CN109709017A - 一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器及其测试方法。它包括承压压头、承载限制装置、恒温***、承压基座、用于固定测试岩石试件的固定单元、缓冲气罐、氦气储气罐、测试气体储气罐、油泵、油路、气体管路、气压表和气体开关，承压基座上设恒温***和固定单元，恒温***内设承载限制装置、固定单元、缓冲气罐、油泵、气压表和上进气开关、下进气开关，油泵通过油路与固定单元的单元主体内腔相连通；恒温***外部设氦气储气罐、测试气体储气罐、氦气开关和测试气开关，缓冲气罐分别通过氦气和测试气管路与氦气储气罐和测试气体储气罐相连通，氦气和测试气管路分别设氦气开关和测试气开关。它具有结构简单、组装方便和工作安全可靠等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器及其测试方法。
背景技术
岩石气体高压吸附现象在诸多领域具有十分重要的意义，例如煤岩/页岩的气体高压吸附直接决定着煤岩/页岩气体储量的大小，进而决定着开采项目的经济型，而泥岩/盐岩的气体高压吸附能力是评价岩石对于气体密封性和气体密封量的重要评价因素，在天然气储存和二氧化碳地质封存方面具有重要的作用。在中国发明专利说明书CN105043920A中公开了一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法及仪器，属于岩体恒温和岩体应变的测试方法及仪器。该测试方法，通过间接重力法测试岩体的恒温吸附能力，同时可在所测样品侧面贴横向以及纵向应变片，在岩样达到吸附平衡的过程中同时监测岩样的应变情况，便于分析岩体吸附与岩体微观应力之间的关系；增设多个吸附罐同时对不同粒径范围内的岩样进行吸附测试，岩体样品粒径测量范围广，粒径测试范围覆盖100μm-20mm。本测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法通过高精度天平称重来计算样品的吸附量，与以往的体积法测吸附量不同。可用于实验室、测试企业以及政府部门确定岩石对气体的吸附量。测试仪器单一，连接处少，增强了***的密封性，操作较为简单、计算方法简单可靠、精确度高。目前，岩石气体高压吸附大都以理想气体方程为理论基础，用氦气作为标定气体进行测试，然而此类测试仪器仅针对测试不同气体温度和气体压力时岩石高压吸附的结果进行测定，而没有关注到岩石在地下环境中的应力条件的变化，尤其是岩石在高应力三轴压裂作用下岩石开裂、连通路径扩张对岩石高压吸附的影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器。它具有结构简单、组装方便和工作安全可靠等特点。不仅可以快速、简便地获得大型岩石厘米级试件不同温度和气体压力下气体高压吸附规律，最重要的是还可以通过固定单元围压和垂向压力来改变岩石的应力环境，真实模拟岩石在人为压裂作用下岩石的气体高压吸附规律，为富含气体岩石提高气体开采效率、密封岩石增大储气能力提供强有力的基础保障。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器。它包括承压压头、承载限制装置、恒温***、承压基座、用于固定测试岩石试件的固定单元、缓冲气罐、氦气储气罐、测试气体储气罐、油泵、油路、气体管路、气压表和气体开关，气体开关包括上进气开关、下进气开关、氦气开关和测试气开关，气体管路包括上进气管路、下进气管路及氦气和测试气管路，承压基座上设恒温***和固定单元，恒温***内设承载限制装置、固定单元、缓冲气罐、油泵、油路、上进气管路、下进气管路、气压表和上进气开关、下进气开关，固定单元包括上盖、单元主体、下座和固定螺栓，下座上设单元主体，单元主体上设上盖，下座与上盖通过固定螺栓相连接，单元主体内设测试岩石试件，测试岩石试件设在下座上，测试岩石试件上端设承载限制装置，承载限制装置上设承压压头和上盖，缓冲气罐上下两端分别通过上进气管路和下进气管路与设在固定单元的主体内腔相连接，上进气管路上设上进气开关和气压表，下进气管路上设下进气开关，油泵通过油路与固定单元的单元主体内腔相连通；恒温***外部设氦气储气罐、测试气体储气罐、氦气开关和测试气开关，缓冲气罐分别通过氦气和测试气管路与氦气储气罐和测试气体储气罐相连通，氦气和测试气管路分别设氦气开关和测试气开关。
