CN115219350A - 一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统及试验方法，包括，三轴压剪试验模块和加载控制与采集模块。三轴压剪试验模块采用可拆卸连接的上部缸筒和下部缸筒组成剪切渗流室，通过滑轨装置与剪切油缸推动下部缸筒与上部缸筒发生相对运动，向试样传递独立的剪切压力，利用加载与控制模块提供独立的轴向、环向和剪切压力，利用气压模块提供流体压力，最终克服了多相介质岩体在可施加围压的三轴压剪复合作用下多场耦合渗流测试的技术难题，同时具备瞬态法与稳态法测试条件，实现了从超低渗透率到高渗透率的多相介质岩体的渗流测试，操作简便，测量精度高，数据获取准确。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体为一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统及试验方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
深部地下工程，例如坝基、隧道隧洞开挖、矿山井巷、放射性废物的储存、二氧化碳地质封存、非常规能源油气开采、地热资源开发等设施的施工和运行环境往往处于高地应力、高渗透压力和高温等多场、多相的复杂耦合作用下，所处环境恶劣，工程设施承受的压应力和剪应力同时存在，岩体表面和内部大量裂隙发育，为流体运移提供通道，最终造成工程灾害事故的频繁发生。
为了认识和治理深部岩体工程中所遭遇的工程灾害，可以通过室内实验研究岩石的各种力学特性。深部多相岩体复杂应力状态对结构稳定性的影响普遍存在于各类岩体工程中，因此在室内进行岩石三轴条件下的压剪渗流耦合试验，是实现工程中岩体破裂过程和渗透特性的理论描述，探索岩石压剪渗流的演化规律、内在机理及其影响因素的一种较为有效的方式。
现有技术的试验装置或系统均满足了岩石常规三轴条件下的渗流规律研究和试验的要求，也能反映出深部岩体的应力-渗流耦合特性，但深部岩体在三向应力条件下往往承受压应力和剪应力同时存在，目前已有的装置难以针对多场耦合压剪渗流规律进行试验和测试。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统及试验方法，克服了多相介质岩体在三轴压剪复合作用下的多场耦合渗流试验的技术难题，可在施加围压三轴压剪多场耦合条件下对多相岩石采用瞬态法与稳态法测试渗流特性，实现了从超低渗透率到高渗透率的多相介质岩体的渗流测试。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，包括：
三轴压剪试验模块，包括由上至下布置且轴线重合的轴压油缸、流体自平衡室、剪切渗流室和剪切滑轨装置；
剪切渗流室包括可拆卸连接的上部缸筒和下部缸筒，两者连接后在内部形成试样放置区域；轴压油缸与流体自平衡室内的自平衡活塞杆连接，自平衡活塞杆底部朝向试样放置区域顶部，用于向试样放置区域内提供轴向压力；上部缸筒和下部缸筒的内壁形成环压加载腔室，环压加载腔室通过加载控制与采集模块提供环向压力；上部缸筒顶部连接滑块，下部缸筒连接剪切滑轨装置，滑块与剪切滑轨装置滑动连接，剪切油缸连接在下部缸筒侧部，剪切油缸推动下部缸筒与上部缸筒发生相对运动向试样放置区域传递剪切压力；
加载控制与采集模块，利用加卸载组合泵经管道向三轴压剪试验模块提供轴向压力、环向压力和剪切压力，利用气压模块经管道向三轴压剪试验模块提供流体压力，并获取试样的测试数据。
轴压油缸包括沿缸筒轴线方向运动的轴压活塞杆，流体自平衡室包括沿缸筒轴线方向运动的自平衡活塞杆，轴压活塞杆和自平衡活塞杆通过销钉连接固定；轴压活塞杆底部的凹陷与自平衡活塞杆顶部的凸起相匹配，且轴压活塞杆和自平衡活塞杆的截面面积相同。
自平衡活塞杆内部设有流道，流道将流体自平衡室的缸筒内部、试样放置区域和加载控制与采集模块相连通；自平衡活塞杆底部设有多孔接触面，多孔接触面用于与剪切渗流室内的试件接触。
下部缸筒底部通过底部法兰与底部活塞连接。
