多相流对岩石抗张强度影响试验装置

摘要

本发明公开了一种多相流对岩石抗张强度影响模型试验装置，加压接头与轴压加载泵连通，缸盖分别与加压接头、缸体相连，缸体与钟罩相连，上压板设有内压卸载转接接头分别与空心圆柱试样的内腔、内压卸载螺孔连通，上压板设有孔隙水压加载转接接头分别与环状内嵌陶土板垫块中的陶土板、孔隙水压加载螺孔连通，底座与环状多孔板紧贴，钟罩与底座与相连，底座与圆盘小车相连，空心圆柱试样与引线螺杆相连，引线螺杆与数据采集仪相连，孔隙气压加载螺孔分别与导气孔、气相加载泵相连，底座通过固定螺杆与圆盘小车相连。结构合理，操作方便，在一定条件下实现多相流在岩石中运移过程，能用于测试多相流对岩石抗张强度影响模型试验。

说明书

技术领域

    本发明涉及岩石力学领域，更具体涉及一种测试多相流对岩石抗张强度影响模型试验装置，适用于多相流对岩石抗张强度影响模型试验。

背景技术

岩石中的多相流可改变岩石的相对渗透率，并进一步改变岩石的力学性质，因此，多相流已成为能源开采和埋存、废弃物埋存问题所必须考虑的重要因素。开采页岩气采用水压致裂增产页岩气、二氧化碳地质封存过程中咸水层的多相流对盖层的抗张强度影响、天然气地下储库选择。上述问题的解决一方面需要通过工程实践不断进行探索，另一方面也有赖于多相流对岩石抗张强度影响问题的研究，从而获得理论上的启示和指引。

目前国内广泛使用的水压致裂装置只能测量岩石的抗张强度，除了不能评估多相流对岩石抗张强度影响的缺点外，还不能测量液体在岩石中的突破压。本装置在很大程度上解决了评估多相流对岩石抗张强度的影响问题，而在上部环状内嵌陶土板垫块的设计也可以获得试样的毛管压力曲线。因此针对现有的水压致裂装置的不足，有必要设计一种多相流对岩石抗张强度影响装置。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置，本装置能准确控制岩石内各相流体孔隙压力，能在一定条件下实现多相流在岩石中运移过程，能用于测试多相流对岩石抗张强度影响模型试验。该装置可以模拟真实地应力情况，可以控制多相流孔隙压力，可以测量岩石中存在多相流情况下的变形，功能集约化程度高，一次试验可以获得多种类型数据，该试样对通过测试多相流对岩石抗张强度的影响装置实现快速获得岩石抗张强度和毛细压力曲线。

为了达到上述的目的，本发明采用以下技术措施：

该多相流对岩石抗张强度影响模型试验装置，它由手动葫芦、圆盘小车、加压接头、回压接头、缸盖、缸体、往复式活塞、钟罩、上压板、环状内嵌陶土板垫块、底座、引线螺杆、环状多孔板、恒温水箱等组成。

该装置采用不锈钢制作，大致为长600mm，宽420mm，高1200mm，一种多相流对岩石抗张强度影响试验装置，其连接关系是：缸盖分别与加压接头、缸体相连，加压接头与轴压加载泵连通，缸体与钟罩相连，缸体内设有往复式活塞、回压接头，上压板与环状内嵌陶土板垫块相贴。上压板设有内压卸载转接接头分别与空心圆柱试样内腔、内压卸载螺孔连通。上压板设有孔隙水压加载转接接头分别与环状内嵌陶土板垫块的陶土板、孔隙水压加载螺孔连通。环状内嵌陶土板垫块的陶土板相贴空心圆柱试样的上部。环状内嵌陶土板垫块的陶土板设有陶土板，可以控制空心圆柱试样中气相和液相的最大压力差。上压板设有密封圈。底座与环状多孔板相贴，环状多孔板的导气孔分别与空心圆柱试样下部、孔隙气压加载螺孔连通。钟罩与底座与相连，底座与圆盘小车相连，底座设有密封圈。岩石上面粘贴的电阻应变片与引线螺杆相连，引线螺杆与数据采集仪相连，孔隙气压加载螺孔与气相加载泵相连，孔隙水压加载螺孔与液相加载泵连通，内压加载螺孔分别与与内压加载泵、空心圆柱试样内腔连通，内压加载螺孔分别与空心圆柱试样内腔、内压加载泵连通，围压加载螺孔与围压加载泵相连。圆盘小车上设有手动葫芦。