所述承载限制装置用于承载垂直荷载，并限制活动压头的垂向位移，包括活动压头、上承盖、螺栓、密封橡胶和下封盖，上承盖与下封盖通过螺栓固定连接，上承盖与下封盖之间设空腔，空腔内设活动压头，活动压头的形状为十字型，活动压头分别穿过上承盖与下封盖，上承盖与下封盖分别通过密封橡胶与活动压头相连接，活动压头上端设承压压头，下端设在测试岩石试件上。
所述测试岩石试件的上下两侧均安装气体分散片，这样，所述测试岩石试件上下两侧安装气体分散片对气体进入路径进行分散处理，让气体进入路径更加均匀(如图2所示)，测试岩石试件上面设基盖，测试岩石试件通过基座固定设在下座上，并采用橡胶皮套和金属套箍进行密封。
所述缓冲气罐用于为孔隙率测试提供压力，缓冲气罐上端通过上进气管路与固定单元的单元主体内腔的测试岩石试件相连接，缓冲气罐下端通过下进气管路与固定单元内腔的测试岩石试件相连接。
所述氦气储气罐，用于为缓冲气罐提供氦气，用于岩石的孔隙体积校准，氦气储气罐通过氦气和测试气管路与缓冲气罐相连通，并在氦气和测试气管路上设氦气开关。
所述测试气体储气罐，用于为缓冲气罐提供测试气体，测试气体储气罐通过氦气和测试气管路与缓冲气罐相连通，并在氦气和测试气管路上设测试气开关。
所述气压表用于测量气体的压力，气压表用于测试缓冲气罐的气体压力。
所述油泵用于为固定单元的单元主体内腔提供围压，油泵上设油压表，用于测量固定单元单元主体内腔的围压。
所述气体开关，用于控制气体在管道内的流动，其中，上进气开关控制固定单元上进气管路，下进气开关控制固定单元下进气管路，氦气开关和测试气开关分别控制氦气储气罐和测试气体储气罐为缓冲气罐注入气体的气体管路。
所述测试岩石试件尺寸为直径50cm、高度100mm。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：由于采用了上述结构，使用时，本发明不仅可以快速、简便地获得大型岩石厘米级试件不同温度和气体压力下气体高压吸附规律，最重要的是还可以通过固定单元围压和垂向压力来改变岩石的应力环境，真实模拟岩石在人为压裂作用下岩石的气体高压吸附规律，为富含气体岩石提高气体开采效率、密封岩石增大储气能力提供强有力的基础保障。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的承载限制装置放大结构示意图；
图3为本发明测试岩石试件设置放大结构示意图；
图中：1－上盖、2－单元主体、3－测试岩石试件、4－固定螺栓、5－下座、6－基座、7－油路、8－油泵、9－恒温***、10－氦气和测试气管路、11－氦气开关、12－测试气开关、13－测试气体储气罐、14－氦气储气罐、15－缓冲气罐、16－上进气管路、17－气压表、18－上进气开关、19－下进气开关、20－下进气管路、21－承压压头、22－承载限制装置、221－活动压头、222－上承盖、223－螺栓、224－密封橡胶、225－下封盖、23－承压基座、24－气体分散片、25－金属套箍和26－橡胶皮套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1至图3示出了本发明各种结构示意图。如图1至图3所示，本发明提供了一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器。