1、准备待测页岩样品、将二氧化碳气体装载于第二中间容器16内、将甲烷气体装载于第一中间容器15内，检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；

S2、将热缩管6套在待测页岩岩样上；在页岩岩样上下端安装温度传感器；在页岩岩样上安装轴向引伸计和径向引伸计；将页岩岩样放置于承载台2顶部；在页岩岩样顶部顺次安放金属垫圈5和橡胶圈，随后将橡胶圈与压头4连接，并关闭实验腔；

S3、关闭阀门Va、阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd，打开阀门Ve和阀门Vh，打开真空泵18与加热炉12，真空泵18对实验腔1抽真空，进一步的对页岩岩样进行抽真空，而加热炉12使电阻丝7对实验腔1加热，进一步的对页岩岩样加热，当压力表C17上读数稳定且温度计A13上读数稳定时，即形成了温度场；

S4、关闭真空泵18和阀门Ve，打开阀门Va、阀门Vb、阀门Vh和平流泵14，平流泵14将第一中间容器15内的甲烷依次经阀门Vb、阀门Vh泵入实验腔1内以使页岩岩样达到饱和状态，页岩岩样内充满有甲烷气体，甲烷气体用于模拟页岩气，即形成了孔隙压力场；同时打开阀门Vf和阀门Vg，围压液压泵8向实验腔1内通入液压油，液压油给热缩管6施加径向压力，进一步的给页岩岩样施加径向压力，而轴压液压泵9将液压油泵入压头4的液压流道内，使压头4给页岩岩样施加轴向力，直至压力表A10、压力表B11和压力表C17上数值达到实验设定的压力值，维持该压力值稳定；

S5、打开声发射系统24，声发射系统24实时监测页岩岩样内部声波信号；观测温度计A13的度数，当温度计A13上数值稳定在实验设定数值后，再进行下一步骤。

S6、关闭阀门Vb，打开阀门Vc，平流泵14将第二中间容器16内的二氧化碳依次经阀门Vc、阀门Vh泵入实验腔1内，随后关闭阀门Vc和阀门Vh，静置一段时间；

S7、待实验腔1中气体充分混合后，打开阀门Vd和阀门Vh，实验腔中混合气体按设定出口压力顺次经阀门Vd、回压阀喷出，气量计21计量气体体积，随后气相色谱仪22检测排出气体组分，分析甲烷与二氧化碳的比例；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集页岩岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台23，如图3所示为岩样应力-应变关系图；同时声发射系统24将页岩岩样内部声波信号传递给控制台23，岩样在轴压加载情况下的三维声发射信号点示意图，如图4所示，信号点越大说明声发射信号越强，信号点越多，说明裂缝越多越复杂；

S8、实验结束，回收页岩样品，将未用完的二氧化碳气体、甲烷气体密封库存，将装置恢复到停机状态。因此本测试装置实现了通过模拟深部地层的压力和温度环境，测试页岩气在该地层环境下的真实的二氧化碳置换效率。可以在模拟不同压力和温度条件下，探寻压力和温度对二氧化碳置换页岩气置换效率的影响规律，同时对岩样轴向和径向的尺寸变化及岩样内部裂缝的监测。