一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置和方法

摘要

一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置和方法，包括底座，所述底座的第一凸台上表面处设置有内壁设置隔热层围压筒，围压筒顶部依次设置有围压室盖板及盖体，所述围压筒、围压室盖板和底座三者所形成的腔室为围压室，盖体与围压室盖板所形成的腔体设置有传力柱，传力柱的圆盘部分将腔体分割成围压自平衡室和排气室，围压自平衡室与围压室通过自平衡室流体通道相连通，所述底座的第三凸台外圆面由下至上依次设置有加热板和变形量测计底座，底座的第三凸台顶部依次设置有岩石试样和加载头，岩石试样外圆面套有试样密封套，变形量测计底座上沿周向设置有多个侧向变形量测计和轴向变形量测计。可开展软岩多物理场耦合及多种应力路径下的力学性质测试。

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学与工程技术领域，特别是涉及一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置和方法。

背景技术

现有大量工程实践表明，软岩广泛分布于深部水利水电、交通等地下工程中。与浅部相比，深部岩石的赋存环境特点在于高地温、高地应力、高渗透压。高温、高地应力、高渗透压条件下软岩的变形和强度特性控制着深部重大岩土工程的稳定性。因此，有必要发展高温高压软岩变形破坏和渗流耦合测量技术，全面掌握软岩的强度及变形行为，保障岩石工程安全建设。

目前，用于研究高温高压渗流耦合下软岩力学行为的室内实验装置有如下特征：(1)采用电阻式应变片、以应变片为元件的引伸计、LVDT测试系统测试试样变形；(2)采用围压室内设置加热单元或者试样四周设置加热板的方式提供温度。现有变形测量方法存在以下不足：(1)试样破坏后，电阻应变片测量的仅仅是局部变形，结果无法准确反映岩石峰后变形行为；(2)以应变片为元件的引伸计虽然可测量岩石峰后变形，但长期稳定性差，极易出现零点漂移。悬臂式的引伸计平衡对中困难，试样变形转换为悬臂梁挠度时会带来系统误差；为保证LVDT的测量精度，实验中LVDT常成对共线布置，但现有测量系统采用没有提供辅助LVDT对中的装置，导致LVDT共线困难；(3)渗流实验中，流体流动导致试样不同横截面上的变形不同，现有方法测量某一横截面变形，结果无法反映试样整体变形。现有加热方法存在以下不足：(1)无法在岩石试样内部形成均匀的温度场，试样端部温度差异明显；(2)在试样四周设置加热板占用大量空间，试样安装和拆卸困难。

可见，有必要针对软岩的特性，考虑高温高压渗流耦合影响，提出更加准确的软岩强度变形测量装置和方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置和方法，能够测量软岩高温高压渗流耦合条件下的三维变形，尤其是可测量流体流动全过程岩石的整体变形；在试样底部设置加热板，可为试样提供均匀的温度场，同时节约围压室空间；实验结果可为工程设计和建设安全提供准确的评价方法和依据。本发明提高软岩变形测量精度，大幅降低测量成本，装置简单且方便使用。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置，包括底座，所述底座由第一凸台、第二凸台和第三凸台组成，所述底座的第一凸台上表面处设置有围压筒，围压筒内壁设置有隔热层，围压筒底部内壁与底座的第二凸台外圆面贴合，围压筒顶部设置有围压室盖板，所述围压筒、围压室盖板和底座三者所形成的腔室为围压室，且围压室盖板通过长拉杆螺栓与底座的第一凸台上表面连接将围压筒固定，所述围压室盖板顶部通过短螺栓连接有盖体，盖体与围压室盖板所形成的腔体设置有传力柱，传力柱的圆盘部分将腔体分割成围压自平衡室和排气室，围压自平衡室与围压室通过自平衡室流体通道相连通，传力柱顶端贯穿盖体，底端贯穿围压室盖板伸入围压室，所述底座的第三凸台外圆面由下至上依次设置有加热板和变形量测计底座，底座的第三凸台顶部设置有岩石试样，岩石试样顶部设置有加载头，岩石试样外圆面套有试样密封套，试样密封套顶端延伸至加载头外圆面，底端延伸至底座的第三凸台外圆面，将岩石试样与加载头的接缝以及岩石试样与底座第三凸台的接缝包裹，所述变形量测计底座上沿周向设置有多个侧向变形量测计和轴向变形量测计，侧向变形量测计与试样密封套外圆面贴合，轴向变形量测计与加载头外圆面贴合，所述围压室盖板上设置有排气口，所述底座分别设置有围压室注油口、流体注入口和流体流出口，围压室注油口与第一伺服控制泵连接，流体注入口与第二伺服控制泵连接。

