CN112284933A - 高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置及实验方法 - Google Patents

高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置及实验方法，实现了岩体在高温高压下循环剪切过程中渗流特性的测试。本发明试样由两块半圆柱体一块岩石和岩石薄板组合而成；将基座与围压缸固连，将试样置于支架中，然后通过固定杆将岩石薄板与轴压头固连；将试样、支架和轴压头放入围压缸内腔，在试样和支架周围充填传压介质；通过围压头压缩传压介质向试样提供指定围压，并通过加热棒提供高温环境；孔隙流体经过试样中间的裂隙面流出；通过测量出气管流体参数，获得高温高压下岩体循环剪切过程中的渗流特性关系。本发明结构合理、操作简便，具有广泛适用性。

Description

高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及一种岩石力学实验技术领域，尤其是一种适用于高温高压下岩体循环剪切渗流的实验装置及实验方法。
背景技术
循环剪切下节理岩体的热流固耦合特性是认知地震荷载作用下深层地热储层、核废料地下储层、火山带断层活化的重要依据之一。目前，针对高温高压下岩体的剪切渗流设备主要有两类即直接剪切设备和三轴压缩剪切设备。这两类设备可实现高温高压下的单程剪切渗流测试；但是由于结构缺陷，均不能实现高温高压下的循环剪切过程，更不能实现循环剪切过程中剪应力及渗流关系的测试。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种结构简单、操作方便、适用于高温高压下岩体循环剪切渗流的实验装置及实验方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置，至少包括中部有空腔的围压缸，设置于围压缸中空内腔且支承试样的支架，设置于支架上的试样，设置于支架、试样外周且位于围压缸内周的传压介质，设置于传压介质上方并向传压介质施加载荷的围压头；
所述试样包括位于传压介质中空内腔两侧的左侧岩石、右侧岩石以及位于左侧岩石、右侧岩石之间可以上下往复运动的中间岩石；所述左侧岩石、右侧岩石设置在支架上时，所述围压头中空内腔设置有牵引中间岩石上下往复运动的轴压头3，封闭围压缸的上端，所述围压缸的底端封闭，形成剪切渗流的实验空间；所述围压缸的底端通入有渗流通孔a，所述渗流通孔a的出口端位于试样的底端；所述轴压头设置有渗流通孔b，该渗流通孔b的流入端位于轴压头下方；所述传压介质的外围设置有加热棒。
试验时，所述围压头向下施加载荷，通过传压介质变成法向力，该法向力作用于支架并通过支架作用于左侧岩石、右侧岩石，使本发明的左侧岩石、右侧岩石在实验过程中作为法向受力部件，而上下往复运动的中间岩石作为剪切板与左侧岩石、右侧岩石形成剪切运动，而传压介质的外围设置有加热棒对实验空间的流体加热，实现高温高压下测量岩体循环剪切渗流的发明目的。
作为对上述技术方案的改进，所述支架包括截面为倒U形结构的试样座和截面为H型结构的试样架；所述试样架的中部设置有中间开设有连通槽的隔板，所述隔板将试样架相隔形成底部的用于安装左侧岩石、右侧岩石的安装腔和顶部的高压腔，所述连通槽使安装腔与高压腔相连通，所述左侧岩石、右侧岩石安装在试样架的安装腔内，所述中间岩石安装在左侧岩石、右侧岩石之间且从连通槽伸入到高压腔；所述试样座的顶端为平面，与试样架的底端平面接触，所述试样座的底部向内凹陷有嵌槽，所述试样座的中心设置有与渗流通孔a连通的连通通孔以贯通到试样架的安装腔。
作为对上述技术方案的改进，所述左侧岩石、右侧岩石为半圆柱体岩石，所述中间岩石为岩石薄板，所述岩石薄板高于半圆柱体岩石；所述试样架的安装腔、围压头的中空内腔相适配，所述轴压头的外径与试样架的安装腔、围压头的中空内腔相适配，所述轴压头的底端在中间岩石的外周向下延伸环形的凸壁，所述凸壁形成通孔c，所述渗流通孔b与通孔c连通；所述中间岩石顶部设置有固定通孔d，所述中间岩石、轴压头通过穿过通孔d、通孔c的固定杆相连接。