它包括承压压头21、承载限制装置22、恒温***9、承压基座23、用于固定测试岩石试件3的固定单元、缓冲气罐15、氦气储气罐14、测试气体储气罐13、油泵8、油路7、气体管路、气压表17和气体开关，气体开关包括上进气开关18、下进气开关19、氦气开关11和测试气开关12，气体管路包括上进气管路16、下进气管路20及氦气和测试气管路10，承压基座23上设恒温***9和固定单元，恒温***9内设承载限制装置22、固定单元、缓冲气罐15、油泵8、油路7、上进气管路16、下进气管路20、气压表17和上进气开关18、下进气开关19，固定单元包括上盖1、单元主体2、下座5和固定螺栓4，下座5上设单元主体2，单元主体2上设上盖1，下座5与上盖1通过固定螺栓4相连接，单元主体2内设测试岩石试件3，测试岩石试件3设在下座5上，测试岩石试件3上端设承载限制装置22，承载限制装置22上设承压压头21和上盖1，缓冲气罐15上下两端分别通过上进气管路16和下进气管路20与设在固定单元的主体内腔相连接，上进气管路16上设上进气开关18和气压表17，且部分管路设在承载限制装置22的活动压头221内，下进气管路20上设下进气开关19，且部分管路设在固定单元的下座5和基座6内，油泵8通过油路7与固定单元的单元主体2内腔相连通，部分油路7设在下座5和基座6内；恒温***9外部设氦气储气罐14、测试气体储气罐13、氦气开关11和测试气开关12，缓冲气罐15分别通过氦气和测试气管路10与氦气储气罐14和测试气体储气罐13相连通，氦气和测试气管路10分别设氦气开关11和测试气开关12。所述承载限制装置22包括活动压头221、上承盖222、螺栓223、密封橡胶224和下封盖225，上承盖222与下封盖225通过螺栓223固定连接，上承盖222与下封盖225之间设空腔，空腔内设活动压头221，活动压头221的形状为十字型，活动压头221分别穿过上承盖222与下封盖225，上承盖222和下封盖225分别通过密封橡胶224与活动压头221相连接，即上承盖222和下封盖225分别与活动压头221之间设密封橡胶224，活动压头221上端设承压压头21，下端设在测试岩石试件3上，承载限制装置22用于承载垂直荷载，并限制活动压头221的垂向位移。所述测试岩石试件3的上下两侧均安装气体分散片24，所述气体分散片24就是让气体分散，然后均匀地从测试岩石试件3的整个表面渗透，而不是从气管的那个点渗透。这样，所述测试岩石试件3上下两侧安装气体分散片24对气体进入路径进行分散处理，让气体进入路径更加均匀(如图3所示)，测试岩石试件3上面设基盖，测试岩石试件3通过基座6固定设在下座5上，并采用橡胶皮套26和金属套箍25进行密封。所述缓冲气罐15用于为孔隙率测试提供压力，缓冲气罐15上端通过上进气管路16与固定单元的单元主体2内腔的测试岩石试件3相连接，缓冲气罐15下端通过下进气管路20与固定单元内腔的测试岩石试件3相连接。所述氦气储气罐14，用于为缓冲气罐15提供氦气，用于岩石的孔隙体积校准，氦气储气罐14通过氦气和测试气管路10与缓冲气罐15相连通，并在氦气和测试气管路10上设氦气开关11。所述测试气体储气罐13，用于为缓冲气罐15提供测试气体，测试气体储气罐13通过氦气和测试气管路10与缓冲气罐15相连通，并在氦气和测试气管路10上设测试气开关12。所述气压表17用于测量气体的压力，气压表17用于测试缓冲气罐15的气体压力。所述油泵8用于为固定单元的单元主体2内腔提供围压，油泵8上设油压表，用于测量固定单元单元主体2内腔的围压。所述气体开关，用于控制气体在管道内的流动，其中，上进气开关18控制固定单元上进气管路16，下进气开关19控制固定单元下进气管路20，氦气开关11和测试气开关12分别控制氦气储气罐14和测试气体储气罐13为缓冲气罐15注入气体的气体管路。所述测试岩石试件3尺寸为直径50cm、高度100mm。所述恒温***9用于给固定单元、缓冲气罐15、油泵8和管路(油路和气体管路)提供恒定温度，温度变化幅度为±0.1℃。所述承压基座23和承压压头21，用于放置于压力机上并承载压力机施加在固定单元上的垂向荷载。
