CN107462508A - 一种多场耦合渗流多功能实验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场耦合渗流多功能实验装置，它包括装置本体、应力场控制***、温度场控制***、流体加载控制***和流体渗流测量***，它还公开了利用温度场、应力场、孔隙压力场、渗流场多场耦合状态下进行对致密气、页岩气、致密油、页岩油、天然气水合物和地热的渗流实验。本发明的有益效果是：不仅满足了致密气、页岩气、致密油、页岩油对温度压力的需要，更重要的是，在满足天然气水合物流动测试对低温需要的同时，还能满足地热开采对高温的需求；模拟真实地层环境，能够通过同一台设备分别完成对致密气、页岩气、致密油、页岩油，天然气水合物、干热岩等非常规能源的开采渗流实验。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气工程领域，特别是一种多场耦合渗流多功能实验装置及测试方法。
背景技术
近年来，随着石油工业的深入发展，致密气、页岩气、致密油、页岩油，天然气水合物、地热等非常规能源的开采越来越受到人们的重视，逐渐成为我国能源开发热点。上述非常规能源涉及的流体类型差异大、储存介质类型差异大、温度范围差异大、且均处于地层围压及上覆压力形成的应力场环境，给相关渗流实验装置设计及测试方法带来了巨大的挑战。
重庆大学许江等人的专利 《多功能真三轴流固耦合试验***》 （申请号：201210231738.X）完成了对流固耦合实验***的研制，但该发明专利缺少温度加载及控制***，无法模拟真实地层环境下的渗流实验，实验对象仅限于煤层气，无法测试真实地层条件下页岩气、致密气、页岩油、致密油、天然气水合物、干热岩的渗流。
太原理工大学梁卫国等人的专利《一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流实验装置》（申请号：201510080598.4）完成了在高温岩石的应力应变情况下煤岩渗流实验装置，但该实验装置缺少低温加载及控制***，缺乏液体加载及渗流***，致使该实验装置无法完成天然气水合物、页岩油、致密油渗流实验。
东北大学冯夏庭、陈天宇等在专利《含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置及方法》（申请号：201310172572.3）中完成了高温驱替装置的设计，该实验装置同样因为缺少低温加载及控制***，缺少液体加载及渗流***，致使该实验装置无法完成天然气水合物、页岩油、致密油渗流实验。
西南石油大学潘毅等在专利《一种超临界CO2与页岩中CH4竞争吸附测试装置及其测试方法》（申请号：2015109996370）中，完成了竞争吸附测试装置的设计，但该装置缺少轴压加载***，并且无法监测和测量岩样径向和轴向在应力的作用下的尺寸的变化，因此无法完成应力场作用下的页岩气、致密气、页岩油、致密油、天然气水合物、干热岩渗流实验。
针对致密气、页岩气、致密油、页岩油，天然气水合物、地热的多场耦合渗流测试，上述发明存在以下问题：（1）采用人造岩心，无法真实模拟地层岩样内部情况；（2）实验功能单一，针对页岩气，或者页岩油，或者天然气水合物，或者地热资源，每个实验对象需要一套专门的装置进行实验，测试成本高、测试周期长，设备占用空间大；（3）缺少一种在模拟三维应力条件下探究地下储层物性变化情况的装置；（3）无法满足天然气水合物及地热渗流实验对低、高温的需要。
总而言之，现有的多场耦合渗流实验设备功能相对单一，只能完成单一流体的多场耦合渗流实验，要么是煤层气多场耦合渗流、要么是页岩气多场耦合渗流、要么是致密气多场耦合渗流，无法利用同一套设备分别开展页岩气、致密气、页岩气、致密油、页岩油，天然气水合物、地热的多场耦合渗流实验。
然而，真实地层环境中的页岩气、致密气、页岩油、致密油、天然气水合物、干热岩的渗流，发生在温度场、应力场、孔隙压力场及气、液渗流场四场的耦合作用环境中，因此，研制的设备首先要能建立起上述四场的耦合作用环境；若要适应页岩气、致密气、页岩油、致密油、天然气水合物、干热岩的渗流测试，还要建立高、低温控制及测量***，气体、液体加载及测量***，以及能密封高压气体的实验腔。现有设备因为没有集齐上述部件而难以同时实现对气体、液体、高热流体和低温流体渗流测试，也就无法在同一装置中开展页岩气、致密气、页岩油、致密油、天然气水合物、干热岩的渗流测试。
致密油、页岩油的埋藏深度为2千米到3千米，埋藏温度范围达到60摄氏度到90摄氏度；致密气、页岩气的埋藏深度达到2千米到4千米，埋藏温度范围在60摄氏度到120摄氏度；天然气水合物的埋藏深度在100米以内，埋藏温度在零下10摄氏度左右；干热岩的埋藏深度在3千米到6千米，其温度范围为90摄氏度到170摄氏度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够在温度场、应力场、孔隙压力场、渗流场多场耦合状态下进行对致密气、页岩气、致密油、页岩油、天然气水合物、地热非常规能源的渗流开采实验的多场耦合渗流多功能实验装置及测试方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多场耦合渗流多功能实验装置，它包括装置本体、应力场控制***、温度场控制***、流体加载控制***和流体渗流测量***；