剪切滑轨装置包括导轨，导轨与滑块滑动连接，导轨底部通过连接螺栓杆穿过上部缸筒后与下部缸筒连接，上部缸筒容纳连接螺栓杆穿过的区域设有条形孔，下部缸筒被剪切油缸推动沿导轨方向运动时，连接螺栓杆沿条形孔运动。
加载控制与采集模块包括加卸载组合泵和循环注气泵，加卸载组合泵通过管道分别与轴压油缸、剪切油缸和下部缸筒开设的两个环压流体接口连接，循环注气泵通过管道分别连接流体自平衡室和底部活塞。
循环注气泵与气源并联连接共用一组气体管道形成气体加压模块，两者之间的管道上设有控制阀和气体压力传感器，两者出口的管道上均设有控制阀。
气体加压模块的出口管道上设有减压阀，气体加压模块与流体自平衡室连接的管道上分别设有控制阀、真空泵、上游标准室和气体压力传感器，流体自平衡室与试样放置区域相连通；气体加压模块与底部活塞连接的管道上分别设有控制阀、气体压力传感器和下游标准室。还具有温度传感器、位移传感器和采集监测控制台，共同用于实现瞬态法和稳态法渗透率测试条件下系统内压力、变形、流量、温度等参数的实时监测。
本发明的第二个方面提供基于上述系统实现多相岩石三轴压剪渗流测试的试验方法，包括以下步骤：
(1)在试样放置区域内装入试样，将剪切渗流室的上部缸筒、下部缸筒、底部法兰和底部活塞依次连接固定；
(2)气源和循环注气泵启动，注入高压气体，执行密封性检查；
(3)密封性满足要求后，真空泵启动，对剪切渗流室及渗流管路系统内部真空脱气；
(4)加卸载组合泵启动，根据试验要求向试样提供设定的轴向压力和环向压力；气源和循环注气泵启动，根据试验要求利用控制阀使气体经上游标准室注入到剪切渗流室内部的试样表面，气体流过试样进入下游标准室，经过一段时间，上游气压和下游气压达到平衡，在试样两端的上下游气压平衡过程中获取气压数据，得到初始条件下试样渗透率；
(5)加卸载组合泵启动，向剪切油缸提供剪切压力并加载至设定值；气体加压模块启动为上游增加气体脉冲，根据试验要求利用控制阀使上下游气体压力保持平衡，该阶段脉冲衰减渗流测试完成；记录渗流过程中上下游气压变化与渗流时间，得到剪切加载条件下的试样渗透率；
(6)重复步骤(5)，对试样增加气压脉冲直至达到设定压力水平，得到该剪切压力条件下气体渗流规律；
(7)根据试验要求在每个设定的剪切加载压力工况条件下，重复步骤(5)-(6)，得到剪切压力变化对试样的渗流的影响规律。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、剪切渗流室与剪切滑轨装置动态搭载固定形式，通过侧向剪切加载，实现了完整多相介质岩石在施加围压下的三轴剪切渗流试验条件，可准确测量在压剪复合作用及多场耦合复杂应力状态条件下的渗流规律。
2、循环注气泵与气源管路并联，可满足气体增压的前提下同时监测流速与流量数据，具备瞬态法和稳态法两类渗透率测定方法，实现了从超低渗透率到高渗透率的多相介质岩体测试，大大缩短了测定时间，提高了渗透率的测量精度。
3、流体自平衡室与剪切渗流室形成一体式组合密封，将高压气体压力与环向压力密封有机结合统一，极大简化了试样密封操作。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个提供的多相岩石三轴压剪渗流测试系统的结构示意图；
图2是本发明一个或多个提供的三轴剪切渗流室三维组合剖面结构示意图；
图3是本发明一个或多个提供的多相岩石试样受力结构示意图；
图4是本发明一个或多个提供的试验过程中试件的安装过程示意图；
