一种高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试系统

摘要

本发明公开了一种高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试系统，该系统包括高地应力与高渗透压条件下的岩石破坏模式试验测试装置与测试技术，测试装置包括实验试样安装系统、高地应力施加系统、高渗透压施加系统、实验控制系统、测量与数据采集系统等主要设备的有机组合，可测试高地应力与高渗透压条件下的岩石破坏方式以及岩石破坏演变规律。

说明书

技术领域

本发明属于岩石破坏实验设备领域，尤其涉及一种高地应力与高渗透 压下岩石破坏模式测试系统。

背景技术

岩石破坏模式是指岩石在一定条件下的破坏方式以及岩石破坏演变规 律，常规设备不能满足高地应力与高渗透压条件下的岩石破坏测试要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种高地应力与高渗透压下岩石破坏模 式测试系统，旨在解决常规设备不能满足高地应力与高渗透压条件下的岩 石破坏测试要求的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种高地应力与高渗透压下岩石破坏模 式测试系统包括高地应力与高渗透压条件下的液压控制系统、压力室体及 承力框架系统、体变测试系统、油水转换系统及动力系统、计算机控制系 统。

进一步，压力室体及承力框架系统由承力框架、压力缸、围压室体构 成，压力缸上部有渗透出水管、围压室体注水时的排气孔，判断围压室体 围压水注满与否标志，压力缸下部有围压注水与排水管道、渗透进水管道， 试样安装系统包括钢制顶头，上部有两条凹槽，用于放置密封圈，顶头中 部有过水通道，用于渗透水流出，顶头下部有凹槽，用于放置密封圈，防 止渗透水沿岩样周围流出，岩样两端依次放土工布、透水钢板；透水钢板 上面均匀设置微细透水孔，渗透水压均匀分布到岩样端面；岩样外面由热 缩管包裹，传力柱系统，上端有凹槽放置密封圈，传力柱系统顶部有环状 水槽，传力柱系统下面是移动小车，可载压力室体移动，通过千斤顶将压 力室体和小车一起顶到适当位置。

进一步，在压力室体上部与承力框架柱之间，安装有轴压传感器，将 岩样所受轴向载荷准确反应出来，在压力室体和承力框架柱之间，装有轴 向位移光栅，在进行加卸载时，实现位移控制或为破坏试验提供轴向位移。

进一步，体变测试系统由体变数显表、体变测量仪及体变测试器构成； 体变测试器包括磁致线性位移伸缩传感器、带有渗透进水阀门和出水阀门 的圆柱体桶；传感器包括电子仓、钢制测杆、非连接磁性环，测杆含波导 丝。

进一步，油水转换系统及动力系统包括三个密封钢制罐体和液压油缸、 电动机及高压柱塞泵，三个密封的钢制罐体分别为渗透水储能器、围压水 储能器、储能器；渗透水储能器包括100L储水胶囊、渗透水进出口和液压 油进出口；围压水储能器包括25L储水胶囊、围压水进出口和液压油进出 口；储能器包括预装5MPa氮气密封胶囊和密封胶囊注气阀门，每个储能器 中胶囊与罐体之间都充满液压油。

进一步，计算机控制系统包括工控机、显示器、键盘以及鼠标；进行 试验控制与数据采集，由轴向位移光栅、轴向压力传感器及体变测量仪采 集数据，由计算机系统进行储存与处理，能对围压、渗透压、轴向荷载、 轴向压力、体变多种数据实时显示及保存；对围压通过等速加载、卸载与 保持进行控制，轴向上选择应力或位移控制，分别为等速加载、卸载与保 持，渗透压进行保持。计算机系统控制灵活，根据不同试验目的进行程序 设置。

进一步，该高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试系统的测试方法 如下：

先查密封圈是否破损，清除传力柱卡槽杂物，擦干后套上密封圈；透 水钢板与试样两端面接触，间垫土工布，用热缩套管使围压液体与试样分 离，将移动小车定位，打开控制柜旁提升系统两个阀门，打开控制柜轴压 手动加压阀并按下控制柜轴压油缸顶出按钮，压力室体缓慢下降，当与底 座即将接触时，将阀门调小，降低下降速度，当压力室体下降，底部外侧 油印完全被螺帽遮盖时，室体底部对接成功；

