CN105651613A - 一种岩样径向形变测量设备 - Google Patents

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陈健
陈一健
张伦平
陈星宇
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Abstract

本发明公开了一种岩样径向形变测量设备，设有岩样轴向施压部分和岩样径向位移检测部分，岩样轴向施压部分包括圆柱形腔室，在圆柱形腔室的一端与第一柱塞滑配连接，其另一端与伸入圆柱形腔室内的第二柱塞固定连接，在圆柱形腔室内设有环形槽，在环形槽的两端部各设有密封挡圈，在环形槽内设有间隔胶壁，还包括用于测量第一柱塞与圆柱形腔室之间位移的轴向位移传感器；环形槽内壁与间隔胶壁之间形成的封闭环室为岩样围压室，岩样围压室与径向变形计量泵连通，岩样围压室还通过围压增压阀与电动围压泵连通，岩样围压室还通过围压降压阀与大气连通。它具有测量准确，操作方便等特点。

Description

一种岩样径向形变测量设备
技术领域
本发明涉及一种岩样径向形变测量设备，尤其汲及一种非固结岩样在轴向应力条件下，岩样径向形变的测量设备。
背景技术
目前，岩石力学试验中的变形测量方法可以分为四大类：机械方法、光学方法、电学方法和液压体积法。机械方法包括千分表法，但是受千分表结构限制，这种方法只能用于测量轴向形变。光学方法包括光弹方法、激光全息方法等(如中国发明专利(专利公开号：CN1319812A)公开的“三轴试验土样变形的数字图像测量方法及设备”，但这种方法不能应用于测量高温高压下的岩样形变。电学方法主要是电阻应变片测量法，其特点是利用电阻应变片中的敏感栅部分，把应变量转换成电阻变化量进行输出，及把岩样的形变量转化成电阻值进行输出的一种敏感元件。液压体积法主要是指在岩样密闭的空腔内，通过保持作用在岩样上的环压(及围压)压力大小不变，在改变轴压情况下发生的岩样径向形变，引起岩样空腔内液体体积改变的量。但使用这种方法要求岩样密闭空间小，反应才灵敏、准确，因此存在一定的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种岩样径向形变测量设备，它具有测量准确，操作方便等特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种岩样径向形变测量设备，设有岩样轴向施压部分和岩样径向位移检测部分，岩样轴向施压部分包括圆柱形腔室，在圆柱形腔室的一端与第一柱塞滑配连接，其另一端与伸入圆柱形腔室内的第二柱塞固定连接，在圆柱形腔室内设有环形槽，在环形槽的两端部各设有密封挡圈，在环形槽内设有间隔胶壁，间隔胶壁包括筒形胶套，胶套的一端与第一柱塞套接，胶套的该端部设有用于密封第一柱塞外壁和环形槽内壁之间环隙的胶套橡胶密封圈，胶套的另一端与第二柱塞套接，胶套的该端部设有用于密封第二柱塞外壁和环形槽内壁之间环隙的胶套橡胶密封圈，在胶套内第一柱塞和第二柱塞之间形成的腔室为岩样室，还包括用于测量第一柱塞与圆柱形腔室之间位移的轴向位移传感器；岩样径向位移检测部分包括岩样围压室，环形槽内壁与间隔胶壁之间形成的封闭环室为岩样围压室，岩样围压室与径向变形计量泵连通，岩样围压室还通过围压增压阀与电动围压泵连通，岩样围压室还通过围压降压阀与大气连通。
本发明进一步改进在于：
第二柱塞与圆柱形腔室的固定连接结构为：第二柱塞的外端部固定连接与其同轴心的连接柱，连接柱直径小于第二柱塞直径，圆柱形腔室的外端部旋接与其同轴心的旋盖，旋盖的中部设有与连接柱相适配的孔。
旋盖与第二柱塞之间设有橡胶减震垫。
围压降压阀与围压连接围压增压阀前端的管路连通。
圆柱形腔室竖向设置，第一柱塞位于圆柱形腔室的下端。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过间隔胶壁将放置岩样的岩样室和环绕岩样室的岩样围压室隔离，通过第一柱塞给岩样施加轴向压力，并通过轴向位移传感器进行测量该变量，与此同时岩样围压室因岩样发生径向形变致使间隔胶壁径向扩展，从而使围压室体积变小，其内部压力发生变化，通过径向变形计量泵及安装于径向变形计量泵活塞杆上的位移传感器在线测得的数值，通过上述测量的数值计算出岩样的杨氏模量和泊松比。由于采用了小体积、高精度、自动化的径向变形计量泵来测量岩样径向变形量，反应快，准确度高；环形槽内壁与间隔胶壁之间形成的封闭环室为岩样围压室，其体积较小，减小了因传压介质自身压缩造成的体积影响从而提高了测量精度；采用了作用在岩样上的围压应力不变，而改变轴向压力的方法进行测量，提高了测量精度，本发明具有测量准确，操作方便等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中径向变形计量泵的结构示意图。
