CN112229739A - 一种配合ct在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，它属于岩石实验装置技术领域。主要解决现有用于CT扫描***的实验装置存在的使用范围有限、温度加载范围有限和结构复杂的技术问题。本发明的技术方案是：一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，其包括高温高压三轴压力容器、上轴向加载杆、下轴向加载杆、基座、围压腔、上循环水冷***、下循环水冷***、内加热器、压力及温度检测管路、围压入口、保温层、铝镍钴磁致式对流器和加热套。本发明具有安装和连接简单、体积小、压力和温度稳定效果好等优点。

Description

一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置
技术领域
本发明涉及一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，它属于岩石实验装置技术领域。
背景技术
高温高压岩石力学是岩石力学的重要研究内容。随着岩石材料宏观力学特性研究的日益完善，以岩石细观组构及其在高温高压条件下的裂纹演化、孕育过程及其对岩石力学强度、渗流特性的影响的细观岩石力学成为岩石力学发展的新趋势。高温岩石三轴在线CT扫描实验装置可以在细观尺度上实现对岩石内部孔隙、裂隙的直接观测，是研究高温高压岩石力学特性和渗流特性的重要手段和仪器，可弥补常规三轴岩石试验机无法实现的重要功能。
现有的用于CT扫描的三轴试验的压力室采用射线可以穿过的材料设计加载压力室，解决了射线无法穿透传统真三轴试验机的难题，但是其无法设置孔隙压力进行渗流实验，也无法设置高温应力场，使用范围有限。有的热力耦合加载试验机，内设热源发生装置进行红外辐射加热。但该装置结构较小，仅适用于小于标准试样的微小试样的加载，对于高温高压岩石力学所需要的温度和压力远无法达到。中国专利CN102778464B公开了一种高温高压工业CT扫描***及其使用方法，该***采用液压对高压桶内的样品施加温度和压力模拟油、气地层的岩石物理特征。该装置最高加热温度有限，仅为120℃，达不到实验要求。另外，中国申请专利CN109738294A公开了用于X-CT的真三轴应力渗流耦合实验装置，该装置在装置的轴向、第一水平方向和第二水平方向分别设置压力泵、温度计、流量计、天平等用于压力温度等参数监测，一方面其装置复杂，不易操作，更主要的是该装置中温度施加采用的是循环热风，温度加载范围有限，远达不到高温高压岩石力学所需的温度，且循环热风会对CT扫描***造成一定的危害。
发明内容
本发明的目的是解决现有用于CT扫描***的实验装置存在的使用范围有限、温度加载范围有限和结构复杂的技术问题，提供一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，其包括高温高压三轴压力容器、上轴向加载杆、下轴向加载杆、基座、围压腔、上循环水冷***、下循环水冷***、内加热器、压力及温度检测管路、围压入口、保温层、铝镍钴磁致式对流器和加热套，所述上轴向加载杆设在高温高压三轴压力容器内腔的上部其下端面与岩石试样的上表面直接接触，所述下轴向加载杆的上部设在高温高压三轴压力容器内腔的下部其上端面与岩石试样的下表面直接接触；所述加热套套在下轴向加载杆的中下部且其中上部装在高温高压三轴压力容器内腔的下部设置的加压孔中，所述加热套与高温高压三轴压力容器的底端连接，所述加热套的下部连同下轴向加载杆的下部装在基座设置的圆孔中，所述保温层包裹在高温高压三轴压力容器的外侧面上，所述铝镍钴磁致式对流器装在保温层外侧的下部，所述上轴向加载杆、下轴向加载杆和岩石试样的侧面包裹紫铜套且紫铜套外表面与高温高压三轴压力容器内壁之间形成密闭的围压腔，所述压力及温度检测管路设在高温高压三轴压力容器的底部并与压力追踪***及温度控制***相连接，所述围压入口设在高温高压三轴压力容器的下部并与围压腔连通，所述高温高压三轴压力容器上部靠近上轴压加载杆的位置设置有上循环水冷***，所述加热套的中部设有内加热器，所述加热套的下部设有下循环水冷***。