图中：1-1轴压油缸；1-2销钉连接；1-3固定螺栓杆；1-4流体自平衡室；1-5导轨；1-6滑块；1-7连接螺栓杆；1-8多孔接触面；1-9上部缸筒结构；1-10下部缸筒结构；1-11环压加载腔室；1-12一体式环压传递胶套；1-13密封槽；1-14环压流体接口；1-15试样；1-16剪切油缸；1-17底部法兰；1-18底部活塞：2-1高精度压力加卸载组合泵；2-2高精度双缸循环注气泵；2-3采集监测控制台；2-4气源；2-5控制阀；2-6减压阀；2-7真空泵；2-8上游标准室；2-9气体压力传感器；2-10下游标准室：2-11位移传感器；2-12温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，现有技术的试验装置或系统均满足了岩石常规三轴条件下的渗流规律研究和试验的要求，如许江等自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，王登科等研制的煤岩三轴蠕变-渗流-吸附解吸实验装置，尹立明等研制的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统等，这类装置或系统均满足了岩石常规三轴条件下的渗流规律研究的要求，也能够反映出深部岩体的应力-渗流耦合特性，但深部岩体在三向应力条件下往往承受压应力和剪应力同时存在，目前已有的装置难以针对多场耦合压剪渗流规律进行试验和测试。
申请号为201910023638.X的中国专利公开了一种用于岩石直剪-渗流试验装置及方法，该装置可利用三轴试验仪器对制备的预制节理岩石试件进行剪切-渗流试验，模拟岩石在天然状况下发生剪切破坏的情况。但是该装置主要依据对试样进行改造，破坏了原始岩石的天然结构，测定渗流方向与剪切面方向重合，主要测定剪切面上的渗透性质，忽视了岩石内部其他孔裂隙对渗透性的影响，具有一定的偏差性和局限性；该装置也无法满足气体对轴向加载活塞杆的反力平衡，容易造成试验误差；采用粘贴密封装置的方式对连接位置进行密封，流程较为繁琐，且无法测量试样的环向变形，数据采集不够精准。
申请号为201810223211.X的中国专利公开了一种真三轴岩石剪切渗流实验装置，可实现岩石试件在三轴应力状态下剪切破坏和渗流的实时测试，保证了岩石剪切过程中剪切方向的渗流。但该装置流体渗流方向与剪切面方向一致，仅能测定剪切面的渗透特性，同时采用胶套架密封试样较为繁琐，试件更换较为困难，在高压条件下可能存在密封性隐患，造成数据采集不够精准。
申请号为202110274901.X的中国专利公开了一种用于剪切渗流试验的试验装置及试验方法，可采用瞬态法和稳态法两种方法进行水渗透率的测试，可同时测得岩样在加载初期以及加载后期的渗透率。但是该装置只能开展剪切加载条件下的渗流试验，无法满足三轴加载条件下的同时承受压和剪的应力状态要求，且只能测定水的渗透率，密封形式无法满足气体渗透的测定，采用密封条组的密封方式较为繁琐，试验操作较为复杂。
《岩石力学与工程学报》2008年6月第27卷第6期由夏才初、王伟、王筱柔等发表的“岩石节理剪切–渗流耦合试验系统的研制”(第1285～1291页)一文中公开了自行研制的岩石节理剪切–渗流耦合试验系统，可研究节理在稳态和瞬态渗透水压下应力-渗流耦合特性。但是该装置只能进行法向力和切向力的加载，无法模拟三轴应力条件下的压剪渗流特性，所设计的渗流剪切盒只能有效隔离高压渗透水，但不能保证气体的密封，无法进行气体渗流试验。
《岩石力学与工程学报》2015年5月第34卷增1由许江、刘义鑫、尹光志等发表的“煤岩剪切–渗流耦合试验装置研制”(第2987～2995页)一文中公开了煤岩剪切–渗流耦合试验装置，可研究煤岩体在压剪应力和水头压力共同作用下的剪切破坏机制和剪切渗流耦合特性。但是该装置只能施加法向荷载和剪切荷载两种加载形式，无法模拟三轴应力条件下的压剪渗流特性，且试样密封方式复杂，不便于试验。
《矿业安全与环保》2018年4月第45卷第2期由王鹏飞、王刚、李文鑫等发表的“真三轴剪切渗流试验系统的研制及应用”(第40～43页)一文中公开了真三轴剪切渗流试验系统，可开展真三轴三向不等应力条件下的剪切破坏渗流试验，该装置通过在轴向底部放置钢板和丁腈橡胶，在加载时产生高度差，以此使煤体发生剪切破坏。由于该装置渗流方向与剪切方向一致，无法对完整岩石内部的渗流特性进行测定，且无法测量环向变形，试样装卸及密封方式较为复杂，不便于试验。
上述现有技术给出的装置或系统多为岩石节理面的渗流测试，渗流方向多与剪切面方向一致，而对于完整的多孔多相介质岩石在压剪作用条件下的渗流特性还无法准确测量。
