一种高压多相流耦合岩石真三轴试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩石力学试验技术，尤其涉及一种高压多相流耦合岩石真三轴试验装置。

背景技术：

温室气体的大量排放是影响全球气候变暖的主要因素之一。CO₂捕集、封存与利用技术已经成为国际上降低二氧化碳排放量的关键技术之一。地下深部咸水层、油气资源开采废弃井田、深海以及非常规油气储层（页岩油气、煤层气和致密油等非常规资源）等场地作为二氧化碳封存主要场所。在CO₂地质封存项目中对场地力学稳定性分析与评价是必不可少的环节。CO₂地质封存（CCS）、非常规油气资源开发和二氧化碳钻井及压裂等地下工程均涉及岩石、水和二氧化碳的相互作用。近年来，多个两相流力学耦合分析软件应运而生，但由于缺乏含CO2-水两相流体作用下岩石力学特性的实验基础和本构模型，数值模拟结果仍然不能满足工程需求。为了提高数值分析与计算精度，有必要模拟深部储层的应力与空隙流体状态，开展二氧化碳和水两相流作用下砂岩的固结排水真三轴力学试验，测试和分析不同流体组分与压力下岩石的力学特性，并探究高压多相流耦合作用下岩石的力学特性相关参数的测定方法，为数值模拟力学本构模型的建立和相关力学参数的测定奠定基础。此外，针对CO₂和水两相流条件下岩石力学特性的相关基础实验和理论研究相对匮乏，CO₂与水耦合作用下岩石的强度准则、损伤机理和本构方程是有待解决的关键科学问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于实现高压流体多相渗流耦合作用下岩石力学试验测试，充分考虑高压流体对岩石力学特性的影响，提供一种高压多相渗流耦合岩石真三轴试验装置，可以研究CO2、N2、甲烷和水等高压流体耦合作用下岩石的强度准则、裂纹扩展损伤演化机制及本构关系等，为规模化CO2地质封存力学稳定性风险评价建立有效的理论模型及数值模拟方法奠定基础。

本实用新型的目的是这样实现的：

一、高压多相流耦合岩石真三轴试验装置（简称装置）

包括围压室、X方向压轴、Y方向压轴、加载垫块、多孔隔板、Pcmax陶瓷板、O型密封圈、岩样、声发射传感器、计算机、温度调节水域、过滤器、孔隙二氧化碳计量泵、孔隙水计量泵、真空泵、控制器、位移支架和LVDT位移传感器；

其位置和连接关系是：

在围压室的中心设置有岩样，在岩样的四周设置有加载垫块，X方向压轴压紧左、右加载垫块，Y方向压轴压紧前、后加载垫块；在左、前加载垫块上设置有位移支架，在右、后加载垫块上设置有LVDT位移传感器；左、右加载垫块均设置有流体通道；在左加载垫块内设置有Pcmax陶瓷板，并通过型密封圈进行密封；在左、右加载垫块上内嵌有多孔隔板；在后加载垫块上设置有声发射传感器；

将岩样的上下两面抹胶密封；左、右加载垫块通过气体管路与过滤器相连；

过滤器分别与孔隙二氧化碳计量泵和孔隙水计量泵连接，孔隙二氧化碳计量泵和孔隙水计量泵共同连接于真空泵，将岩样抽真空；孔隙二氧化碳计量泵和孔隙水计量泵分别通过控制器和计算机连接，实现流体控制；

声发射传感器和LVDT位移传感器分别与计算机连接，采集声发射声信号和位移信号。

二、高压多相流耦合岩石真三轴试验方法（简称方法）

本方法主要包括以下步骤：

①岩样加工

将待测试岩石加工为长×宽×高=100mm×50mm×50mm或80mm×40mm×40mm表面平整的立方体岩样；

②岩样密封

将岩样放在左、右、前和后加载垫块中心并夹紧，在岩样上下两面及棱角处均匀地涂抹一层密封胶，使得密封胶和加载垫块完全包裹住岩样，形成组合件；待密封胶风干，才可进行测试；

