多相流‑应力耦合岩芯剪切试验装置及其方法与流程

本发明涉及岩石力学试验技术，尤其涉及一种多相流-应力耦合岩芯剪切试验装置及其方法。

背景技术：

实验室试验是研究岩体力学性质主要方法之一。近年来对岩体力学性能的研究朝着复杂条件下的力学特性的方向发展，如高温、高应力、高渗透压和多相流体等复杂条件。但每增加一条件都需要对当前的试验装置进行极大改动，有些甚至需要从基础结构上改进。目前对多相流-应力耦合的试验装置都存着多相流的控制问题和高压渗流流体的密封难题。当前的岩体剪切渗流试验装置多采用剪切盒，而剪切盒难以密封高压流体，目前流体压力很难达到10MPa；而常规三轴的压剪试验，虽能很好地密封流体，但不能任意单独调整剪切面上法向应力大小。因此，需要一种多相流-应力耦合岩芯剪切试验装置，能够单独改变法向应力的大小，又能实现对多相流体的控制及高压流体的良好密封性。

技术实现要素：

本发明的目的就在于解决岩体剪切试验中高压渗流流体的密封问题及多相流的控制问题，在三轴压力机围压室的基础上提供一种多相流-应力耦合岩芯剪切试验装置及其方法；本发明借助于围压可以对岩芯剪切面施加恒定的法向应力，法向应力始终等于围压；通过特殊设计的剪切板和软胶泥可以很好地密封高压渗流流体，而且可以精确控制注入岩样的流体体积及压力。

本发明目的是这么实现的：

在三轴压力机围压室的基础上完成的本发明，借助三轴压力机为该剪切装置提供轴向压力和围压；通过特殊设计的剪切板可完成对岩芯沿轴心面的剪切；通过塑性好的软胶泥和胶套可以实现对高压渗流流体及围压的良好密封，软胶泥随剪切挤压而变形，但其始终完全填充剪切位移区(也就是剪切板的端部缺口)，使装置内部没有多余的死空间，因此在岩芯剪切过程中不会发生胶套破坏情况及流体泄露情况，同时也便于计量注入岩芯的流体体积；通过轴平衡技术和无死空间的密封方法可实现水与气体的多相流体的控制。

具体地说：

一、多相流-应力耦合岩芯剪切装置(简称装置)

本装置包括被测对象岩芯；

设置有左剪切板、右左剪切板、胶套、软胶泥、金属隔板、底板、位移传感器、轴向位移支架、位移探测棒、固定卡和径向位移支架；

其位置和连接关系是：

在底板上面的左、右端分别设置有左、右两个轴向位移支架，位移支架与底板硬接触，可在底板上自由移动；在底板的中间均匀设置有3个径向位移支架，并通过固定卡固定在底板上，径向位移支架可沿径向滑动，但不能沿轴向晃动；

岩芯夹在呈中心对称放置的左剪切板和右剪切板的中间；

在左、右剪切板的端部缺口嵌有软胶泥和金属隔板；胶套包裹岩芯、软胶泥和金属隔板的全部及包裹左、右剪切板的部分位置；

在左、右剪切板较粗一端分别通过螺丝连接个轴向位移支架；

左侧的轴向位移支架装有位移传感器，右侧的轴向位移支架装有位移探测棒，位移探测棒的宽面抵住位移传感器的探测头，实现岩芯轴向变形的监测；

3个径向位移支架的上端均固定有位移传感器，位移传感器的探测头和径向位移支架的探测头分别抵住岩芯的外壁一侧，实现岩芯径向变形的监测。

二、多相流-应力耦合岩芯剪切试验方法(简称方法)

本方法包括以下步骤：

①岩芯制备

将待测试的岩石制成符合试验要求的圆形柱体——岩芯，并将岩芯的端面和侧面打磨平整光滑，且保证岩芯完整；

②装样

在岩芯的侧表面贴上聚四氟乙烯膜后装入胶套中间，以减少岩芯与胶套之间的摩擦力；将软胶泥和金属隔板嵌在左、右剪切板的端部缺口，然后与胶套相连；在左、右剪切板的端部固定好轴向位移支架，然后整体横置在装有3个径向位移支架的底板上，并在左侧的轴向位移支架和3个径向位移支架上安装位移传感器，右侧的轴向位移支架装上位移探测棒；将该装置放入围压室，并连接好相应的位移传感器和流体管线；