本发明不仅可以快速、简便地获得大型岩石厘米级试件不同温度和气体压力下气体高压吸附规律，最重要的是还可以通过固定单元围压和垂向压力来改变岩石的应力环境，真实模拟岩石在人为压裂作用下岩石的气体高压吸附规律，为富含气体岩石提高气体开采效率、密封岩石增大储气能力提供强有力的基础保障。本发明的测试原理为理想气体方程：
PV＝nRT
其中，P为理想气体的压强，单位通常为atm或kPa；V为理想气体的体积，单位为L；n为理想气体中气体物质的量，单位为mol；R为理想气体常数，8.314J/mol·K；T为理想气体的绝对温度，单位为K。首先利用氦气气体作为校准气体，利用气体压力的变化，计算岩石孔隙体积，然后采用测试气体充斥体积，其相较氦气测试体积多余体积气体分子为吸附分子量，然后逐渐施加垂直荷载，并记录在固定荷载作用下气体压力变化，进而通过理想气体方程计算出吸附分子量的变化。下进气开关19、氦气开关11、测试气开关12和上进气开关18组成的闭合管路内的所有体积，其中包含了缓冲气罐15的体积和与之相连管道的体积，已经通过标准测定为V1。测试岩石试件3尺寸为直径50cm、高度100mm。
一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器的测试方法，某一固定温度T1和气体压强P4下，使用该岩石压裂高压气体吸附测试仪器测试岩石试件孔隙率的测试步骤如下：
(1)采用游标卡尺测试岩石试件3的直径D，高度H，并计算出试件的体积VS：
(2)安装固定单元、连接气体管路如图1所示，安装测试岩石试件3同体积圆柱形钢制试件，并确定所有开关关闭，打开恒温***9设置固定温度T1。
(3)打开手动油泵8阀门，给固定单元的单元主体2内腔提供围压Pv。
(4)打开氦气开关11给缓冲气罐15充入氦气气体并提供压强(小于PV)；关闭氦气开关11，待气体压力稳定后，记录气压表17的读数为压强P1；
(5)打开下进气开关19和上进气开关18，待气压稳定后，记录气压表17的读数显示为压强P2；根据理想气体方程，按照如下公式计算下进气开关19和上进气开关18密封气体管路、气体分散片24等体积V2为:
(6)关闭下进气开关19，关闭并拆除手工油泵8，拆解固定单元，取出圆柱形钢制试件，并安装测试岩石试件3在固定单元内，并连接管路(气体管路和油路7)如图1所示。
(7)安装并打开手动油泵8，给固定单元的单元主体2提供围压用油，并施加围压Pv。
(8)打开氦气开关11给缓冲气罐15提供压强(小于PV)，关闭氦气开关11，待气体压力稳定后，记录气压表17的读数为压强P1；
(9)打开下进气开关19和上进气开关18，待6h后，记录气压表17的读数显示为压强P3，根据理想气体方程按照如下公式计算测试岩石试件3的孔隙体积V3为:
(10)关闭并拆除下进气开关19和上进气开关18，释放缓冲气罐15及相连气体管路中的氦气气体，待4h后，重新连接下进气开关19和上进气开关18。
(11)打开测试气开关12给缓冲气罐15充入测试气体并提供压强(小于P V)；关闭氦气开关11，待气体压力稳定后，记录气压表17的读数为压强P1；
(12)打开下进气开关19和上进气开关18，待6h后，记录气压表17的读数显示为压强P4，根据理想气体方程按照如下公式计算测试岩石试件3的孔隙体积V4为:
(13)测试气体在温度T1、围压压强Pv和气体压强P4下，测试岩石试件3单位体积的吸附量n1为：
(14)按加载步骤逐级施加轴向荷载直至岩石压裂破坏，并记录轴向荷载Pn下气压表17的读数显示压强为P5，根据理想气体方程按照如下公式计算测试岩石试件3的孔隙体积V5为:
(15)轴向荷载作用下Pn下，测试岩石试件3单位体积的吸附量n2为：
故岩石在被压裂状态下的单体体积吸附减少量为n1-n2，为此可以判断岩石压裂对于高压气体吸附的影响。
该岩石压裂高压气体吸附测试仪器及其测试方法通过以理想气体方程为理论基础，用氦气作为标定气体进行测试，可用于实验室、测试企业以及政府部门确定岩石对气体的吸附量。测试仪器单一，连接处少，增强了***的密封性，操作较为简单、计算方法简单可靠、精确度高。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。
