CN102494981B - 一种用于岩石的气体渗流—蠕变耦合试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，它包括上座、下座、电机油泵、高压氮气气瓶及油泵；上座与下座连接，上座与下座各连接有一带蜂窝气孔的气腔，与上座连接的带蜂窝气孔的气腔与出口管连接，与下座连接的带蜂窝气孔的气腔与进气管连接，下座及与其相连的带蜂窝气孔的气腔与托板连接，托板通过加压活塞杆与加载油缸连接；电机油泵与加载油缸连接，高压氮气气瓶与进气管连接，油泵与油缸连接后，与三轴腔连通。本发明可以进行不同应力水平、不同气体渗透压力下岩石的气体渗流—蠕变耦合试验，可以使岩样在恒应力条件下的蠕变试验顺利完成，且数据真实可靠。

Description

一种用于岩石的气体渗流—蠕变耦合试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别涉及一种岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置。 

背景技术

岩石渗透性和蠕变性对岩石工程、工程水文地质、工程地球物理具有极其重要的意义。蠕变是岩石重要的力学特性之一，随着我国经济的快速发展，大型岩石工程日趋多样化与复杂化，需要对各种复杂条件下岩石的蠕变特性进行更深入的研究。目前，我国实施与规划中的石油(天然气)地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程，都涉及到在复杂的地质结构中建造地下工程，这些工程都涉及气体在岩体介质中渗流的问题，对于岩石气体渗透性的测试及其对环境影响的评估是一个重要方面。 

研究多场耦合作用下岩石的渗流、蠕变特性具有重要的意义。这需要大量能模拟岩石渗流—蠕变耦合作用的试验设备，为我国大型能源工程的实施提供基础研究方面的保证，目前研究岩石蠕变的设备较多，如长春朝阳试验仪器有限公司的RYL-60型三维剪切流变仪、美国MTS试验机等，现有岩石蠕变设备大多不具备有岩石气体渗流—蠕变耦合的功能。岩石蠕变研究中考虑渗流作用的试验装置特别小，有关渗流—蠕变耦合的试验装置也仅涉及到岩石蠕变中考虑水渗流的影响，如阎岩，王恩志建立的岩石渗流-蠕变耦合的试验装置，该装置的流体采用是水，试验装置实质上是水渗流-蠕变耦合的试验装置，还有康文法建立的一种多功能岩石三轴流变仪，使用此仪器做了历时12 h的砂岩三轴排水蠕变试验及干燥岩样的三轴压缩试验。有关气体渗流试验装置主要针对岩石的渗透规律、应力水平对气体渗流的影响，极小考虑岩石的蠕变条件下的气体渗流。 

由于气体的可压缩性和气体较强的吸附作用，导致气体在岩石中的渗流规律不同于不可压缩或微可压缩液体（如水）的渗流规律，岩石水渗流—蠕变耦合的试验装置不适于研究岩石气体渗流-蠕变耦合效应。而现有气体渗流试验装置由于无法考虑岩样的长时蠕变效应，得到的岩石的渗透系数无法反映在围岩石蠕变过程中岩石渗透系数的变化。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，可实现岩石蠕变过程中的轴向、径向变形，轴压、围压，气压、气体流量等参数随时间实时、准确地输出，为研究气体渗流—蠕变耦合作用下岩石的变形、破裂机理提供可靠的试验基础。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，包括上座、下座、电机油泵、高压氮气气瓶及油泵；上座与下座连接，上座与下座各连接有一带蜂窝气孔的气腔，与上座连接的带蜂窝气孔的气腔与出口管连接，与下座连接的带蜂窝气孔的气腔与进气管连接，下座及与其相连的带蜂窝气孔的气腔与托板连接，托板通过加压活塞杆与加载油缸连接；电机油泵与加载油缸连接，高压氮气气瓶与进气管连接，油泵与油缸连接后，与三轴腔连通，托板和反力架之间设有位移计，与上座连接的带蜂窝孔的气腔和与下座连接的的带蜂窝孔的气腔之间的岩样侧壁上设有轴向传感器和径向传感器。 

上述的岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，油缸与三轴腔连通的管路上设有囊式蓄能器I及压力表I。 

上述的岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，电机油泵与加载油缸连接的管路上设有囊式蓄能器II及压力表II。 

上述的岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，所述的出口管设有气体流量表。 

上述的岩石气体渗流—蠕变耦合的试验装置，所述高压氮气气瓶与进气管连接的管路上设有气压表。 

与现有技术相比，本发明发明的有益效果是：本发明可以进行不同应力水平、不同气体渗透压力下岩石的气体渗流—蠕变耦合试验，并得到不同时刻的岩样的气体渗流和蠕变变形规律。本发明具备囊式蓄能器，当设备由于外界干扰，而导致压力不稳时，囊式蓄能器可对系统及时补充压力，有较好稳压作用，可以使得岩样在恒应力条件下的蠕变试验顺利、准确地完成；具有带蜂窝气孔的气腔，可使气体均匀地施加于岩样表面。本发明发明高压气瓶内气体为氮气，在常温下化学性质不活跃，保证了实验过程中安全、可靠；本发明采用了位移计和轴向传感器，将它们的测试的结果互检，可得到可靠的轴向变形。 

