CN111307606B - 深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置，涉及深部岩石力学测试技术领域，其包括密封的三轴室，三轴室内绕着试件腔周围设置有围压模拟模块和温度模拟模块，试件腔的上方和下方分别设置有上位压头系统和下位压头系统，上位压头系统和下位压头系统中设置有渗透压模拟模块，上位压头系统和下位压头系统与围压模拟模块之间设置有围压油隔绝密封件，下位压头系统密封连接于三轴室的底端，上位压头系统滑动密封连接于三轴室的顶端。解决了现有技术中的高温高压岩石三轴力学实验系统无法开展深部环境下的岩石拉伸与拉压循环加载的问题。

Description

深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置

技术领域

本发明涉及深部岩石力学测试技术领域，特别是涉及一种深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置。

背景技术

深部资源开采与深地空间利用等深部岩石工程领域中的工程岩体常处于高温、高应力、高渗透压等复杂环境中，岩石力学参数是开展深部工程设计与建设、深部资源开采设计与优化的基础数据，毫无疑问，准确测试并获取深部环境下的岩石工程力学参数是深部岩石工程实践的关键环节、先导性任务。受复杂的地质构造、地应力环境与工程活动等因素的共同影响，深部岩石受拉应力乃至拉压循环应力加载十分普遍，例如，非常规油气开发的储层疲劳气动改造、地应力测试的水力压裂测试与深部围岩开挖扰动等均可导致岩石拉破裂或者拉压循环失效。因此，如何准确测试并获取深部环境下的岩石拉伸与拉压循环力学特性至关重要。

深部环境下的岩石力学行为与参数测试必须依赖可实现深部环境加载的岩石力学测试设备，现有高温高压岩石三轴力学实验系统均可实现高温、高应力、高渗透压下的岩石压缩与三轴剪切力学测试，并可准确获得不同高温高压环境下的岩石压缩强度、摩尔库伦剪切强度参数等。其中，深部高应力环境主要是通过施加与深部应力相等的围压予以实现。然而，现有高温高压岩石三轴力学测试系统，例如世界知名岩石力学测试系统MTS815，在三轴环境下只能实现压缩加载，由于围压与轴压没有分离导致此类设备无法实现高围压下的拉伸加载，因此无法开展深部环境下的岩石拉伸与拉压循环加载，进而无法获取深部环境下的岩石拉伸强度与拉压循环力学特性。

另一方面，这类岩石三轴力学设备的商用力传感器也没有提供可分离围压与轴压的解决方案，因此，也无法改动进而形成密封隔绝围压油的作用从而真正测得作用在试样上的力。但是此类设备拥有优秀的围压控制系统、温度控制系统、渗透控制系统，如何充分利用这些系统开展深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置，解决了现有技术中的高温高压岩石三轴力学实验系统无法开展深部环境下的岩石拉伸与拉压循环加载的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置，其包括密封的三轴室，三轴室内绕着试件腔周围设置有围压模拟模块和温度模拟模块，试件腔的上方和下方分别设置有上位压头系统和下位压头系统，上位压头系统和下位压头系统中设置有渗透压模拟模块，上位压头系统和下位压头系统与围压模拟模块之间设置有围压油隔绝密封件，下位压头系统密封连接于三轴室的底端，上位压头系统滑动密封连接于三轴室的顶端。

本发明的有益效果为：上位压头系统与现有的三轴力学实验系统的上压头可拆卸连接，下位压头系统与现有的三轴力学实验系统的轴向作动器上盘对中可拆卸连接，使得现有的三轴力学实验系统的上压头、轴向作动器不用伸入到高温高压的三轴室中也能够将轴向的拉伸和压缩的作用力传递到试件上，从而检测压力值的传感器可以不用放置到高温高压的三轴室中，进而对传感器的性能要求大大降低，降低了传感器的使用成本，提高了传感器的使用寿命。并且在三轴力学实验中所使用的传感器均是小量程传感器，高温高压环境很容易影响传感器的精度造成测量数据不准确，本力学实验装置使用后保证了传感器检测数据的准确性，也规避了高温高压传感器量程通常大到不适用于拉伸小量程高精度加载的弊端。

上位压头系统和下位压头系统与围压模拟模块之间设置有围压油隔绝密封件，通过该围压油隔绝密封件能够将围压与轴压分离开，轴压与围压相互独立，使得能够对试件既能够进行压缩也能够进行拉伸试验，从而能够在高温高压环境下对岩石进行拉伸与拉压循环加载，从而能够更加全面且真实地模拟深部高温高压环境进而让测得的岩石力学数据更加准确。且可推广应用于高温高压下的压缩加载，实现三轴压力机的功能。

