CN110231269A - 一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，包括加卸载系统以及流体渗流系统；加卸载系统包括围压装置、法向加压装置、两个横向加压装置，围压装置内用于放置岩样，顶部设有上通孔，左右侧面分别设有侧通孔，法向加压装置下端穿过上通孔位于围压装置内，用于对岩样施加法向向下的压力；两个横向加压装置设于岩样左右两侧，一端穿过侧通孔位于围压装置内，用于对岩样施加横向压力；流体渗透系统包括输入机构和回收机构，输入机构用于对岩样一侧输入流动介质，回收机构用于回收流经岩样的流动介质。本发明提出的技术方案的有益效果是：更准确地研究黏土岩加卸载响应状态，黏土岩在加卸载过程的渗透性能。

Description

一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备

技术领域

本发明涉及地质储存介质岩石试验领域，尤其涉及一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备。

背景技术

近年来，核科学的飞速发展和应用产生了大量的放射性废物。由于放射性核废物对人体甚至整个生态系统具有极大的危害性，其影响可达几百年到数万年甚至更长的时间，因此世界各国非常重视对放射性废物的处置研究。目前，国际上普遍认为采用多重屏障系统的地质处置是较为理想的处置方式。该方法的基本要点是在地表一定深度的地质介质(黏土岩)中开挖单层或多层的巷道和峒室系统，将最终形式的放射性废物存放在预置的位置，然后将巷道和峒室加以回填隔离。在地质处置选址、实施过程中，不可避免地对地质储存介质产生加卸载作用，使其原始应力状态发生改变，从而影响其力学性能与渗透性能。因此，在真实三向受力状态对地质贮存介质黏土岩开展加卸载过程力学行为特征与渗透行为特征试验研究显得尤为必要。

以应力与变形之间的关系研究岩石的力学行为，或者以压差和流量之间的关系研究岩石的渗透行为，可以从唯像学角度揭示岩石的宏观特征，这是目前大多数试验机构所能获得的结果。然而，岩石力学性能与渗透性能改变的实质是岩体内部裂隙产生、发展和贯通的过程。因此，在揭示其宏观特征的基础上研究其细观变化趋势对于探究岩石力学性能、渗透性能改变的机理具有重要意义。

目前，针对地质贮存介质黏土岩开展试验的机构鲜有介绍，仅存的部分岩石力学特性与渗透特性测试机构如下：林志斌、张勃阳等在发明专利《可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验机构及其实验方法》(CN106198243A)中提出了一种可观测岩土相似材料变形破裂的真三轴加卸载实验机构，可对岩土相似材料进行真三轴试验，在试验过程中通过高分辨相机实现了对试件的破坏变形的宏观观测，但是此机构并不能揭示引起宏观变形的岩石细微观变形机理，亦不能对岩石的渗透变形规律进行研究。陆银龙、李兆霖等在发明专利《一种带CT实时扫描系统的岩石真三轴试验系统及方法》(CN105181471B)中提出了一种带CT实时扫描系统的岩石真三轴试验系统，实现了CT试验与岩石真三轴试验实时配合，能够从微观角度揭示岩石力学变形破坏机制，但是此机构采用的接触式测量获得岩石力学变形数据，不利于试样的宏观特征重构，亦不能研究岩石的渗透变形规律。杜文州、程卫民等在专利《适于多种媒质的热流固耦合煤体真三轴剪切渗流实验机构及其实验方法》(CN105021508A)中公开了一种真正意义上的剪切渗流试验机构，能够研究煤体在剪切变形过程的流体渗流规律，虽然该机构能够研究煤岩的力学变形与渗流规律，但是不能从微观角度揭示其变形的机理。张玉、金培杰等在专利《气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试机构和测试方法》(CN104897554A)中公开了一种气热力耦合作用下低渗岩石气体渗透测试机构，实现了不同种类应力、不同路径应力研究岩石的渗透特性，但是此机构不能从微观角度揭示渗透特性的变化规律。

在查阅相关文献的基础上得知，对于揭示岩石宏观力学特征的方式主要有接触式测量(位移传感器)、非接触式测量(高速摄影)，虽然它们在一定程度上能够满足精度所需，但是不利于试样的宏观特征重构。在揭示岩石细观结构方面，目前较为通用的是X-射线断层扫描技术(CT)，它能够较好地揭示岩石内部破裂演化规律，但是却不能反应出岩石内部流体的渗透行为。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，旨在更准确地研究黏土岩加卸载响应状态，黏土岩在加卸载过程的渗透性能。

