CN116124673A - 深部岩石三向渗流测试结构及三维渗透率实时测试*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及深部岩石三向渗流测试结构及三维渗透率实时测试***，包括6个压头和渗流***，6个压头两两位于X、Y、Z轴方向上；6个压头分别用于从六个方向与试样接触，每个压头朝向试样的一端布置有若干渗透孔，每个压头内设有与若干渗透孔连通的渗流流体通道渗流***包括三条渗流进管和三条渗流出管；三条渗流进管分别连接X、Y、Z轴方向的其中一个压头的渗流流体通道；三条渗流出管分别连接X、Y、Z轴方向的另一个压头的渗流流体通道。本申请每一轴的两个压头可构成该方向的渗流通路，可用于三向渗透率的实时监测；本申请独特的三向密封结构，可使试样的12条棱边相互密封，隔绝试样边缘的流体相互流通，可提高三向渗透率测试的准确性。

Description

深部岩石三向渗流测试结构及三维渗透率实时测试***

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，尤其涉及深部岩石三向渗流测试结构及三维渗透率实时测试***。

背景技术

我国正处于工业化、城镇化加速发展阶段，对资源的需求量日益增加，地球浅部资源已逐渐枯竭。而深地、深海、深空领域赋存着大量的资源、能源，因此目前正逐渐逐渐向深部转移。然而，深部岩石处于极其复杂的渗流场、温度场内。因深部岩石面临着复杂的力学环境使得相关的工程实施面临巨大的考验，所以开展深部岩体物理力学试验具有重大意义。

岩石中气或水的渗透行为测试对工程实践和工业安全具有重要意义。现有的岩石渗透率测试***往往只能测试某一固定方向（竖直方向）的渗透率，而实际工程储层岩体是三向渗流场。因此，三向渗流实验***急需突破。

发明内容

本申请为解决上述问题提供一种深部岩石三向渗流测试结构及三维渗透率实时测试***。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的深部岩石三向渗流测试结构，包括6个压头和渗流***，6个压头两两位于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上；6个压头分别用于从六个方向与试样接触，每个压头朝向试样的一端布置有若干渗透孔，每个压头内设有渗流流体通道，渗流流体通道与若干渗透孔连通；

渗流***包括三条渗流进管和三条渗流出管；三条渗流进管分别连接X轴方向的其中一个压头、Y轴方向的其中一个压头、Z轴方向的其中一个压头的渗流流体通道；三条渗流出管分别连接X轴方向的另一个压头、Y轴方向的另一个压头、Z轴方向的另一个压头的渗流流体通道。

可选的，所述三条渗流进管通过4通阀门与柱塞泵连接。

特别的，三条渗流进管和三条渗流出管上分别装有阀门。

可选的，所述压头包括压头本体和渗透垫块，压头本体前端有向前凸出的矩形凸部，矩形凸部前端面有一体制造的矩形嵌槽，渗透垫块嵌装于矩形嵌槽中；若干渗透孔均匀布置于渗透垫块上，干渗透孔前后贯穿渗透垫块；所述渗流流体通道设于压头本体内，渗流流体通道一端连通矩形嵌槽，渗流流体通道另一端贯通压头本体的侧面。

特别的，用12个弹性片将6个压头连接在一起，每个压头的四周分别通过一个弹性片与四周的4个压头连接。

本申请提供的深部岩石三维渗透率实时测试***，采用了所述的深部岩石三向渗流测试结构，所述压头朝向试样的一端边缘有环形密封槽，所述若干渗透孔位于环形密封槽内围；所述压头内设有密封流体注入通道，密封流体注入通道一端与的的环形密封槽贯通，密封流体注入通道另一端贯穿压头本体外表面。

特别的，深部岩石三维渗透率实时测试***还包括所述液压密封***，所述液压密封***包括一条密封进管、6条密封出管和分流组件，分流组件为1个进路、6条出路，6个出路分别与其中一个密封出管连接，1条进路通过密封进管与高压柱塞泵连接；所述6条密封出管分别与其中一个压头的密封流体注入通道的外端连接。

特别的，还包括试样夹具，试样夹具包括刚性外立方体框架和柔性内立方体框架，刚性外立方体框架和柔性内立方体框架均有12条框边，刚性外立方体框架和柔性内立方体框架的6个面均为矩形框，柔性内立方体框架的12个外棱角位置与刚性外立方体框架的12个内棱角贴合；

