CN104596857B - 一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置 - Google Patents

Abstract

一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，涉及岩石力学试验装置，解决现有装置无法进行高温高压下岩石大位移剪切渗流测量的技术问题。本发明将耐高温橡胶套置入两端开口的压力釜内，把两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体岩石试样组合后放入耐高温橡胶套内，橡胶套外壁与压力釜内壁之间充满传压介质，并对压力釜配置加温和围压施加装置，对轴向加压缸配置孔隙压力施加装置，孔隙流体经过组合岩石试样中间的裂缝面流出，通过测量轴向固定缸中流出的孔隙流体的流速，获得高温高压下岩石剪切过程中的渗流特性。本发明具有结构合理，操作简单，易于在高温高压下，实现岩石大位移剪切渗流测量的优点。

Description

一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置

技术领域

本发明属于岩石力学领域，尤其涉及一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置。

背景技术

岩石的剪切渗流是重大地质灾害研究的基础，如地震和滑坡产生的机理、能源资源开发中水力压裂诱发的断层活化机理等。目前，岩石剪切渗流的测量装置有：常温低压(围压小于20MPa)下，直剪渗流的测量装置；常温高压下，斜剪渗流的测量装置；高温高压下，斜剪渗流的测量装置。斜剪渗流的测量装置存在：因剪切面与试样轴线有一定夹角，在剪切滑移过程中剪切面积发生变化，试样局部应力状态改变；渗流流体经过的路径不规则，导致无法准确确定渗流截面几何尺寸；剪切位移小，尤其是高温时仅2mm左右的缺点。直剪渗流的测量装置，虽然剪切位移较大，但由于压力釜内的试样不一样长，试样剪切过程中密封套内出现一段空白区域，一方面密封套极易向内变形，使测量无法进行，另一方面长短试样受力一样，围压增高后易使试样破断，导致测量失败。因此，目前国内外尚无高温高压下岩石大位移剪切(直剪)渗流测量装置的报导。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺点，提供一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，解决目前尚无在高温高压下，测量岩石大位移剪切渗流装置的技术问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，包括：放置岩石试样的压力釜，所述压力釜水平轴向设置，压力釜的内腔装有耐高温橡胶套，耐高温橡胶套内放置岩石试样，压力釜的两端面带有法兰，右端法兰通过螺栓与轴向加压缸的法兰连接，左端法兰通过螺栓与轴向固定缸的法兰连接；所述轴向加压缸的中空活塞杆前端设有带密封圈的轴向压头，轴向加压缸的中空活塞杆由轴压高压泵驱动；所述轴向固定缸的内腔依次放入承压钢块、带密封圈的轴向压头和与轴向固定缸螺纹连接的中空固定螺柱；所述压力釜通过注入口与围压高压泵连接，并安装有围压高压泵阀，所述压力釜通过输出口可与真空泵连接，并安装有高压阀，所述压力釜通过传感器接口接入压力釜内温度传感器，所述压力釜的外围缠绕加热带，加热带外部设置隔热物；所述轴向加压缸的中空活塞杆的内腔设置高压管，高压管的一端与孔隙压高压泵连接，另一端与轴向压头的中心孔连通。

进一步，所述耐高温橡胶套的内径与岩石试样的直径相同，即d_t＝D₀，壁厚为2～3毫米，长度与压力釜的的长度相同，即Lt＝L_f，耐高温橡胶套的两端设有壁厚为e的法兰式密封面。

进一步，所述压力釜两端的开口直径根据耐高温橡胶套的内径和壁厚确定，即d₁＝d_t+2e，长度与耐高温橡胶套的长度和岩石短试样的长度相同，即L_f＝Lt＝L₀，中间空腔直径大于两端开口直径。

进一步，所述岩石试样为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体岩石短试样和半圆柱体岩石长试样组合而成，从而在两块岩石试样之间形成可和轴向压头的中心孔相通的接触缝隙；所述半圆柱体岩石短试样的直径为D₀，长度与压力釜的长度相同，所述半圆柱体岩石长试样的直径为D₀，长度大于压力釜的长度，两块试样长度差值即为剪切滑移量。

进一步，所述岩石试样也可为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半方柱体岩石试样。

采用本发明测量岩石剪切渗流的方法，其测量步骤为：

(1)将耐高温橡胶套装入两端均开口的压力釜内；

(2)将两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体岩石短试样和半圆柱体岩石长试样组合后放入所述耐高温橡胶套内；

(3)将压力釜的法兰与轴向加压缸的法兰用紧固螺栓连接，同时，通过螺栓紧固力将压力釜与轴向加压缸之间的耐高温橡胶套两端的法兰式密封面进行挤压，对压力釜内腔的一端实施密封；