Claims (10)
1.一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器，它包括承压压头(21)、承载限制装置(22)、恒温***(9)、承压基座(23)、用于固定测试岩石试件(3)的固定单元、缓冲气罐(15)、氦气储气罐(14)、测试气体储气罐(13)、油泵(8)、油路(7)、气体管路、气压表(17)和气体开关，气体开关包括上进气开关(18)、下进气开关(19)、氦气开关(11)和测试气开关(12)，气体管路包括上进气管路(16)、下进气管路(20)及氦气和测试气管路(10)，其特征在于：承压基座(23)上设恒温***(9)和固定单元，恒温***(9)内设承载限制装置(22)、固定单元、缓冲气罐(15)、油泵(8)、油路(7)、上进气管路(16)、下进气管路(20)、气压表(17)和上进气开关(18)、下进气开关(19)，固定单元包括上盖(1)、单元主体(2)、下座(5)和固定螺栓(4)，下座(5)上设单元主体(2)，单元主体(2)上设上盖(1)，下座(5)与上盖(1)通过固定螺栓(4)相连接，单元主体(2)内设测试岩石试件(3)，测试岩石试件(3)设在下座(5)上，测试岩石试件(3)上端设承载限制装置(22)，承载限制装置(22)上设承压压头(21)和上盖(1)，缓冲气罐(15)上下两端分别通过上进气管路(16)和下进气管路(20)与设在固定单元的主体内腔相连接，上进气管路(16)上设上进气开关(18)和气压表(17)，下进气管路(20)上设下进气开关(19)，油泵(8)通过油路(7)与固定单元的单元主体(2)内腔相连通；恒温***(9)外部设氦气储气罐(14)、测试气体储气罐(13)、氦气开关(11)和测试气开关(12)，缓冲气罐(15)分别通过氦气和测试气管路(10)与氦气储气罐(14)和测试气体储气罐(13)相连通，氦气和测试气管路(10)分别设氦气开关(11)和测试气开关(12)。
2.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述承载限制装置(22)用于承载垂直荷载，并限制活动压头(221)的垂向位移，包括活动压头(221)、上承盖(222)、螺栓(223)、密封橡胶(224)和下封盖(225)，上承盖(222)与下封盖(225)通过螺栓(223)固定连接，上承盖(222)与下封盖(225)之间设空腔，空腔内设活动压头(221)，活动压头(221)的形状为十字型，活动压头(221)分别穿过上承盖(222)与下封盖(225)，上承盖(222)与下封盖(225)分别通过密封橡胶(224)与活动压头(221)相连接，活动压头(221)上端设承压压头(21)，下端设在测试岩石试件(3)上。
3.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述测试岩石试件(3)的上下两侧均安装气体分散片(24)，测试岩石试件(3)上面设基盖，测试岩石试件(3)通过基座(6)固定设在下座(5)上，并采用橡胶皮套(26)和金属套箍(25)进行密封。
4.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述缓冲气罐(15)用于为孔隙率测试提供压力，缓冲气罐(15)上端通过上进气管路(16)与固定单元的单元主体(2)内腔的测试岩石试件(3)相连接，缓冲气罐(15)下端通过下进气管路(20)与固定单元内腔的测试岩石试件(3)相连接。
5.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述氦气储气罐(14)，用于为缓冲气罐(15)提供氦气，用于岩石的孔隙体积校准，氦气储气罐(14)通过氦气和测试气管路(10)与缓冲气罐(15)相连通，并在氦气和测试气管路(10)上设氦气开关(11)。
