CN105628500B - 一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统 - Google Patents

一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，包括两个灌满硅油的耐压罐和安放在耐压罐内的岩石样品组件，所述两个耐压罐的底部由泄压管油管相连通，在每个耐压罐外通过进油管连接有加压泵，在每个耐压罐的顶部设有泄压管，并在所述油管、泄压管进油管、泄压管上均设有排泄阀，在所述进油管均设置有压力传感器，所述的每个岩石样品均封装于浸泡在硅油中的橡胶套内，并在每个岩石样品表面和中心分别设置温度传感器。其结构简单合理，能真正实现了岩石样品的绝热增压(或减压)，进而实时监测耐压灌围压和岩石样品温度变化，准确获得岩石绝热应力变化的温度响应系数。

Description

一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统
技术领域
本发明涉及岩石物理性质测试领域，特别是涉及一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统。
背景技术
地球内部及浅层的各种运动(如地幔对流、板块运动、火山喷发、地震等)，通常会引起应力变化。而根据固体物质的热弹性理论：
可知，应力变化必定会导致地球内部的温度变化。
式(1)中，T0是为热力学温度，(ρcp)是固体物质的体积比热容，α是线膨胀系数，Δσ是体应力变化量。不同类型的岩石，其应力变化的温度响应并不一致。因此，系统地测试各种常见岩石的绝热应力-响应系数，这不仅有助于深入了解地球内部温度变化机制、同时也可为构造活动带的应力、温度监测及防震减灾工作提供可靠的理论依据。
然而，目前在对岩石应力变化的温度响应测试过程中，都是将温度传感器贴在岩石样品表面，并与空气直接接触，系统处于开放状态，而且受应力加载台的限制，无法实现瞬间加、卸载。因此，无法真正实现绝热状态下的应力加、卸载，导致其测试结果很大程度上受到岩石与空气热交换的严重影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，以真正实现岩石样品的绝热增压(或减压)，进而实时监测耐压罐围压和岩石样品温度变化，获得岩石绝热应力变化的温度响应系数(ΔT/Δσ)。
本发明的技术方案如下：
一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，包括两个灌满硅油的耐压罐和安放在耐压罐内的岩石样品组件，所述两个耐压罐的底部由油管相连通，在每个耐压罐外通过进油管连接有加压泵，在每个耐压罐的顶部设有泄压管，并在所述油管、进油管、泄压管上均设有排泄阀，在所述进油管均设置有压力传感器，所述的每个岩石样品组件均封装于浸泡在硅油中的橡胶套内，并在每个岩石样品表面和中心分别设置温度传感器。
所述的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，还在所述的每个耐压罐硅油中设置有温度传感器。
所述的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，还包括：
围压采集模块，与所述的压力传感器相连，用于采集所述耐压罐内围压；
温度采集模块，与所述的温度传感器相连，用于采集所述岩石样品和耐压罐内硅油的温度变化；
处理模块，分别与所述加压泵、围压采集模块、温度采集模块相连，用于调控所述耐压罐围压，并根据所述耐压罐围压和岩石样品温度变化，计算岩石绝热应力变化的温度响应系数。
本发明的优点是：其结构简单合理，在圆柱状岩石样品中心及表面分别安置一个温度传感器，然后用橡胶套封装后再放在充满硅油的耐压罐中，可利用加压泵将其中一个耐压罐内的围压升至预定压力(比如130MPa)，待整个系统温度达到平衡后，再快速打开两个耐压罐之间的排泄阀，使得1～2s内，一个耐压罐内的围压瞬间降低，而另外一个耐压罐内的围压瞬间升高，而在快速打开排泄阀后的10～20s内，耐压罐内硅油的温度变化还没有影响到岩石样品中心，从而真正实现了岩石样品的绝热增压(或减压)，进而通过实时监测耐压罐围压和岩石样品温度变化，即可获得岩石绝热应力变化的温度响应系数(ΔT/Δσ)；而且这套系统可同时对两个岩石样品进行测试。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是实验测试中砂岩快速加载与快速卸载过程中的温度响应曲线；
附图标记说明：1、围压采集模块；2、温度采集模块；3、处理模块；4、进油管；5、泄压管；6、橡胶套；7、压力传感器；8、温度传感器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1所示，
一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，包括两个灌满硅油的耐压罐和安放在耐压罐内的岩石样品组件，所述两个耐压罐的底部由油管相连通，在每个耐压罐外通过进油管4连接有加压泵，在每个耐压罐的顶部设有泄压管5，并在所述油管、进油管4、泄压管5上均设有排泄阀，在所述进油管4均设置有压力传感器7，所述的每个岩石样品均封装于浸泡在硅油中的橡胶套6内，并在每个岩石样品表面和中心分别设置温度传感器8。
进一步地，所述的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，还在所述的每个耐压罐硅油中设置有温度传感器8。
所述的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，还包括：
围压采集模块1，与所述的压力传感器7相连，用于采集所述耐压罐内围压；
温度采集模块2，与所述的温度传感器8相连，用于采集所述岩石样品和耐压罐内硅油的温度变化；
处理模块3，分别与所述加压泵、围压采集模块1、温度采集模块2相连，用于调控所述耐压罐围压，并根据所述耐压罐围压和岩石样品温度变化，计算岩石绝热应力变化的温度响应系数。