进一步地，所述高温高压三轴压力容器的外壳由钛合金或高强碳纤维制成，以其吸收X射线能量不大于10％为标准，能承受强度围压为50MPa，轴压100MPa。
进一步地，所述高温高压三轴压力容器采用高温导热油作为围压介质进行加热，加热温度范围为：0-600°；所述高温高压三轴压力容器的加载压力为：轴压100MPa，围压50MPa，孔隙压30MPa，压力分辨率为1％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在配合CT扫描使用的同时，可实现加载的压力更大，温度更高，可实现岩石在更高温度和更大压力下的岩石细观变形和渗流机理的直观测量及实时演化规律研究。
(2)本发明在高温高压三轴压力容器中设计了内加热装置，改进了传压介质的加热***，增加了水冷却***和磁致式对流器装置，使高温高压三轴压力容器的加热温度更高、更均匀、更稳定。
(3)本发明安装和连接简单，体积小，压力和温度稳定效果好，适于在高温高压岩石力学实验中长期测量使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的使用状态图；
图中：1-高温高压三轴压力容器；2-岩石试样；3-上轴向加载杆；4-下轴向加载杆；5-基座；6-围压腔；7-上循环水冷***；8-下循环水冷***；9-内加热器；10-压力及温度检测管路；11-围压入口；12-保温层；13-铝镍钴磁致式对流器；14-加热套；A-X射线机及其运动控制***；B-配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置；C-探测器运动控制***。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本实施例中的一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，其包括高温高压三轴压力容器1、上轴向加载杆3、下轴向加载杆4、基座5、围压腔6、上循环水冷***7、下循环水冷***8、内加热器9、压力及温度检测管路10、围压入口11、保温层12、铝镍钴磁致式对流器13和加热套14，所述上轴向加载杆3设在高温高压三轴压力容器1内腔的上部其下端面与岩石试样2的上表面直接接触，所述下轴向加载杆4的上部设在高温高压三轴压力容器1内腔的下部其上端面与岩石试样2的下表面直接接触；所述加热套14套在下轴向加载杆4的中下部且其中上部装在高温高压三轴压力容器1内腔的下部设置的加压孔中，所述加热套14与高温高压三轴压力容器1的底端连接，所述加热套14的下部连同下轴向加载杆4的下部装在基座5设置的圆孔中，所述保温层12包裹在高温高压三轴压力容器1的外侧面上，所述铝镍钴磁致式对流器13装在保温层12外侧的下部，所述上轴向加载杆3、下轴向加载杆4和岩石试样2的侧面包裹紫铜套且紫铜套外表面与高温高压三轴压力容器1内壁之间形成密闭的围压腔6，所述压力及温度检测管路10设在高温高压三轴压力容器1的底部并与压力追踪***及温度控制***相连接，所述围压入口11设在高温高压三轴压力容器1的下部并与围压腔6连通，所述高温高压三轴压力容器1上部靠近上轴压加载杆3的位置设置有上循环水冷***7，所述加热套14的中部设有内加热器9，所述加热套14的下部设有下循环水冷***8。所述上轴向加载杆3和下轴向加载杆4的中心设有流体通道。
所述高温高压三轴压力容器1的外壳由钛合金或高强碳纤维制成，以其吸收X射线能量不大于10％为标准，能承受强度围压为50MPa，轴压100MPa。
所述高温高压三轴压力容器1采用高温导热油作为围压介质进行加热，加热温度范围为：0-600°；所述高温高压三轴压力容器1的加载压力为：轴压100MPa，围压50MPa，孔隙压30MPa，压力分辨率为1％。
本发明进行CT在线扫描的高温高压岩石力学实验时的步骤为：
①岩石试样制备与装样。将岩石试样2加工成与高温高压三轴压力容器1相匹配的柱状样品，表面打磨光滑，连同上轴向加载杆3、下轴向加载杆4包裹置于0.04mm的紫铜套中，放入高温高压三轴压力容器1中，并连接好管路、管线。