(4)移动轴向加压缸内的中空活塞杆，使带有密封圈的轴向压头与半圆柱体岩石长试样接触；

(5)调整半圆柱体岩石短试样和半圆柱体岩石长试样的水平位置，使二者在轴向加压缸内的端面具有一定的位置差，该位置差等于预设的试样剪切滑移量；即：两试样在压力釜内的长度等于压力釜长度，半圆柱体岩石长试样露于轴向加压缸内的长度为剪切滑移量，使得半圆柱体岩石短试样与轴向压头之间的空间至少等于预设试样的剪切滑移量；

(6)将压力釜的法兰与轴向固定缸的法兰用紧固螺栓连接，同时，通过螺栓紧固力将压力釜与轴向固定缸之间的耐高温橡胶套两端的法兰式密封面进行挤压，使压力釜内腔的另一端实施密封；

(7)在轴向固定缸的内腔依次放入承压钢块、带有密封圈的轴向压头和与轴向固定缸螺纹连接的中空固定螺柱，转动中空固定螺柱使得轴向压头和承压钢块向半圆柱体短试样端部移动，直至与半圆柱体短试样接触，停止转动中空固定螺柱；

(8)通过与压力釜连接的围压高压泵，向耐高温橡胶套的外壁和压力釜的内壁之间充满传压介质；

(9)通过缠绕在压力釜外围的加热带对半圆柱体短试样和半圆柱体长试样加热；

(10)当围压和温度均达到设定值后，启动与轴向加压缸连通的轴压高压泵，通过中空活塞杆将压力传递给轴向压头，推动半圆柱体岩石长试样剪切滑移；同时，启动孔隙压高压泵，孔隙流体经过高压管到达轴向压头，并作用于半圆柱体岩石短试样和半圆柱体岩石长试样之间的接触裂缝面；

(11)测量经过轴向固定缸中的轴向压头流出的孔隙流体流速，获得高温高压下岩石剪切过程中的渗流特性。

进一步，所述传压介质为液体导热油或气体。

进一步，所述传压介质为气体时，需通过与压力釜连接的真空泵，对压力釜内腔抽真空。

进一步，所述半圆柱体岩石短试样或为半方柱体岩石短试样，所述半圆柱体岩石长试样或为半方柱体岩石长试样。

本发明与现有技术相比，由于压力釜水平布置，并设计有与右边的轴向加压缸和左边的轴向固定缸连接的法兰，其内腔装有异形结构的耐高温橡胶套，橡胶套内放置由两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体组合而成的岩石试样，并对压力釜配置了加温和围压施加装置、轴向加压缸配置了孔隙压施加装置，因此，本发明具有结构合理，操作简单，易于在高温高压下，实现岩石大位移剪切渗流测量的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(气体传压介质)；

图2为本发明的结构示意图(液体传压介质)；

图3为压力釜的结构示意图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为图3的B-B剖面图；

图6为为耐高温橡胶套的结构示意图；

图7为图6的C-C剖面图；

图8为半圆柱体岩石长试样的结构示意图；

图9为图8的侧视图；

图10为半圆柱体岩石短试样的结构示意图；

图11为图10的侧视图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例，将结合附图在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的保护范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

实施例1

如图1所示，一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置(气体传压介质)，包括：放置岩石试样的压力釜1，所述压力釜1水平轴向设置，压力釜1的内腔装有耐高温橡胶套2，耐高温橡胶套2内放置岩石试样3，压力釜1的两端面带有法兰1.1，右端法兰通过螺栓4与轴向加压缸5的法兰连接，左端法兰通过螺栓4与轴向固定缸8的法兰连接；所述轴向加压缸5的中空活塞杆5.1前端设有带密封圈6.1的轴向压头6，轴向加压缸5的中空活塞杆5.1由轴压高压泵7驱动；所述轴向固定缸8的内腔依次放入承压钢块9、带密封圈6.1的轴向压头6和与轴向固定缸8螺纹连接的中空固定螺柱10；所述压力釜1通过注入口1.2与围压高压泵11连接，并安装有围压高压泵阀12，所述压力釜1通过输出口1.3与真空泵13连接，并安装有高压阀14，所述压力釜1通过传感器接口1.4接入压力釜内温度传感器15，所述压力釜1的外围缠绕加热带16，加热带外部设置隔热物17；所述轴向加压缸5的中空活塞杆5.1的内腔设置高压管18，高压管的一端与孔隙压高压泵19连接，另一端与轴向压头6的中心孔6.2连通。