6.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述测试气体储气罐(13)，用于为缓冲气罐(15)提供测试气体，测试气体储气罐(13)通过氦气和测试气管路(10)与缓冲气罐(15)相连通，并在氦气和测试气管路(10)上设测试气开关(12)。
7.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述气体开关，用于控制气体在管道内的流动，其中，上进气开关(18)控制固定单元上进气管路(16)，下进气开关(19)控制固定单元下进气管路(20)，氦气开关(11)和测试气开关(12)分别控制氦气储气罐(14)和测试气体储气罐(13)为缓冲气罐(15)注入气体的气体管路。
8.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述测试岩石试件(3)尺寸为直径50cm、高度100mm。
9.如权利要求1所述的岩石压裂高压气体吸附测试仪器，其特征在于：所述恒温***(9)用于给固定单元、缓冲气罐(15)、油泵(8)和管路提供恒定温度，温度变化幅度为±0.1℃。
10.一种岩石压裂高压气体吸附测试仪器的测试方法，其特征在于：某一固定温度T1和气体压强P4下，使用该岩石压裂高压气体吸附测试仪器测试岩石试件孔隙率的测试步骤如下：
(1)采用游标卡尺测试岩石试件(3)的直径D，高度H，并计算出试件的体积VS：
(2)安装固定单元、连接气体管路，安装测试岩石试件(3)同体积圆柱形钢制试件，并确定所有开关关闭，打开恒温***(9)设置固定温度T1。
(3)打开手动油泵(8)阀门，给固定单元的单元主体(2)内腔提供围压Pv。
(4)打开氦气开关(11)给缓冲气罐15充入氦气气体并提供压强；关闭氦气开关(11)，待气体压力稳定后，记录气压表(17)的读数为压强P1；
(5)打开下进气开关(19)和上进气开关(18)，待气压稳定后，记录气压表(17)的读数显示为压强P2；根据理想气体方程，按照如下公式计算下进气开关(19)和上进气开关(18)密封气体管路、气体分散片(24)等体积V2为:
(6)关闭下进气开关(19)，关闭并拆除手工油泵(8)，拆解固定单元，取出圆柱形钢制试件，并安装测试岩石试件(3)在固定单元内，并连接气体管路和油路(7)。
(7)安装并打开手动油泵(8)，给固定单元的单元主体(2)提供围压用油，并施加围压Pv。
(8)打开氦气开关(11)给缓冲气罐(15)提供压强，关闭氦气开关(11)，待气体压力稳定后，记录气压表(17)的读数为压强P1；
(9)打开下进气开关(19)和上进气开关(18)，待6h后，记录气压表(17)的读数显示为压强P3，根据理想气体方程按照如下公式计算测试岩石试件(3)的孔隙体积V3为:
(10)关闭并拆除下进气开关(19)和上进气开关(18)，释放缓冲气罐(15)及相连气体管路中的氦气气体，待4h后，重新连接下进气开关(19)和上进气开关(18)。
(11)打开测试气开关(12)给缓冲气罐(15)充入测试气体并提供压强；关闭氦气开关(11)，待气体压力稳定后，记录气压表(17)的读数为压强P1；
(12)打开下进气开关(19)和上进气开关(18)，待6h后，记录气压表(17)的读数显示为压强P4，根据理想气体方程按照如下公式计算测试岩石试件(3)的孔隙体积V4为:
(13)测试气体在温度T1、围压压强Pv和气体压强P4下，测试岩石试件(3)单位体积的吸附量n1为：
(14)按加载步骤逐级施加轴向荷载直至岩石压裂破坏，并记录轴向荷载Pn下气压表(17)的读数显示压强为P5，根据理想气体方程按照如下公式计算测试岩石试件(3)的孔隙体积V5为:
(15)轴向荷载作用下Pn下，测试岩石试件(3)单位体积的吸附量n2为：
故岩石在被压裂状态下的单体体积吸附减少量为n1-n2，为此可以判断岩石压裂对于高压气体吸附的影响。
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