CN101387598B - 化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置，属于岩石工程领域。它由岩样夹持器，化学渗透压加载装置，轴压加载装置，围压加载装置，孔隙度测试装置组成，本发明的测试装置可对受三个方向恒定压力加载与化学渗透耦合作用的岩样进行孔隙度的实时测试。该测试装置具有结构简洁、组装灵活、可扩充性强、稳定性能好以及应用面广等特点。对于岩土工程、水利工程、石油工程、矿业工程以及地下工程等领域中的多场耦合条件下岩土体力学特性及渗流特性研究具有广泛的应用价值。

Description

化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置

技术领域

本发明涉及一种化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置，主要用于岩石材料在不同三向恒定应力水平、不同种类化学溶液、不同渗透压耦合作用下的岩石孔隙度实时测试装置。属于岩石工程领域。

背景技术

岩石在化学渗透、蠕变耦合作用过程中物理力学特性变化的研究是国际岩石力学领域的前沿课题，如何从实验角度来定量刻画化学渗透与蠕变耦合作用对岩石的变形破坏过程效应已成岩石力学和重大工程中迫切需要解决的关键科学问题，而孔隙度是反映岩石物理特性的主要参数之一，是岩石力学领域中通过宏观变化探究微观机理的突破口之一，所以对岩石孔隙度在化学渗透与蠕变耦合作用过程中的变化进行实时测定是研究化学渗透与蠕变耦合作用对岩石宏细观特征影响的首要问题。

近些年来，国内外学者相继开展了与岩石蠕变效应、化学效应、渗透效应相关的实验研究工作，主要体现在以下几个方面：

1.干燥岩石经化学处理后(淋滤实验或者浸泡实验)的单轴、三轴力学加载实验；

2.干燥状态、饱水状态岩石的单轴、三轴压缩蠕变实验；

3.渗透水压下岩石的单轴、三轴力学加载实验和蠕变实验；

4.不加载条件下岩石的孔隙度的测试实验。

现有的岩石流变仪多采用电机伺服加载装置，少数采用砝码加载装置，但上述加载装置均存在不足之处。电机伺服加载装置由于伺服信号的滞后性，所以会在蠕变加压过程中产生波动效应，影响蠕变试验的结果；砝码加载装置，虽然解决了加压过程中的波动效应，但结构复杂，成本高，操作不便，绝大多数应用于软岩蠕变试验。

岩石孔隙度的测定方法包括传统的液体称重法、气体压缩膨胀法等直接测试方法以及近些年来发展起来的间接测试方法，如CT法。基于上述这些测试方法，也出现了一些岩石孔隙度的测试装置及测试技术，如江苏海安的高压气体测孔仪、北京的F-Sorb3400孔隙度测定仪等，这些孔隙度的测试设备及技术共同的特点都是在岩样不加载的条件下对其孔隙度进行测定。国外一些学者基于有效应力原理和固结理论，通过测试加载过程中岩样孔隙水压力的变化，进而推算得到孔隙体积的变化，但对岩样孔隙度的准确数值无法得到。经检索，岩样在三个方向恒定压力与化学渗透耦合作用过程中孔隙度的测定技术及设备尚未见相关的实验设备和与该类技术相关的文献报道。这主要与现阶段与此相关的实验设备缺乏有关。现阶段与此相关的实验设备由于设计及结构上的原因，不能对三轴蠕变(三个方向恒定压力)与化学渗透耦合作用过程中岩石的孔隙度进行测试。

