超临界CO2反应釜及岩体蠕变扩散侵蚀试验系统

摘要

本发明提供一种超临界CO

说明书

技术领域

本发明涉及岩体试验的技术领域，特别是涉及一种超临界CO₂反应釜及岩体蠕变扩散侵蚀试验系统。

背景技术

二氧化碳的临界压力为7.39MPa，临界温度为31.06℃，当二氧化碳所处的环境超过临界温度和临界压力时进入超临界态，超临界CO₂是一种既非气态又非液态而存在的一种超临界流体，而它既具有液体溶质溶解性较大的特点，又具有气体易于扩散和运动的特性，由于超临界CO₂同时具有便宜易得、无毒无污染和不易燃烧的特点，引起了社会各界的广泛关注，并且正在被应用于各种领域。

随着非常规油气资源开采及地下储藏技术的不断发展，超临界CO₂也得到了广范应用，例如油气资源开发时运用超临界CO₂驱替煤层气、利用超临界CO₂炮深孔致裂、增渗；又如，目前流行的二氧化碳地下封存技术中，将液态二氧化碳注入不可采的煤层，一方面起到二氧化碳封存的目的，另一方面又可以将煤体中的瓦斯解析出来实现瓦斯增产；再如，还可以将二氧化碳注入废弃的矿井腔体内实现封存矿井，随着二氧化碳地下封存深度的增加，所受的压力和温度也随之增加，很容易达到二氧化碳的临界压力和温度。为了更好的实现超临界CO₂的运用和发展，全面了解和掌握超临界CO₂条件下岩体的力学性质十分重要，对于二氧化碳地下封存来说，了解岩体处在应力-温度-超临界CO₂流体的多场耦合环境，长时间作用下所发生的蠕变、扩散和侵蚀反应对于编制和设计地下封存方案、指导现场施工及后期的维护都具有重大的意义。

目前对于岩体在超临界CO₂环境下的蠕变、扩散和侵蚀研究中，相关的渗流扩散理论和数值模拟都难以准确的预测，大多数还是通过实验室试验的手段对其进行研究，即将圆柱形岩体试件提前浸没于超临界CO₂中预设时间后，将试件取出置于三轴实验机上，施加轴向载荷，并通过注油加载围压进行蠕变、渗流扩散和侵蚀反应试验，但是上述方式在进行三轴应力状态下岩体的蠕变、渗流扩散和侵蚀反应试验时，试件已经脱离超临界CO₂环境，得到试验结果存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界CO₂反应釜，为岩体试件进行三轴应力状态下岩体的蠕变、渗流扩散和侵蚀反应试验时提供超临界CO₂环境，同时基于该超临界CO₂反应釜，提供一种岩体蠕变扩散侵蚀试验系统，为研究岩体试件处在应力-温度-超临界CO₂流体的多场耦合环境下，不同载荷、不同温度和不同围压下岩体的长期力学性能提供实验基础。

本发明提供一种超临界CO₂反应釜，为试件提供超临界CO₂环境，包括具有试验腔的釜体、设置在釜体侧壁内的加热层、设置在试验腔内的温度传感器和压力传感器、用于将釜体的开口密封的密封盖、设置在密封盖上的试件固定组件以及用于对试件施加轴向载荷的液压加载组件；釜体上设置有连通试验腔与釜体外部环境的进/出气管；进/出气管上设置有气阀；试件固定组件包括导向立杆以及滑动设置在导向立杆上的上垫块和下垫块；导向立杆的数量至少为两个，第一端与密封盖内侧面连接，第二端设置有限制下垫块滑动的限位部；导向立杆、上垫块和下垫块围合成试件固定区；液压加载组件包括加载油腔以及轴向加载杆；加载油腔密封设置在密封盖的外侧面上，且设置有进油管；进油管上设置有油阀；轴向加载杆的第一端滑动设置在加载油腔内，第二端穿过密封盖朝向上垫块，且轴向加载杆与加载油腔和密封盖之间均为密封接触。

进一步地，釜体上设置有用于连接温度传感器和/或压力传感器的导线孔。

进一步地，釜体的开口端面上设置有轴向延伸的螺纹孔；密封盖上设置有轴向贯穿密封盖且与螺纹孔对应的连接孔；釜体和密封盖之间设置有密封垫圈，且通过螺栓连接。

进一步地，超临界CO₂反应釜还包括围合在釜体外的保温层，且保温层比釜体的开口端面高10>

进一步地，上垫块和下垫块均包括用于与导向立杆连接的连接部以及设置在连接部上的用于抵靠在试件上的固定部；连接部和固定部均为圆柱状，且连接部的半径至少为固定部半径与导向立杆直径之和。