顶起压力缸方法：先关闭控制柜旁两个阀门，并使另两个阀门打开， 然后按下控制柜轴压油缸顶出按钮，打开轴压手动加压阀门，当传力柱与 顶部压力传感器即将接触时，调小加压旋转阀门，使移动小车缓慢上升， 当轴向荷重数据采集表显示10-20KN时，关闭轴压油缸顶出按钮，关闭轴 压手动加压阀门，将轴向位移清零；

围压储能器胶囊注水方法：先关闭围压放水阀门，打开压力缸上部排 气孔，确认控制柜围压输出按钮呈关闭状态，然后打开压力室注水龙头， 打开自来水阀门，通过围压注水管道进行围压室体注水至排水孔出水，压 力室注满，关闭排水孔；打开控制柜围压手动卸压阀，将罐体里油压卸掉， 通过自来水压将水注进围压储能器胶囊；然后，打开油水转换系统围压输 出阀门，等半个小时；

渗透储能器胶囊注水方法：在围压储能器胶囊注水同时，进行渗透储 能器胶囊注水，打开渗透油水转换注水阀门，用自来水压注水1个小时， 然后注水阀门关闭；

加载前准备：关闭压力室注水阀门及控制柜围压手动加压阀门，将排 水孔打开，使围压降为0，然后，将控制柜转换开关置于3处，用计算机控 制加压方式，打开控制柜围压输出和轴压油缸顶出按钮。

进一步，该高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试系统的试验控制 与测试方法：打开计算机控制程序，未运行加载程序，打开控制台紧急停 车按钮，将电动机通电，将位移传感器清零，然后，设置程序加载命令， 将围压设置成等速加载，进行加载设置，轴向控制设置成位移保持0mm， 渗透压设置手动，围压加载到预定值，将围压设置成保持状态，围压通过 计算机控制；然后，打开渗透油水转换出水阀门，通过渗透出水管道，通 过伺服控制系统渗透压加载，若岩样渗出水，则渗透水通过管道，打开体 变测量仪进水阀门，进行测量，渗透出水稳定时，进行轴向压力加载至试 样破坏全过程完成为止。

本发明提供高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试系统，可以进行 高达30MPa地应力和渗透压条件下的实验测试，可控制与测试高地应力与 高渗透压条件下的岩石破坏试验全过程，进行自动数据采集，经过数据处 理可得高地应力与高渗透压条件下的破坏全过程曲线、破坏模式及破坏裂 缝扩展规律。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试 系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的高地应力与高渗透压条件下的试样安装系 统结构图；

图中：1、承力框架；2、轴压传感器；3、压力缸；4、围压室体；5、 围压放水阀门；6、传力柱系统；7、轴向位移光栅；8、围压注水与排水管 道；9、千斤顶；10、体变数显表；11、电子仓；12、体变测试仪；13、体 变测试器；14、非接触磁环；15、渗透进水阀门；16、渗透排水阀门；17、 渗透水储能器储水胶囊；18、渗透出水阀门；19、渗透油水转换注水阀门； 20、围压输出阀门；21、渗透水储能器；22、围压手动卸压阀；23、密封 圈；24、自来水阀门；25、压力室体及承力框架系统；26、围压水储能器； 27、密封胶囊注气阀门；28、体变测试系统；29、储能器；30、预充氮气 的密封胶囊；31、液压油缸；32、电动机及高压柱塞泵；33、单向阀；34、 围压水储能器储水胶囊；35、钢制测杆；36、油水转换系统及动力系统； 37、排气孔；38、回油管道；39、围压注水管道；40、渗透出水管；41、 渗透进水管道；42、渗透水储能器液压油进出口；43、围压水储能器液压 油进出口；44、围压水进出口；45、渗透水进出口；46、钢制顶头；47、 顶头过水通道；48、透水钢板；49、土工布；50、岩样；51、热缩管；

