本發(fā)明涉及一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試方法及測試系統(tǒng)，屬于巖土熱物性測試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

能源問題制約著人類社會的經(jīng)濟發(fā)展，破解能源問題的根本之路在于可再生能源。地熱資源是典型的清潔可再生能源，具有清潔、可持續(xù)、可再生、可綜合利用等優(yōu)越性，具有巨大的經(jīng)濟價值。地熱能包括淺層地熱能和深層地熱能。深層地熱是指地球深層數(shù)千米、溫度較高的地熱能，深層地熱能資源量巨大，應用前景廣闊。近些年地熱能成為了科研工作人員研究的重點，尤其是在干熱巖開采技術(shù)基礎上提出的增強型地熱系統(tǒng)(EGS)，近年來成為深層地熱領(lǐng)域的研究重點。EGS是指通過注入井注入水或其他工質(zhì)流體(比如CO₂等)進行地下循環(huán)，通過人工產(chǎn)生的連通裂隙帶，流體通過與巖體接觸被加熱，最終通過生產(chǎn)井返回地面，形成一個閉式回路。EGS是以工程措施建造地熱儲層，從低滲透性巖體中經(jīng)濟地采出相當數(shù)量的深層熱能的人工地熱系統(tǒng)。

增強型地熱系統(tǒng)的關(guān)鍵工作就是從地下深層巖石中提取熱量，因此準確測量地下深層巖石的熱物性參數(shù)對深層地熱開發(fā)具有重要的指導意義。一般來說，相同物質(zhì)的導熱系數(shù)與其的結(jié)構(gòu)、密度、濕度、溫度、壓力等因素有關(guān)。通常情況下，同一物質(zhì)的溫度壓力較低時，導熱系數(shù)系數(shù)較小。常規(guī)巖石熱物性參數(shù)都是常溫常壓下測量的，然而地下深層巖石處于一種高溫高壓狀態(tài)，此時的熱物性參數(shù)與常規(guī)的有較大的不同，因此該測試系統(tǒng)的研制有重要的研究價值，對增強型地熱系統(tǒng)的利用與評價具有指導作用。

現(xiàn)有巖土體熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)主要是在常溫常壓下測量淺層巖土體熱物性參數(shù)，反映的是地下淺層巖石的熱物性參數(shù)。增強型地熱系統(tǒng)的巖石儲層處于高溫高壓狀態(tài)，高溫高壓對巖石的空隙，結(jié)構(gòu)，密度有著重要影響，進而影響到巖石的熱物性參數(shù)，因此需要一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)測量地下深層巖石熱物性參數(shù)。

而具有加壓或加熱功能的巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)常常需要人工控制液壓伺服泵以對巖石樣品加壓，精度難以控制，并且需要人工測量多種數(shù)據(jù)，對測試工作難免增加許多負擔。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試方法及測試系統(tǒng)，對巖石力學測試系統(tǒng)(MTS)的相關(guān)部件進行重新設計改造，通過改造MTS真三軸測試缸，增加溫度控制模塊和采集模塊，在MTS真三軸測試缸中可以模擬增強型地熱系統(tǒng)所處的高溫高壓的環(huán)境，并且利用控制器進行統(tǒng)一控制，在此工況下方便地測得高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試方法，包括以下步驟：

(1)對野外采集到的地下深層巖石初步加工為橫截面為正方形的長方體巖石試樣，將巖石試樣表面打磨平整光滑，用游標卡尺測量巖石試樣尺寸，確定其高度δ并計算橫截面積F；

(2)將巖石試樣豎直放入MTS真三軸測試缸的測試腔內(nèi)，讓巖石試樣的一對相對的側(cè)表面分別與溫差電偶傳感器的兩個測量端相貼，在使巖石試樣的四個側(cè)表面與測試缸內(nèi)的平板面熱源接觸，最后蓋上MTS真三軸測試缸的上蓋，使測試腔密封；