进一步地，导向立杆的第一端螺纹连接在密封盖上；限位部为螺纹连接在导向立杆上的限位螺母。

进一步地，加载油腔螺纹连接在密封盖上。

进一步地，密封盖上对称设置有两个定位旋杆。

进一步地，进/出气管和进油管均为不锈钢管；气阀和油阀不锈钢针形阀，与不锈钢钢管通过卡套螺纹连接。

本发明还提供一种岩体蠕变扩散侵蚀试验系统，包括液压加载系统、智能温控系统、温度-压力监测系统、二氧化碳注入系统、抽真空系统以及上述任一项所述的超临界CO₂反应釜；超临界CO₂反应釜的进油管与液压加载系统连接，加热层与智能温控系统连接，温度传感器和压力传感器与温度-压力监测系统连接，进/出气管与二氧化碳注入系统或抽真空系统连接；温度-压力监测系统用于检测试验腔内的温度和压力，并将温度的检测值反馈给智能温控系统，实时显示压力的检测值；智能温控系统根据温度的检测值控制加热层的加热温度。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的超临界CO₂反应釜，将试件置于试件固定区内，滑动上垫块将试件固定后，通过进油管向加载油腔内注油，推动轴向加载杆向上垫块施加压力，至试件受到轴向载荷达到预设值后，将试件放入试验腔内，密封盖密封封闭釜体的端口，加热层对试验腔加热，试验腔内的空气通过进/出气管排出至试验腔内呈负压状态，将二氧化碳通过进/出气管充入试验腔内，通过温度传感器和压力传感器检测试验腔内的温度和压力是否达到二氧化碳的临界温度和临界压力，以判断是否形成超临界CO₂环境，环境形成后，可直接在该反应釜内进行三轴应力状态下岩体的蠕变、渗流扩散和侵蚀反应试验。由上可知，本发明提供的超临界CO₂反应釜，为岩体试件进行三轴应力状态下岩体的蠕变、渗流扩散和侵蚀反应试验时提供超临界CO₂环境。基于该超临界CO₂反应釜的岩体蠕变扩散侵蚀试验系统采用液压加载系统对试件加载轴向载荷，采用二氧化碳注入系统加载围压载荷的方式，实现了试件的三轴应力状态，特别指出直接采用超临界CO₂压力作为围压载荷，与其他围压加载方式相比，免去了试件前期繁琐的预处理措施；同时该系统可改变载荷、温度和围压的大小，为研究岩体试件处在应力-温度-超临界CO₂流体的多场耦合环境下，不同载荷、不同温度和不同围压下岩体的长期力学性能提供实验基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明实施例1提供的超临界CO₂反应釜的结构示意图；

图2是图1所示超临界CO₂反应釜的剖视图。

标号：1-试验腔；2-釜体；3-加热层；4-密封盖；5-进/出气管；6-气阀；7-导向立杆；8-上垫块；9-下垫块；10-限位部；11-加载油腔；12-轴向加载杆；13-进油管；14-油阀；15-导线孔；16-螺纹孔；17-连接孔；18-密封垫圈；19-螺栓；20-保温层；21-定位旋杆；100-试件。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种超临界CO₂反应釜，为试件提供超临界CO₂环境，包括具有试验腔1的釜体2、设置在釜体2侧壁内的加热层3、设置在试验腔1内的温度传感器和压力传感器、用于将釜体2的开口密封的密封盖4、设置在密封盖4上的试件固定组件以及用于对试件100施加轴向载荷的液压加载组件；釜体2上设置有连通试验腔1与釜体2外部环境的进/出气管5；进/出气管5上设置有气阀6；试件固定组件包括导向立杆7以及滑动设置在导向立杆7上的上垫块8和下垫块9；导向立杆7的数量至少为两个，第一端与密封盖4内侧面连接，第二端设置有限制下垫块9滑动的限位部10；导向立杆7、上垫块8和下垫块9围合成试件固定区；液压加载组件包括加载油腔11以及轴向加载杆12；加载油腔11密封设置在密封盖4的外侧面上，且设置有进油管13；进油管13上设置有油阀14；轴向加载杆12的第一端滑动设置在加载油腔11内，第二端穿过密封盖4朝向上垫块8，且轴向加载杆12与加载油腔11和密封盖4之间均为密封接触。

将试件置于试件固定区内，滑动上垫块8将试件固定后，通过进油管13向加载油腔11内注油，推动轴向加载杆12向上垫块8施加压力，至试件100受到轴向载荷达到预设值后，将试件100放入试验腔1内，密封盖4密封封闭釜体2的端口，加热层3对试验腔1加热，试验腔1内的空气通过进/出气管5排出至试验腔1内呈负压状态，将二氧化碳通过进/出气管5充入试验腔1内，通过温度传感器和压力传感器检测试验腔1内的温度和压力是否达到二氧化碳的临界温度和临界压力，以判断是否形成超临界CO₂环境，环境形成后，试件100四周暴露于试验腔1的内部环境中，通过超临界CO₂的压力对试件100进行围压加载，可直接在该反应釜内进行三轴应力状态下岩体的蠕变、渗流扩散和侵蚀反应试验。