本力学实验装置是对现有三轴力学实验系统的改进，结构简单、巧妙，容易加工制造，安装方便，使应用成本低，有利于推广使用。

附图说明

图1为深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置的结构示意图。

其中，1、三轴室；2、试件腔；3、围压模拟模块；31、围压油管路；4、温度模拟模块；41、加热器；5、上位压头系统；51、上渗透压头；52、转接压头；521、限位块；53、上压头；531、上连接头；54、钢套；55、上粘接层；56、第一限位凹凸结构；6、下位压头系统；61、下渗透压头；611、下粘接层；612、第二限位凹凸结构；62、下压头；621、下连接头；7、渗透压模拟模块；71、上渗透管；72、上渗透孔道；73、下渗透孔道；74、下渗透管；8、围压油隔绝密封件；9、密封膜；10、环向引伸计；101、链条。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置包括密封的三轴室1，三轴室1内绕着试件腔2周围设置有围压模拟模块3和温度模拟模块4，试件腔2的上方和下方分别设置有上位压头系统5和下位压头系统6，上位压头系统5和下位压头系统6中设置有渗透压模拟模块7，上位压头系统5和下位压头系统6与围压模拟模块3之间设置有围压油隔绝密封件8，下位压头系统6密封连接于三轴室1的底端，上位压头系统5滑动密封连接于三轴室1的顶端。

合围成三轴室1的侧板、顶板和底板为刚度不低于0.5MN的整体式罐体，三轴室1的侧板为圆柱形。三轴室1的侧板中封装有温度模拟模块4中的加热器41，加热器41通过同样封装在整体式罐体内的耐高温高压线缆与现有三轴力学实验系统中的温度控制系统连接，通过温度控制系统来控制加热器41的加热温度和加热时间。

试件腔2与三轴室1之间的空腔被围压油包裹，围压油通过封装在三轴室1底板中的围压油管路31送入到三轴室1中，围压油管路31与现有三轴力学实验系统中的围压油源和围压油控制系统连接，通过围压油控制系统控制围压油源中围压油的输入量和输入压力。

上位压头系统5包括从下至上依次连接的上渗透压头51、转接压头52和上压头53。上压头53穿过转接压头52螺纹连接于渗透压头51上，上压头53与渗透压头51螺纹连接使得可以通过调节螺纹连接段的长度来协调施加的预紧力的大小。

上压头53远离上渗透压头51的一端一体成型有上连接头531，上压头53与上连接头531形成一个T字型结构，上连接头531的底面抵接于转接压头52的顶面上。上连接头531用于与现有的三轴力学实验系统的上压头通过螺纹紧固件连接。

转接压头52穿过钢套54的轴孔，转接压头52的外圆柱面与钢套54的内圆柱面滑动连接，并在滑动面上安装有动密封O型密封圈进行滑动密封。钢套54螺纹连接于贯穿三轴室1顶板的螺纹孔中。上渗透压头51的底面上设置有上粘接层55，上粘接层55为涂覆在整个底面上用于粘接岩石试件的胶水。

转接压头52的顶端和底端分别设置有限位块521，通过限位块521与钢套54两个端面的抵接来限制转接压头52的滑动距离，两个限位块521之间的距离等于允许转接压头52滑动的距离，通过两个限位块521实现拉伸与拉压的运动行程控制，并防止转接压头52脱出钢套54。

上渗透压头51的顶面与转接压头52底面之间设置有第一限位凹凸结构56，第一限位凹凸结构56包括一体成型于转接压头52底面中部的环形凸台，在上渗透压头51的顶面上加工有供环形凸台嵌入的环形凹槽，通过第一限位凹凸结构56来限制上渗透压头51与转接压头52在水平面上的相对移动。

围压油隔绝密封件8设置于上渗透压头51与转接压头52的连接处，围压油隔绝密封件8为耐高温高压的O型密封圈，用于隔绝三轴室1中的围压油进入到上位压头系统5中，起着隔绝围压和轴压的目的。

下位压头系统6包括放置在三轴室底面上的下渗透压头61，下渗透压头61的顶面上设置有下粘接层611，下粘接层611与上粘接层55相同，实现的功能也是为了与试件固定。

下渗透压头61与三轴室底面之间设置有第二限位凹凸结构612，第二限位凹凸结构612包括一体成型于下渗透压头61底面中部的环形凸台，在三轴室底面上加工有供环形凸台嵌入的环形凹槽，通过第二限位凹凸结构612来限制下渗透压头61与三轴室底面在水平面上的相对移动。

下压头62穿过三轴室1的底板与下渗透压头61螺纹连接，下压头62远离下渗透压头61的一端一体成型有下连接头621，下压头62与下连接头621形成一个T字型结构，下连接头621抵接于三轴室1的底板上。下渗透压头61与三轴室底面的连接处设置有围压油隔绝密封件8，通过围压油隔绝密封件8隔绝围压油进入到下位压头系统6中。

渗透压模拟模块7包括沿转接压头52的轴向贯穿插接的上渗透管71，以及设置在上渗透压头51上并将上渗透管71与试件腔2连通的上渗透孔道72，上渗透管71远离上渗透孔道72的一端连接出液收集装置，出液收集装置通常为一个收集桶和将收集桶与上渗透管71连通的管道，用于接住从上渗透管71流出的渗透液等物质。

