CN112284923A - 一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法，属于岩石实验分析技术领域；包括真三轴压力容器、轴压加载、围压加载、孔隙压力加载入口和孔隙压出口；真三轴压力容器上段与孔隙压力加载入口相连，下端与孔隙压力加载出口相连；真三轴压力容器外壁上设有四个外接通道，两两对称地和围压加载系统相连；外接通道直接与真三轴压力容器围压腔相通；采用本发明可在岩石高温真三轴加载状态下研究气液单相渗流、气体驱替、吸附‑解吸、竞争吸附和水‑气两相渗流规律，同时测得岩石试样在第一、第二水平方向的径向变形及其各向异性；通过耦合各个系统的工作，使实验过程真实模拟岩石所处的复杂地质环境，提高检测数据的关联性、科学性及准确性。

Description

一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法
技术领域
本发明涉及岩石实验分析技术领域，具体为一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法。
背景技术
随着煤炭等能源资源的开采深度逐渐向深部延伸，煤等岩石材料的岩石力学特性逐渐表现为高温高压控制下的粘弹塑性变形，原位条件下的高温高压岩石力学成为当今岩石力学的重要研究内容。原位条件下的岩石材料，处在较高温度场、高应力场和渗流场耦合作用下，不仅发生强度、变形、渗流等力学特性变化，还伴随有气体吸附-解吸、传热传质等特点。实验室内研究原位条件下岩石的力学特性、传热传质等特点时，大多以此设置相应的实验条件，进行相关的岩石力学实验。目前的岩石试验机大多不能同时进行如此多功能的系统性实验。实验过程复杂，实验结果往往不能互相匹配，使得对结果的对比分析及整体考量造成困难。因此，有必要研制一种多功能的适用于多场耦合作用下的岩石试验系统，既可以实现多场耦合作用下的岩石强度、变形、渗流等力学特性，还可以研究岩石的传热和传质特征。使其结果产生相关联性，以提高数据的科学性和准确性。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法，目的在于同时模拟原位地层的高温、高地应力、渗流条件，对岩石试样进行真三轴加载，并在此加载状态下进行吸附-解吸、单相渗流、多相渗流、水-气两相流、气体驱替实验等，提高数据的相关联性和科学准确性。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，包括真三轴压力容器、轴压加载系统、围压加载系统，通过放置的试样将真三轴压力容器内部分割成四个独立的区域，两个位置相对的区域通过外接通道与一个围压加载系统相连接；两个围压加载系统分别位于相对的两个水平应力方向上。
所述的真三轴实验系统还包括孔隙压力加载入口系统和孔隙压出口系统，所述孔隙压力加载入口系统包括液体输入端、气体输入端和混合装置，所述液体输入端和气体输入端分别与混合装置连接后再通过第一管路与真三轴压力容器的上端相连通，所述第一管路上设置有控制阀；所述液体输入端包括加液装置和液体计量装置，用于向混合装置定量加入液体；所述气体输入端包括加气装置和压力控制装置，用于向混合装置定量加入气体。
所述孔隙压出口系统包括气液分离装置，以及分别与气液分离装置相连接的气体计量装置和液体计量装置；所述气液分离装置通过第二管路与真三轴压力容器的下端相连接，所述第二管路上设置有控制阀。
进一步的，所述轴压加载系统包括液体加压装置和压力检测装置，轴压加载系统通过管路与阀门与真三轴压力容器的上端相连，用于为岩石试样施加轴压，所述真三轴压力容器在轴向方向上外接有轴向位移传感器，用于检测岩石试样在轴向方向的位移和变形。
进一步的，所述围压加载系统包括相串联的气-液混合式围压蓄能器、位移传感器和压力检测装置，围压加载系统通过管路和阀门与所述的外界通道相连。
进一步的，所述真三轴压力容器外部设置有加热装置，用于实现高温加载。
进一步的，所述真三轴压力容器的外壳为航空铝或碳纤维材料，所述真三轴压力容器连接显微CT装置，用于对试样在线扫描。
进一步的，所述真三轴压力容器设置有多个气体输入端口，用于同时并联多套气体输入装置。