所述排气口、围压室注油口、流体注入口和流体流出口上均设置有阀门。

所述底座的第二凸台与围压室之间、所述传力柱与围压室盖板、盖体之间和所述盖体与围压室盖板之间、围压筒与围压室盖板之间均设置有密封圈。

所述加载头为阶梯状，加载头底端与岩石试样接触部分的横截面面积与岩石试样横截面面积相等。

所述侧向变形量测计孔、轴向变形量测计孔均以变形量测计底座轴线为对称轴对称布置，相邻两个所述侧向变形量测计之间的夹角相等。

所述侧向变形量测计由侧向变形量测计固定柱和侧向变形量测计探头组成，所述侧向变形量测计固定柱设置有刻度线，沿所述侧向变形量测计固定柱轴线方向设置多个侧向变形量测计探头。

所述加热板中心处开设有通孔，所述加热板设置在岩石试样底部的底座第三凸台上。

一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置进行高温高压软岩大变形破坏和渗流耦合实验的方法，包括以下步骤：

步骤1：首先将加热板和变形量测计底座固定在底座的第三凸台外圆面上，然后将岩石试样放置在底座的第三凸台顶部，将加载头放置于岩石试样顶部，并保证岩石试样、底座和加载头轴线重合，其次将试样密封套套在岩石试样、底座和加载头外圆面上；

步骤2：将轴向变形量测计安装在变形量测计底座和加载头之间，将侧向变形量测计安装在变形量测计底座上；

步骤3：重复步骤2，安装多个轴向变形量测计和侧向变形量测计；依据侧向变形量测计固定柱上的刻度，调整侧向变形量测计探头高度使侧向变形量测计分布在岩石试样不同横截面位置处，调整同一截面处的侧向变形量测计探头共线，并使侧向变形量测计探头与试样密封套接触；

步骤4：连接加载头和底座之间的流体通道，将岩石试样、加热板、试样密封套、变形量测计底座、侧向变形量测计和轴向变形量测计整体安装于底座的第三凸台外圆面上，最后安装围压筒和围压室盖板；

步骤5：打开围压室注油口阀门，通过第一伺服控制泵将液压油通过围压室注油口处注入围压室内，围压室中的液压油对岩石试样施加围压，围压以一定压力梯度持续施加至设定值σ

步骤6：通过第一伺服控制泵维持σ

步骤7：接通电源，加热板加热至指定温度T，温度稳定后使用加载头加载，通过侧向变形量测计记录侧向应变，通过轴向变形量测计记录竖向应变，通过传力柱内的力传感器记录竖向应变，通过流量计记录流量；

步骤8：岩石试样破坏后，实验结束；根据获取的侧向应变、竖向应变、竖向应力、流体流量的时间过程曲线，获得软岩高温高压下变形破坏与渗流耦合的全过程的应变应力及渗透率变化曲线。

本发明的有益效果为：

1.本专利提供一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置和方法，能够测量软岩高温高压渗流耦合条件下的三维变形。尤其是可测量流体流动全过程中岩石的三维变形。在试样底部设置加热板，可为待测试试样提供均匀的温度场，同时节约围压室空间。采用隔热层减少热量散失，保证实验结果准确的同时节约能源。

