CN109342291A - 一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，提供一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置，其在岩石试样的上方和下方均依次紧贴有在底面开设有均匀分布的凹槽的不锈钢多孔板、在侧面开设有与凹槽连通的流体通过孔的有孔变截面加载板，前后左右四个方向均依次紧贴有不锈钢无孔板、无孔变截面加载板；凹槽在底部开设有均匀分布的导流孔。本发明还提供一种使用上述装置进行岩石渗透率测量的方法，先后逐渐增加静水压力、左右方向压应力、上下方向压应力，测量岩石试样在各种受力情况下的渗透率。本发明能够形成均匀稳定的渗流场，准确地模拟岩石的耦合渗透过程，提高真三轴应力全耦合下岩石渗透率的测量精度，大幅降低测量成本，简单且方便使用。

Description

一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置和方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程技术领域，特别是涉及一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置和方法。

背景技术

由于储层岩石是多孔介质，岩石的渗透率是储层岩石的一个重要储层特征。岩石的渗透性是表示储层岩石在一定的压差下，允许流体(油、气、水)通过的性能，而渗透性的大小用渗透率来表示，因此渗透率是油气储层重要的物理特性参数。而对于渗透率的测量，是油气资源评价和开发方案设计的地质基础，同时也是评估各类地质储库存储和密封安全性能的重要技术评价指标；渗透性的准确性也对油、气井的产量产生重要的影响，也关系到能否定量研究不同储集类型岩石的弹性与粘弹性性质同岩石孔隙性与渗透性的关系。

作为一种地质材料，岩石地层的渗透率与其赋存区域的地应力等因素密切相关。深部地应力基本都是各向异性的，因此，对于岩石渗透率的测量，必须考虑其受到的三维原位地应力的影响；在应力随着工程活动发生变化的情况下，更要考虑应力变化引起的渗透率的变化，才能更加准确地评价岩层的渗透性。可见，需要对真三轴应力耦合下岩石渗透率进行准确测量，用以准确获取深部岩层在地应力作用及演化下的渗透特性。

现有的真三轴应力耦合下岩石渗透率测试装置和方法的应力加载大多是通过对立方体或长方体岩石试样的六个端面三个方向分别施加荷载实现的，较好地模拟了岩石在真三轴下的受力状态，但其主要是模拟水压致裂过程，即流体的引入均是由导流孔引入到待测试样中，无法在岩石试样中形成均匀稳定的渗流场，不满足达西定律计算渗透率的前提条件，从而会导致渗透率的测量精度低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置和方法，能够形成均匀稳定的渗流场，满足达西定律计算渗透率的前提条件，准确地模拟岩石的耦合渗透过程，提高真三轴应力全耦合下岩石渗透率的测量精度，准确获取深部岩层在地应力作用及演化下的渗透特性，大幅降低测量成本，简单且方便使用。

本发明的技术方案为：

一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置，其特征在于：包括岩石试样；

所述岩石试样在上方依次紧贴有上方不锈钢多孔板、上方有孔变截面加载板，所述岩石试样在下方依次紧贴有下方不锈钢多孔板、下方有孔变截面加载板；

所述岩石试样为长方体结构；所述上方不锈钢多孔板为长方体结构且在上底面开设有均匀分布的凹槽，所述凹槽在底部开设有均匀分布的导流孔，所述导流孔沿竖直方向贯通上方不锈钢多孔板，所述上方不锈钢多孔板的下底面与岩石试样的上底面紧贴且尺寸相同；所述上方有孔变截面加载板为直四棱柱结构且底面为等腰梯形，所述上方有孔变截面加载板的两个互相平行的侧面中面积最大的那个侧面与上方不锈钢多孔板的上底面紧贴且尺寸相同，所述上方有孔变截面加载板的两个相对但不平行的侧面中的一个侧面上开设有流体流出孔，所述流体流出孔沿竖直方向贯通上方有孔变截面加载板；所述流体流出孔与凹槽相连通；

