[发明专利]渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法。

背景技术

在石油，水力，采矿和能源等工程建设项目中，经常会遇到各种各样的多相渗流问题。在油气田开发过程中，地层和井底附近，经常发生的是油气、油水、气水两相或油、气、水三相同时流动的多相渗流情况。二氧化碳的咸水层储存涉及到二氧化碳、咸水两相混合流体在地层中的渗透问题。页岩气的开采过程也存在天然气和氮气等多相混合流体的渗透作用。此外，对于能源开发与输送、核废料的处理及二氧化碳地下封存等复杂深部岩体工程还会涉及温度的影响。岩层内部流体相态也会随着地层压力和温度的变化而发生变化，同一流体成分的不同相态具有不同的物理化学性质，对岩体工程的影响作用也不一样。例如二氧化碳地下储存工程中涉及到的就是超临界状态的二氧化碳。对这类问题的评价和研究，就需要我们考察不同压力温度作用下多相混合流体对岩石的渗透-应力-温度-化学长期耦合作用机理。

为了研究上述耦合机理，可以通过室内耦合实验获取渗透系数、应力、应变数据等并对渗透溶液进行成分浓度分析来研究多相混合流体渗透作用对岩石力学性质和渗透特性的影响以及多相流体对岩石矿物成分的改造作用。然而目前，在实验这方面研究人员所掌握的技术以及装置设计都有所欠缺。其中现有的实验方法在多相混合流体渗透这一方面尤其存在不足。国内已公开的与渗流耦合实验相关的主要侧重的都是单相渗流,通过在三轴压力室的上下加载端面添加渗流管路，上游连接控制渗透压力的泵，下游为渗流出口，这样三轴压力室内岩样上下端面形成渗透压力差，从而实现渗流与应力的耦合实验。在两相或者多相渗透方面，虽然已有研究人员已经开展相关的短期渗流—力学耦合实验，但是其中许多实验是首先用液体对岩样进行饱和处理，然后再将气体按照一定压力注入岩样以此来进行不同相态之间的混合渗流，例如，公开号：CN 102901803 公开日期：2013.01.30 发明名称为“受载含瓦斯媒水气两相吸附-解吸-渗流试验系统和方法”。值得注意的是该混合相态的渗流状态仅发生在饱和岩样中的液相被气相驱尽前的的这段时间内。一旦液相被气相完全驱替后该渗流状态即为单相渗流状态，由于该时间的限制，仅能实现短期内的渗流—力学耦合实验。当需要研究岩石在多相渗流条件下的长期性质时，这种渗流方式无法满足要求。此外，严格意义上的两相渗流是指两相流体在多孔介质中同时参与流动，其渗流形态主要是其中一相成柱塞状分散在另一相中流动,或者其中一相成液滴或气泡分散在另一相中流动。然而，受室内实验岩样尺寸的限制，在渗透压较大或渗透性较好的情况下，这种渗流方法也无法实现严格意义上两相渗流形态。尽管，也有许多学者对该实验进行过改进，先将多相流体混合在一起再进行渗透以实现多相渗流，但是由于技术和实验条件的限制，没有实现在实验过程中同时控制恒定的渗透压力以及恒定的多相比例。而且，前人开展多相流体渗透实验时也鲜少将其与蠕变和温度耦合起来研究。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是克服现有实验条件和方法上的不足，通过对三轴渗透-压力耦合实验仪器的改造，完善该实验装置中的多相流体混合控制装置以及多相流体收集测量装置，提供一种渗透压力和相分比例可控的岩石长期多场耦合实验装置与测试方法，通过改变不同的混合流体的相分比例、不同的渗透压力不同的蠕变荷载条件和实验温度，可以实现不同混合流体渗透作用时的岩石渗透-蠕变-温度-化学耦合实验。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：