三軸應力作用下超低滲巖石滲透率測量裝置的製作方法
2023-04-30 02:31:21 2
本實用新型涉及巖土工程技術中的巖石力學測試領域，更具體地說是三軸應力作用下超低滲巖石滲透率測量裝置。
背景技術：
滲透率是巖石重要的物理參數之一，對於了解非常規油氣田及核廢料儲存的深部巖體的物理特性尤其重要；而伴隨著近些年頁巖氣、緻密砂巖油氣等的開採，迫切地需要一種測量三軸應力狀態下超低滲巖體滲透率的裝置，這對現今實驗原理及實驗儀器都提出了不小的挑戰。
目前大多數測量巖石滲透率的實驗儀器都採用穩態法或者壓力脈衝法等原理，對於非常規油氣田儲層中的超低滲巖體，該種測試方法存在測量原理落後、測量精度差的缺點，因此並不適用這種超低滲巖體滲透率的測量；目前測量超低滲巖石滲透率比較流行的方法是壓力震蕩法，該方法的原理是通過在巖石試樣上遊施加已知滲透壓力波，在下遊測量相應滲透壓力波，通過對比兩者之間的波形得出超低滲巖石滲透率。
目前國內少量採用壓力震蕩法測量超低滲巖體滲透率的儀器中則存在著一定缺點；申請號為201310518094.7的專利《一種測量超低滲巖石滲透率應力敏感性的互相關技術》中採用了壓力震蕩法測量超低滲巖石的滲透率，但該裝置僅僅能提供圍壓，不能提供三軸應力的試驗狀態，無法真實模擬深部巖體在三軸應力作用下的受力狀態。
因此研製出一款既能很好地測量超低滲巖石滲透率，又能真實地模擬好巖體的三軸應力狀態的儀器就顯得尤為重要了。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供三軸應力作用下超低滲巖石滲透率測量裝置，能很好地測量超低滲巖石滲透率、提供三軸應力的試驗狀態，能真實地模擬巖體的三軸應力狀態。
為了實現本實用新型的目的，本實用新型的技術方案為：三軸應力作用下超低滲巖石滲透率測量裝置，包括數據採集及處理系統，其特徵在於：還包括三軸壓力系統；所述三軸壓力系統包括圍壓室、軸壓室、測試室、圍壓閉環伺服計量泵、軸壓閉環伺服計量泵和滲透壓閉環伺服計量泵；缸筒包括軸壓室缸筒和圍壓室缸筒；所述軸壓室缸筒連接於所述圍壓室缸筒上端，且與所述圍壓室缸筒通過螺栓固定密封、連接成一個整體；
所述圍壓室包括圍壓室底座、所述圍壓室缸筒；所述軸壓室包括軸向活塞、所述軸壓室缸筒、軸壓室頂蓋；
所述軸向活塞位於所述軸壓室內，所述軸壓室缸筒上端設置有所述軸壓室頂蓋、下端連接於所述圍壓室缸筒上，所述圍壓室缸筒下端設置有所述圍壓室底座；
所述測試室位於所述圍壓室缸筒內，有上遊孔隙壓墊塊位於所述測試室和所述軸向活塞之間，
有試樣設置於所述測試室內，有透水墊板設置於所述試樣上下兩端，所述試樣、所述透水墊板被橡膠套嚴密包裹；有二個卡箍分別設置於所述橡膠套的上下兩端；
所述數據採集及處理系統設置於所述三軸壓力系統外側，且分別通過所述圍壓閉環伺服計量泵、所述軸壓閉環伺服計量泵和所述滲透壓閉環伺服計量泵連接於所述三軸壓力系統上。
在上述技術方案中，所述圍壓閉環伺服計量泵、所述軸壓閉環伺服計量泵、所述滲透壓閉環伺服計量泵的結構相同，且均包括泵體、泵活塞、壓力傳感器、伺服控制模塊和伺服電機；所述圍壓閉環伺服計量泵的所述壓力傳感器為圍壓傳感器、所述軸壓閉環伺服計量泵的所述壓力傳感器為軸壓傳感器、所述滲透壓閉環伺服計量泵的所述壓力傳感器為上遊孔隙壓傳感器、下遊孔隙壓傳感器。
