气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置及方法

1.本发明属于岩石力学性能测试技术领域，尤其涉及一种气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置及方法。


背景技术：

2.页岩气是指蕴藏于页岩层中的天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料。对页岩岩层而言，其工程特性取决于岩体所处的地质环境，即岩体所处的应力场、温度场、渗流场等物理环境，以及甲烷气体、离子溶液等化学环境。这些因素相互作用和影响，使得岩体实时处于这些因素构成的平衡体系中。目前，用于页岩岩体力学特性的研究装置及方法基本满足了气固耦合下的应力加载，但较少考虑到深部页岩所处的高温环境，且难以同时考虑到页岩赋存环境下的化学因素，如离子溶液、以及化学气体的化学侵蚀反应，导致现有试验装置与实验技术中所测试得到的页岩力学特性的各项指标均不理想，较之工程实际情况来说，误差往往较大。
3.伴随着页岩气往深部开采后，页岩作为页岩气储层温度逐渐升高，开采深度大于3000米的储层，温度一般在100℃以上，这就对实验室研究页岩气储层特性提出考虑温度场的新要求。此外，随着开采深度的增加，页岩气储层中赋存的地下化学离子成分更加复杂，导致需要有新的测试装置和方法能够考虑深部储层中的这种流化作用对储层力学特性的影响。总而言之，随着页岩气往深部开采，需要考虑深部地层实时高温作用和流化作用对储层力学特性的影响，利用以往的一些真三轴气固耦合装置很难使用于深部页岩气储层的力学特性研究，需要提出新的试验装置和方法来弥补现有技术和装置的不足。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置及方法，本技术首次实现了对深部页岩真实赋存环境的室内模拟，并且可以对真实条件下页岩的真三轴力学特性进行试验研究，为深部高温、高压、化学离子渗流和气体赋存复杂环境下的深部页岩气开采工程提供了最接近工程实际情况的试验依据。
5.为此，本发明一方面提供一种气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置，包括：
6.真三轴应力加载机构，用于对待测岩样施加三维应力场；
7.加热炉，用于对待测岩样进行加热；
8.页岩气输送机构以及离子溶液渗流机构，用于对待测岩样营造页岩气赋存环境和离子溶液渗流条件，同时模拟待测岩样所处的化学反应环境；
9.控制系统，用于控制所述真三轴应力加载机构、加热炉、页岩气输送机构以及离子溶液渗流机构工作，并实现数据采集；其中，所述离子溶液直接从页岩所处的地质环境中获得或者基于页岩所处地质环境中化学离子成分进行近似配置。
10.具体的，所述真三轴应力加载机构包括设置在加热炉外且延伸至加热炉内的上加
载垫块、下加载垫块、前加载垫块、后加载垫块、左加载垫块、右加载垫块以及对各个加载垫块进行加载的加载杆，各个所述加载垫块均与加热炉的炉壁滑动连接，所述岩样的各个拐角被密封渗流盒包裹，所述密封渗流盒与上加载垫块、下加载垫块、前加载垫块、后加载垫块、左加载垫块、右加载垫块共同围成与所述岩样适配且封闭的渗透加载室。
11.具体的，所述页岩气输送机构包括高压气罐和气体回收罐，所述上加载头上设有与所述渗透加载室连通的注气孔，所述下加载头上设有与所述渗透加载室连通的回气孔，所述高压气罐通过气体输送管道与所述注气孔连通，所述回气孔通过回液管道与所述气体回收罐连接，所述回液管道上设有止回阀，所述回气孔上靠近所述岩样位置处设有可启闭的第一封孔阀，在进行离子溶液渗流时，所述第一封孔阀将所述回气孔关闭。
12.具体的，所述控制系统包括气压调节阀、气压控制器、气压传感器和气压表，所述气体输送管道上设有气压调节阀和气压控制器，所述气压传感器嵌装在所述左加载垫块内并通过引线与外部的气压表相连接，所述气压调节阀、气压控制器、气压传感器组成气压控制电路，对待测岩样设置高压页岩气环境。
13.具体的，所述离子溶液渗流机构包括离子溶液箱，所述上加载头上设有与所述渗透加载室连通的注液孔，所述下加载头上设有与所述渗透加载室连通的回液孔，所述离子溶液箱通过离子溶液输送管路与所述注液孔连通，所述回液孔通过离子溶液回流管路与所述离子溶液箱连通；所述回液孔上靠近所述岩样位置处设有可启闭的第二封孔阀，在进行离子溶液渗流时，所述第二封孔阀将回液孔关闭。
14.具体的，所述控制系统还包括增压泵、液压控制器、渗流压力传感器和渗流压力表，所述离子溶液输送管路上设有截止阀、增压泵和液压控制器，所述渗流压力传感器嵌装在所述右加载垫块内并通过引线与外部的渗流压力表相连接，所述渗流压力传感器、液压控制器、渗流压力表组成液压控制电路，对待测岩样设置渗流环境。
