一種圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置制造方法
【專利摘要】一種圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，屬于巖石工程和非常規(guī)天然氣工程領(lǐng)域，所述的測(cè)試裝置包括三軸壓力室、軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)。應(yīng)用本實(shí)用新型測(cè)試裝置能將游離態(tài)氣體和吸附態(tài)氣體引起的含氣頁巖膨脹應(yīng)變分離開，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)吸附應(yīng)變的準(zhǔn)確測(cè)定。為吸附測(cè)試提供偏應(yīng)力和恒溫環(huán)境，使所測(cè)得的膨脹變形更為準(zhǔn)確、更符合工程實(shí)際。
【專利說明】一種圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于巖石工程和非常規(guī)天然氣工程領(lǐng)域，特別涉及一種圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]頁巖氣是產(chǎn)生、賦存于致密、富含有機(jī)質(zhì)頁巖中的非常規(guī)天然氣，中國頁巖氣儲(chǔ)量大于常規(guī)天然氣，是未來重要的補(bǔ)充能源之一。常規(guī)天然氣儲(chǔ)層多為孔隙、裂隙發(fā)育的砂巖儲(chǔ)層，甲烷分子在其中的賦存狀態(tài)主要為游離態(tài)。含氣頁巖中25%?60%的甲烷分子以游離態(tài)賦存于含氣頁巖無機(jī)基質(zhì)的粒間孔隙以及自然裂隙中，40%?75%的甲烷分子以吸附態(tài)賦存于干酪根和粘土顆粒等有機(jī)質(zhì)的表面。
[0003]游離態(tài)甲烷和吸附態(tài)甲烷都會(huì)引起含氣頁巖的膨脹變形，但是對(duì)頁巖滲透率的影響卻全然不同。甲烷氣體生成后，游離態(tài)甲烷分子在有機(jī)質(zhì)中擴(kuò)散、在無機(jī)質(zhì)的粒間孔隙和微裂隙中運(yùn)移形成孔隙壓力，使得孔隙、裂隙張開，滲透率增加。吸附態(tài)甲烷分子吸附在干酪根和粘土顆粒等有機(jī)質(zhì)表面，會(huì)使得頁巖固體骨架膨脹變形，固體骨架膨脹之間的孔隙、微裂隙閉合，其滲透性能降低。含氣頁巖吸附變形是表征頁巖吸附甲烷、進(jìn)行含氣頁巖滲透率演化、開采機(jī)理和流固耦合基礎(chǔ)理論研究的重要參數(shù)，也是進(jìn)行含氣頁巖數(shù)值模擬研究所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0004]含氣頁巖儲(chǔ)層多具有低壓、欠飽和的特點(diǎn)，氣體難以解吸出來，必須采取增產(chǎn)措施才可以保證頁巖氣井具有商業(yè)化的可觀產(chǎn)量。含氣頁巖對(duì)不同氣體的吸附能力不同，其吸附二氧化碳的能力大于甲烷。利用二氧化碳的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用不僅可以置換甲烷分子提高頁巖氣產(chǎn)量，而且可以將溫室氣體二氧化碳儲(chǔ)存在頁巖層中。因此，二氧化碳驅(qū)替甲烷成為一項(xiàng)日益重要的增產(chǎn)技術(shù)。但是，由于對(duì)含氣頁巖吸附二氧化碳的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究還十分匱乏，二氧化碳驅(qū)替含氣頁巖甲烷技術(shù)目前仍未能在生產(chǎn)實(shí)踐中得以運(yùn)用。含氣頁巖吸附二氧化碳后，同樣會(huì)引起頁巖固體顆粒的膨脹變形，進(jìn)而引起滲透率的變化，影響二氧化碳的注入速度和注入壓力。因此，含氣頁巖吸附二氧化碳引起的變形是目前迫切需要準(zhǔn)確測(cè)試的內(nèi)容之一，也是增產(chǎn)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)。
[0005]中國含氣頁巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)改造，處于復(fù)雜的地應(yīng)力環(huán)境中，其吸附氣體后的真實(shí)膨脹變形是在地應(yīng)力和儲(chǔ)層內(nèi)部氣體壓力共同作用下的結(jié)果。中國含氣頁巖儲(chǔ)層多深埋于千米以下，含氣頁巖儲(chǔ)層以及其中的甲烷分子均處于較高的溫度環(huán)境中。高溫環(huán)境下，含氣頁巖骨架膨脹，儲(chǔ)存于其中的甲烷分子活躍，含氣頁巖吸附性能與低溫環(huán)境有所不同，進(jìn)而引起吸附膨脹變形也有所差異。綜上，如何準(zhǔn)確測(cè)定符合工程實(shí)際的含氣頁巖吸附變形，成為頁巖氣開發(fā)所面臨的關(guān)鍵問題之一。
[0006]由于含氣頁巖沉積形成時(shí)礦物顆粒的擇優(yōu)取向以及所承受的復(fù)雜地應(yīng)力，使得其具有非均質(zhì)、各向異性的特點(diǎn)，注入氣體引起含氣頁巖不同位置的變形并不相同，要獲得準(zhǔn)確的含氣頁巖變形，必須同時(shí)對(duì)含氣頁巖不同部位的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0007]目前，有關(guān)含氣頁巖膨脹變形的測(cè)試方法尚未見報(bào)道，已有的吸附膨脹變形測(cè)試方法多集中于煤吸附膨脹變形方面。已有的膨脹變形測(cè)試方法具有以下幾點(diǎn)問題:(I)所提供的應(yīng)力環(huán)境為靜水壓力的測(cè)試環(huán)境，而含氣頁巖儲(chǔ)層所承受的上覆巖層壓力和構(gòu)造應(yīng)力并不相同，測(cè)試環(huán)境應(yīng)為偏應(yīng)力環(huán)境；(2)所提供的恒定溫度環(huán)境只針對(duì)試樣加溫，并沒有為注入氣體提供相應(yīng)的恒溫環(huán)境；(3)將甲烷或者二氧化碳等吸附氣體注入試樣孔隙后，直接測(cè)試試樣的變形。這種測(cè)試方法下所測(cè)得的膨脹變形，既包含了游離態(tài)氣體引起的膨脹變形，也包含了吸附態(tài)氣體引起的膨脹變形。對(duì)于致密、低滲含氣頁巖而言，直接采用這種測(cè)試方法會(huì)導(dǎo)致所測(cè)得的含氣頁巖吸附膨脹變形偏大，直接影響滲透率的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致含氣頁巖商業(yè)開發(fā)和增產(chǎn)措施的設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差。
[0008]現(xiàn)有的膨脹變形多采用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，在加載圍壓偏壓的測(cè)試條件下，這種測(cè)試方法極易因應(yīng)變片導(dǎo)線引起液壓油泄露進(jìn)試樣，導(dǎo)致測(cè)試失敗。采用位移傳感器測(cè)試膨脹變形則可以很好的解決液壓油泄露問題，但是吸附測(cè)試中，試樣和液壓油之間采用熱塑套密封，環(huán)向傳感器固定在熱塑套外部，在一定的圍壓、軸壓、注氣壓力下，氣體可能通入試樣和熱塑管之間以及試樣和墊片之間，對(duì)環(huán)向變形和軸向變形的測(cè)量帶來誤差?，F(xiàn)有的膨脹變形測(cè)試方法中尚未對(duì)測(cè)試條件下該部分氣體引起的膨脹變形測(cè)試誤差進(jìn)行標(biāo)定和評(píng)估。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試方法存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置。
[0010]本實(shí)用新型圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，包括三軸壓力室、軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)；
[0011]三軸壓力室包括軸壓室、圍壓室、多孔墊片、軸向位移傳感器、上部環(huán)向位移傳感器、中部環(huán)向位移傳感器、下部環(huán)向位移傳感器和試樣加溫裝置；軸壓室設(shè)置在圍壓室之上，試樣的上下兩端分別放置多孔墊片；軸向位移傳感器豎直設(shè)置在圍壓室底部，分立兩偵牝軸向位移傳感器上端與試樣上部的圍壓室的壓頭固定連接，上部環(huán)向位移傳感器環(huán)繞在試樣上部，中部環(huán)向位移傳感器環(huán)繞在試樣中部，下部環(huán)向位移傳感器環(huán)繞在試樣下部；試樣加溫裝置設(shè)置在圍壓室內(nèi)；
[0012]軸壓控制系統(tǒng)與三軸壓力室的軸壓室相連通；
[0013]圍壓控制系統(tǒng)與三軸壓力室的圍壓室相連通；
[0014]上端氣體注入系統(tǒng)，包括第一高壓注氣泵，上端氣體注入系統(tǒng)通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣上部相對(duì)應(yīng)；
[0015]下端氣體注入系統(tǒng)，包括第二高壓注氣泵，下端氣體注入系統(tǒng)通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣下部相對(duì)應(yīng)；
[0016]抽真空系統(tǒng)，分別與上端氣體注入系統(tǒng)及下端氣體注入系統(tǒng)的相連通；
[0017]恒溫系統(tǒng)，分別與上端氣體注入系統(tǒng)的第一高壓注氣泵及下端氣體注入系統(tǒng)的第二高壓注氣泵相連接；
[0018]數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)，與三軸壓力室的數(shù)據(jù)控制端、軸壓控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端、圍壓控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端、上端氣體注入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端和下端氣體注入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端相連接。
[0019]其中:
[0020]上端氣體注入系統(tǒng)包括高壓注氣泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注氣泵的一端相通，高壓注氣泵的另一端與三軸壓力室的試樣上部通過圍壓室底部穿孔相連通；在高壓氣瓶與高壓注氣泵之間及高壓注氣泵與三軸壓力室的試樣之間均設(shè)置有截止閥。
[0021]下端氣體注入系統(tǒng)包括高壓注氣泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注氣泵的一端相通，高壓注氣泵的另一端與三軸壓力室的試樣下部通過圍壓室底部穿孔相連通；在高壓氣瓶與高壓注氣泵之間及高壓注氣泵與三軸壓力室的試樣之間均設(shè)置有截止閥。
[0022]三軸壓力室試樣加溫裝置包括試樣表面溫度傳感器、測(cè)油溫傳感器、加熱線圈；試樣表面溫度傳感器緊貼試樣放置，測(cè)油溫傳感器豎直放置于圍壓室底部，加熱線圈緊貼圍壓室的側(cè)壁放置；
[0023]上述軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)的管路采用不銹鋼耐壓管線；上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)中的不銹鋼耐壓管線外部包裹保溫夾套；上端氣體注入系統(tǒng)和下端氣體注入系統(tǒng)中的第一高壓注氣泵和第二高壓注氣泵外部包裹保溫夾套。
[0024]軸壓控制系統(tǒng)和圍壓控制系統(tǒng)中均設(shè)置壓力傳感器，壓力傳感器數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)相連接。
[0025]本實(shí)用新型的裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0026](I)、標(biāo)定出測(cè)試條件下試樣與墊片之間、試樣與熱塑管之間是否存在氣體，同時(shí)標(biāo)定出試樣與墊片之間、試樣與熱塑管之間氣體引起吸附應(yīng)變測(cè)試的誤差值。
[0027](2)、將游離態(tài)氣體和吸附態(tài)氣體引起的含氣頁巖膨脹應(yīng)變分離開，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)吸附應(yīng)變的準(zhǔn)確測(cè)定。
[0028](3)、為含氣頁巖試樣和注入氣體提供高精度的恒溫環(huán)境，有效控制了溫度引起的吸附應(yīng)變測(cè)試誤差和氣體壓力波動(dòng)，確保了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。恒溫后，溫度的波動(dòng)誤差控制在±0.1 °C以內(nèi)，氣體注入壓力的誤差可控制在0.5 %以內(nèi)，獲取的測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確。
[0029](4)、為吸附測(cè)試提供偏應(yīng)力環(huán)境，使所測(cè)得的膨脹變形更為準(zhǔn)確、更符合工程實(shí)際。
[0030](5)、利用位移傳感器解決了圍壓油易泄露進(jìn)試樣的問題，且將傳感器布置在試樣上、中、下三個(gè)部位，同時(shí)測(cè)定不同部位含氣頁巖試樣的膨脹變形,將三個(gè)部位測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值作為最終的膨脹變形，所得測(cè)試結(jié)果更為合理和準(zhǔn)確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本實(shí)用新型圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖的吸附變形測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]其中:1、軸壓泵；2、第一壓力傳感器；3、控油系統(tǒng)；4、圍壓泵；5、第二壓力傳感器；6、真空泵；7、第一高壓注氣泵；8、低溫槽；9、高壓氣瓶；10、第二高壓注氣泵；V1、第一截止閥；V2、第二截止閥；V3、第三截止閥；V4、第四截止閥；V5、第五截止閥；V6、第六截止閥；V7、第七截止閥；V8、第八截止閥；V9、第九截止閥；V10、第十截止閥；V11、第i^一截止閥；V12、第十二截止閥；R1、第一穩(wěn)壓閥；R2、第二穩(wěn)壓閥；R3、第一減壓閥；T1、第一三通；Τ2、第二三通；Τ3、第三三通；Τ4、第四三通；Τ5、第五三通；Τ6、第六三通；Τ7、第七三通；Τ8、第八三通；Τ9、第九三通；
[0033]圖2為本實(shí)用新型圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖的吸附變形測(cè)試裝置的三軸壓力室結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]其中:11、軸壓室；12、自平衡活塞；13、球頭；14、加熱線圈；15、上部環(huán)向位移傳感器；16、中部環(huán)向位移傳感器；17、下部環(huán)向位移傳感器；18、第一測(cè)油溫傳感器；19、第二測(cè)油溫傳感器；20、圍壓室；21、多孔墊片；22、軸向位移傳感器；23、試樣表面溫度傳感器；24、下部承壓臺(tái)；25、壓頭。