在上述技術方案中，所述圍壓傳感器的兩端分別連接所述圍壓閉環伺服計量泵中的伺服控制模塊和通往所述圍壓室下端的管路、所述軸壓傳感器的兩端分別連接所述軸壓閉環伺服計量泵中的伺服控制模塊和通往所述軸壓室上端的管路、所述上遊孔隙壓傳感器的兩端分別連接所述伺服控制模塊和通往所述測試室上端的管路、所述下遊孔隙壓傳感器與所述圍壓室底座上連接所述測試室底部的通道連接；所述伺服控制模塊與所述伺服電機連接，所述伺服電機與所述泵活塞連接，所述泵活塞位於所述泵體內。
在上述技術方案中，所述透水墊板包括上透水墊板、下透水墊板，所述上透水墊板設置於所述試樣上端，所述下透水墊板設置於所述試樣下端；所述圍壓傳感器、所述軸壓傳感器、所述上遊孔隙壓傳感器、所述下遊孔隙壓傳感器通過數據採集卡傳送數據至所述數據採集及處理系統中。實現電腦對數據全過程的實時監測與控制，配合相關軟體自動計算出實驗結果，省時省力，避免了人為誤差。
本實用新型具有如下優點：
(1)能很好地測量超低滲巖石滲透率；
(2)能提供三軸應力的試驗狀態，能真實地模擬好巖體的三軸應力狀態；
(3)測試室內測試試樣由橡膠套嚴密包裹，其中試樣上下部各放置一塊透水墊板，透水墊板與試樣大小相同，且橡膠套通過兩個卡箍將試樣以及兩塊透水墊板嚴格密封在上孔隙壓頭和圍壓室底座之間；保證測試室的密封性；使圍壓室與實驗室嚴格隔離，防止在施加滲透壓過程中由於密封不到位對測量結果產生影響；
(4)實現電腦對數據全過程的實時監測與控制，配合相關軟體自動計算出實驗結果，省時省力，避免了人為誤差；採用信號處理技術對數據進行處理，測量精度高；
(5)操作簡單、原理先進成熟。
附圖說明
圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為本實用新型實施三軸應力狀態下測量超低滲巖石滲透率孔隙壓波形相關圖。
圖中1-圍壓室,2-圍壓室底座,3-圍壓室缸筒及軸壓室缸筒,31-軸壓室缸筒,32-圍壓室缸筒,4-軸壓室,5-軸向活塞,6-軸壓室頂蓋,7-上遊孔隙壓墊塊,8-透水墊板,81-上透水墊板,82-下透水墊板，9-試樣,10-卡箍,11-橡膠套,13-圍壓傳感器,14-圍壓閉環伺服計量泵,16-軸壓傳感器,17-軸壓閉環伺服計量泵,19-上遊孔隙壓傳感器,20-滲透壓閉環伺服計量泵,22-下遊孔隙壓傳感器,23-數據採集及處理系統,24-三軸壓力系統,25-測試室,Ⅰ-上孔隙壓力波,Ⅱ-下孔隙壓力波。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本實用新型的實施情況，但它們並不構成對本實用新型的限定，僅作舉例而已。同時通過說明使本實用新型的優點更加清楚和容易理解。
參閱附圖可知：三軸應力作用下超低滲巖石滲透率測量裝置，包括數據採集及處理系統23，其特徵在於：還包括三軸壓力系統24；所述三軸壓力系統24包括圍壓室1、軸壓室4、測試室25、圍壓閉環伺服計量泵14、軸壓閉環伺服計量泵17和滲透壓閉環伺服計量泵20；缸筒3包括軸壓室缸筒31和圍壓室缸筒32；所述軸壓室缸筒31連接於所述圍壓室缸筒32上端，且與所述圍壓室缸筒32通過螺栓固定密封、連接成一個整體；
所述圍壓室1包括圍壓室底座2、所述圍壓室缸筒32；所述軸壓室4包括軸向活塞5、所述軸壓室缸筒31、軸壓室頂蓋6；
所述軸向活塞5位於所述軸壓室4內，所述軸壓室缸筒31上端設置有所述軸壓室頂蓋6，所述圍壓室缸筒32下端設置有所述圍壓室底座2；
