本發(fā)明涉及一種巖石力學(xué)實驗裝置及方法，特別涉及一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著非常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用，頁巖氣和煤層氣的開采備受關(guān)注。然而，由于受到沉積環(huán)境的影響，頁巖和煤巖具有明顯的沉積層理，與均質(zhì)巖石相比，其滲透率和彈性模量表現(xiàn)出明顯的各向異性，使得頁巖和煤巖儲層的壓裂施工及效果評價更加復(fù)雜。因此，準(zhǔn)確的測量各向異性巖石的滲透率和彈性模量具有重要的工程意義。

目前，巖石滲透率和彈性模量的測量主要針對均質(zhì)巖石，不能較好的體現(xiàn)巖石的各向異性，如申請?zhí)枮?01310745508.X的發(fā)明專利和申請?zhí)枮?01110368838.2的發(fā)明專利，只能得到巖石的滲透率，而不能得到三軸壓縮過程中巖石滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)；申請?zhí)枮?01310733764.7的發(fā)明專利，只能得到非飽和土的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，不能得到各向異性巖石不同方向的滲透率和彈性模量數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置及方法，在不同壓力和溫度條件下，對各向異性巖石進(jìn)行三軸壓縮實驗，獲得三軸壓縮過程中巖心試樣的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)；通過橡膠套結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)三個方向上立方體巖心的放置，得到同一塊各向異性巖石不同方向的滲透率和彈性模量數(shù)據(jù)。

本發(fā)明提到的一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置，包括三軸應(yīng)力釜（1）、底座（16）、活塞桿（9）、橡膠套（14）、應(yīng)變片（15）、電磁加熱圈（3）、滲透率測量儀（18）和氣瓶（20），所述活塞桿（9）安裝在三軸應(yīng)力釜（1）上端，可用于給巖心（13）施加壓力；所述底座（16）安裝在三軸應(yīng)力釜（1）下端，所述巖心（13）放置在橡膠套（14）內(nèi)，并一起放置在活塞桿（9）和底座（14）之間，用熱塑管（4）密封；所述液體孔（6）安置在三軸壓力釜（1）側(cè)壁下部，用于向釜腔（2）內(nèi)部注入、排放液體，實現(xiàn)對巖心（13）加卸載圍壓；所述氣體孔（12）安裝在三軸應(yīng)力釜（1）側(cè)壁上部，實現(xiàn)釜腔（2）內(nèi)部的換氣；所述電磁加熱圈（3）安裝在三軸應(yīng)力釜（1）外壁，用于給釜腔（2）加溫；所述進(jìn)氣通道（10）設(shè)置在活塞桿（9）內(nèi)部，通過輸氣軟管（11）與滲透率測量儀（18）連接，并通過氣槽Ⅱ（26）實現(xiàn)巖心（13）上端氣體的供給；所述排氣通道（17）設(shè)置在底座（16）內(nèi)部，與大氣連通，并通過氣槽Ⅰ（25），實現(xiàn)巖心（13）下端氣體的排放；所述氣瓶（20），經(jīng)過減壓閥（19）與滲透率測量儀（18）連接，實現(xiàn)氣體的供給；所述應(yīng)變片（15）粘貼在巖心（13）相鄰端面的四個不同方位，通過數(shù)據(jù)線（21）、線槽（24）與計算機（22）連接，實現(xiàn)巖心（13）應(yīng)變數(shù)據(jù)的讀取。

上述的橡膠管（14）為圓筒形結(jié)構(gòu)，中心設(shè)有方形結(jié)構(gòu)的空腔，空腔內(nèi)可以放置立方體形狀的巖心（13），實現(xiàn)各向異性巖心滲透率和彈性模量的測量。

上述的氣槽Ⅱ（26）和氣槽Ⅰ（25）為正方形結(jié)構(gòu)的環(huán)形槽，可以實現(xiàn)巖心（13）三軸壓縮過程中，滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的同步測量。

上述的活塞桿（9）與三軸應(yīng)力釜（1）之間用密封圈Ⅱ（8）密封。

上述的底座（16）與三軸應(yīng)力釜（1）之間用密封圈Ⅰ（7）密封。

上述的數(shù)據(jù)線（21）用密封塞（5）密封。

本發(fā)明提到的一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置的使用方法，包括以下步驟：

（1）、制備立方體結(jié)構(gòu)的巖心試樣，放置在橡膠套結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并一起放置在活塞桿和底座之間，用熱塑管密封，用于向釜腔內(nèi)部注入、排放液體，實現(xiàn)對巖心加卸載圍壓；

（2）、測量裝置進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的彈性階段壓縮實驗，得同一塊各向異性巖石不同方向的滲透率和彈性模量數(shù)據(jù)；

（3）、所述測量裝置進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的三軸壓縮實驗，獲得三軸壓縮過程中巖心試樣的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)。