该装置设有恒温水箱，恒温水箱提供试验恒温条件，温度（该恒温水箱温度控制范围是0～100℃）由恒温水箱控制，恒温水箱提供的温度均匀度小于正负0.5℃，温度波动度小于正负0.5℃。

该装置的轴压加载、围压加载、内压加载、内压卸载均采用同型号泵，加压范围是10-45Mpa。岩石的变形测量，采用电阻应变片测量，灵敏系数是2.00-2.20。该装置的孔隙水压、孔隙气压均采用同型号泵，荷载范围是5Mpa-30Mpa。

岩石在装置中，其温度、含水量、含气量可按现场实际情况控制。空心圆柱试样底部与环状多孔板紧贴，环状多孔板的导气孔与孔隙气压加载螺孔连通，孔隙气压加载螺孔与气相加载泵连通，可以通过气相加载泵调节空心圆柱试样内孔隙气体压力。空心圆柱试样上部与环状内嵌陶土板垫块岩紧贴，环状内嵌陶土板垫块的陶土板与孔隙水压加载转接接头连通，孔隙水压加载转接接头与孔隙水压加载螺孔连通，孔隙水压加载螺孔与液相加载泵相连，可以通过液相加载泵调节空心圆柱试样内孔隙水压力，达到模拟深部岩石多相流的目的。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

适用于非饱和岩石－饱和岩石；该装置设有恒温水箱，可以实时、准确地控制试验温度的变化；该装置设有电阻应变计，可以实时监测岩石的变形。空心圆柱试样底部与环状多孔板的导气孔相贴，环状多孔板的导气孔与孔隙气压加载螺孔连通，孔隙气压加载螺孔与气相加载泵连通，可以通过气相加载泵调节空心圆柱试样内孔隙气体压力。空心圆柱试样上部与环状内嵌陶土板垫块的陶土板相贴，环状内嵌陶土板垫块的陶土板与孔隙水压加载转接接头连通，孔隙水压加载转接接头与孔隙水压加载螺孔连通，孔隙水压加载螺孔与液相加载泵相连，可以通过液相加载泵调节空心圆柱试样内孔隙压力，达到模拟深部岩石多相流的目的。环状内嵌陶土板垫块的陶土板可以控制岩石内气相和液相的最大压差，可以获得空心圆柱试样的突破压。

测试多相流对岩石抗张强度影响模型试验是一种较为直观的研究多相流和岩石抗张强度耦合有效方法，它可在一定条件下再现多相流对岩石抗张强度影响过程，可用于研究多相流对岩石抗张强度影响过程和机制，或检验理论模型的正确性。基于该装置的性能，可以方便测试温度在多相流对岩石抗张强度的影响模型中的作用，得出温度与岩石抗张强度影响曲线图。基于该装置的性能，可以方便测试岩石初始液体饱和度在多相流对岩石抗张强度的影响模型中的作用，得出初始保护度对岩石抗张强度影响曲线图。基于该装置的性能，可以方便测试孔隙水压在多相流对岩石抗张强度的影响模型中的作用，得出孔隙水压与岩石抗张强度影响曲线图。基于该装置的性能，可以方便测试孔隙气压在多相流对岩石抗张强度的影响模型中的作用，得出孔隙气压与岩石抗张强度影响曲线图。基于该装置的性能，可以方便测试孔隙气压和孔隙水压的压差在多相流对岩石抗张强度的影响模型中的作用，得出孔隙气压和孔隙水压的压差与岩石抗张强度影响曲线图。基于该装置的性能，可以方便测试岩石的突破压力。