15.具体的，所述控制系统还包括温控仪、温度传感器和温度显示仪，所述温控仪、温度传感器以及加热炉内的加热丝通过耐高温引线相连接组成加热控制电路，所述温度传感器与所述温度显示仪连接。
16.具体的，所述控制系统还包括信号输入端、信号控制器和信号输出端，所述气体压力传感器和渗流压力传感器将测试数据传输给数据输入端口，而后反馈给信号控制器，所述信号控制器对采集的数据进行处理和分析，并与指令的信号比较，反向放大差值信号，朝着消除偏差的方向改变页岩气气体压力和离子溶液渗流压力，信号控制器通过信号输出端口将调节指令传输给气压控制器、液压控制器的出端口，进而对页岩气气压、离子溶液渗流压力进行精准调节。
17.具体的，所述密封渗流盒由可压缩性能较好、具有较大弹性的橡胶材料制成。
18.本发明另一方面提供一种气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试方法，包括如下步骤：
19.步骤一：获取岩样；
20.步骤二：将岩样匹配放入加载垫块和密封渗流盒围成的渗透加载室中；
21.步骤三：利用页岩气输送机构向渗透加载室中送入甲烷等化学气体，模拟页岩中页岩气的赋存环境，完成气体环境设置；
22.步骤四：利用离子溶液渗流机构对岩样渗透离子溶液，模拟地下页岩岩层所处离
子溶液渗流环境，完成离子溶液渗流场设置；
23.步骤五：启动高温加热炉，加热岩样至设定温度并维持恒定，完成岩样温度场环境设置；
24.步骤六：利用真三轴应力加载机构对待测岩样施加应力，完成真三轴压力场施加；
25.步骤七：给岩样模拟不同地应力下的力学行为，并通过控制系统实现数据采集，通过一系列三轴试验结果，得出待测岩样破坏曲线及破坏特征，获得气－固－热－力－流耦合状态下岩样的力学性质。
26.与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：
27.1.通过改装真三轴加载实验装置，借助真三轴加载装置、实时高温加热炉、离子溶液渗流机构、页岩气输送机构等构成了一个可以实现实时高温，并对页岩所处的离子溶液渗流场及页岩气气体赋存环境进行真实模拟，且在原位应力状态下测试页岩气开采工程围岩力学性能的试验测试装置及方法。
28.2.通过页岩气输送机构、离子溶液渗流机构对待测岩样营造页岩气赋存环境和离子溶液渗流条件，实现气固液耦合，同时模拟待测岩样所处的化学反应环境；通过真三轴应力加载机构、加热炉实时加热机构模拟待测岩样所处的物理环境；页岩气输送机构、离子溶液渗流机构与真三轴应力加载机构、加热炉共同实现了气固液耦合、物化耦合。
29.3.通过控制系统用于精准控制页岩气气体以及离子溶液渗流的压力，控制系统通过信号控制器将实时监测的气压、渗流压力与预设的指令比较，通过反向放大差值信号，并高频循环对比调整，朝着消除偏差的方向改变页岩气气体压力和离子溶液渗流压力，对页岩气气压、离子溶液渗流压力实现精准调节。
30.4.渗透加载室由密封渗流盒以及将密封渗流盒各个侧部开口密封的六块加载垫块围成，密封渗流盒为一个包裹岩样各个拐角的柔性密封框架，使得测试系统能在渗流、高压气体、三轴应力耦合的条件下实验。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明实施例提供的气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置俯视示意图。
34.其中：1、真三轴应力加载机构；101、上加载垫块；102、下加载垫块；103、前加载垫块；104、后加载垫块；105、左加载垫块；106、右加载垫块；107、加载杆；2、加热炉；201、加热丝；3、页岩气输送机构；301、高压气罐；302、气体回收罐；303、注气孔；304、回气孔；305、气体输送管道；306、回液管道；307、止回阀；308、第一封孔阀；4、离子溶液渗流机构；401、离子溶液箱；402、注液孔；403、回液孔；404、离子溶液输送管路；405、离子溶液回流管路；406、第二封孔阀；407、截止阀；5、控制系统；501、气压调节阀；502、气压控制器；503、气压传感器；