本發(fā)明提到的一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置的使用方法，包括具體步驟如下：

（1）選取各向異性巖石加工成立方體形狀的巖心試樣，在試樣相鄰端面的四個不同方向粘貼應(yīng)變片，并按照某一方向放置在所述橡膠套內(nèi)部；

（2）將放有巖心試樣的橡膠套放置在所述活塞桿和底座之間，并用熱塑管進(jìn)行密封固定；

（3）向所述釜腔內(nèi)注入液體，對巖石試樣施加圍壓，達(dá)到預(yù)設(shè)值后，關(guān)閉液體孔和氣體孔，然后通過電磁加熱圈對釜腔加溫；

（4）利用活塞桿對巖心試樣施加軸向載荷，進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的彈性階段壓縮實驗，在巖心未破壞的條件下，得到巖心試樣該方向上的巖心頂端和底端氣體壓力和氣體流量，以及應(yīng)力-應(yīng)變值；

（5）將上述巖心頂端和底端氣體壓力和氣體流量代入巖石氣測滲透率計算公式，得到該方向上巖石試樣的滲透率：

（1）

式中，為巖石試樣的滲透率，μm²=D；為大氣壓力，MPa；為巖心頂端端的絕對壓力，MPa；為巖心底端的絕對壓力，MPa；為氣體流量氮氣流量，cm³/s；為氣體粘度，mPa.s；為巖心的橫截面積，cm²；為巖心的長度，cm；

（6）將上述應(yīng)力-應(yīng)變值代入巖石彈性模量計算公式，得到該方向上巖心試樣的彈性模量：

（2）

式中，為巖心的彈性模量，GPa；為巖心彈性變形階段的應(yīng)力差值，MPa；為應(yīng)變差對應(yīng)的應(yīng)變差值，%；

（7）通過改變巖心試樣在所述橡膠套結(jié)構(gòu)內(nèi)部的放置方向，重復(fù)上述步驟（2）到（6），得到同一塊各向異性巖石三個不同方向的滲透率和彈性模量；

（8）所述測量裝置進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的完整的三軸壓縮實驗，獲得三軸壓縮過程中巖心試樣的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的有益效果是：（1）本發(fā)明所述測量裝置結(jié)構(gòu)合理、操作簡單，可以測量不同三軸應(yīng)力和溫度條件下各向異性巖石的滲透率和彈性模量，更好的模擬原始地應(yīng)力狀態(tài)；（2）本發(fā)明所述測量裝置可獲得三軸壓縮過程中巖心試樣的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)；（3）本發(fā)明所述測量裝置可得到同一塊各向異性巖石三個方向上的滲透率和彈性模量，其測量方法可靠，可以更好的反應(yīng)巖石的各向異性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的橡膠套結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖3為本發(fā)明的橡膠套結(jié)構(gòu)立體圖；

圖4為本發(fā)明的各向異性巖石的巖心試樣立體圖；

圖5為本發(fā)明的底座頂端結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的活塞桿底端結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1、三軸壓力釜，2、釜腔，3、電磁加熱圈，4、熱塑管，5、密封塞，6、液體孔，7、密封圈Ⅰ，8、密封圈Ⅱ，9、活塞桿，10、進(jìn)氣通道，11、輸氣軟管，12、氣體孔，13、巖心試樣，14、橡膠套，15、應(yīng)變片，16、底座，17、排氣通道，18、滲透率測量儀，19、減壓閥，20、氣瓶，21、數(shù)據(jù)線，22、計算機，23、螺孔，24、線槽，25、氣槽Ⅰ，26、氣槽Ⅱ。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明的一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置，包括：三軸壓力釜1、底座16、活塞桿9、橡膠套14、應(yīng)變片15、電磁加熱圈3、滲透率測量儀18、氣瓶20。

所述活塞桿9安裝在三軸應(yīng)力釜1上端，用密封圈Ⅱ8密封，可用于給巖心13施加壓力；所述底座16安裝在三軸應(yīng)力釜1下端，用密封圈Ⅰ7密封，并通過螺孔23固定；所述巖心13放置在橡膠套14內(nèi)，并一起放置在活塞桿9和底座14之間，用熱塑管4密封；所述液體孔6安置在三軸壓力釜1側(cè)壁下部，用于向釜腔2內(nèi)部注入、排放液體，實現(xiàn)對巖心13加卸載圍壓；所述氣體孔12安裝在三軸應(yīng)力釜1側(cè)壁上部，實現(xiàn)釜腔2內(nèi)部的換氣；所述電磁加熱圈3安裝在三軸應(yīng)力釜1外壁，用于給釜腔2加溫；所述進(jìn)氣通道10，設(shè)置在活塞桿9內(nèi)部，通過輸氣軟管11與滲透率測量儀18連接，并通過氣槽Ⅱ26，實現(xiàn)巖心13上端氣體的供給；所述排氣通道17，設(shè)置在底座16內(nèi)部，與大氣連通，并通過氣槽Ⅰ25，實現(xiàn)巖心13下端氣體的排放；所述氣瓶20，經(jīng)過減壓閥19與滲透率測量儀18連接，實現(xiàn)氣體的供給；所述應(yīng)變片15粘貼在巖心13相鄰端面的四個不同方位，其數(shù)據(jù)線21用密封塞5密封，通過線槽24與計算機22連接，實現(xiàn)巖心13應(yīng)變數(shù)據(jù)的讀取。

