一种高温高压下岩石热物性参数测试方法及测试系统与流程

本发明涉及一种高温高压下岩石热物性参数测试方法及测试系统，属于岩土热物性测试领域。

背景技术：

能源问题制约着人类社会的经济发展，破解能源问题的根本之路在于可再生能源。地热资源是典型的清洁可再生能源，具有清洁、可持续、可再生、可综合利用等优越性，具有巨大的经济价值。地热能包括浅层地热能和深层地热能。深层地热是指地球深层数千米、温度较高的地热能，深层地热能资源量巨大，应用前景广阔。近些年地热能成为了科研工作人员研究的重点，尤其是在干热岩开采技术基础上提出的增强型地热系统(EGS)，近年来成为深层地热领域的研究重点。EGS是指通过注入井注入水或其他工质流体(比如CO₂等)进行地下循环，通过人工产生的连通裂隙带，流体通过与岩体接触被加热，最终通过生产井返回地面，形成一个闭式回路。EGS是以工程措施建造地热储层，从低渗透性岩体中经济地采出相当数量的深层热能的人工地热系统。

增强型地热系统的关键工作就是从地下深层岩石中提取热量，因此准确测量地下深层岩石的热物性参数对深层地热开发具有重要的指导意义。一般来说，相同物质的导热系数与其的结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。通常情况下，同一物质的温度压力较低时，导热系数系数较小。常规岩石热物性参数都是常温常压下测量的，然而地下深层岩石处于一种高温高压状态，此时的热物性参数与常规的有较大的不同，因此该测试系统的研制有重要的研究价值，对增强型地热系统的利用与评价具有指导作用。

现有岩土体热物性参数测试系统主要是在常温常压下测量浅层岩土体热物性参数，反映的是地下浅层岩石的热物性参数。增强型地热系统的岩石储层处于高温高压状态，高温高压对岩石的空隙，结构，密度有着重要影响，进而影响到岩石的热物性参数，因此需要一种高温高压下岩石热物性参数测试系统测量地下深层岩石热物性参数。

而具有加压或加热功能的岩石热物性参数测试系统常常需要人工控制液压伺服泵以对岩石样品加压，精度难以控制，并且需要人工测量多种数据，对测试工作难免增加许多负担。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高温高压下岩石热物性参数测试方法及测试系统，对岩石力学测试系统(MTS)的相关部件进行重新设计改造，通过改造MTS真三轴测试缸，增加温度控制模块和采集模块，在MTS真三轴测试缸中可以模拟增强型地热系统所处的高温高压的环境，并且利用控制器进行统一控制，在此工况下方便地测得高温高压下岩石热物性参数测试系统。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种高温高压下岩石热物性参数测试方法，包括以下步骤：

(1)对野外采集到的地下深层岩石初步加工为横截面为正方形的长方体岩石试样，将岩石试样表面打磨平整光滑，用游标卡尺测量岩石试样尺寸，确定其高度δ并计算横截面积F；

(2)将岩石试样竖直放入MTS真三轴测试缸的测试腔内，让岩石试样的一对相对的侧表面分别与温差电偶传感器的两个测量端相贴，在使岩石试样的四个侧表面与测试缸内的平板面热源接触，最后盖上MTS真三轴测试缸的上盖，使测试腔密封；

(3)在MTS控制器上发出加压指令，加压指令通过屏蔽线传递至MTS伺服增压器，由MTS伺服增压器控制MTS液压机驱动MTS真三轴测试缸的测试腔内的3对作用轴，使三对作用轴与岩石试样的6个面接触并在X、Y和Z方向上施加不同大小的压力；

(4)在MTS控制器上发出加温指，加温指令通过屏蔽线传递至平板面热源控制器对岩石试样进行加热，平板面热源以而电功率Q给岩石试样加热并维持温度，温度范围为50～300℃；

