一种可视化页岩吸附变形试验装置及其使用方法
阅读说明：本技术 一种可视化页岩吸附变形试验装置及其使用方法 (Visual shale adsorption deformation test device and use method thereof ) 是由 王阳 陈尚斌 向杰 曹庆舜 张彤 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及页岩气体吸附变形试验领域,公开一种可视化页岩吸附变形试验装置,包括压力控制系统、吸附检测系统、温度控制部和数据采集分析部；压力控制系统能够向吸附检测系统中注入或抽出气体,吸附检测系统能够记录CO-(2)吸附导致页岩变形过程,温度控制部用以调整压力控制系统和吸附检测系统内气体温度,数据采集分析部用以对试验数据进行收集与分析。此外还提出了一种基于上述试验装置的使用方法,本发明利用显微镜实时检测不同温度不同压力状态下CO-(2)吸附导致页岩变形过程,基于数据、图像处理分析获得各个方向上的平面应变,进而计算出精确的体积应变。(The invention relates to the field of shale gas adsorption deformation tests and discloses a visual shale adsorption deformation test device which comprises a pressure control system, an adsorption detection system, a temperature control part and a data acquisition and analysis part, wherein the pressure control system is connected with the adsorption detection system through a pipeline; the pressure control system can inject or extract gas into or out of the adsorption detection system, and the adsorption detection system can record CO 2 The shale deformation process is caused by adsorption, the temperature control part is used for adjusting the gas temperature in the pressure control system and the adsorption detection system, and the data acquisition and analysis part is used for collecting and analyzing test data. In addition, the invention also provides a use method based on the test device, and the invention uses a microscope to detect CO in real time under different temperature and pressure states 2 And in the shale deformation process caused by adsorption, plane strain in each direction is obtained based on data and image processing analysis, and then accurate volume strain is calculated.)
技术领域
本发明涉及页岩气体吸附变形试验领域，特别是涉及一种可视化页岩吸附变形试验装置及其使用方法。
背景技术
