[發明專利]深層超深層巖石高溫-滲流-應力-化學耦合試驗系統

在審

• 申請號: 202110120230.1
• 申請日: 2021-01-28
• 公開（公告）號: CN112924300A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 楊文東;姚軍;王柄淇;王世潔;王子玉;呂顯先;李屹偉;楊永飛;嚴俠;張旭
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）;中國石油化工股份有限公司西北油田分公司
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N33/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及巖土和地下工程、石油工程領域，具體地，涉及一種深層超深層巖石高溫?滲流?應力?化學耦合試驗系統。主要包括超高溫調控系統、高溫高壓加載系統、滲流?化學配套模塊、數據采集系統以及一個適應多場耦合試驗的多功能高強度合金底座。本發明試驗系統含兩個圍壓室：高溫三軸圍壓室和采用鎳基合金制成的超高溫三軸圍壓室，根據試驗溫度要求選擇適合的圍壓室，并通過超高溫三軸圍壓室的發明提供了一種巖石體積應變的測量方法。本發明試驗系統達到高圍壓210MPa、高滲壓150MPa，高溫度400℃，對揭示深層超深層巖石力學性質在溫度場、滲流場、應力場、化學場之間相互影響作用下的規律提供了技術支持，克服了以往多場耦合試驗難以實現高溫條件的缺陷。

技術領域

本發明涉及巖土和地下工程、石油工程領域，特別地涉及一種深層超深層巖石高溫-滲流-應力-化學耦合試驗系統。

背景技術

近年來，隨著世界經濟的迅速發展，資源開發逐漸走向地球深部。國際上相對認可的深層標準是埋深大于4500m以上。目前煤炭開采深度達到1500m，地熱開采深度超過3000m，金屬礦開采超過4500m，油氣藏開采深度達到7000m。據全球428個深層油氣藏溫度數據顯示，油氣藏最高溫度達到200℃以上，最高壓力達到200MPa。

然而，世界范圍內巖石力學實踐遠超前于力學基礎理論研究，普遍存在著盲目性和不確定性，在地下資源開采或開挖過程中往往伴隨著大量工程災害，難以預測和有效防治。經典力學難以描述深層超深層巖石的本構行為，尤其基于深部地層高溫度、高滲透壓、高地應力環境特征下，深部地層巖石的流變和塑性失穩與普通條件下有巨大差別。傳統巖石力學認為材料參數是常數，而實際上并非常數。在深部巖石力學研究中發現，即使同一種巖石，隨著賦予深度的變化，其組分、密度、模量等都是變化的。因此深層巖石力學特性以及深層熱流固耦合等方面是亟需解決的關鍵前沿力學問題。

巖石力學新設備和新方法不斷研發，單軸、雙軸、三軸力學試驗愈發普及，并逐漸在試驗過程中考慮了加載路徑、水、溫度等影響。然而，現有的力學試驗機大都基于中淺層巖石力學特性研究，沒有考慮深層超深層環境下具有的“三高”特性，尤其現有試驗儀器在溫度達到200℃以上時，面臨著無法精準測量試驗數據及儀器管線、橡膠套等設備失效的問題。因此深層超深層巖石變形特性試驗研究成果并不豐富，少量成果仍基于常規試驗技術，直接限制了深層超深層多場耦合作用下巖石力學性質的研究。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種深層超深層巖石高溫-滲流-應力-化學耦合試驗系統。

為了實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

深層超深層巖石高溫-滲流-應力-化學耦合試驗系統，包括超高溫調控系統、高溫高壓加載系統、滲流-化學配套模塊、數據采集系統以及一個適應多場耦合試驗的多功能高強度合金底座。超高溫調控系統包括超高溫三軸圍壓室、鋁合金加載套、溫度控制調節器；高溫高壓加載系統包括加載框架、液壓伺服系統、高溫三軸圍壓室；滲流-化學配套模塊包括耐腐的孔壓加載泵、耐腐的背壓加載泵、精密電子天平；數據采集系統包括水下試驗荷載傳感器、巖石變形引伸計、壓力傳感器、荷載傳感器、數據采集設備，數據采集設備將數據發送給計算機，計算機使用軟件工具讀取、分析和記錄數據。

超高溫調控系統其特征在于，所述超高溫三軸圍壓室采用鎳基合金構成，最大安全承壓210MPa，耐溫400℃，通過含磁致位移傳感器和壓力傳感器全閉環控制的圍壓伺服增壓泵增壓。待試驗穩定后可由超高溫三軸圍壓室內的筒體圍壓液排除的體積確定巖樣體積應變，進而推測試驗過程中巖石的側向應變；試樣用鋁合金加載套包裹，由加熱爐和保溫套加熱，配合快速充液和循環裝置加熱圍壓液，使試樣均勻加溫受熱，解決加熱溫度斷層和常規橡膠套在超高溫失效的問題，其保溫隔熱材料采用保溫性能好的硅酸鋁填充材料，并使外露部件溫度控制在30℃以下；所述溫度控制調節器與計算機相連，加熱最高溫度400℃。