附图说明

图1是本发明发明的结构示意图。 

图2是本发明的带蜂窝气孔的气腔结构示意图。 

图中：1、反力架，2、油泵，3、类岩石岩样，4、囊式蓄能器I，5、压力表I，6、操作阀I，7、高压氮气气瓶，8、排口孔，9、上座，10、下座，11、压头，12、带蜂窝气孔的气腔，13、托板，14、球角压头，15、气压表，16操作阀II，17、囊式蓄能器II，18、压力表II，19、加压活塞杆，20、岩样，21、轴向传感器，22、径向传感器，23、出口管，24、气体流量表，25、集气装，26、进气管，27、减压阀，28、电动油泵，29、油缸，30、位移计，31、蜂窝气孔，32、气腔，33、三轴腔。 

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种岩石的气体渗流—蠕变耦合试验装置，它包括上座9、下座10、电机油泵28、高压氮气气瓶7及油泵3；上座9与下座10连接，上座9与下座10各连接有一带蜂窝气孔的气腔12，与上座9连接的带蜂窝气孔的气腔12与出口管23连接，与下座10连接的带蜂窝气孔的气腔12与进气管26连接，下座10及与其相连的带蜂窝气孔的气腔12与托板13连接，托板13通过加压活塞杆19与加载油缸2连接，加载油缸2安装在反力架1上。电机油泵28与加载油缸2连接的管路上设有操作阀II 16、压力表II 18及囊式蓄能器II 17；高压氮气气瓶与进气管26连接的管路上设有气压表15；油泵3与操作阀I 6、油缸29依次连接后，再与三轴腔33连通，油缸29与三轴腔33连通的管路上设有压力表I 5，出口管23上连接有气体流量表24。压头11的下端和与上座9连接的带蜂窝气孔的气腔12联接，上端与球角压头14连接，球角压头14固装在反力架1上，托板13和反力架1之间设有位移计30，与上座9连接的带蜂窝孔的气腔12和与下座10连接的的带蜂窝孔的气腔12之间的岩样20侧壁上设有轴向传感器21和径向传感器22。 

工作时，电动油泵28、加载油缸2将油压施加给加压活塞杆19，并通过管路上的压力表II 18控制轴压大小，囊式蓄能器II 17稳定围压，通过岩样20将轴力传给压头11、球角压头14，最终作用于反力架1上；油泵3、操作阀I 6、油缸29将油压施加给三轴腔33内，三轴腔33内气体由排口孔8排出，通过压力表5控制围压大小，囊式蓄能器4稳定围压；高压氮气气瓶7内的氮气气体经蜂窝气孔31，渗透过岩样20，气体经上部蜂窝气孔31由出气管23排出气体，由气体流量表24记录气体流量，通过集气装置25收集氮气；轴向变形通过加压活塞杆上的托板13与位移计30触点接触测量得到，岩样的轴向、径向变形测试系统用轴向传感器21和径向传感器22测量得到，通过传感器接线头和数据传输线将变形数据实时传输给计算机系统；通过比较位移计30和轴向传感器21的测试的结果，将两个数据互检，得到可靠的轴向变形。 

本发明的操作过程如下： 

（1）    岩样安装。用热缩管将Ф50×100mm的岩样套住，用电吹风将热缩管加热，保证热缩管和岩样周边紧密接触，用金属箍紧紧箍住岩样上下两端的热缩管，将径向位移传感器安装于岩样中央，轴向位移传感器安装于岩样的下部，并将径向和轴向位移传感器的接线头与数据传输线接上。

（2）        装机。将下座10置于加载油缸的托板13上，将带蜂窝气孔的气腔12置于下座10的孔道内，将岩样装于带蜂窝气孔的气腔12上，将4个“O”型密封圈套在上座9的预留凹槽内，将上座9放入下座中，并通过螺栓将连接上、下座连接，将上部的带蜂窝气孔的气腔12，压头11、球角压头14安装好。再将进口管26与下部带蜂窝气孔的气腔12和高压氮气气瓶7接好，出气管23与气体流量表24、集气装置25连好；最后将托板13与位移计30触点接触。 

（3）        通过电动油泵28对岩石样施加轴压，当轴压达到试验值时，停止加载，关闭阀门，并通过稳压装置17稳压；通过油泵3对岩石样施加围压，当围压达到试验值时，停止加载，关闭阀门，并通过稳压装置4稳围压；打开高压氮气气瓶7，并调节减压阀27，使气压表15的气压值至少比围压值要小1MPa以上,通过这个手段保证岩石侧劈和热缩管之间不渗透。 