其次，由于多相岩石试件在围压和压剪同时作用下难以解决密封问题，目前仪器还无法实现多相介质岩体压剪复合作用下的多场耦合复杂应力状态，仅能开展多相介质岩石的单轴压剪试验和三轴渗流试验，施加围压下的三轴压剪渗流实验还无法实现。
此外，目前试验仪器渗透率测定方法单一，只能开展瞬态法或稳态法渗透率试验，无法实现从超低渗透率到高渗透率的多相介质岩体测试。测定时间较长，容易产生较大的测量误差。
因此以下实施例给出一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统及试验方法，克服了多相介质岩体在三轴压剪复合作用下的多场耦合渗流试验的技术难题，可在施加围压三轴压剪多场耦合条件下对多相岩石采用瞬态法与稳态法测试渗流特性，实现了从超低渗透率到高渗透率的多相介质岩体的渗流测试。
实施例一：
如图1-图4所示，一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，包括：
三轴压剪试验模块，包括由上至下布置且轴线重合的轴压油缸、流体自平衡室、剪切渗流室和剪切滑轨装置；
剪切渗流室包括可拆卸连接的上部缸筒和下部缸筒，两者连接后形成试样放置区域；轴压油缸与流体自平衡室内的自平衡活塞杆连接，自平衡活塞杆底部朝向试样放置区域顶部，用于向试样放置区域内提供轴向压力；上部缸筒和下部缸筒的内壁形成环压加载腔室，环压加载腔室通过加载控制与采集模块提供环向压力；上部缸筒顶部连接滑块，下部缸筒连接剪切滑轨装置，滑块与剪切滑轨装置滑动连接，剪切油缸连接在下部缸筒侧部，剪切油缸推动下部缸筒与上部缸筒发生相对滑动向试样放置区域传递剪切压力；下部缸筒与底部法兰和底部活塞连接；
加载控制与采集模块，利用加卸载组合泵经管道向三轴压剪试验模块提供轴向压力、环向压力和剪切压力，利用气压模块经管道向三轴压剪试验模块提供流体压力，并获取试样的测试数据。
具体的：
如图1-3所示，三轴压剪试验模块为系统核心部分，用于提供岩石试样三轴加载的密闭空间、剪切加载试验空间和渗流试验空间；加载控制与采集模块用于提供系统轴向压力、环向压力、剪切压力、流体压力的加载和渗流系统内压力、变形、流量、温度等参数的实时监测。
三轴压剪试验模块包括自上而下设置的轴压油缸1-1、流体自平衡室1-4、剪切渗流室、剪切滑轨装置和剪切油缸1-16。
轴压油缸1-1包括缸盖，缸筒和轴压活塞杆，活塞杆底部采用上凹式结构，加压时通过注入高压流体推动活塞杆实现轴向压力的加载。
流体自平衡室1-4包括缸盖，缸筒和自平衡活塞杆，活塞杆顶部设计为上凸式结构，活塞杆上表面面积与活塞杆底部面积相同，作用在活塞上表面的力与作用在活塞杆底部的力大小相等，方向相反，实现轴向流体压力自平衡。
本实施例中，自平衡活塞杆内部设有流道，流道将加载控制与采集模块、试样放置区域和缸筒内部相连通。活塞杆底部设有多孔接触面1-8，多孔接触面1-8用于与剪切渗流室内的试件1-15接触。
本实施例中，轴压油缸1-1的缸筒与流体自平衡室1-4的缸盖均采用外伸式结构设计，两者通过紧固件连接固定，本实施例中通过固定螺栓杆1-3固定连接；轴压活塞杆底部设计为凹形结构形式，两侧开孔，自平衡活塞杆顶部设计为凸型结构形式，两侧开孔，两者通过销钉连接1-2固定。
剪切油缸1-16包括缸盖，缸筒和剪切活塞杆，加压时通过注入高压流体推动活塞杆实现剪切压力的加载。本实施例中，剪切油缸筒1-16侧向搭载于剪切渗流室上部缸筒结构1-9，剪切活塞杆位于剪切渗流室下部缸筒结构1-10的同侧中部，实现剪切渗流室上、下部缸筒结构的相对剪切滑动。
剪切渗流室从中部打断，包括上部缸筒结构1-9、下部缸筒结构1-10、底部法兰1-17和底部活塞1-18，用于试样的三轴加载和剪切加载；上部缸筒结构1-9底部与下部缸筒结构1-10顶部分别开设密封槽实现动态面密封，两者共同围成环压加载腔室1-11，环压加载腔室1-11内部为试样1-15放置区域，设计为上下错动式结构，用于辅助剪切加载，保证剪切压力快速加载到试样表面；剪切渗流室下部缸筒结构1-10开设两个环压流体接口1-14，用于环向压力的加卸载；底部活塞1-18从底部法兰1-17穿过，与下部缸筒结构1-10共同保持静态密封，三者通过螺栓固定连接。