如图6、7所示，所述耐高温橡胶套2的内径d_t与岩石试样3的直径D₀相同，即d_t＝D₀，壁厚e为2～3毫米，长度Lt与压力釜1的的长度L_f相同，即Lt＝L_f，耐高温橡胶套2的两端设有壁厚为e的法兰式密封面2.1。

如图3、4、5所示，所述压力釜1两端的开口直径d₁根据耐高温橡胶套2的内径d_t和壁厚e确定，即d₁＝d_t+2e，长度L_f与耐高温橡胶套的长度Lt和岩石短试样的长度L₀相同，即L_f＝Lt＝L₀，中间空腔直径d₂大于两端开口直径d₁。

如图1、8、9、10、11所示，所述岩石试样3为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2组合而成，从而在两块岩石试样之间形成可和轴向压头6的中心孔6.2连通的接触缝隙3.3；所述半圆柱体岩石短试样3.1的直径为D₀，长度L₀与压力釜1的长度L_f相同，所述半圆柱体岩石长试样3.2的直径为D₀，长度L大于压力釜1的长度L_f，两块试样长度差值即为剪切滑移量。

所述岩石试样3也可为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半方柱体岩石试样。

采用本发明测量岩石剪切渗流的方法(气体传压介质)，其测量步骤为：

(1)将内径d_t、壁厚e、长度L_t的耐高温橡胶套2，装入两端开口直径d₁＝d_t+2e、长度L_f＝Lt、中间空腔直径d₂大于两端开口直径d₁的压力釜1内(参见图3、4、5、6、7)；

(2)将直径D₀、长度L₀的半圆柱体岩石短试样3.1和直径D₀、长度L>L₀的半圆柱体岩石长试样3.2组合后放入所述耐高温橡胶套2内(参见图8、9、10、11)；

(3)将压力釜1的法兰与轴向加压缸6的法兰用紧固螺栓4连接，同时，通过螺栓紧固力将压力釜1与轴向加压缸5之间的耐高温橡胶套2一端的法兰式密封面2.1进行挤压，对压力釜内腔的一端实施密封；

(4)移动轴向加压缸5内的活塞杆5.1，使带有密封圈6.1的轴向压头6与半圆柱体岩石长试样3.2接触；

(5)调整半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2的水平位置，使二者在轴向加压缸5内的端面具有一定的位置差，该位置差等于预设的试样剪切滑移量；即：两试样在压力釜内的长度等于压力釜长度，半圆柱体岩石长试样3.2露于轴向加压缸内的长度为剪切滑移量，使得半圆柱体岩石短试样3.1与轴向压头6之间的空间至少等于预设试样的剪切滑移量；

(6)将压力釜1的法兰与轴向固定缸8的法兰用紧固螺栓4连接，同时，通过螺栓紧固力将压力釜1与轴向固定缸8之间的耐高温橡胶套2另一端的法兰式密封面2.1进行挤压，对压力釜内腔的另一端实施密封；

(7)在轴向固定缸8的内腔依次放入承压钢块9(其厚度大于剪切滑移位移)、带有密封圈6.1的轴向压头6和与轴向固定缸8螺纹连接的中空固定螺柱10，转动中空固定螺柱10使得轴向压头6和承压钢块9向半圆柱体短试样3.1端部移动，直至与半圆柱体短试样3.1接触，停止转动中空固定螺柱10；

(8)压力釜1通过注入口1.2与围压高压泵11连接，并安装有围压高压泵阀12，压力釜1通过输出口1.3与真空泵13连接，并安装有高压阀14，压力釜1通过传感器接口1.4接入压力釜内温度传感器15；

(9)关闭围压高压泵阀12，打开高压阀14，启动真空泵13，对压力釜1内空腔抽真空；

(10)停止真空泵13，关闭高压阀14，打开围压高压泵阀12，启动围压高压泵11，传压介质(气体)20被加压，并将压力传递给半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2；

(11)通过缠绕在压力釜1外围的加热带16对半圆柱体短试样3.1和半圆柱体长试样3.2加热；

(12)当围压和温度均达到设定值后，启动与轴向加压缸5连通的轴压高压泵7，通过中空活塞杆5.1将压力传递给轴向压头6，推动半圆柱体岩石长试样3.2剪切滑移；同时，启动孔隙压高压泵19，孔隙流体经过高压管18到达轴向压头6，并作用于半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2之间的接触裂缝面3.3；

