CN105738212A - 基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，包括三轴试验装置和电容成像系统，三轴试验装置包括放置岩样的三轴室、包裹岩样的橡胶套以及紧密环绕该橡胶套的双层橡胶环；电容成像系统包括位于该双层橡胶环层间、沿其环向间隔分布的环形电极，用于测量任意两个环形电极间实时电容、并将其转换为电容数字信号的数据采集模块，以及用于将该电容数字信号转换为图像显示的成像模块；成像模块发出检测数字信号，该检测数字信号经数据采集模块转换成检测电信号、为环形电极供电。本发明利用电容层析成像技术观测岩石裂隙扩展的过程，可实现裂纹扩展的过程可视化。

Description

基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置

技术领域

本发明涉及一种岩石裂隙扩展观测装置，特别涉及一种基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置。

背景技术

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过程中岩石裂隙发展实时成像的功能。

电容层析成像是二十世纪80年代末，90年代初提出的一种新的层析成像技术。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，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。利用这种技术可以把物体内部的介电常数的空间分布，通过测量物体表面所分布的电极之间的电容计算出来。电容层析成像技术以其廉价、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。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种操作简便、实用的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置。

技术方案：本发明所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，包括三轴试验装置和电容成像系统，三轴试验装置包括放置岩样的三轴室、包裹岩样的橡胶套以及紧密环绕该橡胶套的双层橡胶环；电容成像系统包括位于该双层橡胶环层间、沿其环向间隔分布的环形电极，用于测量任意两个环形电极间实时电容、并将其转换为电容数字信号的数据采集模块，以及用于将该电容数字信号转换为图像显示的成像模块；成像模块发出检测数字信号，该检测数字信号经数据采集模块转换成检测电信号、为环形电极供电。

通过测量环形电极间的实时电容，该实时电容代表岩体的实时介电常数，介电常数表征裂隙变化，当岩体破裂时，岩体空间等价介电常数发生变化，从而使得电极板间的测量电容也发生变化。数据采集系统测量任一对环形电极间的电容，并将该电容转化为电容数字信号、送入成像模块，成像模块将电容数字信号转换为投影数据；通过测量多对环形电极得到不同观测角度下的电容，该电容反应岩体空间内介电常数的分布情况，从而得出岩体空间裂隙的分布情况，实现实时观测裂隙的扩展过程。

具体的，数据采集模块包括用于将检测数字信号转换为检测电信号的信号传输电路，以及用于测量任意两个环形电极间实时电容的数据采集器。

进一步的，数据采集器为交流电容检测电路，该交流电容检测电路带有反馈补偿本体电容。采用该交流电容检测电路可以实现高精度地测量任意两个环形电极间实时电容，并消除电极极板间不能用于图像重建的静态电容和控制极板切换的CMOS开关的耦合电容，从而提高系统的测量精度和稳定性。

较优的，数据采集器为多通道数据采集器。此时，数据采集器可同时测量多对环形电极间的电容。

上述数据采集模块还包括用于将实时电容转换为电容数字信号的A/D转换器。

具体的，成像模块包括计算机，该计算机包括用于发出检测数字信号的控制软件以及用于将电容数字信号转换为图像显示的成像软件。控制软件控制发出稳定的检测数字信号，经数据采集模块转换为检测电信号后，用以激励环形电极，使环形电极通电，从而测出两环形电极间的电容。

上述检测电信号为正弦激励信号和参比方波信号。

进一步的，环形电极在双层橡胶环层间等间距分布。环形电极沿岩体周向均匀设置，可以减少测量误差，更精确地定位裂隙产生的位置和扩展的方向。

更进一步的，环形电极为8个。随着环形电极数目增加，独立电容测量值数目增多，图像重建质量相应提高；但增加环形电极数目的同时将一定程度地降低检测场灵敏度，从而降低系统成像的速率；使用8个环形电极，在满足图像重建质量的同时满足成像速率的要求。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明利用电容层析成像技术来观测岩石在三轴试验过程中裂隙扩展的过程，通过在岩体周向环绕电极，通过电极间的实时电容变化表征裂隙变化，并将实时电容转换为数字信号、并进一步转换为图像显示，使裂纹扩展的过程可视化；本发明的装置结构简单，价格低廉，只需在原有岩石三轴试验机外加电容层析系统即可实现岩石在三轴试验中实时成像，且本装置操作方便，克服了传统基于CT扫描技术改造岩石三轴试验机的费时、费力以及价格昂贵的缺点。