页岩储层具有低孔、低渗的特征，需要人工压裂改造才能进行商业开发，常用的水力压裂方式对水的需求量巨大，难以满足部分地区页岩气开发，页岩气高效压裂开发技术受到越来越多关注。二氧化碳(CO2)是造成温室效应的最主要气体之一，大量研究表明，CO2在页岩气开发工程中可作为一种有效驱替剂，大幅提高页岩气采收率。在页岩气开发过程中利用CO2对以吸附态甲烷(CH4)为主的页岩气进行解吸和驱替，不仅可提高页岩气的采收率(Enhanced Shale Gas Recovery)，还可以在页岩储层中对CO2进行有效地质封存。然而页岩储层吸附CO2分子时，会引起储层变形膨胀，降低储层渗透率，堵塞气体运移通道，成为制约该技术发展的重要因素之一。因此，通过物理试验模拟得出不同地质温压条件下页岩储层的CO2吸附及变形特征具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可视化页岩吸附变形试验装置及其使用方法，能够通过物理试验模拟得出不同地质温压条件下页岩储层的CO2吸附及变形特征。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一方面提供了一种可视化页岩吸附变形试验装置，包括压力控制系统和吸附检测系统；所述压力控制系统包括压力控制部和气体参考槽，所述压力控制部通过第五管道与气体参考槽连通，所述气体参考槽内设置有第一温度传感器，所述吸附检测系统包括与所述气体参考槽连通的吸附罐，所述压力控制部用于向所述气体参考槽和吸附罐内加注或抽出气体，所述吸附罐内设置有载物台和第二温度传感器，所述吸附罐外侧设置有显微镜和在所述显微镜固定连接的采集相机，所述显微镜的物镜与所述载物台相对设置；所述第一温度传感器、第二温度传感器和采集相机均与数据采集分析部电性连接，所述气体参考槽周侧和所述吸附罐下端设置有温度控制部。
优选的，所述吸附罐还包括底座、壁体、加固连接件和罐盖，所述底座与壁体固定连接，所述底座上表面设置有所述加固连接件，所述底座与壁体均与所述加固连接件固定连接，所述壁体和加固连接件贯穿设置有气体输入口，所述加固连接件侧壁上固定连接有样品底座，所述样品底座贯穿设置有气体通道，所述样品底座上端固定连接有伸缩结构，所述伸缩结构上端与所述载物台下端面固定连接，所述壁体和罐盖固定连接，所述壁体和罐盖上均设置有观察窗，所述显微镜的物镜、观察窗和载物台设置在同一直线上，所述壁体上可拆卸连接有样品放入口，所述样品放入口与所述载物台相对设置。
优选的，所述伸缩结构包括伸缩支撑柱和插销，所述伸缩支撑柱包括固定端和活动端，所述固定端下端固定设置在所述样品底座上端，所述活动端的上端固定连接所述载物台的下端面，所述固定端上设置有多个第一通孔，所述活动端上设置有第二通孔，所述固定端与活动端滑动连接，所述第一通孔和第二通孔均与所述插销相适配。
优选的，所述显微镜和采集相机均为三个，所述显微镜和采集相机一一对应设置，三个所述显微镜互相垂直设置。
优选的，所述吸附罐周侧设置有不锈钢底座，所述不锈钢底座上端面固定连接有显微镜支架杆体的下端，所述显微镜支架杆体的上端通过短条固定橡胶垫固定连接有连接杆的一端,所述连接杆的另一端通过长条固定橡胶垫可拆卸连接有所述显微镜，所述连接杆为三个，所述连接杆与显微镜一一对应设置。
优选的，所述压力控制部包括气体注入单元、加压单元和抽真空单元，所述气体注入单元的一端与加压单元的一端连通，所述加压单元的另一端和抽真空单元的一端均与所述气体参考槽连通。
优选的，所述气体注入单元为储气瓶，所述加压单元为柱塞增压泵，所述抽真空单元为真空泵，所述储气瓶通过第一管道与所述柱塞增压泵的一端连通，所述第一管道上设置有第一阀门，所述柱塞增压泵的另一端依次通过第二管道和第四管道与所述参考槽气体通入口连通，所述第二管道上设置有第二阀门，所述第四管道上设置有第四阀门，所述第二管道和第四管道相连通，所述真空泵依次通过第三管道和第四管道与所述参考槽气体通入口连通，所述第二管道和第三管道并联设置，所述第三管道上设置有第三阀门，所述参考槽气体通出口通过所述第五管道与所述吸附罐的气体输入口连通，所述第五管道上设置有气体压力传感器和第五阀门。