所述下方不锈钢多孔板与上方不锈钢多孔板材质相同、结构相同且关于岩石试样的中心水平横截面对称设置；所述下方有孔变截面加载板与上方有孔变截面加载板材质相同、结构相同且关于岩石试样的中心水平横截面对称设置，所述下方有孔变截面加载板上与流体流出孔对应的是流体注入孔；

所述岩石试样在前方依次紧贴有前方不锈钢无孔板、前方无孔变截面加载板，所述岩石试样在后方依次紧贴有后方不锈钢无孔板、后方无孔变截面加载板，所述岩石试样在左方依次紧贴有左方不锈钢无孔板、左方无孔变截面加载板，所述岩石试样在右方依次紧贴有右方不锈钢无孔板、右方无孔变截面加载板；

所述前方不锈钢无孔板为长方体结构，所述前方不锈钢无孔板的后底面与岩石试样的前侧面紧贴且尺寸相同；所述前方无孔变截面加载板为直四棱柱结构且底面为等腰梯形，所述前方无孔变截面加载板的两个互相平行的侧面中面积最大的那个侧面与前方不锈钢无孔板的前底面紧贴且尺寸相同；

所述后方不锈钢无孔板、左方不锈钢无孔板、右方不锈钢无孔板均与前方不锈钢无孔板结构相同，所述后方无孔变截面加载板、左方无孔变截面加载板、右方无孔变截面加载板均与前方无孔变截面加载板结构相同；所述后方不锈钢无孔板与前方不锈钢无孔板关于岩石试样的与岩石试样前侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述左方不锈钢无孔板与右方不锈钢无孔板关于岩石试样的与岩石试样左侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述后方无孔变截面加载板与前方无孔变截面加载板关于岩石试样的与岩石试样前侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述左方无孔变截面加载板与右方无孔变截面加载板关于岩石试样的与岩石试样左侧面平行的中心竖直横截面对称设置。

所述岩石试样的上底面为正方形。

所述前方不锈钢无孔板、后方不锈钢无孔板、左方不锈钢无孔板、右方不锈钢无孔板均与上方不锈钢多孔板材质相同；所述前方无孔变截面加载板、后方无孔变截面加载板、左方无孔变截面加载板、右方无孔变截面加载板均与上方有孔变截面加载板材质相同。

一种使用上述真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置进行岩石渗透率测量的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将流体注入孔与相配套的流体输入管道连接，将流体输入管道在另一端与第一液压泵连接；将流体流出孔与相配套的流体输出管道连接，将流体输出管道在另一端与流量测量装置连接；将所述真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置密封在液体中；

步骤2：使用第二液压泵以恒定的压力增速对岩石试样施加各向等压的静水压力，当所述静水压力达到时，保持所述静水压力不变；使用第一液压泵以恒定的压力P_in通过流体输入管道向流体注入孔中注入流体，形成流入流体；流入流体经过流体注入孔后，流入下方不锈钢多孔板的凹槽中，通过凹槽均匀地布满于下方不锈钢多孔板的下底面，然后均匀地通过下方不锈钢多孔板的导流孔，流入到岩石试样，通过岩石试样渗透后，依次经过上方不锈钢多孔板的导流孔与凹槽、流体流出孔、流体输出管道后，形成流出流体，再进入流量测量装置；

步骤3：当岩石试样达到饱和状态时，对t_i时刻岩石试样在静水压力作用下的渗透率进行测量，具体步骤如下：

步骤3.1：通过流量测量装置对t_i时刻流出流体的流量进行测量，然后根据达西定律对t_i时刻岩石试样的渗透率进行计算；其中，i为流量测量的次数，i的初始值为1，t_i为第i次测量流量时对应的时刻；

步骤3.2：重复步骤3.1，直至i＝l₀；其中，l₀为预先设定的参数；

步骤4：继续以恒定的压力增速增大所述静水压力，所述静水压力每增加Δσ₃，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力作用下的渗透率进行测量；当静水压力增大到第一目标值σ₃时，停止测量并保持静水压力不变；

