阅读说明：本技术 油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置 (Comprehensive testing device for heat conduction, expansion and crack propagation in high-temperature pyrolysis of oil shale ) 是由 宋盛渊 张烁 郭威 张文 马文良 胡莹 于 2020-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置,包括实验系统、设置在实验系统内的加热系统、与实验系统连通的收集系统、与实验系统电性连接的控制及数据采集系统,本发明操作简单,高效,通过伺服压力机保持了岩体的垂直应力状态,能够在一次实验中系统地测定出在上覆地层自重压力作用下油页岩热解过程的线膨胀系数、油页岩的膨胀力及导热系数,提供了一种测定油页岩导热系数的新思路,该装置为可视化装置,克服了油页岩因热解,裂纹发展无规律、难以测定的难题。(The invention discloses a comprehensive testing device for heat conduction, expansion and crack propagation during high-temperature pyrolysis of oil shale, which comprises an experiment system, a heating system arranged in the experiment system, a collecting system communicated with the experiment system and a control and data acquisition system electrically connected with the experiment system.)

油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置

技术领域

本发明涉及岩土热物理性质测试领域，特别是涉及一种油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置。

背景技术

随着世界经济与科技的发展，能源对人类的重要程度日益提高。由于人类对能源的消耗，世界的能源结构不断调整。特别是21世纪后，我国经济加速发展，而我国的能源现状是“富煤贫油少气”，故我国亟需找出一种可供使用的替代能源。油页岩作为一种石油的替代能源，在全世界分布广泛，储量巨大。我国的油页岩储量远超过国内的石油储量，排名世界第二。因此，加快油页岩开发勘探，尽快实现页岩油的工业化生产十分重要。

随着油页岩开采技术的发展，目前油页岩的原位转化技术是国内外研究的焦点。原位开采时，油页岩的热解发生在地下，热解后的半焦、残炭等直接留在地下，不会占用大量土地，不会对地面环境造成较大污染。但是该种开采方式目前仍处在试验阶段，对地下环境和地质的影响尚未明确，可能会引起地面塌陷地面沉降等多种地质问题，研究油页岩热解时的物理参数和热物理参数对于判断油页岩热解后地层的稳定性十分重要。

由于油页岩的热解导致常规的测量仪器无法应用于油页岩的热解过程，目前国内进行了许多有关油页岩热解的研究。但由于高温状态下油页岩热解时物质发生变化，并导致裂纹萌生与扩展，使得研究油页岩高温状态下的热物理系数和裂纹的扩展有一定的困难，专利号为“CN201310220946.4”的发明专利公开了一种高温高压热解反应的试验装置，该装置模拟了油页岩原位热解的条件，提供了油页岩热解的渗透性和力学性质的检测方法，但是无法测得油页岩的热物理参数，也无法观察记录油页岩热解过程中裂纹的扩展。可见国内外对于测量油页岩高温热解时热物理参数与裂纹扩展的专利文献存在技术空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，使其既能测定高温热解时油页岩的导热系数、线膨胀系数与膨胀力，又能观测油页岩热解时导致的裂纹扩展规律，达到综合测试的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置，包括实验系统、设置在所述实验系统内的加热系统、与所述实验系统连通的收集系统、与所述实验系统电性连接的控制及数据采集系统；

所述实验系统包括实验腔外壳，所述实验腔外壳的前后两面嵌设有耐高温隔热玻璃，所述实验腔外壳内设有试件容器，所述试件容器内放置有试件，所述试件的底部设有循环水冷装置，所述实验腔外壳的顶部设有伺服压力机，所述伺服压力机的输出端连接有传力板，所述传力板与所述试件容器上下对应设置；

所述加热系统包括保温层，所述保温层固定在所述实验腔外壳的左右两侧面上，所述保温层位于实验腔外壳内侧的端面上固定有第一发热元件，所述试件的顶面上设有第二发热元件，所述第二发热元件为环形云母电热片；

所述收集系统包括水浴冷却装置，所述水浴冷却装置位于所述实验腔外壳的外部，所述水浴冷却装置内设有页岩油收集容器，所述页岩油收集容器连通有导气管的一端，所述导气管的另一端连通在所述试件容器的底端；

所述控制及数据采集系统包括计算机，所述计算机通过导线连接有红外测温仪、测温组件、耐高温摄像头、压力传感器、位移传感器。

优选的，所述位移传感器位于所述实验腔外壳的顶部，所述位移传感器的一侧对应设置有位移传递棒，所述位移传递棒伸入所述实验腔外壳的顶面并连接在所述传力板的顶面上。

优选的，所述实验腔外壳的顶面上开设有通孔，所述位移传递棒伸入通孔连接传力板，所述通孔内安装有保温装置，所述保温装置、保温层均为耐火纤维保温层材料。

优选的，所述测温组件包括第一K型热电偶和第二K型热电偶，所述实验腔外壳的底面上开设有凹槽，所述第一K型热电偶固定在凹槽内，所述第一K型热电偶设置在所述试件的底面上，所述传力板的底面上开设有凹槽，所述第二K型热电偶固定在凹槽内，所述第二K型热电偶与所述试件的顶面对应设置。