(3)在MTS控制器上發(fā)出加壓指令，加壓指令通過屏蔽線傳遞至MTS伺服增壓器，由MTS伺服增壓器控制MTS液壓機驅(qū)動MTS真三軸測試缸的測試腔內(nèi)的3對作用軸，使三對作用軸與巖石試樣的6個面接觸并在X、Y和Z方向上施加不同大小的壓力；

(4)在MTS控制器上發(fā)出加溫指，加溫指令通過屏蔽線傳遞至平板面熱源控制器對巖石試樣進行加熱，平板面熱源以而電功率Q給巖石試樣加熱并維持溫度，溫度范圍為50～300℃；

(5)待MTS真三軸測試缸的測試腔內(nèi)溫度穩(wěn)定，溫差電偶傳感器測量巖石試樣的兩端溫度Δt并傳輸至MTS控制器；

(6)MTS控制器通過以下公式計算高溫高壓下巖石試樣的導熱系數(shù)λ：

步驟(1)中，橫截面為正方形的長方體巖石試樣尺寸具體為150×150×300mm，步驟(3)三對作用軸與巖石試樣的6個面接觸并施加恒定壓力為0.5kN。

本發(fā)明同時提供了一種上述測試方法的高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)，包括相互連接的MTS控制器與MTS真三軸測試缸，MTS控制器與MTS真三軸測試缸通過屏蔽線相互連接；MTS控制器通過屏蔽線連接于MTS伺服增壓器，所述MTS伺服增壓器通過液壓油管分別連接于所述MTS真三軸測試缸和MTS液壓機；所述MTS真三軸測試缸的內(nèi)部為用于放置長方體巖石試樣的密閉的測試腔，測試腔內(nèi)設有用于給長方體巖石試樣加壓的MTS三軸液壓系統(tǒng)、溫度控制模塊以及采集模塊；MTS三軸液壓系統(tǒng)包括用于作用在巖石試樣的頂面和側(cè)面的作用軸，其中，頂面的作用軸以及位于相鄰側(cè)面的兩個作用軸通過液壓油管與MTS伺服增壓器連接；溫度控制模塊為由MTS控制器控制的用于貼在巖石試樣的側(cè)表面上的平板面熱源，所述平板面熱源通過屏蔽線連接于MTS控制器；采集模塊為由MTS控制器控制的溫差電偶傳感器，所述溫差電偶傳感器的兩測量端分別用于安置在巖石試樣的一組相對側(cè)面上，所述溫差電偶傳感器通過屏蔽線連接于MTS控制器；所述MTS控制器采用工作站電腦。

所述溫差電偶傳感器的感應精度為0.1℃。

所述MTS三軸液壓系統(tǒng)的壓力控制精度為0.001kN。

所述平板面熱源的溫度范圍為50～300℃。

所述MTS真三軸測試缸的上端設有通過固定螺栓壓緊的密封蓋。

本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：

(1)本發(fā)明設有MTS控制器，它直接與MTS伺服增壓器以及MTS真三軸測試缸的溫度控制模塊和MTS三軸液壓系統(tǒng)，可以達到對加壓和加熱的精確控制，液壓控制精度可以達到0.001kN，準確模擬底下深層巖石高壓狀態(tài)；

(2)MTS真三軸測試缸為真三軸，能在X，Y，Z三個方向上提供3個不同的應力，與一些三軸施加相同壓力的假三軸測試系統(tǒng)相比，能夠更加準確的模擬巖石所處的地下應力環(huán)境；MTS真三軸測試缸的內(nèi)部同時設有平板面熱源、溫度控制模塊和采集模塊，并且三者均與MTS控制器連接，平板面熱源加熱溫度50～300℃，溫度控制模塊和采集模塊可以維持巖石試樣溫度恒定，精確測量巖石試樣溫度，與一些在常溫狀態(tài)下測量的測試系統(tǒng)相比，本發(fā)明能夠準確模擬地下深層巖石高溫狀態(tài)；