步骤5：使用第三液压泵通过活塞传动装置以恒定的压应力增速对左方无孔变截面加载板施加第一压应力、对右方无孔变截面加载板施加第二压应力，所述第一压应力垂直于岩石试样的左侧面，所述第二压应力与第一压应力大小相同且方向相反；当第一压应力和第二压应力达到时，保持第一压应力和第二压应力不变；然后，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力、第一压应力和第二压应力共同作用下的渗透率进行测量，直至i＝m₀；其中，m₀为预先设定的参数；

步骤6：继续以恒定的压应力增速增大所述第一压应力和第二压应力，所述第一压应力和第二压应力每增加Δσ₂，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力、第一压应力和第二压应力共同作用下的渗透率进行测量；当第一压应力和第二压应力增大到第二目标值σ₂时，停止测量并保持第一压应力和第二压应力不变；

步骤7：使用第四液压泵通过活塞传动装置以恒定流量的方式对上方有孔变截面加载板施加第三压应力、对下方有孔变截面加载板施加第四压应力，所述第三压应力垂直于岩石试样的上底面，所述第四压应力与第三压应力大小相同且方向相反；然后，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力、第一压应力、第二压应力、第三压应力和第四压应力共同作用下的渗透率进行测量，直至岩石试样发生破坏。

当所述流入流体为液体时，所述流量测量装置包括流体收集容器和天平；在所述步骤1中，所述流体收集容器位于天平上且与大气连通；在所述步骤2中，用流体收集容器对流出流体进行收集；

在所述步骤3.1中，通过天平对t_i时刻流体收集容器内流出流体的质量m_i进行测量，计算得到t_i时刻流出流体的流量为然后根据达西定律，计算t_i时刻岩石试样的渗透率为其中，Δt_i为第i次测量与第i-1次测量所间隔的时间，当i＝1时Δt_i＝t₁，当i>1时Δt_i＝t_i-t_i-1；m_i为第i次测量的流出流体的质量，当i＝1时Δm_i＝m_i，当i>1时Δm_i＝m_i-m_i-1，ρ为流体密度；A为岩石试样的截面面积，μ为流入流体的动力粘滞系数，L为流入流体经过岩石试样的渗流路径长度，这里L等于岩石试样的高度，P_in为流入流体的压力，P_out为流出流体的压力。

当所述流入流体为气体时，所述流量测量装置包括气体流量计；在所述步骤1中，所述气体流量计在一端与流体输出管道的出口连接、在另一端与大气连通；

在所述步骤3.1中，通过气体流量计对t_i时刻流出流体的流量Q_Gi进行测量，然后根据达西定律，计算t_i时刻岩石试样的渗透率为其中，A为岩石试样的截面面积，μ为流入流体的动力粘滞系数，L为流入流体经过岩石试样的渗流路径长度，这里L等于岩石试样的高度，P_in为流入流体的压力，P_out为流出流体的压力。

所述流入流体的压力P_in为相对于大气压的压力值，流出流体的压力P_out为相对于大气压的压力值，P_out＝0。

本发明的有益效果为：

第一，本发明在不锈钢多孔板上均匀分布凹槽和导水孔，能够保证流入流体均匀地进入岩石试样，从而在岩石试样中形成均匀稳定的渗流场，满足达西定律计算渗透率的前提条件，准确地模拟岩石的耦合渗透过程，减少试验误差，提高真三轴应力全耦合下岩石渗透率的测量精度，准确获取深部岩层在地应力作用及演化下的渗透特性；

第二，本发明的装置和方法简单且方便使用，能够大幅降低测量成本。

附图说明

图1为本发明的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置的立体图(未示出上方不锈钢多孔板和下方不锈钢多孔板的内部结构)；

图2为本发明的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置的主视图(未示出上方不锈钢多孔板和下方不锈钢多孔板的内部结构)；

图3为本发明的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置的俯视图(未示出上方不锈钢多孔板和下方不锈钢多孔板的内部结构)；

图4为本发明的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置的A-A向剖视图(未示出上方不锈钢多孔板的内部结构)；