要实现三个方向恒定压力与化学渗透耦合作用过程中岩石孔隙度的实时测试，其关键技术难点是：

1.长时间保持三个方向压力与化学渗透压力恒定。

2.采用气体膨胀法测定岩样孔隙度时，在不改变岩样孔隙结构的前提下，对岩样中孔隙水的驱替。

3.采用气体膨胀法测定岩样孔隙度时，岩样密封问题。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种岩石材料在化学渗透与蠕变耦合作用的条件下，可反映其变形特征及孔隙度定量测试的实验仪器。其技术解决方案为：化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置，它由岩样夹持器，化学渗透压加载装置，轴压加载装置，围压加载装置，孔隙度测试装置构成，其中化学渗透压加载装置中的第一油泵和岩样夹持器之间设置有第一换向阀，化学渗透压稳压装置，第一增压器，压力注液器，其中第一油泵通过油管连接在第一换向阀的进口接头上，第一换向阀的一个出口接头通过油管与化学渗透压稳压装置的进口接头连接，化学渗透压稳压装置的出口接头通过油管与第一增压器的进口端连接，第一增压器的出口端通过油管与压力注液器的第二油缸进口端连接，压力注液器的注水口通过水管与岩样夹持器的进水口连接，第一换向阀的另一个出口接头通过油管连接到第一增压器的三通接头上，轴压加载装置中的第二油泵和岩样夹持器之间设置有第二换向阀，轴压稳压装置和第二增压器，第二油泵通过油管与第二换向阀的进口接头连接，第二换向阀的一个出口接头通过油管与轴压稳压装置的进口接头连接，轴压稳压装置的出口接头通过油管与第二增压器的进口端连接，第二增压器的出口端通过油管与岩样夹持器的轴压装置相连，第二换向阀的另一个出口接头通过油管连接到第二增压器的三通接头上，围压加载装置中的第三油泵和岩样夹持器之间设置有截止阀与围压稳压装置，第三油泵，截止阀，围压稳压装置与岩样夹持器之间依次通过油管按序串联连接，孔隙度测试装置包括气体孔隙度测定仪，空气冷干机，氮气瓶，其中气体孔隙度测定仪通过气管与岩样夹持器上的气液三通接头一端连接，岩样夹持器上的气液三通接头另一端外接出水管，气体孔隙度测定仪通过气管连接到空气冷干机上，空气冷干机通过气管连接氮气瓶。

所述的压力注液器由第二油缸、溶液缸、第二推进活塞、第二变径活塞、第二活塞杆、标志杆等构成，溶液缸固定安装在第二油缸上方，溶液缸和第二油缸在同一条轴线上，第二活塞杆两端分别固定安装有第二推进活塞和第二变径活塞，第二推进活塞和第二变径活塞的面积比为1∶9，第二推进活塞置于第二油缸内，第二变径活塞置于溶液缸内，溶液缸顶部装有密封盖，标志杆一端固定安装在第二活塞杆上，另一端贯通密封盖，密封盖上设置有进水口和注水口，第二油缸上设置有排气口。增压器由第一油缸、三通接头、第一活塞杆、第一推进活塞及第一变径活塞等构成，第一推进活塞和第一变径活塞分别安装在第一活塞杆的两端，第一推进活塞和第一变径活塞的面积比为4∶1，第一推进活塞置于第一油缸的进口处，第一变径活塞置于第一油缸的中部，第一油缸的出口处设置有三通接头。

由于采用了以上技术方案，本发明化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置中的加载系统采用的化学渗透压加载装置，轴压加载装置，围压加载装置可对岩样在三个不同方向施加一定大小的恒定压力。化学渗透压加载装置上的压力注液器利用活塞的变径作用可保证渗入岩样的液体在动态渗透过程中，任意时刻作用在岩样上的渗透压力保持恒定，可真实模拟自然界中赋存在地下水中的深部岩石在稳定渗透压作用下的受力状态。轴压加载装置上的稳压装置和增压器改变了以往三轴实验机上所采用的电机伺服的加载方式，克服了伺服加载系统中波动效应对岩石蠕变实验的影响，可长时间保持压力恒定。本发明中的孔隙度实时测试装置由于其良好的密封性和可扩展性，可对三向应力与化学渗透耦合作用下的岩石，在不卸载的条件下，采用气体膨胀法对岩样的孔隙度进行实时测定。该套装置实现了全耦合作用下岩石孔隙度实时测试的实验，具有成本低、结构合理、可扩展性强特点，宜于推广。