所述装置本体内设置有实验腔，实验腔内设置有承载台、岩样、压头、金属垫圈、热缩管和冷浴槽，承载台设置于实验腔内，岩样的上下端均设置有温度传感器，岩样上设置有轴向引伸计和径向引伸计，岩样放置于承载台顶部且套装于热缩管内，热缩管设置于冷浴槽内，压头向下伸入于实验腔内，压头的底部顺次连接有橡胶圈和金属垫圈，金属垫圈与岩样顶表面接触，金属垫圈上设置有上管道，上管道的端口与岩样的上表面接触，上管道上连接有位于实验腔内的阀门Vm，装置本体的下部连接有下管道，下管道上连接有位于实验腔内的阀门Vx，所述实验腔内壁上设置有电阻丝；
所述应力场控制***包括围压液压泵和轴压液压泵，围压液压泵的出液口处顺次连接有阀门Vj和压力表A，压力表A的另一端与实验腔连通，轴压液压泵的出液口处连接有阀门Vk和压力表B，压力表B的另一端与压头内的液压流道连通；
所述温度场控制***包括空调油制冷机、加热炉和温度计A，空调油制冷机的冷却介质出口端连接有阀门Vi，阀门Vi的另一端与冷浴槽连通，加热炉与电阻丝连接，温度计A与温度传感器连接；
所述流体加载控制***包括平流泵、第一中间容器、第二中间容器、第三中间容器和第四中间容器，平流泵的出口端与中间容器之间连接有阀门Va，第一中间容器、第二中间容器、第三中间容器和第四中间容器的出口端分别连接有阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd和阀门Ve，所述阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd和阀门Ve的另一端与阀门Vx之间连接有压力表C，压力表C与阀门Vx之间的节点处顺次连接有阀门Vn和真空泵；
所述流体渗流测量***包括与阀门Vm连接的回压阀，回压阀与阀门Vm连接，阀门Vm的另一端连接有两个支路，其中一个支路由顺次连接的阀门Vf、气量计和气相色谱仪组成，另一个支路由顺次连接的阀门Vg、气液分离器、液体计量器和液相色谱仪，气量计与阀门Vf之间的节点处与气液分离器之间连接有阀门Vh，回压阀的入口端与阀门Vn的出口端连接有阀门Vy；
它还包括控制台，控制台与轴向引伸计、径向引伸计、空调油制冷机和加热炉连接。
所述的装置本体包括底座、壳体和顶盖，壳体的上下端分别固设有顶盖和底座。
所述的回压阀上还连接有回压泵。
所述的回压阀的出口处连接有温度计B。
5. 根据权利要求1~4中任意一项所述的一种多场耦合渗流多功能实验装置的测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、多场耦合作用下二氧化碳置换致密气或页岩气的测试，它包括以下测试步骤：
S1（1）、准备待测致密砂岩或页岩岩样；将致密气或页岩气复配于第一中间容器内，将二氧化碳复配于第二中间容器内，并检查装置各项部件及其连接关系，并使之调整到初始工作状态；
S1（2）、将热缩管套在待测岩样上；在岩样上下端安装温度传感器；在岩样上安装轴向引伸计和径向引伸计；将岩样放置于承载台顶部；在岩样顶部顺次安放金属垫圈和橡胶圈，随后将橡胶圈与压头连接，并关闭实验腔；
S1（3）、关闭阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd、阀门Ve、阀门Vm和阀门Vy，打开阀门Vn和阀门Vx，打开真空泵和加热炉，真空泵对实验腔抽真空，进一步的对岩样进行抽真空，而加热炉使电阻丝对实验腔加热，进一步的对岩样加热，当压力表C上读数稳定且温度计A上读数稳定时，即形成了温度场；
S1（4）、关闭真空泵及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vb和平流泵，平流泵将第一中间容器内的致密气或页岩气依次经阀门Vb、阀门Vx泵入实验腔内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满气体，即形成了孔隙压力场和渗流场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵向实验腔内通入液压油，液压油给热缩管施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵将液压油泵入压头的液压流道内，使压头给岩样施加轴向力，直至压力表A、压力表B、压力表C上数值达到实验设定的压力值，关闭液压泵，即形成应力场；
S1（5）、观测温度计A的度数，当温度计A数值稳定在实验设定数值后，再进行下一步骤；
S1（6）、关闭阀门Vb，打开阀门Vc，平流泵加压，平流泵将第二中间容器内的二氧化碳依次经阀门Vc、阀门Vx泵入实验腔内，随后关闭阀门Vc和阀门Vx，静置一段时间；
S1（7）、待实验腔中气体充分混合后，关闭阀门Vg和阀门Vh，打开阀门Vf、阀门Vm和阀门Vy，实验腔中混合气体按设定出口压力经阀门Vm流出，随后从回压阀喷出，气量计计量气体体积，随后气相色谱仪检测排出气体组分；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台；
S1（8）、实验结束，回收致密砂岩或岩样，将未用完的高纯度实验用二氧化碳、致密气或页岩气密封库存，将装置恢复到停机状态；
S2、多场耦合作用下二氧化碳驱替致密油或页岩油的测试，它包括以下步骤：
S2（1）、利用致密砂岩或页岩作为岩样；将二氧化碳复配于第四中间容器内，将致密油或页岩油复配于第三中间容器内，并检查装置各项部件及其连接关系，并使之调整到初始工作状态；