【具體實(shí)施方式】
[0035]如圖1所示，本實(shí)用新型圍壓偏壓恒溫下含氣頁巖吸附變形測(cè)試裝置，包括三軸壓力室、軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)。
[0036]三軸壓力室具體如圖2所示，包括軸壓室11、圍壓室20、自平衡活塞12、球頭13、軸向位移傳感器22、上部環(huán)向位移傳感器15、中部環(huán)向位移傳感器16、下部環(huán)向位移傳感器17、上下兩組多孔墊片21、壓頭25、下部承壓臺(tái)24 ;軸壓室11設(shè)置在圍壓室20之上，之間通過自平衡活塞12連接，自平衡活塞12延伸到圍壓室20內(nèi)的一端連接上球頭13，壓頭25與球頭13緊密連接，并位于球頭13正下方；圍壓室20底部設(shè)有下部承壓臺(tái)24，用于承載試樣，試樣的上下兩端分別放置多孔墊片21 ;軸向位傳感器22豎直設(shè)置在下部承壓臺(tái)24的上面，分立兩側(cè)，軸向位移傳感器上部通過墊塊固定于圍壓室壓頭上，上部環(huán)向位移傳感器15環(huán)繞在試樣上部，中部環(huán)向位移傳感器16環(huán)繞在試樣中部，下部環(huán)向位移傳感器17環(huán)繞在試樣下部；試樣加溫系統(tǒng)，設(shè)置在三軸壓力室圍壓室20內(nèi)，包括試樣表面溫度傳感器23、第一測(cè)油溫傳感器18、第二測(cè)油溫傳感器19和加熱線圈14，試樣表面溫度傳感器23緊貼試樣放置，第一測(cè)油溫傳感器18和第二測(cè)油溫傳感器19豎直放置于下部承壓臺(tái)的之上，對(duì)立兩側(cè)設(shè)置，加熱線圈14緊貼圍壓室的側(cè)壁放置；
[0037]軸壓控制系統(tǒng)包括軸壓泵1、第一截止閥V1、第一壓力傳感器2、第一三通Tl、第二截止閥V2、第二三通Τ2、控油系統(tǒng)3、第一穩(wěn)壓閥Rl ;軸壓泵I與第一截止閥Vl的一端相連通，第一截止閥Vl的另一端與第一三通Tl的第一出油端相連通，第一三通Tl的第二出油端與第一穩(wěn)壓閥Rl的一端相連通，第一穩(wěn)壓閥Rl的另一端與三軸壓力室的軸壓室11相連通，第一三通Tl的進(jìn)油端和第二截止閥V2的一端相連通，第二截止閥V2的另一端與第二三通Τ2的第一出油端相連通，第二三通Τ2的進(jìn)油端與控油系統(tǒng)3相連通，第一截止閥Vl與第一三通Tl之間設(shè)置第一壓力傳感器2。
[0038]圍壓控制系統(tǒng)包括圍壓泵4、第三截止閥V3、第二壓力傳感器5、第三三通Τ3、第四截止閥V4、第二穩(wěn)壓閥R2 ;圍壓泵4與第三截止閥V3的一端相連通，第三截止閥V3的另一端與第三三通Τ3的第一出油端相連通，第三三通Τ3的第二出油端與第二穩(wěn)壓閥R2的一端相連通，第二穩(wěn)壓閥R2的另一端與三軸壓力室中的圍壓室20相連通，第三三通Τ3的進(jìn)油端與第四截止閥V4的一端相連通，第四截止閥V4的另一端與軸壓控制系統(tǒng)中的第二三通T2的第二出油端相連通，第三截止閥V3與第三三通T3之間設(shè)置第二壓力傳感器5。
[0039]上端氣體注入系統(tǒng)包括第五截止閥V5、第四三通T4、第一高壓注氣泵7、第六截止閥V6、第六三通T6、第一減壓閥R3、高壓氣瓶9。第一高壓氣瓶9與第一減壓閥R3的一端相連通，第一穩(wěn)減壓閥R3的另一端與第六三通T6的進(jìn)氣口相連通，第六三通T6的第一出氣口與第六截止閥V6的一端相連通，第六截止閥V6的另一端與第一高壓注氣泵7的進(jìn)氣端相連通，第一高壓注氣泵7的出氣端與第四三通T4的進(jìn)氣端相連通，第四三通T4的第一出氣端與第五截止閥V5的一端相連通,第五截止閥V5的另一端與三軸壓力室的試樣上端進(jìn)氣端通過圍壓室下部承壓臺(tái)24穿孔相連通。
[0040]下端氣體注入系統(tǒng)包括第九截止閥V9、第七三通T7、第二高壓注氣泵10、第十截止閥VlO ;第十截止閥VlO的一端與上端氣體注入系統(tǒng)中的第六三通T6的第二出氣端相連通，第十截止閥VlO的另一端與第二高壓注氣泵10的進(jìn)氣端相連通，第二高壓注氣泵10的出氣端與第七三通T7的進(jìn)氣端相連通，第七三通T7的第一出氣端與第九截止閥V9的一端相連通，第九截止閥V9的另一端與三軸壓力室的試樣下端進(jìn)氣端通過圍壓室下部承壓臺(tái)24穿孔相連通。
[0041]抽真系統(tǒng)包括第七截止閥V7、第五三通T5、第八截止閥V8、真空泵6 ;真空泵6與第八截止閥V8的一端相連通，第八截止閥V8的另一端與第五三通的T5進(jìn)氣端相連通，第五三通T5的第一出氣端與第七截止閥V7的一端相連通,第七截止閥V7的另一端與上端氣體注入系統(tǒng)中的第四三通T4的第二出氣端相連通，第五三通T5的第二出氣端與下端氣體注入系統(tǒng)中的第七三通T7的第二出氣端相連通。
[0042]恒溫系統(tǒng)包括第八三通T8、第十一截止閥VI1、第九三通T9、第十二截止閥V12和低溫槽8 ;第八三通T8的第一出水端與上端氣體注入系統(tǒng)中的第一高壓注氣泵7的外部恒溫腔室的入水端相連通，第八三通T8的第二出水端與下端氣體注入系統(tǒng)中的第二高壓注氣泵10的外部恒溫腔室的入水端相連通，第八三通T8的進(jìn)水端端與第十一截止閥Vll的一端相連通，第十一截止閥Vll的另一端與低溫槽8的出水口相連通；第九三通T9的第一出水端與上端氣體注入系統(tǒng)中的第一高壓注氣泵7的外部恒溫腔室的出水端相連通，第九三通T9的第二出水端與下端氣體注入系統(tǒng)中的第二高壓注氣泵10的外部恒溫腔室的出水端相連通，第九三通T9的入水端與第十二截止閥V12的一端相連通，第十二截止閥V12的另一端與低溫槽8的進(jìn)水口相連通。
[0043]數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng):上端氣體注入系統(tǒng)中的第一高壓注氣泵7和下端氣體注入系統(tǒng)中的第二高壓注氣泵10通過自身配備的傳感器和數(shù)據(jù)采集盒將壓力和位移電信號(hào)換成所需數(shù)字信號(hào)，再通過電纜與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信。軸壓泵1、第一壓力傳感器2、控油系統(tǒng)3、圍壓泵4、第二壓力傳感器5、軸向位移傳感器22、加熱線圈14、上部環(huán)向位移傳感器15、中部環(huán)向位移傳感器16、下部環(huán)向位移傳感器17、試樣表面溫度傳感器23、第一測(cè)油溫傳感器18、第二測(cè)油溫傳感器19通過電纜與控制器采集模塊相連通，再通過控制器與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信。
[0044]上述各截止閥、三通、壓力傳感器之間用不銹鋼管線連接，為了防止不銹鋼耐壓管線散熱造成注入氣體的溫度降低，在上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)中的所有不銹鋼耐壓管線外部包裹保溫夾套。上端氣體注入系統(tǒng)和下端氣體注入系統(tǒng)中的第一高壓注氣泵和第二高壓注氣泵外部也包裹保溫夾套。
[0045]以上圍壓偏壓恒溫下含氣頁巖吸附變形測(cè)試裝置的各器件均由市場(chǎng)采購。
[0046]采用上述的圍壓偏壓恒溫下含氣頁巖吸附變形測(cè)試裝置，具體操作過程為:
[0047]步驟一、標(biāo)定測(cè)試條件下試樣與墊片、試樣與熱塑管之間氣體引起的試樣變形測(cè)試誤差
[0048](I)、將三軸壓力室的試樣表面的溫度傳感器23緊貼標(biāo)準(zhǔn)鋼樣固定，標(biāo)準(zhǔn)鋼樣上端與下端分別放置多孔墊片21，標(biāo)準(zhǔn)鋼樣外部套上熱塑管進(jìn)行隔絕密封；將軸向位移傳感器22固定于三軸壓力室圍壓室壓頭25上，上部環(huán)向位移傳感器15環(huán)繞套有熱塑管的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣的上部、中部環(huán)向位移傳感器16環(huán)繞套有熱塑管的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣的中部、下部環(huán)向位移傳感器17環(huán)繞套有熱塑管的標(biāo)準(zhǔn)鋼樣的下部固定，開始采集標(biāo)準(zhǔn)鋼樣的變形；關(guān)閉測(cè)試裝置的所有截止閥。