504、气压表；505、增压泵；506、液压控制器；507、渗流压力传感器；508、渗流压力表；509、温控仪；510、温度传感器；511、温度显示仪；512、信号输入端；513、信号控制器；514、信号输出端；6、岩样；7、密封渗流盒；8、滑动密封套。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.参见图1和图2，一种气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置，包括真三轴应力加载机构1、加热炉2、页岩气输送机构3、离子溶液渗流机构4和控制系统5，其中，真三轴应力加载机构1用于对待测岩样6施加三维应力场，加热炉2用于对待测岩样6进行加热，离子溶液渗流系统用于向待测岩样6内输入渗流溶液，以对待测岩样6施加离子溶液渗流场；其中，离子溶液是指页岩气储层中的液体成分，主要包括水，氯化钾(kcl)，碳酸钙(caco3)，碳酸镁(mgco3)等化合物，可以直接从深部页岩所处的地质环境中获得或者基于深部页岩所处地质环境中化学离子成分进行等量配置，页岩气输送机构3用于对待测岩样6营造页岩气赋存环境，控制系统5用于控制所述真三轴应力加载机构1、加热炉2、页岩气输送机构3以及离子溶液渗流机构4工作，并实现数据采集。
39.本实施例，借助真三轴应力加载机构1、实时高温加热炉2、离子溶液渗流机构4、页岩气输送机构3等构成了一个可以实现实时高温，并对页岩所处的离子溶液渗流场及页岩气气体赋存环境进行真实模拟，且在原位应力状态下测试页岩气开采工程围岩力学性能的试验测试装置及方法。
40.此外，通过页岩气输送机构3、离子溶液渗流机构4对待测岩样6营造页岩气赋存环境和离子溶液渗流条件，实现气固液耦合，同时模拟待测岩样6所处的化学反应环境；通过真三轴应力加载机构1、加热炉2实时加热机构模拟待测岩样6所处的物理环境；页岩气输送机构3、离子溶液渗流机构4与真三轴应力加载机构1、加热炉2共同实现了气固液耦合、物化耦合。
41.参见图1和图2，可以理解的是，在实际应用中，真三轴应力加载机构1包括设置在加热炉2外且延伸至加热炉2内的上加载垫块101、下加载垫块102、前加载垫块103、后加载垫块104、左加载垫块105、右加载垫块106以及对各个加载垫块进行加载的加载杆107，各个
加载垫块均与加热炉2的炉壁滑动连接，岩样6的各个拐角被密封渗流盒7包裹，密封渗流盒7与上加载垫块101、下加载垫块102、前加载垫块103、后加载垫块104、左加载垫块105、右加载垫块106共同围成与岩样6适配且封闭的渗透加载室，实现化学气体环境以及离子溶液渗流场的稳定施加。
42.其中，密封渗流盒7由可压缩性能较好、具有较大弹性的橡胶材料制成，密封渗流盒7呈框架样式，六块加载垫块将密封框架各个侧部开口进行密封，其可在应力加载时，不影响两两相对的x/y/z(上下、左右、前后)方向的加载杆107的位移，同时可起到密封作用；渗透加载室内可放置尺寸为100＊100＊100的待测岩样6，六块加载垫块的尺寸为90＊90＊90，垫块尺寸比待测岩样6的尺寸小，在加载过程中，可使各加载垫块独立移动，互不干涉。
43.参见图1和图2，在一些实施例中，页岩气输送机构3包括高压气罐301和气体回收罐302，上加载头上设有与渗透加载室连通的注气孔303，下加载头上设有与渗透加载室连通的回气孔304，高压气罐301通过气体输送管道305与注气孔303连通，回气孔304通过回液管道306与气体回收罐302连接，回液管道306上设有止回阀307，止回阀307是单向截止阀407，可防止气体回收罐302内气体逆向回流到气体输送管道305，回气孔304上靠近岩样6位置处设有可启闭的第一封孔阀308，在进行离子溶液渗流时，第一封孔阀308将回气孔304关闭，防止离子溶液进入回气孔304和气体输送管路。
44.其中，控制系统5包括气压调节阀501、气压控制器502、气压传感器503和气压表504，气体输送管道305上设有气压调节阀501和气压控制器502，气压传感器503嵌装在左加载垫块105内并通过引线与外部的气压表504相连接，气压控制器502控制气压调节阀501对页岩气的气压进行调节，气压调节阀501是通过阀门的开合程度对气体流量进行调节，气压调节阀501、气压控制器502、气压传感器503组成气压控制电路，对待测岩样6设置高压页岩气环境。
45.具体的，离子溶液渗流机构4包括离子溶液箱401，上加载头上设有与渗透加载室连通的注液孔402，下加载头上设有与渗透加载室连通的回液孔403，离子溶液箱401通过离子溶液输送管路404与注液孔402连通，回液孔403通过离子溶液回流管路405与离子溶液箱401连通，回液孔403上靠近岩样6位置处设有可启闭的第二封孔阀406，在进行离子溶液渗流时，第二封孔阀406将回液孔403关闭。其中，控制系统5还包括增压泵505、液压控制器506、渗流压力传感器507和渗流压力表508，离子溶液输送管路404上设有截止阀407、增压泵505和液压控制器506，渗流压力传感器507嵌装在右加载垫块106内并通过引线与外部的渗流压力表508相连接，渗流压力传感器507、液压控制器506、渗流压力表508组成液压控制电路，对待测岩样6设置渗流环境。