S2（2）、重复步骤S1（2）~S1（3），随后关闭真空泵及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vd和平流泵，平流泵将第三中间容器内的原油依次经阀门Vd、阀门Vx泵入实验腔内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满有致密油或页岩油，即形成了孔隙压力场和渗流场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵向实验腔内通入液压油，液压油给热缩管施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵将液压油泵入压头的液压流道内，使压头给岩样施加轴向力，直至压力表A、压力表B、压力表C上数值达到实验设定的压力值，关闭液压泵，即形成了应力场；
S2（3）、重复步骤S1（5），随后关闭阀门Vd和阀门Vf，打开阀门Ve、阀门Vg、阀门Vh、阀门Vm，平流泵加压，平流泵将第四中间容器内的二氧化碳依次经阀门Ve、阀门Vx泵入实验腔内；
S2（4）、实验腔中测试流体按设定出口压力依次由阀门Vm、回压阀流出，气液混合物通过气液分离器后，气体进入气量计内，通过气量计计量气体体积，气相色谱仪检测排出气体组分；液体通过液体计量器内，通过液体计量器计量液体体积，液相色谱仪检测液体组分；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台；
S2（5）、实验结束，回收致密砂岩或页岩，将未用完的高纯度实验用二氧化碳、致密油或页岩油密封库存，将装置恢复到停机状态；
S3、多场耦合作用下二氧化碳置换水合物开采效率的实验，它包括以下步骤：
S3（1）、准备待测水合物储层岩样；将甲烷装载于第一中间容器内，将蒸馏水装载于第三中间容器内，将二氧化碳装载于第四中间容器内，并检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；
S3（2）、重复步骤S1（2），随后关闭阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd、阀门Ve、阀门Vm和阀门Vy，打开阀门Vn、阀门Vi、阀门Vx、真空泵和空调油制冷机，真空泵对实验腔抽真空，进一步的对岩样进行抽真空，而空调油制冷机将冷却介质泵入冷浴槽中以对实验腔制冷，进一步的对岩样进行制冷；
S3（3）、当压力表C上显示数值达到稳定时，关闭真空泵及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vb和阀门Vd，平流泵将第一中间容器内的甲烷依次经阀门Vb、阀门Vx泵入实验腔内，同时平流泵将第三中间容器内的蒸馏水依次经阀门Vd、阀门Vx泵入实验腔内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满有甲烷和蒸馏水，通过空调油制冷机继续降温，形成稳定的低温温度场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵向实验腔内通入液压油，液压油给热缩管施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵将液压油泵入压头的液压流道内，使压头给岩样施加轴向力，直至压力表A、压力表B、压力表C上数值达到实验设定的压力值，维持该设定的压力值，形成稳定的应力场及孔隙压力场；
S3（4）、重复步骤S1（5），待实验腔内部形成稳定的天然气水合物后，关闭阀门Vb、阀门Vd，平流泵将第四中间容器内的二氧化碳依次经阀门Ve、阀门Vm泵入实验腔内，充入足够的二氧化碳后，关闭阀门Va，阀门Ve，阀门Vx，待实验腔静置一段时间；
S3（5）、关闭阀门Vf，打开阀门Ve、阀门Vg、阀门Vh和阀门Vm，设定回压阀压力，测试流体按设定出口压力依次由阀门Vm、回压阀流出，气液混合物通过气液分离器后，气体进入气量计内，通过气量计计量气体体积，气相色谱仪检测排出气体组分；液体通过液体计量器内，通过液体计量器计量液体体积，液相色谱仪检测液体组分；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台；
S3（6）、实验结束，回收水合物储层岩样，将未用完的实验用二氧化碳气、甲烷气体和蒸馏水密封库存，将装置恢复到停机状态；
S4、多场耦合状态下地热换热效率的实验，它包括以下步骤：
S4（1）、准备待测干热岩岩石样品；将地层水复配于第三中间容器内，检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；
S4（2）、重复步骤S1（2）~S1（3），即形成稳定的温度场；随后打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵给干热岩施加径向力，轴压液压泵给干热岩施加轴向压力，当压力表A、压力表B和压力表C上读数达到稳定值时，即形成了稳定的应力场；随后关闭真空泵及阀门Vn，打开阀门Va和阀门Vd，平流泵将第三中间容器内的地层水依次经阀门Vd、阀门Vx泵入干热岩内；
S4（3）、打开阀门Vm，关闭阀门Vf和阀门Vh，地层水从回压阀流出进入液体计量器，液体计量器计量蒸馏水的体积，温度计C（39）计量入口端的地层水的温度，温度计B计量流出的地层水的温度；