[0049](2)、打開第二截止閥V2，先將軸壓室11充滿液壓油，打開截止閥VI，運(yùn)行軸壓泵1，將軸壓泵充滿液壓油，關(guān)閉第二截止閥V2 ;打開第四截止閥V4，再將圍壓室20內(nèi)充滿液壓油，打開截止閥V3，運(yùn)行圍壓泵4，將圍壓泵充滿液壓油，關(guān)閉第四截止閥V4。
[0050](3)、打開第五截止閥至第十截止閥V5?V10，打開真空泵10，將標(biāo)準(zhǔn)鋼樣樣及管閥內(nèi)抽真空，達(dá)到所需真空狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉第五截止閥V5、第七截止閥V7、第八截止閥V8、第九截止閥V9和真空泵10，采用裝滿氦氣的高壓氣瓶12，調(diào)節(jié)第一減壓閥R3至壓力P1值2MPa，打開高壓氣瓶12，將第一高壓注氣泵9和第二高壓注氣泵16充滿，關(guān)閉第六截止閥V6，第十截止閥VlO ;第一高精度泵7和第二高精度柱塞泵10以壓力？1值210^開始獨(dú)立運(yùn)行；
[0051](4)、啟動(dòng)加熱線圈14，加熱三軸壓力室內(nèi)液壓油以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣試樣加溫，到達(dá)指定溫度T1值25°〇后，待軸向位移傳感器、上部環(huán)向位移傳感器、中部環(huán)向位移傳感器和下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的軸向位移傳感器數(shù)值為
0.43864mm、上部環(huán)向傳感器數(shù)值Lsteel^a為0.01492mm、中部環(huán)向傳感器數(shù)值為
0.01505mm、下部環(huán)向傳感器數(shù)值LsteWc為0.01499mm。
[0052](5)、打開低溫槽8，設(shè)置到和三軸壓力室相同的溫度T1值25°C。水浴內(nèi)部溫度恒定后，打開第十一截止閥VI1、第十二截止閥V12使恒溫水循環(huán)入第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10的外部恒溫腔室，使第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10內(nèi)氣體通過熱交換逐漸達(dá)到溫度恒定T1值25°C。氣體溫度恒定的標(biāo)準(zhǔn)為泵內(nèi)氣體的體積和壓力穩(wěn)定不再變化。
[0053](6)、設(shè)置圍壓泵4壓力，開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣加壓，壓力穩(wěn)定后調(diào)節(jié)第二穩(wěn)壓閥R2的壓力值，使圍壓室保持在壓力值oelS20MPa，為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣提供圍壓σε1，值為20MPa，待圍壓穩(wěn)定后，設(shè)置軸壓泵I壓力，開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣加偏壓，偏壓穩(wěn)定后調(diào)節(jié)第一穩(wěn)壓閥Rl的壓力值，使軸壓室保持在壓力值σ dl為5MPa，為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣提供偏壓σ dl、5MPa。待圍壓偏壓穩(wěn)定后，待三軸壓力室的軸向位移傳感器、上部環(huán)向位移傳感器、中部環(huán)向位移傳感器和下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值不再變化時(shí)，讀取此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣加圍壓偏壓后的軸向位移傳感器測(cè)量位移值為0.45568mm、標(biāo)準(zhǔn)鋼樣加圍壓偏壓后的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值LsfcdW為0.03001mm、標(biāo)準(zhǔn)鋼樣加圍壓偏壓后的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值
Lsto^1‘為0.03054mm和標(biāo)準(zhǔn)鋼樣加圍壓偏壓后的下部環(huán)向位移傳感器的數(shù)值Lstrekviwj為
0.02997mm ；
[0054]真空下施加圍壓偏壓后與施加圍壓偏壓前相比標(biāo)準(zhǔn)鋼樣的軸向應(yīng)變:
[0055]3X13l-StS6l-G|η=0.017042% 其中，Hsteel為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣高度，
H1I，
99.99mm。
[0056]真空下施加圍壓偏壓后與施加圍壓偏壓前相比標(biāo)準(zhǔn)鋼樣平均環(huán)向應(yīng)變:
[0057]
(^steel-O1-n-a ^steel-G1 -m-a ) ( ^steel-G1-n-b ^steel-σ, -m-b ) ( ^steel-σ, -n-c ^jSteel-O1 -m-c } I
^1TCie-Sted-O1 -A XD^f ,+AhXD.tp,^A XD^f ,X3
、a steelb steelc steelJ
= 0.01085%
[0058]其中，Aa為上部環(huán)向位移傳感器修正系數(shù)，2.987 ;Ab為中部環(huán)向位移傳感器修正系數(shù)，2.987 ；AC為下部環(huán)向位移傳感器修正系數(shù)，2.987 ； ；Dsteel為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣直徑，49.99mm。
[0059](7)、打開第五截止閥V5和第九截止閥V9，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣以壓力？1值210^注入氦氣，待第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10氣體體積不再變化時(shí)，讀取此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P1下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值H ,為0.45339mm、標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P i下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值1^#^為0.U^yynnm,標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P1下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值Lsteel_P1.n_b為0.02994mm，標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P1下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值 Lsteel-P1-n-c 為 0.02969mm ；
[0060]注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比標(biāo)準(zhǔn)鋼樣軸向應(yīng)變:
[0061 ] ￡油地鄴=Η^Ρ|"~Π~- = 0.014746%