优选的，所述显微镜为高分辨率远心显微镜，所述温度控制部为恒温水浴锅，所述数据采集分析部为计算机。
本发明公开了以下技术效果：本发明能够基于光学图像处理，通过显微镜实时拍摄不同温度不同压力条件下吸附过程中页岩平面照片，能够对页岩吸附变形现象进行可视化观察、数字化处理分析，利用照片大小、单位面积内像素点的变化，精确计算出平面应变量及体积应变量。该试验装置的精确度高，过程简单，结构合理，便于拆卸，安全系数高。
本发明另一方面提供了一种可视化页岩吸附变形试验装置的使用方法，包括以下步骤：
制作页岩样品，并测试得出所述页岩样品的质量，计算出所述页岩样品体积参数；
对所述压力控制部、气体参考槽和吸附罐进行气密性检验；
将所述页岩样品固定在所述载物台上表面；
所述显微镜采用相同倍率，对所述页岩样品进行拍摄；
所述压力控制部向所述气体参考槽和吸附罐进行抽真空处理；
所述温度控制部调整所述气体参考槽和吸附罐内的气体温度至地层温度，通过所述气体注入单元和加压单元向所述气体参考槽内通入试验气体并静置，记录试验温度；
通过所述气体参考槽向所述吸附罐内注入试验气体，所述加压单元逐渐提升气体压力直到设定平衡压力位置；
收集试验数据，分析试验数据，实时对图像数据处理分析，获得实时平面应变量及体积应变量；
通过所述压力控制部降低所述气体参考槽和吸附罐内的气体压力至标准大气压力；
取出页岩样品。
优选的，所述平面应变量的计算公式为：
式中，εx为平面应变量，Δs为页岩样品平面增加的面积，s为页岩样品平面初始平面面积；
所述页岩样品平面增加的面积的计算公式为：
式中，Δs为页岩样品平面增加的面积，s为页岩样品平面初始平面面积，N为平面上像素点数量，ΔN为增加的像素点数量；
所述体积应变量的计算公式为：
式中，εv为体积应变量，Δx为页岩样品增加的长度，Δy为页岩样品增加的宽度，Δz为页岩样品增加的高度；x为页岩样品初始长度，y为页岩样品初始宽度，z为页岩样品初始高度；
页岩样品增加的边长的计算公式为：
式中，Δl为样品增加的边长，l为样品初始边长，n为边长上像素点数量，Δn为增加的像素点数量。
所述使用方法和上述的试验装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
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为本发明可视化页岩吸附变形试验装置的结构示意图；
图2为吸附检测系统的前视剖视图；
图3为吸附检测系统的俯视剖视图；
附图标记：1、储气瓶；2、第一阀门；3、柱塞增压泵；4、第二阀门；5、第三阀门；6、真空泵；7、第四阀门；8、恒温水浴锅；9、气体参考槽；10、参考槽气体通入口；11、第一温度传感器；12、参考槽气体通出口；13、气体压力传感器；14、第五阀门；15、气体输入口；16、采集相机；17、长条固定橡胶垫；18、显微镜；19、连接杆；20、显微镜支架杆体；21、短条固定橡胶垫；22、壁体；23、伸缩支撑柱；24、插销；25、样品底座；26、加固连接件；27、底座；28、罐盖；29、观察窗；30、载物台；31、页岩样品；32、样品放入口；33、第二温度传感器；34、不锈钢底座；35、计算机。
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1-3，本发明一方面提供了一种可视化页岩吸附变形试验装置，包括压力控制系统和吸附检测系统；压力控制系统包括压力控制部和气体参考槽9，气体参考槽9用以暂存气体，通过第一温度传感器11能够测定气体参考槽9内的气体温度，压力控制部通过第五管道与气体参考槽9连通，气体参考槽9内设置有第一温度传感器11，吸附罐中进行二氧化碳吸附试验，吸附罐内设置有载物台30和第二温度传感器33，第二温度传感器33用以测定吸附罐内的气体温度，载物台30由高强度透光树脂材料制成，吸附罐外侧设置有显微镜18和与采集相机16固定连接的采集相机16，显微镜18的物镜与载物台30相对设置，页岩样品31放置在载物台30上，显微镜18与采集相机16能够拍摄页岩样品31；第一温度传感器11、第二温度传感器33和采集相机16均与数据采集分析部电性连接，气体参考槽9周侧和吸附罐下端设置有温度控制部，温度控制部可以对气体参考槽9和吸附罐进行恒定的温度调节。