图3是本发明实施例提供的岩石破坏全过程曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的破坏模式及破坏裂缝扩展示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施 例，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。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1和图2所示，本发明实施例的高地应力与高渗透压下岩石破坏 模式测试系统主要由承力框架1、轴压传感器2、压力缸3、围压室体4、 围压放水阀门5、传力柱系统6、轴向位移光栅7、围压注水与排水管道8、 千斤顶9、体变数显表10、电子仓11、体变测试仪12、体变测试器13、非 接触磁环14、渗透进水阀门15、渗透排水阀门16、渗透水储能器储水胶囊 17、渗透出水阀门18、渗透油水转换注水阀门19、围压输出阀门20、渗透 水储能器21、围压手动卸压阀22、密封圈23、自来水阀门24、压力室体 及承力框架系统25、围压水储能器26、密封胶囊注气阀门27、体变测试系 统28、储能器29、预充氮气的密封胶囊30、液压油缸31、电动机及高压 柱塞泵32、单向阀33、围压水储能器储水胶囊34、钢制测杆35、油水转 换系统及动力系统36、排气孔37、回油管道38、围压注水管道39、渗透 出水管40、渗透进水管道41、渗透水储能器液压油进出口42、围压水储能 器液压油进出口43、围压水进出口44、渗透水进出口45、钢制顶头46、 顶头过水通道47、透水钢板48、土工布49、岩样50、热缩管51；

位于承力框架上部装置是液压提升系统，中部装置是压力室体，下部 装置是液压千斤顶；液压提升系统负责试件安装时提升压力室体；压力室 体包括压力室的腔体，有渗透出口的压力室顶部的上部传力柱，有渗透进 口和围压水进出口的压力底座，以及含有渗透通道的下部传力柱；作为试 件的加压场所包括：由压力室腔体施加的围压，由液压千斤顶通过传力柱 系统所提供的轴压，以及由传力柱中渗透通道提供的渗透压；液压千斤顶 提供轴向压力，通过置于上部的移动小车，将轴压传递给固定在上面压力 室体；移动小车负责运送压力室体以方便压力室体提升及试件安装；液压 千斤顶，围压水进口、渗透进口与油水转换及动力系统相连接；

渗透压出口与体变测试系统相连接；体变测试系统、轴向压力传感器、 液压控制系统与计算机控制系统相连接；

在油水转换系统与动力系统中，有油箱，与油箱相连接的油泵，油泵 与储能器通过单向阀连接，储能器通过液压控制系统向液压千斤顶供液压 油，围压水储能器、渗透储能器通过液压控制系统与储能器相连接，同时 围压水储能器、渗透储能器也分别与压力室体围压进水口和渗透压进水口 相连接。

在液压控制系统中，有第一、第二、第三静态伺服阀门和与其相连接 的相应的第一、第二、第三电磁换向阀。第一静态伺服阀门和电磁换向阀 门控制的液压千斤顶，即控制轴向压力，第二静态伺服阀门和电磁换向阀 门控制围压，第三静态伺服阀门和电磁换向阀门控制渗透压。

在体变测试系统中，有与体变测量仪相连接的体变测试传感器。体变 测试传感器与渗透出水口连接。

计算机控制系统通过电缆线将体变测量仪、轴向压力传感器、轴向位 移传感器的数据进行采集并保存，通过与液压控制系统的连接来达到对围 压、轴压加载、卸载的控制。

如图1所示，所发明的一种高地应力与高渗透压下岩石破坏模式测试 系统主要包括高地应力与高渗透压条件下的液压控制系统、压力室体及承 力框架系统、体变测试系统、油水转换系统及动力系统、计算机控制系统 等测试控制系统和高地应力与高渗透压条件下的测试技术方法，各子系统 有机组合，其结构与组成如下：

