CN106404568A - 可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置 - Google Patents

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CN106404568A CN201610944483.XA CN201610944483A CN106404568A CN 106404568 A CN106404568 A CN 106404568A CN 201610944483 A CN201610944483 A CN 201610944483A CN 106404568 A CN106404568 A CN 106404568A
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王冲
魏天宇
周辉
张传庆
杨凡杰
卢景景
朱勇
张帆
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Abstract

本发明公开了可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置,涉及岩土工程技术中的岩土检测领域。它包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统、渗透系统；在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ2方向加载系统还包括水平压头；所述水平压头为长方体；所述上压头、所述下压头的底面形状为正方形、且与所述试样底面尺寸相同；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述上压头、所述下压头为圆形底面的圆柱体；且左轴杆右轴杆与围压室密封接合。克服了现有技术须用假三轴试验装置做致密岩石气体渗透率测量的假三轴试验、用真三轴试验装置做致密岩石气体渗透率测量的真三轴试验、成本高的缺点。

Description

可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置
技术领域
本发明涉及岩土工程技术中的岩土检测领域，更具体地说是可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置。
背景技术
伴随着《国土资源“十三五”规划纲要》的颁布，我国明确提出要进行天然气水合物资源勘查与试采、页岩气调查评价和勘查示范基地建设等专项创新工程，在这种背景下，我国对深部油气开发的研究正进行的如火如荼；气体渗透系数作为深部油气开发中致密岩石的重要力学参数之一，在深部油气开发的研究中，经常需要对气体渗透系数进行测量。
目前测量岩石气体渗透系数的方法主要有稳态法、瞬态法(又称压力脉冲法)、压力震荡法；其中，稳态法适用于渗透率较大的岩石的渗透系数的测量；瞬态法适用于致密岩石的测量，其原理成熟，测量时间短，测量精度大，是目前测量渗透率的主流方法；压力震荡法适用于较致密岩石渗透率的测量，其测量精度高，对仪器的要求也高，对于常规致密率岩石而言，该方法并不经济；而由于岩石赋存环境的复杂性，在各种工程荷载的作用下，岩石初始地应力场受到改造，应力场分布发生变化，岩石产生变形和细观结构的演化，从而导致岩石的渗透特性发生变化，因此准确模拟工程条件下岩石的受力状况对真实情况下岩石的渗透率测量至关重要。
目前模拟岩石受力状态的装置主要是常规(假)三轴仪以及真三轴仪；真三轴仪比常规三轴仪更能精确模拟岩石的三向受力状态，也更能反映岩石真实的本构关系，同时试验操作、结构也更复杂，造价也偏高；但实际上，常规三轴仪由于其操作简单、造价低的优点被广泛使用；因此，有时候就经常即需要常规三轴仪，又需要真三轴试验仪；而实际上，很多单位资金并不充裕，同时拥有常规三轴仪和真三轴仪并不符合实际，再加上各类工程的实践使得很多单位需要更便捷地做常规(假)三轴试验与真三轴试验；这样，开发一套结构简单，易操作，既能做致密岩石气体渗透率测量的真三轴试验、又能做致密岩石气体渗透率测量的假三轴试验的装置就显得很有必要了。
发明内容
本发明的目的是提供可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，结构简单、易操作、能进行真/假三轴试验并能测量岩石气体渗透系数。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统、渗透系统；所述σ1方向加载系统包括：垂直加载活塞、上压头、下压头；所述σ2方向加载系统包括：手动操作加载部分、泵动加载部分；所述σ3方向加载系统包括：进油口、出油口；
所述垂直加载活塞、所述上压头、所述下压头设置于围压室内；所述垂直加载活塞位于所述上压头正上方；所述上压头和所述下压头分别设置于试样的上、下两端；
有左轴杆、右轴杆分别以轴对称形式设置于所述围压室两侧、且分别穿过所述围压室外壁；所述泵动加载部分右端连接于所述左轴杆左端，所述手动操作加载部分左端连接于所述右轴杆右端；所述进油口、所述出油口分别以轴对称形式设置于所述围压室外壁下端的左、右两侧；有底座垂直连接于所述围压室下端；
在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ2方向加载系统还包括水平压头；所述水平压头为长方体，且与所述试样接触的截面与所述试样相同；所述上压头、所述下压头的底面形状为正方形、且与所述试样底面尺寸相同；所述上压头、所述下压头、所述试样被橡胶套套住，所述橡胶套的上下两端被卡箍严格密封；