S4（4）、实验过程中，通过引伸计自动采集干热岩的轴向形变和径向形变；
S4（5）、当实验结束后，回收干热岩，将未用完的地层水密封库存，将装置恢复到停机状态。
本发明具有以下优点：（1）本发明建立形成了一套完整的实验装置，满足复杂的地层条件下，开展致密气、页岩气、致密油、页岩油、天然气水合物、地热渗流测试的需要。（2）本发明实现了大范围轴向压力和围压的加载测试，完成了广域的温度变化，不仅满足了致密气、页岩气、致密油、页岩油对温度压力的需要，更重要的是，在满足天然气水合物流动测试对低温需要的同时，还能满足地热开采对高温的需求。（3）本发明通过模拟真实地层环境，能够通过同一台设备分别完成对致密气、页岩气、致密油、页岩油，天然气水合物、干热岩等非常规能源的开采渗流实验。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为装置本体的结构示意图；
图3为岩样上安装有引伸计、温度传感器的结构示意图；
图中，1-实验腔，2-承载台，3-岩样，4-压头，5-金属垫圈，6-热缩管，7-冷浴槽，8-电阻丝，9-围压液压泵，10-轴压液压泵，11-压力表A，12-压力表B，13-空调油制冷机，14-加热炉，15-温度计A，16-平流泵，17-第一中间容器，18-第二中间容器，19-第三中间容器，20-第四中间容器，21-压力表C，22-真空泵，23-回压阀， 25-气量计，26-气相色谱仪，27-气液分离器，28-液体计量器，29-液相色谱仪，30-控制台，31-底座，32-壳体，33-顶盖，34-回压泵，35-温度计B，36-温度传感器，37-轴向引伸计，38-径向引伸计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~2所示，一种多场耦合渗流多功能实验装置，它包括装置本体、应力场控制***、温度场控制***、流体加载控制***和流体渗流测量***；
所述装置本体内设置有实验腔1，实验腔1内设置有承载台2、岩样3、压头4、金属垫圈5、热缩管6和冷浴槽7，承载台2设置于实验腔1内，岩样3的上下端均设置有温度传感器，岩样3上设置有轴向引伸计和径向引伸计，岩样3放置于承载台2顶部且套装于热缩管6内，热缩管6设置于冷浴槽7内，压头4向下伸入于实验腔1内，压头4的底部顺次连接有橡胶圈和金属垫圈5，金属垫圈5与岩样3顶表面接触，金属垫圈5上设置有上管道，上管道的端口与岩样3的上表面接触，上管道上连接有位于实验腔1内的阀门Vm，装置本体的下部连接有下管道，下管道上连接有位于实验腔1内的阀门Vx，所述实验腔1内壁上设置有电阻丝8；
所述应力场控制***包括围压液压泵9和轴压液压泵10，围压液压泵9的出液口处顺次连接有阀门Vj和压力表A11，压力表A11的另一端与实验腔1连通，轴压液压泵10的出液口处连接有阀门Vk和压力表B12，压力表B12的另一端与压头4内的液压流道连通；
所述温度场控制***包括空调油制冷机13、加热炉14和温度计A15，空调油制冷机13的冷却介质出口端连接有阀门Vi，阀门Vi的另一端与冷浴槽7连通，加热炉14与电阻丝8连接，温度计A15与温度传感器连接；
所述流体加载控制***包括平流泵16、第一中间容器17、第二中间容器18、第三中间容器19和第四中间容器20，平流泵16的出口端与中间容器之间连接有阀门Va，第一中间容器17、第二中间容器18、第三中间容器19和第四中间容器20的出口端分别连接有阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd和阀门Ve，所述阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd和阀门Ve的另一端与阀门Vx之间连接有压力表C21，压力表C21与阀门Vx之间的节点处顺次连接有阀门Vn和真空泵22；
所述流体渗流测量***包括与阀门Vm连接的回压阀23，回压阀23与阀门Vm连接，阀门Vm的另一端连接有两个支路，其中一个支路由顺次连接的阀门Vf、气量计25和气相色谱仪26组成，另一个支路由顺次连接的阀门Vg、气液分离器27、液体计量器28和液相色谱仪29，气量计25与阀门Vf之间的节点处与气液分离器27之间连接有阀门Vh，回压阀23的入口端与阀门Vn的出口端连接有阀门Vy；
它还包括控制台30，控制台30与轴向引伸计、径向引伸计、空调油制冷机13和加热炉14连接。
所述的装置本体包括底座31、壳体32和顶盖33，壳体32的上下端分别固设有顶盖33和底座31。所述的回压阀23上还连接有回压泵34。所述的回压阀23的出口处连接有温度计B35。所述的压力表C21和真空泵22之间连接有温度计C（39）。
所述的一种多场耦合渗流多功能实验装置的测试方法，它包括以下步骤：
S1、多场耦合作用下二氧化碳置换致密气或页岩气的测试，它包括以下测试步骤：
S1（1）、准备待测致密砂岩或页岩岩样；将致密气或页岩气复配于第一中间容器17内，将二氧化碳复配于第二中间容器18内，并检查装置各项部件及其连接关系，并使之调整到初始工作状态；
S1（2）、将热缩管6套在待测岩样上；在岩样上下端安装温度传感器；在岩样上安装轴向引伸计和径向引伸计；将岩样放置于承载台2顶部；在岩样顶部顺次安放金属垫圈5和橡胶圈，随后将橡胶圈与压头4连接，并关闭实验腔；