②应力加载。利用上轴向加载杆3、下轴向加载杆4及基座5，对岩石试样2施加轴压，通过围压入口11向高温高压三轴压力容器1内的岩石试样2施加围压。
③温度加载与应力调整。通过温度控制***对岩石试样2施加温度，并接通上循环水冷***7和下循环水冷***8。通过压力追踪***对岩石试样2所受的压力、温度进行调整，使岩石试样2温度、应力维持在目标温度和目标压力状态。
④CT扫描。打开CT扫描***，对岩石试样2的初始状态进行扫描。
⑤流体注入。通过上轴向加载杆3和下轴向加载杆4中心的流体通道，向岩石试样2注入流体，进行渗透率测试。
⑥应力加载。根据预设的应力路径，对岩石试样2施加应力。
⑦CT扫描。当岩石试样2达到预定应力状态，或破坏后，或达到渗流要求后，再次进行CT扫描。
⑧应力卸载。岩石试样2破坏后，或试验完成后，停止加热，待高温高压三轴压力容器1及岩石试样2的温度冷却至室温时，卸载应力。先卸载孔隙压力，再同步卸载轴压与围压。
⑨设备及数据整理。保存数据，取出岩石试样2，整理设备。
本发明设计了内加热装置，改进了传压介质的加热***，增加了水冷却***和磁致式对流器装置，在配合CT扫描的同时，可使高温高压三轴压力容器加载的压力更大，加热温度更高、更均匀、更稳定。可实现岩石在更高温度和更大压力下的岩石细观变形和渗流机理的直观测量及实时演化规律研究，且压力和温度稳定效果好，适于在岩石高温高压实验中长期测量使用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来讲，可以根据上述说明加以改进或变换，尤其是改变了高温高压三轴压力容器的内部构造，或使用了其他类型的内加热器、水冷却***或对流装置，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，其特征在于：包括高温高压三轴压力容器(1)、上轴向加载杆(3)、下轴向加载杆(4)、基座(5)、围压腔(6)、上循环水冷***(7)、下循环水冷***(8)、内加热器(9)、压力及温度检测管路(10)、围压入口(11)、保温层(12)、铝镍钴磁致式对流器(13)和加热套(14)，所述上轴向加载杆(3)设在高温高压三轴压力容器(1)内腔的上部其下端面与岩石试样(2)的上表面直接接触，所述下轴向加载杆(4)的上部设在高温高压三轴压力容器(1)内腔的下部其上端面与岩石试样(2)的下表面直接接触；所述加热套(14)套在下轴向加载杆(4)的中下部且其中上部装在高温高压三轴压力容器(1)内腔的下部设置的加压孔中，所述加热套(14)与高温高压三轴压力容器(1)的底端连接，所述加热套(14)的下部连同下轴向加载杆(4)的下部装在基座(5)设置的圆孔中，所述保温层(12)包裹在高温高压三轴压力容器(1)的外侧面上，所述铝镍钴磁致式对流器(13)装在保温层(12)外侧的下部，所述上轴向加载杆(3)、下轴向加载杆(4)和岩石试样(2)的侧面包裹紫铜套且紫铜套外表面与高温高压三轴压力容器(1)内壁之间形成密闭的围压腔(6)，所述压力及温度检测管路(10)设在高温高压三轴压力容器(1)的底部并与压力追踪***及温度控制***相连接，所述围压入口(11)设在高温高压三轴压力容器(1)的下部并与围压腔(6)连通，所述高温高压三轴压力容器(1)上部靠近上轴压加载杆(3)的位置设置有上循环水冷***(7)，所述加热套(14)的中部设有内加热器(9)，所述加热套(14)的下部设有下循环水冷***(8)。
2.根据权利要求1所述的一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，其特征在于：所述高温高压三轴压力容器(1)的外壳由钛合金或高强碳纤维制成，以其吸收X射线能量不大于10％为标准，能承受强度围压为50MPa，轴压100MPa。
3.根据权利要求1所述的一种配合CT在线扫描的高温高压岩石三轴实验装置，其特征在于：所述高温高压三轴压力容器(1)采用高温导热油作为围压介质进行加热，加热温度范围为：0-600°；所述高温高压三轴压力容器的加载压力为：轴压100MPa，围压50MPa，孔隙压30MPa，压力分辨率为1％。
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