地下水封洞库岩体水封条件的测试装置及试验方法

摘要

本发明涉及一种地下水封洞库岩体水封条件的测试装置及试验方法，其中地下水封洞库岩体水封条件的测试装置，其特征在于：包括机架和设在机架上的岩芯夹持器，所述岩芯夹持器上部通过上堵头连接有水箱，所述岩芯夹持器下部通过下堵头连接有气箱，所述水箱上设有注水口和上排水口，所述注水口连接供水的电动泵，所述上排水口连接背压阀以控制、稳定箱内水压，所述水箱上还设有可视窗；所述气箱设有四个连接口，其中两个连接口接到液位计中，用以测量试验时气箱内水位；本发明装置可用于测试地下水封洞库岩体的水封条件，其优点在于：能够在测试岩体水封条件时，保证气液正常输入的同时，试验装置内外侧处于密封状态。

说明书

技术领域：

本发明主要涉及地质工程、油气储运工程、岩土工程的参数测试领域，尤其是涉及一种地下水封洞库岩体水封条件的测试装置及试验方法。

背景技术：

地下水封洞库是在稳定地水位线下开挖洞室，然后在洞室周围岩体中设置人工水幕，使得洞室围岩裂隙中产生特定的地下水压力及水力梯度，防止石油和液化石油气通过岩体裂隙泄漏，从而达到密封储存的目的。

在石油对外依存度逐年提高、西方国家石油储备体系逐步完善的背景下，我国于2003年开始筹建国家战略石油储备基地，初步分三期进行。鉴于地下储备库在安全、环保、节省费用和节约土地等方面的优势，二期的黄岛、湛江、惠州和锦州4个，三期的儋州、揭阳、安庆、楚雄和加格达奇5个均采用地下水封洞库形式。同时，储存液化石油气的地下水封洞库也在我国多处兴建，已建和在建的主要有汕头、宁波、珠海、黄岛龙泽和烟台万华等多处场地。纵观我国政府与企业的油气储备建设规划可知，地下水封洞库已成为油气能源储存的主要形式之一。

地下水封洞库的核心技术是地下水密封技术（水封技术）。目前，我国对水封技术尚掌握不够，导致地下水封洞库的关键建设技术（水幕系统设计与效率试验、洞库密闭性试验与准则、施工期地下水位控制和运营期围岩长期稳定性等）仍主要来自于法国、瑞典等咨询公司。洞库工程建设常常受制于人。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种地下水封洞库岩体水封条件的测试装置及试验方法，该地下水封洞库岩体水封条件的测试装置有利于揭示地下水封洞库岩体的水封条件。

本发明地下水封洞库岩体水封条件的测试装置，其特征在于：包括机架和设在机架上的岩芯夹持器，所述岩芯夹持器上部通过上堵头连接有水箱，所述岩芯夹持器下部通过下堵头连接有气箱，所述水箱上设有注水口和上排水口，所述注水口连接供水的电动泵，所述上排水口连接背压阀以控制、稳定箱内水压，所述水箱上还设有可视窗；所述气箱设有四个连接口，其中两个连接口接到液位计中，用以测量试验时气箱内水位，另外两个连接口分别接入下排水口和注气口，注气口依次连接气体调压阀、气源装置，下排水口用于排出实验过程中多余的水，所述气箱内部还嵌有加压杆，加压杆通过加压螺杆连接气箱下方的加载电机，在实施剪切力作用时，加载电机带动加压杆使得位于岩芯夹持器体内的岩芯试样受剪部分发生匀速位移；所述上堵头中设有过水通道，以连通水箱与岩芯试样，所述下堵头中设有气、液体流动通道。

进一步的，上述水箱内腔部分的尺寸为直径Φ=270mm，高度h=80mm，其底部左、右两侧分别连接所述注水口和上排水口；所述可视窗筒分为两个部分，一部分是顶部可视窗，另一部分是侧面可视窗；试验过程中，通过各个可视窗确定流经岩样裂隙的气体在上堵头通道中冒出的时刻，用以判断在某一气压作用下保持水封效果的临界状态。

进一步的，上述岩芯夹持器内放置Φ=100mm，h=200mm的岩芯试样，在所述岩芯试样周围设置加压垫层，岩芯夹持器下方连接口与围压手摇泵相连，通过摇动手摇泵对岩芯夹持器内部加压垫层注水，以达到对试样施加围压。

进一步的，上述上、下堵头分别用堵头法兰固定在夹持器的两端面，用箱体法兰连接水箱、气箱，以防止岩体试样在试验时发生上下位移，保持实验过程中仪器的密闭性。

进一步的，上述上堵头上与岩芯试样连接部位设置一个高度为15mm的弓形空槽，以给剪切作用下局部岩芯试样位移预留空间。

进一步的，上述机架上设有显示系统、电源、局部加压系统，上部依次为用于显示岩芯试样剪切速度的加载调速表、用于显示水箱内液体流量的液体流量表、用于显示气箱内气体流量的气体流量表、加载电源、液体泵电源和总电源；接下来为环腔压力表、水箱压力表和气箱压力表，在试验中通过压力表数值的读取，可获得相应的水、气压力，用以测定水封条件；再往下为环压阀、水箱背压阀和气箱调压阀，用于调控各部件的压力大小；最下面是为岩芯试样注入围压的围压手摇泵和向水箱注入一定压力水的电动泵。