steel
[0062]注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比標(biāo)準(zhǔn)鋼樣平均環(huán)向應(yīng)變:
[0063]

(^jSCeel-P1 -n-a ^jSteel-O1 -m-a ) (^steel-P1 -n-b ^steel-O1 -m-b ) (^sreel-P1 -n-c ^steel-O1 -m-c ) I A Λ1 Λ^ΟΟ/^circle-steel ? =--J---1--X — = U.U 丄 0)?/o
1 [ AaXDsreelAbXDstedAjDsteel J 3
[0064](8)、壓力P1值為2MPa下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差:
[0065]^axial-steel-eiror-P., _ ^axial-Steel-P1 ^axial-steel-0.00—2)52
[0066]壓力P1值為2MPa下試樣和熱塑管之間的氣體引起平均環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差:
[0067]^cirde-steel-error-P! _ ^Gircle-Steel-Pi
[0068]壓力P1值為2MPa下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差占施加圍壓偏壓后鋼樣軸向應(yīng)變的13.47%，因此不可忽略；而試樣和熱塑管之間的氣體引起的環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差占施加圍壓偏壓后鋼樣軸向應(yīng)變的2.46%，在傳感器的正常波動(dòng)范圍內(nèi)，說明在該壓力條件下試樣和熱塑管之間未進(jìn)入氣體。
[0069](9)、關(guān)閉第五截止閥V5、第九截止閥V9，將第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10內(nèi)氣體壓力升高至壓力P2,值為4MPa，打開第五截止閥V5、第九截止閥V9，對(duì)標(biāo)定鋼樣以壓力P2值4MPa注入氦氣，待第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10氣體體積不再變化時(shí)，
讀取此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P2下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值為0.45239mm、標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P2下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移為0.02981mm、標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P2下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值[-咕‘為0.03055mm和標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P2下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值Lsteel.P2.M為0.02973mm ；
[0070]參照壓力P1值2MPa下計(jì)算方法，可得壓力升高到P2值4MPa下的計(jì)算方法:
[0071]壓力P2值為4MPa下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差:
[0072]~ ^f ^ =-0.0032898%



