[发明专利]一种多场耦合渗流多功能实验装置及测试方法

权利要求书

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、应力场控制系统、温度场控制系统、流体加载控制系统和流体渗流测量系统；

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）；

所述应力场控制系统包括围压液压泵（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；

所述温度场控制系统包括空调油制冷机（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；

所述流体加载控制系统包括平流泵（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）的出口端与上述四个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）；

所述流体渗流测量系统包括与阀门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；

该多功能实验装置还包括控制台（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：它包括多场耦合作用下二氧化碳置换致密气或页岩气的测试、多场耦合作用下二氧化碳驱替致密油或页岩油的测试、多场耦合作用下二氧化碳置换水合物开采效率的实验、多场耦合状态下地热换热效率的实验：

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。