本发明地下水封洞库岩体水封条件测试装置的试验方法，其特征在于：所述地下水封洞库岩体水封条件的测试装置包括机架和设在机架上的岩芯夹持器，所述岩芯夹持器上部通过上堵头连接有水箱，所述岩芯夹持器下部通过下堵头连接有气箱，所述水箱上设有注水口和上排水口，所述注水口连接供水的电动泵，所述上排水口连接背压阀以控制、稳定箱内水压，所述水箱上还设有可视窗；所述气箱设有四个连接口，其中两个连接口接到液位计中，用以测量试验时气箱内水位，另外两个连接口分别接入下排水口和注气口，注气口依次连接气体调压阀、气源装置，下排水口用于排出实验过程中多余的水，所述气箱内部还嵌有加压杆，加压杆通过加压螺杆连接气箱下方的加载电机，在实施剪切力作用时，加载电机带动加压杆使得位于岩芯夹持器体内的岩芯试样受剪部分发生匀速位移；所述上堵头中设有过水通道，以连通水箱与岩芯试样，所述下堵头中设有气、液体流动通道；制作步骤：

（1）岩芯试样制作及放置，制作规格为直径Φ=100mm，高度h=200mm的圆柱形岩体试样（可在中轴线处含有裂隙），将其装入岩芯夹持器中，并固定装置；

（2）围压加载，利用围压手摇泵施加围压（宜先进行最小级的围压试验），直至预定的围压值并稳定该量值；

（3）水压力加载，将水源连接至电动泵，利用电动泵施加水压力（宜先进行最小级的水压力试验，并确保各级水压力均小于试验时的围压），通过注水口将水注入水箱中，直至预定的水压值后，通过水箱背压阀稳定水压。

（4）气压力加载，将气源打开，通过气源调压阀将高压气体转变为某恒压气体，把气体注入气箱，之后逐级提高气压力，若测试剪切位移-围压联合作用下的水封条件，则在施加气压力的同时施加剪切力，通过可视窗观察气泡冒出瞬间，记录相应的水压力、气压力、切向位移，即可得出相应的气体泄漏临界条件。

本发明装置可用于测试地下水封洞库岩体的水封条件，其优点在于：

（1）能够在测试岩体水封条件时，保证气液正常输入的同时，试验装置内外侧处于密封状态。

（2）可测试不同的围压、剪切位移、裂隙几何特征（隙宽、粗糙度、角度）对岩体水封条件的影响，且可测试多个因素耦合作用时岩体的水封条件。

（3）既可以测试孔隙水、裂隙水的封存问题，也可研究围压作用下、剪切位移-围压联合作用下的封存问题。

重复使用性高，本试验装置各部分相互独立，在试验过后可以拆卸、清洗、重复利用。并且仪器发生损坏时不需要整体更换，只要针对相应部分的装置进行局部替换即可，减少了仪器的维修费用。

附图说明：

图1为本发明仪器的主视结构示意图；

图2为本发明仪器的侧视结构示意图；

图3为本发明仪器的上堵头上端面图；

图4为本发明仪器的下堵头下端面图；

图中，1、可视窗，2、水箱，3、上排水口，4、上堵头，5、加压垫层，6、岩芯夹持器，7、岩芯试样，8、下堵头，9、机架，10、加压杆，11、液位计，12、气箱，13、加载电机，14、注水口，15、注气口，16、下排水口，17、切向力加载调速表，18、液体流量表，19、气体流量表，20、总电源，21、加载电源、液体泵电源，22、水箱压力表，23、环腔压力表，24、气箱压力表，25、气箱调压阀，26、环压阀，27、水箱背压阀，28、围压手摇泵，29、电动泵，30、加压螺杆，31、过水通道，32、气、液体流动通道，33、弓形空槽。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明地下水封洞库岩体水封条件的测试装置，包括机架9和设在机架9上的岩芯夹持器6，所述岩芯夹持器6上部通过上堵头4连接有水箱2，所述岩芯夹持器6下部通过下堵头8连接有气箱12，所述水箱2上设有注水口14和上排水口3（稳压用排水口），所述注水口14连接供水的电动泵29，所述上排水口3连接背压阀27以控制、稳定箱内水压，所述水箱上还设有可视窗1；所述气箱12设有四个连接口，其中两个连接口接到液位计11中，用以测量试验时气箱内水位，另外两个连接口分别接入下排水口16和注气口15，注气口15依次连接气体调压阀25、气源装置（气泵），下排水口16用于排出实验过程中多余的水，所述气箱内部还嵌有加压杆10，加压杆10通过加压螺杆30连接气箱下方的加载电机13，在实施剪切力作用时，加载电机13带动加压杆10使得位于岩芯夹持器体内的岩芯试样7受剪部分发生匀速位移；所述上堵头中设有过水通道31，以连通水箱与岩芯试样，所述下堵头中设有气、液体流动通道32。

