CN102937551A - 基于电容成像的岩石三轴试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于：在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。本发明还可以研究岩石的应力渗流相互耦合作用，观察岩石内部裂隙的变形扩展，以及流体对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。

Description

基于电容成像的岩石三轴试验装置

技术领域

本发明涉及一种岩石三轴试验装置，具体是一种能实时观察岩石三轴试验过程的具有数字成像的三轴试验装置。

背景技术

岩石力学

岩石是多孔孔隙介质，是由固体岩石骨架和流动的孔隙流体组成的二相体，其力学性质极大地依赖于岩石内部存在的裂隙以及裂隙内的流体。岩石受力变形破坏的过程中，内部裂隙的力学表现随应力状态和加载方式的不同而不同。或在较低的压应力下，原生裂隙被压密闭合；或在低拉应力作用下，原生裂隙由于尖端应力集中而扩展裂开；或在低剪应力作用下，原生裂隙撕开或滑开。无论何种应力状态和加载方式，当作用的荷载超过一定水平，岩石内部将会有新的裂隙萌生，并且各种裂隙进一步扩展、成核、相接，然后贯通形成明显的裂隙，最后岩石整体破坏。因此，若能清楚地知道岩石内部裂隙的力学状态、几何尺寸和分布规律，就能更好地把握岩石的宏观力学性质。

再者，岩石的力学性质与裂隙中的流体有很大的关系。这主要表现为两方面：其一，流体压力的存在可以为岩石分担一部分荷载，影响到裂隙的变形，进而影响到岩石的应力状态；另一方面，岩石受力之后，裂隙变形，又使得流体在岩石中运移的通道变窄，进而影响到流体的渗流。但当荷载达到一定值时，岩石内部将出现新的裂隙，发生体积扩容现象，裂隙增多，裂隙变宽甚至相汇贯通。裂隙的存在将加大流体的输运通道，使流体更容易透过岩石。可见，作为二相体的岩石，作用于其上的应力与渗流是相互影响的。这就是岩石的应力渗流耦合问题。正是由于岩石中裂隙的存在和裂隙流体的运动，才使得地下水、石油和天然气等资源富集。也正是由于岩石的多孔特性，使得这些资源的开发利用成为可能。研究和开采这些资源，均涉及到岩石应力渗流耦合的力学问题。

开展岩石应力渗流耦合研究的理想实验设备是全自动岩石三轴流变渗流试验机。该试验机可以同时对试验岩样施加长期应力和渗流作用，以研究两者的耦合效应。但要采用三轴试验仪研究岩石受力过程中的裂隙扩展仍然有很大的难度。目前，国内能开展这一研究的试验设备是与CT机配套的专用岩石三轴试验机。应用此试验机可以得到在不同荷载作用下，岩石中微孔洞被压密和微裂隙萌生、分叉、发展、断裂、贯通破坏等各个阶段清晰的CT图像。但应用CT扫描技术存在两个不足：（1）需对三轴试验机的围压室做改造，以适应CT扫描仪。这种改造通常比较费时费力，甚至需要重新制作三轴室。（2）CT扫描仪的价格极昂贵，与三轴试验机相当。因此，有必要开发一种小巧实用，造价低廉的设备来实现岩石三轴试验实时成像的功能。

电容成像技术

电容成像技术以其廉价、高速、非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展。该技术在石油、化工、冶金、能源等领域的两相流测量中极具潜在应用价值。电容成像的基本原理是在观测物体周围安置电极传感器阵列，通过测量不同电极组合之间的电容值，应用一定的算法重建观测物体内部的介电常数分布情况，并将不同介电常数的物质进行识别区分，再在计算机上实现可视化。

另外，在一待测物体的周边安置电极传感器阵列，当被测物体内部出现裂缝，原先属于实物的区域就变成了裂缝，介电常数也就发生了变化。这种介电常数的变化将引起电极传感器阵列上不同电极间电容的变化。通过检测阵列电极电容变化，反演出被测物内部介质介电常数分布，进而构造出其中各相介质的分布图像。

发明思路

为此，我们基于电容成像技术的基本原理，结合岩石力学及岩石的应力渗流耦合问题，提出一个能与岩石三轴流变渗流试验机配合使用的电容成像系统。发明的装置只需在现有的岩石三轴试验机上做简单改造，然后将部分系统硬件内置于三轴室内，即可对三轴试验中的岩石成像。该系统主要有两方面的应用：（1）研究在单纯的三轴加载情况下，岩石内部裂隙的损伤演化规律。（2）研究在应力渗流耦合作用下，岩石内部裂隙是如何变形扩展形成更宽的流体通道，以及流体在岩石裂隙中流动时对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。