压力室体及承力框架系统由承力框架1、压力缸3、围压室体4构成， 压力缸上部有渗透出水管40、围压室体注水时的排气孔37，排气孔可作判 断围压室体围压水注满与否标志。压力缸下部有围压注水与排水管道8、渗 透进水管道41，试样安装系统(见图2)包括钢制顶头47：上部有两条凹 槽，用于放置密封圈23，避免渗透试验围压水流出，顶头中部有过水通道 46，用于渗透水流出，顶头下部有凹槽，用于放置密封圈23，防止渗透水 沿岩样周围流出，岩样两端依次放土工布49、透水钢板48。透水钢板上面 均匀设置细小透水孔，渗透水压均匀分布到岩样端面。图2中50代表岩样， 岩样外面由热缩管51包裹，将岩样与围压水隔开，同时与上下两密封圈作 用，起密封效果。传力柱系统6，上端有凹槽放置密封圈23，渗透试验时 避免围压水进入渗透水，传力柱顶部有环状水槽，保证渗透在整个岩样端 面。传力柱系统下面是移动小车，可载压力室体移动，在进行试验装样时， 将小车推出，通过提升系统将压力缸提起安装试样，然后通过小车将压力 室体推进到承力框内，准备试验。通过千斤顶9将压力室体和小车一起顶 到适当位置。同时，千斤顶通过传力柱系统对岩样施加轴压。

在压力室体上部与承力框架柱之间，安装有轴压传感器2，将岩样所受 轴向载荷准确反应出来。在压力室体和承力框架左柱之间，装有轴向位移 光栅7，在进行加卸载时，可实现位移控制，也为破坏试验提供轴向位移。

体变测试系统由体变数显表10、体变测量仪12及体变测试器13构成。 体变测试器包括磁致线性位移伸缩传感器11、带有渗透进水阀门15和出水 阀门16的圆柱体桶。传感器包括电子仓11、钢制测杆35、非连接磁性环 14，测杆含波导丝。其精度高，可重复，无需重新归零设置。传感器工作 时电子仓内电子电路产生起始脉冲，沿磁致伸缩线(波导丝)以恒速传输， 同时产生沿波导丝随脉冲前进的旋转磁场，当该磁场与磁环中永久磁场相 遇时，两磁场叠加发生磁致伸缩效应，使波导丝扭动，被安装在电子仓内 信号处理机构感知并转换成相应终止脉冲，通过计算起始脉冲与相应终止 脉冲之间时间差，精确测出该位置。本系统可设置不同量程圆柱体桶，例 如100ml、250ml、1000ml、2000ml、20000ml。试验前预先将圆柱体横截 面面积输入计算机系统，试验时渗透出水通过阀门15进入圆柱体桶，位移 发生变化，变化量即渗透水上升高度，乘以预先输入计算机系统的面积， 得渗透出液体体积。

油水转换系统及动力系统包括三个密封钢制罐体和液压油缸31、电动 机及高压柱塞泵32，其中三个密封的钢制罐体分别为渗透水储能器21、围 压水储能器26、储能器29。渗透水储能器包括100L储水胶囊17、渗透水 进出口45和液压油进出口42。围压水储能器包括25L储水胶囊34、围压 水进出口44和液压油进出口43。储能器包括预装5MPa氮气密封胶囊30 和密封胶囊注气阀门27，每个储能器中胶囊与罐体之间都充满液压油。试 验开始时将油源压力表上两根指针设置成一个区间，包括相对低压指针和 高压指针。当前压力指针低于相对低压指针即压力低于所设置最低压力时， 则电动机带动高压柱塞泵加压，直到达到所设定最大压力即相对高压指针 处，电动机停止。所施加油压通过单向阀33保证液压油不会回流，为保险 起见，串联了两个单向阀。液压油压进储能器中，储能器中有预先装5MPa 氮气胶囊，加压时胶囊被压缩，试验供压时总油压会降低，胶囊使压力缓 慢下降，避免电机启动过于频繁。储能器中水压通过油压和气压共同控制。 当压力低于预定值时，控制系统发出指令，使储能器供油压；当压力高于 预定值时，油液经过回油管道38进入液压油缸。