在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述上压头、所述下压头为圆形底面的圆柱体、且底面尺寸与所述试样底面相同；所述上压头、所述下压头、所述试样被橡胶套套住，所述橡胶套的上下两端被卡箍严格密封；且所述左轴杆、所述右轴杆与所述围压室密封接合。
在上述技术方案中，在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ1，σ2，σ3的加载系统各自独立；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，σ1，σ2，σ3的加载系统各自独立。在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，可以控制σ1>σ2>σ3；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，可以控制σ1，σ2＝σ3。
在上述技术方案中，所述渗透系统包括高压氮气瓶、上渗透压进气口、上压头内部管路、下压头内部管路、下渗透压出气口、出气端储气瓶；连接高压氮气瓶去往所述上渗透压进气口的管路上依次连接有减压箱、阀门、进口端储气瓶、渗透压上压头压力传感器、进气口阀门；连接所述下渗透压出气口去往所述出气端储气瓶的管路上依次连接有出气口阀门、渗透压下压头压力传感器；所述上渗透压进气口、所述下渗透压出气口分别以轴对称形式设置于所述底座上端；所述上压头内部管路两端分别连接所述上压头底端、所述上渗透压进气口，所述下压头内部管路两端分别连接所述下压头顶端、所述下渗透压出气口。
在上述技术方案中，在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，所述水平压头共二个,且分别设置于所述试样左、右两端。便于夹紧试样，防止式样松动，还可以使试样在σ2方向受力均匀，防止影响试验结果。
在上述技术方案中，在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，所述试样为正方形底面的长方体，且所述试样尺寸为底面边长50mm，高100mm；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述试样为圆形截面的圆柱体，且所述试样尺寸为直径50mm，高100mm。在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，试样底面为边长50mm的正方形，高度为100mm的长方体，这样方便对试样施加三个主应力σ1，σ2，σ3，保持σ2≠σ3；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，试样为直径50mm高度100mm的圆柱体，方便通过油压保持σ2＝σ3。
本发明具有如下优点：
(1)仅通过更换少部分部件，就既能做致密岩石气体渗透率测量的真三轴试验、又能做致密岩石气体渗透率测量的假三轴试验；在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，把本发明改装为可测量致密岩石气体渗透率的真三轴试验装置，在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，把本发明改装为可测量致密岩石气体渗透率的假三轴试验装置；
(2)本发明结构简单、成本低；
(3)为科研单位节省资金，给研究人员提供方便。
附图说明
图1为本发明可以进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验装置的结构示意图。
图2为本发明可以进行致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验装置的结构示意图。
图3为本发明侧视图。
图中1-垂直加载活塞,2-上压头,3-下压头,4-手动操作加载部分,5-泵动加载部分,6-水平压头,7-试样,8-进油口,9-出油口,10-底座,11-左轴杆,12-右轴杆,13-围压室,14-高压氮气瓶，15-减压箱，16-阀门，17-进口端储气瓶，18-渗透压上压头压力传感器，19-进气口阀门，20-上渗透压进气口，21-上压头内部管路，22-下压头内部管路，23-下渗透压出气口，24-出气口阀门，25-渗透压下压头压力传感器，26-出气端储气瓶。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：参阅附图可知：可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统、渗透系统；所述σ1方向加载系统包括：垂直加载活塞1、上压头2、下压头3；所述σ2方向加载系统包括：手动操作加载部分4、泵动加载部分5；所述σ3方向加载系统包括：进油口8、出油口9；
所述垂直加载活塞1、所述上压头2、所述下压头3设置于围压室13内；所述垂直加载活塞1位于所述上压头2正上方；所述上压头2和所述下压头3分别设置于试样7的上、下两端；
有左轴杆11、右轴杆12分别以轴对称形式设置于所述围压室13两侧、且分别穿过所述围压室13外壁；所述泵动加载部分5右端连接于所述左轴杆11左端，所述手动操作加载部分4左端连接于所述右轴杆12右端；所述进油口8、所述出油口9分别以轴对称形式设置于所述围压室13外壁下端的左、右两侧；有底座10垂直连接于所述围压室13下端；
在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ2方向加载系统还包括水平压头6；所述水平压头6为长方体，且与所述试样7接触的截面与所述试样7相同；所述上压头2、所述下压头3的底面形状为正方形、且与所述试样7底面尺寸相同；所述上压头2、所述下压头3、所述试样7被橡胶套套住，所述橡胶套的上下两端被卡箍严格密封；