本发明的实施例提供一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，包括加卸载系统以及流体渗流系统；

所述加卸载系统包括围压装置、法向加压装置、两个横向加压装置和密封套；所述围压装置包括围压室和注油机构，所述围压室具有密闭容腔，一侧呈可开启设置，以将岩样设于所述围压室内，所述围压室设有可开关的出气孔，顶部设有上通孔，左右侧面分别设有侧通孔，所述注油机构通过油管与所述围压室内连通，用于向所述围压室内注入油流；所述法向加压装置下端穿过所述上通孔位于所述围压室内，用于对所述岩样施加法向向下的压力；所述两个横向加压装置设于所述岩样左右两侧，一端穿过所述侧通孔位于所述围压室内，用于对所述岩样施加横向压力；所述密封套用于敷设于所述岩样外围，所述密封套上下两侧分别开设有第一进口和第一出口，所述密封套侧壁相对的两侧开设有第二进口和第二出口；

所述流体渗透系统包括输入机构和回收机构，所述输入机构用于与所述第一进口或第二进口可选择性地连通，对所述岩样一侧输入流动介质，所述回收机构用于与所述第一出口或第二出口可选择性地连通，用于回收流经所述岩样的所述流动介质；其中，所述输入机构与第一进口连通时，所述回收机构与所述第一出口连通，所述输入机构与所述第二进口连通时，所述回收机构与所述第二出口连通。

进一步地，所述法向加压装置包括法向加压机构、法向加压杆和法向加压板，所述法向加压机构固定于所述围压装置上，所述法向加压杆沿上下向延伸，上端固定于所述法向加压机构底部，下端穿过所述上通孔位于所述围压室内，所述法向加压机构用于对所述法向加压杆施加法向向下的压力，所述法向加压板固定于所述法向加压杆下端，用于设于所述岩样上方。

进一步地，所述横向加压装置包括横向加压机构、横向加压杆和横向加压板，两个所述横向加压机构固定于所述围压装置上且位于所述围压室的左右两侧，所述横向加压机构与所述横向加压杆对应设置，所述横向加压杆一端固定于所述横向加压机构，另一端穿过所述侧通孔位于所述围压室内，所述横向加压机构用于对所述横向加压杆施加横向向内的压力，所述两个横向加压板分别固定于两个所述横向加压杆位于所述围压室内的一端，用于设于所述岩样的左右两侧。

进一步地，所述横向加压装置还包括两个复合加压板，所述复合加压板上下两端分别固定有上滑轮和下滑轮，设于所述围压室底壁上，所述两个复合加压板设于所述岩样左右侧，所述横向加压板与所述复合加压板相抵接，所述围压室的底壁与所述下滑轮对应的位置设有下凹槽，所述下滑轮位于所述下凹槽内；

所述法向加压装置还包括法向传力杆、法向加载板，所述法向加载板固定于所述法向加压杆与所述法向加压板之间，所述法向传力杆设于所述法向加压杆外围、上端与所述法向加压杆中部固定连接，下端与所述法向加载板顶部固定连接，所述法向加载板与所述上滑轮对应的位置设有上凹槽，所述上滑轮位于所述上凹槽内。

进一步地，所述围压室还包括上端呈封盖设置、下端呈开口设置的安装筒，所述安装筒下端固定于所述围压室顶部，且与上通孔相对设置，顶部开设有供所述法向加压杆穿过的让位孔，所述法向加压杆和所述法向传力杆位于所述安装筒内；所述法向加压机构固定于所述安装筒顶部。

进一步地，所述输入机构包括输气机构、输液机构和连接管道，所述连接管道包括主路管道和与所述主路管道连通的上支路管道和下支路管道，所述上支路管道和所述下支路管道上分别设有上支路电磁阀和下支路电磁阀，所述上支路管道与所述第一进口连通，所述下支路管道与所述第二进口连通；

