多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统及其方法

本发明涉及气体渗透性测试，特别是涉及一种多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统及其方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、压缩空气储能技术是一种重要的可再生能源储能方式，其核心是将电力转化为压缩空气并存储在地下储气库中，待需要时释放压缩空气以发电；其中，气体渗透率测试系统用于评估地下储气库中密封结构的渗透性。

3、压缩空气储能硐室长期承受频繁充放气所施加的循环荷载。考虑到经济效益，最大储气压力达10-15mpa。其工况具有特殊性。由于地下储气库中的密封结构，如衬砌混凝土、岩体等为多孔介质，气体在混凝土中的渗透性受到多种因素的影响，如孔隙度、渗透率、孔隙结构等，因此需要一种精准且高效的测试系统来评估密封结构的气体渗透性。

4、而当前的气体渗透率测试系统通常只能针对恒定围压轴压工况、或加卸载工况下的低渗压试验(<4mpa)。高气压条件下围压和轴压同步循环过程中气体流量、位移、孔隙度等关键参数难以实时获取。无法全面考虑地下储气库中复杂的地质条件，且数据处理过程繁琐，需要大量人工干预，容易出现误差，影响测试结果的准确性和可靠性。并且各类试样的渗透性的初步估计依赖测试经验，购置设备往往价格高昂，测试原理仅是瞬态法或稳态法中的一种。由此，传统的气体渗透率测试系统存在测试精度低、测试周期长、数据处理复杂等问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统及其方法，实现循环轴压及环压作用下试样在高压气体下的渗透性测试，同时准确测量试样的孔隙度，从而更直观的建立渗透率与孔隙度间的关系，实现宏观参数与微观参数之间的联系。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统，包括：

4、荷载加载模块，包括用于夹持试样的夹持器以及与夹持器连接的轴压泵和环压泵，轴压泵用于对试样提供循环的轴向压力，环压泵用于对试样提供循环的环向压力；

5、温度控制模块，包括恒温箱和设于恒温箱内的加热系统，夹持器置于恒温箱内，加热系统用于根据设定温度调节恒温箱内的温度；

6、高压渗流模块，包括气体加压装置、调压阀和补气回压模块，气体加压装置通过调压阀连接夹持器的进气口，在夹持器的出气口处连接补气回压模块；

7、多信息采集模块，包括用于采集气体加压装置气压的第一压力传感器、用于采集夹持器进气口气压的第二压力传感器、用于采集夹持器出气口气压的第三压力传感器和用于监测夹持器出气口气体流量的流量传感器；

8、控制模块，用于根据对试样渗透性的初步评估结果选择气体渗透率测试模式并确定是否启用补气回压系统，根据设定的所需环压和轴压压力值和荷载加载模式控制轴压泵和环压泵的动作，根据气体加压装置气压和所需充气压力控制气体加压装置的增压补压，根据夹持器进气口气压和所需进气口入口压力调节调压阀，以此对气体渗透率和孔隙度分别进行检测。

9、作为可选择的实施方式，所述夹持器上设有长度调节杆和位移传感器，长度调节杆用于调节夹持器的加载端面与试样端面接触，位移传感器用于监测试样的轴向位移。

10、作为可选择的实施方式，所述夹持器及其上下游的进出气管路上分别安装有用于监测夹持器温度的温度传感器，夹持器置于恒温箱内，通过加热系统进行调节，以确保在室温至高温120℃范围内保持恒温。

11、作为可选择的实施方式，所述气体加压装置包括气源气瓶、过渡气瓶和气体增压系统，所述气源气瓶的出气口连接气体增压系统的进气口，气体增压系统的出气口连接过渡气瓶的进气口，所述过渡气瓶的出气口通过调压阀连接夹持器的进气口，在气体增压系统与过渡气瓶之间设有第一气动阀，在过渡气瓶和调压阀之间设有第二气动阀。

12、作为可选择的实施方式，所述过渡气瓶上设有用于监测过渡气瓶内气压的第一压力传感器；第一气动阀开启后，增压后的高压气体由气体增压系统传输到过渡气瓶中，直至第一压力传感器显示过渡气瓶内的气压达到设定数值，若在实验过程中过渡气瓶内的气压不足，则再次开启第一气动阀以进行增压补压。

13、作为可选择的实施方式，根据夹持器进气口气压和所需进气口入口压力调节调压阀，开启第二气动阀，调节调压阀使夹持器进气口气压达到所需进气口入口压力，并通过第二压力传感器显示气压值。

14、作为可选择的实施方式，所述荷载加载模式包括环向压力和轴向压力的循环加载模式和控制参数；循环加载模式包括跟踪、定压、定速、线性、步进、正弦、三角、锯齿和梯形，控制参数包括循环次数、加卸载速率和荷载保持时间。

15、作为可选择的实施方式，根据不同类型的试样，流量传感器配有不同的规格，不同规格的流量传感器并联，流量传感器串联有气动阀，当气体流量超过流量传感器的量程时，通过控制气动阀实现不同量程的流量传感器的切换。