本发明能够基于光学图像处理，通过显微镜18实时拍摄不同温度不同压力条件下吸附过程中页岩样品31的平面照片，能够对页岩吸附变形现象进行可视化观察、数字化处理分析，利用照片大小、单位面积内像素点的变化，精确计算出平面应变量及体积应变量。该试验装置的精确度高，过程简单，结构合理，便于拆卸，安全系数高。
进一步优化方案，吸附罐还包括底座27、壁体22、加固连接件26和罐盖28，底座27与壁体22间固定连接，底座27上表面设置有加固连接件26，底座27与壁体22均与加固连接件26固定连接，加固连接件26主要作用是提升底座27与壁体22之间的连接，起加固的作用，气体输入口15贯穿壁体22和加固连接件26，加固连接件26侧壁上焊接有样品底座25，样品底座25贯穿设置有气体通道，检测气体或试验气体通过气体输入接口后，经气体通道后进入或跑出吸附罐内部，样品底座25上端焊接有伸缩结构，伸缩结构可以采用液压或气压伸缩杆、电动伸缩杆等，伸缩结构上端与载物台30下端面固定连接，伸缩结构上下伸缩带动载物台30上下移动，壁体22和罐盖28固定连接，壁体22和罐盖28上均设置有观察窗29，观察窗29由高强度透光树脂材料制成，显微镜18的物镜、观察窗29和载物台30设置在同一直线上，显微镜18能够通过观察窗29观察载物台30上的页岩样品31，壁体22上可拆卸连接有样品放入口32，样品放入口32与载物台30相对设置，样品放入口32为圆形，与壁体22之间通过螺栓连接，设置有样品放入口32方便页岩样品31放置或取出。
进一步优化方案，伸缩结构包括伸缩支撑柱23和插销24，伸缩支撑柱23包括固定端和活动端，固定端下端固定设置在样品底座25上端，活动端的上端固定连接载物台30的下端面，固定端上设置有多个第一通孔，活动端上设置有第二通孔，固定端与活动端滑动连接，第一通孔和第二通孔均与插销24相适配。
进一步优化方案，显微镜18和采集相机16均为三个，显微镜18和采集相机16一一对应设置，三个显微镜18互相垂直的设置，三个显微镜18分别设置在载物台的左侧、后方和上方，可以在三个方向观察到页岩样品31的变形情况。
进一步优化方案，吸附罐周侧设置有不锈钢底座34，不锈钢底座34上端面固定连接有显微镜支架杆体20的下端，显微镜支架杆体20的上端通过短条固定橡胶垫21固定连接有连接杆19的一端,连接杆19的另一端通过长条固定橡胶垫17与显微镜18固定连接，连接杆19为三个，连接杆19与显微镜18一一对应设置。
进一步优化方案，压力控制部包括气体注入单元、加压单元和抽真空单元，气体注入单元的一端与加压单元的一端连通，加压单元的另一端和抽真空单元的一端均与气体参考槽9连通，气体参考槽9内设置有第一温度传感器11，气体注入单元供给检测气体实现本发明试验装置的气密性检测，气体注入单元供给试验气体进行试验页岩试验吸附，加压单元用以提升气体参考槽9和吸附罐内的气体压力。
进一步优化方案，气体注入单元为储气瓶1，加压单元为柱塞增压泵3，抽真空单元为真空泵6，储气瓶1通过第一管道与柱塞增压泵3的一端连通，第一管道上设置有第一阀门2，柱塞增压泵3的另一端依次通过第二管道和第四管道与参考槽气体通入口10连通，第二管道上设置有第二阀门4，第四管道上设置有第四阀门7，所述第二管道和第四管道相连通，真空泵6依次通过第三管道和第四管道与参考槽气体通入口10连通，第二管道和第三管道并联设置，第三管道上设置有第三阀门5，参考槽气体通出口12通过第五管道与吸附罐的气体输入口15连通，第五管道上设置有气体压力传感器13和第五阀门14。
进一步优化方案，显微镜18为高分辨率远心显微镜，温度控制部为恒温水浴锅8，数据采集分析部为计算机35。本发明另一方面提出了一种基于上述可视化页岩吸附变形试验装置的试验方法，包括以下步骤：
制作页岩样品31，选择无明显裂纹或者宏观层理的页岩块样，利用岩石切割机进行切割，利用打磨机将页岩样品31表面打磨光滑，制成1mm×3mm×3mm的薄片，加工精度参照国家《岩石试验方法标准》，并测试得出页岩样品31质量、体积参数；