(3)利用本發(fā)明的一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)，可以通過穩(wěn)態(tài)平板法測量巖石試樣導熱參數(shù)，用游標卡尺測量巖石試樣厚度和導熱面積，進而求得巖石試樣導熱系數(shù)；與一些通過在試樣中鉆孔放置熱探針來測試巖石導熱系數(shù)的系統(tǒng)相比，本申請避免了測試數(shù)據(jù)受鉆孔和探針接觸狀態(tài)的影響，能夠在試樣兩端穩(wěn)定加熱，進而精確測試巖石試樣的導熱系數(shù)，并且操作更加簡單；

(4)本發(fā)明的一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)操作簡單，測試精度高，測試周期短，測得的熱物性參數(shù)結(jié)果準確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)示意圖。

圖2是MTS真三軸測試缸正視圖。

圖3是MTS真三軸測試缸俯視圖。

圖4是溫度控制模塊和采集模塊示意圖。

圖中：1-MTS真三軸測試缸，101-作用軸，102-平板面熱源，103-溫差電偶傳感器，104-固定螺栓，2-MTS伺服增壓器，3-MTS控制器，4-MTS液壓機，5-巖石試樣，6-液壓油管，7-屏蔽線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明提供了一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試方法，包括以下步驟：

(1)對野外采集到的地下深層巖石初步加工為橫截面為正方形的長方體巖石試樣，將巖石試樣表面打磨平整光滑，用游標卡尺測量巖石試樣尺寸，確定其高度δ并計算橫截面積F；

(2)將巖石試樣豎直放入MTS真三軸測試缸的測試腔內(nèi)，讓巖石試樣的一對相對的側(cè)表面分別與溫差電偶傳感器的兩個測量端相貼，在使巖石試樣的四個側(cè)表面與測試缸內(nèi)的平板面熱源接觸，最后蓋上MTS真三軸測試缸的上蓋，使測試腔密封；

(3)在MTS控制器上發(fā)出加壓指令，加壓指令通過屏蔽線傳遞至MTS伺服增壓器，由MTS伺服增壓器控制MTS液壓機驅(qū)動MTS真三軸測試缸的測試腔內(nèi)的3對作用軸，使三對作用軸與巖石試樣的6個面接觸并在X、Y和Z方向上施加不同大小的壓力；

(4)在MTS控制器上發(fā)出加溫指，加溫指令通過屏蔽線傳遞至平板面熱源控制器對巖石試樣進行加熱，平板面熱源以而電功率Q給巖石試樣加熱并維持溫度，溫度范圍為50～300℃；

(5)待MTS真三軸測試缸的測試腔內(nèi)溫度穩(wěn)定，溫差電偶傳感器測量巖石試樣的兩端溫度Δt并傳輸至MTS控制器；

(6)MTS控制器通過以下公式計算高溫高壓下巖石試樣的導熱系數(shù)λ：

步驟(1)中，橫截面為正方形的長方體巖石試樣尺寸具體為150×150×300mm，步驟(3)三對作用軸與巖石試樣的6個面接觸并施加恒定壓力為0.5kN。

本發(fā)明提供了一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)，參照圖1，包括相互連接的控制器與測試缸，所述控制器為MTS控制3，所述測試缸為MTS真三軸測試缸1，MTS控制器3與MTS真三軸測試缸1通過屏蔽線7相互連接；MTS控制器3通過屏蔽線7連接于MTS伺服增壓器2，所述MTS伺服增壓器2通過液壓油管6分別連接于所述MTS真三軸測試缸1和MTS液壓機4。