（4）        测定参数。测定岩样的轴向、径向变形，轴压、围压、气压、气体流量及各参数与时间的关系。 

使用本发明，可以进行岩石的气体渗流—蠕变耦合作用的研究，通过囊式蓄能器实现系统的良好稳压，使得岩样在恒应力条件下的蠕变试验得以实现。由于采用气压比围压要小1MPa以上的加压技术，保证了侧劈和热缩管之间无气体渗漏，岩样的气体渗流试验得以实现。岩样的轴向、径向变形数据通过传感器实时采集，数据真实可靠。 

Claims (1)

1.一种用于岩石的气体渗流—蠕变耦合试验的方法，其特征在于，使用岩石的气体渗流—蠕变耦合试验装置，所述的岩石的气体渗流—蠕变耦合试验装置包括上座(9)、下座(10)、电机油泵(28)、高压氮气气瓶(7)及油泵(3)；上座(9)与下座(10)连接，上座(9)与下座(10)各连接有一带蜂窝气孔的气腔(12)，与上座(9)连接的带蜂窝气孔的气腔(12)与出口管(23)连接，与下座(10)连接的带蜂窝气孔的气腔(12)与进气管(26)连接，下座(10)及与其相连的带蜂窝气孔的气腔(12)与托板(13)连接，托板(13)通过加压活塞杆(19)与加载油缸(2)连接，加载油缸(2)安装在反力架(1)上；电机油泵(28)与加载油缸(2)连接的管路上设有操作阀II(16)、压力表II(18)及囊式蓄能器II(17)；高压氮气气瓶与进气管(26)连接的管路上设有气压表(15)；油泵(3)与操作阀I(6)、油缸(29)依次连接后，再与三轴腔(33)连通，油缸(29)与三轴腔(33)连通的管路上设有压力表I(5)，出气管(23)上连接有气体流量表(24)；压头(11)的下端和与上座(9)连接的带蜂窝气孔的气腔(12)联接，上端与球角压头(14)连接，球角压头(14)固装在反力架(1)上；

工作过程为，电机油泵(28)、加载油缸(2)将油压施加给加压活塞杆(19)，并通过管路上的压力表II(18)控制轴压大小，囊式蓄能器II(17)稳定轴压，通过岩样(20)将轴力传给压头(11)、球角压头(14)，最终作用于反力架(1)上；油泵(3)、操作阀I(6)、油缸(29)将油压施加给三轴腔(33)内，三轴腔(33)内气体由排口孔(8)排出，通过压力表(5)控制围压大小，囊式蓄能器I(4)稳定围压；高压氮气气瓶(7)内的氮气气体经蜂窝气孔(31)，渗透过岩样(20)，气体经上部蜂窝气孔(31)由出气管(23)排出气体，由气体流量表(24)记录气体流量，通过集气装置(25)收集氮气；轴向变形通过加压活塞杆上的托板(13)与位移计(30)触点接触测量得到，岩样的轴向、径向变形测试系统用轴向传感器(21)和径向传感器(22)测量得到，通过传感器接线头和数据传输线将变形数据实时传输给计算机系统；通过比较位移计(30)和轴向传感器(21)的测试的结果，将两个数据互检，得到可靠的轴向变形；

具体的操作过程如下：

(A)岩样安装：用热缩管将Ф50×100mm的岩样套住，用电吹风将热缩管加热，保证热缩管和岩样周边紧密接触，用金属箍紧紧箍住岩样上下两端的热缩管，将径向传感器安装于岩样中央，轴向传感器安装于岩样的下部，并将径向和轴向传感器的接线头与数据传输线接上；

(B)装机：将下座(10)置于加载油缸的托板(13)上，将带蜂窝气孔的气腔(12)置于下座(10)的孔道内，将岩样装于带蜂窝气孔的气腔(12)上，将4个“O”型密封圈套在上座(9)的预留凹槽内，将上座(9)放入下座中，并通过螺栓将上、下座连接，将上部的带蜂窝气孔的气腔(12)，压头(11)、球角压头(14)安装好；再将进气管(26)与下部带蜂窝气孔的气腔(12)和高压氮气气瓶(7)接好，出气管(23)与气体流量表(24)、集气装置(25)连好；最后将托板(13)与位移计(30)触点接触；

(C)通过电机油泵(28)对岩石样施加轴压，当轴压达到试验值时，停止加载，关闭阀门，并通过囊式蓄能器II(17)稳压；通过油泵(3)对岩石样施加围压，当围压达到试验值时，停止加载，关闭阀门，并通过囊式蓄能器I(4)稳定围压；打开高压氮气气瓶(7)，并调节减压阀(27)，使气压表(15)的气压值至少比围压值要小1MPa以上，通过这个手段保证岩石侧劈和热缩管之间不渗透；

(D)测定参数；测定岩样的轴向、径向变形，轴压、围压、气压、气体流量及各参数与时间的关系。