作为对上述技术方案的改进，所述高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置还包括截面为倒T形结构的基座，所述围压缸的截面同样为倒T形结构；所述基座的中部形成使围压缸、传压介质、支架嵌入的阶梯凸台，所述基座的周部设置有若干个通孔a，所述围压缸的周部相应设置有若干个通孔b使基座、围压缸通过穿过通孔a、通孔b的螺栓固定连接以封闭围压缸、传压介质、支架的底端；所述基座设置有L形的渗流通孔a，该渗流通孔a的出口端位于基座阶梯凸台的顶端并与试样座的连通通孔连通。
作为对上述技术方案的改进，所述围压缸的周部沿高度设置有若干个钻孔，所述加热棒安装在钻孔中；所述围压缸的周部沿径向设置有径向通孔，所述径向通孔设置有温度传感器。
作为对上述技术方案的改进，所述传压介质为固定颗粒传压介质、或固定粉末传压介质、或是固定颗粒传压介质和固定粉末传压介质以任意比的混合物。
作为对上述技术方案的改进，所述支架高度大于试样与基座阶梯凸台的高度之和，所述传压介质充填高度大于支架高度。
作为对上述技术方案的改进，所述渗流通孔a的进口端设置有进气管(通过螺纹紧密连接)，所述进气管上设置有孔隙压高压泵；所述渗流通孔b的流出端设置有出气管(通过螺纹紧密连接)。
作为对上述技术方案的改进，本发明并提供了上述高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置的实验方法，该实验方法的步骤是：
S1、首先预制一块圆柱体试样，将其分割成尺寸相同的两个半圆柱体岩石和一块岩石薄板；沿径向切割两个半圆柱体岩石，使得岩石薄板高度大于半圆柱体岩石高度；
S2、将两个半圆柱体岩石放置在支架两侧；
S3、将岩石薄板通过固定杆、通孔c和通孔d与轴压头固连；并将固连后的岩石薄板插入支架中央；
S4、通过螺栓、通孔a和通孔b，将围压缸与基座固连；然后将试样、支架和轴压头放置在基座中央；
S5、向围压缸内腔、支架和试样周围放入传压介质，传压介质高度大于支架高度；
S6、将加热棒、温度传感器分别放入围压缸的钻孔和径向通孔中；
S7、向围压缸内腔放入围压头，并通过压力试验机对围压头施加载荷，当达到设定载荷即停止继续加载，并保持设定载荷；
S8、通过加热棒按照设定温度梯度加热，并通过温度传感器监测温度值，当达到设定温度即停止继续加温，并保持设定温度；
S9、将进气管一端与基座渗流通孔a连接，另一端与孔隙压高压泵连接；
S10、将出气管一端与轴压头渗流通孔b连接，另一端与渗流监测系统连接；
S11、同时打开孔隙压高压泵与渗流监测系统；
S12、通过材料实验机对轴压头上部施加循环载荷，使轴压头牵动岩石薄板按照设定移动速度往复运动；
S13、通过渗流检测系统测量的出气管压力、流量等情况，获得高温高压下岩体循环剪切渗流特性。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置，由于采用了上述技术方案，本发明通过简单的装置对岩体进行高温高压下的循环剪切渗流实验，操作简便；由于岩石薄板夹在半圆柱体岩石中间，避免了岩石薄板剪切过程中与传压介质之间的摩擦，同时实现了剪应力和渗流特性的测量；由于采用了固体传压介质，解决了现有实验装置不能实现高温高压密封的问题；本实验装置结构简单，操作容易，成本较低，实验效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为试样的主视图；
图4为试样的左视图；。
图5为试样的俯视图；
图6为支架的主视图；
图7为支架的左视图；
图8为支架的俯视图。
图中：1、基座；2、围压缸；3、轴压头；4、围压头；5、加热棒；6、温度传感器；7、支架；8、固定杆；9、传压介质；10、进气管；11、出气管；12、螺栓；13、孔隙压高压泵；14、试样；1.1、通孔a；1.2、渗流通孔a；2.1、钻孔；2.2、径向通孔；2.3、通孔b；3.1、渗流通孔b；3.2、通孔c；14.1、岩石薄板；14.2、半圆柱体岩石；14.3、半圆柱体岩石；14.4、通孔d。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，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。