图5为本发明的上方有孔变截面加载板的主视图；

图6为本发明的上方有孔变截面加载板的左视图；

图7为本发明的上方有孔变截面加载板的俯视图；

图8为本发明的上方不锈钢多孔板的主视图；

图9为本发明的上方不锈钢多孔板的俯视图；

图10为本发明的上方不锈钢多孔板的仰视图。

图中，1-1—上方有孔变截面加载板，1-2－下方有孔变截面加载板，2-1－流体流出孔，2-2－流体注入孔，3-1－上方不锈钢多孔板，3-2－下方不锈钢多孔板，4－岩石试样，5—凹槽，6—导流孔，7-1—前方不锈钢无孔板，7-2—后方不锈钢无孔板，7-3—左方不锈钢无孔板，7-4—右方不锈钢无孔板，8-1—前方无孔变截面加载板，8-2—后方无孔变截面加载板，8-3—左方无孔变截面加载板，8-4—右方无孔变截面加载板。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本发明的目的是提供一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置和方法，能够形成均匀稳定的渗流场，满足达西定律计算渗透率的前提条件，准确地模拟岩石的耦合渗透过程，提高真三轴应力全耦合下岩石渗透率的测量精度，准确获取深部岩层在地应力作用及演化下的渗透特性，大幅降低测量成本，简单且方便使用。

实施例一

如图1、图2、图3和图4所示，分别为本发明的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置的立体图、主视图、俯视图和A-A向剖视图。本发明的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置，其特征在于：包括岩石试样4；

所述岩石试样4在上方依次紧贴有上方不锈钢多孔板3-1、上方有孔变截面加载板1-1，所述岩石试样4在下方依次紧贴有下方不锈钢多孔板3-2、下方有孔变截面加载板1-2。

所述岩石试样4为长方体结构。

如图8、图9和图10所示，分别为本发明的上方不锈钢多孔板的主视图、俯视图和仰视图。所述上方不锈钢多孔板3-1为长方体结构且在上底面开设有均匀分布的凹槽5，所述凹槽5在底部开设有均匀分布的导流孔6，所述导流孔6沿竖直方向贯通上方不锈钢多孔板3-1，所述上方不锈钢多孔板3-1的下底面与岩石试样4的上底面紧贴且尺寸相同。

如图5、图6和图7所示，分别为本发明的上方有孔变截面加载板的主视图、左视图和俯视图。所述上方有孔变截面加载板1-1为直四棱柱结构且底面为等腰梯形，所述上方有孔变截面加载板1-1的两个互相平行的侧面中面积最大的那个侧面与上方不锈钢多孔板3-1的上底面紧贴且尺寸相同，所述上方有孔变截面加载板1-1的两个相对但不平行的侧面中的一个侧面上开设有流体流出孔2-1，所述流体流出孔2-1沿竖直方向贯通上方有孔变截面加载板1-1；所述流体流出孔2-1与凹槽5相连通。

所述下方不锈钢多孔板3-2与上方不锈钢多孔板3-1材质相同、结构相同且关于岩石试样4的中心水平横截面对称设置；所述下方有孔变截面加载板1-2与上方有孔变截面加载板1-1材质相同、结构相同且关于岩石试样4的中心水平横截面对称设置，所述下方有孔变截面加载板1-2上与流体流出孔2-1对应的是流体注入孔2-2。

所述岩石试样4在前方依次紧贴有前方不锈钢无孔板7-1、前方无孔变截面加载板8-1，所述岩石试样4在后方依次紧贴有后方不锈钢无孔板7-2、后方无孔变截面加载板8-2，所述岩石试样4在左方依次紧贴有左方不锈钢无孔板7-3、左方无孔变截面加载板8-3，所述岩石试样4在右方依次紧贴有右方不锈钢无孔板7-4、右方无孔变截面加载板8-4；

