[发明专利]气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置和测试方法

权利要求书

1.一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，包括：三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器和数据传输采集处理器；其中：高气压罐、低气压罐和围压加载器、轴压加载器分别与三轴压力室连接，实现气体压力施加和不同应力方式、不同应力路径的加载；温度加热器紧贴三轴压力室并将三轴压力室无缝包围，实现试验温度的控制；数据传输采集处理器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器、温度加热器相连，定时采集试验数据并予以存储处理。

2.根据权利要求1所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：三轴压力室内设有试样夹持器、圆形底座、轴向加压圆盖；圆形底座位于三轴压力室底部，轴向加压圆盖位于三轴压力室顶部，试样夹持器安装于圆形底座、轴向加压圆盖之间。

3.根据权利要求1-2所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：试样夹持器，包括：硅胶套、两个轴向应变传感器、三个环向应变传感器、上圆形刚体垫块和下圆形刚体垫块；上刚体垫块直径、下刚体垫块直径、硅胶套内径、试样直径与圆形底座直径、轴向加压圆盖直径相同，通常为50mm；硅胶套高于试样，试样高度为100mm，硅胶套长度为130mm；上圆形刚体垫块、下圆形刚体垫块分别位于试样的上下两端，上圆形刚体垫块、下圆形刚体垫块、试样置于硅胶套内；硅胶套不透水、不透气，以确保夹持器的密封性；上刚体垫块、下刚体垫块均分布有均匀渗透孔，用于确保气体压力的均匀性，垫块高度取3mm；硅胶套上下端分别与轴向加压圆盖和圆形底座相连。

4.根据权利要求1-3所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：硅胶套外部设有两个轴向应变传感器和三个环向应变传感器；两个轴向应变传感器设在硅胶套的轴向两侧，轴向应变值取两个轴向应变传感器所测值之和的平均；三个环向应变传感器分别设在硅胶套外表面上部、中部和下部，环向应变值取三个环向应变传感器三者之和的平均。

5.根据权利要求1-4所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：圆形底座，包括：底部勒紧项圈和底部带孔刚块，底部带孔刚块的1/3安置在硅胶套内，并用勒紧项圈将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过程中底部的密封性；底部带孔刚块的圆心上设有的圆孔，且圆孔贯通整个刚块；圆孔通过管线与低气压罐连接，该管线上设有压力表。

6.根据权利要求1-5所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：轴向加压圆盖装置，包括：顶部勒紧项圈和顶部带孔刚块，顶部带孔刚块的1/3安置在硅胶套内，并用勒紧项圈将接触部分予以勒紧、密封，确保试验过程中顶部的密封性；顶部带孔刚块的圆孔由刚块侧面和圆心相互贯通，圆孔通过管线与高气压罐连接,管线上设有压力表。

7.根据权利要求1-6所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：三轴压力室的外壁设有温度加热器，温度加热器将三轴压力室无缝包围；温度施加范围值为10℃～150℃；三轴压力室顶部设有温度表。

8.根据权利要求1-7所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：围压加载器和轴压加载器均与三轴压力室系统连接，实现最高60MPa围压和120MPa轴压，用于实现不同应力方式和路径的加载。

9.根据权利要求1-8所述的气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试装置，其特征在于：数据传输采集处理器由电子数据传感器、数据交换口和计算处理器组成；其中电子数据传感器分别与三轴压力室、高气压罐、低气压罐、围压加载器、轴压加载器和温度加热器连接，定时采集轴向和侧向应变数值、气体压力数值、轴向和围压应力数值和温度数值至数据交换口，并传输至计算机后处理器予以存储、计算处理；绘制出气体渗透性、温度、应力和应变参数间的关系曲线，并予以可视化显示。

10.一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试方法，采用权利要求1-9之一所述的测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将圆柱形饱和试样放置于试样装置系统内，并调整轴向应变系统和侧向应变系统至初始值；此外，检查气体渗透测试系统的密封性；

(2)、对三轴压力室系统通过围压加载系统施加围压至预定值；待围压稳定，逐步通过温度控制系统施加温度环境至预定值；待温度稳定，通过气体渗透测试系统的高气压罐施加气压至预定值，待低气压罐数值和高气压罐相等，认为试样两端形成稳定的气体压力P₀₀ (单位MPa)；进而通过轴压加载系统施加轴向压力；

(3)、轴向应力加载过程中，瞬时增加高气压罐压力至P₁₀ (单位MPa)并保持轴向应力不变；此时，试样两端形成渗压差△P₀₀= P₁₀-P₀₀，通过气体压力采集系统采集特定时刻试样两端高、低气压罐实测气体渗压值P_1i (单位MPa)和P_0i (单位MPa)，以及相对应的渗透时间t_i（单位s，设置P_1i= P₁₀，P_0i= P₀₀时刻，t取初始值t₀=0），此刻，试样两端渗压差△P_0i= P_1i-P_0i，并由计算机程序拟合计算得到该应力状态下岩石气体渗透计算参数                                                ;

(4)、当低气压罐数值和高气压罐相等P_1i=P_0i，认为试样两端气体压力再次达到稳定，计算机程序基于公式计算到该应力状态下岩石气体渗透率，其中k为岩石试样气体渗透率，单位m²；为特定温度下气体的粘滞系数，单位MPa·s；L为试样高度，单位m；S₁和S₂分别为高压储气罐和低压储气罐体积，单位m³；

(5)、再次调节气体渗透测试系统至原始稳定的气体压力P₀₀；继续轴压应力加载，重复步骤3，测定其它轴向应力状态下的气体渗透率，直至试样破坏；试验全程气体渗透性随应力、应变演化关系可基于计算机后处理系统予以可视化显示。