[发明专利]深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统

说明书

本发明涉及岩土和地下工程、石油工程领域，具体地，涉及一种深层超深层岩石高温‑渗流‑应力‑化学耦合试验系统。主要包括超高温调控系统、高温高压加载系统、渗流‑化学配套模块、数据采集系统以及一个适应多场耦合试验的多功能高强度合金底座。本发明试验系统含两个围压室：高温三轴围压室和采用镍基合金制成的超高温三轴围压室，根据试验温度要求选择适合的围压室，并通过超高温三轴围压室的发明提供了一种岩石体积应变的测量方法。本发明试验系统达到高围压210MPa、高渗压150MPa，高温度400℃，对揭示深层超深层岩石力学性质在温度场、渗流场、应力场、化学场之间相互影响作用下的规律提供了技术支持，克服了以往多场耦合试验难以实现高温条件的缺陷。

技术领域

本发明涉及岩土和地下工程、石油工程领域，特别地涉及一种深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统。

背景技术

近年来，随着世界经济的迅速发展，资源开发逐渐走向地球深部。国际上相对认可的深层标准是埋深大于4500m以上。目前煤炭开采深度达到1500m，地热开采深度超过3000m，金属矿开采超过4500m，油气藏开采深度达到7000m。据全球428个深层油气藏温度数据显示，油气藏最高温度达到200℃以上，最高压力达到200MPa。

然而，世界范围内岩石力学实践远超前于力学基础理论研究，普遍存在着盲目性和不确定性，在地下资源开采或开挖过程中往往伴随着大量工程灾害，难以预测和有效防治。经典力学难以描述深层超深层岩石的本构行为，尤其基于深部地层高温度、高渗透压、高地应力环境特征下，深部地层岩石的流变和塑性失稳与普通条件下有巨大差别。传统岩石力学认为材料参数是常数，而实际上并非常数。在深部岩石力学研究中发现，即使同一种岩石，随着赋予深度的变化，其组分、密度、模量等都是变化的。因此深层岩石力学特性以及深层热流固耦合等方面是亟需解决的关键前沿力学问题。

岩石力学新设备和新方法不断研发，单轴、双轴、三轴力学试验愈发普及，并逐渐在试验过程中考虑了加载路径、水、温度等影响。然而，现有的力学试验机大都基于中浅层岩石力学特性研究，没有考虑深层超深层环境下具有的“三高”特性，尤其现有试验仪器在温度达到200℃以上时，面临着无法精准测量试验数据及仪器管线、橡胶套等设备失效的问题。因此深层超深层岩石变形特性试验研究成果并不丰富，少量成果仍基于常规试验技术，直接限制了深层超深层多场耦合作用下岩石力学性质的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

深层超深层岩石高温-渗流-应力-化学耦合试验系统，包括超高温调控系统、高温高压加载系统、渗流-化学配套模块、数据采集系统以及一个适应多场耦合试验的多功能高强度合金底座。超高温调控系统包括超高温三轴围压室、铝合金加载套、温度控制调节器；高温高压加载系统包括加载框架、液压伺服系统、高温三轴围压室；渗流-化学配套模块包括耐腐的孔压加载泵、耐腐的背压加载泵、精密电子天平；数据采集系统包括水下试验荷载传感器、岩石变形引伸计、压力传感器、荷载传感器、数据采集设备，数据采集设备将数据发送给计算机，计算机使用软件工具读取、分析和记录数据。

超高温调控系统其特征在于，所述超高温三轴围压室采用镍基合金构成，最大安全承压210MPa，耐温400℃，通过含磁致位移传感器和压力传感器全闭环控制的围压伺服增压泵增压。待试验稳定后可由超高温三轴围压室内的筒体围压液排除的体积确定岩样体积应变，进而推测试验过程中岩石的侧向应变；试样用铝合金加载套包裹，由加热炉和保温套加热，配合快速充液和循环装置加热围压液，使试样均匀加温受热，解决加热温度断层和常规橡胶套在超高温失效的问题，其保温隔热材料采用保温性能好的硅酸铝填充材料，并使外露部件温度控制在30℃以下；所述温度控制调节器与计算机相连，加热最高温度400℃。