參照圖2和圖3，所述MTS真三軸測試缸的內(nèi)部為用于放置長方體巖石試5的密閉的測試腔，測試腔內(nèi)設有用于給長方體巖石試樣加壓的MTS三軸液壓系統(tǒng)、溫度控制模塊以及采集模塊；MTS三軸液壓系統(tǒng)包括用于作用在巖石試樣的頂面和側(cè)面的作用軸101，其中，頂面的作用軸以及位于相鄰側(cè)面的兩個作用軸通過液壓油管6與MTS伺服增壓器連接；溫度控制模塊為由MTS控制器控制的用于貼在巖石試樣的側(cè)表面上的平板面熱源102，即片狀加熱器，所述平板面熱源102通過屏蔽線7連接于MTS控制器；采集模塊為由MTS控制器控制的溫差電偶傳感器103，所述溫差電偶傳感器103的兩測量端分別用于安置在巖石試樣的一組相對側(cè)面上，所述溫差電偶傳感器通過屏蔽線7連接于MTS控制器。

參照圖3和圖4，溫差電偶傳感器103緊貼于巖石試樣的一對側(cè)表面安置，平板面熱源102則包裹于巖石試樣的4個側(cè)表面，并且位于溫差電偶傳感器103的外側(cè)。這樣便于溫差電偶傳感器精確測量巖石試樣的溫度。

所述溫差電偶傳感器的感應精度為0.1℃。

所述MTS三軸液壓系統(tǒng)的壓力控制精度為0.001kN。

所述MTS真三軸測試缸的上端設有通過固定螺栓104壓緊的密封蓋。

所述MTS控制器采用工作站電腦。

利用本發(fā)明的一種高溫高壓下巖石熱物性參數(shù)測試系統(tǒng)，可以按照以下步驟測量巖石試樣導熱系數(shù)：

步驟一：對野外采集地下深層巖石初步加工，巖石試樣尺寸為150*150*300mm，巖石試樣表面打磨平整光滑。用游標卡尺測量巖石試樣高度δ，橫截面積F；

步驟二：將巖石試樣放入MTS真三軸測試缸中，關(guān)閉MTS真三軸測試缸缸門，啟動MTS系統(tǒng)，通過MTS控制器設置MTS三軸液壓系統(tǒng)0.5kN軸力，使MTS三軸液壓系統(tǒng)與巖石試樣接觸；

步驟三：通過MTS控制器設置MTS三軸液壓系統(tǒng)給巖石試樣施加高壓，維持壓力恒定；

步驟四：通過MTS控制器，給巖石試樣設定加熱溫度，平板面熱源以額定功率Q給巖石試樣加熱維持高溫，待溫度穩(wěn)定后，溫差電偶測量巖石試樣兩端溫度Δt，最后通過以下公式計算得出高溫高壓下巖石試樣導熱系數(shù)λ：

本發(fā)明利用MTS力學測試系統(tǒng)，可以達到對力的精確控制，包括MTS控制器，MTS伺服增壓器，MTS液壓機，MTS真三軸測試缸，MTS三軸液壓系統(tǒng)，可以精確控制液壓，控制精度0.001kN，準確模擬地下深層巖石高壓狀態(tài)。其二，使用溫度控制和采集模塊，可以維持巖石試樣溫度恒定，精確測量巖石試樣溫度，準確模擬地下深層巖石高溫狀態(tài)。其三，利用穩(wěn)態(tài)平板法測量巖石試樣導熱系數(shù)，用游標卡尺測量巖石試樣高度δ，導熱橫截面積F。給試樣加熱加壓，待試樣壓力溫度穩(wěn)定后，測得平板兩面的溫差Δt，通過平板的導熱量Q。根據(jù)在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的導熱量Q和平板兩面的溫差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和導熱系數(shù)λ成正比。高溫高壓下巖石試樣導熱系數(shù)λ可以通過以下公式計算：

利用本發(fā)明可準確模擬地下深層巖石高壓狀態(tài)，溫度控制和采集模塊可以維持巖石試樣溫度恒定，精確測量巖石試樣溫度，準確模擬地下深層巖石高溫狀態(tài)；同時利用穩(wěn)態(tài)平板法測量巖石試樣導熱系數(shù)，系統(tǒng)操作簡單，測試精度高，測試周期短，熱物性參數(shù)測結(jié)果準確。