本实施例中，上部缸筒结构1-9顶部和下部缸筒结构1-10底部设置环形槽，用于安装固定一体式环压传递胶套1-12于环压加载腔室1-11内部，保证试样内部高压气体与环压加载腔室1-11高压流体隔绝，使环向压力传递到试样1-15表面；底部活塞1-18内部开设流体流出管道，与环压加载腔室1-11连通。
剪切滑轨装置包括滑块1-6、导轨1-5和连接螺栓杆1-7，用于辅助下部缸筒结构的剪切加载滑动。滑块1-6通过螺栓固定于剪切渗流室上部缸筒结构1-9顶部；导轨1-5搭载于滑块1-6上，导轨1-5、剪切渗流室的上部缸筒结构1-9和下部缸筒结构1-10设置螺栓孔，三者通过连接螺栓杆1-7固定，剪切渗流室上部缸筒结构1-9在相同位置开设条形孔，为剪切滑动提供位移余量，保证剪切加载过程中上部缸筒结构1-9固定，下部缸筒结构1-10在剪切压力作用下通过连接螺栓杆1-7带动滑轨实现剪切方向的滑动。
如图1-3所示，加载控制与采集模块包括加卸载组合泵和循环注气泵，本实施例中分别为高精度压力加卸载组合泵2-1和高精度双缸循环注气泵2-2，加卸载组合泵通过管道分别与轴压油缸1-1、剪切油缸1-16和下部缸筒结构1-10开设的两个环压流体接口1-14连接，循环注气泵通过管道分别连接流体自平衡室1-4和底部活塞1-18。
循环注气泵与气源2-4并联连接共用一组气体管道形成气体加压模块，两者之间的管道上设有控制阀2-5和气体压力传感器2-9，两者出口的管道上均设有控制阀2-5。
气体加压模块的出口管道上设有减压阀2-6；气体加压模块与流体自平衡室1-4连接的管道上分别设有控制阀2-5、真空泵2-7、上游标准室2-8和气体压力传感器2-9，流体自平衡室1-4与试样放置区域相连通；气体加压模块与底部活塞1-18连接的管道上分别设有控制阀2-5、气体压力传感器2-9和下游标准室2-10。
其中，气源2-4为试验用提供各种高压气体；控制阀2-5和减压阀2-6用于逐段控制管路气压；真空泵2-7用于渗流管路系统和试样放置区域抽真空；使用高精度双缸循环注气泵2-2配合上游标准室2-8、下游标准室2-10及控制阀门实现瞬态法与稳态法测定渗透率的试验条件。采集监测控制台2-3与各类型传感器同时工作，实现试验系统气体压力、轴向位移、环向变形、温度等数据的实时动态监测与控制。
还具有温度传感器2-12用于获取试验现场的环境温度，采集监测控制台2-3与各传感器、阀门、加卸载组合泵和气体加压模块连接用于获取各部件采集的信息以及向各部件发出控制指令。
上述结构中，试样放置区域位于剪切渗流室内，由上下布置的两个环压加载腔室组合而成，位于上部的环压加载腔室固定，下部的环压加载腔室被剪切油缸推动，与上部的环压加载腔室发生相对滑动实现试件的剪切。
系统设有剪切渗流室与剪切滑轨装置动态搭载固定形式，通过侧向剪切加载，实现了完整多相介质岩石在施加围压下的三轴剪切渗流试验条件，可准确测量在压剪复合作用及多场耦合复杂应力状态条件下的渗流规律。
系统将高精度循环注气泵与气源管路并联，可满足气体增压的前提下同时监测流速与流量数据，具备瞬态法和稳态法两类渗透率测定方法，实现了从超低渗透率到高渗透率的多相介质岩体测试，大大缩短了测定时间，提高了渗透率的测量精度。
系统设有流体自平衡室与剪切渗流室的一体式组合密封结构，实现了一体式的试样密封条件，将高压气体压力与环向压力密封有机结合统一，极大简化了试样密封操作。
实施例二：
基于实施例一给出的多相岩石三轴压剪渗流测试系统进行试验的方法，以开展三轴可施加围压的压剪应力条件下不同流体煤岩渗透率的测定为例，如图1-4所示，包括以下步骤：
(1)将多相岩石三轴压剪渗流测试仪器组装完毕，完成各模块之间的连接；
(2)安装一体式环压传递胶套1-12，放入试样，将剪切渗流室上部缸筒结构1-9、下部缸筒结构1-10、底部法兰1-17和底部活塞1-18依次连接固定；