附图说明：

附图1为本发明测试装置的结构示意图

附图2为增压器的结构示意图

附图3为压力注液器的结构示意图

附图4为岩样夹持器结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置由岩样夹持器1，轴压加载装置，围压加载装置，化学渗透压加载装置及孔隙度测试装置构成。

轴压加载装置由第二油泵37、第二换向阀4、第二增压器2、轴压稳压装置3等构成，轴压稳压装置3设置有压力表和囊式储能器，第二油泵37和岩样夹持器1之间设置有第二换向阀4，轴压稳压装置3和第二增压器2，第二油泵37通过油管与第二换向阀4的进口接头连接，第二换向阀4的一个出口接头通过油管与轴压稳压装置3的进口接头连接，轴压稳压装置3的出口接头与第二增压器2的进口端连接，第二增压器2的出口端通过油管与岩样夹持器1的轴压装置相连，第二换向阀4的另一个出口接头通过油管连接到第二增压器2的三通接头上。

围压加载系统是由第三油泵36，截止阀6，围压稳压装置5构成，围压稳压装置5设置有压力表和囊式储能器，第三油泵36通过油管与截止阀6，围压稳压装置5串接在岩样夹持器1的围压装置的接头上。

化学渗透压加载系统是由第一油泵35、第一换向阀10、第一增压器8、化学渗透压稳压装置9、压力注液器7等构成，化学渗透压稳压装置9设置有压力表和囊式储能器，其中第一油泵35通过油管连接在第一换向阀10的进口接头上，第一换向阀10的一个出口接头通过油管与化学渗透压稳压装置9的进口接头连接，化学渗透压稳压装置9的出口接头通过油管与第一增压器8的进口端连接，第一增压器8上的三通接头24的一端通过油管与压力注液器7的第二油缸21进口端连接，压力注液器7的注水口14通过水管与岩样夹持器1的进水口连接，第一换向阀10的另一个出口接头通过油管连接到第一增压器8的三通接头24上。

化学渗透压加载装置中的压力注液器7由第二油缸21、溶液缸18、第二推进活塞23、第二变径活塞20、第二活塞杆22、标志杆16等构成，溶液缸18和标志杆16均采用耐腐蚀不锈钢材料，溶液缸18固定安装在第二油缸21上方，溶液缸18和第二油缸21在同一条轴线上，第二活塞杆22两端分别固定安装有第二推进活塞23和第二变径活塞20，第二推进活塞23和第二变径活塞20的面积比为1∶9，第二推进活塞23置于第二油缸21内，第二变径活塞20置于溶液缸18内，溶液缸18顶部装有密封盖15，标志杆16一端固定安装在第二活塞杆22上，另一端贯通密封盖15。化学渗透压加载装置中的第一增压器8和轴压加载装置的第二增压器2相同。第一增压器8由第一油缸25、三通接头24、第一活塞杆27、第一推进活塞28及第一变径活塞26等构成，第一推进活塞28和第一变径活塞26分别安装在第一活塞杆27的两端，第一推进活塞28和第一变径活塞26的面积比为4∶1，第一推进活塞28置于第一油缸25的进口处，第一变径活塞26置于第一油缸25的中部，第一油缸25的出口处设置有三通接头24。

压力注液器7和第一增压器8的作用是保证溶液缸18内的液体压力保持恒定，使溶液缸18内的液体以恒定的渗透压力进入岩样夹持器1的渗透加载装置，使溶液以恒定的渗透压力作用在岩样上，这样可真实的反映加载在岩样上的化学溶液渗透压力任意时刻保持实验设计的预定荷载值。

化学渗透压加载是通过第一增压器8中的第一推进活塞28、第一变径活塞26与压力注液器7中的第二推进活塞23、第二变径活塞20产生的联动效应，使溶液缸18内的溶液以恒定的渗透压力加载在岩样上。恒定的化学渗透压力是先通过第一增压器8内的第一推进活塞28和第一变径活塞26，使得输入压力由小变大，再通过压力注液器7内的第二推进活塞23和第二变径活塞20的联动效应，使压力由大变小。因标志杆16与第二活塞杆22固定连接，它随第二活塞杆22的运动而变化，它可起到观察溶液缸18内液体体积的变化作用。