如图1至8所示，本发明的高温高压下测量岩体循环剪切渗流实验装置，主要由基座1、围压缸2、轴压头3、围压头4、加热棒5，温度传感器6、支架7、固定杆8、传压介质9、进气管10、出气管11，螺栓12、孔隙压高压泵13和试样14组成。所述基座1设有通孔a1.1和渗流通孔a1.2，所述围压缸2设有放置加热棒5的钻孔2.1、放置温度传感器6的径向通孔2.2和固定用的通孔b2.3，所述轴压头3设有渗流通孔b3.1和固定用的通孔c3.2，所述基座1与围压缸2通过螺栓12紧密连接；所述围压缸2内腔依次放入支架7、试样14、固定杆8，轴压头3，所述传压介质9放置于试样14和支架7周围，所述加热棒5和温度传感器6分别放入围压缸2钻孔2.1和径向通孔2.2内，所述基座1的渗流通孔a1.2与进气管10通过螺纹紧密连接，所述轴压头3内的渗流通孔b3.1与出气管11通过螺纹紧密连接，所述进气管10另一端与孔隙压高压泵13连接。
所述试样14为两块尺寸相同的半圆柱体岩石14.2(14.3)和一块岩石薄板14.1组合而成，组合后的试样14底部为圆柱体，上部为突出的岩石薄板14.1，所述突出的部分岩石薄板14.1设有固定通孔d14.4；通过固定杆8、通孔c和通孔d可将轴压头3与岩石薄板14.4固连。
支架7内径等于试样14直径，支架7高度大于试样14高度与基座1上端圆台高度之和。所述传压介质9为固体颗粒及粉末传压介质，所述传压介质9位于试样14和支架7周围。加热棒5放置于围压缸2的钻孔2.1中，温度传感器6置于围压缸2的径向通孔2.2中。所述支架7两侧可固定两个半圆柱体岩石14.2(14.3)，中部可插入岩石薄板14.4.
使用上述高温高压下测量岩体循环剪切渗流实验装置的实验方法：
首先预制一块圆柱体试样，将其分割成尺寸相同的尺寸相同的两个半圆柱体岩石14.2(14.3)和一块岩石薄板14.1；沿径向切割两个半圆柱体岩石14.2(14.3)，使得岩石薄板14.1高度大于半圆柱体岩石14.2(14.3)高度；将两个半圆柱体岩石14.2(14.3)放置在支架7两侧；将岩石薄板14.1通过固定杆8、通孔c3.2和通孔d14.4与轴压头3固连；并将固连后的岩石薄板14.1插入支架7中央；通过螺栓12、通孔a1.1和通孔b2.3，将围压缸2与基座1固连；然后将试样14和支架7放置在基座1中央；向围压缸2内腔、支架7和试样14周围放入传压介质9，传压介质9高度大于支架7高度；将加热棒5，温度传感器6分别放入围压缸2的钻孔2.1和径向通孔2.2中；向围压缸2内腔放入围压头4，并通过压力试验机对围压头4施加载荷，当达到设定载荷即停止继续加载，并保持设定载荷；通过加热棒5按照设定温度梯度加热，并通过温度传感器6监测温度值，当达到设定温度即停止继续加温，并保持设定温度；将进气管11一端与轴压头3的渗流通孔b3.1连接，另一端与渗流监测系统连接；同时打开孔隙压高压泵13与渗流监测系统；开启材料试验机，并通过材料实验机对轴压头3上部施加循环载荷，使得轴压头3带动岩石薄板14.1按照设定移动速度往复运动；通过渗流检测系统监测的出气管11压力、流量等参数情况，获得高温高压下岩体循环剪切渗流特性。

Claims (9)

1.一种高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置，其特征在于：至少包括中部有空腔的围压缸，设置于围压缸中空内腔且支承试样的支架，设置于支架上的试样，设置于支架、试样外周且位于围压缸内周的传压介质，设置于传压介质上方并向传压介质施加载荷的围压头；
所述试样包括位于传压介质中空内腔两侧的左侧岩石、右侧岩石以及位于左侧岩石、右侧岩石之间可以上下往复运动的中间岩石；所述左侧岩石、右侧岩石设置在支架上时，所述围压头中空内腔设置有牵引中间岩石上下往复运动的轴压头3，封闭围压缸的上端，所述围压缸的底端封闭，形成剪切渗流的实验空间；所述围压缸的底端通入有渗流通孔a，所述渗流通孔a的出口端位于试样的底端；所述轴压头设置有渗流通孔b，该渗流通孔b的流入端位于轴压头下方；所述传压介质的外围设置有加热棒。