发明内容

本发明的目的是为了在现有的岩石三轴流变渗流试验机上增加一个电容成像系统，以便应用此系统实时观察单纯应力作用以及应力渗流耦合作用下，岩石裂隙的损伤扩展以及流体的运动情况。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于：在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。

所述的阵列电极由8个电极组成，以相同的角度间隔分布在双层橡胶环内。

本发明对现有的岩石三轴流变试验机进行改造，添加一个电容成像模块，以观察岩石在力作用下，裂隙的断裂、贯通和最终破坏的力学过程。该模块还可以实现对应力渗流过程的实时成像。研究应力渗流的相互耦合作用，观察岩石内部裂隙的变形扩展，以及流体对岩石裂隙的溶蚀和水力劈裂作用。与现有CT扫描技术相比，本发明具有设备轻便，造价低廉的优点。

附图说明

图1是本发明的系统构成示意图；

图2是本发明在岩石三轴室内的主要部件构成图；

附图中

1、试件；2、裂缝；3、橡胶套；4、阵列电极；5、双层橡胶环；6、电缆；7、连接器公头；8、连接器母头；9、数据采集系统；10、测量数据电缆；11、控制信号电缆；12、计算机；13、岩石试件图像；14、裂缝图像；15、三轴室。

具体实施方式

下面结合附图与进一步说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明基于电容成像的岩土三轴试验装置，在在岩石三轴流变试验机的基础上，增加电容成像系统构成，其中岩石三轴流变试验机包括三轴室15和设置在三轴室15内的试件1以及作用在试件1上的三轴加载装置，其中三轴加载装置包括围压和轴压。本发明的新增设的电容成像系统包括电极传感系统、数据采集系统和成像系统三部分。其中，电极传感系统由一系列经过优化设计的阵列电极4组成，任意两个极板均可组成一个两端子电容；数据采集系统9由信号发生器和测量及数据采集仪组成，其功能是为电极提供电量，并测量电极两端的电容变化值，然后再将采集到的电容变化值转化为数字信号；成像系统的核心是一安装控制及成像软件的计算机12。具有控制数据采集系统工作，并将采集仪获得的数据用于计算机成像。

[1]     所述电极传感系统，是由高灵敏度的环形电极陈列组成。电容阵列共有8个电极组成，以相同的角度间隔分布在一条很薄的双层弹性高强橡胶环的两层间。橡胶环的外层具有屏蔽作用，橡胶环内层紧箍住岩样。双层弹性高强橡胶环起到稳固阵列电极的作用，以确保阵列电极能够紧密地贴近岩样的圆柱面。与包裹圆柱体岩石试件的橡胶套相比，高强橡胶环的内径略微小于橡胶套外径。这样当岩石试件包裹上橡胶套之后，可以将含有电极阵列的薄橡胶环紧紧地箍在橡胶套外。

[2]     所述电极均与一根电缆相连。8个电极共有8根电缆，收成一束，在另一端与电缆接线连接器相连。连接器的构造类似于串口接头，内有与电缆对应的针（公头），连接器可采用圆形插拔自锁式或螺纹连接式；

[3]     所述数据采集系统由信号发生器和测量及数据采集仪组成。信号发生器提供正弦激励信号和参比方波信号。电容的测量过程采用带反馈补偿本体电容的交流电容检测电路实现。最后将测量的电压等信号采集起来；

[4]     所述成像系统主要由一台与数据采集系统相连的计算机组成。这台计算机就是原岩石三轴渗流流变试验机配套的控制计算机。只需在这台计算机上添加相应的控制和成像软件即可控制数据采集系统中的信号发生器按一定的工作频率释放激励信号和控制测量与数据采集电路测量各个子电容的电容值并做记录；

[5]     所述电极传感系统与数据数据采集系统之间的连接是这样实现的：通过对现有的常规岩石三轴流变试验机的三轴室的下底板进行机械钻孔改造。在孔内安装多孔电缆连接器母头，此连接器的外端再通过连接器公头及电缆连接到数据采集系统上。这样就可实现电极传感系统与数据数据采集系统之间的连接；

