深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法

本发明涉及岩石力学与工程，尤其涉及深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法。

背景技术：

1、深部储层如煤层气、页岩气、油气等是重要的能源资源，对能源供应和经济发展至关重要。了解储层渗透率的演化规律对于储层能源的开发意义重大。

2、渗透率是储层中流体(如天然气、石油等)通过岩石孔隙和裂缝的能力，直接影响能源的开采效率和产量。实际地层中的流体流动是三维多方向同步进行的。地层储层通常是复杂的多孔介质，其中存在着复杂的孔隙和裂缝网络。流体在地层中的运移过程涉及多个方向的流动，即不仅包括沿着水平方向的流动，还包括沿着垂直方向的流动。这种三维多方向的流动在地质条件、应力状态和渗透性等方面都会产生显著的影响。然而，深部储层受到复杂的地应力状态影响，这导致储层渗透率的测量和预测面临挑战。

3、目前的实验测试设备在研究深部储层渗透率时，主要采用常规三轴应力下的岩体轴向渗透率测试，即在实验室条件下使用三轴压力实验仪，施加水平和轴向的应力于储层岩石样本上，模拟地层中的压力状态；然后在岩芯轴向方向通过预留流体注入通道注入流体，测量岩样在轴向上的渗透率来获得渗透率数据。这种方法仅考虑常规三轴状态，无法真实模拟深部储层三维各向异性地应力状态，因此对储层渗透性的理解有一定局限，难以获得全面准确的渗透率数据。

4、研究人员一直在寻找一种能够同时考虑真实三轴地应力状态的实验装置，以更准确地模拟深部储层的地质条件，为储层能源的开发提供更可靠的依据。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题提供深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统及方法

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试系统，包括液压系统、立式框架、三轴六向加载系统、密封腔室、三轴六向压头组和试样密封装置；液压系统包括高压液压泵站,用于给三轴六向加载系统提供加载动力；立式框架为中空结构，三轴六向加载系统包括6个方向的液压缸，分别为两个x轴方向的液压缸、两个y轴方向的液压缸和两个z轴方向的液压缸；密封腔室装于立式框架的中空部位中,密封腔室在六个方向分别设有一个对接口,6个方向的液压缸的伸缩杆件分别从其中一个对接口伸入密封腔室内部，密封腔室有流体注入通道和流体流出通道；三轴六向压头组包括6个方向的加载压头，分别为x轴方向的一对加载压头、y轴方向的一对加载压头和z轴方向的一对加载压头；三轴六向压头组置于密封腔室内，6个加载压头的后端分别用于与其中一个液压缸的伸缩杆件对接，6个加载压头的前端分别用于对试样的6个面施压；至少一对加载压头上设有渗流通道，渗流通道前端贯通该加载压头的前端；试样密封装置具有容纳试样的空间，为试样隔绝密封腔室内的高压液体。

4、可选的，x轴方向的两个液压缸的下部设有滑动支撑结构，滑动支撑结构与两条水平滑轨滑动连接，水平滑轨与x轴方向平行，水平滑轨一端延伸至立式框架内部；所述立式框架外围的上下左右4个方向留有与4个圆形孔洞，所述y轴方向两个液压缸、z轴方向两个液压缸的缸体分别在其中一个圆形孔洞处与立式框架固定连接，其伸缩杆件依次穿过所述圆形孔洞、对接口伸入密封腔室内部；x轴方向的两个液压缸的缸体分别在x轴方向的两个对接口处与密封腔室固定连接。

5、可选的，每个加载压头上均开孔装有声发射探头。

6、可选的，6个加载压头内均设有介质通道，6个加载压头的前端均有多个渗流孔，多个渗流孔与对应的介质通道相通构成渗流通道；

7、所述试样密封装置包括柔性密封框，柔性密封框为立方体框架结构，柔性密封框有12条框边；实验时，试样黏合装在柔性密封框内，试样的棱角部位与柔性密封框的12条框边黏合密封配合；试样的6个面分别与其中一个加载压头接触,柔性密封框实现试样棱角部位的密封。

8、可选的，每个加载压头均包括压块，压块前端用于与试样紧密接触；压块包括压块底板和渗流板，压块底板前端的中心面凹陷平面，压块底板上开孔构成介质通道，介质通道一端开口于压块底板的凹陷平面中央，介质通道另一端开口于压块底板侧面。