所述输气机构与所述主路管道连通，用于向所述岩样输入的所述流动介质为气体介质，所述输液机构与所述主路管道连通，用于向所述岩样输入的所述流动介质为液体介质。

进一步地，所述输气机构包括气瓶和输气通道，所述气瓶用于盛装所述气体介质，所述输气通道包括依次通过管道相连的气体减压阀、气体电磁阀、气体增压泵和气体单向阀，所述气体减压阀与所述气瓶连接，所述气体单向阀与所述主路管道连通。

进一步地，所述输液机构包括储液罐和输液通道，所述储液罐用于盛装所述液体介质，所述输液通道包括依次相连的液体增压泵、液体电磁阀和液体单向阀，所述液体增压泵与所述储液罐连接，所述液体单向阀与所述主路管道连通。

进一步地，所述流体渗透系统还包括抽真空机构，所述抽真空机构用于抽出岩样内部的空气，包括依次相连的抽真空装置和真空电磁阀，所述真空电磁阀与所述主路管道连通。

进一步地，所述回收机构包括回收装置和回收通道，用于回收所述气体介质或所述液体介质，所述回收通道包括上回收通道和下回收通道；所述上回收通道包括依次相连的上回收单向阀、上回压阀和上回收电磁阀，所述上回收单向阀与所述回收装置连通，所述上回收电磁阀与所述第二出口连通；所述下回收通道包括依次相连的下回收单向阀、下回压阀和下回收电磁阀，所述下回收单向阀与所述回收装置连通，所述下回收电磁阀与所述第一出口连通；和/或，

所述黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备还包括可视化监测与控制系统，所述可视化监测与控制系统包括核磁共振射频源、记录器和三维激光扫描仪，所述核磁共振射频源和所述记录器与所述围压室相对设置，分别位于所述围压室的前后方向，用于反映黏土岩加卸载过程中的微观力学行为；所述三维激光扫描仪与所述围压室相对设置，位于所述围压室的前方或后方，所述三维激光扫描仪用于记录黏土岩加卸载过程中的宏观力学行为。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：利用加卸载系统还原了黏土岩真实的三向受力状态，岩样受到的法向加载和横向加载互不干扰，能够更加准确地研究地质储存介质黏土岩的加卸载响应状态；通过气体和液体在黏土岩中的渗流，能够研究黏土岩在加卸载过程中渗透性能(污染物迟滞性能)的改变，以及岩样渗流特性的各向异性。

附图说明

图1是本发明提供的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备一实施例的结构示意图；

图2是图1中加卸载系统的结构示意图；

图3是图2的局部示意图；

图4是图1中流体渗透系统的结构示意图；

图5是图1中可视化监测与控制系统的结构示意图；

图中：10-岩样、101-第一进口、102-第一出口、103-第二进口、104-第二出口、1-围压装置、11-围压室、11a-出气孔、11b-上通孔、11c-侧通孔、11d-下通孔、11e-让位孔、111-遮挡板、112-承重台、113-钢板、114-安装筒、115-基座、116-滑轮、117-支撑柱、12-注油机构、2-横向加压装置、21-横向加压板、22-横向加压杆、23-横向加压机构、24-横向荷重传感器、25-复合加压板、251-上滑轮、252-下滑轮、3-法向加压装置、31-法向加压机构、32-法向加压杆、33-法向加压板、34-法向传力杆、35-法向加载板、36-法向荷重传感器、4-输入机构、41-输气机构、42-输液机构、43-连接管道、431-主路管道、432-上支路管道、433-下支路管道、5-抽真空机构、6-回收机构、C1-气瓶、J1-气体减压阀、F1-气体电磁阀、Z1-气体增压泵、L1-气体流量计、D1-气体单向阀、P1-第一气体压力传感器、C2-储液罐、Z2-液体增压泵、F2-液体电磁阀、L2-液体流量计、D2-液体单向阀、P2-液体压力传感器、V1-抽真空装置、C3-收集装置、F3-真空电磁阀、P3-第二气体压力传感器、C4-回收装置、D4-上回收单向阀、L4-上回收流量计、H4-上回压阀、P4-上压力传感器、F4-上回收电磁阀、D5-下回收单向阀、L5-下回收流量计、H5-下回压阀、P5-下压力传感器、F5-下回收电磁阀、P6-回收压力传感器、F6-上支路电磁阀、F7-下支路电磁阀、F8-回收电磁阀、71-核磁共振射频源、72-记录器、73-三维激光扫描仪、74-主机、75-控制台、76-显示器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参见图1至图2，本发明实施例提供一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，包括加卸载系统、流体渗流系统以及可视化监测与控制系统。