S1（3）、关闭阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd、阀门Ve、阀门Vm和阀门Vy，打开阀门Vn和阀门Vx，打开真空泵22和加热炉14，真空泵22对实验腔1抽真空，进一步的对岩样进行抽真空，而加热炉14使电阻丝8对实验腔1加热，进一步的对岩样加热，当压力表C21上读数稳定且温度计A15上读数稳定时，即形成了温度场；
S1（4）、关闭真空泵22及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vb和平流泵16，平流泵16将第一中间容器17内的致密气或页岩气依次经阀门Vb、阀门Vx泵入实验腔1内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满气体，即形成了孔隙压力场和渗流场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵9向实验腔1内通入液压油，液压油给热缩管6施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵10将液压油泵入压头4的液压流道内，使压头4给岩样施加轴向力，直至压力表A11、压力表B12、压力表C21上数值达到实验设定的压力值，关闭液压泵，即形成应力场；
S1（5）、观测温度计A15的度数，当温度计A15数值稳定在实验设定数值后，再进行下一步骤；
S1（6）、关闭阀门Vb，打开阀门Vc，平流泵16加压，平流泵16将第二中间容器18内的二氧化碳依次经阀门Vc、阀门Vx泵入实验腔1内，随后关闭阀门Vc和阀门Vx，静置一段时间；
S1（7）、待实验腔1中气体充分混合后，关闭阀门Vg和阀门Vh，打开阀门Vf、阀门Vm和阀门Vy，实验腔中混合气体按设定出口压力经阀门Vm流出，随后从回压阀23喷出，气量计25计量气体体积，随后气相色谱仪26检测排出气体组分，检测二氧化碳及甲烷气体质量分数，分析甲烷气体与二氧化碳之间的比例；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台30；
S1（8）、实验结束，回收致密砂岩或岩样，将未用完的高纯度实验用二氧化碳、致密气或页岩气密封库存，将装置恢复到停机状态；
S2、多场耦合作用下二氧化碳驱替致密油或页岩油的测试，它包括以下步骤：
S2（1）、利用致密砂岩或页岩作为岩样；将二氧化碳复配于第四中间容器20内，将致密油或页岩油复配于第三中间容器19内，并检查装置各项部件及其连接关系，并使之调整到初始工作状态；
S2（2）、重复步骤S1（2）~S1（3），随后关闭真空泵22及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vd和平流泵16，平流泵16将第三中间容器19内的原油依次经阀门Vd、阀门Vx泵入实验腔1内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满有致密油或页岩油，即形成了孔隙压力场和渗流场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵9向实验腔1内通入液压油，液压油给热缩管6施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵10将液压油泵入压头4的液压流道内，使压头4给岩样施加轴向力，直至压力表A11、压力表B12、压力表C21上数值达到实验设定的压力值，关闭液压泵，即形成了应力场；
S2（3）、重复步骤S1（5），随后关闭阀门Vd和阀门Vf，打开阀门Ve、阀门Vg、阀门Vh、阀门Vm，平流泵16加压，平流泵16将第四中间容器20内的二氧化碳依次经阀门Ve、阀门Vx泵入实验腔1内；
S2（4）、实验腔中测试流体按设定出口压力依次由阀门Vm、回压阀23流出，气液混合物通过气液分离器27后，气体进入气量计25内，通过气量计25计量气体体积，气相色谱仪26检测排出气体组分；液体通过液体计量器28内，通过液体计量器28计量液体体积，液相色谱仪29检测液体组分，检测包括碳、氮、硫等非烃组分以及C1至C20+的烷烃、环烷烃、芳香烃组分及质量分数；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台30；
S2（5）、实验结束，回收致密砂岩或页岩，将未用完的高纯度实验用二氧化碳、致密油或页岩油密封库存，将装置恢复到停机状态；
S3、多场耦合作用下二氧化碳置换水合物开采效率的实验，它包括以下步骤：
S3（1）、准备待测水合物储层岩样；将甲烷装载于第一中间容器17内，将蒸馏水装载于第三中间容器19内，将二氧化碳装载于第四中间容器20内，并检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；
S3（2）、重复步骤S1（2），随后关闭阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd、阀门Ve、阀门Vm和阀门Vy，打开阀门Vn、阀门Vi、阀门Vx、真空泵22和空调油制冷机13，真空泵22对实验腔1抽真空，进一步的对岩样进行抽真空，而空调油制冷机13将冷却介质泵入冷浴槽7中以对实验腔1制冷，进一步的对岩样进行制冷；
