CN110208128B - 岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，包括动水、静水环境模拟试验装置和干燥模拟试验装置；动水环境模拟试验装置包括恒压水箱，在恒压水箱的出水管路上串联有水流止水阀、装样容器、浮子流量计、流速控制阀，在装样容器内放置有试样滤网架，试样滤网架为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔；试验试样的上、下端头均采用塑料薄膜包裹；静水环境模拟试验装置采用透明密封盒，在透明密封盒的侧壁上设置有刻度线；干燥模拟试验装置采用烘干箱。该系统能对岩石进行动水环境模拟、静水环境模拟以及干燥模拟的综合模拟试验，对研究水—岩溶蚀后的岩石力学特性，特别是含膏岩石的力学特性具有重要指导意义。

Description

岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统

技术领域

本发明涉及一种岩石试验系统，具体涉及一种用于对岩石进行动水环境模拟、静水环境模拟以及干燥模拟的综合模拟试验系统。

背景技术

岩石溶蚀是指在地质作用的过程中，深部流体与破碎的岩石之间通过化学反应进行物质和能量的交换，使岩石发生溶蚀的部分，由表及里易溶性矿物成分和易迁移元素氧化物的含量逐渐增加、黏土矿物含量和烧失率逐渐减少，另外岩石的微观结构也会发生变化。因此，研究岩石溶蚀现象对于研究储层中次生孔隙发育规律、油层保护、矿物成岩演化序列等具有至关重要的作用。

而现有的岩石溶蚀模拟试验装置多以静态水溶蚀为研究手段，但现实情况中，水对岩石的作用是以水流溶蚀、静水浸泡和反复干湿共同作用的结果。因此单独采用静态水进行水岩溶蚀的试验无法精确地揭示岩石与水之间的溶蚀规律。因此，以静态水溶蚀进行研究的方式，特别是对于含膏岩石的力学特性研究存在较大的局限性。

发明内容

本发明拟提供一种能对岩石进行动水环境模拟、静水环境模拟以及干燥模拟的综合模拟试验系统，确保岩石的质量、岩石的孔隙度、溶蚀液成分含量、溶蚀量、溶解度、微观结构变化、力学状态变化等测定和分析结果与真实情况更吻合，后续的测试结果更具指导价值。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，包括动水环境模拟试验装置、静水环境模拟试验装置和干燥模拟试验装置；

所述动水环境模拟试验装置包括恒压水箱，在恒压水箱的出水管路上串联有水流止水阀、装样容器、浮子流量计、流速控制阀，所述装样容器包括装样筒和顶盖，在顶盖上开有进水口，在装样筒底部开有出水口，在装样容器内放置有试样滤网架，所述试样滤网架为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔，且圆锥台的内腔与装样容器的出水口相通；所述试样滤网架上放置有试验试样，所述试验试样呈圆柱形，且试验试样的上、下端头均采用塑料薄膜包裹，所述出水管路、装样容器、浮子流量计均采用透明材质；

所述静水环境模拟试验装置采用透明密封盒，透明密封盒带有透明塑料盖，在透明密封盒的侧壁上设置有刻度线；

所述干燥模拟试验装置采用烘干箱。

作为上述方案的优选，所述恒压水箱包括蓄水箱和水位控制阀，所述水位控制阀安装在蓄水箱的顶部进水口处，在蓄水箱的出水口处接有净水器；所述蓄水箱安装在置物架上，使蓄水箱距离地面的高度为1.5m—1.8m，且装样容器低于蓄水箱。

进一步优选为，所述装样筒通过外螺纹与顶盖的内螺纹旋合在一起并配备密封圈实现密封；所述顶盖上的进水口与装样筒底的出水口孔径一致；在顶盖上还开有透气孔，并配备有橡皮软塞用于试验过程中封堵。

进一步优选为，所述恒压水箱共有四个出水口并从左到右依次等距间隔设置，每个出水口配备有一个出水管路，每个出水管路上串联有水流止水阀、装样容器、浮子流量计、流速控制阀，能同时进行四个试验试样的动态水流环境模拟试验。

进一步优选为，四个所述出水管路上的装样容器、浮子流量计固定安装在同一支撑架上，所述支撑架由底板、立板，以及上下间隔设置并前后错开的第一水平安装板、第二水平安装板组成，四个出水管路上的装样容器从左到右依次间隔安装在第一水平安装板上，四个出水管路上的浮子流量计从左到右依次间隔安装在第二水平安装板上。

进一步优选为，所述透明密封盒侧壁上的刻度线由上下等距间隔设置的四条短横线构成，所述透明密封盒采用方形盒。每次添加一个刻度线的水量。

本发明的有益效果：该系统能对岩石进行动水环境模拟、静水环境模拟以及干燥模拟的综合模拟试验，特别是动水环境模拟试验装置能为试验试样提供持续稳定的动态水流，使试验过程更接近真实情况，对研究水—岩溶蚀后的岩石力学特性，特别是含膏岩石的力学特性具有重要指导意义。