在本实施例中，本发明的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，主要包括：1)两个加压泵Pump A、Pump B；2)两个灌满硅油的耐压罐A、B；3)五个排泄阀Valve A1-2、Valve B1-2、Valve C1-2，分别位于连接加压泵的进油管4与耐压罐之间的油管(不锈钢导管)间；4)两个圆柱状岩石样品Rock A、Rock B，其中心和表面分别安置了高稳定性、高分辨率的温度传感器8，并用橡胶套6做好了水密封装，然后分别放在灌满硅油的耐压罐内；且硅油中也放置了高稳定性、高分辨率的温度传感器8；5)两个压力传感器7，分别用于监测两个耐压罐内围压变化；6)一个温度采集模块2；7)一个围压采集模块1；8)一个处理模块3(可采用计算机)。
实际测试过程中，先利用加压泵将其中一个耐压罐内的围压升至预定压力(比如130MPa)，待整个系统温度达到平衡后，再手动快速打开两个耐压罐之间的排泄阀，使得1～2s内，一个耐压罐内的围压瞬间降低，而另外一个耐压罐内的围压瞬间升高，而在快速打开排泄阀后的10～20s内，耐压罐内硅油的温度变化，还没有影响到岩石样品中心，从而正真实现了岩石样品的绝热增压(或减压)。进而，通过实时监测耐压罐内围压(Confiningpressure)和岩石样品温度变化，即可获得岩石绝热应力变化的温度响应系数(ΔT/Δσ)。
具体地，本发明的技术方案可按照如下步骤实现。
第一步：将温度传感器8安置在制备好的圆柱状岩石样品中心和表面，并用橡胶套6将其进行水密封装；
第二步：将上述封装好的岩石样品，分别放入两个耐压罐并进行密封，同时用不锈钢导管按图1所示将加压泵与耐压罐连接，并将温度传感器8和压力传感器7分别连接到温度采集模块2和围压采集模块1，开启温度和压力采集模块，开始温度和围压监测。
第三步：只打开排泄阀Valve A1，关闭其他所有排泄阀(Valve A2，Valve B1，Valve B2，Valve C1)，开启加压泵Pump A，将耐压罐A中的围压升至预定压力(比如130MPa)。
第四步：3～6小时后，待整套系统的温度趋于平衡，关闭排泄阀Valve A1，同时排泄阀Valve A2，Valve B1，Valve B2都保持关闭，快速打开排泄阀Valve C1，从而实现耐压罐A瞬间减压，而耐压罐B则瞬间增压。
第五步：3～6小时后，待整套系统的温度再次趋于平衡，只打开排泄阀Valve B1，关闭其他所有排泄阀(Valve A1，Valve A2，Valve B2，Valve C1)，开启加压泵Pump B，将耐压罐B中的围压升至预定压力(比如130MPa)。
第六步：3～6小时后，待整套系统的温度趋于平衡，关闭排泄阀Valve B1，同时排泄阀Valve A1，Valve A2，Valve B2也都保持关闭，快速打开排泄阀Valve C1，从而实现耐压罐B瞬间减压，而耐压罐A则瞬间增压。
经过上述操作，岩石样品Rock A、Rock B都分别经历过了快速加载和卸载，且这个过程中的温度及围压都被实时监测并记录。由于在快速打开排泄阀后的10～20s内，耐压罐内硅油的温度变化，还没有影响到岩石样品中心，从而正真实现了岩石样品的绝热增压(或减压)。通过分析实时监测耐压罐内围压(Confining pressure)和岩石样品温度变化，即完成了岩石绝热应力变化的温度响应系数(ΔT/Δσ)的测试。
如图2是来自龙门山断裂带砂岩(L28)的快速加载(图2a)和卸载(图2b)过程中的典型温度变化曲线。在快速加载(或卸载)后，岩石样品中心温度突然升高(或降低)，然后维持近20s后，才开始受油温影响而再次逐渐升高(或降低)。而且快速加载和快速卸载过程的绝热应力变化的温度响应系数(ΔT/Δσ)测试结果分别为3.92mK/MPa和3.82mK/MPa，其相对误差在3％以内。而且对块不同地区、不同类型的岩石样品进行了系统测试，都获得了高质量的绝热应力变化的温度响应系数。其中，实验测试所用到的系统与本发明专利提供的系统基本一致。可见，实验结果表明：本发明提供的系统切实可行，非常便于岩石绝热应力变化的温度响应测试，且能稳定工作。
综上，本发明能够真正实现了岩石样品的绝热增压(或减压)，进而通过分析实时监测耐压罐内围压(Confining pressure)和岩石样品温度变化，即可准确获得岩石绝热应力变化的温度响应系数(ΔT/Δσ)；两个加压泵与两个耐压罐组合，使得可同时对两个岩石样品进行绝热增压(或减压)，大大提高了岩石绝热应力变化的温度响应测试效率。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，其特征在于，包括两个灌满硅油的耐压罐和安放在耐压罐内的岩石样品组件，所述两个耐压罐的底部由油管相连通，在每个耐压罐外通过进油管连接有加压泵，在每个耐压罐的顶部设有泄压管，并在所述油管、进油管、泄压管上均设有排泄阀，在所述进油管均设置有压力传感器，所述的每个岩石样品组件均封装于浸泡在硅油中的橡胶套内，并在每个岩石样品表面和中心分别设置温度传感器。
2.根据权利要求1所述的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，其特征在于，还在所述的每个耐压罐硅油中设置有温度传感器。
3.根据权利要求2所述的岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统，其特征在于，还包括：
围压采集模块，与所述的压力传感器相连，用于采集所述耐压罐内围压；
温度采集模块，与所述的温度传感器相连，用于采集所述岩石样品和耐压罐内硅油的温度变化；
处理模块，分别与所述加压泵、围压采集模块、温度采集模块相连，用于调控所述耐压罐围压，并根据所述耐压罐围压和岩石样品温度变化，计算岩石绝热应力变化的温度响应系数。
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