CN103344496B

CN103344496B - 一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置及试验方法

Info

Publication number: CN103344496B
Application number: CN201310232298.4A
Authority: CN
Inventors: 陈益峰; 胡少华; 魏凯; 胡冉; 周创兵
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103344496A

Abstract

本发明涉及一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置及试验方法。本发明涉及的装置包括轴压伺服***、围压伺服***、水(气)压伺服***、数据采集***及数据处理***，可开展静水压缩、三轴压缩全过程及加卸载循环下的应力－渗流耦合试验。通过数据采集***实时测量记录岩石试样当前围压、偏压值，轴向、环向以及体积应变值，进、出口端压力值；数据处理***绘制出相应的应力－应变曲线，进、出口端压力－时程曲线，试样变形与孔隙水(气)压曲线，然后自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向Biot系数，并进行存储及显示。该测量装置可完成岩石材料特别是低渗岩石在复杂应力路径下应力－渗流耦合试验，试验结果可靠，并可直观显示。

Description

一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种耦合装置及试验方法，尤其是涉及一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置及试验方法。

背景技术

岩石在复杂应力环境下的变形特性与渗透特性研究是大型水利水电、深部资源开采、油/气能源地下储存、地下空间利用等领域重大工程建设迫切需要解决的关键问题。由于岩石赋存环境的复杂性，在各种工程荷载的作用下，岩石初始地应力场受到改造，应力场分布发生变化，岩石产生变形和细观结构的演化，从而导致岩石的渗透特性发生变化；相应地，岩石渗透特性的变化将导致渗流场的分布发生改变，从而又进一步改造岩石应力场。岩石渗流场和应力场的这种相互作用和相互影响称为岩石渗流-应力耦合作用，岩石应力-渗流耦合试验是开展岩石应力场和渗流场耦合机理研究的关键。然而，常规的现场试验方法很难获取岩石变形过程中渗透特性的变化规律，采用岩石室内三轴压缩过程中的渗透试验可以揭示其应力-应变全过程中渗透率的演化规律。

自上世纪50年代以来，岩石三轴压缩过程中的渗透特性研究受到了学术界和工程界的重视。然而，国内外许多学者的大部分渗透性试验主要针对渗透系数比较高渗透率在10^-12～10^-16m²量级的岩样，三轴压缩过程中低渗岩石渗透率在10^-16～10^-22m²量级的渗透性试验成果并不多见。已有研究成果表明，岩石在三轴压缩过程中的全应力-应变曲线可划分为初始压密阶段、弹性变形阶段、局部损伤阶段、剧烈损伤阶段及峰后破坏阶段，在此过程中岩石的渗透特性相应地表现为初始下降、弹性稳定、峰前稳定增大、峰值附近剧烈增大及峰后下降等特征。

当前，岩石(尤其是低渗岩石)在三轴压缩过程中的渗透性试验研究已成为国际岩石力学领域的研究热点，试验手段多采用瞬态压力脉冲法，渗透流体多采用水或气体如氮气、氦气。然而，由于岩石三轴压缩过程中渗透特性试验的特殊性和复杂性，国内目前尚未研发出功能完善的岩石三轴压缩-水(气)耦合装置。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置，其特征在于，包括轴压伺服***、围压伺服***、流体注入***、流体渗透***，以及与所述***相连的数据采集、处理装置。

在上述的岩石三轴压缩-水(气)耦合装置，所述轴压伺服***包括轴压伺服高精度液压泵、与之相连的第一液压阀门，紧接第一液压阀门后的轴压传感器；所述轴压伺服高精度液压泵还与数据采集、处理装置连接；所述轴压传感器还与气体渗透***连接。

在上述的岩石三轴压缩-水(气)耦合装置，所述围压伺服***包括围压伺服高精度液压泵、与之相连的第二液压阀门，紧接第一液压阀门后的围压传感器；所述围压伺服高精度液压泵还与数据采集、处理装置连接；所述轴压传感器还与气体渗透***连接。

在上述的岩石三轴压缩-水(气)耦合装置，所述流体注入***包括依此相连的高压氮气、气阀、气体减压阀，水瓶及与水瓶相连的水阀，水/气压伺服高精度液压泵以及第三液压阀门相连，所述第三液压阀门前与水(气)压高精度液压泵相连后与上述水阀连接，再与气体渗透***相连。