附图说明

图1为动水环境模拟试验装置的正视图(不含试样滤网架、试验试样)。

图2为图1的左视图(不含试样滤网架、试验试样)。

图3为装样容器中水流方向示意。

图4为装样容器中水流涡流效果图。

图5为静水环境模拟试验装置的正视图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，由动水环境模拟试验装置、静水环境模拟试验装置和干燥模拟试验装置组成。

结合图1—图4所示，动水环境模拟试验装置主要由恒压水箱1、水流止水阀2、装样容器3、浮子流量计4、流速控制阀5、试样滤网架6、试验试样7、薄膜包裹、出水管路组成。

恒压水箱1主要由蓄水箱1a和水位控制阀1b组成，主要作用是为整套动态水流装置提供恒定的水流速度。

水位控制阀1b安装在蓄水箱1a的顶部进水口处，其目的是为保持蓄水箱内的稳定水位高度和为动态水流装置提供稳定的流速，不需要人为维持蓄水箱的水位，简化了试验操作。在蓄水箱1a的出水口处接有净水器。优选为，采用美的MC122-2型便携式净水器，其滤芯为碳纤维材质，由5层材质组合滤水，过滤精度为2-40nm，能过滤掉泥沙、铁锈并能吸附96％余氯，保证试验用水的质量要求。

蓄水箱1a安装在置物架8上，使蓄水箱1a距离地面的高度为1.5m—1.8m，且装样容器3低于蓄水箱1a。恒压水箱通过放置1.5-1.8m的高度来提供足够的水压，以确保水流能达到设计要求。

本装置可同时设置多个试验水路，缩短试验时间。试验试件的增多，致使试验时间的增加，本装置采用多水路同一恒压水箱设计，每条水路可分别模拟不同的流速环境，并可根据试验设计需要设置不同个数的水路个数。还可在水路的出水口端接收水流溶蚀的溶出液，对溶出液进行研究。整套装置可实现多水路条件、多流速控制、流速溶蚀试验、溶出液取样等试验需求。在安装时，恒压水箱1可同时设置4个出水管路或者更多，能同时进行四个或更多个试验试样7的动态水流环境模拟试验，以节省试验时间。在恒压水箱1的每个出水管路上串联有水流止水阀2、装样容器3、浮子流量计4、流速控制阀5。水流止水阀2的作用是提供各条水路的水流。每条水路配备一个流速控制阀5，可实现各个水路间的独自控制，能随时控制开始或者停止该水路下的动态水流试验。流速控制阀5作用是控制各个水路的流速，设计在单个水路的尾端，通过开关的大小控制出水量，配合观察浮子流量计显示的实时流量值，从而使整条水路中的流速到达设计流速要求。浮子流量计4主要目的是实时观测装置内的流速，可以随时观测装置各水路中的流速情况，配套流速止水阀，可实现量程内的流速要求，流量计采用6—60L/h的塑料浮子流量计，型号为LZS-15C。

装样容器3的作用主要是为了模拟水流在岩石上的溶蚀作用，该装置可以提高水流和岩样的接触效果，让岩石达到既能浸泡在水流中，又能受到水流冲刷作用。装样容器3由装样筒3a和顶盖3b组成。配备顶盖3b，目的是方便试验试样7的装取。在顶盖3b上开有进水口，在装样筒3a底部开有出水口。最好是，装样筒3a通过外螺纹与顶盖3b的内螺纹旋合在一起并配备密封圈实现密封；装样容器的封闭式设计能够使水流充分与岩样接触，并能使岩样处在一定的水流压力下，模拟岩-水作用效果更为接近现实状况。另外，顶盖3b上的进水口与装样筒3a底的出水口最好孔径一致。在顶盖3b上还开有透气孔，作用是排出充水时装样容器3内的空气；透气孔配备有橡皮软塞用于试验过程中封堵。水路连接时，装样容器3的进水口、出水口采用金属水管接口旋接软管，外加螺丝卡箍旋紧。装样容器3可采用亚克力材质，设置螺纹旋合的顶盖3b，方便装样和清洗。在密封充水时，配合设计的透气孔使装样容器达到满水状态。

出水管路、装样容器3、浮子流量计4均采用透明材质，可以全过程观察水流在装置内的行进路程和阶段，只需通过水流止水阀2、浮子流量计4、流速控制阀5就可控制一路水流通道，并可通过观测浮子流量计来达到设计水速。

在装样容器3内放置有试样滤网架6。试样滤网架6的目的是为了让水流能畅通地在装样容器3中流出，并且可以使试验试样7在动水下保持稳定。试样滤网架6为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔，且圆锥台的内腔与装样容器3的出水口相通；试样滤网架6上放置有试验试样7，试验试样7呈圆柱形。试样滤网架6最好采用塑料提笼结构，将试验试样7置于一定高度，并确保水流能顺利地从装样容器3的出水口流出。