优选的，所述试件容器的内侧壁上开设有凹槽，所述压力传感器固定在所述凹槽内，所述红外测温仪设置在实验腔外壳内。

优选的，所述耐高温摄像头嵌设在所述实验腔外壳的左侧，所述耐高温摄像头的镜头端套接有隔热玻璃罩。

优选的，所述伺服压力机连接有第一控制开关，所述第一发热元件连接有第二控制开关，所述第二发热元件连接有第三控制开关。

优选的，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关分别连接计算机。

优选的，所述导气管上安装有阀门。

一种油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的测试方法，其具体步骤为：步骤1：将油页岩制备成高200mm，半径50mm的圆柱形试件，将试件放入试件容器中,通过第一控制开关控制伺服压力机，为试件提供恒定的竖向压力；

步骤2：将实验装置密封好，通过第二控制开关控制第一发热元件的加热功率，当红外测温仪测定达到设定温度后，通过伺服控制系统保持实验腔恒温，同时记录油页岩样品每上升10℃位移传感器所检测的位移值X，通过公式：

计算油页岩的线膨胀系数，其中：

α——油页岩线膨胀系数

ΔX——位移传感器两次检测位移差值

L——试件长度

ΔT——两次记录的温差；

步骤3：在观察无页岩油产生后说明油页岩热解完全，通过第一控制开关逐步加大伺服压力机所提供的压力值直到位移传感器归零，记录竖直方向增加的压力及侧向压力传感器测得的数值，即为热解后油页岩竖直方向和水平方向的膨胀力；

步骤4：关闭第一发热元件，关闭阀门，使实验腔恒温密封隔热，打开循环水冷装置,通过第三控制开关设定第二发热元件的恒定加热功率Q，待该状态下装置再次达到稳定，即在红外测温仪测定实验腔温度再次恒定后，记录第二K型热电偶、第一K型热电偶所记录的试件上下表面的温度T1、T2，通过公式:

计算热解后高温条件下的导热系数，其中：

λ——油页岩导热系数

Q——发热元件15的恒定加热功率Q

F——试件横截面面积

L——试件长度。

本发明公开了以下技术效果：1.本发明操作简单，高效，提供一种油页岩热解导热、膨胀与裂纹扩展可视的一体化综合试验装置，通过伺服压力机保持了岩体的垂直应力状态，能够在一次实验中系统地测定出在上覆地层自重压力作用下油页岩热解过程的线膨胀系数、油页岩的膨胀力及导热系数。

2.本发明提供了一种测定油页岩导热系数的新思路，先将油页岩加热到一定温度，待反应完全将气相和液相全部排出后，再通过二次加热，由导热系数定义计算该温度时油页岩的导热系数。克服了热解过程油页岩物质发生变化导致无法测定高温时油页岩导热系数的难题，可以测定指定温度下的油页岩的导热系数，并且该思路也可以用于其他随温度发生物质变化的材料的导热系数的测定。

3.该装置为可视化装置，克服了油页岩因热解导致的裂纹发展无规律、难以测定的难题，实验全程可通过人眼观察，实现实时观测，并且仪器内部摄像机会记录油页岩热解的全过程，记录油页岩热解过程油气的产出和裂纹的扩展。

本装置既能测定高温热解时油页岩的导热系数、线膨胀系数与膨胀力，又能观测油页岩热解时导致的裂纹扩展规律，操作简单、高效，达到的综合测试效果好，弥补了国内外对于测量油页岩高温热解时热物理参数与裂纹扩展的专利文献存在的技术空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置的主视图；

图2为本发明油页岩高温热解时导热、膨胀与裂纹扩展的综合测试装置的俯视图；

图3为伺服压力机恒压控制原理图；

图4为第一发热元件温度控制原理图；

其中，A-实验系统，B-加热系统，C-收集系统，D-控制及数据采集系统，1-实验腔外壳、2-伺服压力机、3-传力板、4-保温层、5-第一发热元件、6-红外测温仪、7-试件容器、8-第一K型热电偶、9-导气管、10-阀门、11-水浴冷却装置、12-页岩油收集容器、13-压力传感器、14-第二发热元件、15-第二K型热电偶、16-保温装置、17-位移传递棒、18-位移传感器、19-计算机、20-第一控制开关、21-第二控制开关、22-第三控制开关、23-耐高温摄像头、24-隔热玻璃罩、25-循环水冷装置、26-耐高温隔热玻璃。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-4，本发明提供一种油页岩高温热解条件下的热物理性能测试装置，该装置由实验系统A、设置在实验系统A内的加热系统B、收集系统C、控制及数据采集系统D组成。包含实验腔外壳1、伺服压力机2、传力板3、保温层4、第一发热元件5、红外测温仪6、试件容器7、第一K型热电偶8、导气管9、阀门10、水浴冷却装置11、页岩油收集容器12、压力传感器13、第二发热元件14、第二K型热电偶15、保温装置16、位移传递棒17、位移传感器18、计算机19、第一控制开关20、第二控制开关21、第三控制开关22、耐高温摄像头23、隔热玻璃罩24、循环水冷装置25、耐高温隔热玻璃26。