一种采用所述多功能高温高压岩石真三轴实验系统的高温高压岩石真三轴实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）将试样装入真三轴压力容器内，向真三轴压力容器内注入围压液体，对试样施加围压；向真三轴压力容器内注入轴压液体，对试样施加轴压；保持试样的轴压和围压相等，使岩石试样处在静水压力状态。
b）待两个水平应力方向上围压加载系统的气液界面稳定以后，继续向真三轴压力容器内注入轴压液体，加载至指定轴压并维持稳定，模拟岩石的真三轴应力状态。
c）向混合装置内注入液体，混合均匀后由孔隙压入口注入试样；再向混合装置注入气体，混合均匀后由孔隙压力入口段注入试样。
d）打开孔隙压力出口端的阀门，使得气体或者液体经过试样形成完整渗流通道后，排入气液分离装置，分别用气体计量装置和液体计量装置来计量气体和液体排出量；将数据导出。
进一步的，通过对比两个水平方向上的试样变形，得出试样在真三轴应力状态下径向变形的各向异性。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
（1）采用本发明系统，可以进行高温高压下的岩石真三轴岩石力学实验，并在加载状态下可研究：气体、液体单相渗流规律；气体驱替规律；吸附-解吸规律；竞争吸附规律；水-气两相渗流规律。
（2）本发明通过耦合各个系统的工作，使实验过程真实模拟岩石所处的复杂地质环境，实现最终检测数据的相关联性，提高检测数据的科学性及准确性。
（3）采用本发明系统，还可以同时测得岩石试样在第一水平方向和第二水平方向的径向变形，对比研究岩石试样在径向变形的各向异性特征。
（4）采用本发明系统，当真三轴岩石压力容器的外壳采用强度高、密度小的航空铝或碳纤维材料时，可以配合显微CT进行在线扫描，达到细观扫描的观测目的。
附图说明
图1是本发明所述多功能高温高压岩石真三轴实验系统的结构示意图。
图2是真三轴压力容器的剖面示意图。
图中，1-真三轴压力容器；2-搅拌器；3-气体减压阀；4-高压气瓶；5-气-液分离装置；6-气体计量计；7-液体计量计；8-轴向位移传感器；9-岩石试样；A1、A2-液体手动加压泵；B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8-高精度数显压力表；C1、C2、C3-磁致伸缩位移传感器；X1、X2、X3-气液混合式蓄能器；F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10-阀门。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
如图1所示，一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，包括真三轴压力容器1、轴压加载系统、围压加载系统、孔隙压力加载入口系统和孔隙压出口系统五部分组成。
真三轴压力容器1位于整个系统的中间位置；岩石试样9包裹在0.05 mm厚的紫铜套内，并置于真三轴压力容器1腔内。紫铜套将真三轴压力容器1内围压腔分割成四个独立的区域。真三轴压力容器1的外壁上设置有四个外接通道，外接通道内部分别直接与真三轴压力容器1的围压腔相通，外部两两对称地和围压加载系统相连。所述的围压加载系统设置在两个方向上：第一水平应力和第二水平应力方向上，分别对岩石试样9施加围压。真三轴压力容器1的上盖通过阀门F1和轴压加载系统相连。真三轴压力容器1上盖的中心，通过阀门F2和孔隙压力加载入口系统相连，下盖的中心通过阀门F10和孔隙压力加载的出口系统相连。所述的真三轴压力容器1在轴向方向上外接有轴向位移传感器8，用于检测岩石试样在轴向方向的位移和变形。
其中，轴压加载系统，包括液体的手动加压泵A1和高精度的数显式压力表B1，通过管路与阀门F1和真三轴压力容器1的上盖中心相连，为岩石试样施加轴压。
围压加载系统，包括第一水平应力方向和第二水平应力方向的围压加载系统。所述的第一水平应力方向和第二水平应力方向的围压加载装置结构一样，包括：高精度数显压力表B5和B6（B7和B8）、磁致伸缩式位移传感器C2（C3）和气-液混合式围压蓄能器X2（X3）。所述的磁致伸缩位移传感器C2（C3）与高精度数显压力表B6（B8）和气-液混合式围压蓄能器X2（X3）串联，并与所述的真三轴压力容器1外侧上对称的两个通道通过阀门F6（F8）和管路相连通。所述的气-液混合式围压蓄能器X2、X3能为岩石试样提供长期稳定的围压加载，磁致伸缩式位移传感器C2、C3可以通过磁致伸缩式位移传感器内液面高度的变化来实时监测岩石试样在水平方向上的收缩膨胀变形。进一步地，对比第一水平方向和第二水平方向上的变形，可研究岩石试样在真三轴应力状态下径向变形的各向异性。
