一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在超臨界二氧化碳條件下測定巖石的三軸強(qiáng)度的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國內(nèi)油氣田開發(fā)的不斷發(fā)展，以及海外業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)外非常規(guī)特種油氣藏開發(fā)技術(shù)要求越來越高，運(yùn)用超臨界二氧化碳開發(fā)非常規(guī)油氣資源也引起社會各界廣泛的關(guān)注。全面了解和掌握在超臨界二氧化碳條件下地層巖石的力學(xué)參數(shù)，對編制油氣田開發(fā)方案、指導(dǎo)現(xiàn)場施工提供重要依據(jù)。尤其對于二氧化碳置換頁巖氣技術(shù)(擬將工業(yè)捕集的二氧化碳以液態(tài)注入頁巖層實現(xiàn)超臨界二氧化碳射流致裂、増滲、置換驅(qū)替頁巖氣達(dá)到強(qiáng)化頁巖氣高效開發(fā)的目的)，了解超臨界二氧化碳條件下巖石的力學(xué)響應(yīng)是極為重要的。
[0003]然而巖石在超臨界二氧化碳條件時不同應(yīng)力下的力學(xué)響應(yīng)在國內(nèi)外理論和實驗研宄中都難以準(zhǔn)確預(yù)測，而實驗室可獲取的常規(guī)條件下利用標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心直接測量出來的巖石力學(xué)參數(shù)不能滿足實際需要，且常規(guī)實驗條件下二氧化碳難以注入到高溫高壓試驗艙內(nèi)塑封后的巖心中，根本不能實現(xiàn)超臨界條件下的巖石力學(xué)性質(zhì)的測量。因此目前急需一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有巖石力學(xué)實驗方法技術(shù)中，二氧化碳無法達(dá)到超臨界狀態(tài)、超臨界二氧化碳無法注入巖心中、無法在超臨界二氧化碳條件下測得巖石三軸強(qiáng)度等缺陷，提供一種改裝便捷易行、操作安全簡單、測量誤差小、工作效率高、二氧化碳利用率高的測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的裝置及其方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的裝置，它包括三軸試驗艙、巖心夾持裝置、氣體供給系統(tǒng)、液壓油圍壓加載系統(tǒng)和安裝有控制器以及實驗數(shù)據(jù)采集器的計算機(jī)，所述的三軸試驗艙內(nèi)且位于三軸試驗艙的上、下兩端分別設(shè)置有軸壓加載實驗臺上壓桿和軸壓加載實驗臺下壓桿，軸壓加載實驗臺上壓桿固定于三軸試驗艙上，軸壓加載實驗臺下壓桿可上、下活動以加載軸壓，軸壓加載實驗臺下壓桿與軸壓加載裝置連接，三軸試驗艙外壁上設(shè)置有帶有溫度控制裝置和溫度傳感器的加熱圈、連通三軸試驗艙的進(jìn)油閥和回油閥，三軸試驗艙的底部設(shè)置有進(jìn)氣閥和出氣閥，所述的液壓油圍壓加載系統(tǒng)由油泵、加壓泵和油箱組成，加壓泵和油泵的吸引口均與油箱連接，加壓泵和油泵的出油口均與進(jìn)油閥連接，油泵還與回油閥連接，所述的巖心夾持裝置由巖心夾持器、氣墊、絕緣自粘密封帶和熱縮套組成，巖心夾持器的上、下端分別設(shè)置有與進(jìn)氣閥連接的進(jìn)氣口和與出氣閥連接的出氣口，所述的氣體供給系統(tǒng)由順次連接的二氧化碳?xì)馄?、氣體增壓器和空氣壓縮機(jī)組成，氣體增壓器還與進(jìn)氣閥連接。
[0006]所述的軸壓加載實驗臺下壓桿的頂部設(shè)置有溫度傳感器。
[0007]一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的方法，它包括以下步驟:
51、塑封巖心:先將端面磨平后的巖心的兩端加裝氣墊，再先后用絕緣自粘密封帶和熱縮套將巖心包裹固定于巖心夾持器之間，從而實現(xiàn)了巖心的塑封；
52、加裝傳感器:在巖心夾持器上端的下部和巖心夾持器下端的上部安裝軸向位移傳感器，熱縮套外表面上且位于巖心的中部安裝徑向位移傳感器，巖心的中部安裝溫度傳感器；
53、超臨界二氧化碳的實現(xiàn):
S (I):先將S2中的巖心夾持器置于軸壓加載實驗臺上壓桿與軸壓加載實驗臺下壓桿之間，再將加熱圈、溫度傳感器、軸向位移傳感器和徑向位移傳感器與計算機(jī)連接，然后關(guān)閉三軸試驗艙，啟動油泵使液壓油充滿三軸試驗艙同時開啟加壓油泵使加壓油泵活塞按照加載速率50mm/min加載將巖心圍壓提升至20MPa，隨后關(guān)閉加壓油泵和進(jìn)油閥，使整個實驗過程中圍壓穩(wěn)定在20MPa ；
S (2):經(jīng)加熱圈對三軸試驗艙加溫，并控制艙內(nèi)溫度在35°C ~40°C之間并穩(wěn)定30min ；
S (3):關(guān)緊三軸試驗艙的進(jìn)氣閥和出氣閥，打開二氧化碳?xì)馄康拈y門，使適量二氧化碳進(jìn)入氣體增壓器后關(guān)閉氣瓶，用空氣壓縮機(jī)對氣體增壓器加壓，使氣體增壓器中二氧化碳壓力提升至1MPa并保持不變；
S (4):打開三軸試驗艙的進(jìn)氣閥，使上述S (3)中壓力為10 MPa的二氧化碳進(jìn)入到巖心中；
S (5):維持注入二氧化碳lh，維持溫度穩(wěn)定在35°C ~40°C之間，巖心被二氧化碳完全飽和，關(guān)閉三軸試驗艙的進(jìn)氣閥，使二氧化碳密封在絕緣自粘密封帶內(nèi)，在該溫度和壓力條件下二氧化碳已達(dá)到超臨界狀態(tài)，且?guī)r心已完全被超臨界二氧化碳所飽和，從而實現(xiàn)了超臨界二氧化碳條件；
54、軸壓加載開始實驗:在計算機(jī)中輸入巖心初始尺寸參數(shù)，對軸向位移傳感器和徑向位移傳感器清零，開始執(zhí)行實驗程序，采用應(yīng)變控制實驗，其控制速率為0.04mm/min,增加軸向荷載直到試樣發(fā)生破壞，在施加軸向載荷的過程中記錄下巖心中溫度、圍壓、二氧化碳壓力以及各級應(yīng)力下的應(yīng)力、應(yīng)變值；
55、實驗后計算:
S (I):巖心失效破壞后，停止加載軸向載荷，打開三軸試驗艙的出氣閥將二氧化碳排放放空，同時打開回油閥并啟動油泵將三軸試驗艙內(nèi)液壓油抽回油箱；
S (2):打開三軸試驗艙，拆卸巖心夾持器與三軸試驗艙連接的各傳感器的數(shù)據(jù)線和氣體進(jìn)出管線；
S (3):取回巖心夾持器并切下位于巖心上、下端的氣墊，保存好實驗后的巖心和實驗數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備下次實驗；
S (4):計算巖心在超臨界二氧化碳條件下的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和泊松比，最后繪制巖心在超臨界二氧化碳條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而實現(xiàn)了測定超臨界二氧化碳條件下巖石的三軸強(qiáng)度。
[0008]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明實現(xiàn)了在超臨界二氧化碳條件測定下巖石力學(xué)響應(yīng)，實時監(jiān)測記錄巖石的溫度、圍壓、巖心中二氧化碳的壓力、軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)和徑向應(yīng)變數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算巖石在超臨界二氧化碳條件下的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、泊松比，并繪制巖石在超臨界二氧化碳條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，具有測量誤差小、工作效率高的特點(diǎn)。(2)實驗過程簡便，需要的儀器設(shè)備都很容易制得，實驗效率較高。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的巖心夾持裝置與軸向位移傳感器和徑向位移傳感器的安裝示意圖；