(5)待MTS真三轴测试缸的测试腔内温度稳定，温差电偶传感器测量岩石试样的两端温度Δt并传输至MTS控制器；

(6)MTS控制器通过以下公式计算高温高压下岩石试样的导热系数λ：

步骤(1)中，横截面为正方形的长方体岩石试样尺寸具体为150×150×300mm，步骤(3)三对作用轴与岩石试样的6个面接触并施加恒定压力为0.5kN。

本发明同时提供了一种上述测试方法的高温高压下岩石热物性参数测试系统，包括相互连接的MTS控制器与MTS真三轴测试缸，MTS控制器与MTS真三轴测试缸通过屏蔽线相互连接；MTS控制器通过屏蔽线连接于MTS伺服增压器，所述MTS伺服增压器通过液压油管分别连接于所述MTS真三轴测试缸和MTS液压机；所述MTS真三轴测试缸的内部为用于放置长方体岩石试样的密闭的测试腔，测试腔内设有用于给长方体岩石试样加压的MTS三轴液压系统、温度控制模块以及采集模块；MTS三轴液压系统包括用于作用在岩石试样的顶面和侧面的作用轴，其中，顶面的作用轴以及位于相邻侧面的两个作用轴通过液压油管与MTS伺服增压器连接；温度控制模块为由MTS控制器控制的用于贴在岩石试样的侧表面上的平板面热源，所述平板面热源通过屏蔽线连接于MTS控制器；采集模块为由MTS控制器控制的温差电偶传感器，所述温差电偶传感器的两测量端分别用于安置在岩石试样的一组相对侧面上，所述温差电偶传感器通过屏蔽线连接于MTS控制器；所述MTS控制器采用工作站电脑。

所述温差电偶传感器的感应精度为0.1℃。

所述MTS三轴液压系统的压力控制精度为0.001kN。

所述平板面热源的温度范围为50～300℃。

所述MTS真三轴测试缸的上端设有通过固定螺栓压紧的密封盖。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明设有MTS控制器，它直接与MTS伺服增压器以及MTS真三轴测试缸的温度控制模块和MTS三轴液压系统，可以达到对加压和加热的精确控制，液压控制精度可以达到0.001kN，准确模拟底下深层岩石高压状态；

(2)MTS真三轴测试缸为真三轴，能在X，Y，Z三个方向上提供3个不同的应力，与一些三轴施加相同压力的假三轴测试系统相比，能够更加准确的模拟岩石所处的地下应力环境；MTS真三轴测试缸的内部同时设有平板面热源、温度控制模块和采集模块，并且三者均与MTS控制器连接，平板面热源加热温度50～300℃，温度控制模块和采集模块可以维持岩石试样温度恒定，精确测量岩石试样温度，与一些在常温状态下测量的测试系统相比，本发明能够准确模拟地下深层岩石高温状态；

(3)利用本发明的一种高温高压下岩石热物性参数测试系统，可以通过稳态平板法测量岩石试样导热参数，用游标卡尺测量岩石试样厚度和导热面积，进而求得岩石试样导热系数；与一些通过在试样中钻孔放置热探针来测试岩石导热系数的系统相比，本申请避免了测试数据受钻孔和探针接触状态的影响，能够在试样两端稳定加热，进而精确测试岩石试样的导热系数，并且操作更加简单；

(4)本发明的一种高温高压下岩石热物性参数测试系统操作简单，测试精度高，测试周期短，测得的热物性参数结果准确。

附图说明

图1是本发明的一种高温高压下岩石热物性参数测试系统示意图。

图2是MTS真三轴测试缸正视图。

图3是MTS真三轴测试缸俯视图。

图4是温度控制模块和采集模块示意图。

图中：1-MTS真三轴测试缸，101-作用轴，102-平板面热源，103-温差电偶传感器，104-固定螺栓，2-MTS伺服增压器，3-MTS控制器，4-MTS液压机，5-岩石试样，6-液压油管，7-屏蔽线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种高温高压下岩石热物性参数测试方法，包括以下步骤：

(1)对野外采集到的地下深层岩石初步加工为横截面为正方形的长方体岩石试样，将岩石试样表面打磨平整光滑，用游标卡尺测量岩石试样尺寸，确定其高度δ并计算横截面积F；

(2)将岩石试样竖直放入MTS真三轴测试缸的测试腔内，让岩石试样的一对相对的侧表面分别与温差电偶传感器的两个测量端相贴，在使岩石试样的四个侧表面与测试缸内的平板面热源接触，最后盖上MTS真三轴测试缸的上盖，使测试腔密封；

(3)在MTS控制器上发出加压指令，加压指令通过屏蔽线传递至MTS伺服增压器，由MTS伺服增压器控制MTS液压机驱动MTS真三轴测试缸的测试腔内的3对作用轴，使三对作用轴与岩石试样的6个面接触并在X、Y和Z方向上施加不同大小的压力；

(4)在MTS控制器上发出加温指，加温指令通过屏蔽线传递至平板面热源控制器对岩石试样进行加热，平板面热源以而电功率Q给岩石试样加热并维持温度，温度范围为50～300℃；