装样容器3中水流的流向分布(如图3、图4所示中箭头所示)，管流在变截面处会出现涡流现象,涡流的存在会加快水流对岩面的机械溶蚀作用，导致端面不整齐、不规则。为了让试验试样7在水流作用后仍能进行力学试验，对试验试样7两端封闭处理，试验试样7的上、下端头均采用塑料薄膜包裹，这种方式可以使水流作用后岩样端面仍能保持完整性。通过这种处理方式，既能观察岩样受水流溶蚀的作用效果，还能满足单轴、三轴试验对试样的尺寸要求。试验试样7的上、下端头均采用塑料薄膜包裹，可以防止垂直水流对岩样的重力冲刷作用和后期力学试验试样端面的完整性，防止上下端面破损严重，包裹设计的轴向长度约为5mm。

恒压水箱1共有四个出水口并从左到右依次等距间隔设置，每个出水口配备有一个出水管路，每个出水管路上串联有水流止水阀2、装样容器3、浮子流量计4、流速控制阀5。

四个出水管路上的装样容器3、浮子流量计4固定安装在同一支撑架9上。支撑架9由底板9a、立板9b，以及上下间隔设置并前后错开的第一水平安装板9c、第二水平安装板9d组成，四个出水管路上的装样容器3从左到右依次间隔安装在第一水平安装板9c上，四个出水管路上的浮子流量计4从左到右依次间隔安装在第二水平安装板9d上。支撑架9能满足浮子流量计的安装要求，用来垂直并固定浮子流量计和装样容器。

图5所示为静水环境模拟试验装置，采用透明密封盒10，透明密封盒10带有透明塑料盖10a，在透明密封盒10的侧壁上设置有刻度线10b。透明密封盒10的大小应确保试验试样放入后能三维浸没吸水。最好是，透明密封盒10侧壁上的刻度线10b由上下等距间隔设置的四条短横线构成，透明密封盒10采用方形盒，实验过程中在自然条件下每两小时浸没1/4试验试样的高度，全部浸没后再持续48小时的浸水时间。

干燥模拟试验装置采用烘干箱(图中未示出)。

Claims (6)

1.一种岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，包括动水环境模拟试验装置、静水环境模拟试验装置和干燥模拟试验装置，其特征在于：

所述动水环境模拟试验装置包括恒压水箱(1)，在恒压水箱(1)的出水管路上串联有水流止水阀(2)、装样容器(3)、浮子流量计(4)、流速控制阀(5)，所述装样容器(3)包括装样筒(3a)和顶盖(3b)，在顶盖(3b)上开有进水口，在装样筒(3a)底部开有出水口，在装样容器(3)内放置有试样滤网架(6)，所述试样滤网架(6)为上小下大的圆锥台，在圆锥台的侧壁上开有与内腔相通的格栅孔，且圆锥台的内腔与装样容器(3)的出水口相通；所述试样滤网架(6)上放置有试验试样(7)，所述试验试样(7)呈圆柱形，且试验试样(7)的上、下端头均采用塑料薄膜包裹，所述出水管路、装样容器(3)、浮子流量计(4)均采用透明材质；

所述静水环境模拟试验装置采用透明密封盒(10)，透明密封盒(10)带有透明塑料盖(10a)，在透明密封盒(10)的侧壁上设置有刻度线(10b)；

所述干燥模拟试验装置采用烘干箱。

2.按照权利要求1所述的岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，其特征在于：所述恒压水箱(1)包括蓄水箱(1a)和水位控制阀(1b)，所述水位控制阀(1b)安装在蓄水箱(1a)的顶部进水口处，在蓄水箱(1a)的出水口处接有净水器；所述蓄水箱(1a)安装在置物架(8)上，使蓄水箱(1a)距离地面的高度为1.5m—1.8m，且装样容器(3)低于蓄水箱(1a)。

3.按照权利要求1的岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，其特征在于：所述装样筒(3a)通过外螺纹与顶盖(3b)的内螺纹旋合在一起并配备密封圈实现密封；所述顶盖(3b)上的进水口与装样筒(3a)底的出水口孔径一致；在顶盖(3b)上还开有透气孔，并配备有橡皮软塞用于试验过程中封堵。

4.按照权利要求1—3中任一项所述的岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，其特征在于：所述恒压水箱(1)共有四个出水口并从左到右依次等距间隔设置，每个出水口配备有一个出水管路，每个出水管路上串联有水流止水阀(2)、装样容器(3)、浮子流量计(4)、流速控制阀(5)，能同时进行四个试验试样(7)的动态水流环境模拟试验。

5.按照权利要求4所述的岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，其特征在于：四个所述出水管路上的装样容器(3)、浮子流量计(4)固定安装在同一支撑架(9)上，所述支撑架(9)由底板(9a)、立板(9b)，以及上下间隔设置并前后错开的第一水平安装板(9c)、第二水平安装板(9d)组成，四个出水管路上的装样容器(3)从左到右依次间隔安装在第一水平安装板(9c)上，四个出水管路上的浮子流量计(4)从左到右依次间隔安装在第二水平安装板(9d)上。

6.按照权利要求1所述的岩石动静水环境及干燥模拟综合试验系统，其特征在于：所述透明密封盒(10)侧壁上的刻度线(10b)由上下等距间隔设置的四条短横线构成，所述透明密封盒(10)采用方形盒。