[6]     所述数据采集系统与成像系统（计算机）之间的连接线路采用与岩样位移测量仪（LVDT位移计、环向位移引伸计）与计算机间连接线路相同的电缆。

本发明——三轴试验岩样破裂和应力渗流耦合电容成像系统，开展试验的过程如下：

[1]     将岩石试样用橡胶套包裹好，在膜外套上电极传感系统的弹性高强橡胶环，将电容阵列的导线与数据采集系统相连；

[2]     安装三轴试验仪的刚性压头，然后将传感系统与数据采集系统间的数据线接好。调整电容成像系统选择合适的初始值，检查电路的连通性。通过三轴试验仪的计算机控制系统，设定电容测量与数据采集的频率；

[3]     封闭三轴室，启动油泵往三轴室内充油和进行围压加载至试验设计值；

[4]     启动轴压加载试验机，对岩石试样施加轴向压力。在此过程中，计算机可实时对采集到的数据进行记录、成像和绘图。对套有环形电容阵列的岩样横截面进行成像，然后可以观察到岩石内部新出现的裂隙及裂隙的扩张方向。

实施例1：

[1]     取大理岩岩石试件1，试件1为圆柱形标准试件，在试件1外包裹橡胶套3，然后在橡胶套外面再箍上双层弹性高强橡胶环5。在双层弹性高强橡胶环的两层之间已经安装了8块等间距分布的电极阵列4；

[2]     将大理岩试样安放在试验机的刚性压头上，再在顶部放置刚性上压头，用箍子将橡胶套3箍紧，是围压室的液压油进入不了橡胶套内；

[3]     连接电极传感系统与数据采集系统9之间的电缆6和连接器公头 7至连接器母头 8，再连接至连接器公头7。在计算机上观察电容成像成果，检查线路是否连接正常，设定采样频率；

[4]     封闭三轴室15，启动围压油泵往三轴室内充油并施加围压至预定值。然后启动轴压油泵，以一定的速率逐步施加轴向荷载。此时在成像计算机上根据采集到的数据进行岩样成像13。当荷载达到一定值时，岩石内部的裂隙扩展，然后连通形成较大的裂缝2，此时在成像计算机的屏幕上可以看到清晰的裂缝图像14。这样即可获得荷载作用下岩石内部裂缝的萌生、扩展、断裂、贯通破坏等各个阶段的图像。

实施例2：

[1]     取标准高孔隙率砂岩岩石试件1，试验操作的前3个步骤与实施例1的相同；

[2]     安装岩石渗流试验的渗流管道，以使岩石三轴流变试验机开展渗流作用下的长期流变试验；

[3]     封闭三轴室15，启动围压油泵往三轴室充油，并施加围压至预定值；

[4]     启动三轴流变仪的水泵，调节作用于砂岩试样上下两端面的渗透压，以使渗透水在水泵压力之下，缓慢将砂岩岩试件1浸透饱和，并渗过岩样；

[5]     启动轴压油泵，以一定的速率逐步施加轴向荷载至某一级预定值，维持稳定5天，开始进行砂岩的长期流变试验。在荷载稳定阶段，调节采样频率至较低值，实时在成像计算机上观察砂岩岩样在荷载和渗流作用下的裂隙扩展和渗流变化规律；

[6]     当达到一级荷载的稳定时间，开始施加下一级流变荷载。施加下一级荷载之前，调节采样频率至较高值，以使电容成像系统能够记录到流变试验的快速加载阶段岩样内部裂隙的扩展情况。当荷载达到设计的荷载值时，继续维持荷载稳定5天，开始该级荷载的流变试验。然后调节采样频率至较低值；

[7]   继续对砂岩岩样开展分级加载的流变渗流试验，直至最后一级荷载作用下砂岩岩样出现加速蠕变。在整个试验的过程中，可以通过本发明的电容成像系统观察到砂岩裂隙的萌生、扩展、贯通以及水在渗压作用下对裂隙的扩展、溶蚀和劈裂作用；

Claims (2)

1.一种基于电容成像的岩土三轴试验装置，包括三轴室、设置在三轴室内的试件以及作用在所述试件上的三轴加载装置，其特征在于：在所述的试件外表面设置有一橡胶套，在橡胶套外设置有双层橡胶环，在双层橡胶环内设置有用于电容成像的阵列电极。

2.根据权利要求1所述的基于电容成像的岩土三轴试验装置，其特征在于：所述的阵列电极由8个电极组成，以相同的角度间隔分布在双层橡胶环内。

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