下渗透压头61上设置有一端通入试件腔2中的下渗透孔道73，下渗透孔道73的另一端通过下渗透管74与渗透压产生装置连接。渗透压产生装置为现有岩石力学试验机中的常备部件，通常包括水泵、气泵等设备，用于模拟真实岩石环境中的渗透压。

上渗透管71和下渗透管74均为外圆柱面上加工有连接螺纹的空心管，通过螺纹连接将上渗透管71固定到转接压头52上，通过螺纹连接将下渗透管74固定到三轴室1的底板上。上渗透管71与上渗透孔道72的连接处以及下渗透管74与下渗透孔道73的连接处均设置有防止渗透介质泄露的密封圈，从而保证渗透压的稳定。

试件腔2与围压油之间通过耐高温高压的密封膜9进行分隔，在密封膜9上套接有环向引伸计10的链条101，用于检测岩石试件的变形量。

试验过程中，通常需要对很多岩石试件进行试验，预先将上渗透压头51和下渗透压头61对中粘接在岩石试件的两端形成一个试件整体，然后将该试件整体放入到试件腔2中。由于钢套54与转接压头52之间的动密封安装要求较高，不适宜经常拆卸，所以将钢套54、上压头53、转接压头52和限位块521一次装配完成后是不需要再拆卸的，每次使用将该整体直接螺纹连接到三轴室顶板上的螺纹孔中，然后将上压头53与上渗透压头51拧紧，将下压头62与下渗透压头61拧紧，再将本方案中的上压头53与现有三轴力学实验系统的上压头通过螺纹紧固件连接，将下压头62与与现有的三轴力学实验系统的轴向作动器上盘对中螺纹连接后，最后连接围压模拟模块3、温度模拟模块4和渗透压模拟模块7所涉及的管路和线缆到对应的供应源和控制系统中。

Claims (2)

1.一种深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置，其特征在于，包括密封的三轴室（1），所述三轴室（1）内绕着试件腔（2）周围设置有围压模拟模块（3）和温度模拟模块（4），所述试件腔（2）的上方和下方分别设置有上位压头系统（5）和下位压头系统（6），所述上位压头系统（5）和所述下位压头系统（6）中设置有渗透压模拟模块（7），所述上位压头系统（5）和所述下位压头系统（6）与所述围压模拟模块（3）之间设置有围压油隔绝密封件（8），所述下位压头系统（6）密封连接于所述三轴室（1）的底端，所述上位压头系统（5）滑动密封连接于所述三轴室（1）的顶端；

所述上位压头系统（5）包括从下至上依次连接的上渗透压头（51）、转接压头（52）和上压头（53），所述上压头（53）穿过所述转接压头（52）可拆卸连接于所述渗透压头（51）上，所述转接压头（52）滑动密封连接于钢套（54）的轴孔上，所述钢套（54）可拆卸连接于所述三轴室（1）的顶端，所述上渗透压头（51）的底面上设置有上粘接层（55）；所述上压头（53）远离所述上渗透压头（51）的一端设置有上连接头（531），所述上连接头（531）的底面抵接于所述转接压头（52）的顶面上；所述转接压头（52）的顶端和底端分别设置有限位块（521）；

所述上渗透压头（51）的顶面与所述转接压头（52）底面之间设置有第一限位凹凸结构（56）；所述围压油隔绝密封件（8）设置于所述上渗透压头（51）与转接压头（52）的连接处；所述渗透压模拟模块（7）包括沿所述转接压头（52）的轴向贯穿插接的上渗透管（71），以及设置在所述上渗透压头（51）上并将所述上渗透管（71）与所述试件腔（2）连通的上渗透孔道（72），所述上渗透管（71）远离所述上渗透孔道（72）的一端连接出液收集装置；

所述下位压头系统（6）包括连接于三轴室底面上的下渗透压头（61），下压头（62）穿过所述三轴室（1）的底板与所述下渗透压头（61）可拆卸连接，所述下压头（62）远离所述下渗透压头（61）的一端设置有下连接头（621）；所述下渗透压头（61）与所述三轴室底面的连接处设置有所述围压油隔绝密封件（8）；

所述下渗透压头（61）的顶面上设置有下粘接层（611），所述下渗透压头（61）与所述三轴室底面之间设置有第二限位凹凸结构（612），所述下渗透压头（61）上设置有一端通入所述试件腔（2）中的下渗透孔道（73），所述下渗透孔道（73）的另一端通过下渗透管（74）与渗透压产生装置连接。

2.根据权利要求1所述的深部高温高压环境岩石拉伸与拉压循环力学实验装置，其特征在于，合围成所述三轴室（1）的侧板、顶板和底板为刚度不低于0.5MN的整体式罐体，所述三轴室（1）的侧板中封装有所述温度模拟模块（4）中的加热器（41）。