2.本专利可大幅降低测量成本，装置简单，易于制造且方便使用。

3.本专利可开展软岩多物理场耦合及多种应力路径下的力学性质测试。本专利可广泛应用于科学研究、教学、工程实际软岩力学性能测试当中。

附图说明

图1为本发明的软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置的主视剖面图；

图2为本发明的软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置的左视剖面图；

图3为本发明的侧向变形量测计结构示意图；

图4为本发明的变形量测计底座结构示意图；

1-底座；2-围压筒；3-隔热层；4-围压室盖板；5-围压室；6-长拉杆螺栓；7-加热板；8-变形量测计底座；9-岩石试样；10-加载头；11-试样密封套；12-侧向变形量测计；13-轴向变形量测计；14-传力柱；15-围压自平衡室；16-排气室；17-自平衡室流体通道；18-盖体；19-短螺栓；20-排气口；21-围压室注油口；22-流体注入口；23-流体流出口；24-密封圈；81-侧向变形量测计孔；82-轴向变形量测计孔；121-侧向变形量测计固定柱；122-侧向变形量测计探头。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图4所示，一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置，包括底座1，所述底座1由第一凸台、第二凸台和第三凸台组成，所述底座1的第一凸台上表面处设置有围压筒2，围压筒2内壁设置有隔热层3，围压筒2底部内壁与底座1的第二凸台外圆面贴合，围压筒2底部端部抵在底座1的第一凸台上表面处，围压筒2顶部设置有围压室盖板4，所述围压筒2、围压室盖板4和底座1三者所形成的腔室为围压室5，且围压室盖板4通过长拉杆螺栓6与底座1的第一凸台上表面连接将围压筒2固定，所述围压室盖板4顶部通过短螺栓19连接有盖体18，盖体18与围压室盖板4所形成的腔体设置有传力柱14，传力柱14的圆盘部分将腔体分割成围压自平衡室15和排气室16，围压自平衡室15与围压室5通过自平衡室流体通道17相连通，传力柱14顶端贯穿盖体18，底端贯穿围压室盖板4伸入围压室5，所述底座1的第三凸台外圆面由下至上依次设置有加热板7和变形量测计底座8，底座1的第三凸台顶部设置有岩石试样9，岩石试样9顶部设置有加载头10，加载头10顶端与传立柱14连接，岩石试样9外圆面套有试样密封套11，试样密封套11顶端延伸至加载头10外圆面，底端延伸至底座1的第三凸台外圆面，将岩石试样9与加载头10的接缝以及岩石试样与底座1第三凸台的接缝包裹，所述变形量测计底座8上沿周向设置有多个侧向变形量测计12和轴向变形量测计13，侧向变形量测计12与试样密封套11外圆面贴合，轴向变形量测计13与加载头10小直径段外圆面贴合，所述围压室盖板4上设置有排气口20，且位于排气室16最底端，所述底座1分别设置有围压室注油口21、流体注入口22和流体流出口23，围压室注油口21与第一伺服控制泵连接，流体注入口22与第二伺服控制泵连接。

所述排气口20、围压室注油口21、流体注入口22和流体流出口23上均设置有阀门。

所述底座1的第二凸台与围压室5之间、所述传力柱14与围压室盖板4、盖体18之间和所述盖体18与围压室盖板4之间、围压筒2与围压室盖板4之间均设置有密封圈24。

所述加载头10为阶梯状，加载头10小直径段的横截面面积与岩石试样9横截面面积相等。

所述侧向变形量测计孔81、轴向变形量测计孔82均以变形量测计底座8轴线为对称轴对称布置，相邻两个所述侧向变形量测计12之间的夹角相等。

所述侧向变形量测计12由侧向变形量测计固定柱121和侧向变形量测计探头122组成，所述侧向变形量测计固定柱121设置有刻度线，沿每个所述侧向变形量测计固定柱121轴线方向设置三个侧向变形量测计探头122。

所述加热板7中心处开设有通孔，所述加热板7设置在岩石试样9底部的底座1第三凸台上。

一种软岩高温高压大变形渗流耦合测试实验装置进行高温高压软岩大变形破坏和渗流耦合实验的方法，包括以下步骤：

步骤1，首先将加热板7和变形量测计底座8固定在底座1的第三凸台外圆面上，然后将岩石试样9放置在底座1的第三凸台顶部，将加载头10放置于岩石试样9顶部，并保证岩石试样9、底座1和加载头10轴线重合，其次将试样密封套11套在岩石试样9、底座1和加载头10外圆面上；

步骤2，将轴向变形量测计13安装在变形量测计底座8和加载头10之间，将侧向变形量测计12安装在变形量测计底座8上；

步骤3，重复步骤2，安装多个轴向变形量测计13和侧向变形量测计12；依据侧向变形量测计固定柱121上的刻度，调整侧向变形量测计探头122高度使侧向变形量测计分布在岩石试样9不同横截面位置处，调整同一截面处的侧向变形量测计探头122共线，并使侧向变形量测计探头122与试样密封套11接触；

步骤4，连接加载头10和底座1之间的流体通道，将岩石试样9、加热板7、试样密封套11、变形量测计底座8、侧向变形量测计12和轴向变形量测计13整体安装于底座1的第三凸台外圆面上，最后安装围压筒2和围压室盖板4；

步骤5，打开围压室注油口21阀门，通过第一伺服控制泵将液压油通过围压室注油口21处注入围压室5内，围压室5中的液压油对岩石试样9施加围压，围压以一定压力梯度持续施加至设定值σ

步骤6，通过第一伺服控制泵维持σ

步骤7，接通电源，加热板7加热至指定温度T，温度稳定后使用加载头10加载，通过侧向变形量测计12记录侧向应变，通过轴向变形量测计13记录竖向应变，通过传力柱14内的力传感器记录竖向应变，通过流量计记录流量，根据流量与时间的关系获得流量时间过程曲线；

步骤8，岩石试样9破坏后，实验结束；根据获取的侧向应变、竖向应变、竖向应力、流体流量的时间过程曲线，获得软岩高温高压下变形破坏与渗流耦合的全过程的应变应力及渗透率变化曲线。