一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法
【专利摘要】本发明提供了一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，通过将实验岩心置于密封胶套中，将胶套置于一密闭空间中，密闭空间置于可计量的恒温环境中；通过弹性机械施压方式对包裹后实验岩心的上下竖轴方向施加相同的柔性可计量的轴压；往密闭空间中注入气体或者液体方式对包裹后实验岩心其他方向表面上均匀施加可计量的围压；往密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入可计量的气体或液体，从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出可计量的所述气体或液体；通过声波探头收集实验岩心竖轴方向上下竖轴方向端的声波信号。本发明对岩心施加无间断步进式柔性轴压的方式，使得岩心不会由于压力机的瞬时压力波动而压碎，效果更加良好。
【专利说明】一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法
【技术领域】
[0001]本发明属于二氧化碳地质储存技术研究领域，尤其涉及一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法。
【背景技术】
[0002]现有的模拟实验装置系统在模拟地层环境的高温高压条件时，通常采用恒温箱控制岩心实验系统的温度，采用液压伺服试验机(美特斯(MTS)压力试验机、万能试验机)来模拟地层的垂向的应力。但是，对于一般常见的实验岩心来说，由于其尺寸小(通常直径为50mm、38mm、25mm)，在目前的市场常见的压力机控制精度范围内(一般为压力机满量程的1%)，在实验过程中，由于压力机的不稳定性，很容易造成岩心被压碎。另外，要想实现小范围的步进式加压，很难实现加压过程的稳定。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，旨在解决现有技术获取数据不稳定和准确性，以及由于压力机的不稳定性造成岩心被压碎的问题。
[0004]本发明是这样实现的，一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，包括以下步骤:
[0005]将实验岩心置于密封胶套中进行密封包裹，将包裹后的实验岩心置于一密闭空间中；
[0006]将包裹后的实验岩心连同其密闭空间置于可计量的恒温环境中；
[0007]通过弹性机械施压方式对包裹后实验岩心的上下竖轴方向施加相同的柔性可计量的轴压；
[0008]往所述密闭空间中注入气体或者液体方式对包裹后实验岩心其他方向表面上均匀施加可计量的围压；
[0009]往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入可计量的气体或液体，从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出可计量的所述气体或液体；
[0010]通过声波探头收集实验岩心竖轴方向上下竖轴方向端的声波信号。
[0011]优选地，所述可计量的恒温环境为该恒温环境中可计量的温度。
[0012]优选地，所述弹性机械施压方式为压力机通过一立柱直接作用力在包裹后实验岩心的下竖轴方向，并通过压力机通过弹簧作用力在又一立柱上，再由该立柱作用力在包裹后实验岩心的上竖轴方向上。
[0013]优选地，所述可计量的轴压包括作用在包裹后实验岩心的上、下竖轴方向的压力值。
[0014]优选地，所述可计量的围压为通过计量注入到单位体积的所述密闭空间中气体或者液体的量，获得包裹后实验岩心上下竖轴方向周围表面上均匀承受的压力大小。[0015]优选地，所述注入可计量的气体或液体具体为:往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入气体或液体过程中，计量注入的量以及注入压强。
[0016]优选地，所述排出可计量的所述气体或液体具体为:收集从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出的气体或液体的过程中，计量气体或液体通过实验岩心内部孔隙的速率、排出的量以及排出压强。