所述的孔隙压力入口端系统，通过阀门F2与真三轴压力容器1的上盖中心相连通。所述孔隙压力入口端系统通过阀门F2和搅拌器2相连接。所述搅拌器2主要用来混合气体和液体，以实现均匀混合的目的。搅拌器2的另一端，分别连接着气体输入端和液体输入端。所述的液体输入端，由磁致伸缩式位移传感器C1、高精度数显压力表B3、B4、蓄能器X1和液体手动加压泵A2组成。其中，液体手动加压泵A2和高精度数显压力表B3、阀门F5组成的管路，和由磁致伸缩位移传感器C1、高精度数显压力表B4和蓄能器X1组成的管路并联，通过阀门F3与搅拌器2相连。液体手动加压泵A2用来向搅拌器2中注入液体。所述的磁致伸缩位移传感器C1和蓄能器X1，配合液压加载手动泵A2，向搅拌器2内注入液体，并计量对应的刻度，计算注入液体的体积。所述的气体输入端，通过阀门F4、压力表B2、减压阀3和高压气瓶4相连接，用来向搅拌器2内注入气体，注入气体的量可以通过注气前后高压气瓶的压降和搅拌器内气体空间的体积加以计算。
所述的孔隙压力出口端系统，与真三轴压力容器1的下盖中心相连，通过阀门F10、管路与气-液分离装置5相连接。所述的气-液分离装置5的另一端分别与气体计量计6和液体计量计7相连，分别计量气体和液体排出量。
对本方案进一步改进后的方案中可以将真三轴压力容器1放置在高温加热炉内，进行空气对流加热，实现高温加载。
对本方案进一步改进后的方案中真三轴压力容器1的外壳可以选用密度低、强度大的航空铝或碳纤维材料，可承受较大的压力，对X射线的吸收能力较弱，这样可以配合显微CT在线扫描，研究岩石试样在细观尺度的变形、渗流、裂纹演化等特征。
本实施例系统可增加所述的气体输入端口的装置，即并联多套气体输入端口使用。当多套气体输入装置端口并联使用时，可以进行单相气体渗流、多项气体混合渗流，单相气体吸附-解吸实验，多相气体驱替实验、多相气体竞争吸附实验。当搅拌器连接的气体输入端和液体输入端的阀门，同时或先后打开时，可进行气-液两相渗流。
本实施例结合上述发明，详细说明采用一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统进行水-气两相流实验的具体步骤。
1）将岩石试样装在真三轴压力容器1内，将整套系统通过阀门、管路连接好，将真三轴压力容器置于高温加热炉内。
2）同时打开阀门F6、F7、F8和F9，向真三轴压力容器内注入围压液体，对真三轴压力容器内的岩石试样施加围压。打开阀门F1，通过手动泵A1和压力表B1，向真三轴压力容器内注入轴压液体，对真三轴压力容器内的岩石试样施加轴压。保持试样的轴压和围压相等，岩石试样处在静水压力状态。
3）将高温加热炉加热至指定温度，待第一水平方向和第二水平方向的围压稳定系统中的磁致伸缩位移传感器的气液界面受热稳定以后，通过手动泵A1和压力表B1，继续向真三轴压力容器内注入轴压液体，加载至指定轴压，并维持稳定，模拟岩石的真三轴应力状态。
4）待轴向位移传感器读数稳定，磁致伸缩位移传感器C2、C3内液面高度达到稳定时，打开阀门F2、F3和F5，通过手动泵和磁致伸缩位移传感器C1向搅拌器2内注入液体。经过搅拌器2的充分搅拌，经过流体渗流通道和阀门F2，由孔隙压入口注入岩石试样。
5）待注液稳定一段时间后，关闭阀门F3和F5，打开阀门减压阀4和阀门F4，由高压气瓶和减压阀向搅拌器2内注入气体，经过搅拌器的充分搅拌，由孔隙压力入口段注入岩石试样。
6）打开孔隙压力出口端的阀门F10，使得气体或者液体经过岩石试样形成完整渗流通道后，排入气液分离装置5，分别用气体剂量计6和液体计量计7来计量气体和液体排出量。实验过程中通过读取磁致伸缩位移传感器C2和C3中气液界面的波动来读取岩石试样的径向变形，并通过轴向位移传感器8读取轴向位移。
7）试验完成后，关闭高温加热炉，待系统冷却，各个磁致伸缩液位传感器内的液体液面稳定后，关闭阀门，卸载压力，导出数据。