S3（3）、当压力表C21上显示数值达到稳定时，关闭真空泵22及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vb和阀门Vd，平流泵16将第一中间容器17内的甲烷依次经阀门Vb、阀门Vx泵入实验腔1内，同时平流泵16将第三中间容器19内的蒸馏水依次经阀门Vd、阀门Vx泵入实验腔1内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满有甲烷和蒸馏水，通过空调油制冷机继续降温，形成稳定的低温温度场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵9向实验腔1内通入液压油，液压油给热缩管6施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵10将液压油泵入压头4的液压流道内，使压头4给岩样施加轴向力，直至压力表A11、压力表B12、压力表C21上数值达到实验设定的压力值，维持该设定的压力值，形成稳定的应力场及孔隙压力场；
S3（4）、重复步骤S1（5），待实验腔内部形成稳定的天然气水合物后，关闭阀门Vb、阀门Vd，平流泵16将第四中间容器20内的二氧化碳依次经阀门Ve、阀门Vm泵入实验腔1内，充入足够的二氧化碳后，关闭阀门Va，阀门Ve，阀门Vx，待实验腔静置一段时间；
S3（5）、关闭阀门Vf，打开阀门Ve、阀门Vg、阀门Vh和阀门Vm，设定回压阀23压力，测试流体按设定出口压力依次由阀门Vm、回压阀23流出，气液混合物通过气液分离器27后，气体进入气量计25内，通过气量计25计量气体体积，气相色谱仪26检测排出气体组分；液体通过液体计量器28内，通过液体计量器28计量液体体积，液相色谱仪29检测液体组分，检测包括碳、氮、硫等非烃组分以及C1至C20+的烷烃、环烷烃、芳香烃组分及质量分数；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台30；
S3（6）、实验结束，回收水合物储层岩样，将未用完的实验用二氧化碳气、甲烷气体和蒸馏水密封库存，将装置恢复到停机状态；
S4、多场耦合状态下地热换热效率的实验，它包括以下步骤：
S4（1）、准备待测干热岩岩石样品；将地层水复配于第三中间容器19内，检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；
S4（2）、重复步骤S1（2）~S1（3），即形成稳定的温度场；随后打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵9给干热岩施加径向力，轴压液压泵10给干热岩施加轴向压力，当压力表A11、压力表B12和压力表C21上读数达到稳定值时，即形成了稳定的应力场；随后关闭真空泵22及阀门Vn，打开阀门Va和阀门Vd，平流泵16将第三中间容器19内的地层水依次经阀门Vd、阀门Vx泵入干热岩内；
S4（3）、打开阀门Vm，关闭阀门Vf和阀门Vh，地层水从回压阀23流出进入液体计量器，液体计量器28计量蒸馏水的体积，温度计C39计量入口端的地层水的温度，温度计B35计量流出的地层水的温度；
S4（4）、实验过程中，通过引伸计自动采集干热岩的轴向形变和径向形变；
S4（5）、当实验结束后，回收干热岩，将未用完的地层水密封库存，将装置恢复到停机状态。
Claims (5)
1.一种多场耦合渗流多功能实验装置，其特征在于：它包括装置本体、应力场控制***、温度场控制***、流体加载控制***和流体渗流测量***；
所述装置本体内设置有实验腔（1），实验腔（1）内设置有承载台（2）、岩样（3）、压头（4）、金属垫圈（5）、热缩管（6）和冷浴槽（7），承载台（2）设置于实验腔（1）内，岩样（3）的上下端均设置有温度传感器，岩样（3）上设置有轴向引伸计和径向引伸计，岩样（3）放置于承载台（2）顶部且套装于热缩管（6）内，热缩管（6）设置于冷浴槽（7）内，压头（4）向下伸入于实验腔（1）内，压头（4）的底部顺次连接有橡胶圈和金属垫圈（5），金属垫圈（5）与岩样（3）顶表面接触，金属垫圈（5）上设置有上管道，上管道的端口与岩样（3）的上表面接触，上管道上连接有位于实验腔（1）内的阀门Vm，装置本体的下部连接有下管道，下管道上连接有位于实验腔（1）内的阀门Vx，所述实验腔（1）内壁上设置有电阻丝（8）；
所述应力场控制***包括围压液压泵（9）和轴压液压泵（10），围压液压泵（9）的出液口处顺次连接有阀门Vj和压力表A（11），压力表A（11）的另一端与实验腔（1）连通，轴压液压泵（10）的出液口处连接有阀门Vk和压力表B（12），压力表B（12）的另一端与压头（4）内的液压流道连通；
所述温度场控制***包括空调油制冷机（13）、加热炉（14）和温度计A（15），空调油制冷机（13）的冷却介质出口端连接有阀门Vi，阀门Vi的另一端与冷浴槽（7）连通，加热炉（14）与电阻丝（8）连接，温度计A（15）与温度传感器连接；
所述流体加载控制***包括平流泵（16）、第一中间容器（17）、第二中间容器（18）、第三中间容器（19）和第四中间容器（20），平流泵（16）的出口端与中间容器之间连接有阀门Va，第一中间容器（17）、第二中间容器（18）、第三中间容器（19）和第四中间容器（20）的出口端分别连接有阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd和阀门Ve，所述阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd和阀门Ve的另一端与阀门Vx之间连接有压力表C（21），压力表C（21）与阀门Vx之间的节点处顺次连接有阀门Vn和真空泵（22）；