[0017]本发明克服现有技术的不足，提供一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，通过将实验岩心置于密封胶套中进行密封包裹，将包裹后的实验岩心置于一密闭空间中；将包裹后的实验岩心连同其密闭空间置于可计量的恒温环境中；通过弹性机械施压方式对包裹后实验岩心的上下竖轴方向施加相同的柔性可计量的轴压；往所述密闭空间中注入气体或者液体方式对包裹后实验岩心其他方向表面上均匀施加可计量的围压；往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入可计量的气体或液体，从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出可计量的所述气体或液体；通过声波探头收集实验岩心竖轴方向上下竖轴方向端的声波信号。本发明根据实验岩心的实际地层垂向应力，采用在压力机和传力柱之间加一个具有相应的刚度弹簧(弹簧的选取要根据实际应力的变化范围)，实现在压力机逐级加压过程中，岩心能够保持压力的无间断步进式柔性轴压，而且，不会由于压力机的瞬时压力波动(压力波动是压力机实验过程中必然存在的现象，可能由于电压的不稳定，或者压力机本身控制精度限制)而压碎岩心，效果更加良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法的步骤流程图；
[0019]图2是本发明的隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载装置一实施例的结构示意图；
[0020]图3是图2中温度压力流动应力耦合岩心装置的A-A剖面结构示意图；
[0021]图4是图2中气液注入装置的结构示意图；
[0022]图5是图2中气液排出装置的结构示意图；
[0023]图6是图2中围压气液注入装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，如图1所示，包括以下步骤:
[0026]S1、将实验岩心置于密封胶套中进行密封包裹，将包裹后的实验岩心置于一密闭空间中；
[0027]S2、将包裹后的实验岩心连同其密闭空间置于可计量的恒温环境中；
[0028]在步骤S2中，所述可计量的恒温环境为该恒温环境中可计量的温度。
[0029]S3、通过弹性机械施压方式对包裹后实验岩心的上下竖轴方向施加相同的柔性可计量的轴压；[0030]在步骤S3中，所述弹性机械施压方式为压力机通过一立柱直接作用力在包裹后实验岩心的下竖轴方向，并通过压力机通过弹簧作用力在又一立柱上，再由该立柱作用力在包裹后实验岩心的上竖轴方向上。
[0031]S4、往所述密闭空间中注入气体或者液体方式对包裹后实验岩心其他方向表面上均匀施加可计量的围压；
[0032]在步骤S4中，所述可计量的轴压包括作用在包裹后实验岩心的上、下竖轴方向的压力值。所述可计量的围压为通过计量注入到单位体积的所述密闭空间中气体或者液体的量，获得包裹后实验岩心上下竖轴方向周围表面上均匀承受的压力大小。
[0033]S5、往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入可计量的气体或液体，从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出可计量的所述气体或液体；
[0034]在步骤S5中，所述注入可计量的气体或液体具体为:往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入气体或液体过程中，计量注入的量以及注入压强。所述排出可计量的所述气体或液体具体为:收集从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出的气体或液体的过程中，计量气体或液体通过实验岩心内部孔隙的速率、排出的量以及排出压强。
[0035]S6、通过声波探头收集实验岩心竖轴方向上下竖轴方向端的声波信号。
[0036]在本发明的实际应用过程中，结合如图2?6所示具体装置，操作过程更具体如下所示:
[0037]如图2至6所示，其中，图2是本发明的隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载装置一实施例的结构示意图；图3是图2中温度压力流动应力耦合岩心装置的A-A剖面结构示意图；图4是图2中气液注入装置的结构示意图；图5是图2中气液排出装置的结构示意图；图6是图2中围压气液注入装置的结构示意图。