多相流对岩石抗张强度影响模型试验是一种较为直观的研究多相流和岩石抗张强度的有效方法，它可在一定条件下再现多相流对岩石抗张强度影响过程，可用于研究多相流在岩石中运移对岩石抗张强度影响过程和机制，或检验理论模型的正确性。申请者曾利用简易的多相流对岩石抗张强度影响模型试验装置，开展了非饱和岩石多相流对岩石抗张强度影响模型试验，研究了多相流在岩石中运移对岩石抗张强度影响过程和机制过程和机制，并用之检验理论模型的正确性，取得了良好的技术效果。该试验主要二氧化碳地质封存问题，选用渗透率均匀的的细砂岩开展了试验。岩样初始时体积含水率均匀分布，试验温度为40.3℃，围压20.6Mpa，轴压是40.3Mpa，试样中水相与液相压差为8.5Mpa，附图8给出了试样破裂时内压与含水率变化状况。

从附图8中可以看出，试验过程的耦合效应是十分明显的，开始随着试样含水率迅速增加而试样的破裂时内压却升幅较慢，当试样的含水率增大到一定的值时候试样的破裂时内压迅速上升到达峰值，当含水率再增加时，试样破裂时内压逐渐减少，最后趋于平稳。该模型试验再现了岩石中的多相流对岩石抗张强度影响过程。

申请者将试验成果与理论计算成果进行对比，以验证理论的正确性。从图中可以看出，破裂时内压计算值与实测值吻合较好。含水率的测定由于在试验过程中装置中密封性问题试样的含水率在试验过程中发生较小变化影响测定结果而不尽理想，理论计算与观测结果所反映的岩石抗张强度变化情况是一致的，说明所采用的数学模型是合理的，计算方法是可行的。

可见本申请提出的多相流对岩石抗张强度影响模型试验装置能提供合理的物理模拟条件和精确的控制参数条件，能在一定条件下实现多相流在岩石中运移过程，可用于研究多相流对岩石抗张强度影响过程和机制，以及检验理论模型。

附图说明

图1 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置结构示意图

图2 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置的环状多孔板俯视示意图

图3 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置的环状多孔板剖面示意图

图4 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置的环状内嵌陶土板垫块俯视示意图

图5 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置的环状内嵌陶土板垫块剖面示意图

图6 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置的底座仰视示意图

图7 为一种测试多相流对岩石抗张强度的影响装置的底座剖面示意图

图8 为模型试验试样破裂时内压随试样含水率变化曲线图

其中：1－加压接头，2－吊环，3－缸盖，4－往复式活塞，5－缸体，6－回压接头，7－密封圈，8－平衡块，9－内压卸载转接接头，10－孔隙水压加载转接接头，11－钟罩，12－上压板，13－环状内嵌陶土板垫块，14－空心圆柱试样，15－密封圈， 16－BQ120-10BA型电阻应变计，17－环状多孔板， 18－底座，19－引线螺杆，20－GCT型手动葫芦，21－YP-150型圆盘小车， 22－围压加载螺孔，23－内压加载螺孔，24－孔隙水压加载螺孔，25－孔隙气压加载螺孔，26－内压卸载螺孔，27－固定螺杆，28－B15M1型陶土板，29－导气孔，30－YJ601型恒温水箱，31－YSB-2A型轴压加载泵，32－500D型液相加载泵，33－500D型气相加载泵，34－CQS型数据采集系统，35－YSB-2A型卸载内压加载泵，36－YSB-2A型内压加载泵，37－YSB-2A型围压加载泵。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2、图3、图4、图5可知，一种多相流对岩石抗张强度影响模型试验装置，由加压接头1，吊环2，缸盖3，往复式活塞4，缸体5，回压接头6，密封圈7，平衡块8，内压卸载转接接头9，孔隙水压加载转接接头10，钟罩11，上压板12，环状内嵌陶土板垫块13，空心圆柱试样14，密封圈15，BQ120-10BA型电阻应变计16，环状多孔板17，底座18，引线螺杆19，GCT型手动葫芦20，YP-150型圆盘小车21，围压加载螺孔22，内压加载螺孔23，孔隙水压加载螺孔24，孔隙气压加载螺孔25，内压卸载螺孔26，固定螺杆27，B15M1型陶土板28，导气孔29，YJ601型恒温水箱30，YSB-2A型轴压加载泵31，500D型液相加载泵32，500D型气相加载泵33，CQS型数据采集系统34，YSB-2A型卸载内压加载泵35，YSB-2A型内压加载泵36，YSB-2A型围压加载泵37组成。