(5)待MTS真三轴测试缸的测试腔内温度稳定，温差电偶传感器测量岩石试样的两端温度Δt并传输至MTS控制器；

(6)MTS控制器通过以下公式计算高温高压下岩石试样的导热系数λ：

步骤(1)中，横截面为正方形的长方体岩石试样尺寸具体为150×150×300mm，步骤(3)三对作用轴与岩石试样的6个面接触并施加恒定压力为0.5kN。

本发明提供了一种高温高压下岩石热物性参数测试系统，参照图1，包括相互连接的控制器与测试缸，所述控制器为MTS控制3，所述测试缸为MTS真三轴测试缸1，MTS控制器3与MTS真三轴测试缸1通过屏蔽线7相互连接；MTS控制器3通过屏蔽线7连接于MTS伺服增压器2，所述MTS伺服增压器2通过液压油管6分别连接于所述MTS真三轴测试缸1和MTS液压机4。

参照图2和图3，所述MTS真三轴测试缸的内部为用于放置长方体岩石试5的密闭的测试腔，测试腔内设有用于给长方体岩石试样加压的MTS三轴液压系统、温度控制模块以及采集模块；MTS三轴液压系统包括用于作用在岩石试样的顶面和侧面的作用轴101，其中，顶面的作用轴以及位于相邻侧面的两个作用轴通过液压油管6与MTS伺服增压器连接；温度控制模块为由MTS控制器控制的用于贴在岩石试样的侧表面上的平板面热源102，即片状加热器，所述平板面热源102通过屏蔽线7连接于MTS控制器；采集模块为由MTS控制器控制的温差电偶传感器103，所述温差电偶传感器103的两测量端分别用于安置在岩石试样的一组相对侧面上，所述温差电偶传感器通过屏蔽线7连接于MTS控制器。

参照图3和图4，温差电偶传感器103紧贴于岩石试样的一对侧表面安置，平板面热源102则包裹于岩石试样的4个侧表面，并且位于温差电偶传感器103的外侧。这样便于温差电偶传感器精确测量岩石试样的温度。

所述温差电偶传感器的感应精度为0.1℃。

所述MTS三轴液压系统的压力控制精度为0.001kN。

所述MTS真三轴测试缸的上端设有通过固定螺栓104压紧的密封盖。

所述MTS控制器采用工作站电脑。

利用本发明的一种高温高压下岩石热物性参数测试系统，可以按照以下步骤测量岩石试样导热系数：

步骤一：对野外采集地下深层岩石初步加工，岩石试样尺寸为150*150*300mm，岩石试样表面打磨平整光滑。用游标卡尺测量岩石试样高度δ，横截面积F；

步骤二：将岩石试样放入MTS真三轴测试缸中，关闭MTS真三轴测试缸缸门，启动MTS系统，通过MTS控制器设置MTS三轴液压系统0.5kN轴力，使MTS三轴液压系统与岩石试样接触；

步骤三：通过MTS控制器设置MTS三轴液压系统给岩石试样施加高压，维持压力恒定；

步骤四：通过MTS控制器，给岩石试样设定加热温度，平板面热源以额定功率Q给岩石试样加热维持高温，待温度稳定后，温差电偶测量岩石试样两端温度Δt，最后通过以下公式计算得出高温高压下岩石试样导热系数λ：

本发明利用MTS力学测试系统，可以达到对力的精确控制，包括MTS控制器，MTS伺服增压器，MTS液压机，MTS真三轴测试缸，MTS三轴液压系统，可以精确控制液压，控制精度0.001kN，准确模拟地下深层岩石高压状态。其二，使用温度控制和采集模块，可以维持岩石试样温度恒定，精确测量岩石试样温度，准确模拟地下深层岩石高温状态。其三，利用稳态平板法测量岩石试样导热系数，用游标卡尺测量岩石试样高度δ，导热横截面积F。给试样加热加压，待试样压力温度稳定后，测得平板两面的温差Δt，通过平板的导热量Q。根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比。高温高压下岩石试样导热系数λ可以通过以下公式计算：

利用本发明可准确模拟地下深层岩石高压状态，温度控制和采集模块可以维持岩石试样温度恒定，精确测量岩石试样温度，准确模拟地下深层岩石高温状态；同时利用稳态平板法测量岩石试样导热系数，系统操作简单，测试精度高，测试周期短，热物性参数测结果准确。