附图说明

图1为本发明的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置的结构示意图。

图2为本发明的电容成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1～2所示，本发明的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，将电容层析成像技术与实验室常用的岩体三轴实验装置结合，可实现岩石裂隙扩展过程的可视化。该装置包括三轴试验装置和电容成像系统。三轴试验装置为现有的常规岩石三轴流变试验机，包括三轴室1，待测岩样7放置于三轴室1的实验台，三轴室1可为岩样7提供围压和轴向载荷；岩样7包裹有橡胶套2，橡胶套2内层紧箍住岩样，外层具有屏蔽作用。橡胶套2外紧密环绕有双层橡胶环3。

电容成像系统通过在岩样周向设置电容阵列，岩样周向各位置处的电容反应了岩样的介电常数，因此将电容的实时变化信号转换为图像信号可反映出岩样中裂隙的形成及扩展情况，使得裂隙形成过程可视化。

该电容成像系统包括多个环形电极4、数据采集模块5和成像模块6。成像模块6经过数据采集模块5将检测数字信号转换为检测电信号传输给环形电极4，用以测量电容，数据采集模块5测量并采集传输回来的电容值，并传输给成像模块6，进行成像。

环形电极4位于双层橡胶环3层间、并沿其环向间隔分布的，弹性、高强的双层橡胶环3起到稳固环形电极4的作用；双层橡胶环3的内径可以略微小于橡胶套2外径，当岩样7包裹上橡胶套2之后，可以将含有环形电极4的双层橡胶环3紧紧地箍在橡胶套2外，以确保层间的一圈环形电极4能够紧密地贴近岩样7的圆柱面，更精确地反应岩样7的实时变化。可将相邻环形电极4等距设置，环形电极4沿岩体7周向均匀设置，可以减少测量误差，更精确地定位裂隙产生的位置和扩展的方向。环形电极4可为8个，随着环形电极4数目增加，独立电容测量值数目增多，图像重建质量相应提高；但增加环形电极4数目的同时将一定程度地降低检测场灵敏度，从而降低系统成像的速率；使用8个环形电极，在满足图像重建质量的同时满足成像速率的要求，环形电极4密集地分布在双层橡胶环3内，形成多点测量网，可使测得的裂隙位置更为准确。

数据采集模块5可包括信号传输电路以及数据采集器，信号传输电路用于将检测数字信号转换为检测电信号，数据采集器用于测量任意两个环形电极间的实时电容。数据采集器可为交流电容检测电路，该交流电容检测电路带有反馈补偿本体电容；采用该交流电容检测电路可以实现高精度地测量任意两个环形电极间实时电容，并消除电极极板间不能用于图像重建的静态电容和控制极板切换的CMOS开关的耦合电容，从而提高系统的测量精度和稳定性。数据采集器可为多通道数据采集器，此时，数据采集器可同时测量多对环形电极间的电容。

数据采集模块5还包括用于将实时电容转换为电容数字信号的A/D转换器。还可包括电容/电压(C/V)转换及通讯接口、数据处理等软硬件，数据采集模块5可由上述部件串联连接组成，也可为集成上述部件的数据采集卡。

环形电极4与数据采集模块5之间可通过多孔电缆接线连接器8连接。多孔电缆接线连接器8两端分别通过电缆9与环形电极4以及数据采集模块5连接。具体连接方式可为：将每个环形电极4与一根电缆9相连，如设置8个环形电极4则连接8根电缆9，将电缆9另一端收成一束，与多孔电缆接线连接器8相连；多孔电缆接线连接器8的构造类似于串口接头，内有与电缆9对应的连接器公头，可采用圆形插拔自锁式或螺纹连接式；该连接器公头与多孔电缆接线连接器8的母头连接，通过对三轴室1的下底板进行机械钻孔改造，在孔内安装多孔电缆接线连接器8的母头；在该多孔电缆接线连接器8母头上的另一孔内连接另一个连机器公头，通过该连接器公头及电缆9连接到数据采集模块5上；以此实现环形电极4与数据采集模块5之间的连接。

成像模块6包括计算机10，该计算机10为原岩石三轴渗流流变试验机配套的控制计算机。该计算机10内设有控制软件和成像软件，控制软件控制发出稳定的检测数字信号，经数据采集模块转换为检测电信号后，用以激励环形电极，使环形电极通电，从而测出两环形电极间的电容；检测电信号为正弦激励信号和参比方波信号。成像软件用于将电容数字信号转换为图像显示。

数据采集模块5与成像模块6之间可设置测量数据电缆11和控制信号电缆12，通过测量数据电缆11将数据采集模块5的数据采集器采集的测量数据经送到成像模块6；通过控制信号电缆12将成像模块6发出的检测数字信号传输至数据采集模块5的信号传输电路。