上 Isteei
[0073]壓力P2值為4MPa下試樣和熱塑管之間的氣體引起平均環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差:
[0074]
i L -L ) ? L -L ) (L -L ^ I

\ steel-P1-n-a Steel-G1 -m-a / \ steel-P-.-n-b Steel-O1-m-b } \ steel-P->-n-c Steel-G1 -m-c J I
te— I ^+ ^+ ~;

=2.1 43 3 X105%
[0075]壓力P2值為4MPa下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差占施加圍壓偏壓后鋼樣軸向應(yīng)變的19.30%，因此不可忽略；而試樣和熱塑管之間的氣體引起的環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差占施加圍壓偏壓后鋼樣軸向應(yīng)變的0.20%，在傳感器的正常波動(dòng)范圍內(nèi)，說明在該壓力條件下試樣和熱塑管之間未進(jìn)入氣體。
[0076](10)、參照壓力P2條件下的測(cè)試和計(jì)算方法，不同壓力P3下試樣與墊片、試樣與熱塑管之間氣體引起試樣變形誤差的標(biāo)定測(cè)試和計(jì)算方法，
[0077]壓力P3下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差:

LI_ LI
Γλλ-.λ?^_ steel-P-, -nSteel-O1 -m ^■
[0078]^"axial-steel-error-P, _..^"axial-steel-σ,，



,,.1
[0079]其中:Hstawvn為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P3下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值；
[0080]壓力P3下試樣和熱塑管之間的氣體引起平均環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差:
[0081]