岩样孔隙度实时测试装置由岩样夹持器1、气液三通接头33、气体孔隙度测定仪11、空气冷干机12、氮气瓶13等构成，岩样夹持器1由密封盖板29、第三油缸31、密封套32、密封圈30和渗透盘34构成，渗透盘34大小与岩样面积相当，它由沿径向均匀分布的带有水槽的耐腐蚀不锈钢材料制成，主要作用是保证化学溶液渗透均匀，密封套32采用耐腐蚀热塑管材料，外加上下两组密封圈30，用于密封岩样，气液三通接头33采用耐腐蚀不锈钢材料，其双通端由出水接头和进气接头并联构成，单通端与岩样夹持器贯通，双通端的进气接头与气体孔隙度测定仪11连接，出水接头外接出水管，用于计算渗出液体的流量。

本发明的化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置工作原理：

实验开始前，先密封好岩样，将其合理装置在岩样夹持器内。工作原理是：打开岩样夹持器中的密封盖，将事先用密封套密封好的渗透盘、岩样和轴压装置上的压头置放在岩样夹持器内的实验加载台上，使得压头平面端与岩样接触，球面端与千斤顶的球面活动接触，用磁性表座将位移计固定安装在压头外壁的支杆上，使位移计的触头与支杆充分接触。密封套外套装有径向测位仪，径向测位仪通过引线与应变仪连接。实验开始时，首先进行岩样夹持器内岩样的化学渗透与三向恒定压力加载实验，三向压力加载的次序依次为：围压、轴压、化学渗透压，下面就三向加载过程及工作原理逐一说明：

1、围压加载工作原理：打开围压加载装置上的截止阀，用第三油泵往岩样夹持器内注油，当发现设置在围压加载装置上的压力表读数开始变化时，说明岩样夹持器内的油已经充满，继续用第三油泵对围压加载装置加压，直至压力表读数显示达到实验设计的预定围压值时，停止加载，关闭截止阀。

2、轴压加载工作原理：关闭轴压加载装置中的第二换向阀与轴压稳压装置连接的阀门，打开第二换向阀连接第二增压器的阀门，将第二增压器油缸的前腔注满油且使得活塞复位，然后关闭第二换向阀连接第二增压器的阀门，打开第二换向阀连接轴压稳压装置的阀门，用第二油泵开始加压，观察轴压加载装置中压力表的变化，当压力值达到实验设计的预定轴压值时，停止加载，关闭第二换向阀上的阀门。

3、化学渗透压加载工作原理：首先利用外接装置将配制好的水化学溶液注入到溶液缸内，密封溶液缸，然后关闭化学渗透压加载装置中的第一换向阀与化学渗透压稳压装置连接的阀门，打开第一换向阀连接第一增压器的阀门，将第一增压器油缸的前腔注满油且使得活塞复位，然后关闭第一换向阀与第一增压器连接的阀门，打开第一换向阀与化学渗透压稳压装置连接的阀门，用化学渗透压加载装置中的第一油泵对压力注液器内的溶液开始加压，使得溶液缸内的溶液以一定渗透压力作用在岩样夹持器内的岩样上，观察设置在压力注液器和岩样夹持器之间的压力表，当压力表上显示的压力值达到实验设计预定渗透压力值时，停止加载，关闭所有阀门。

化学渗透与三向恒定压力耦合加载实验作用一段时间后，开始对岩样孔隙度进行测定。由于气体膨胀法测定孔隙度时对岩样有要求，即岩样充分干燥，所以须对岩样进行处理后，方可测试，同时在干燥处理过程中，不能改变岩样孔隙结构状态。处理办法如下：将装有无水酒精的溶液缸与岩样夹持器上的进水口相连，用与化学渗透压大小相同的压力将溶液缸中的无水酒精注入岩样，无水酒精与水互溶且易挥发，可带走孔隙水。进行一段时间后，开启气体孔隙度测定仪、氮气瓶以及空气冷干机，调节空气冷干机的温控系统，使得进入岩样内的氮气略高于室温。经一段时间的低温烘干处理，当监测到出气口处气体充分干燥时，开始测定岩样的孔隙度，通过控制终端孔隙度测定仪上的压力调节体系可对加载状态的岩样进行孔隙度测定实验。