请参见图1，加卸载系统包括围压装置1、两个横向加压装置2和法向加压装置3。

请参见图2，围压装置1包括围压室11和注油机构12，围压室11具有密闭容腔，一侧呈可开启设置，以将岩样10设于围压室11内，围压室11设有可开关的出气孔11a，本实施例中，出气孔11a上设有开关。围压室11顶部设有上通孔11b，左右侧面分别设有侧通孔11c，注油机构12通过油管与围压室11内连通，用于向围压室11内注入油流，围压室11内的空气从出气孔11a排出，使围压室11内填满油流。本实施例中，围压室11上下由遮挡板111和承重台112围成，左右由两块钢板113围成、前后由两块玻璃板(图中未示出)围成，其中一玻璃板可拆卸安装于两块钢板113上、或与钢板113铰接，承重台112开设有供油管通过的下通孔11d。围压室11还包括上端呈封盖设置、下端呈开口设置的安装筒114，安装筒114下端固定于围压室11顶部(固定于遮挡板111顶部)，且与上通孔相对设置，顶部开设有让位孔11e。本实施例中，承重台112下方设有基座115，基座115底部固定有滑轮116，便于基座115的移动，基座115顶部与承重台112底部通过四根支撑柱117螺栓连接，注油机构12设于基座115顶部，位于基座115与承重台112之间。

请参见图2，两个横向加压装置2设于所述岩样10左右两侧，一端穿过所述侧通孔11c位于所述围压室11内，用于对所述岩样10施加横向压力。本实施例中，横向加压装置2包括两个横向加压板21、两个横向加压杆22、两个横向加压机构23和横向荷重传感器24。

所述两个横向加压机构23固定于所述围压装置1上且位于所述围压室11的左右两侧，本实施例中，两个横向加压机构23固定于承重台112的左右两端；所述两个横向加压机构23与所述两个横向加压杆22对应设置，所述横向加压杆22一端固定于所述横向加压机构23，另一端穿过所述侧通孔11c位于所述围压室11内，横向加压杆22与侧通孔11c之间密闭性好，保证不漏油。所述横向加压机构23用于对所述横向加压杆22施加横向向内的压力，进而对岩样10施压，所述两个横向加压板21分别固定于两个所述横向加压杆22位于所述围压室11内的一端，用于设于所述岩样10的左右两侧；横向荷重传感器24设于横向加压杆22上，横向荷重传感器24用于测量岩样10所受到的横向压力的大小。请参见图2和图3，横向加压装置2还包括两个复合加压板25，复合加压板25上下两端分别固定有上滑轮251和下滑轮252，两个复合加压板25设于岩样10左右侧，横向加压板21与复合加压板25相抵接，围压室11的底壁与下滑轮252对应的位置设有下凹槽(图中未标注)，下滑轮252位于下凹槽内，本实施例中，下凹槽设于承重台112上。

本实施例中，复合加圧板25的材质为碳纤维板复合材料，由于复合加圧板25横向不可压缩，法向压缩性较大，在对岩样进行横向及法向施压时，在法向荷载作用下复合加圧板25伴随岩样一起压缩，在横向荷载作用下，岩样发生压缩，滑轮随着复合加圧板25一起移动，从而使岩样在加载过程法向加压与横向加压互不干扰。

请参见图2和图3，法向加压装置3下端穿过所述上通孔11b位于所述围压室11内，用于对所述岩样10施加法向向下的压力。本实施例中，法向加压装置3包括法向加压机构31、法向加压杆32和法向加压板33。

所述法向加压机构31固定于所述围压装置1上，本实施例中，法向加压机构31固定于安装筒114顶部，所述法向加压杆32沿上下向延伸，上端固定于所述法向加压机构31底部，下端穿过让位孔11e和上通孔11b位于所述围压室11内，法向加压杆32与让位孔11e、上通孔11b之间密闭性好，保证不漏油。所述法向加压机构31用于对所述法向加压杆32施加法向向下的压力，进而向岩样10施加法向向下的压力，所述法向加压板33固定于所述法向加压杆32下端，用于设于所述岩样10上方。