实际实验操作时，可以根据实验的目的，可以仅打开气体注入端管路或者液体注入管路进行单相渗流、单相吸附等，也可根据实验目的，串联多个气体注入端口等进行竞争吸附等。
综上，采用本发明系统，可以进行高温高压下的岩石真三轴岩石力学实验，并在加载状态下可研究：气体、液体单相渗流规律、气体驱替规律、吸附-解吸规律、竞争吸附规律和水-气两相渗流规律，还可以同时测得岩石试样在第一水平方向和第二水平方向的径向变形，对比研究岩石试样在径向变形的各向异性特征，必要时可改变真三轴压力容器的外壳，采用强度高、密度小的航空铝或碳纤维材料，配合显微CT进行在线扫描，达到细观扫描的观测目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，包括真三轴压力容器、轴压加载系统、围压加载系统，其特征在于，通过放置的试样将真三轴压力容器内部分割成四个独立的区域，两个位置相对的区域通过外接通道与一个围压加载系统相连接；两个围压加载系统分别位于相对的两个水平应力方向上；
所述的真三轴实验系统还包括孔隙压力加载入口系统和孔隙压出口系统，所述孔隙压力加载入口系统包括液体输入端、气体输入端和混合装置，所述液体输入端和气体输入端分别与混合装置连接后再通过第一管路与真三轴压力容器的上端相连通，所述第一管路上设置有控制阀；所述液体输入端包括加液装置和液体计量装置，用于向混合装置定量加入液体；所述气体输入端包括加气装置和压力控制装置，用于向混合装置定量加入气体；
所述孔隙压出口系统包括气液分离装置，以及分别与气液分离装置相连接的气体计量装置和液体计量装置；所述气液分离装置通过第二管路与真三轴压力容器的下端相连接，所述第二管路上设置有控制阀。
2.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述轴压加载系统包括液体加压装置和压力检测装置，轴压加载系统通过管路与阀门与真三轴压力容器的上端相连，用于为岩石试样施加轴压，所述真三轴压力容器在轴向方向上外接有轴向位移传感器，用于检测岩石试样在轴向方向的位移和变形。
3.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述围压加载系统包括相串联的气-液混合式围压蓄能器、位移传感器和压力检测装置，围压加载系统通过管路和阀门与所述的外界通道相连。
4.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述真三轴压力容器外部设置有加热装置，用于实现高温加载。
5.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述真三轴压力容器的外壳为航空铝或碳纤维材料，所述真三轴压力容器连接显微CT装置，用于对试样在线扫描。
6.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述真三轴压力容器设置有多个气体输入端口，用于同时并联多套气体输入装置。
7.一种采用如权利要求1-6任意一项所述实验系统的高温高压岩石真三轴实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）将试样装入真三轴压力容器内，向真三轴压力容器内注入围压液体，对试样施加围压；向真三轴压力容器内注入轴压液体，对试样施加轴压；保持试样的轴压和围压相等，使岩石试样处在静水压力状态；
b）待两个水平应力方向上围压加载系统的气液界面稳定以后，继续向真三轴压力容器内注入轴压液体，加载至指定轴压并维持稳定，模拟岩石的真三轴应力状态；
c）向混合装置内注入液体，混合均匀后由孔隙压入口注入试样；再向混合装置注入气体，混合均匀后由孔隙压力入口段注入试样；
d）打开孔隙压力出口端的阀门，使得气体或者液体经过试样形成完整渗流通道后，排入气液分离装置，分别用气体计量装置和液体计量装置来计量气体和液体排出量；将数据导出。
8.根据权利要求7所述的高温高压岩石真三轴实验方法，其特征在于，通过对比两个水平方向上的试样变形，得出试样在真三轴应力状态下径向变形的各向异性。
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