圖3為實驗中巖心的軸向、徑向應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；
圖中，1-三軸試驗艙，2-液壓油圍壓加載系統(tǒng)，3-計算機(jī)，4a-軸壓加載實驗臺上壓桿，4b-軸壓加載實驗臺下壓桿，5-帶有溫度控制裝置和溫度傳感器的加熱圈，6-進(jìn)油閥，7-回油閥，8-進(jìn)氣閥，9-出氣閥，10-巖心夾持器，11-氣墊，12-絕緣自粘密封帶，13-熱縮套，14- 二氧化碳?xì)馄浚?5-氣體增壓器，16-空氣壓縮機(jī)，17-軸向位移傳感器，18-徑向位移傳感器，19-進(jìn)氣口，20-出氣口，21-巖心，22-巖心及巖心夾持裝置，23-溫度傳感器。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述: 如圖1和圖2所示，一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的裝置，它包括三軸試驗艙1、巖心夾持裝置、氣體供給系統(tǒng)、液壓油圍壓加載系統(tǒng)2和安裝有控制器以及實驗數(shù)據(jù)采集器的計算機(jī)3，所述的三軸試驗艙I內(nèi)且位于三軸試驗艙I的上、下兩端分別設(shè)置有軸壓加載實驗臺上壓桿4a和軸壓加載實驗臺下壓桿4b，軸壓加載實驗臺上壓桿4a固定于三軸試驗艙I上，軸壓加載實驗臺下壓桿4b可上、下活動以加載軸壓，軸壓加載實驗臺下壓桿4b與軸壓加載裝置連接，三軸試驗艙I外壁上設(shè)置有帶有溫度控制裝置和溫度傳感器的加熱圈5、連通三軸試驗艙I的進(jìn)油閥6和回油閥7，三軸試驗艙I的底部設(shè)置有進(jìn)氣閥8和出氣閥9，所述的液壓油圍壓加載系統(tǒng)2由油泵、加壓泵和油箱組成，加壓泵和油泵的吸引口均與油箱連接，加壓泵和油泵的出油口均與進(jìn)油閥6連接，油泵還與回油閥7連接，所述的巖心夾持裝置由巖心夾持器10、氣墊11、絕緣自粘密封帶12和熱縮套13組成，巖心夾持器10的上、下端分別設(shè)置有與進(jìn)氣閥8連接的進(jìn)氣口 19和與出氣閥9連接的出氣口 20，所述的氣體供給系統(tǒng)由順次連接的二氧化碳?xì)馄?4、氣體增壓器15和空氣壓縮機(jī)16組成，氣體增壓器15還與進(jìn)氣閥8連接。所述的軸壓加載實驗臺下壓桿4b的頂部設(shè)置有溫度傳感器23。
[0011]如圖1和圖2所示，一種測定超臨界二氧化碳條件下巖石三軸強(qiáng)度的方法，它包括以下步驟:
步驟一、塑封巖心:
S (I):取出直徑為25mm、長度為50mm的巖心樣本，通過磨石機(jī)磨平巖心21的兩個端面，使兩端面均垂直于巖心21軸線，軸向角度偏差不超過0.05° ;
S (2):將巖心21兩端的頂部均重疊放置直徑25mm的氣墊11，再將氣墊11放置于巖心夾持器10中間；
S (3):用絕緣自粘密封帶12將巖心夾持器10、氣墊11和巖心21的側(cè)面均勻纏繞包裹為整體，目的是為了防止實驗過程中二氧化碳?xì)怏w沿巖心側(cè)面竄流，造成二氧化碳損耗，增大測量誤差；
S (4):將熱縮套13套在巖心夾持器中間，用300°C到500°C熱風(fēng)機(jī)從巖心夾持器10中部向其上、下兩端均勻加熱并旋轉(zhuǎn)，使熱縮套13在高溫的作用下均勻無氣泡的縮緊包裹巖心21、氣墊11和巖心夾持器10的上下端部分，用以在加載圍壓時隔絕液壓油。
[0012]步驟二、加裝傳感器:
S (I):在塑封后的巖心夾持器10