Steel-P3-π-a steel-σ, -m-a ) (^jSteel-P3 -n-b ^steel-σ； -m-b )Steel-P3-n-c ^steel-σ, -ra-c ) 1.'= ~AaXDstecl ?^+~+ ~~L X3_f—，
VJ
[0082]其中:Lsteel.P5_n.a為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P3下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值，
Lsteel-P3-n-b為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P3下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值，Lsteel-P3-n-c為標(biāo)準(zhǔn)鋼樣在壓力P3下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值；
[0083]壓力P3下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差、試樣和熱塑管之間的氣體引起平均環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差，測(cè)得數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見表1:
[0084]表I
[0085]
^steel-P3 -n^steel-P3 -n-a^steel-P3 -n-b^steel-P3 -n-c^*axial-steel-error-P3^"circle-stsel-error-P-
mmmmmmmm
~6 0.44355 0.02982 0.03055 0.02980 -0.0121295%2.1433 χ 101'%
[0086]壓力P3值為6MPa下試樣和墊片之間的氣體引起軸向應(yīng)變測(cè)試誤差占施加圍壓偏壓后鋼樣軸向應(yīng)變的71.17%，因此不可忽略；而試樣和熱塑管之間的氣體引起的環(huán)向應(yīng)變測(cè)試誤差占施加圍壓偏壓后鋼樣軸向應(yīng)變的0.20%，在傳感器的正常波動(dòng)范圍內(nèi)，說明在該壓力條件下試樣和熱塑管之間未進(jìn)入氣體。
[0087]步驟二、標(biāo)定測(cè)試條件下氦氣引起的含氣頁巖膨脹變形
[0088](11)、將標(biāo)準(zhǔn)鋼樣換為含氣頁巖試樣，將三軸壓力室的試樣表面的溫度傳感器23緊貼含氣頁巖試樣固定，含氣頁巖試樣上端與下端分別放置多孔墊片21，含氣頁巖試樣外部套上熱塑管進(jìn)行隔絕密封；將軸向位移傳感器固定于三軸壓力室圍壓室壓頭25上，上部環(huán)向位移傳感器15環(huán)繞套有熱塑管的含氣頁巖試樣的上部、中部環(huán)向位移傳感器16環(huán)繞套有熱塑管的含氣頁巖試樣的中部、下部環(huán)向位移傳感器17環(huán)繞套有熱塑管的含氣頁巖試樣的下部固定，開始采集含氣頁巖試樣的變形；關(guān)閉測(cè)試裝置的所有截止閥。
[0089](12)、打開第二截止閥V2，先將軸壓室11充滿液壓油，打開截止閥VI，運(yùn)行軸壓泵1，將軸壓泵充滿液壓油，關(guān)閉第二截止閥V2 ;打開第四截止閥V4，再將圍壓室20內(nèi)充滿液壓油，打開截止閥V3，運(yùn)行圍壓泵4，將圍壓泵充滿液壓油，關(guān)閉第四截止閥V4。
[0090](13)、打開第五截止閥至第十截止閥V5?VlO閥門，打開真空泵6，將含氣頁巖試樣及管閥內(nèi)抽真空達(dá)到所需真空度時(shí)，關(guān)閉第五截止閥V5、第七截止閥V7、第八截止閥V8、第九截止閥V9和真空泵6，調(diào)節(jié)減壓閥R3至壓力P1值2MPa，打開高壓氣瓶9，將第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10充滿氦氣，第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10以壓力P1開始獨(dú)立運(yùn)行；關(guān)閉第六截止閥V6和第十截止閥VlO ；
[0091](14)、啟動(dòng)加熱線圈14，加熱三軸壓力室內(nèi)液壓油以對(duì)含氣頁巖試樣加溫，到達(dá)指定溫度T1值25°〇后，待三軸壓力室的軸向位移傳感器、上部環(huán)向位移傳感器、中部環(huán)向位移傳感器和下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的含氣頁巖試樣加溫后的軸向位移傳感器測(cè)量位移值HsMfMvm為0.17065mm、含氣頁巖試樣加溫后的上部環(huán)向傳感器測(cè)量位移值Lshate-。,-m-a為0.01019mm、含氣頁巖試樣加溫后的中部環(huán)向傳感器測(cè)量位移值Lshal(MJl.m.b為0.01213mm和含氣頁巖試樣加溫后的下部環(huán)向傳感器測(cè)量位移值為
0.01158mm ；
[0092](15)、打開低溫槽8，設(shè)置到和三軸壓力室相同的溫度T1值25V。水浴內(nèi)部溫度恒定后，打開第十一截止閥Vll和第十二截止閥V12使恒溫水循環(huán)入第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10的外部恒溫腔室，使第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10內(nèi)氣體通過熱交換逐漸達(dá)到溫度恒定T1值25°C，氣體溫度恒定的標(biāo)準(zhǔn)為泵內(nèi)氣體的體積和壓力穩(wěn)定不再變化。
[0093](16)、打開第三截止閥V3，設(shè)置圍壓泵4壓力，開始對(duì)含氣頁巖試樣加壓，壓力穩(wěn)定后調(diào)節(jié)第二穩(wěn)壓閥R2的壓力值，使圍壓室保持在壓力值σ el，值為20MPa，為含氣頁巖試樣提供圍壓σ el，值為20MPa，待圍壓穩(wěn)定后，打開第一截止閥VI，設(shè)置軸壓泵I壓力，開始對(duì)試樣加偏壓，偏壓穩(wěn)定后調(diào)節(jié)第一穩(wěn)壓閥Rl的壓力值，使軸壓室保持在壓力值Odl，值為5MPa,為含氣頁巖試樣提供偏壓σ dl5MPa。待圍壓偏壓穩(wěn)定后,待軸向位移傳感器、上部環(huán)向位移傳感器、中部環(huán)向位移傳感器和下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的含氣頁巖試樣加圍壓偏壓后的軸向位移傳感器的測(cè)量位移值Hsfaatetii為0.87757mm、含氣頁巖試樣加圍壓偏壓后的上部環(huán)向位移傳感器的測(cè)量位移值Ldale-σ,-ιι---為0.1294_、含氣頁巖試樣加圍壓偏壓后的中部環(huán)向位移傳感器的測(cè)量位移值Lshak-cvn—b為0.1319mm和含氣頁巖試樣加圍壓偏壓后的下部環(huán)向位移傳感器的數(shù)值的測(cè)量位移值LshalWlM為0.1180mm ；
[0094]真空下施加圍壓偏壓后與施加圍壓偏壓前相比含氣頁巖試樣的軸向膨脹應(yīng)變:
[0095]匕―σ,= Η--「「Η--?α71247%，其中，Hshale 為含氣頁巖高度，99.22mm ;


-t^shale
[0096]真空下施加圍壓偏壓后與施加圍壓偏壓前相比含氣頁巖試樣的平均環(huán)向膨脹應(yīng)變:
[0097]
("^shale-σι -n-a ^shale-σ, -m-a ) ( ^shale-σι -n-b ^shale-σ, -m-b ) I ^shale-σ, -n-c ^shale-σ] -m-c I I Λ,
ε.= --;-+----1-+--1--- x-= 0.0779% ?
1 、 Aa X DshaleAb X DghaleΑε X Dshale ^ 3
[0098]其中，Dshale為含氣頁巖試樣高度，49.45mm。
[0099](17)、打開第五截止閥V5和第九截止閥V9，對(duì)含氣頁巖試樣以壓力P1^MPa注入非吸附性氣體，待第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10氣體體積不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值HsIialcPl-1I為
0.87422mm、非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值LshalesJVn_a為0.1220mm、非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值為0.1230mm和非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值LsMe-Prn-C為0.1089mm ；
[0100]壓力P1下注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比含氣頁巖試樣的變形包括三部分:真空下施加圍壓偏壓后與施加圍壓偏壓前相比氣頁巖試樣的變形、試樣與熱塑管之間的氦氣引起的含氣頁巖試樣的變形誤差、含氣頁巖孔隙和微裂隙中游離氦氣引起含氣頁巖試樣的膨脹變形。
[0101]壓力P1下注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中游離氦氣引起的含氣頁巖軸向膨脹應(yīng)變:
[0102]=Η—-QralWrfl =-0.0010741%


-^shale
[0103]壓力P1下注入非吸附性氣體后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中游離氦氣引起的含氣頁巖平均環(huán)向膨脹應(yīng)變:
[0104]

(^shaIe-P1 -n-a ^shale-σ, -m-a ) I ^shaie-P1-n-b ^-lShale-O1 -m-b ) I ^-rSbale-P1 -n-c ^shaie-σ, -m-c ) I
p— __^_I_L -L __!_J ' -L X_:_.' X__p一 p
circle-shale-PjΛ v/1、Λ.ΙΛΛ 丨、? circle-shale-σ, circle-steel-error-P|
^ AaXUslmleA.h XUshaleX ijShale J ^
= -0.005467%
[0105](18)、關(guān)閉第五截止閥V5和第九截止閥V9，將高第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10壓力提高至注入氣體壓力P2，值為4MPa，打開第五截止閥V5和第九截止閥V9，對(duì)含氣頁巖試樣以壓力P2值4MPa注入非氦氣，待第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10氣體體積不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值H.p2-n為0.87185mm,非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值LsMrf2-M為0.1190mm,非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2
下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值Lshale-1Vn-b為0.1185_，非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值Lshale-P2W為0.1049mm ；
[0106]參照壓力P1條件下的計(jì)算方法，得到:
[0107]壓力P2值4MPa下注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中的游離氦氣引起含氣頁巖試樣軸向應(yīng)變:
[0108]iaxial.shale.fteegas.p2 = Η-?—「m 遍―, -^aistedem叫=-0.0024716%



shale
[0109]壓力P2下注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中的游離氦氣引起含氣頁巖試樣平均環(huán)向應(yīng)變:


{^shale-Ρτ-π-a ^shaIe-O1 -m-a } ^shale-Ρτ-n-b ^shale-O1 -m-b ) (^shaIe-P-,-n-c ^shale-O1 -m-c } I
^circle-shab-freegas-^ -Λ νΠ+八 VD+Λ VH^
[0110]IvX jjShaleX i^shaleX ljShaleJ ^


^cirde-shaie-CT! ^circle-steel-error-P-.= -0.008319%
[0111](19)、參照壓力P2值410^條件下的測(cè)試和計(jì)算方法，壓力P3下含氣頁巖空隙和微裂隙中的游離氦氣引起含氣頁巖軸向、平均環(huán)向應(yīng)變測(cè)試和計(jì)算方法；
[0112]壓力P3下注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中的游離氦氣引起含氣頁巖軸向應(yīng)變:
H - H
__shale-P，-ηshale-σ, -m
[0113]^axial-shale-free gas-P3 —TZ^axial-shale-C1 _ ^axial-steel-error-Pj



H.,Iiaie
[0114]其中:Hsha^vn非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值；
[0115]壓力P3下注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中的游離氦氣引起含氣頁巖平均環(huán)向應(yīng)變:
,(L -L ) (h -L ) (l -L?


\ shale-P, -n-a shale-σ, -m-a J \ shale-P, -n-b sha!e-0|-ra-b / \ Shale-P3, -n-c ' shale-σ, -m-c} 丄
[0116]—= [ AaXDshale + AbXDstole + AcXDstole ,3 ;


^Gircle-shale-cr, ^"circle-steel-error-P.,
[0117]其中:LShate-p3-n-a為非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值，Lshale-P,-n-b為非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值，^shale-P3-11-C為非吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值；
[0118]壓力P3下，注入氦氣后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖空隙和微裂隙中游離氦氣引起的含氣頁巖軸向膨脹應(yīng)變和平均環(huán)向膨脹應(yīng)變，測(cè)得數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果見表2:
[0119]表2
[0120]
P]^shale-P-, -n^shale-P-,-n-a^shale-P-,-u-b^shale-P3 -n-c丄丄 ttee gas-P] ^circle-sKale-1ree gas-P3
MP-1mmmmmmmm
~6 0.86262 0.11660.1146 0.1016-0.0029365%-0.007559%
[0121]步驟三、吸附氣體引起的含氣頁巖真實(shí)吸附變形
[0122](20)、注非吸附性氣體測(cè)試結(jié)束后，打開第五截止閥至第十截止閥V5?VlO閥門，打開真空泵6，將試樣及管閥內(nèi)抽真空達(dá)到所需真空度時(shí)，關(guān)閉第五截止閥V5、第七截止閥V7、第八截止閥V8、第九截止閥V9。
[0123](21)、關(guān)閉第六截止閥V6和第十截止閥V10，將高壓氣瓶9內(nèi)氣體換為甲烷氣體，打開第六截止閥V6和第十截止閥V10，調(diào)節(jié)減壓閥R3至壓力P1值2MPa，打開高壓氣瓶9，將第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10充滿甲烷氣體，第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10以壓力P1值2MPa開始獨(dú)立運(yùn)行；關(guān)閉第六截止閥V6，第十截止閥VlO ；
[0124](22)、打開第五截止閥V5和第九截止閥V9,對(duì)含氣頁巖試樣以壓力P1值2MPa注入甲烷，待第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10氣體體積不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值HShate.p,.nS 0.86137mm、
吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移為
0.09163_、吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值Llie-prI,-b為0.09192mm和吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P1下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值L

Shale-Pl -n-c 為 0.08257mm ；
[0125]含頁巖試樣的變形不僅包含吸附態(tài)甲烷引起含氣頁巖的吸附變形，還包含真空下施加圍壓偏壓后與施加圍壓偏壓前相比氣頁巖試樣的變形、試樣與多孔墊片、試樣和熱塑管之間氣體引起的氣頁巖變形誤差、含氣頁巖孔隙和微裂隙中游離態(tài)氣體引起的氣頁巖膨脹變形。
[0126]壓力P1值為2MPa下注入甲烷后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁軸向真實(shí)吸附應(yīng)變:
[0127]
H/ —H
shale-P‘ -nsliale-G! -hiλ λ -? ^ cq/
axial-shale-adsorpt1n-P! —τ τ^*axial-shale-t7t ^axial-shale-free gas-Pj axial-steel-euor-P,—


^slialc
[0128]壓力P1值為2MPa下注入甲烷后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖平均真實(shí)環(huán)向吸附應(yīng)變:

,丨.1 '一 τ\ 11 /一 T\ ? ? /一 [丨、
\ shale-P, -n-a Shale-O1-m-a J \ shale-P,-n-b Shale-O1 -m-b / \ shale-P, -n-c Shale-C1-m-c / i
^cuck-shale-adsoipt1n-P, 一Λ vFi^A VFi^A V ΤΛ
[01 29]VA -uShaleA -uShaleA -^shale J J
_ -- _ ￡ 一 f、
circle-shale- ￠7, ckcle-shale-free gas-Pj circle-stee 1-error-!^

= 0.01979%
[0130](23)、壓力P1下測(cè)試結(jié)束后，關(guān)閉第五截止閥V5和第九截止閥V9，將高第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10壓力提高至注入氣體壓力P2,值為4MPa，打開第五截止閥V5和第九截止閥V9，對(duì)含氣頁巖試樣以壓力P2值4MPa注入甲烷氣體，待第一高壓注氣泵7和第二高壓注氣泵10氣體體積不再變化時(shí)，讀取此時(shí)的吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值H I11 >.ρ2.η為0.85053mm、吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值LstateiM為0.05625mm、吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值Lshale_P2.n.b為0.05448mm和吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P2下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值為
0.04916mm ；
[0131]參照壓力P1條件下計(jì)算方法，得到:
[0132]壓力P2值410^下，注入甲烷后與施加圍壓偏壓前相比，氣頁巖試樣的軸向真實(shí)吸附應(yīng)變:
[0133]

J-1rl1- Hf
^"axial-shale-adsorpl1n-P, —TT^"axial-shale-cr, ^"axial-shale-freegas-P, ^"axial-steel-error-P, _ 0.021487 /o


shale
[0134]壓力P2值410^下，注入甲烷后與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖試樣的平均環(huán)向真實(shí)吸附應(yīng)變:
[0135]