在上述的岩石三轴压缩-水(气)耦合装置，所述流体渗透***包括进口端、试样及试样密封***、三轴压力室及支撑传力装置、出口端；其中进口端包括进口端压力传感器、第四液压阀门、进口端钢瓶、第五液压阀门；所述第四液压阀门前与进口端压力传感器，后与进口端钢瓶、第五液压阀门依次相连；所述试样两端放置渗透活塞，橡皮套将试样和渗透活塞包裹，封气箍紧箍在橡皮套两端将试样密封；所述三轴压力室及支撑传力装置包括三轴压力室、支架、千斤顶、置于压力室底端并与一个流体回收容器相连的第六液压阀门，置于压力室上连通大气的第七液压阀门；出口端包括出口端压力传感器，第八液压阀门以及顺次相连的出口端钢瓶、第九液压阀门，第十液压阀门，其中出口端压力传感器分别与第八液压阀门、第十液压阀门相连；进口端与出口端由第十一液压阀门相连通。

在上述的岩石三轴压缩-水(气)耦合装置，所述数据采集、处理装置包括计算机采集及处理***。

本发明涉及到的三个过程如下：

力学过程：轴压、围压伺服***可实现静水压缩、三轴压缩全过程及加卸载循环等复杂应力路径过程，操作方便、自动化程度高，加压过程完全在计算机控制下进行；轴压、围压伺服***可以在岩石试样轴向施加0～375MPa偏压，侧向施加0～60MPa围压，施压控制精度为0.01MPa，可在两个月内保持稳定，误差不超过1%；轴向偏压加载可以选用位移、轴向应变率、常压力梯度和变应力梯度四种方式控制，侧向围压加载可以选用环向应变率、常压力和变应力三种方式控制。

渗流过程：通过水/气压伺服***可在岩石试样进、出口端施加孔隙水(气)压，水/气压伺服***由流体注入***和流体渗透***组成；流体注入***可提供0～40MP的孔隙水压或者0.1～10MPa的高纯氮气，施压控制精度为0.01MPa，误差不超过1%；流体渗透***可进行管道回路和钢瓶回路两个不同量程的水(气)渗透试验。管道回路可进行10^-16～10^-22m²量程的流体渗透试验，由进口管道、试样、出口管道组成，进口管道与出口管道由液压阀连接；钢瓶回路可进行10^-12～10^-18m²量程的流体渗透试验，由进口管道、进口钢瓶、试样、出口钢瓶、出口管道组成。

耦合过程：通过轴压、围压伺服***，施加至预设的围压、偏压值并保持稳定，在岩石试样进、出口端通过水/气压伺服***施加孔隙水(气)压进行耦合试验。通过数据采集***实时测量记录岩石试样当前围压、偏压值，轴向、环向以及体积应变值，进、出口端压力值；数据处理***绘制出相应的应力－应变曲线，进、出口端压力－时程曲线，试样变形与孔隙水(气)压曲线，然后自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向Biot系数，并进行存储及显示。

一种岩石三轴压缩-水(气)耦合装置试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，取样装样：钻取φ50mm×100mm标准岩石试样，在105°烘箱中连续烘烤24小时，然后在真空冷却塔中冷置24小时，之后即可放入橡胶套装样；

步骤2，三轴室充油：装样完成后，关闭第六液压阀门，然后依次打开第二液压阀门及第七液压阀门，给三轴压力室充液压油，以驱赶三轴压力室里面的空气，液压油通过管道形成循环，说明三轴压力室已经充满，此时关闭第七液压阀门；

步骤3，试样饱和：依次关闭第四液压阀门、第八液压阀门、第十液压阀门，然后打开高压氮气的气阀，使气体减压阀出气压力达到设定值，打开第三液压阀门，打开水/气压伺服高精度液压泵，给进口管道充气直到压力达到设定值，关闭第三液压阀门，对试样充气饱和，在饱和过程中进、出口端的压力值由进、出口端压力传感器、实时采集，待进、出口段压力值相等并保持恒定后，打开第十一液压阀门；

步骤4，力学加载：加载方式选择如下三种力学加载方式进行加载，选择加载方式一：静水压缩，围压加载到设定值后保持不变；选择加载方式二：三轴压缩加载，围压加载到设定值后保持不变，然后进行轴向偏向加载到破坏；选择加载方式三：循环加卸载，围压、轴压加载到设定值，保持围压不变然后卸载轴压到设定值，循环此过程直到破坏；