(13)测量经过轴向固定缸8中的轴向压头6流出的孔隙流体流速，获得高温高压下岩石剪切过程中的渗流特性。

上述方法也可用于半方柱体岩石短试样和半方柱体岩石长试样组合成的岩石试样。

实施例2

如图2所示，一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置(液体传压介质)，包括：放置岩石试样的压力釜1，所述压力釜1水平轴向设置，压力釜1的内腔装有耐高温橡胶套2，耐高温橡胶套2内放置岩石试样3，压力釜1的两端面带有法兰1.1，右端法兰通过螺栓4与轴向加压缸5的法兰连接，左端法兰通过螺栓4与轴向固定缸8的法兰连接；所述轴向加压缸5的中空活塞杆5.1前端设有带密封圈6.1的轴向压头6，轴向加压缸5的中空活塞杆5.1由轴压高压泵7驱动；所述轴向固定缸8的内腔依次放入承压钢块9、带密封圈6.1的轴向压头6和与轴向固定缸8螺纹连接的中空固定螺柱10；所述压力釜1通过注入口1.2与围压高压泵11连接，并安装有围压高压泵阀12，所述压力釜1通过输出口1.3安装有高压阀14，所述压力釜1通过传感器接口1.4接入压力釜内温度传感器15，所述压力釜1的外围缠绕加热带16，加热带外部设置隔热物17；所述轴向加压缸5的中空活塞杆5.1的内腔设置高压管18，高压管的一端与孔隙压高压泵19连接，另一端与轴向压头6的中心孔6.2连通。

如图6、7所示，所述耐高温橡胶套2的内径d_t与岩石试样3的直径D₀相同，即d_t＝D₀，壁厚e为2～3毫米，长度Lt与压力釜1的的长度L_f相同，即Lt＝L_f，耐高温橡胶套2的两端设有壁厚为e的法兰式密封面2.1。

如图3、4、5所示，所述压力釜1两端的开口直径d₁根据耐高温橡胶套2的内径d_t和壁厚e确定，即d₁＝d_t+2e，长度L_f与耐高温橡胶套的长度Lt和岩石短试样的长度L₀相同，即L_f＝Lt＝L₀，中间空腔直径d₂大于两端开口直径d₁。

如图1、8、9、10、11所示，所述岩石试样3为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2组合而成，从而在两块岩石试样之间形成可和轴向压头6的中心孔6.2连通的接触缝隙3.3；所述半圆柱体岩石短试样3.1的直径为D₀，长度L₀与压力釜1的长度L_f相同，所述半圆柱体岩石长试样3.2的直径为D₀，长度L大于压力釜1的长度L_f，两块试样长度差值即为剪切滑移量。

所述岩石试样3也可为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半方柱体岩石试样。

采用本发明测量岩石剪切渗流的方法(液体传压介质)，其测量步骤为：

(1)将内径d_t、壁厚e、长度L_t的耐高温橡胶套2，装入两端开口直径d₁＝d_t+2e、长度L_f＝Lt、中间空腔直径d₂大于两端开口直径d₁的压力釜1内(参见图3、4、5、6、7)；

(2)将直径D₀、长度L₀的半圆柱体岩石短试样3.1和直径D₀、长度L>L₀的半圆柱体岩石长试样3.2组合后放入所述耐高温橡胶套2内(参见图8、9、10、11)；

(3)将压力釜1的法兰与轴向加压缸5的法兰用紧固螺栓4连接，同时，通过螺栓紧固力将压力釜1与轴向加压缸5之间的耐高温橡胶套2两端的法兰式密封面2.1进行挤压，对压力釜内腔的一端实施密封；

(4)移动轴向加压缸5内的中空活塞杆5.1，使带有密封圈6.1的轴向压头6与半圆柱体岩石长试样3.2接触；

(5)调整半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2的水平位置，使二者在轴向加压缸5内的端面具有一定的位置差，该位置差等于预设的试样剪切滑移量；即：两试样在压力釜内的长度等于压力釜长度，半圆柱体岩石长试样3.2露于轴向加压缸内的长度为剪切滑移量，使得半圆柱体岩石短试样3.1与轴向压头6之间的空间至少等于预设试样的剪切滑移量；

(6)将压力釜1的法兰与轴向固定缸8的法兰用紧固螺栓4连接，同时，通过螺栓紧固力将压力釜1与轴向固定缸8之间的耐高温橡胶套2另一端的法兰式密封面2.1进行挤压，对压力釜内腔的另一端实施密封；

(7)在轴向固定缸8的内腔依次放入承压钢块9(其厚度大于剪切滑移位移)、带有密封圈6.1的轴向压头6和与轴向固定缸8螺纹连接的中空固定螺柱10，转动中空固定螺柱10使得轴向压头6和承压钢块9向半圆柱体短试样3.1端部移动，直至与半圆柱体短试样3.1接触，停止转动中空固定螺柱10；