法向加压装置3还包括法向传力杆34、法向加载板35和法向荷重传感器36，法向加载板35固定于法向加压杆32与法向加压板33之间，法向传力杆34设于安装筒114且位于法向加压杆32外围、上端与法向加压杆32中部固定连接，下端与法向加载板35顶部固定连接，本实施例中，法向传力杆34的数量为两个，设于法向加压杆32的左右两侧。法向荷重传感器36设于法向加载板35和法向加压板33之间，法向荷重传感器36用于测量岩样10所受到的法向压力的大小。法向加载板35与上滑轮251对应的位置设有上凹槽(图中未标注)，上滑轮251位于上凹槽内。在本实施中，横向加压机构23和法向加压机构31为伺服控制机。

请参见图4，岩样1放置于围压室11内时，岩样10外围敷设有一层密封套(图中未标注)，密封套上下两侧分别开设有第一进口101和第一出口102，密封套侧壁相对的两侧开设有第二进口103和第二出口104，本实施例中，第二进口103和第二出口104位于密封套的左右两侧，也可以位于密封套的前后两侧，密封套可以为橡胶材质，本实施例中，密封套为橡胶膜。

请参见图4，流体渗透系统包括输入机构4、抽真空机构5和回收机构6。

输入机构4用于与第一进口101或第二进口103可选择性地连通，对岩样10一侧输入流动介质。输入机构4包括输气机构41、输液机构42和连接管道43，连接管道43包括主路管道431和与主路管道431连通的上支路管道432和下支路管道433，上支路管道432和下支路管道433上分别设有上支路电磁阀F6和下支路电磁阀F7，上支路管道432与第一进口101连通，下支路管道433与第二进口103连通。遮挡板111上开设有供上支路管道432穿过的穿孔(图中未标注)，玻璃板或复合加压板25上开设有供下支路管道433穿过的穿孔(图中未标注)。

请参见图4，输气机构41与主路管道431连通，用于向岩样10输入的流动介质为气体介质，输气机构41包括气瓶C1和输气通道，气瓶C1用于盛装气体介质，输气通道包括依次通过管道相连的气体减压阀J1、气体电磁阀F1、气体增压泵Z1、气体流量计L1和气体单向阀D1，气体增压泵Z1上设有第一气体压力传感器P1，气体减压阀J1与气瓶C1连接，气体单向阀D1与主路管道431连通。本实施例中，用于试验的气体介质为甲烷。

请参见图4，输液机构42与主路管道431连通，用于向岩样10输入的流动介质为液体介质。输液机构42包括储液罐C2和输液通道，储液罐C2用于盛装液体介质，输液通道包括依次相连的液体增压泵Z2、液体电磁阀F2、液体流量计L2和液体单向阀D2，输液通道上设有液体压力传感器P2，液体增压泵Z2与储液罐C2连接，液体单向阀D2与主路管道431连通。本实施例中，用于试验的液体介质为水。

请参见图4，抽真空机构5用于抽出岩样10内部的空气，包括依次相连的抽真空装置V1、收集装置C3和真空电磁阀F3，收集装置C3上设有第二气体压力传感器P3，真空电磁阀F3与主路管道431连通。

请参见图4，回收机构6用于与第一出口102或第二出口104可选择性地连通，用于回收流经岩样10的流动介质；其中，输入机构4与第一进口101连通时，回收机构6与第一出口102连通，输入机构4与第二进口103连通时，回收机构6与第二出口104连通。

请参见图4，回收机构6包括回收装置C4和回收通道，用于回收气体介质或液体介质，回收通道包括上回收通道和下回收通道；上回收通道包括依次相连的上回收单向阀D4、上回收流量计L4、上回压阀H4、上压力传感器P4和上回收电磁阀F4，上回收单向阀D4与回收装置C4连通，上回收电磁阀F4与第二出口104连通；下回收通道包括依次相连的下回收单向阀D5、下回收流量计L5、下回压阀H5、下压力传感器P5和下回收电磁阀F5，下回收单向阀D5与回收装置C4连通，下回收电磁阀F5与第一出口102连通。回收装置C4上设有回收压力传感器P6和回收电磁阀F8。