所述三种加载方式均包括围压加载和偏压加载，所述围压加载的方法是：打开围压伺服高精度液压泵，施加围压至预定值，围压值通过围压传感器实时采集；

所述轴向偏压加载的方法是：先打开第一液压阀门2，然后打开轴压伺服高精度液压泵给千斤顶里面的气缸施加液压，然后通过千斤顶把偏压施加到试样；所述轴向偏压加载选用位移、轴向应变率、常压力梯度和变应力梯度四种方式之一控制，为了得到三轴压缩过程中低渗岩石的渗透率，在轴向偏压加载时先采用轴向应变率控制施加轴压到设定值，此时为了维持轴压在这个值不变，改为常压力梯度为0的加载方式加载，偏压值通过轴压传感器实时采集；

步骤5，流体渗透：依次关闭第十一液压阀门、第五液压阀门、第九液压阀门、第十液压阀门，依次打开第四液压阀门、第八液压阀门、第十液压阀门、第三液压阀门，瞬间提高进口段压力值至预定值，然后关闭第三液压阀门，进行流体渗透试验，在流体渗透过程中，进、出口端的压力值由进、出口端压力传感器、实时采集，计算机实时对数据进行存储及显示，待进、出口段压力值相等并保持恒定后，打开第十一液压阀门；

步骤6，将施加偏压调整到下一级设定值执行步骤4，，然后执行步骤5进行当前压力值下渗透率的测量；在三轴压缩全过程中，通过数据采集***实时测量记录岩石试样当前围压、偏压值，轴向、环向以及体积应变值，进、出口端压力值；数据处理***绘制出相应的应力－应变曲线，进、出口端压力－时程曲线，试样变形与孔隙水/气压曲线，然后自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向Biot系数，并进行存储及显示；重复步骤4至步骤5，直到全应力-应变过程结束；

步骤七，卸压拆样：关闭气阀，依此打开第十一液压阀门、第五液压阀门、第九液压阀门、第十液压阀门，将气体排出直到压力显示为管道残余值；通过计算机采集及处理***卸除轴、围压至管道残余值后关闭第一液压阀门，打开第六液压阀门，排出三轴压力室的液压油，油排净后关闭第二液压阀门，打开三轴压力室拆除试样，试验完毕。

因此，本发明具有如下优点：能够完成岩石材料特别是低渗岩石在复杂应力路径下应力－渗流耦合试验，试验结果可靠，并可直观显示。

附图说明

附图1为岩石三轴压缩－水(气)耦合装置示意图。

附图2为轴压、围压伺服***示意图。

附图3a为静水压缩示意图。

附图3b为三轴压缩全应力-应变示意图。

附图3c为加卸载循环示意图。

附图4为流体注入***示意图。

附图5为流体渗透***示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。附图中：轴压伺服高精度液压泵1、第一液压阀门2、轴压传感器3、围压伺服高精度液压泵4、第二液压阀门5、围压传感器6、高压氮气7、气阀8、气体减压阀9、水瓶10、水阀11、水/气压伺服高精度液压泵12、第三液压阀门13、进口端压力传感器14、流体回收容器15、封气箍16、橡皮套17、试样18、渗透活塞19、三轴压力室20、支架21、千斤顶22、第六液压阀门23、第七液压阀门24、第十一液压阀门25、第四液压阀门26、进口端钢瓶27、第五液压阀门28、第八液压阀门29、出口端钢瓶30、第九液压阀门31、出口端压力传感器32、第十液压阀门33、计算机采集及处理***34。

实施例：

选择气体作为渗透流体时本发明的具体实施方式如下：

步骤1，取样装样。钻取φ50mm×100mm标准岩石试样，在105°烘箱中连续烘烤24小时，然后在真空冷却塔中冷置24小时。之后即可放入橡胶套17装样。

步骤2，三轴室充油。装样完成后，关闭第六液压阀门23，然后依次打开第二液压阀门5及第七液压阀门24，给三轴压力室20充液压油，以驱赶三轴压力室20里面的空气。液压油通过管道形成循环，说明三轴压力室20已经充满，此时关闭第七液压阀门24。

步骤3，力学加载。加载可以选择附图3a静水压缩、图3b三轴压缩、图3c循环加卸载三种力学路径，在此以图3b三轴压缩全过程为例。围压加载：打开围压伺服高精度液压泵4，施加围压至预定值，围压值通过围压传感器6实时采集；偏压加载：先打开第一液压阀门2，然后打开轴压伺服高精度液压泵1给千斤顶22里面的气缸施加液压，然后通过千斤顶22把偏压施加到试样18。轴向偏压加载可以选用位移、轴向应变率、常压力梯度和变应力梯度四种方式控制，为了得到三轴压缩过程中低渗岩石的渗透率，在轴向偏压加载时先采用轴向应变率控制施加轴压到设定值，此时为了维持轴压在这个值不变，改为常压力梯度为0的加载方式加载，偏压值通过轴压传感器3实时采集。