16、作为可选择的实施方式，所述补气回压模块包括第二手动阀、手动泵、补气罐、回压阀、第三手动阀、第四手动阀、第五手动阀和第六手动阀；在夹持器进气口连接第四手动阀，夹持器进气口连接第五手动阀，第四手动阀与第五手动阀通过管路连通；手动泵通过第二手动阀连接补气罐，补气罐依次通过第六手动阀和回压阀接入夹持器进气口的管路上；在第五手动阀和回压阀之间设有第三压力传感器，在回压阀与用于进行气体放空操作的第三气动阀之间设有第三手动阀。

17、作为可选择的实施方式，在夹持器的进气口和出气口之间设有抽真空模块，抽真空模块包括第一真空阀、第二真空阀和真空泵，真空泵的一端通过第一真空阀与夹持器进气口连接，真空泵的另一端通过第二真空阀与夹持器进气口连接；通过关闭第四手动阀、第五手动阀、第三手动阀、第六手动阀和回压阀，开启第一真空阀、第二真空阀和真空泵，以进行抽真空处理，待抽真空处理完成后关闭真空泵、第一真空阀和第二真空阀。

18、作为可选择的实施方式，在夹持器的出气口连接有气体收集模块，气体收集模块包括收集罐和与收集罐连接的第一手动阀，根据需要确定是否启用气体收集模块；若回收，则关闭第三气动阀，打开第三手动阀和第一手动阀，将气体存入收集罐中；若不回收，则关闭第一手动阀，打开第三手动阀和第三气动阀，将气体通过第三气动阀进行排放。

19、第二方面，本实施例提供一种第一方面所述的多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统的气体渗透率测试方法，包括：

20、打开气源气瓶和第一气动阀，通过气体增压系统向过渡气瓶中注入高压气体，直至第一压力传感器显示气压达到设定数值；若在实验过程中过渡气瓶内的气压不足，则再次打开第一气动阀进行增压补压；

21、试样装入夹持器中，调节恒温箱内的温度至设定温度，预加载初始轴向压力，让夹持器两端的堵头完全顶在试样两端，再施加初始环向压力，使环压腔内充满水，将位移传感器清零，设定为初始状态；根据设定的所需环压和轴压压力值控制轴压泵和环压泵的动作，直至轴向压力及环向压力达到所需压力值；

22、对试样渗透性进行初步评估；具体为：打开第二气动阀，调节调压阀使夹持器进气口气压达到所需进气口入口压力；设定时间后获取夹持器出气口气体流量，若夹持器出气口气体流量小于设定阈值，则采用瞬态法进行气体渗透率测试，否则采用稳态法进行气体渗透率测试；

23、采用稳态法进行气体渗透率测试时，具体为：

24、在恒温箱调整为设定温度且轴向压力及环向压力达到所需压力值后，首先进行抽真空处理，即关闭第四手动阀、第五手动阀、第三手动阀、第六手动阀和回压阀，开启第一真空阀、第二真空阀和真空泵，对试样进行抽真空处理，待抽真空处理完成后关闭真空泵、第一真空阀和第二真空阀；

25、然后打开第二气动阀，调节调压阀使夹持器进气口气压达到所需进气口入口压力，通过第二压力传感器显示夹持器进气口气压值；

26、根据设定的循环加载模式和控制参数控制轴压泵和环压泵的动作，根据采集的夹持器进气口气压、夹持器出气口的气压和气体流量检测气体渗透率。

27、作为可选择的实施方式，采用瞬态法进行气体渗透率测试时，若选择启用补压回气系统，则具体为：

28、在恒温箱调整为设定温度且轴向压力及环向压力达到所需压力值后，首先进行抽真空处理，即关闭第四手动阀、第五手动阀、第三手动阀、第六手动阀和回压阀，开启第一真空阀、第二真空阀和真空泵，对试样进行抽真空处理，待抽真空处理完成后关闭真空泵、第一真空阀和第二真空阀；

29、然后打开第二手动阀和第六手动阀，通过手动泵将补气罐中的气体中注入夹持器出气口所在管路中，直至夹持器出气口气压达到目标压力后打开回压阀，第三压力传感器显示夹持器出气口气压值；同步打开第二气动阀并调节调压阀，使夹持器进气口气压达到所需进气口入口压力，从而实现一定压差下的气体渗透率测试。

30、作为可选择的实施方式，采用瞬态法进行气体渗透率测试时，若选择不启用补压回气系统，则具体为：

31、在恒温箱调整为设定温度且轴向压力及环向压力达到所需压力值后，首先进行抽真空处理，即关闭第四手动阀、第五手动阀、第三手动阀、第六手动阀和回压阀，开启第一真空阀、第二真空阀和真空泵，对试样进行抽真空处理，待抽真空处理完成后关闭真空泵、第一真空阀和第二真空阀；