(LsI1Qle-P5 -n-a ^shale-σ, -m-a ) I ^jShale-P, -n-b ^shale-σ, -mb I (^jShale-P, -n~c ^shale-σ, -me j I
￡— I_:_!_Lj__;_:_I_-+-_:_ X__p
Circle-Shale^adsorpt1n-P2Λ V FNK w ΤΛΛ ν/ΤΛο circle-shale-σ]
- 、 Aa XDshahAb xHhaleAc XLiShale J ^
,~P


circle-stele-free g9s-P2 ' CirCie-Sieeterror-P2

= -().()4120%
[0136](24)、參照壓力P2條件下的測(cè)試和計(jì)算方法，壓力P3下注入甲烷與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖軸向、平均環(huán)向真實(shí)吸附應(yīng)變測(cè)試和計(jì)算方法；
[0137]壓力P3下含氣頁巖軸向真實(shí)吸附應(yīng)變:
Hv -H
「01381 ￡- shaleA-n Shale-G1-H1.|_υ OOJaxial-shale-adsorpt1n-P3yjaxial-shale-σ! axial-shale-free gas-Pj axial-steel-error-P3，



i^shale
[0139]其中:Hshafci^n為吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的軸向位移傳感器測(cè)量位移值；
[0140]壓力P3下含氣頁巖平均環(huán)向真實(shí)吸附應(yīng)變:
[0141]

(shale-P^ -n-a ^shale-0rm-a ) (^jShaie-P3-n-b ^shate-σ, -m-b ) (^shale-P1-n-c ^shale-σ, -m-c ) I左circle-shale-adsorpticm-Pj? \y ΓΛ+ΛνΤΛ+ΛνΤΛ^ η ^circle-shale-σ,;
Aa X ^shaIeAb X j^shaleX j^shale^
VJ

石*eircle-shale-free gas-P3 ^cird e-steel-enOr-P3
[0142]其中:l4ale.P3.n—a為吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的上部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值，Lshale.P:).n.b為吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的中部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值，Lshale.p3.n.c為吸附性氣體環(huán)境含氣頁巖試樣在壓力P3下的下部環(huán)向位移傳感器測(cè)量位移值。
[0143]壓力P3下注入甲烷與施加圍壓偏壓前相比，含氣頁巖軸向、平均環(huán)向真實(shí)吸附應(yīng)變測(cè)得數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果見表3:
[0144]表3
[0145]
T>TJyT /了 ZT f
r3Shate-Pmshale-P,-n-ashale-P,-n-bshale-P,-n-c, ? p on_P, ^lrde-shale-腿-]
MPa mmmmmmmm
~6 0.84157 0.0009231 -().()()2812 -0.004207^ -0.021217% -().()7941%
[0146]該級(jí)圍壓偏壓和溫度環(huán)境下，測(cè)試結(jié)束后，可先將試樣和管路系統(tǒng)內(nèi)的氣體抽真空。繼續(xù)提高圍壓、偏壓和溫度，測(cè)試不同圍壓、偏壓和溫度下的含氣頁巖的真實(shí)吸附膨脹變形，其測(cè)試和計(jì)算方法與該級(jí)圍壓偏壓和溫度環(huán)境下相同。
[0147]以上所述僅為本實(shí)用新型示意性的【具體實(shí)施方式】，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。任何在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下所做出的修改，均應(yīng)屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的測(cè)試裝置包括三軸壓力室、軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)； 所述的三軸壓力室包括軸壓室、圍壓室、多孔墊片、軸向位移傳感器、上部環(huán)向位移傳感器、中部環(huán)向位移傳感器、下部環(huán)向位移傳感器和試樣加溫裝置；軸壓室設(shè)置在圍壓室之上，試樣的上下兩端分別放置多孔墊片；軸向位移傳感器豎直設(shè)置在圍壓室底部，分立兩偵牝軸向位移傳感器上端與試樣上部的圍壓室的壓頭固定連接，上部環(huán)向位移傳感器環(huán)繞在試樣上部，中部環(huán)向位移傳感器環(huán)繞在試樣中部，下部環(huán)向位移傳感器環(huán)繞在試樣下部；試樣加溫裝置設(shè)置在圍壓室內(nèi)； 所述的軸壓控制系統(tǒng)與三軸壓力室的軸壓室相連通； 所述的圍壓控制系統(tǒng)與三軸壓力室的圍壓室相連通； 所述的上端氣體注入系統(tǒng)，包括高壓注氣泵，上端氣體注入系統(tǒng)通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣上部相對(duì)應(yīng)； 所述的下端氣體注入系統(tǒng)，包括高壓注氣泵，下端氣體注入系統(tǒng)通過三軸壓力室圍壓室底部穿孔與試樣下部相對(duì)應(yīng)； 所述的抽真空系統(tǒng)，分別與上端氣體注入系統(tǒng)及下端氣體注入系統(tǒng)相連通； 所述的恒溫系統(tǒng)，分別與上端氣體注入系統(tǒng)的高壓注氣泵及下端氣體注入系統(tǒng)的高壓注氣泵相連接； 所述的數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)，與三軸壓力室的數(shù)據(jù)控制端、軸壓控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端、圍壓控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端、上端氣體注入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端和下端氣體注入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制端相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的上端氣體注入系統(tǒng)包括高壓注氣泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注氣泵的一端相通，高壓注氣泵的另一端與三軸壓力室的試樣上部通過圍壓室底部穿孔相連通；在高壓氣瓶與高壓注氣泵之間及高壓注氣泵與三軸壓力室的試樣之間均設(shè)置有截止閥。
3.如權(quán)利要求1所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的下端氣體注入系統(tǒng)包括高壓注氣泵、減壓閥、高壓氣瓶和截止閥；高壓氣瓶與減壓閥的一端相連通，減壓閥的另一端與高壓注氣泵的一端相通，高壓注氣泵的另一端與三軸壓力室的試樣下部通過圍壓室底部穿孔相連通；在高壓氣瓶與高壓注氣泵之間及高壓注氣泵與三軸壓力室的試樣之間均設(shè)置有截止閥。
4.如權(quán)利要求1所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的三軸壓力室試樣加溫裝置包括試樣表面溫度傳感器、測(cè)油溫傳感器、加熱線圈；試樣表面溫度傳感器緊貼試樣放置，測(cè)油溫傳感器豎直放置于圍壓室底部，加熱線圈緊貼圍壓室的側(cè)壁放置。
5.如權(quán)利要求1所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述軸壓控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)的管路采用不銹鋼耐壓管線。
6.如權(quán)利要求5所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的上端氣體注入系統(tǒng)、下端氣體注入系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)中的不銹鋼耐壓管線外部包裹保溫夾套。
7.如權(quán)利要求1所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的上端氣體注入系統(tǒng)高壓注氣泵和下端氣體注入系統(tǒng)的高壓注氣泵外部包裹保溫夾套。
8.如權(quán)利要求1所述的圍壓偏壓恒溫環(huán)境下含氣頁巖吸附應(yīng)變測(cè)試裝置，其特征在于，所述的軸壓控制系統(tǒng)和圍壓控制系統(tǒng)中均設(shè)置壓力傳感器，壓力傳感器數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)相連接。
【文檔編號(hào)】G01B21/32GK203929056SQ201420220857
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】馮夏庭, 陳天宇, 張希巍, 楊成祥, 張鳳鵬, 劉建坡, 劉曉宇 申請(qǐng)人:東北大學(xué)