46.在本实施例中，离子溶液箱401中的离子溶液经过增压泵505加压后，从注液孔402流入待测岩样6，并从回液孔403流出进入到离子溶液箱401，可实现渗流离子溶液的循环流动，液压控制器506控制增压泵505对离子溶液进行加压，在进行页岩气气体泵送时，关闭第二封孔阀406，防止页岩气进入回液孔403和离子溶液输送管路404，两个封孔阀均接受控制系统5的控制。
47.参见图1，在另一些实施例中，控制系统5还包括温控仪509、温度传感器510、温度显示仪511、信号输入端512、信号控制器513和信号输出端514，温度传感器510设置在加热炉2的保温腔体顶部内壁上，加热丝201设置在保温腔体顶、底部，温度传感器510、温控仪
509、加热丝201通过保温腔体内置耐高温引线相连接组成控制电路，对待测岩样6进行加热，温度传感器510与温度显示仪511连接，气体压力传感器和渗流压力传感器507将测试数据传输给数据输入端口，而后反馈给信号控制器513，信号控制器513对采集的数据进行处理和分析，并与指令的信号比较，反向放大差值信号，朝着消除偏差的方向改变页岩气气体压力和离子溶液渗流压力，信号控制器513通过信号输出端514口将调节指令传输给气压控制器502、液压控制器506的出端口，进而对页岩气气压、离子溶液渗流压力进行精准调节，并高频循环对比调整，稳定给定的指令信号。
48.具体的，在加热炉2的保温腔体与真三轴应力加载机构1的加载垫块之间设置了滑动密封套8，从而可以调节相对的x/y/z方向的两根加载杆107之间的位移，同时密封加热腔体，保证加热效果。
49.参见图1，利用上述气固热流化耦合下页岩真三轴力学特性测试装置对深部页岩进行力学性能测试的具体过程如下：
50.步骤一、获取页岩气开采工程中的页岩岩样6，试样为正六面体，尺寸为100＊100＊100；
51.步骤二、将岩样6匹配放入六块加载垫块和密封渗流盒7组成的渗流压力室中；
52.步骤三、打开第一封孔阀308，使注气孔303、待测岩样6、回气孔304畅通；利用第二封孔阀406封堵回液孔403；
53.步骤四、利用页岩气输送机构3对岩样6进行页岩气输送，根据所取页岩岩样6所处的页岩气赋存条件确定页岩气的气压，在气压达到预设值后，利用第一封孔阀308封闭回气孔304，保持页岩试样内页岩气的气压稳定；
54.步骤五、利用离子溶液渗流控制机构对页岩试样进行渗流，模拟页岩赋存环境中的化学离子溶液渗流场，根据所取页岩岩样6所处的渗流场确定离子溶液渗流压力，在渗流压力达到预设值后，利用第二封孔阀406封闭回液孔403，保持页岩试样内离子溶液渗流压力稳定；
55.其中，利用控制系统5精准控制指令信号，利用渗流传感器、控制系统5、液压控制器506组成的反馈调节闭合回路调节对页岩岩样6施加的离子溶液渗流压力；利用气压传感器503、控制系统5、气压控制器502组成的反馈调节闭合回路调节对页岩岩样6施加的页岩气气体压力，确保页岩气气压、离子溶液渗流压力达到稳定。
56.步骤六、利用加热炉2对页岩试样施加温度场，根据所取页岩岩样6所处的地下高温环境确定所施加的温度，到预设温度后，需保持温度不变；
57.步骤七、开启真三轴应力加载机构1，给待测岩样6提供模拟原位地应力的三轴静荷载，通过调节三轴应力的大小，模拟不同的地应力状态，进行一系列的真三轴试验，测试得到页岩真实赋存环境下的力学性能；具体的，首先利用真三轴应力加载机构1对待测试样预夹紧，充液压油，进行侧向压力加载，再进行轴向应力加载，完成真三轴压力场施加，给岩样6模拟不同地应力下的力学行为，通过一系列三轴试验结果，得出待测岩样6破坏曲线及破坏特征，获得实时高温、页岩气、离子溶液渗流耦合状态下页岩试样的力学性质。
58.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法
穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
59.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
60.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
61.上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。