所述柔性内立方体框架内可装入立方体试样，6个压头用于与试样接触的一端可分别从试样夹具的6个方向的框口处伸入试样夹具内；柔性内立方体框架的每个面均有一体制造的环形凸缘，环形凸缘与压头的环形密封槽适配；所述压头的环形密封槽内装有环向密封条，环向密封条有与环形凸缘适配的环形槽。

其中，立方体试样装于柔性内立方体框架内，6个压头用于与试样接触的一端伸入试样夹具内分别与立方体试样的6个面接触；柔性内立方体框架的6个方向的环形凸缘对应***6个压头的环向密封条的环形槽内；压头前端面设有声发射探头、超声波探头、热流探头、温度传感探头。

特别的，柔性内立方体框架的12个内棱角位置有与立方体试样的棱角适配的直角边结构。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请深部岩石三向渗流测试结构的6个压头两两置于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上，每一轴的两个压头可构成该方向的渗流通路，可用于三向渗透率的实时监测；本申请还可以用于任意进出口方向的渗流实验。

2，本申请独特的三向密封结构，可使试样12条棱边相互密封，隔绝试样边缘的流体相互流通，可提高三向渗透率测试的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中深部岩石三维渗透率实时测试***的三维图；

图2是实施例中深部岩石三维渗透率实时测试***的主视图；

图3是图2中A-A处的剖视图；

图4是图2中B-B处的剖视图；

图5是图2中C-C处的剖视图；

图6是实施例中弹性密封压力盒的三维图；

图7是实施例中弹性密封压力盒的剖视图；

图8是实施例中6个压头与试样夹具对接在一起时的三维图；

图9是实施例中6个压头与试样夹具对接在一起时的主视图；

图10是图9中D-D处的剖视图；

图11是图9中E-E处的剖视图；

图12是实施例中压头的三维图；

图13是实施例中压头的剖视图；

图14是实施例中试样夹具的三维图；

图15是实施例中试样夹具的剖视图；

图16是实施例中柔性内立方体框架的三维图；

图17是实施例中柔性内立方体框架的剖视图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、 “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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图5所示，本实施例公开的深部岩石三维渗透率实时测试***，包括弹性密封压力盒100、渗流***和液压密封***300。

渗流***包括三条渗流进管202和三条渗流出管201和柱塞泵（图中未示出），三条渗流进管202通过4通阀门（图中未示出）与柱塞泵连接，形成1进3出效果。三条渗流进管202和三条渗流出管201上分别装有阀门203。

三条渗流出管201出口与流量计连接，可实时监测流体流出流量。

液压密封***300包括一条密封进管301、6条密封出管302、分流组件303和高压柱塞泵（图中未示出），分流组件303为1个进路、6条出路，6个出路分别与其中一个密封出管302连接，1条进路通过密封进管301与高压柱塞泵连接，高压柱塞泵可提供60MPa密封压力。

在一种可能的设计中，密封出管302为高温高压合金管道。

如图6-与11所示，弹性密封压力盒100包括6个压头1，6个压头1分别位于三轴方向上，本文中的三轴方向分别指三轴坐标系中的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向。6个压头分别为：对称设置在X轴方向的两个压头1，对称设置在Y轴方向的两个压头1以及对称设置在Z轴方向的两个压头1。

在一种可能的设计中，压头1前端面设有声发射探头、超声波探头、热流探头、温度传感探头等微型高刚度传感装置。

值得说明的是，如图12、图13所示，压头1包括压头本体11和渗透垫块12。压头本体11前端有向前凸出的矩形凸部111，矩形凸部111前端面有一体制造的矩形嵌槽，渗透垫块12通过螺钉嵌装于矩形嵌槽中。渗透垫块12上有均匀布置的若干渗透孔121，干渗透孔121前后贯穿渗透垫块12。

压头本体11的前端边缘有环形密封槽，矩形凸部111位于环形密封槽内围，环形密封槽内装有环向密封条13。压头本体11内设有渗流流体通道14和密封流体注入通道15，渗流流体通道14一端贯通矩形嵌槽，另一端贯穿压头本体11外表面；密封流体注入通道15一端与环形密封槽贯通，密封流体注入通道15另一端贯穿压头本体11外表面。

渗流***的三条渗流进管202分别与X轴方向的其中一个压头1、Y轴方向的其中一个压头1、Z轴方向的其中一个压头1的渗流流体通道14的外端连接；三条渗流出管201分别连接X轴方向的另一个压头1、Y轴方向的另一个压头1、Z轴方向的另一个压头1的渗流流体通道14。通过渗流流体通道14可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体可通过渗透孔121均匀流向试样。