③施加围压

根据试验要求对岩芯施加预定的围压；

④抽真空

对岩芯抽真空24h，使管路和岩芯中保持一定的真空度；

⑤流体平衡

先由左剪切板2的流体管路对岩芯注入去离子水，待岩芯右侧压力与左侧压力平衡后保持4h，再由右剪切板的流体管路对岩芯注入气体；待注气流量泵的流量为零后平衡4h；

⑥剪切测试

待测试好各个传感器，然后按照预定模式施加轴向应力进行剪切试验；

⑦整理

试验完毕后，及时保存试验数据；然后先卸载孔隙压力再卸载围压；最后将实验设备整理好。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、本装置采用圆柱形的岩芯可以保证剪切面上法向应力始终与围压室的围压保持一致，实现了恒定的法向应力边界条件，并且法向应力大小可调，这是剪切盒做不到的；

2、本装置采用了轴平衡技术，借助透水隔板的基质吸力可以使气相压力高于液相压力，并且气体不会透过透水隔板进入液相管路中，实现了多相流体的控制；

3、本装置通过软胶泥完全填充剪切区域，软胶泥具有很好的塑性，试验过程中该装置没有多余的死空间，方便对注入岩芯的多相流体进行计量；

4、本装置采用岩芯且剪切板的剪切区域由软胶泥完全充填，便于密封且可承受较大的围压，剪切过程中胶套不会被破坏。

5、本装置和流体管路均采用不锈钢材质，具有一定耐腐蚀性，胶套可耐高温耐酸碱，因此可完成一定酸碱度的流体与岩石反应，即也可实现渗流-应力-反应耦合岩芯剪切试验。

总之，本发明能够完成高法向应力及高渗透压下的剪切试验，能够像常规三轴试验装置一样有着很好的密封性；同时借助透水隔板的基质吸力可以很好的实现对多相流体的控制，这些优点都是以往的岩体剪切装置做不到的。

附图说明

图1是本装置的结构示意图(主视，纵剖面)；

图2是本装置的结构示意图(俯视，横剖面)；

图3是本装置的A-A剖面图；

图4是本装置的B-B剖面图；

图5是底板7的结构示意图及其C-C剖面图；

图6是固定卡11的结构示意图。

图中：

1—岩芯；

2—左剪切板，

2-1—堵头，2-2—透水隔板，2-3密封圈，2-4胶套密封圈；

3—右剪切板；

4—胶套；

5—软胶泥；

6—金属隔板；

7—底板，

8—位移传感器；

9—轴向(X向)位移支架；

10—位移探测棒；

11—固定卡；

12—径向(Y向)位移支架；

a、b—左、右流体通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、总体

如图1、2、3、4、5、6，本装置包括被测对象岩芯1；

设置有左剪切板2、右左剪切板3、胶套4、软胶泥5、金属隔板6、底板7、位移传感器8、轴向位移支架9、位移探测棒10、固定卡11和径向位移支架12；

其位置和连接关系是：

在底板7上面的左、右端分别设置有左、右两个轴向位移支架9，位移支架9与底板7硬接触，可在底板7上自由移动；在底板7的中间均匀设置有3个径向位移支架12，并通过固定卡11固定在底板7上，径向位移支架12可沿径向滑动，但不能沿轴向晃动；

岩芯1夹在呈中心对称放置的左剪切板2和右剪切板3的中间；

在左、右剪切板2、3的端部缺口嵌有软胶泥5和金属隔板6；胶套4包裹岩芯1、软胶泥5和金属隔板6的全部及包裹左、右剪切板2、3的部分位置；

在左、右剪切板2、3较粗一端分别通过螺丝连接1个轴向位移支架9；

左侧的轴向位移支架9装有位移传感器8，右侧的轴向位移支架9装有位移探测棒10，位移探测棒10的宽面抵住位移传感器8的探测头，实现岩芯1轴向变形的监测；

3个径向位移支架12的上端均固定有位移传感器8，位移传感器8的探测头和径向位移支架12的探测头分别抵住岩芯1的外壁一侧，实现岩芯1径向变形的监测。

2、功能部件

1)岩芯1

如图1、2、3，岩芯1是由待测试岩石制成的圆柱体，且表面平整。

2)左剪切板2

如图1、2，左剪切板2是一种高强度不锈钢块体，从左至右由大圆柱体、中圆柱体和半圆柱体依次组合的整体结构；在其内并沿着中心线依次设置有堵头2-1、透水隔板2-2和密封圈2-3，在左剪切板2的外壁中间设置有胶套密封圈2-4，在左剪切板2内设置有左流体通道a。