计算机控制系统主要包括工控机、显示器、键盘以及鼠标等。按程序 进行试验控制与数据采集。由轴向位移光栅、轴向压力传感器及体变测量 仪采集数据，由计算机系统进行储存与处理，能对围压、渗透压、轴向荷 载、轴向压力、体变等多种数据实时显示及保存。对围压通过等速加载、 卸载与保持进行控制，轴向上可选择应力或位移控制，分别为等速加载、 卸载与保持，渗透压进行保持。计算机系统控制灵活，可据不同试验目的 进行程序设置。

本测试系统主要的测试技术与方法如下：

试样安装技术与方法：先查密封圈是否破损，清除传力柱卡槽杂物， 擦干后套上密封圈；透水钢板与试样两端面接触，其间垫土工布，防止试 样破坏后碎屑物质进管路，用热缩套管使围压液体与试样分离。将移动小 车定位，打开控制柜旁提升系统两个阀门，打开控制柜轴压手动加压阀并 按下控制柜轴压油缸顶出按钮，压力室体缓慢下降，当与底座即将接触时， 将阀门调小降低下降速度。当压力室体下降使底部外侧油印完全被螺帽遮 盖时，室体底部对接成功。

顶起压力缸技术与方法：先关闭控制柜旁两个阀门，并使另两个阀门 打开，然后按下控制柜轴压油缸顶出按钮，打开轴压手动加压阀门。当传 力柱与顶部压力传感器即将接触时，调小加压旋转阀门，使移动小车缓慢 上升，至轴向荷重数据采集表显示10-20KN时，关闭轴压油缸顶出按钮， 关闭轴压手动加压阀门，将轴向位移清零。

围压储能器胶囊注水技术与方法：先关闭围压放水阀门5，打开压力 缸上部排气孔37，确认控制柜围压输出按钮呈关闭状态，然后打开压力室 注水龙头，打开自来水阀门24，通过围压注水管道39进行围压室体注水至 排水孔出水，表明压力室已注满，关闭排水孔。打开控制柜围压手动卸压 阀22，将罐体里油压卸掉，便于通过自来水压将水注进围压储能器胶囊。 然后，打开油水转换系统围压输出阀门20，等约半个小时。

渗透储能器胶囊注水技术与方法：在围压储能器胶囊注水同时，进行 渗透储能器胶囊注水。打开渗透油水转换注水阀门19，用自来水压注水约 1个小时，然后注水阀门关闭。

加载前准备技术与方法：关闭压力室注水阀门及控制柜围压手动加压 阀门。将排水孔打开，使围压降为0。然后，将控制柜转换开关置于3处， 用计算机控制加压方式，打开控制柜围压输出和轴压油缸顶出按钮。

高地应力与高渗透压条件下的试验控制与测试技术及方法：打开计算 机控制程序，未运行加载程序。打开控制台紧急停车按钮，将电动机通电， 将位移传感器清零。然后，设置程序加载命令，将围压设置成等速加载， 根据试验方案需要进行加载设置，轴向控制设置成位移保持0mm，渗透压 设置手动，围压加载到预定值时将围压设置成保持状态，围压通过计算机 控制。然后，打开渗透油水转换出水阀门18，通过渗透出水管道41，通过 伺服控制系统对渗透压进行加载。若岩样渗出水，则渗透水通过管道40， 打开体变测量仪进水阀门15，进行测量，等渗透出水稳定时，进行轴向压 力加载至试样破坏全过程完成为止。

本发明可以进行高达30MPa地应力和渗透压条件下的实验测试，可控 制与测试高地应力与高渗透压条件下的岩石破坏试验全过程，进行自动数 据采集，经过数据处理可得高地应力与高渗透压条件下的破坏全过程曲线、 破坏模式及破坏裂缝扩展规律，例如，可分别得到如图3-图4所示的结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。