在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述上压头2、所述下压头3为圆形底面的圆柱体、且底面尺寸与所述试样7底面相同；所述上压头2、所述下压头3、所述试样7被橡胶套套住，所述橡胶套的上下两端被卡箍严格密封；且所述左轴杆11、所述右轴杆12与所述围压室13密封接合。
在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ1，σ2，σ3的加载系统各自独立；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，σ1，σ2，σ3的加载系统各自独立。
所述渗透系统包括高压氮气瓶14、上渗透压进气口20、上压头内部管路21、下压头内部管路22、下渗透压出气口23、出气端储气瓶26；连接高压氮气瓶14去往所述上渗透压进气口20的管路上依次连接有减压箱15、阀门16、进口端储气瓶17、渗透压上压头压力传感器18、进气口阀门19；连接所述下渗透压出气口23去往所述出气端储气瓶26的管路上依次连接有出气口阀门24、渗透压下压头压力传感器25；所述上渗透压进气口20、所述下渗透压出气口23分别以轴对称形式设置于所述底座10上端；所述上压头内部管路21两端分别连接所述上压头2底端、所述上渗透压进气口20，所述下压头内部管路22两端分别连接所述下压头3顶端、所述下渗透压出气口23。
在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，所述水平压头6共二个,且分别设置于所述试样7左、右两端。
在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，所述试样7为正方形底面的长方体，且所述试样7尺寸为底面边长50mm，高100mm；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述试样7为圆形截面的圆柱体，且所述试样7尺寸为直径50mm，高100mm(如图1、图2、图3所示)。
本发明可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置的工作过程如下：在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，将该装置装成真三轴仪，试样7为正方形底面的矩形体，上压头2、下压头3为正方形底面的长方体、且与试样7底面尺寸相同；用橡胶套套上试样7、上压头2、下压头3，并用卡箍将橡胶套严格密封试样7、上压头2、下压头3；通过垂直加载活塞1作用在上压头2上，对试样7施加竖向轴力σ1至特定值，保持压力值不变；通过旋转手轮把手动操作加载部分4，使右轴杆12左进与水平压头6贴近；再操作泵动加载部分5，使左轴杆11右进，贴近水平压头6，从而对试样7施加水平力σ2至特定值，保持压力值不变；通过进油口8进油对试样7施加水平力σ3至特定值，保持压力值不变；打开高压氮气瓶14开关，通过减压箱15调整压力值至特定值，压力值通过渗透压上压头压力传感器18读出；打开进气口阀门19、出气口阀门24，通过高压气瓶14给渗透管路施加气压，直至渗透压上压头压力传感器18与渗透压下压头压力传感器25读数相等；关闭进气口阀门19，调整减压箱15使进气口压力值增加至特定值；关闭阀门16，迅速打开进气口阀门19，使进气口渗透压瞬时大于出气口渗透压，在渗透管道内形成一个瞬时的压力差ΔP；由于在压力差ΔP的作用下，试样7两端会产生气体渗流作用，通过计算机采集不同时刻对应的渗透压上、下压头的压力值，通过公式计算试样的气体渗透系数；通过加压系统改变σ1，σ2，σ3的大小，重复进行试验，直至试样破坏，得到不同时刻对应的渗透压上、下压头的压力值下试样的气体渗透系数；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，将该装置装成假三轴仪，此时，去除真三轴仪装置中的水平压头6，将试样7改为圆形截面的圆柱体，上压头2、下压头3为圆形底面的圆柱体、且与所述试样7截面尺寸相同；用橡胶套套上试样7、上压头2、下压头3，并用卡箍将橡胶套严格密封试样7、上压头2、下压头3；手动操作加载部分4、泵动加载部分5不操作，保持左轴杆11、右轴杆12与围压室13密封接合；通过垂直加载活塞1作用在上压头2上，从而对试样7施加竖向轴力σ1至特定值，保持压力值不变；通过对进油口8进油对试样7施加σ2、σ3至特定值，保持压力值不变；打开高压氮气瓶14开关，通过减压箱15调整压力值至特定值，压力值通过渗透压上压头压力传感器18读出；打开进气口阀门19、出气口阀门24，通过高压气瓶14给渗透管路施加气压，直至渗透压上压头压力传感器18与渗透压下压头压力传感器25读数相等；关闭进气口阀门19，调整减压箱15使进气口压力值增加至特定值；关闭阀门16，迅速打开进气口阀门19，使进气口渗透压瞬时大于出气口渗透压，在渗透管道内形成一个瞬时的压力差ΔP；由于在压力差ΔP的作用下，试样7两端会产生气体渗流作用，通过计算机采集不同时刻对应的渗透压上、下压头的压力值，通过公式计算试样的气体渗透系数；通过加压系统改变σ1，σ2，σ3的大小，重复进行试验，直至试样破坏，得到不同时刻对应的渗透压上、下压头的压力值下试样的气体渗透系数。