在附图中：1、圆柱形腔室；1-1、环形槽；1-2、密封挡圈；2、第一柱塞；3、第二柱塞；4、胶套；5、胶套橡胶密封圈；6、压力传感器；7、岩样室；8、轴向位移传感器；9、径向变形计量泵；9-1、复位弹簧；9-2、高压活塞；9-3、位移传感器；9-4、导柱；9-5、滚珠丝杆副；9-6、变频器电机；9-7、行程开关；10、围压增压阀；11、电动围压泵；12、围压降压阀；13、连接柱；14、旋盖；15、橡胶减震垫。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
由图1-2所示的实施例可知，本实施例设有岩样轴向施压部分和岩样径向位移检测部分，岩样轴向施压部分包括圆柱形腔室1，在圆柱形腔室1的一端与第一柱塞2滑配连接，其另一端与伸入圆柱形腔室1内的第二柱塞3固定连接(该柱塞为绝缘柱塞，柱塞内安装有超声波探头和用于水合物形成过程观测的摄像头，同时是天然气注入通道和监测内压的通道)，在圆柱形腔室内设有环形槽1-1，在环形槽1-1的两端部各设有密封挡圈1-2，在环形槽1-1内设有间隔胶壁，间隔胶壁包括筒形胶套4，胶套4的一端与第一柱塞2套接，胶套4的该端部设有用于密封第一柱塞2外壁和环形槽1-1内壁之间环隙的胶套橡胶密封圈5，胶套4的另一端与第二柱塞3套接，胶套4的该端部设有用于密封第二柱塞3外壁和环形槽1-1内壁之间环隙的胶套橡胶密封圈5，在胶套4内第一柱塞2和第二柱塞3之间形成的腔室为岩样室7，还包括用于测量第一柱塞2与圆柱形腔室1之间位移的轴向位移传感器8；岩样径向位移检测部分包括岩样围压室，环形槽1-1内壁与间隔胶壁之间形成的封闭环室为岩样围压室，岩样围压室与径向变形计量泵9连通，岩样围压室还通过围压增压阀10与电动围压泵11连通，岩样围压室还通过围压降压阀12与大气连通。
第二柱塞3与圆柱形腔室1的固定连接结构为：第二柱塞3的外端部固定连接与其同轴心的连接柱13，连接柱13直径小于第二柱塞3直径，圆柱形腔室1的外端部旋接与其同轴心的旋盖14，旋盖14的中部设有与连接柱13相适配的孔。
旋盖14与第二柱塞3之间设有橡胶减震垫15。
围压降压阀12与围压连接围压增压阀10前端的管路连通。
圆柱形腔室1竖向设置，第一柱塞2位于圆柱形腔室1的下端。
径向变形计量泵及轴向位移传感器从现有技术。
测量方法：
(1)将胶套4放入圆柱形腔室1中，同时分别在环形槽1-1两端装入密封挡圈1-2；
(2)通过轴压系统将第一柱塞2顶入圆柱形腔室1内的胶套4内预定位置，然后装入非固结岩样(本实施例中为细砂颗粒)，再通过旋盖14装入第二柱塞3；
(3)在装好岩样后，通过轴压系统对第一柱塞2预加轴压PZ0，在轴向上压紧岩样并使岩样受到轴向应力；通过轴向位移传感器8记录此时的轴向初始形变量LZ0。
(4)打开径向变形计量泵9，使活塞杆上升到最顶端(即排液的上限位置)。
(5)打开围压增压阀10、关闭围压降压阀12，运行电动围压泵11，使岩样围压初步建压，然后把径向变形计量泵9活塞杆退回到行程的中间位置后，继续增加围压到实验设计值Pw。
(6)当围压实验设计值Pw稳定后，关闭围压增压阀10、打开围压降压阀12卸掉围压泵及管线压力；此时，围压压力的稳定与补偿由径向变形计量泵9进行。
(7)根据实验，逐步增加轴向压力到实验值PZ1，轴向位移传感器8也在线记录轴向位移为LZ1，则岩样轴向形变量为ΔL＝LZ1-LZ0；轴向压差为ΔP＝PZ1-PZ0。
(8)在岩样轴压改变过程中，岩样径向发生膨胀，造成岩样围压室体积缩小，围压有升高趋势；为了始终保持围压压力不变，此时径向变形计量泵9作退泵动作，增加活塞缸容积来实现围压稳定；当岩样径向收缩时，则径向变形计量泵9作进泵运动，减少活塞缸容积来实现围压稳定；活塞杆移动的距离ΔL是通过径向变形计量泵9上安装的位移传感器在线测得，准确度高。
(9)通过软件采集以上数据，按内嵌的计算公式换算出岩样的径向形变ε′和轴向形变ε。从而计算出岩样的杨氏模量和泊松比。