请参见图5，可视化监测与控制系统包括核磁共振射频源71、记录器72、三维激光扫描仪73、主机74、控制台75和显示器76，核磁共振射频源71和记录器72与围压室11相对设置，分别位于围压室11的前后方向，用于反映黏土岩加卸载过程中的微观力学行为；三维激光扫描仪73与围压室11相对设置，位于围压室11的前方或后方，三维激光扫描仪73用于记录黏土岩加卸载过程中的宏观力学行为；主机74分别与控制台75、显示器76、记录器72和三维激光扫描仪73电连接，主机74用于控制各个模块实现过程自动化。

在对黏土岩岩样10进行试验过程中，从深部地质贮存介质黏土岩中切割完整性较好的岩块，在实验室加工切割成80mm×80mm×100mm的岩样10，放入干燥箱，在干燥箱100℃下干燥48小时，取出用保鲜膜包好，冷却待用。打开围压室11一侧的玻璃板，将拆除保鲜膜的岩样10用上下开孔、左右开孔的橡胶膜包裹，放置于承重台112上，关闭围压室11。

打开围压室11的出气孔11a开关，利用注油机构12向围压室11内注入氟油，待围压室11注满氟油，出气孔11a无气体排出时，关闭出气孔11a开关，使围压室11氟油体积达到并维持在设定值。

利用法向加压机构31和横向加压机构23对岩样10施加与围压室11内压力大小相同的压力，然后逐渐增大法向加压机构31和横向加压机构23对岩样10施加的压力至最大主应力，以还原黏土岩真实三维应力状态。

打开真空电磁阀F3和上支路电磁阀F6，启动抽真空装置V1，观测第二气体压力传感器P3上的压力读数，当压力读数达到一定值时，表明管道和岩样10内已经为真空。

利用该装置可以对岩样10进行气体渗流试验和液体渗流试验，也可以对岩样10各向异性进行分析。当对岩样10进行气体上下向渗流试验时，打开气体减压阀J1、气体电磁阀F1、气体单向阀D1、上支路电磁阀F6和下回收电磁阀F5，其他阀门关闭，调节气体增压泵Z1到一定压力，气体经过气体流量计L1、气体单向阀D1、气体电磁阀F1，从第一进口101进入岩样10，通过第一气体压力传感器P1在数据系统显示气体压力，气体流量计L1检测进入岩样10的气体流量值；通过下压力传感器P5在数据系统显示第二出口104的气体压力，通过下回压阀H5控制出气压力，当气体压力大于下回压阀H5调节的压力时，气体才会逸出，下回收流量计L5检测第一出口102的气体流量值，气体经下回收单向阀D5进入回收装置C4，回收压力传感器P6检测回收装置C4内的压力，当压力超标时通过回收电磁阀F8排出利用。当气体流量计L1和下回收流量计L5计数稳定时，岩样10处于解吸平衡。

当对岩样10进行液体上下向渗流试验时，打开液体增压阀Z2、液体电磁阀F2、液体单向阀D2、上支路电磁阀F6和下回收电磁阀F5，其他阀门关闭，调节液体增压泵Z2到一定压力，液体经过液体流量计L2、液体单向阀D2、液体电磁阀F2，从第一进口101进入岩样10，通过液体压力传感器P2在数据系统显示液体压力，液体流量计L2检测进入岩样10的液体流量值；通过下压力传感器P5在数据系统显示第二出口104的液体压力，通过下回压阀H5控制出液压力，当液体压力大于下回压阀H5调节的压力时，液体才会逸出，下回收流量计L5检测第一出口102的液体流量值，液体经下回收单向阀D5进入回收装置C4，回收压力传感器P6检测回收装置C4内的压力，当压力超标时通过回收电磁阀F8排出利用。当液体流量计L2和下回收流量计L5计数稳定时，岩样10处于解吸平衡。

当对岩样10进行气体横向渗流试验时，打开气体减压阀J1、气体电磁阀F1、气体单向阀D1、下支路电磁阀F7和上回收电磁阀F4，其他阀门关闭，调节气体增压泵Z1到一定压力，气体经过气体流量计L1、气体单向阀D1、气体电磁阀F1，从第二进口103进入岩样10，通过第一气体压力传感器P1在数据系统显示气体压力，气体流量计L1检测进入岩样10的气体流量值；通过下压力传感器P5在数据系统显示第二出口104的气体压力，通过下回压阀H5控制出气压力，当气体压力大于下回压阀H5调节的压力时，气体才会逸出，上回收流量计L4检测第二出口104的气体流量值，气体经上回收单向阀D4进入回收装置C4，回收压力传感器P6检测回收装置C4内的压力，当压力超标时通过回收电磁阀F8排出利用。当气体流量计L1和上回收流量计L4计数稳定时，岩样10处于解吸平衡。