所述流体渗流测量***包括与阀门Vm连接的回压阀（23），回压阀（23）与阀门Vm连接，阀门Vm的另一端连接有两个支路，其中一个支路由顺次连接的阀门Vf、气量计（25）和气相色谱仪（26）组成，另一个支路由顺次连接的阀门Vg、气液分离器（27）、液体计量器（28）和液相色谱仪（29），气量计（25）与阀门Vf之间的节点处与气液分离器（27）之间连接有阀门Vh，回压阀（23）的入口端与阀门Vn的出口端连接有阀门Vy；
它还包括控制台（30），控制台（30）与轴向引伸计、径向引伸计、空调油制冷机（13）和加热炉（14）连接。
2.根据权利要求1所述的一种多场耦合渗流多功能实验装置，其特征在于：所述的装置本体包括底座（31）、壳体（32）和顶盖（33），壳体（32）的上下端分别固设有顶盖（33）和底座（31）。
3.根据权利要求1所述的一种多场耦合渗流多功能实验装置，其特征在于：所述的回压阀（23）上还连接有回压泵（34）。
4.根据权利要求1所述的一种多场耦合渗流多功能实验装置，其特征在于：所述的回压阀（23）的出口处连接有温度计B（35）。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的一种多场耦合渗流多功能实验装置的测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、多场耦合作用下二氧化碳置换致密气或页岩气的测试，它包括以下测试步骤：
S1（1）、准备待测致密砂岩或页岩岩样；将致密气或页岩气复配于第一中间容器（17）内，将二氧化碳复配于第二中间容器（18）内，并检查装置各项部件及其连接关系，并使之调整到初始工作状态；
S1（2）、将热缩管（6）套在待测岩样上；在岩样上下端安装温度传感器；在岩样上安装轴向引伸计和径向引伸计；将岩样放置于承载台（2）顶部；在岩样顶部顺次安放金属垫圈（5）和橡胶圈，随后将橡胶圈与压头（4）连接，并关闭实验腔；
S1（3）、关闭阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd、阀门Ve、阀门Vm和阀门Vy，打开阀门Vn和阀门Vx，打开真空泵（22）和加热炉（14），真空泵（22）对实验腔（1）抽真空，进一步的对岩样进行抽真空，而加热炉（14）使电阻丝（8）对实验腔（1）加热，进一步的对岩样加热，当压力表C（21）上读数稳定且温度计A（15）上读数稳定时，即形成了温度场；
S1（4）、关闭真空泵（22）及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vb和平流泵（16），平流泵（16）将第一中间容器（17）内的致密气或页岩气依次经阀门Vb、阀门Vx泵入实验腔（1）内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满气体，即形成了孔隙压力场和渗流场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵（9）向实验腔（1）内通入液压油，液压油给热缩管（6）施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵（10）将液压油泵入压头（4）的液压流道内，使压头（4）给岩样施加轴向力，直至压力表A（11）、压力表B（12）、压力表C（21）上数值达到实验设定的压力值，关闭液压泵，即形成应力场；
S1（5）、观测温度计A（15）的度数，当温度计A（15）数值稳定在实验设定数值后，再进行下一步骤；
S1（6）、关闭阀门Vb，打开阀门Vc，平流泵（16）加压，平流泵（16）将第二中间容器（18）内的二氧化碳依次经阀门Vc、阀门Vx泵入实验腔（1）内，随后关闭阀门Vc和阀门Vx，静置一段时间；
S1（7）、待实验腔（1）中气体充分混合后，关闭阀门Vg和阀门Vh，打开阀门Vf、阀门Vm和阀门Vy，实验腔中混合气体按设定出口压力经阀门Vm流出，随后从回压阀（23）喷出，气量计（25）计量气体体积，随后气相色谱仪（26）检测排出气体组分；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台（30）；
S1（8）、实验结束，回收致密砂岩或岩样，将未用完的高纯度实验用二氧化碳、致密气或页岩气密封库存，将装置恢复到停机状态；
S2、多场耦合作用下二氧化碳驱替致密油或页岩油的测试，它包括以下步骤：
S2（1）、利用致密砂岩或页岩作为岩样；将二氧化碳复配于第四中间容器（20）内，将致密油或页岩油复配于第三中间容器（19）内，并检查装置各项部件及其连接关系，并使之调整到初始工作状态；
S2（2）、重复步骤S1（2）~S1（3），随后关闭真空泵（22）及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vd和平流泵（16），平流泵（16）将第三中间容器（19）内的原油依次经阀门Vd、阀门Vx泵入实验腔（1）内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满有致密油或页岩油，即形成了孔隙压力场和渗流场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵（9）向实验腔（1）内通入液压油，液压油给热缩管（6）施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵（10）将液压油泵入压头（4）的液压流道内，使压头（4）给岩样施加轴向力，直至压力表A（11）、压力表B（12）、压力表C（21）上数值达到实验设定的压力值，关闭液压泵，即形成了应力场；