对压力控制部、气体参考槽9和吸附罐进行气密性检验，具体为：将本发明装置进行组装，连接相关管线，系统通电，将储气罐更换为氮气储气瓶1，打开所有阀门，对整个装置进行长时间的气密性检查，要求在测试时间内气体压力的波动值不能超过气体压力传感器13的精度，实测8h过程中气体压力无波动或者波动小于0.006Mpa，则证明本发明试验装置气密性良好；
将所述页岩样品31固定在所述载物台30上表面，具体为：打开样品放入口32，将页岩样品31固定在载物台30上表面，然后关闭样品放入口32；
显微镜18采用相同倍率，对页岩样品31进行拍摄，具体为：操作三个方向上(左侧、后方及上方)的显微镜18，使得显微镜18能够通过透明观察窗29可以清楚地观察到样品表面，调整使得样品平面位于视野中央，尽可能充满视野，要求显微镜18调整至相同倍数，并确保图片清晰；
温度控制部(即恒温水浴锅8)调整气体参考槽9和吸附罐内的气体温度至试验温度；
压力控制部对气体参考槽9和吸附罐进行抽真空处理，具体为：关闭第一阀门2和第二阀门4，并同时打开第三阀门5、第四阀门7和第五阀门14，启动真空泵6，对气体参考槽9和吸附罐进行抽真空处理，直到气体压力传感器13相对真空度稳定在-0.098Mpa为止；
温度控制部调整气体参考槽9和吸附罐内的气体温度至地层温度，通过气体注入单元和加压单元向气体参考槽9内通入试验气体并静置，记录试验温度，具体为：利用恒温水浴锅8调整气体参考槽9和吸附罐内的气体温度至地层温度，打开第一阀门2、第二阀门4和第四阀门7，关闭第三阀门5、第五阀门14，将储气罐更换为二氧化碳储气瓶1，通过柱塞增压泵3向气体参考槽9充入一定量的二氧化碳气体，静置6h使气体参考槽9和吸附罐中页岩样品31充分受热，待第一温度传感器11和第二温度传感器33的数值在误差内基本相同，并与恒温水浴锅8设定温度一致即可，在计算机35中填写试验温度，数据表格清零，确定此时页岩样品31平面和各边长像素点初始数量；
通过气体参考槽9向吸附罐内注入试验气体，加压单元逐渐提升气体压力直到设定平衡压力位置；具体为：待气体压力传感器13的数值稳定后，打开气体参考槽9与吸附罐之间的第五阀门14，开始进行等温吸附试验，直至吸附平衡，之后陆续升高气体压力，直至达到设定平衡压力为止，设定平衡压力为试验中设定的压力条件；
收集试验数据，分析试验数据，实时对图像数据处理分析，获得实时平面应变量及体积应变量，具体为：通过气体压力传感器13的数据及图像处理分析，可以得出二氧化碳吸附达到设定平衡压力过程中平面应变量及体积应变量的变化过程，相关数据以表格数据形式存储在计算机35中，通过试验条件的调整，即温度、压力条件的改变，可以得出不同温度不同压力条件下二氧化碳吸附变形特征及影响因素。
通过抽真空单元降低气体参考槽9和吸附罐内的气体压力至标准大气压力，具体为关闭第一阀门2、第二阀门4，打开第三阀门5、第四阀门7、第五阀门14，启动真空泵6，直至气体压力传感器13稳定在标准大气压力0.10133MPa左右；
拧开样品放入口32，用镊子取出页岩样品31。
进一步优化方案，页岩样品31平面应变量的计算公式为：
式中，εx为平面应变量，Δs为页岩样品31平面增加的面积，s为页岩样品31平面初始平面面积；
页岩样品31平面增加的面积的计算公式为：
式中，Δs为页岩样品31平面增加的面积，s为页岩样品31平面初始平面面积，N为平面上像素点数量，ΔN为增加的像素点数量；
页岩样品31体积应变量的计算公式为：
式中，εv为体积应变量，Δx为页岩样品31增加的长度，Δy为页岩样品31增加的宽度，Δz为页岩样品31增加的高度；x为页岩样品31初始长度，y为页岩样品31初始宽度，z为页岩样品31初始高度；
页岩样品31增加的边长的计算公式为：
式中，Δl为样品增加的边长，l为样品初始边长，n为边长上像素点数量，Δn为增加的像素点数量。
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。
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