如圖2、3、4所示，本發(fā)明的橡膠套結(jié)構(gòu)和立方體巖心，實現(xiàn)三個方向上立方體巖心的放置。

如圖5所示，本發(fā)明的底座裝置，包括：底座16、排氣通道17、螺孔23、線槽24、氣槽25。

所述螺孔23將底座16固定在三軸壓力釜1底端；所述排氣通道17，設(shè)置在底座16內(nèi)部，與大氣連通，并通過氣槽Ⅰ25，實現(xiàn)巖心13下端氣體的排放；所述數(shù)據(jù)線21用密封塞5密封，通過線槽24與計算機22連接。

如圖6所示，本發(fā)明的活塞桿裝置，包括：活塞桿9、進(jìn)氣通道10、氣槽26。

所述活塞桿9安裝在三軸應(yīng)力釜1上端，用密封圈Ⅱ8密封，可用于給巖心13施加壓力；所述進(jìn)氣通道10，設(shè)置在活塞桿9內(nèi)部，通過輸氣軟管11與滲透率測量儀18連接，并通過氣槽Ⅱ26，實現(xiàn)巖心13上端氣體的供給。

本發(fā)明提到的一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置的使用方法，包括以下步驟：

（1）選取各向異性巖石加工成30mm的立方體巖心試樣，按照某一方向放置在所述橡膠套結(jié)構(gòu)內(nèi)部；

（2）所述測量裝置進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的彈性階段壓縮實驗，在巖心未破壞的條件下，得到巖心試樣該方向的滲透率和彈性模量數(shù)據(jù)；

（3）通過改變巖心試樣在所述橡膠套結(jié)構(gòu)內(nèi)部的放置方向，重復(fù)上述步驟（2），得到同一塊各向異性巖石三個不同方向的滲透率和彈性模量數(shù)據(jù)；

（4）所述測量裝置進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的三軸壓縮實驗，獲得三軸壓縮過程中巖心試樣的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)。

本發(fā)明提到的一種各向異性巖石滲透率和彈性模量的測量裝置的使用方法，包括以下具體步驟：

（1）選取各向異性巖石加工成立方體形狀的巖心試樣，在試樣相鄰端面的四個不同方向粘貼應(yīng)變片，并按照某一方向放置在所述橡膠套內(nèi)部；

（2）將放有巖心試樣的橡膠套放置在所述活塞桿和底座之間，并用熱塑管進(jìn)行密封固定；

（3）向所述釜腔內(nèi)注入液體，對巖石試樣施加圍壓，達(dá)到預(yù)設(shè)值后，關(guān)閉液體孔和氣體孔，然后通過電磁加熱圈對釜腔加溫；

（4）利用活塞桿對巖心試樣施加軸向載荷，進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的彈性階段壓縮實驗，在巖心未破壞的條件下，得到巖心試樣該方向上的巖心頂端和底端氣體壓力和氣體流量，以及應(yīng)力-應(yīng)變值；

（5）將上述巖心頂端和底端氣體壓力和氣體流量代入巖石氣測滲透率計算公式，得到該方向上巖石試樣的滲透率：

（1）

式中，為巖石試樣的滲透率，μm²=D；為大氣壓力，MPa；為巖心頂端端的絕對壓力，MPa；為巖心底端的絕對壓力，MPa；為氣體流量氮氣流量，cm³/s；為氣體粘度，mPa.s；為巖心的橫截面積，cm²；為巖心的長度，cm；

（6）將上述應(yīng)力-應(yīng)變值代入巖石彈性模量計算公式，得到該方向上巖心試樣的彈性模量：

（2）

式中，為巖心的彈性模量，GPa；為巖心彈性變形階段的應(yīng)力差值，MPa；為應(yīng)變差對應(yīng)的應(yīng)變差值，%；

（7）通過改變巖心試樣在所述橡膠套結(jié)構(gòu)內(nèi)部的放置方向，重復(fù)上述步驟（2）到（6），得到同一塊各向異性巖石三個不同方向的滲透率和彈性模量；

（8）所述測量裝置進(jìn)行不同壓力和溫度條件下的完整的三軸壓縮實驗，獲得三軸壓縮過程中巖心試樣的滲透率和應(yīng)力-應(yīng)變的同步數(shù)據(jù)。

以上所述，僅是本發(fā)明的部分較佳實施例，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員均可能利用上述闡述的技術(shù)方案加以修改或?qū)⑵湫薷臑榈韧募夹g(shù)方案。因此，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所進(jìn)行的任何簡單修改或等同置換，盡屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。