所述前方不锈钢无孔板7-1为长方体结构，所述前方不锈钢无孔板7-1的后底面与岩石试样4的前侧面紧贴且尺寸相同；所述前方无孔变截面加载板8-1为直四棱柱结构且底面为等腰梯形，所述前方无孔变截面加载板8-1的两个互相平行的侧面中面积最大的那个侧面与前方不锈钢无孔板7-1的前底面紧贴且尺寸相同；

所述后方不锈钢无孔板7-2、左方不锈钢无孔板7-3、右方不锈钢无孔板7-4均与前方不锈钢无孔板7-1结构相同，所述后方无孔变截面加载板8-2、左方无孔变截面加载板8-3、右方无孔变截面加载板8-4均与前方无孔变截面加载板8-1结构相同；所述后方不锈钢无孔板7-2与前方不锈钢无孔板7-1关于岩石试样4的与岩石试样前侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述左方不锈钢无孔板7-3与右方不锈钢无孔板7-4关于岩石试样4的与岩石试样左侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述后方无孔变截面加载板8-2与前方无孔变截面加载板8-1关于岩石试样4的与岩石试样前侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述左方无孔变截面加载板8-3与右方无孔变截面加载板8-4关于岩石试样4的与岩石试样左侧面平行的中心竖直横截面对称设置。

本实施例中，所述岩石试样4的上底面为正方形。

所述前方不锈钢无孔板7-1、后方不锈钢无孔板7-2、左方不锈钢无孔板7-3、右方不锈钢无孔板7-4均与上方不锈钢多孔板3-1材质相同；所述前方无孔变截面加载板8-1、后方无孔变截面加载板8-2、左方无孔变截面加载板8-3、右方无孔变截面加载板8-4均与上方有孔变截面加载板1-1材质相同。

一种使用上述真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置进行岩石渗透率测量的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将流体注入孔2-2与相配套的流体输入管道连接，将流体输入管道在另一端与第一液压泵连接；将流体流出孔2-1与相配套的流体输出管道连接，将流体输出管道在另一端与流量测量装置连接；将所述真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置密封在液体中。

步骤2：使用第二液压泵以恒定的压力增速对岩石试样4施加各向等压的静水压力，当所述静水压力达到时，保持所述静水压力不变；使用第一液压泵以恒定的压力P_in通过流体输入管道向流体注入孔2-2中注入流体，形成流入流体；流入流体经过流体注入孔2-2后，流入下方不锈钢多孔板3-2的凹槽中，通过凹槽均匀地布满于下方不锈钢多孔板3-2的下底面，然后均匀地通过下方不锈钢多孔板3-2的导流孔，流入到岩石试样4，通过岩石试样4渗透后，依次经过上方不锈钢多孔板3-1的导流孔6与凹槽5、流体流出孔2-1、流体输出管道后，形成流出流体，再进入流量测量装置。

步骤3：当岩石试样4达到饱和状态时，对t_i时刻岩石试样4在静水压力作用下的渗透率进行测量，具体步骤如下：

步骤3.1：通过流量测量装置对t_i时刻流出流体的流量进行测量，然后根据达西定律对t_i时刻岩石试样的渗透率进行计算；其中，i为流量测量的次数，i的初始值为1，t_i为第i次测量流量时对应的时刻；

步骤3.2：重复步骤3.1，直至i＝l₀；其中，l₀为预先设定的参数。

本实施例中，上述步骤2中，静水压力在增大过程中的压力增速为0.1MPa/min。

步骤4：继续以恒定的压力增速增大所述静水压力，所述静水压力每增加Δσ₃，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力作用下的渗透率进行测量，此时，静水压力的值为当静水压力增大到第一目标值σ₃时，停止测量并保持静水压力不变，此时，i＝l，

本实施例中，上述步骤4中，静水压力在增大过程中的压力增速为0.1MPa/min，Δσ₃＝1MPa。

步骤5：使用第三液压泵通过活塞传动装置以恒定的压应力增速对左方无孔变截面加载板8-3施加第一压应力、对右方无孔变截面加载板8-4施加第二压应力，所述第一压应力垂直于岩石试样4的左侧面，所述第二压应力与第一压应力大小相同且方向相反；当第一压应力和第二压应力达到时，保持第一压应力和第二压应力不变；然后，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样4在静水压力、第一压应力和第二压应力共同作用下的渗透率进行测量，直至i＝m₀；其中，m₀为预先设定的参数。