2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述支架包括截面为倒U形结构的试样座和截面为H型结构的试样架；所述试样架的中部设置有中间开设有连通槽的隔板，所述隔板将试样架相隔形成底部的用于安装左侧岩石、右侧岩石的安装腔和顶部的高压腔，所述连通槽使安装腔与高压腔相连通，所述左侧岩石、右侧岩石安装在试样架的安装腔内，所述中间岩石安装在左侧岩石、右侧岩石之间且从连通槽伸入到高压腔；所述试样座的顶端为平面，与试样架的底端平面接触，所述试样座的底部向内凹陷有嵌槽，所述试样座的中心设置有与渗流通孔a连通的连通通孔以贯通到试样架的安装腔。
3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于：所述左侧岩石、右侧岩石为半圆柱体岩石，所述中间岩石为岩石薄板，所述岩石薄板高于半圆柱体岩石；所述试样架的安装腔、围压头的中空内腔相适配，所述轴压头的外径与试样架的安装腔、围压头的中空内腔相适配，所述轴压头的底端在中间岩石的外周向下延伸环形的凸壁，所述凸壁形成通孔c，所述渗流通孔b与通孔c连通；所述中间岩石顶部设置有固定通孔d，所述中间岩石、轴压头通过穿过通孔d、通孔c的固定杆相连接。
4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置还包括截面为倒T形结构的基座，所述围压缸的截面同样为倒T形结构；所述基座的中部形成使围压缸、传压介质、支架嵌入的阶梯凸台，所述基座的周部设置有若干个通孔a，所述围压缸的周部相应设置有若干个通孔b使基座、围压缸通过穿过通孔a、通孔b的螺栓固定连接以封闭围压缸、传压介质、支架的底端；所述基座设置有L形的渗流通孔a，该渗流通孔a的出口端位于基座阶梯凸台的顶端并与试样座的连通通孔连通。
5.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述围压缸的周部沿高度设置有若干个钻孔，所述加热棒安装在钻孔中；所述围压缸的周部沿径向设置有径向通孔，所述径向通孔设置有温度传感器。
6.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述传压介质为固定颗粒传压介质、或固定粉末传压介质、或是固定颗粒传压介质和固定粉末传压介质以任意比的混合物。
7.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述支架高度大于试样与基座阶梯凸台的高度之和，所述传压介质充填高度大于支架高度。
8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述渗流通孔a的进口端设置有进气管，所述进气管上设置有孔隙压高压泵；所述渗流通孔b的流出端设置有出气管。
9.一种如权利要求1至8中任一种高温高压下测量岩体循环剪切渗流的实验装置的实验方法，其特征在于：该实验方法的步骤是：
S1、首先预制一块圆柱体试样，将其分割成尺寸相同的两个半圆柱体岩石和一块岩石薄板；沿径向切割两个半圆柱体岩石，使得岩石薄板高度大于半圆柱体岩石高度；
S2、将两个半圆柱体岩石放置在支架两侧；
S3、将岩石薄板通过固定杆、通孔c和通孔d与轴压头固连；并将固连后的岩石薄板插入支架中央；
S4、通过螺栓、通孔a和通孔b，将围压缸与基座固连；然后将试样、支架和轴压头放置在基座中央；
S5、向围压缸内腔、支架和试样周围放入传压介质，传压介质高度大于支架高度；
S6、将加热棒、温度传感器分别放入围压缸的钻孔和径向通孔中；
S7、向围压缸内腔放入围压头，并通过压力试验机对围压头施加载荷，当达到设定载荷即停止继续加载，并保持设定载荷；
S8、通过加热棒按照设定温度梯度加热，并通过温度传感器监测温度值，当达到设定温度即停止继续加温，并保持设定温度；
S9、将进气管一端与基座渗流通孔a连接，另一端与孔隙压高压泵连接；
S10、将出气管一端与轴压头渗流通孔b连接，另一端与渗流监测系统连接；
S11、同时打开孔隙压高压泵与渗流监测系统；
S12、通过材料实验机对轴压头上部施加循环载荷，使轴压头牵动岩石薄板按照设定移动速度往复运动；
S13、通过渗流检测系统测量的出气管压力、流量等情况，获得高温高压下岩体循环剪切渗流特性。
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