步骤4，试样饱和。流体注入装置如附图4所示，可选择水或气体作为渗透介质，在此以高压氮气为例。试样饱和过程：依次关闭第四液压阀门26、第八液压阀门29、第十液压阀门33，然后打开高压氮气7的气阀8，使气体减压阀出气压力9达到设定值，打开第三液压阀门13，打开水/气压伺服高精度液压泵12，给进口管道充气直到压力达到设定值。关闭第三液压阀门13，对试样18充气饱和。在饱和过程中进、出口端的压力值由进、出口端压力传感器14、32实时采集，待进、出口段压力值相等并保持恒定后，打开第十一液压阀门25。

步骤5，流体渗透。流体渗透示意图如附图5所示，依次关闭第十一液压阀门25、第五液压阀门28、第九液压阀门31、第十液压阀门33，依次打开第四液压阀门26、第八液压阀门29、第十液压阀门33、第三液压阀门13，瞬间提高进口段压力值至预定值，然后关闭第三液压阀门13，进行流体渗透试验。在流体渗透过程中，进、出口端的压力值由进、出口端压力传感器14、32实时采集，计算机实时对数据进行存储及显示，待进、出口段压力值相等并保持恒定后，打开第十一液压阀门25。

步骤6，重复步骤3，施加偏压到下一级设定值，然后重复步骤5进行当前压力值下渗透率的测量。在三轴压缩全过程中，通过数据采集***实时测量记录岩石试样当前围压、偏压值，轴向、环向以及体积应变值，进、出口端压力值；数据处理***绘制出相应的应力－应变曲线，进、出口端压力－时程曲线，试样变形与孔隙水(气)压曲线，然后自动计算出岩石试样的渗透率、孔隙率、轴向及侧向Biot系数，并进行存储及显示。重复上述步骤，直到全应力-应变过程结束。

步骤7，卸压拆样。关闭气阀8，依此打开第十一液压阀门25、第五液压阀门28、第九液压阀门31、第十液压阀门33，将气体排出直到压力显示为管道残余值；通过计算机采集及处理***34卸除轴、围压至管道残余值后关闭第一液压阀门2。打开第六液压阀门23，排出三轴压力室20的液压油，油排净后关闭第二液压阀门5，打开三轴压力室20拆除试样18，试验完毕。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了轴压伺服高精度液压泵1、第一液压阀门2、轴压传感器3、围压伺服高精度液压泵4、第二液压阀门5、围压传感器6、高压氮气7、气阀8、气体减压阀9、水瓶10、水阀11、水/气压伺服高精度液压泵12、第三液压阀门13、进口端压力传感器14、流体回收容器15、封气箍16、橡皮套17、试样18、渗透活塞19、三轴压力室20、支架21、千斤顶22、第六液压阀门23、第七液压阀门24、第十一液压阀门25、第四液压阀门26、进口端钢瓶27、第五液压阀门28、第八液压阀门29、出口端钢瓶30、第九液压阀门31、出口端压力传感器32、第十液压阀门33、计算机采集及处理***34等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种岩石三轴压缩-水/气耦合装置，其特征在于，包括轴压伺服***、围压伺服***、流体注入***、流体渗透***，以及与所述***相连的数据采集、处理装置；

所述轴压伺服***包括轴压伺服高精度液压泵(1)、与之相连的第一液压阀门(2)，紧接第一液压阀门(2)后的轴压传感器(3)；所述轴压伺服高精度液压泵(1)还与数据采集、处理装置连接；所述轴压传感器(3)还与气体渗透***连接；

所述围压伺服***包括围压伺服高精度液压泵(4)、与之相连的第二液压阀门(5)，紧接第一液压阀门(5)后的围压传感器(6)；所述围压伺服高精度液压泵(4)还与数据采集、处理装置连接；所述轴压传感器(6)还与气体渗透***连接；

所述流体注入***包括依此相连的高压氮气(7)、气阀(8)、气体减压阀(9)，水瓶(11)及与水瓶(11)相连的水阀(10)，水/气压伺服高精度液压泵(12)以及第三液压阀门(13)相连，所述第三液压阀门(13)前与水/气压高精度液压泵(12)相连后与上述水阀(10)连接，再与气体渗透***相连。