使用过程：成像模块6发出检测数字信号，该检测数字信号经数据采集模块5转换成检测电信号、为环形电极4供电；环形电极4受检测电信号激励后，数据采集模块5可测量任意两个环形电极4间的实时电容，并将测得的电容数据转换为电容数字信号传输至成像模块6，成像模块6接收电容数字信号并转化为图像显示。

发明原理：将环形电极与电缆连接，在信号发生器提供的电信号下，任意两个电极极板均可组成一个两端子电容，环形电极形成高灵敏度的电容阵列，岩样裂隙变化的过程中，其岩样空间内介电常数会发生变化，从而使得电极板间的测量电容也发生变化。数据采集系统测量任一对环形电极间的电容，并将该电容数据转化为电容数字信号、送入成像模块，成像模块将电容数字信号转换为投影数据组合重建并显示成像；通过测量多对环形电极得到不同观测角度下的电容，该电容反应岩体空间内介电常数的分布情况，从而得出岩体空间裂隙的分布情况，实现实时观测裂隙的扩展过程。

本发明通过测量环形电极两端的实时电容，并将该电容转化为电容数字信号，再经由成像模块转换为图像显示，可以实时观测裂隙的扩展过程；本发明的装置结构简单，价格低廉，只需在原有岩石三轴试验机外加电容层析系统即可实现岩石在三轴试验中实时成像，且本装置操作方便，克服了传统基于CT扫描技术改造岩石三轴试验机的费时、费力以及价格昂贵的缺点。

实施例一

以大理岩为例，使用本发明的装置观测岩样内裂隙扩展，使用方法如下：

1、取大理岩岩石试件，试件为圆柱形标准试件，在试件外包裹橡胶套2，然后在橡胶套2外面再箍上双层橡胶环3，双层橡胶环3的两层之间安装有8块等间距分布的环形电极4；

2、将大理岩试样安放在三轴室1的刚性压头上，再在顶部放置刚性上压头，用箍子将橡胶套2箍紧，使加载围压时液压油进入不了橡胶套2内；

3、连接环形电极4与数据采集模块5之间的电缆9和连接器公头至多孔电缆接线连接器8母头，在计算机10上观察电容成像效果，检查线路是否连接正常，并设定采样频率；

4、封闭三轴室1，启动围压油泵往三轴室1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；此时在计算机10上根据采集到的数据进行岩样成像。

如图2所示，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13，此时在计算机10的屏幕上可以看到清晰的裂缝13图像。如此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。

实施例二

以高孔隙率砂岩岩石为例，使用本发明的装置观测岩样内裂隙扩展，使用方法如下：

1、取标准高孔隙率砂岩岩石试件，如实施例一的步骤1～3，校验装置；

2、安装岩石渗流试验的渗流管道，以使三轴试验装置开展渗流作用下的长期流变试验；

3、封闭三轴室1，启动围压油泵往三轴室1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，实时在计算机10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，可以通过本发明的装置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 (9)

1.基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，包括三轴试验装置和电容成像系统，所述三轴试验装置包括放置岩样的三轴室(1)、包裹岩样的橡胶套(2)以及紧密环绕该橡胶套(2)的双层橡胶环(3)；所述电容成像系统包括位于该双层橡胶环(3)层间、沿其环向间隔分布的环形电极(4)，用于测量任意两个环形电极(4)间实时电容、并将其转换为电容数字信号的数据采集模块(5)，以及用于将该电容数字信号转换为图像显示的成像模块(6)；所述成像模块(6)发出检测数字信号，该检测数字信号经数据采集模块(5)转换成检测电信号、为环形电极(4)供电。

2.根据权利要求1所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述数据采集模块(5)包括用于将检测数字信号转换为检测电信号的信号传输电路，以及用于测量任意两个环形电极(4)间实时电容的数据采集器。

3.根据权利要求2所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述数据采集器为多通道数据采集器。

4.根据权利要求2或3所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述数据采集器为交流电容检测电路，该交流电容检测电路带有反馈补偿本体电容。

5.根据权利要求2所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述数据采集模块(5)还包括用于将实时电容转换为电容数字信号的A/D转换器。

6.根据权利要求1所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述成像模块(6)包括计算机(10)，该计算机(10)包括用于发出检测数字信号的控制软件以及用于将电容数字信号转换为图像显示的成像软件。

7.根据权利要求1或2所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述检测电信号为正弦激励信号和参比方波信号。

8.根据权利要求1所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述环形电极(4)在双层橡胶环(3)层间等间距分布。

9.根据权利要求8所述的基于电容层析成像技术的岩石三轴试验裂隙扩展观测装置，其特征在于，所述环形电极(4)为8个。