进一步的，为了设计合理，上述水箱内腔部分的尺寸为直径Φ=270mm，高度h=80mm，其底部左、右两侧分别连接所述注水口14和上排水口3；所述可视窗筒分为两个部分，一部分是顶部可视窗，另一部分是侧面可视窗；试验过程中，通过各个可视窗确定气体通过岩样裂隙并在上堵头通道中冒出的时刻，用以判断在某一气压作用下保持水封效果的临界状态。

进一步的，上述岩芯夹持器内放置Φ=100mm，h=200mm的岩芯试样，在所述岩芯试样周围设置加压垫层5，岩芯夹持器下方连接口与围压手摇泵28相连，通过摇动手摇泵28对岩芯夹持器内部加压垫层注水，以达到对试样施加围压。

进一步的，上述上、下堵头分别用堵头法兰固定在夹持器的两端面，用箱体法兰连接水箱、气箱，以防止岩体试样在试验时发生上下位移，保持实验过程中仪器的密闭性。

进一步的，上述上堵头上与岩芯试样连接部位设置一个高度为15mm的弓形空槽33，以给剪切作用下局部岩芯试样位移预留空间。下堵头除了长为90mm、宽为12mm的气、液体流动通道32，还包括为加压杆预留的加压杆放空通道，其横截面大小与加压杆横截面大小基本一致。

进一步的，上述机架上设有显示系统、电源、局部加压系统，上部依次为用于显示岩芯试样剪切速度的加载调速表17、用于显示水箱内液体流量的液体流量表18、用于显示气箱内气体流量的气体流量表19、加载电源、液体泵电源21和总电源20；接下来为环腔压力表23、水箱压力表22和气箱压力表24，在试验中通过压力表数值的读取，可获得相应的水、气压力，用以测定水封条件；再往下为环压阀26、水箱背压阀27和气箱调压阀25，用于调控各部件的压力大小；最下面是为岩芯试样注入围压的围压手摇泵28和向水箱注入一定压力水的电动泵29。

本发明地下水封洞库岩体水封条件测试装置的试验方法，所述地下水封洞库岩体水封条件的测试装置包括机架9和设在机架9上的岩芯夹持器6，所述岩芯夹持器6上部通过上堵头4连接有水箱2，所述岩芯夹持器6下部通过下堵头8连接有气箱12，所述水箱2上设有注水口14和上排水口3（稳压用排水口），所述注水口14连接供水的电动泵29，所述上排水口3连接背压阀27以控制、稳定箱内水压，所述水箱上还设有可视窗1；所述气箱12设有四个连接口，其中两个连接口接到液位计11中，用以测量试验时气箱内水位，另外两个连接口分别接入下排水口16和注气口15，注气口15依次连接气体调压阀25、气源装置（气泵），下排水口16用于排出实验过程中多余的水，所述气箱内部还嵌有加压杆10，加压杆10通过加压螺杆30连接气箱下方的加载电机13，在实施剪切力作用时，加载电机13带动加压杆10使得位于岩芯夹持器体内的岩芯试样7受剪部分发生匀速位移；所述上堵头中设有过水通道31，以连通水箱与岩芯试样，所述下堵头中设有气、液体流动通道32；操作步骤：

（1）岩芯试样制作及放置，制作规格为直径Φ=100mm，高度h=200mm的圆柱形岩体试样（可在中轴线处含有裂隙），将其装入岩芯夹持器中，并固定装置；

（2）围压加载，利用围压手摇泵施加围压（宜先进行最小级的围压试验），直至预定的围压值并稳定该量值；

（3）水压力加载，将水源连接至电动泵，利用电动泵施加水压力（宜先进行最小级的水压力试验，并确保各级水压力均小于试验时的围压），通过注水口将水注入水箱中，直至预定的水压值后，通过水箱背压阀稳定水压。

（4）气压力加载，将气源打开，通过气源调压阀将高压气体转变为某恒压气体，把气体注入气箱，之后逐级提高气压力，若测试剪切位移-围压联合作用下的水封条件，则在施加气压力的同时施加剪切力，通过可视窗观察气泡冒出瞬间，记录相应的水压力、气压力、切向位移，即可得出相应的气体泄漏临界条件。

本发明装置可用于测试地下水封洞库岩体的水封条件，其优点在于：

（1）能够在测试岩体水封条件时，保证气液正常输入的同时，试验装置内外侧处于密封状态。

（2）可测试不同的围压、剪切位移、裂隙几何特征（隙宽、粗糙度、角度）对岩体水封条件的影响，且可测试多个因素耦合作用时岩体的水封条件。

（3）既可以测试孔隙水、裂隙水的封存问题，也可研究围压作用下、剪切位移-围压联合作用下的封存问题。

重复使用性高，本试验装置各部分相互独立，在试验过后可以拆卸、清洗、重复利用。并且仪器发生损坏时不需要整体更换，只要针对相应部分的装置进行局部替换即可，减少了仪器的维修费用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。