32、然后打开第四手动阀和第五手动阀，打开第二气动阀并调节调压阀，使进出气口的气压均达到所需进气口入口压力；

33、达到所需进气口入口压力后，关闭第四手动阀和第五手动阀，打开第二真空阀和真空泵，抽取高压气体，直至夹持器出气口气压达到目标气压时，关闭第二真空阀和真空泵，从而实现一定压差下的气体渗透率测试。

34、第三方面，本发明提供一种第一方面所述的多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统的气体孔隙度测试方法，包括：

35、标定上游进气端的第二气动阀至夹持器之间的进气管路体积，定义为基准腔v1，标定夹持器至下游出气端之间的出气管路体积v2，试样的孔隙体积为vp，基准腔初始压力为p1，下游出气端初始压力为p2，由此进行气体孔隙度的测试；具体地：

36、在恒温箱调整为设定温度且轴向压力及环向压力达到所需压力值后，首先进行抽真空处理，即关闭第四手动阀、第五手动阀、第三手动阀、第六手动阀和回压阀，开启第一真空阀、第二真空阀和真空泵，对试样进行抽真空处理，待抽真空处理完成后关闭真空泵、第一真空阀和第二真空阀；

37、然后打开第二气动阀，注入气体并将其存储在基准腔中，直至达到初始压力pini，夹持器出气口所在管路保持关闭状态；

38、当气压稳定后，气体开始渗透到试样中，直至孔隙完全被空气饱和，该过程中，夹持器出气口的气压逐渐增加，由第三压力传感器监测，最终气压值稳定在pfin值；

39、由此得出试样的孔隙体积vp、气体孔隙度η和真密度ρt分别为：

40、

41、

42、

43、式中，m为试样质量；v为试样体积。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

45、本发明提出一种多参数控制的三轴气体渗透率和孔隙度测试系统及其方法，具备多参数控制功能，同时考虑温度、压力、孔隙度等因素对气体渗透性的影响，提高测试的准确性和全面性，同时，具备自动化数据处理功能，减少人为干预，提高数据处理效率和准确性。

46、本发明采用三轴气体渗透率测试技术，能够模拟地下储气库中复杂的地质条件。通过对试样施加循环轴压和围压作用，且各自独立加载，能够准确模拟地下岩石在高压力环境下的渗透性。这种多轴作用的测试方式更贴近实际地层条件，能够提供更准确和可靠的渗透性测试数据，为压缩空气储能系统的地质储层及密封结构密封性评估提供重要支持。

47、本发明通过标定管路体积，能够在高气压环境下对试样进行渗透率测试的同时，准确测量试样的孔隙度，从而更直观的建立渗透率与孔隙度之间的关系，实现宏观参数与微观参数之间的联系。通过对试样的渗透性能和孔隙结构进行综合分析，可以更好地明确岩体或衬砌结构对高压气体的可储性。这种创新方法不仅可以为材料科学领域提供重要数据支持，还有助于深入理解材料内部结构与性能之间的内在联系。具备昂贵或有毒气体回收再利用的收集系统，根据实验气体进行选择是否调用。

48、本发明的补气回压系统可以根据试样材料的渗透性自适应地选择瞬态法或稳态法进行测试，即能够根据待测试样品的渗透性特点，智能地选择最合适的测试方法。这一系统的核心在于其能够实时监测并分析试样的气体渗透情况，从而确保测试过程的精确性和有效性。稳态法适用于渗透性较高的材料，能够快速捕捉到气体流动的瞬时变化，瞬态法适用于渗透性较低的材料，通过维持稳定的气体流动状态来获取数据，自适应测试原理不仅提高测试的准确度，还优化了实验流程，节省了时间和资源，具有重要的应用价值。

49、本发明通过配置温度控制模块，以具备模拟不同地层温度的能力，进一步提高测试的真实性和可靠性。地下储气库中地层温度变化对气体渗透性有着重要影响，而传统测试系统往往无法考虑这一因素。本发明的系统能够通过控制试样的温度环境，模拟地下不同温度条件下的气体渗透性，为压缩空气储能系统在不同地理环境下的部署和运行提供了重要参考。

50、本发明的系统具备高度自动化的数据处理功能，有效解决了传统测试系统中数据处理繁琐、人工干预多的问题。通过与计算机系统的连接，测试数据可以实时采集、处理和分析，大大提高了数据处理的效率和准确性，减少了人为误差的可能性，为压缩空气储能系统的工程设计和运营管理提供了可靠的数据支持，有助于降低系统建设和运行成本，提高系统的可靠性和经济性。

51、本发明的气体渗透率测试系统具有良好的可扩展性和适用性，其设计灵活、操作简便，可以根据不同的测试需求进行灵活配置和调整，如可测试1cm-15cm等不同长度尺寸的试样；同时，具有较强的通用性，可应用于不同规模和类型的压缩空气储能项目中，为压缩空气储能技术的推广和应用提供了技术保障和支持，促进了清洁能源的发展和利用。

52、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。