Claims (5)

1.一种岩样径向形变测量设备，其特征在于：设有岩样轴向施压部分和岩样径向位移检测部分，所述岩样轴向施压部分包括圆柱形腔室(1)，在所述圆柱形腔室(1)的一端与第一柱塞(2)滑配连接，其另一端与伸入圆柱形腔室(1)内的第二柱塞(3)固定连接，在所述圆柱形腔室内设有环形槽(1-1)，在所述环形槽(1-1)的两端部各设有密封挡圈(1-2)，在所述环形槽(1-1)内设有间隔胶壁，所述间隔胶壁包括筒形胶套(4)，所述胶套(4)的一端与第一柱塞(2)套接，所述胶套(4)的该端部设有用于密封第一柱塞(2)外壁和环形槽(1-1)内壁之间环隙的胶套橡胶密封圈(5)，所述胶套(4)的另一端与第二柱塞(3)套接，所述胶套(4)的该端部设有用于密封第二柱塞(3)外壁和环形槽(1-1)内壁之间环隙的胶套橡胶密封圈(5)，在所述胶套(4)内第一柱塞(2)和第二柱塞(3)之间形成的腔室为岩样室(7)，还包括用于测量第一柱塞(2)与圆柱形腔室(1)之间位移的轴向位移传感器(8)；所述岩样径向位移检测部分包括岩样围压室，所述环形槽(1-1)内壁与间隔胶壁之间形成的封闭环室为岩样围压室，所述岩样围压室与径向变形计量泵(9)连通，所述岩样围压室还通过围压增压阀(10)与电动围压泵(11)连通，所述岩样围压室还通过围压降压阀(12)与大气连通。
2.根据权利要求1所述的一种岩样径向形变测量设备，其特征在于：所述第二柱塞(3)与圆柱形腔室(1)的固定连接结构为：所述第二柱塞(3)的外端部固定连接与其同轴心的连接柱(13)，所述连接柱(13)直径小于第二柱塞(3)直径，所述圆柱形腔室(1)的外端部旋接与其同轴心的旋盖(14)，所述旋盖(14)的中部设有与所述连接柱(13)相适配的孔。
3.根据权利要求2所述的一种岩样径向形变测量设备，其特征在于：所述旋盖(14)与所述第二柱塞(3)之间设有橡胶减震垫(15)。
4.根据权利要求1所述的一种岩样径向形变测量设备，其特征在于：所述围压降压阀(12)与围压连接围压增压阀(10)前端的管路连通。
5.根据权利要求1所述的一种岩样径向形变测量设备，其特征在于：所述圆柱形腔室(1)竖向设置，所述第一柱塞(2)位于圆柱形腔室(1)的下端。
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