9、可选的，6个压块通过多个自支撑构件组装在一起形成整体结构，所述自支撑构件包括两根导杆和导向套，两根导杆相互垂直，导向套上有分别与两根导杆适配的两个导向孔，两个导向孔相互垂直；其中一根导杆的一端与压块连接，其另一端穿过导向套的其中一个导向孔；另一根导杆一端与另一压块连接，其另一端穿过导向套的另一个导向孔；两个导杆的另一端开有环形槽，环形槽中安装有橡胶卡环；橡胶卡环位于导向套外侧，可防止两根导杆的另一端从导向套中脱出；

10、每一自支撑构件中，与其中一个压块连接的其中一根导杆与该压块所在的轴向垂直，相对应的另一导杆与该压块所在的轴向平行。

11、可选的，每个加载压头均还包括压头座，压块后端与压头座对接，压头座的后端连接液压缸的伸缩杆件实现应力传递。

12、可选的，其中两对加载压头为刚性平面式加载压头，另一对加载压头为剪切渗流压头，剪切渗流压头上设有渗流通道；所述剪切渗流压头包括固定压头和活动压头,固定压头前端开有活动压头安装槽，活动压头活动装于活动压头安装槽中，活动压头与槽底之前有轴向设置的弹簧；在不受外力时，活动压头与固定压头前端面处于同一平面；

13、所述试样密封装置包括热缩管，试样置于热缩管内，一对剪切渗流压头分别从热缩管两端的管口伸入其内部与试样的两个面直接接触；另外两对刚性平面式加载压头则隔着热缩管的管壁作用在试样的另外四个面上；剪切渗流压头的固定压头外壁设或者不设橡胶密封圈，橡胶密封圈用于与热缩管密封配合。

14、可选的，每对的其中一个加载压头上装有超声波发射探头，每对的另一个加载压头上装有超声波接收探头。

15、可选的，每对加载压头之间均设有位移检测装置,用于检测试样在x、y、z三个方向的变形量。

16、可选的，位移检测装置包括lvdt传感器，每个加载压头上安装有1个lvdt传感器，lvdt传感器的两端分别由y形支座卡构件固定在相对两个加载压头上，lvdt传感器端部卡在y形支座卡构件的前端开口中，在y形支座卡构件的前端装有一活动螺母实现lvdt传感器位置的固定。

17、深部地质储层岩体真三维应力渗流耦合测试方法，包括以下步骤：

18、s1，准备试样：根据实验需求制备立方体地质储层试样；

19、s2，将试样置于试样密封装置内；

20、s3，将试样和三轴六向加载压头组放置于密封腔室的中心位置，使六个液压缸的伸缩杆件分别接触其中一个加载压头；

21、s4，注油抽真空：关闭密封腔室的流体流出通道，向密封腔室内注满液压油；

22、关闭其中5个加载压头的渗流通道，开启另一个加载压头的渗流通道，通过真空泵经该开启的渗流通道对试样抽真空，随后关闭该渗流通道；

23、s5，三维应力加载：启动液压系统的高压油泵，采用力控制方式，利用三轴六向加载系统对试样分步依次循环加载，三个方向所分步数相等；

24、s6，流体吸附：开启其中一个加载压头的渗流通道，其余5个加载压头的渗流通道保持关闭，经该开启的渗流通道向试样充入流体，观察流体压力的动态变化情况，等流量计数值稳定后，吸附至吸附平衡；

25、s7，测定渗流参数：将所述其中一个加载压头相对的加载压头的渗流通道打开，观察该渗流通道出口压力变化随时间的变化规律，等待至该渗流通道出口流体压力稳定；调制x、y、z各向三向应力、加载方式、流体压力；从三向应力加载阶段开始动态测定以下参数：密封腔室的油压、xyz三向压力、流体压力、试样的横向变形、试样的轴向变形、流体流量；

26、s8，停止实验、保存数据。

27、相对于现有技术，本技术具有如下有益效果：

28、1，本技术考虑了真实真三轴地应力状态，使渗透率测试能够在多轴地应力状态下进行，该实验装置将能够同时对储层样本在三个方向进行渗透率测试，模拟真实地应力状态，从而更全面地了解深部储层渗透率的演化规律；

29、2，本技术配套的剪切渗流压头，可实现真三维应力下储层岩石剪切-渗流一体化测试；

30、3，本技术可解决目前实验测试设备无法考虑真实三轴地应力状态多向渗透率参数同步监测及剪切渗流的难题，具有重要的实际应用价值和推广价值，对深部储层能源的开发和利用具有重大意义。