(3)打开气源2-4和高精度双缸循环注气泵2-2，注入高压气体，调节管路中控制阀门2-5，使用检漏液进行密封性检查；
(4)气密性满足要求后，调节管路控制阀，打开真空泵2-7，对剪切渗流室及渗流管路系统内部进行真空脱气；
(5)启动高精度压力加卸载组合泵2-1，向系统提供轴压和围压，并将压力稳定在某一定值；打开气源2-4，启动高精度双缸循环注气泵2-2，打开减压阀2-6，调节控制阀，气体经上游标准室2-8注入到剪切渗流室内部岩石样品表面，经过一段时间后，气体穿过试样从出气孔道流入下游标准室2-10，试验过程中保证气体压力小于环压压力；
(6)稳定一段时间，上游气压逐渐减小，下游气压逐渐增大，并最终达到平衡，在试样两端的上下游气压稳定过程中，采集气压数据，记录渗流时间，计算初始条件下试样渗透率；
(7)启动高精度压力加卸载组合泵2-1，设定加载速率后向系统提供剪切压力并加载至设定值，为上游增加气体脉冲，调节控制阀，此时，上游气压逐渐减小，下游气压逐渐升高，待上下游气体压力最终保持平衡时，该阶段脉冲衰减渗流测试完成。计算剪切加载条件下的试样渗透率；
(8)重复步骤(7)，对试样增加气压脉冲直至达到预定压力水平，最终得到该剪切压力条件下气体渗流规律。
(9)对每个剪切加载压力工况条件下，重复步骤(7)-(8)，最终得到剪切压力变化对试样的渗流的影响规律。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：包括：
三轴压剪试验模块，包括由上至下布置且轴线重合的轴压油缸、流体自平衡室、剪切渗流室和剪切滑轨装置；
剪切渗流室包括可拆卸连接的上部缸筒和下部缸筒，两者连接后在内部形成试样放置区域；轴压油缸与流体自平衡室内的自平衡活塞杆连接，自平衡活塞杆底部朝向试样放置区域顶部，用于向试样放置区域内提供轴向压力；上部缸筒和下部缸筒的内壁形成环压加载腔室，环压加载腔室通过加载控制与采集模块提供环向压力；上部缸筒顶部连接滑块，下部缸筒连接剪切滑轨装置，滑块与剪切滑轨装置滑动连接，剪切油缸连接在下部缸筒侧部，剪切油缸推动下部缸筒与上部缸筒发生相对运动向试样放置区域传递剪切压力；
加载控制与采集模块，利用加卸载组合泵向三轴压剪试验模块提供轴向压力、环向压力和剪切压力，利用气压模块向三轴压剪试验模块提供流体压力，并获取试样的测试数据。
2.如权利要求1所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述轴压油缸包括沿缸筒轴线方向运动的轴压活塞杆，流体自平衡室包括沿缸筒轴线方向运动的自平衡活塞杆，轴压活塞杆和自平衡活塞杆通过销钉连接固定。
3.如权利要求2所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述轴压活塞杆底部的凹陷与自平衡活塞杆顶部的凸起相匹配，且轴压活塞杆和自平衡活塞杆的截面面积相同。
4.如权利要求1所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述自平衡活塞杆内部设有流道，流道将流体自平衡室的缸筒内部、试样放置区域和加载控制与采集模块相连通。
5.如权利要求4所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述自平衡活塞杆底部设有多孔接触面，多孔接触面用于与剪切渗流室内的试件接触。
6.如权利要求1所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述剪切滑轨装置包括导轨，导轨与滑块滑动连接，导轨底部通过连接螺栓杆穿过上部缸筒后与下部缸筒连接，上部缸筒容纳连接螺栓杆穿过的区域设有条形孔，下部缸筒被剪切油缸推动沿导轨方向运动时，连接螺栓杆沿条形孔同步运动。
7.如权利要求1所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述加载控制与采集模块包括加卸载组合泵和循环注气泵，加卸载组合泵通过管道分别与轴压油缸、剪切油缸和下部缸筒开设的两个环压流体接口连接，循环注气泵通过管道分别连接流体自平衡室和底部活塞。