液压密封***300的6条密封出管302分别与6个压头1的密封流体注入通道15的外端连接， 通过密封流体注入通道15可向环形密封槽注入密封流体，可防止渗流流体从立方体试样4边缘流出。

在一种可能的设计中，渗流流体通道14为L型，渗流流体通道14一端与矩形嵌槽垂直贯通，另一端垂直贯通压头1的侧面。

在一种可能的设计中，密封流体注入通道15为L型，密封流体注入通道15一端与环形密封槽垂直贯通，另一端垂直贯通压头1的侧面。

在一种可能的设计中，环向密封条13有开口朝前的环形槽。可选的，环向密封条13的横截面为开口朝外的U型结构。

可选的，环向密封条13采用高强度橡胶制成。

为便于与外部部件对接，压头本体11后端设有对接口。

在一种可能的设计中，如图6所示，用至少8个弹性片2将6个压头1连接在一起使。

值得说明的是，弹性片2的数量根据需要合理设置。本实施例用12个弹性片2将6个压头1连接在一起，每个压头1的四周分别通过一个弹性片2与四周的4个压头1连接。当然，在另一种可能的设计中，可用更多的弹性片2将6个压头1连接在一起。

可选的，压头1外端四周设有与弹性片2适配的弹片槽，弹片槽中设有螺钉孔，每一弹性片2的两端分别置于弹片槽中并通过螺钉与两个压头1连接。

在一种可能的设计中，弹性密封压力盒100还包括与6个压头1适配的试样夹具3，如图7-图10所示，试样夹具3用于固定立方体试样4在其内部，同时又需要在6个方向预留供6个压头1通过的口，以便于压头1与其内部的立方体试样4接触。在一种可能的设计中，如图14、图15所示，试样夹具3包括刚性外立方体框架31和柔性内立方体框架32，刚性外立方体框架31有12条刚性框边，刚性外立方体框架31的6个面均为矩形框。

柔性内立方体框架32内可装入立方体试样4。柔性内立方体框架32有12条框边321，柔性内立方体框架32的6个面均为矩形框以，与矩形的压头1适配，柔性内立方体框架32一体制造。

在一种可能的设计中，如图16、图17所示，柔性内立方体框架32的每个面均有一体制造的环形凸缘322，环形凸缘322与压头1的环形密封槽适配，用于与伸入环形密封槽内与压头1紧密贴合。如图13所示，环向密封条13有与环形凸缘322适配的环形槽，环形凸缘322可操作地装在环向密封条13的环形槽内。

柔性内立方体框架32的12个外棱角位置323与刚性外立方体框架31的12个内棱角紧密贴合。在一种可能的设计中，柔性内立方体框架32的12个内棱角位置有与立方体试样4的棱角适配的直角边结构324。

在一种可能的设计中，压头1与刚性外立方体框架31的矩形框口适配，二者之间可依靠摩擦力保持相对固定。压头1的矩形凸部111与柔性内立方体框架32的矩形框口适配。

在一种可能的设计中，柔性内立方体框架32为耐磨耐压高强度的橡胶框，刚性外立方体框架31为金属框架。

在一种可能的设计中，柔性内立方体框架32内可装入100*100*100mm的立方体试样4。

立方体试样4置于试样夹具3的柔性内立方体框架32内，立方体试样4的12个棱角与柔性内立方体框架32的12个内棱角位置贴合，6个压头1的前端分别从试样夹具3的6个方向的框口处伸入至与立方体试样4的表面接触；柔性内立方体框架32的6个方向的环形凸缘322对应***6个压头1的环向密封条13的环形槽内。

实验过程中，通过6个压头1向立方体试样4施加预定的三向应力，通过高压柱塞泵同时注入密封流体到6个压头1的密封流体注入通道15，进而使立方体试样4的12条棱边与柔性内立方体框架32紧密贴合，达到三向密封效果，可防止渗流流体从立方体试样4边缘流出；

随后，进行三向渗透率测试。

本申请还可以用于任意进出口方向的渗流实验，例如X-Y方向，X-Z方向，Y-Z方向、X-YZ方向等。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.深部岩石三向渗流测试结构，其特征在于：包括：

6个压头（1），两两位于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上；6个压头（100）分别用于从六个方向与试样接触，每个压头（1）朝向试样的一端布置有若干渗透孔（121），每个压头（1）内设有渗流流体通道（14），渗流流体通道（14）与若干渗透孔（121）连通；