S2（3）、重复步骤S1（5），随后关闭阀门Vd和阀门Vf，打开阀门Ve、阀门Vg、阀门Vh、阀门Vm，平流泵（16）加压，平流泵（16）将第四中间容器（20）内的二氧化碳依次经阀门Ve、阀门Vx泵入实验腔（1）内；
S2（4）、实验腔中测试流体按设定出口压力依次由阀门Vm、回压阀（23）流出，气液混合物通过气液分离器（27）后，气体进入气量计（25）内，通过气量计（25）计量气体体积，气相色谱仪（26）检测排出气体组分；液体通过液体计量器（28）内，通过液体计量器（28）计量液体体积，液相色谱仪（29）检测液体组分；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台（30）；
S2（5）、实验结束，回收致密砂岩或页岩，将未用完的高纯度实验用二氧化碳、致密油或页岩油密封库存，将装置恢复到停机状态；
S3、多场耦合作用下二氧化碳置换水合物开采效率的实验，它包括以下步骤：
S3（1）、准备待测水合物储层岩样；将甲烷装载于第一中间容器（17）内，将蒸馏水装载于第三中间容器（19）内，将二氧化碳装载于第四中间容器（20）内，并检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；
S3（2）、重复步骤S1（2），随后关闭阀门Vb、阀门Vc、阀门Vd、阀门Ve、阀门Vm和阀门Vy，打开阀门Vn、阀门Vi、阀门Vx、真空泵（22）和空调油制冷机（13），真空泵（22）对实验腔（1）抽真空，进一步的对岩样进行抽真空，而空调油制冷机（13）将冷却介质泵入冷浴槽（7）中以对实验腔（1）制冷，进一步的对岩样进行制冷；
S3（3）、当压力表C（21）上显示数值达到稳定时，关闭真空泵（22）及阀门Vn，打开阀门Va、阀门Vb和阀门Vd，平流泵（16）将第一中间容器（17）内的甲烷依次经阀门Vb、阀门Vx泵入实验腔（1）内，同时平流泵（16）将第三中间容器（19）内的蒸馏水依次经阀门Vd、阀门Vx泵入实验腔（1）内以使岩样达到饱和状态，岩样内充满有甲烷和蒸馏水，通过空调油制冷机继续降温，形成稳定的低温温度场；同时打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵（9）向实验腔（1）内通入液压油，液压油给热缩管（6）施加径向压力，进一步的给岩样施加径向压力，而轴压液压泵（10）将液压油泵入压头（4）的液压流道内，使压头（4）给岩样施加轴向力，直至压力表A（11）、压力表B（12）、压力表C（21）上数值达到实验设定的压力值，维持该设定的压力值，形成稳定的应力场及孔隙压力场；
S3（4）、重复步骤S1（5），待实验腔内部形成稳定的天然气水合物后，关闭阀门Vb、阀门Vd，平流泵（16）将第四中间容器（20）内的二氧化碳依次经阀门Ve、阀门Vm泵入实验腔（1）内，充入足够的二氧化碳后，关闭阀门Va，阀门Ve，阀门Vx，待实验腔静置一段时间；
S3（5）、关闭阀门Vf，打开阀门Ve、阀门Vg、阀门Vh和阀门Vm，设定回压阀（23）压力，测试流体按设定出口压力依次由阀门Vm、回压阀（23）流出，气液混合物通过气液分离器（27）后，气体进入气量计（25）内，通过气量计（25）计量气体体积，气相色谱仪（26）检测排出气体组分；液体通过液体计量器（28）内，通过液体计量器（28）计量液体体积，液相色谱仪（29）检测液体组分；实验过程中，轴向引伸计和径向引伸计自动采集岩样的轴向形变和径向形变，并将采集到的数据传递给控制台（30）；
S3（6）、实验结束，回收水合物储层岩样，将未用完的实验用二氧化碳气、甲烷气体和蒸馏水密封库存，将装置恢复到停机状态；
S4、多场耦合状态下地热换热效率的实验，它包括以下步骤：
S4（1）、准备待测干热岩岩石样品；将地层水复配于第三中间容器（19）内，检查装置各项部件及其连接关系，使之调整到初始工作状态；
S4（2）、重复步骤S1（2）~S1（3），即形成稳定的温度场；随后打开阀门Vj和阀门Vk，围压液压泵（9）给干热岩施加径向力，轴压液压泵（10）给干热岩施加轴向压力，当压力表A（11）、压力表B（12）和压力表C（21）上读数达到稳定值时，即形成了稳定的应力场；随后关闭真空泵（22）及阀门Vn，打开阀门Va和阀门Vd，平流泵（16）将第三中间容器（19）内的地层水依次经阀门Vd、阀门Vx泵入干热岩内；
S4（3）、打开阀门Vm，关闭阀门Vf和阀门Vh，地层水从回压阀（23）流出进入液体计量器，液体计量器（28）计量蒸馏水的体积，温度计C（39）计量入口端的地层水的温度，温度计B（35）计量流出的地层水的温度；
S4（4）、实验过程中，通过引伸计自动采集干热岩的轴向形变和径向形变；
S4（5）、当实验结束后，回收干热岩，将未用完的地层水密封库存，将装置恢复到停机状态。
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