当对岩样10进行液体横向渗流试验时，打开液体减压阀、液体电磁阀F2、液体单向阀D2、下支路电磁阀F7和上回收电磁阀F4，其他阀门关闭，调节液体增压泵Z2到一定压力，液体经过液体流量计L2、液体单向阀D2、液体电磁阀F2，从第二进口103进入岩样10，通过液体压力传感器P2在数据系统显示液体压力，液体流量计L2检测进入岩样10的液体流量值；通过下压力传感器P5在数据系统显示第二出口104的液体压力，通过下回压阀H5控制出液压力，当液体压力大于下回压阀H5调节的压力时，液体才会逸出，上回收流量计L4检测第二出口104的液体流量值，液体经上回收单向阀D4进入回收装置C4，回收压力传感器P6检测回收装置C4内的压力，当压力超标时通过回收电磁阀F8排出利用。当液体流量计L2和上回收流量计L4计数稳定时，岩样10处于解吸平衡。

对岩样10进行加载时，逐渐增加法向加压装置3的施加压力大小，每次增加200kpa，直至岩样10破碎，在每次利用法向加压装置3增加压力后，利用三维激光扫描仪73对岩样10进行宏观观测，利用核磁共振射频源71和记录器72对岩样10进行微观观测。

本发明提供的技术方案，利用加卸载系统还原了黏土岩真实的三向受力状态，使岩样10受到的法向加载和横向加载互不干扰，能够更加准确地研究地质储存介质黏土岩的加卸载响应状态；通过气体和液体在黏土岩中的渗流，能够研究黏土岩在加卸载过程中渗透性能(污染物迟滞性能)的改变，以及岩样10渗流特性的各向异性；核磁共振通过氢质子响应能够揭示加卸载过程黏土岩内部流体的渗透特性，三维激光扫描仪73能够精准观测黏土岩加卸载过程中发生的变形破坏等宏观力学行为，有利于黏土岩加卸载响应状态的宏观重构，并能通过主机74与控制台75实现过程自动化与结果可视化。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，包括加卸载系统以及流体渗流系统；

所述加卸载系统包括围压装置、法向加压装置、两个横向加压装置和密封套；所述围压装置包括围压室和注油机构，所述围压室具有密闭容腔，一侧呈可开启设置，以将岩样设于所述围压室内，所述围压室设有可开关的出气孔，顶部设有上通孔，左右侧面分别设有侧通孔，所述注油机构通过油管与所述围压室内连通，用于向所述围压室内注入油流；所述法向加压装置下端穿过所述上通孔位于所述围压室内，用于对所述岩样施加法向向下的压力；所述两个横向加压装置设于所述岩样左右两侧，一端穿过所述侧通孔位于所述围压室内，用于对所述岩样施加横向压力；所述密封套用于敷设于所述岩样外围，所述密封套上下两侧分别开设有第一进口和第一出口，所述密封套侧壁相对的两侧开设有第二进口和第二出口；

所述流体渗透系统包括输入机构和回收机构，所述输入机构用于与所述第一进口或第二进口可选择性地连通，对所述岩样一侧输入流动介质，所述回收机构用于与所述第一出口或第二出口可选择性地连通，用于回收流经所述岩样的所述流动介质；其中，所述输入机构与第一进口连通时，所述回收机构与所述第一出口连通，所述输入机构与所述第二进口连通时，所述回收机构与所述第二出口连通。

2.如权利要求1所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述法向加压装置包括法向加压机构、法向加压杆和法向加压板，所述法向加压机构固定于所述围压装置上，所述法向加压杆沿上下向延伸，上端固定于所述法向加压机构底部，下端穿过所述上通孔位于所述围压室内，所述法向加压机构用于对所述法向加压杆施加法向向下的压力，所述法向加压板固定于所述法向加压杆下端，用于设于所述岩样上方。