2.根据权利要求1所述的岩石三轴压缩-水/气耦合装置，其特征在于，所述流体渗透***包括进口端、试样及试样密封***、三轴压力室及支撑传力装置、出口端；其中进口端包括进口端压力传感器(14)、第四液压阀门(26)、进口端钢瓶(27)、第五液压阀门(28)；所述第四液压阀门(26)前与进口端压力传感器(14)，后与进口端钢瓶(27)、第五液压阀门(28)依次相连；所述试样(18)两端放置渗透活塞(19)，橡皮套(17)将试样(18)和渗透活塞(19)包裹，封气箍(16)紧箍在橡皮套(17)两端将试样(18)密封；所述三轴压力室及支撑传力装置包括三轴压力室(20)、支架(21)、千斤顶(22)、置于压力室(20)底端并与一个流体回收容器(15)相连的第六液压阀门(23)，置于压力室(20)上连通大气的第七液压阀门(24)；出口端包括出口端压力传感器(32)，第八液压阀门(29)以及顺次相连的出口端钢瓶(30)、第九液压阀门(31)，第十液压阀门(33)，其中出口端压力传感器(32)分别与第八液压阀门(29)、第十液压阀门(33)相连；进口端与出口端由第十一液压阀门(25)相连通。

3.根据权利要求2所述的岩石三轴压缩-水/气耦合装置，其特征在于，所述数据采集、处理装置包括计算机采集及处理***(34)。

4.一种岩石三轴压缩-水/气耦合装置试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，取样装样：钻取φ50mm×100mm标准岩石试样，在105°烘箱中连续烘烤24小时，然后在真空冷却塔中冷置24小时，之后即可放入橡胶套(17)装样；

步骤2，三轴室充油：装样完成后，关闭第六液压阀门(23)，然后依次打开第二液压阀门(5)及第七液压阀门(24)，给三轴压力室(20)充液压油，以驱赶三轴压力室(20)里面的空气，液压油通过管道形成循环，说明三轴压力室(20)已经充满，此时关闭第七液压阀门(24)；

步骤3，试样饱和：依次关闭第四液压阀门(26)、第八液压阀门(29)、第十液压阀门(33)，然后打开高压氮气(7)的气阀(8)，使气体减压阀出气压力(9)达到设定值，打开第三液压阀门(13)，打开水/气压伺服高精度液压泵(12)，给进口管道充气直到压力达到设定值，关闭第三液压阀门(13)，对试样(18)充气饱和，在饱和过程中进、出口端的压力值由进、出口端压力传感器(14)、(32)实时采集，待进、出口段压力值相等并保持恒定后，打开第十一液压阀门(25)；

所述三种加载方式均包括围压加载和偏压加载，所述围压加载的方法是：打开围压伺服高精度液压泵(4)，施加围压至预定值，围压值通过围压传感器(6)实时采集；

所述轴向偏压加载的方法是：先打开第一液压阀门(2)，然后打开轴压伺服高精度液压泵(1)给千斤顶(22)里面的气缸施加液压，然后通过千斤顶(22)把偏压施加到试样(18)；所述轴向偏压加载选用位移、轴向应变率、常压力梯度和变应力梯度四种方式之一控制，为了得到三轴压缩过程中低渗岩石的渗透率，在轴向偏压加载时先采用轴向应变率控制施加轴压到设定值，此时为了维持轴压在这个值不变，改为常压力梯度为0的加载方式加载，偏压值通过轴压传感器(3)实时采集；

步骤5，流体渗透：依次关闭第十一液压阀门(25)、第五液压阀门(28)、第九液压阀门(31)、第十液压阀门(33)，依次打开第四液压阀门(26)、第八液压阀门(29)、第十液压阀门(33)、第三液压阀门(13)，瞬间提高进口段压力值至预定值，然后关闭第三液压阀门(13)，进行流体渗透试验，在流体渗透过程中，进、出口端的压力值由进、出口端压力传感器(14)、(32)实时采集，计算机实时对数据进行存储及显示，待进、出口段压力值相等并保持恒定后，打开第十一液压阀门(25)；

步骤七，卸压拆样：关闭气阀(8)，依此打开第十一液压阀门(25)、第五液压阀门(28)、第九液压阀门(31)、第十液压阀门(33)，将气体排出直到压力显示为管道残余值；通过计算机采集及处理***(34)卸除轴、围压至管道残余值后关闭第一液压阀门(2)，打开第六液压阀门(23)，排出三轴压力室(20)的液压油，油排净后关闭第二液压阀门(5)，打开三轴压力室(20)拆除试样(18)，试验完毕。