[0038]一种隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载装置，包括恒温箱1，声波接收器2，设于所述恒温箱I中的温度压力流动应力耦合岩心装置3，气液注入装置4，气液排出装置5，以及围压气体液注入装置6 ;其中，所述温度压力流动应力耦合岩心装置3包括筒状且两端开口的岩心夹持器31，用于密封包裹实验岩心的密封胶套321，与所述岩心夹持器31两端开口适配的上、下应力传递连接头331、332，上、下压力机传力柱341、342，弹簧343，上声波发射探头351，下声波接收探头352，中心设有与所述上、下应力传递连接头331、332适配通孔的上322、下密封堵头323，所述岩心夹持器31的筒身上设有围压气液注入接口 36 ；其中，
[0039]所述上、下密封堵头322、323分别与岩心夹持器31开口两端对接闭合，所述岩心夹持器31内置密封胶套321 ;所述上应力传递连接头331 —端穿过上密封堵头322的通孔后顶持在密封胶套321内部的岩心7上，且所述上应力传递连接头331另一端顶持在上压力机传力柱341上,上压力机传力柱341另一端顶持在弹黃343上,弹黃343另一端顶持在压力机的驱动端。所述上应力传递连接头331靠上压力机传力柱341方向端设有凹槽，凹槽内设有上声波发射探头351 ;所述下应力传递连接头332 —端穿过下密封堵头323的通孔后顶持在密封胶套321内部的岩心7上，且所述下应力传递连接头332另一端顶持在下压力机传力柱342上，所述下应力传递连接头332与下压力机传力柱342之间设有下声波接收探头352 ；[0040]所述声波接收器2分别与上声波发射探头351以及下声波接收探头352通过数据线连接；
[0041]所述上应力传递连接头331内设有与岩心夹持器31内部导通的气液排出接口324，所述下应力传递连接头332内设有与岩心夹持器31内部导通的气液注入接口 325 ;所述气液注入装置4通过管道与所述气液注入接口 325连接，所述气液排出装置5通过管道与所述气液排出接口 324连接；
[0042]所述岩心夹持器31、密封胶套321、上密封堵头322以及下密封堵头323之间形成一环形密封腔，所述环形密封腔与围压气液注入接口 36相通，所述围压气液注入接口 36与围压气液注入装置6通过管道连接。
[0043]在本发明实施例中，为了保证温度压力流动应力耦合岩心装置3的拆装方便以及良好的密封性，所述孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载装置还包括上、下压紧环326、327，上、下大帽328、329 ;所述上压紧环326以及上大帽328的轴心处均设有与所述上应力传递连接头331适配的通孔，所述下压紧环327以及下大帽329的轴心处均设有与所述下应力传递连接头332适配的通孔；其中，所述上大帽328通过内螺纹旋紧在岩心夹持器31 一端，所述上大帽328内的上压紧环326顶紧在上密封堵头322远离岩心夹持器31方向一端上；所述下大帽329通过内螺纹旋紧在岩心夹持器31另一端，所述下大帽329内的下压紧环327顶紧在下密封堵头323远离岩心夹持器31方向一端上。
[0044]在本发明的实施例中，更具体的，所述气液注入装置4包括注入压力传感器41，增压泵42，储气罐43，调压阀44，进气阀45，出气阀46，用于盛放增压后的高压气体容器A47，用于盛放实验过程中需要注入的液体的容器B48，以及注入泵49 ;其中，所述进气阀45、增压泵42、储气罐43、调压阀44、出气阀46以及气液注入接口依次通过管道连接；
[0045]所述注入泵分别通过管道与容器A47和容器B48的输入端连接，所述容器A47和容器B48的输出端设于所述出气阀46和气液注入接口之间的连接管道；
[0046]所述注入压力传感器41设于出气阀46和气液注入接口之间的连接管道上，且所述注入压力传感器41位于出气阀46和容器A47之间。
[0047]更具体的，所述注入压力传感器41包括量程规格分别为10MPa、40MPa、70MPa第一、第二以及第三压力传感器411、412、413，Fl阀，以及F2阀；其中，
[0048]所述第一压力传感器411与Fl阀的输入端连接，所述第三压力传感器413与F2阀的输入端连接，所述Fl阀的输出端、第二压力传感器412以及F2阀的输出端汇聚在第一支管414 一端，所述第一支管414另一端连接在出气阀46和气液注入接口之间的连接管道上。
[0049]更具体的，所述气液排出装置5包括F3?F5阀，排出压力传感器51，回压传感器52，回压阀53，缓冲罐54，回压泵55，液体盛放器56，气液分离器57，以及流量计58 ;其中，所述回压阀52上设有第一、第二以及第三回压连接端口，所述回压阀52的第一和第二管道连接端口分别与所述气液排出口通过管道连接，所述气液分离器57上设有第一、第二以及第三气液分离连接端口 ；其中，