渗流***，包括三条渗流进管（202）和三条渗流出管（201）；三条渗流进管（202）分别连接X轴方向的其中一个压头（1）、Y轴方向的其中一个压头（1）、Z轴方向的其中一个压头（1）的渗流流体通道（14）；三条渗流出管（201）分别连接X轴方向的另一个压头（1）、Y轴方向的另一个压头（1）、Z轴方向的另一个压头（1）的渗流流体通道（14）。

2.根据权利要求1所述的深部岩石三向渗流测试结构，其特征在于：所述三条渗流进管（202）通过4通阀门与柱塞泵连接。

3.根据权利要求1所述的深部岩石三向渗流测试结构，其特征在于：三条渗流进管（202）和三条渗流出管（201）上分别装有阀门（203）。

4.根据权利要求1所述的深部岩石三向渗流测试结构，其特征在于：所述压头（1）包括压头本体（11）和渗透垫块（12），压头本体（11）前端有向前凸出的矩形凸部（111），矩形凸部（111）前端面有一体制造的矩形嵌槽，渗透垫块（12）嵌装于矩形嵌槽中；若干渗透孔（121）均匀布置于渗透垫块（12）上，干渗透孔（121）前后贯穿渗透垫块（12）；

所述渗流流体通道（14）设于压头本体（11）内，渗流流体通道（14）一端连通矩形嵌槽，渗流流体通道（14）另一端贯通压头本体（11）的侧面。

5.深部岩石三维渗透率实时测试***，其特征在于：采用了如权利要求1-4中任一项所述的深部岩石三向渗流测试结构，所述压头（1）朝向试样的一端边缘有环形密封槽，所述若干渗透孔（121）位于环形密封槽内围；所述压头（1）内设有密封流体注入通道（15），密封流体注入通道（15）一端与的的环形密封槽贯通，密封流体注入通道（15）另一端贯穿压头本体（11）外表面。

6.根据权利要求5所述的深部岩石三维渗透率实时测试***，其特征在于：还包括所述液压密封***（300），所述液压密封***（300）包括一条密封进管（301）、6条密封出管（302）和分流组件（303），分流组件（303）为1个进路、6条出路，6个出路分别与其中一个密封出管（302）连接，1条进路通过密封进管（301）与高压柱塞泵连接；所述6条密封出管（302）分别与其中一个压头（1）的密封流体注入通道（15）的外端连接。

7.根据权利要求5或6所述的深部岩石三维渗透率实时测试***，其特征在于：还包括试样夹具（3），试样夹具（3）包括刚性外立方体框架（31）和柔性内立方体框架（32），刚性外立方体框架（31）和柔性内立方体框架（32）均有12条框边，刚性外立方体框架（31）和柔性内立方体框架（32）的6个面均为矩形框，柔性内立方体框架（32）的12个外棱角位置（323）与刚性外立方体框架（31）的12个内棱角贴合；

所述柔性内立方体框架（32）内可装入立方体试样（4），6个压头（1）用于与试样接触的一端可分别从试样夹具（3）的6个方向的框口处伸入试样夹具（3）内；

柔性内立方体框架（32）的每个面均有一体制造的环形凸缘（322），环形凸缘（322）与压头（1）的环形密封槽适配；所述压头（1）的环形密封槽内装有环向密封条（13），环向密封条（13）有与环形凸缘（322）适配的环形槽。

8.根据权利要求7所述的深部岩石三维渗透率实时测试***，，其特征在于：用12个弹性片（2）将6个压头（1）连接在一起，每个压头（1）的四周分别通过一个弹性片（2）与四周的4个压头（1）连接，12个弹性片（12）位于试样夹具（3）外侧。

9.根据权利要求7所述的深部岩石三维渗透率实时测试***，其特征在于：立方体试样（4）装于柔性内立方体框架（32）内，6个压头（1）用于与试样接触的一端伸入试样夹具（3）内分别与立方体试样（4）的6个面接触；

柔性内立方体框架（32）的6个方向的环形凸缘（322）对应***6个压头（1）的环向密封条（13）的环形槽内；

压头（1）前端面设有声发射探头、超声波探头、热流探头、温度传感探头。

10.根据权利要求7所述的深部岩石三维渗透率实时测试***，其特征在于：柔性内立方体框架（32）的12个内棱角位置有与立方体试样（4）的棱角适配的直角边结构（324）。

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