其功能是传递三轴压力机的轴压对岩芯1施加的剪切力，且可对岩芯1的端面处注入流体。

*堵头2-1：是侧面带有螺纹的不锈钢圆板，其功能是通过密封圈2-3压紧透水隔板2-2。

*透水隔板2-2：是一种土力学试验常用的高进气值陶土板；

其功能是在一定气体压力下，允许水透过陶土板而气体不能通过；

其原理是借助非饱和土的轴平移技术，由于非饱和土体中的孔隙气压与孔隙水压存在一定差值，其差值也称为基质吸力；一般孔隙气压始终高压孔隙水压，通过改变土体中的孔隙水压，并随之改变孔隙气压，且使孔隙气压与孔隙水压的差值不大于土体的基质吸力，最终可使得土体中水会随孔隙水压的改变而进出土体中；因而可借助高进气值陶土板的基质吸力，使得水可通过其运移而气体不能通过，气体压力高于水压，因而水或气只能由一端进出，实现了两相流体的控制。

*密封圈2-3、胶套密封圈2-4：是一种常用的O形密封圈。

*流体通道a

如图1，流体通道a是在左剪切板2内部钻成的呈L形的细孔；

其功能是将外部流体经透水隔板2-2注入到岩芯1的端面。

3)右剪切板3

如图1、2，右剪切板3和左剪切板2形状一样，仅在外壁中间设置有胶套密封圈和在其内设置有右流体通道b的高强度不锈钢块体。

其功能是传递三轴压力机的轴压，对岩芯1施加剪切力。

*流体通道b

如图1，流体通道b是在右剪切板3内部钻成的呈L形的细孔；

其功能是将外部流体注入到岩芯1的端面；

4)胶套4

胶套4是一种由三氟乙烯橡胶制成的管状壳体；

其功能是隔离围压室的液压油对岩芯施加法向应力，并能防止渗流流体窜入围压室。

5)软胶泥5

软胶泥5是由硅胶制成的和剪切板的端部缺口适配的半圆柱形块体；

其功能是完全填充剪切位移区；其受力后可任意变形但压缩性小。

6)金属隔板6

金属隔板6是一种和软胶泥5适配的表面带有水槽线的半圆形铝制薄板。

其功能是防止软胶泥5渗入岩芯1，扩大流体与岩芯1表面的接触面积。

7)底板7

如图1、5，底板7是一种带有两条镂空槽的不锈钢长方形板；

其功能是支撑左、右剪切板2、3及固定径向位移支架12，并使径向位移支架12位置可调。

8)位移传感器8

位移传感器8是一种常用的高精度小量程的位移传感器；

其功能是测定岩芯1在轴向和径向的变形。

9)轴向位移支架9

如图4，轴向位移支架9是一种近Y形的金属支架；

其功能是支撑横置的左、右剪切板2、3和岩芯1，并能将剪切板的轴向位移传递给位移传感器8。

10)位移探测棒10

如图1，位移探测棒10是一种一端带大圆面的金属棒；

其功能是将右剪切板3的位移传递给位移传感器8。

11)固定卡11

如图6，固定卡11是半工形的金属卡；

其功能是固定径向位移支架12，不允许径向位移支架12沿轴向晃动，但可使之沿径向自由滑动。

12)径向位移支架12

如图2、3，径向位移支架12是一种U形底部平直光滑的金属骨架；

其功能是固定位移传感器8，并能监测岩芯1的径向变形。

3、工作原理

本装置采用圆柱形的岩芯1，可以保证剪切试验过程中，剪切面上所受到的法向应力始终等于围压，可实现恒定的法向应力边界条件；通过剪切板可使剪切应力在岩芯1的剪切面集中，减小剪切力矩而避免剪切时的偏心问题。

剪切板缺口处设置有半圆柱形软胶泥5和金属隔板6，如此可以完全填充剪切位移区而不留死空间；在剪切过程中岩芯1不断挤压软胶泥5和金属隔板6，软胶泥5会发生变形，使得剪切位移区的空间减小时还处于完全填充状态，且软胶泥5对岩芯1的应力始终等于外部的围压，保证了岩芯1受到的剪切应力可计算。

左剪切板2中设置有透水隔板2-2在限定的气体压力下只能允许水通过而气体无法通过，因此高于水压的气体和水可以同时注入岩芯1中而气体不会透过透水隔板窜入水流通道，实现了多相流体的控制。