本实施例中，上述步骤5中，第一压应力和第二压应力在增大过程中的压应力增速均为0.1MPa/min。

步骤6：继续以恒定的压应力增速增大所述第一压应力和第二压应力，所述第一压应力和第二压应力每增加Δσ₂，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样4在静水压力、第一压应力和第二压应力共同作用下的渗透率进行测量，此时，第一压应力和第二压应力的值均为当第一压应力和第二压应力增大到第二目标值σ₂时，停止测量并保持第一压应力和第二压应力不变，此时，i＝m，

本实施例中，上述步骤6中，第一压应力和第二压应力在增大过程中的压应力增速均为0.1MPa/min，Δσ₂＝1MPa。

步骤7：使用第四液压泵通过活塞传动装置以恒定流量的方式对上方有孔变截面加载板1-1施加第三压应力、对下方有孔变截面加载板1-2施加第四压应力，所述第三压应力垂直于岩石试样4的上底面，所述第四压应力与第三压应力大小相同且方向相反；然后，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样4在静水压力、第一压应力、第二压应力、第三压应力和第四压应力共同作用下的渗透率进行测量，直至岩石试样4发生破坏。

本实施例中，上述步骤7中，第三压应力和第四压应力在增大过程中，第四液压泵通过活塞传动装置产生的恒定流量为0.1mL/min。

本实施例中，所述流入流体为液体，所述流量测量装置包括流体收集容器和天平；在所述步骤1中，所述流体收集容器位于天平上且与大气连通；在所述步骤2中，用流体收集容器对流出流体进行收集；

在所述步骤3.1中，通过天平对t_i时刻流体收集容器内流出流体的质量m_i进行测量，计算得到t_i时刻流出流体的流量为然后根据达西定律，计算t_i时刻岩石试样的渗透率为其中，Δt_i为第i次测量与第i-1次测量所间隔的时间，当i＝1时Δt_i＝t₁，当i>1时Δt_i＝t_i-t_i-1；m_i为第i次测量的流出流体的质量，当i＝1时Δm_i＝m_i，当i>1时Δm_i＝m_i-m_i-1，ρ为流体密度；A为岩石试样4的截面面积，μ为流入流体的动力粘滞系数，L为流入流体经过岩石试样4的渗流路径长度，这里L等于岩石试样4的高度，P_in为流入流体的压力，P_out为流出流体的压力。

本实施例中，所述流入流体的压力P_in为相对于大气压的压力值，流出流体的压力P_out为相对于大气压的压力值，P_out＝0。

实施例二

本实施例二与上述实施例一的不同之处在于：

所述流入流体为气体，所述流量测量装置包括气体流量计；在所述步骤1中，所述气体流量计在一端与流体输出管道的出口连接、在另一端与大气连通；

在所述步骤3.1中，通过气体流量计对t_i时刻流出流体的流量Q_Gi进行测量，然后根据达西定律，计算t_i时刻岩石试样的渗透率为其中，A为岩石试样4的截面面积，μ为流入流体的动力粘滞系数，L为流入流体经过岩石试样4的渗流路径长度，这里L等于岩石试样4的高度，P_in为流入流体的压力，P_out为流出流体的压力。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置，其特征在于：包括岩石试样；

所述岩石试样在上方依次紧贴有上方不锈钢多孔板、上方有孔变截面加载板，所述岩石试样在下方依次紧贴有下方不锈钢多孔板、下方有孔变截面加载板；

所述岩石试样为长方体结构；所述上方不锈钢多孔板为长方体结构且在上底面开设有均匀分布的凹槽，所述凹槽在底部开设有均匀分布的导流孔，所述导流孔沿竖直方向贯通上方不锈钢多孔板，所述上方不锈钢多孔板的下底面与岩石试样的上底面紧贴且尺寸相同；所述上方有孔变截面加载板为直四棱柱结构且底面为等腰梯形，所述上方有孔变截面加载板的两个互相平行的侧面中面积最大的那个侧面与上方不锈钢多孔板的上底面紧贴且尺寸相同，所述上方有孔变截面加载板的两个相对但不平行的侧面中的一个侧面上开设有流体流出孔，所述流体流出孔沿竖直方向贯通上方有孔变截面加载板；所述流体流出孔与凹槽相连通；