8.如权利要求7所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述循环注气泵与气源并联连接共用一组气体管道形成气体加压模块。
9.如权利要求8所述的一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统，其特征在于：所述气体加压模块与三轴压剪试验模块之间的管道上设有减压阀、控制阀、真空泵、上游标准室、下游标准室、压力传感器、位移传感器和温度传感器，用于提供瞬态法和稳态法渗透率测试条件下的试样监测。
10.基于权利要求1-9任一项所述系统实现多相岩石三轴压剪渗流测试的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在试样放置区域内装入试样，将剪切渗流室的上部缸筒、下部缸筒、底部法兰和底部活塞依次连接固定；
(2)气源和循环注气泵启动，注入高压气体，执行密封性检查；
(3)密封性满足要求后，真空泵启动，对剪切渗流室及渗流管路系统内部真空脱气；
(4)加卸载组合泵启动，根据试验要求向试样提供设定的轴向压力和环向压力；气源和循环注气泵启动，根据试验要求利用控制阀使气体经上游标准室注入到剪切渗流室内部的试样表面，其压力值小于环向压力，气体流过试样进入下游标准室，当上游气压和下游气压达到平衡，在试样两端的上下游气压平衡过程中获取气压数据，得到初始条件下试样渗透率；
(5)加卸载组合泵启动，向剪切油缸提供剪切压力并加载至设定值；气体加压模块启动为上游增加气体脉冲，根据试验要求利用控制阀使上下游气体压力保持平衡，该阶段脉冲衰减渗流测试完成；记录渗流过程中上下游气压变化与渗流时间，得到剪切加载条件下该阶段脉冲的试样渗透率；
(6)重复步骤(5)，对试样增加气压脉冲直至达到设定压力水平，得到该剪切压力条件下气体渗流规律；
(7)根据试验要求在每个设定的剪切加载压力工况条件下，重复步骤(5)-(6)，得到剪切压力变化对试样的渗流的影响规律。
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|---|---|---|---|
| CN202210757678.9A CN115219350A (zh) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 一种多相岩石三轴压剪渗流测试系统及试验方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116718489A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-09-08 | 四川大学 | 深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法 |
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2022
- 2022-06-30 CN CN202210757678.9A patent/CN115219350A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116718489A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-09-08 | 四川大学 | 深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法 |
| CN116718489B (zh) * | 2023-08-10 | 2023-10-24 | 四川大学 | 深地多场与复杂应力耦合剪切试验系统及方法 |
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