3.如权利要求1所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述横向加压装置包括横向加压机构、横向加压杆和横向加压板，两个所述横向加压机构固定于所述围压装置上且位于所述围压室的左右两侧，所述横向加压机构与所述横向加压杆对应设置，所述横向加压杆一端固定于所述横向加压机构，另一端穿过所述侧通孔位于所述围压室内，所述横向加压机构用于对所述横向加压杆施加横向向内的压力，所述两个横向加压板分别固定于两个所述横向加压杆位于所述围压室内的一端，用于设于所述岩样的左右两侧。

4.如权利要求3所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述横向加压装置还包括两个复合加压板，所述复合加压板上下两端分别固定有上滑轮和下滑轮，设于所述围压室底壁上，所述两个复合加压板设于所述岩样左右侧，所述横向加压板与所述复合加压板相抵接，所述围压室的底壁与所述下滑轮对应的位置设有下凹槽，所述下滑轮位于所述下凹槽内；

所述法向加压装置还包括法向传力杆、法向加载板，所述法向加载板固定于所述法向加压杆与所述法向加压板之间，所述法向传力杆设于所述法向加压杆外围、上端与所述法向加压杆中部固定连接，下端与所述法向加载板顶部固定连接，所述法向加载板与所述上滑轮对应的位置设有上凹槽，所述上滑轮位于所述上凹槽内。

5.如权利要求4所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述围压室还包括上端呈封盖设置、下端呈开口设置的安装筒，所述安装筒下端固定于所述围压室顶部，且与上通孔相对设置，顶部开设有供所述法向加压杆穿过的让位孔，所述法向加压杆和所述法向传力杆位于所述安装筒内；所述法向加压机构固定于所述安装筒顶部。

6.如权利要求1所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述输入机构包括输气机构、输液机构和连接管道，所述连接管道包括主路管道和与所述主路管道连通的上支路管道和下支路管道，所述上支路管道和所述下支路管道上分别设有上支路电磁阀和下支路电磁阀，所述上支路管道与所述第一进口连通，所述下支路管道与所述第二进口连通；

所述输气机构与所述主路管道连通，用于向所述岩样输入的所述流动介质为气体介质，所述输液机构与所述主路管道连通，用于向所述岩样输入的所述流动介质为液体介质。

7.如权利要求6所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述输气机构包括气瓶和输气通道，所述气瓶用于盛装所述气体介质，所述输气通道包括依次通过管道相连的气体减压阀、气体电磁阀、气体增压泵和气体单向阀，所述气体减压阀与所述气瓶连接，所述气体单向阀与所述主路管道连通。

8.如权利要求6所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述输液机构包括储液罐和输液通道，所述储液罐用于盛装所述液体介质，所述输液通道包括依次相连的液体增压泵、液体电磁阀和液体单向阀，所述液体增压泵与所述储液罐连接，所述液体单向阀与所述主路管道连通。

9.如权利要求6所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述流体渗透系统还包括抽真空机构，所述抽真空机构用于抽出岩样内部的空气，包括依次相连的抽真空装置和真空电磁阀，所述真空电磁阀与所述主路管道连通。

10.如权利要求1所述的黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备，其特征在于，所述回收机构包括回收装置和回收通道，用于回收所述气体介质或所述液体介质，所述回收通道包括上回收通道和下回收通道；所述上回收通道包括依次相连的上回收单向阀、上回压阀和上回收电磁阀，所述上回收单向阀与所述回收装置连通，所述上回收电磁阀与所述第二出口连通；所述下回收通道包括依次相连的下回收单向阀、下回压阀和下回收电磁阀，所述下回收单向阀与所述回收装置连通，所述下回收电磁阀与所述第一出口连通；和/或，

所述黏土岩的可视化真三轴加卸载渗流试验设备还包括可视化监测与控制系统，所述可视化监测与控制系统包括核磁共振射频源、记录器和三维激光扫描仪，所述核磁共振射频源和所述记录器与所述围压室相对设置，分别位于所述围压室的前后方向，用于反映黏土岩加卸载过程中的微观力学行为；所述三维激光扫描仪与所述围压室相对设置，位于所述围压室的前方或后方，所述三维激光扫描仪用于记录黏土岩加卸载过程中的宏观力学行为。