所述下方不锈钢多孔板与上方不锈钢多孔板材质相同、结构相同且关于岩石试样的中心水平横截面对称设置；所述下方有孔变截面加载板与上方有孔变截面加载板材质相同、结构相同且关于岩石试样的中心水平横截面对称设置，所述下方有孔变截面加载板上与流体流出孔对应的是流体注入孔；

所述岩石试样在前方依次紧贴有前方不锈钢无孔板、前方无孔变截面加载板，所述岩石试样在后方依次紧贴有后方不锈钢无孔板、后方无孔变截面加载板，所述岩石试样在左方依次紧贴有左方不锈钢无孔板、左方无孔变截面加载板，所述岩石试样在右方依次紧贴有右方不锈钢无孔板、右方无孔变截面加载板；

所述前方不锈钢无孔板为长方体结构，所述前方不锈钢无孔板的后底面与岩石试样的前侧面紧贴且尺寸相同；所述前方无孔变截面加载板为直四棱柱结构且底面为等腰梯形，所述前方无孔变截面加载板的两个互相平行的侧面中面积最大的那个侧面与前方不锈钢无孔板的前底面紧贴且尺寸相同；

所述后方不锈钢无孔板、左方不锈钢无孔板、右方不锈钢无孔板均与前方不锈钢无孔板结构相同，所述后方无孔变截面加载板、左方无孔变截面加载板、右方无孔变截面加载板均与前方无孔变截面加载板结构相同；所述后方不锈钢无孔板与前方不锈钢无孔板关于岩石试样的与岩石试样前侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述左方不锈钢无孔板与右方不锈钢无孔板关于岩石试样的与岩石试样左侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述后方无孔变截面加载板与前方无孔变截面加载板关于岩石试样的与岩石试样前侧面平行的中心竖直横截面对称设置，所述左方无孔变截面加载板与右方无孔变截面加载板关于岩石试样的与岩石试样左侧面平行的中心竖直横截面对称设置。

2.根据权利要求1所述的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置，其特征在于，所述岩石试样的上底面为正方形。

3.根据权利要求1所述的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置，其特征在于，所述前方不锈钢无孔板、后方不锈钢无孔板、左方不锈钢无孔板、右方不锈钢无孔板均与上方不锈钢多孔板材质相同；所述前方无孔变截面加载板、后方无孔变截面加载板、左方无孔变截面加载板、右方无孔变截面加载板均与上方有孔变截面加载板材质相同。

4.一种使用如权利要求1至3中任一项所述的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置进行岩石渗透率测量的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：将流体注入孔与相配套的流体输入管道连接，将流体输入管道在另一端与第一液压泵连接；将流体流出孔与相配套的流体输出管道连接，将流体输出管道在另一端与流量测量装置连接；将所述真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量装置密封在液体中；

步骤2：使用第二液压泵以恒定的压力增速对岩石试样施加各向等压的静水压力，当所述静水压力达到时，保持所述静水压力不变；使用第一液压泵以恒定的压力P_in通过流体输入管道向流体注入孔中注入流体，形成流入流体；流入流体经过流体注入孔后，流入下方不锈钢多孔板的凹槽中，通过凹槽均匀地布满于下方不锈钢多孔板的下底面，然后均匀地通过下方不锈钢多孔板的导流孔，流入到岩石试样，通过岩石试样渗透后，依次经过上方不锈钢多孔板的导流孔与凹槽、流体流出孔、流体输出管道后，形成流出流体，再进入流量测量装置；