其特征在于：

YJ601型恒温水箱30为一钢板制作的矩形箱体，YJ601型恒温水箱30采用钢板制作，大致为长800mm，宽800mm，高1200mm的矩形箱体，加压接头1与YSB-2A型轴压加载泵31连通，缸盖3分别与加压接头1、缸体5相连，缸体5与钟罩11相连，缸体5内设有往复式活塞4，往复式活塞4设有回压接头6，试验结束后通过回压接头6，使得往复式活塞4回到初始位置。上压板12与环状内嵌陶土板垫块13相贴，上压板12设有内压卸载转接接头9分别与空心圆柱试样14的内腔、内压卸载螺孔26连通。上压板设有孔隙水压加载转接接头10分别与环状内嵌陶土板垫块13中的B15M1型陶土板28、孔隙水压加载螺孔24连通。底座18与环状多孔板17相贴，钟罩11与底座18与相连，底座18通过固定螺杆27与YP-150型圆盘小车21相连。底座18设有引线螺杆19，围压加载螺孔22，内压加载螺孔23，孔隙水压加载螺孔24，孔隙气压加载螺孔25，内压卸载螺孔26。空心圆柱试样14外表面粘贴的BQ120-10BA型电阻应变片16与引线螺杆19相连，引线螺杆19与CQS型数据采集仪34相连。孔隙气压加载螺孔25分别与环状多孔板的导气孔29、500D型气相加载泵33相连，孔隙水压加载螺孔24与500D型液相加载泵32相连，内压加载螺孔23分别与空心圆柱试样14的内腔、YSB-2A型内压加载泵36相连，内压卸载螺孔26分别与空心圆柱试样14的内腔、YSB-2A型卸载内压加载泵35连通，围压加载螺孔22与YSB-2A型围压加载泵37相连。底座18通过固定螺杆27与YP-150型圆盘小车21相连，实现了装置的固定。YP-150型圆盘小车21上设有GCT型手动葫芦20，操作时通过YSB-2A型轴压加载泵31向加压接头1泵入液压油推动往复式活塞4加载轴压。YSB-2A型围压加载泵37通过围压加载螺孔22往钟罩11泵入液压油，实现对空心圆柱试样14加载围压。空心圆柱试样14的底部与环状多孔板17相贴，环状多孔板的导气孔29与孔隙气压加载螺孔25连通，孔隙气压加载螺孔25与500D型气相加载泵33连通，通过500D型气相加载泵33加载空心圆柱试样14内孔隙气体压力。空心圆柱试样14上部与环状内嵌陶土板垫块13相贴，环状内嵌陶土板垫块的B15M1型陶土板28与孔隙水压加载转接接头10连通，孔隙水压加载转接接头10与孔隙水压加载螺孔24连通，孔隙水压加载螺孔24与500D型液相加载泵32相连，可以通过500D型液相加载泵32加载空心圆柱试样14内孔隙水压力。底座18的引线螺杆19分别与BQ120-10BA型电阻应变片16、CQS型数据采集系统34相连，实现对空心圆柱试样14的应变测量的作用。YJ601型恒温水箱30提供试验温度条件。该装置实现了对空心圆柱试样14同时测量抗张强度和毛细管压力曲线。

所述的环状内嵌陶土板垫块13内嵌B15M1型陶土板28，B15M1型陶土板28与空心圆柱试样14相贴，B15M1型陶土板28与孔隙水压加载转接接头10连通，保证空心圆柱试样14内气体压力和液体压力的压差小于B15M1型陶土板的突破压。

所述的环状多孔板17设有导气孔29，导气孔29分别与空心圆柱试样14底部、孔隙气压加载螺孔25相连，孔隙气压加载螺孔25与500D型气相加载泵33相连，达到向空心圆柱试样14注入气体的作用。

所述的吊环2，通过GCT型手动葫芦20安装该装置。上压板12的密封圈7和底座18的密封圈15，起到密封空心圆柱试样14内腔的作用。该装置设有平衡块8，起到中心加载轴压作用。