(8)压力釜1通过注入口1.2与围压高压泵11连接，并安装有围压高压泵阀12，压力釜1通过传感器接口1.4接入压力釜内温度传感器15；压力釜1通过输出口1.3安装高压阀14；

(9)打开围压高压泵阀12，和高压阀14，启动围压高压泵11，传压介质(导热油)20被压入压力釜1内，待其充满整个压力釜1的内腔并从高压阀14处溢出时，关闭高压阀14，继续运行围压高压泵对传压介质(导热油)20加压，将压力传递给半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2；

(10)通过缠绕在压力釜1外围的加热带16对半圆柱体短试样3.1和半圆柱体长试样3.2加热；

(11)当围压和温度均达到设定值后，启动与轴向加压缸5连通的轴压高压泵7，通过中空活塞杆5.1将压力传递给轴向压头6，推动半圆柱体岩石长试样3.2剪切滑移；同时，启动孔隙压高压泵19，孔隙流体经过高压管18到达轴向压头6，并作用于半圆柱体岩石短试样3.1和半圆柱体岩石长试样3.2之间的接触裂缝面3.3；

(12)测量经过轴向固定缸8中的轴向压头6流出的孔隙流体流速，获得高温高压下岩石剪切过程中的渗流特性。

上述方法也可用于半方柱体岩石短试样和半方柱体岩石长试样组合成的岩石试样。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的变化和改型都应为权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，包括：放置岩石试样的压力釜(1)，所述压力釜(1)水平轴向设置，压力釜(1)的内腔装有耐高温橡胶套(2)，耐高温橡胶套(2)内放置岩石试样(3)，压力釜(1)的两端面带有法兰(1.1)，右端法兰通过螺栓(4)与轴向加压缸(5)的法兰连接，左端法兰通过螺栓(4)与轴向固定缸(8)的法兰连接；所述轴向加压缸(5)的中空活塞杆(5.1)前端设有带密封圈(6.1)的轴向压头(6)，轴向加压缸(5)的中空活塞杆(5.1)由轴压高压泵(7)驱动；所述轴向固定缸(8)的内腔依次放入承压钢块(9)、轴向压头(6)和与轴向固定缸(8)螺纹连接的中空固定螺柱(10)；所述压力釜(1)通过注入口(1.2)与围压高压泵(11)连接，并安装有围压高压泵阀(12)，所述压力釜(1)通过输出口(1.3)可与真空泵(13)连接，并安装有高压阀(14)，所述压力釜(1)通过传感器接口(1.4)接入压力釜内温度传感器(15)，所述压力釜(1)的外围缠绕加热带(16)，加热带外部设置隔热物(17)；所述轴向加压缸(5)的中空活塞杆(5.1)的内腔设置高压管(18)，高压管的一端与孔隙压高压泵(19)连接，另一端与轴向压头(6)的中心孔(6.2)连通。

2.按照权利要求1所述高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，其特征在于：所述耐高温橡胶套(2)的内径d_t与岩石试样(3)的直径D₀相同，即d_t＝D₀，壁厚e为2～3毫米，长度Lt与压力釜(1)的长度L_f相同，即Lt＝L_f，耐高温橡胶套(2)的两端设有壁厚为e的法兰式密封面(2.1)。

3.按照权利要求1所述高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，其特征在于：所述压力釜(1)两端的开口直径d₁根据耐高温橡胶套(2)的内径d_t和壁厚e确定，即d₁＝d_t+2e，长度L_f与耐高温橡胶套的长度Lt和岩石短试样的长度L₀相同，即L_f＝Lt＝L₀，中间空腔直径d₂大于两端开口直径d₁。

4.按照权利要求1所述高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，其特征在于：所述岩石试样(3)为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半圆柱体岩石短试样(3.1)和半圆柱体岩石长试样(3.2)组合而成，从而在两块岩石试样之间形成可和轴向压头(6)的中心孔(6.2)连通的接触缝隙(3.3)；所述半圆柱体岩石短试样(3.1)的直径为D₀，长度L₀与压力釜(1)的长度L_f相同，所述半圆柱体岩石长试样(3.2)的直径为D₀，长度L大于压力釜(1)的长度L_f，两块试样长度差值即为剪切滑移量。

5.按照权利要求1所述高温高压下测量岩石剪切渗流的装置，其特征在于：所述岩石试样(3)为两块截面形状和尺寸相同、长度不同的半方柱体岩石试样。