步骤3：当岩石试样达到饱和状态时，对t_i时刻岩石试样在静水压力作用下的渗透率进行测量，具体步骤如下：

步骤3.1：通过流量测量装置对t_i时刻流出流体的流量进行测量，然后根据达西定律对t_i时刻岩石试样的渗透率进行计算；其中，i为流量测量的次数，i的初始值为1，t_i为第i次测量流量时对应的时刻；

步骤3.2：重复步骤3.1，直至i＝l₀；其中，l₀为预先设定的参数；

步骤4：继续以恒定的压力增速增大所述静水压力，所述静水压力每增加Δσ₃，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力作用下的渗透率进行测量；当静水压力增大到第一目标值σ₃时，停止测量并保持静水压力不变；

步骤5：使用第三液压泵通过活塞传动装置以恒定的压应力增速对左方无孔变截面加载板施加第一压应力、对右方无孔变截面加载板施加第二压应力，所述第一压应力垂直于岩石试样的左侧面，所述第二压应力与第一压应力大小相同且方向相反；当第一压应力和第二压应力达到时，保持第一压应力和第二压应力不变；然后，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力、第一压应力和第二压应力共同作用下的渗透率进行测量，直至i＝m₀；其中，m₀为预先设定的参数；

步骤6：继续以恒定的压应力增速增大所述第一压应力和第二压应力，所述第一压应力和第二压应力每增加Δσ₂，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力、第一压应力和第二压应力共同作用下的渗透率进行测量；当第一压应力和第二压应力增大到第二目标值σ₂时，停止测量并保持第一压应力和第二压应力不变；

步骤7：使用第四液压泵通过活塞传动装置以恒定流量的方式对上方有孔变截面加载板施加第三压应力、对下方有孔变截面加载板施加第四压应力，所述第三压应力垂直于岩石试样的上底面，所述第四压应力与第三压应力大小相同且方向相反；然后，重复步骤3.1，对t_i时刻岩石试样在静水压力、第一压应力、第二压应力、第三压应力和第四压应力共同作用下的渗透率进行测量，直至岩石试样发生破坏。

5.根据权利要求4所述的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量方法，其特征在于，所述流入流体为液体，所述流量测量装置包括流体收集容器和天平；在所述步骤1中，所述流体收集容器位于天平上且与大气连通；在所述步骤2中，用流体收集容器对流出流体进行收集；

在所述步骤3.1中，通过天平对t_i时刻流体收集容器内流出流体的质量m_i进行测量，计算得到t_i时刻流出流体的流量为然后根据达西定律，计算t_i时刻岩石试样的渗透率为其中，Δt_i为第i次测量与第i-1次测量所间隔的时间，当i＝1时Δt_i＝t₁，当i>1时Δt_i＝t_i-t_i-1；m_i为第i次测量的流出流体的质量，当i＝1时Δm_i＝m_i，当i>1时Δm_i＝m_i-m_i-1，ρ为流体密度；A为岩石试样的截面面积，μ为流入流体的动力粘滞系数，L为流入流体经过岩石试样的渗流路径长度，这里L等于岩石试样的高度，P_in为流入流体的压力，P_out为流出流体的压力。

6.根据权利要求4所述的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量方法，其特征在于，所述流入流体为气体，所述流量测量装置包括气体流量计；在所述步骤1中，所述气体流量计在一端与流体输出管道的出口连接、在另一端与大气连通；

在所述步骤3.1中，通过气体流量计对t_i时刻流出流体的流量Q_Gi进行测量，然后根据达西定律，计算t_i时刻岩石试样的渗透率为其中，A为岩石试样的截面面积，μ为流入流体的动力粘滞系数，L为流入流体经过岩石试样的渗流路径长度，这里L等于岩石试样的高度，P_in为流入流体的压力，P_out为流出流体的压力。

7.根据权利要求5或6所述的真三轴应力全耦合下岩石渗透率测量方法，其特征在于，所述流入流体的压力P_in为相对于大气压的压力值，流出流体的压力P_out为相对于大气压的压力值，P_out＝0。