所述測試室25位於所述圍壓室缸筒32內，有上遊孔隙壓墊塊7位於所述測試室25和所述軸向活塞5之間，
有試樣9設置於所述測試室25內，有透水墊板8設置於所述試樣9上下兩端，所述試樣9、所述透水墊板8被橡膠套11嚴密包裹；有二個卡箍10分別設置於所述橡膠套11的上下兩端；
所述數據採集及處理系統23設置於所述三軸壓力系統24外側，且分別通過所述圍壓閉環伺服計量泵14、所述軸壓閉環伺服計量泵17和所述滲透壓閉環伺服計量泵20連接於所述三軸壓力系統24上。
所述圍壓閉環伺服計量泵14、所述軸壓閉環伺服計量泵17、所述滲透壓閉環伺服計量泵20的結構相同，且均包括泵體、泵活塞、壓力傳感器、伺服控制模塊和伺服電機；所述圍壓閉環伺服計量泵14的所述壓力傳感器為圍壓傳感器13、所述軸壓閉環伺服計量泵17的所述壓力傳感器為軸壓傳感器16、所述滲透壓閉環伺服計量泵20的所述壓力傳感器為上遊孔隙壓傳感器19、下遊孔隙壓傳感器22。
所述圍壓傳感器13的兩端分別連接所述圍壓閉環伺服計量泵中的伺服控制模塊和通往所述圍壓室1下端的管路、所述軸壓傳感器16的兩端分別連接所述軸壓閉環伺服計量泵中的伺服控制模塊和通往所述軸壓室4上端的管路、所述上遊孔隙壓傳感器19的兩端分別連接所述伺服控制模塊和通往所述測試室25上端的管路、所述下遊孔隙壓傳感器22與所述圍壓室底座2上連接所述測試室25底部的通道連接；所述伺服控制模塊與所述伺服電機連接，所述伺服電機與所述泵活塞連接，所述泵活塞位於所述泵體內。
所述透水墊板8包括上透水墊板81、下透水墊板82，所述上透水墊板81設置於所述試樣9上端，所述下透水墊板82設置於所述試樣9下端；所述圍壓傳感器13、所述軸壓傳感器16、所述上遊孔隙壓傳感器19、所述下遊孔隙壓傳感器22通過數據採集卡傳送數據至所述數據採集及處理系統23中。
圖2中Ⅰ為上孔隙壓力波，由滲透壓伺服泵通過滲透管路給巖石試樣施加振幅及頻率已知的正弦滲透壓力波，其振幅及頻率的控制由三軸壓力系統24中伺服泵的伺服控制模塊進行控制，其振幅及頻率的測量由上滲透壓傳感器19測得，最終形成上滲透壓的滲透壓-時間圖像；由於巖石試樣滲透率的影響，上遊正弦滲透壓力波在通過巖石試樣內部時，其振幅會發生衰減，相位也會發生滯後效應，也就是圖中的下遊孔隙壓力波Ⅱ；同樣的，下孔隙壓的測量由下滲透壓傳感器22測得，最終形成下滲透壓的滲透壓-時間圖像；這樣就可以直觀的得到上、下孔隙壓振幅的幅值比α以及相位延遲θ，通過滲透率與上、下孔隙壓振幅的幅值比α以及相位延遲θ的關係，最終計算出巖石試樣的滲透率。
本實用新型三軸應力作用下超低滲巖石滲透率測量裝置的工作過程如下：選取超低滲巖石，並加工成標準的圓柱體實驗構件，得到試樣9；用橡膠套11將試樣9上下兩端的透水墊板8、試樣9包裹於上遊孔隙壓墊塊7與圍壓室底座2之間，並用兩個卡箍10箍緊橡膠套11上下兩端；通過圍壓閉環伺服計量泵14、軸壓閉環伺服計量泵17給試樣9施加圍壓以及軸壓至特定值，同時通過滲透壓閉環伺服計量泵20給試樣9施加滲透壓，使得試樣9飽和；待試樣9滲透壓加壓飽和後，通過滲透壓閉環伺服計量泵20給試樣9施加振幅、頻率已知正弦壓力波，同時通過下遊孔隙壓傳感器22記錄下遊孔隙壓力波Ⅱ的情況，並將數據實時傳輸到數據測量及採集系統23；改變圍壓、軸壓大小，將波形互相關方法用於滲透率的測量，對不同圍壓、軸壓情況下的試樣9進行滲透率分析，得出不同圍壓、軸壓條件下的滲透率。
其它未說明的部分均屬於現有技術。