实验系统A由实验腔外壳1及其内部元件组成，实验腔外壳1前后两面由耐高温隔热玻璃26构成，可以起到隔热的作用，并且可以通过玻璃观察实验腔内的反应情况。上下左右为金属受力骨架，上部骨架连接伺服压力机2，伺服压力机2通过传力板3为试件提供恒定均布的竖向压力。传力板3上部连接一位移传递棒17，通过开孔伸出实验腔外连接位移传感器18，开孔处通过保温装置16，采用耐火纤维保温层封堵出口空隙做保温处理。试件容器7布置于伺服压力机2正下方，由耐高温高压玻璃组成。在试件所对位置的下部骨架中布置循环水冷装置25，在测定导热系数时在试件底部吸收试件热量。

加热系统B由加热元件和保温层4组成，保温层4采用耐火纤维保温层，布置在实验腔左右金属框架内部，铺满左右金属框架。加热元件包括第一发热元件5和第二发热元件14，第一发热元件5采用电加热片，固定在保温层4位于实验腔外壳1内侧的端面上，第二发热元件14采用环形云母电热片，固定在试件顶端。

收集系统C由导气管9、阀门10、水浴冷却装置11及页岩油收集容器12构成。热解过程产生的油气通过导气管9进入页岩油收集容器12，通过水浴冷却装置11，使得页岩油冷却留在页岩油收集容器12中，而气体排出页岩油收集容器12外。

控制及数据采集系统D由红外测温仪6、第一K型热电偶8、第二K型热电偶15、压力传感器13、位移传感器18、计算机19、第一控制开关20、第二控制开关21、第三控制开关22、耐高温摄像头23组成。红外测温仪6设置在实验腔外壳1内部。第一K型热电偶8通过留于实验腔下部骨架中的凹槽固定在试件所对下部骨架上表面，用以测量试件底部的温度。第二K型热电偶15通过留于传力板3下表面的凹槽固定在传力板3下表面，用以测量试件顶部的温度。压力传感器13固定在试件容器7内侧壁上所开的凹槽中。位移传感器18布置于实验腔外部，连接位移传递棒7。耐高温摄像头23镶嵌在实验腔外壳1左侧骨架中，由于耐高温摄像头23需要维持持续的风和水冷却，所以布置隔热玻璃罩24以减少因高温摄像头风和水冷却所流失的热量。计算机19通过导线连接红外测温仪6、第二K型热电偶15、第一K型热电偶8、压力传感器13、位移传感器18、耐高温摄像头23，可以对红外测温仪6、第二K型热电偶15、第一K型热电偶8、压力传感器13、位移传感器18收集的数据进行显示，并通过耐高温摄像头23记录热解过程油页岩油气的产生与裂纹的发展。第一控制开关20通过导线连接计算机与伺服压力机2，可以控制伺服压力机2的压力，第二控制开关21连接计算机与第一发热元件5，通过红外测温仪6所检测的数据调节第一发热元件5的加热功率来控制实验腔内的恒定温度，第三控制开关22通过导线连接计算机与第二发热元件14，可以设定第二发热元件14的恒定加热功率，来对实验试件进行二次加热。

本装置包含以下具体实施过程：

步骤1：将油页岩制备成高200mm，半径50mm的圆柱形试件，将试件放入试件容器7中,通过第一控制开关20控制伺服压力机2，为试件提供恒定的竖向压力。

步骤2：将实验装置密封好，通过第二控制开关21控制第一发热元件5的加热功率，当红外测温仪6测定达到设定温度后，通过伺服控制系统保持实验腔恒温，同时记录油页岩样品每上升10℃位移传感器18所检测的位移值X，通过公式：

计算油页岩的线膨胀系数，其中：

α——油页岩线膨胀系数

ΔX——位移传感器两次检测位移差值

L——试件长度

ΔT——两次记录的温差

步骤3：在观察无页岩油产生后说明油页岩热解完全，通过第一控制开关20逐步加大伺服压力机2所提供的压力值直到位移传感器18归零，记录竖直方向增加的压力及侧向压力传感器13测得的数值，即为热解后油页岩竖直方向和水平方向的膨胀力。

步骤4：关闭第一发热元件5，关闭阀门10，使实验腔恒温密封隔热，打开循环水冷装置25,通过第三控制开关22设定发热元件14的恒定加热功率Q，待该状态下装置再次达到稳定，即在红外测温仪6测定实验腔温度再次恒定后，记录第二K型热电偶15、第一K型热电偶8所记录的试件上下表面的温度T1、T2，通过公式:

计算热解后高温条件下的导热系数，其中：

λ——油页岩导热系数

Q——发热元件15的恒定加热功率Q

F——试件横截面面积

L——试件长度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。