Claims (1)

1.化学渗透与蠕变耦合作用下岩石孔隙度实时测试装置，其特征在于：岩石孔隙度实时测试装置由岩样夹持器(1)，化学渗透压加载装置，轴压加载装置，围压加载装置，孔隙度测试装置构成，其中化学渗透压加载装置中的第一油泵(35)和岩样夹持器(1)之间设置有第一换向阀(10)，化学渗透压稳压装置(9)，第一增压器(8)和压力注液器(7)，所述的第一增压器(8)由第一油缸(25)、三通接头(24)、第一活塞杆(27)、第一推进活塞(28)及第一变径活塞(26)等构成，第一推进活塞(28)和第一变径活塞(26)分别安装在第一活塞杆(27)的两端，第一推进活塞(28)和第一变径活塞(26)的面积比为4∶1，第一推进活塞(28)置于第一油缸(25)的进口处，第一变径活塞(26)置于第一油缸(25)的中部，第一油缸(25)的出口处设置有三通接头(24)，所述的压力注液器(7)由第二油缸(21)、溶液缸(18)、第二推进活塞(23)、第二变径活塞(20)、第二活塞杆(22)、标志杆(16)等构成，溶液缸(18)固定安装在第二油缸(21)上方，溶液缸(18)和第二油缸(21)在同一条轴线上，第二活塞杆(22)两端分别固定安装有第二推进活塞(23)和第二变径活塞(20)，第二推进活塞(23)和第二变径活塞(20)的面积比为1∶9，第二推进活塞(23)置于第二油缸(21)内，第二变径活塞(20)置于溶液缸(18)内，溶液缸(18)顶部装有密封盖(15)，标志杆(16)一端固定安装在第二活塞杆(22)上，另一端贯通密封盖(15)，密封盖(15)上设置有进水口(17)和注水口(14)，第二油缸(21)上设置有排气口(19)，其中第一油泵(35)通过油管连接在第一换向阀(10)的进口接头上，第一换向阀(10)的一个出口接头通过油管与化学渗透压稳压装置(9)的进口接头连接，化学渗透压稳压装置(9)的出口接头通过油管与第一增压器(8)的进口端连接，第一增压器(8)的出口端通过三通接头(24)与压力注液器(7)的第二油缸(21)进口端连接，压力注液器(7)的注水口(14)通过水管与岩样夹持器(1)的进水口连接，第一换向阀(10)的另一个出口接头通过油管连接到第一增压器(8)的三通接头(24)上，轴压加载装置中的第二油泵(37)和岩样夹持器(1)之间设置有第二换向阀(4)，轴压稳压装置(3)和第二增压器(2)，第二油泵(37)通过油管与第二换向阀(4)的进口接头连接，第二换向阀(4)的一个出口接头通过油管与轴压稳压装置(3)的进口接头连接，轴压稳压装置(3)的出口接头通过油管与第二增压器(2)的进口端连接，第二增压器(2)的出口端通过油管与岩样夹持器(1)的轴压装置相连，第二换向阀(4)的另一个出口接头通过油管连接到第二增压器(2)的三通接头上，围压加载装置中的第三油泵(36)和岩样夹持器(1)之间设置有截止阀(6)与围压稳压装置(5)，第三油泵(36)，截止阀(6)，围压稳压装置(5)与岩样夹持器(1)之间通过油管依次按序串联连接，孔隙度测试装置包括气体孔隙度测定仪(11)，空气冷干机(12)，氮气瓶(13)，其中气体孔隙度测定仪(11)通过气管与岩样夹持器(1)上的气液三通接头(33)一端连接，岩样夹持器(1)上的气液三通接头(33)另一端外接出水管，气体孔隙度测定仪(11)通过气管连接到空气冷干机(12)上，空气冷干机(12)通过气管连接氮气瓶(13)。

Images