为了能够更加清楚地说明本发明所述的可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置与进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验装置、进行致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验装置相比较所具有的优点，工作人员将这三种装置进行了比较：对某些既需要能进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验装置，又需要能进行致密岩石气体渗透率系数测量的假三轴试验装置的单位来讲，本发明成本仅为80万、占地面积小、能进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验和假三轴试验，而进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验装置和进行致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验装置总成本需要150万左右、占地面积大、需分别使用进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验装置和进行致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验装置进行致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验和假三轴试验。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (5)

1.可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，包括σ1方向加载系统、σ2方向加载系统、σ3方向加载系统、渗透系统；所述σ1方向加载系统包括：垂直加载活塞(1)、上压头(2)、下压头(3)；所述σ2方向加载系统包括：手动操作加载部分(4)、泵动加载部分(5)；所述σ3方向加载系统包括：进油口(8)、出油口(9)；
所述垂直加载活塞(1)、所述上压头(2)、所述下压头(3)设置于围压室(13)内；所述垂直加载活塞(1)位于所述上压头(2)正上方；所述上压头(2)和所述下压头(3)分别设置于试样(7)的上、下两端；
有左轴杆(11)、右轴杆(12)分别以轴对称形式设置于所述围压室(13)两侧、且分别穿过所述围压室(13)外壁；所述泵动加载部分(5)右端连接于所述左轴杆(11)左端，所述手动操作加载部分(4)左端连接于所述右轴杆(12)右端；所述进油口(8)、所述出油口(9)分别以轴对称形式设置于所述围压室(13)外壁下端的左、右两侧；有底座(10)垂直连接于所述围压室(13)下端；
在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ2方向加载系统还包括水平压头(6)；所述水平压头(6)为长方体，且与所述试样(7)接触的截面与所述试样(7)相同；所述上压头(2)、所述下压头(3)的底面形状为正方形、且与所述试样(7)底面尺寸相同；所述上压头(2)、所述下压头(3)、所述试样(7)被橡胶套套住，所述橡胶套的上下两端被卡箍严格密封；
在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述上压头(2)、所述下压头(3)为圆形底面的圆柱体、且底面尺寸与所述试样(7)底面相同；所述上压头(2)、所述下压头(3)、所述试样(7)被橡胶套套住，所述橡胶套的上下两端被卡箍严格密封；且所述左轴杆(11)、所述右轴杆(12)与所述围压室(13)密封接合。
2.根据权利要求1所述的可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，其特征在于：在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，σ1，σ2，σ3的加载系统各自独立；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，σ1，σ2，σ3的加载系统各自独立。
3.根据权利要求1或2所述的可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，其特征在于：所述渗透系统包括高压氮气瓶(14)、上渗透压进气口(20)、上压头内部管路(21)、下压头内部管路(22)、下渗透压出气口(23)、出气端储气瓶(26)；连接高压氮气瓶(14)去往所述上渗透压进气口(20)的管路上依次连接有减压箱(15)、阀门(16)、进口端储气瓶(17)、渗透压上压头压力传感器(18)、进气口阀门(19)；连接所述下渗透压出气口(23)去往所述出气端储气瓶(26)的管路上依次连接有出气口阀门(24)、渗透压下压头压力传感器(25)；所述上渗透压进气口(20)、所述下渗透压出气口(23)分别以轴对称形式设置于所述底座(10)上端；所述上压头内部管路(21)两端分别连接所述上压头(2)底端、所述上渗透压进气口(20)，所述下压头内部管路(22)两端分别连接所述下压头(3)顶端、所述下渗透压出气口(23)。
4.根据权利要求3所述的可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，其特征在于：在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，所述水平压头(6)共二个,且分别设置于所述试样(7)左、右两端。
5.根据权利要求4所述的可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置，其特征在于：在做致密岩石气体渗透系数测量的真三轴试验时，所述试样(7)为正方形底面的长方体，且所述试样(7)尺寸为底面边长50mm，高100mm；在做致密岩石气体渗透系数测量的假三轴试验时，所述试样(7)为圆形截面的圆柱体，且所述试样(7)尺寸为直径50mm，高100mm。
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