进一步地，试验腔1为圆柱形腔体，加热层3为电加热层，温度传感器为热电偶传感器。

进一步地，釜体2上设置有用于连接温度传感器和/或压力传感器的导线孔15，以便于将温度传感器和压力传感器与外接温度-压力监测系统连接。导线孔15的可以设置一个，连接温度传感器和压力传感器的引线均从这一个导线孔15穿过，也可以设置两个供接温度传感器和压力传感器的引线分别穿过。

进一步地，釜体2的开口端面上设置有轴向延伸的螺纹孔16；密封盖4上设置有轴向贯穿密封盖4且与螺纹孔16对应的连接孔17；釜体2和密封盖4之间设置有密封垫圈18，且通过螺栓19连接。优选地，密封垫圈18为聚四氟乙烯密封垫圈，聚四氟乙烯是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化性、耐温跨度大(能在+250℃至-180℃的温度下长期工作)。

进一步地，超临界CO₂反应釜还包括围合在釜体2外的保温层20，且保温层20比釜体1的开口端面高10>

进一步地，上垫块8和下垫块9均包括用于与导向立杆7连接的连接部以及设置在连接部上的用于抵靠在试件100上的固定部；连接部和固定部均为圆柱状，且连接部的半径至少为固定部半径与导向立杆7直径之和，以便连接部能供导向立杆7穿过。

导向立杆7的第一端可以是焊接或卡接在密封盖4上，优选地，导向立杆7的第一端螺纹连接在密封盖4上，螺纹连接加工方便，连接稳定，且便于安装和拆卸；限位部10可以焊接在导向立杆7上，或与导向立杆7一体成型，优选地，限位部10为螺纹连接在导向立杆7上的限位螺母，以便于上垫块8和下垫块9的安装，及调节下垫块9的高度。

为了便于安装和拆卸，加载油腔11可拆卸的安装在密封盖4上，具体地，加载油腔11螺纹连接在密封盖4上，以保证加载油腔11和密封盖4之间的密封性。

进一步地，密封盖4上对称设置有两个定位旋杆21。

进一步地，进/出气管5和进油管13均为不锈钢管；气阀6和油阀14不锈钢针形阀，与不锈钢钢管通过卡套螺纹连接。不锈钢针形阀耐高温高压且密封性好。卡套螺纹连接能够保证切断或者开启管道通路时接口的气密性。

实施例2

本实施例以实施例1所述的超临界CO₂反应釜为基础，提供具体设计数值：

试验腔1内径范围为80 mm-120 mm，高度范围为160mm-200 mm；密封盖4直径范围为150mm-180 mm，厚度范围为20 mm-50 mm，密封盖4边缘沿着周向均匀分布十二个连接孔17，孔径根据螺栓19的大小确定；釜体2的开口端面上的螺纹孔16深度范围为15 mm-25 mm；螺栓19为内六角紧固螺栓；密封垫圈18的厚度范围为3 mm-5 mm；加热层3在釜体2侧壁内均匀设置，与试验腔1等高，厚度为30 mm；加载油腔11的内径为50 mm，壁厚范围为5 mm-10 mm，轴向加载杆12滑动的范围为20 mm-35 mm；导向立杆7为圆柱杆直径范围为10 mm-20 mm，长度范围为130 mm-180 mm，第二端上的限位部10为六角螺母；上垫块8和下垫块9的固定部直径为50 mm，高度范围10 mm-20 mm；上垫块8和下垫块9的连接部直径范围为80 mm-100 mm，高度范围为15 mm-30 mm；保温层20的厚度为30 mm，高度比釜体2的开口端面高出10 mm-20mm。

实施例3

本实施例提供一种岩体蠕变扩散侵蚀试验系统，包括液压加载系统、智能温控系统、温度-压力监测系统、二氧化碳注入系统、抽真空系统以及实施例1所述的超临界CO₂反应釜；超临界CO₂反应釜的进油管13与液压加载系统连接，加热层3与智能温控系统连接，温度传感器和压力传感器与温度-压力监测系统连接，进/出气管5与二氧化碳注入系统或抽真空系统连接；温度-压力监测系统用于检测试验腔1内的温度和压力，并将温度的检测值反馈给智能温控系统，实时显示压力的检测值；智能温控系统根据温度的检测值控制加热层3的加热温度。

本实施例中，抽真空系统包括真空泵；二氧化碳注入系统包括柱塞泵；试验腔1内温度的变化范围为20℃-400℃，压力的变化范围为5MPa-40MPa；加载油腔11可供给的最大载荷为40MPa。

上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。