[0050]所述第一回压连接端口与气液排出口的连接管道上设有F3阀，所述排出压力传感器51通过管道连接在第一管道连接端口与F3阀之间的管道上；
[0051]所述第二回压连接端口与第一气液分离连接端口通过管道连接，所述第二气液分离连接端口的液体输出端置于液体盛放器56上方，所述第三气液分离连接端口与所述气液排出口通过管道连接，所述第三气液分离连接端口与气液排出口之间的管道上依次设有F5阀、流量计58以及F4阀；
[0052]所述回压泵55与第三回压连接端口之间通过管道连接，所述回压泵55与第三回压连接端口之间的管道上连接第二支管59 —端，所述缓冲罐54与回压传感器52通过管道连接，所述第二支管59另一端连接在缓冲罐54与回压传感器52之间的管道上。
[0053]更具体的，所述排出压力传感器51包括量程分别为40MPa、10MPa的第四、第五压力传感511、512以及F6阀；所述第四压力传感器511与F6阀的输入端连接，所述F6阀的输出端和第五压力传感器512汇聚在第三支管513上，所述第三支管513的另一端连接在第一回压连接端口与气液排出口的连接管道上。
[0054]更具体的，所述流量计58包括量程分别为10SCCM、100SCCM、1000SCCM的第一、第二以及第三流量计581、582、583，以及用于根据管道流量大小自动切换相应量程的流量计进行工作的Vl?V3自动控制阀；其中，所述第三流量计583与Vl自动控制阀输入端连接，所述第二流量计582与V2自动控制阀的输入端连接，所述第一流量计581与V3自动控制阀的输入端连接，所述Vl?V3的输出端汇聚在第四支管584的一端，且所述第四支管584的另一端连接在F5阀与F4阀之间的连接管道上。
[0055]更具体的，所述围压气液注入装置6包括围压泵61以及围压传感器62，其中，所述围压泵61与岩心夹持器31通过管道连接，所述围压传感器62连接在围压泵61与岩心夹持器31之间的管道上
[0056]在本发明实施例的实际应用过程中，具体使用方法如下步骤所示:
[0057](I)将准备好的岩心放入密封胶套321中，将装有岩心的密封胶套321放入岩心夹持器31 ；
[0058](2)将上、下密封堵头322、323的凸出端分别塞入密封胶套321的两端；
[0059](3)将上、下压紧环326、327分别套压在上、下密封堵头322、323的远离胶套一端;
[0060](4)将带有内螺纹的上、下大帽328、329安装在两端分别带有适配外螺纹的岩心夹持器31上。上、下大帽328、329的旋紧压力通过上、下压紧环326、327传递到上、下密封堵头322、323上，实现上、下密封堵头322、323与岩心夹持器31密封接触。此时，在密封堵头322、323、密封胶套321和岩心夹持器31三个部件之间形成了一个环形的空腔。这个空腔通过设在岩心夹持器31侧壁的围压气液注入接口 36与围压气液注入装置6相连接。在实验中，通过控制围压气液注入装置6的压力，来控制该空腔中的压力，空腔的压力通过密封胶套321传递到岩心上，进而实现了岩心水平向应力的加载；
[0061](5)将上、下应力传递连接头331、332穿过上、下大帽328、329的中间开口，和上、下密封堵头322、323的中间开口，顶持在密封胶套321中的岩心的上、下两端；上、下应力传递连接头331、332通过上、下传力柱341、342，将弹簧343设于上传力柱341与压力机之间，将实验压力机(万能试验机)的设定压力传递到实验岩心上，实现岩心的轴向应力加载；
[0062](6)启动恒温箱1，控制岩心室的温度，启动气液注入装置4、气液排出装置5以及围压气液注入装置6，开始进行相关实验。
[0063]本发明基于相关领域渗流研究的现状，采用将温度控制、流体压力控制、地层应力控制、流量计量与声波采集相结合，客观再造了地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动实验，为真实模拟孔隙流体在地下岩体孔隙中的运移提供了实现方式。此外，最为重要的是，本发明根据实验岩心的实际地层垂向应力，采用在压力机和传力柱341之间加一个具有相应的刚度弹簧343 (弹簧343的选取要根据实际应力的变化范围)，实现在压力机逐级加压过程中，岩心能够保持压力的无间断步进式加压，而且，不会由于压力机的瞬时压力波动(压力波动是压力机实验过程中必然存在的现象，可能由于电压的不稳定，或者压力机本身控制精度限制)而压碎岩心，效果更加良好。
[0064]在本发明实施例中，具体功能如下所示:
[0065](I)本发明能够在压力机逐级加压过程中，岩心能够保持压力的无间断步进式加压，而且，不会由于压力机的瞬时压力波动(压力波动是压力机实验过程中必然存在的现象，可能由于电压的不稳定，或者压力机本身控制精度限制)而压碎岩心。
[0066](2)实现所指定的温度与压力条件下，岩石孔隙流体驱替过程中的精确控制和计量。
[0067](3)可对流体驱替过程中样品的声学参数进行精确测量。
[0068](4)能够进行岩心的形变等系列力学参数测试。
[0069](5)能够实现不同温度、压力条件下岩心的孔隙度和渗透率变化的测试。
[0070](6)气液排出装置由压力传感器、天平和计量泵构成，完成岩心液体渗透率、含水饱和度的测量。
[0071](7)设备能够在所设定的温、压力条件下长时间(30天)持续工作且性能稳定。
[0072](8)样品加卸载采用顶部加卸载方式、立式且油、气、水从下端注入。
[0073](9)计算机自动完成试验系统所涉及的轴压、围压、渗透压力、驱替压力、温度、流量、饱和度及声学参数的实时采集，并储存于数据文件，实时显示实验进程曲线，使实验人员能及时掌握实验进程和效果。
[0074](10)试验系统所涉及的轴压、围压、渗透压力、驱替压力、温度及声学采集控制仪器仪表整合在一个控制台上，各个过程控制由计算机自动控制和处理。压力控制系统可实现三轴压力独立控制，压力控制单元整合在一个面板中。
[0075]相比与现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果:本发明能够在压力机逐级加压过程中，岩心能够保持压力的无间断步进式加压，而且，不会由于压力机的瞬时压力波动(压力波动是压力机实验过程中必然存在的现象，可能由于电压的不稳定，或者压力机本身控制精度限制)而压碎岩心，效果更加良好。
[0076]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于包括以下步骤: 将实验岩心置于密封胶套中进行密封包裹，将包裹后的实验岩心置于一密闭空间中； 将包裹后的实验岩心连同其密闭空间置于可计量的恒温环境中； 通过弹性机械施压方式对包裹后实验岩心的上下竖轴方向施加相同的柔性可计量的轴压； 往所述密闭空间中注入气体或者液体方式对包裹后实验岩心其他方向表面上均匀施加可计量的围压； 往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入可计量的气体或液体，从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出可计量的所述气体或液体； 通过声波探头收集实验岩心竖轴方向上下竖轴方向端的声波信号。
2.如权利要求1所述的孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于，所述可计量的恒温环境为该恒温环境中可计量的温度。
3.如权利要求1所述的孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于，所述弹性机械施压方式为压力机通过一立柱直接作用力在包裹后实验岩心的下竖轴方向，并通过压力机通过弹簧作用力在又一立柱上，再由该立柱作用力在包裹后实验岩心的上竖轴方向上。
4.如权利要求1所述的孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于，所述可计量的轴压包括作用在包裹后实验岩心的上、下竖轴方向的压力值。
5.如权利要求1所述的孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于，所述可计量的围压为通过计量注入到单位体积的所述密闭空间中气体或者液体的量，获得包裹后实验岩心上下竖轴方向周围表面上均匀承受的压力大小。
6.如权利要求1所述的孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于，所述注入可计量的气体或液体具体为:往所述密封胶套内且从实验岩心的下竖轴方向注入气体或液体过程中，计量注入的量以及注入压强。
7.如权利要求1所述的孔隙流体驱替实验中岩心轴向应力柔性加载方法，其特征在于，所述排出可计量的所述气体或液体具体为:收集从实验岩心的上竖轴方向且外置于所述密闭空间排出的气体或液体的过程中，计量气体或液体通过实验岩心内部孔隙的速率、排出的量以及排出压强。
【文档编号】G01N15/08GK103926180SQ201410151040
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】王福刚, 许天福, 苑艺琳, 赵玉红, 靖晶, 张延军 申请人:吉林大学