③管路连接

将含有岩样的组合件放入围压室中间位置，并将X方向压轴和Y方向压轴压紧加载垫块；然后将加载垫块上的二氧化碳和孔隙水管路分别与孔隙二氧化碳计量泵和孔隙水计量泵连接，管路需途径温度调节水域；

④系统气密性检查

在孔隙流体控制单元中，向密封的岩样充入高压力气体，待压力恒定后，关闭阀门，观察压力变化，如过长时间内没有下降，则气密性良好；否则重复密封试样及步骤③④，直至该单元密封性良好为止；

⑤抽真空

开启真空泵，抽真空12小时，完成后先关闭气路阀门再关闭真空泵，保持密封岩样内部真空状态；

⑥预应力加载

启动三轴压力机加载系统，按照预先试验方案对岩样施加预定的三轴应力；

⑦孔隙流体加载

启动孔隙二氧化碳计量泵和孔隙水计量泵、温度调节水域，先注入高压孔隙水，并保持预定的压力；待固结平衡后，注入高压力孔隙二氧化碳，并保持预定的压力，固结平衡时间保持24小时；

⑧试验测试

首先启动声发射监测单元和位移监测单元，再根据预先设定好的应力路径，控制和调节三轴压力机和孔隙流体压力，开展多相流耦合岩石真三种力学特性试验；

⑨整理设备

待完成测试后，首先将高压气体放出，再卸载应力，取出试验后被破坏的岩样，清理干净围压室，关闭三轴压力机、声发射监测单元和孔隙流体控制单元；

⑩试验数据整理

对保存在计算机中的试验测试数据进行整理和分析。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①利用伺服控制真三轴应力系统可以实现应力和位移的精准控制；

②利用流体计量泵能实现了复杂应力状态下对流体压力及岩样饱和度的精确控制和测量，并能够精确测量出流体的瞬态质量、流量等参数；

③基于轴平移技术特殊设计的加载垫块可以对岩样施加多种流体，实现多相流体耦合模拟环境，并且可采用致密均质岩石制作的高透气隔板能够形成10MPa以上得基质吸力；

④利用真三轴应力控制系统和孔隙流体控制系统能够模拟出深部储层岩体所处的真实应力和孔隙流体状态；

⑤利用加载垫块上的LVDT位移传感器可以精确测量出试样的变形；

⑥声发射传感器可以接收孔隙介质在加卸载过程中裂隙发育和扩展产生的破坏信号，实现多相孔隙介质应力、损伤和渗流强耦合研究；

⑦本系统可以获取岩石在高压二氧化碳和水耦合条件下的力学特性和变形机制研究。

总之，本实用新型可以研究深部采矿和深埋地质工程所共同面临的高压多相耦合岩体变形破裂机理与断裂滑动诱发地震等地质灾害发生机制，并为工程优化设计和安全运行提供关键的实验与理论支撑。

附图说明

图1是本装置的结构示意图（俯视，剖）；

图2是本装置X方向上加载垫块剖面示意图；

图3.1是左（右）加载垫块的主视图，

图3.2是左（右）加载垫块的俯视图，

图3.3是左（右）加载垫块的左视图；

图4.1是多孔隔板的主视图，

图4.2是多孔隔板的俯视图，

图4.3是多孔隔板的左视图。

图中：

1—围压室；

2—X方向压轴；

3—Y方向压轴；

4—加载垫块，

4-1—左加载垫块，4-2—右加载垫块，4-3—前加载垫块，4-4—后加载垫块；

5—多孔隔板；

6—Pcmax陶瓷板；

7—O型密封圈；

8—岩样；

9—声发射传感器；

10—计算机；

11—温度调节水域；

12—过滤器；

13—孔隙二氧化碳计量泵；

14—孔隙水计量泵；

15—真空泵；

16—控制器；

17—位移支架；

18—LVDT位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、2，本装置包括围压室1、X方向压轴2、Y方向压轴3、加载垫块4、多孔隔板5、Pcmax陶瓷板6、O型密封圈7、岩样8、声发射传感器9、计算机10、温度调节水域11、过滤器12、孔隙二氧化碳计量泵13、孔隙水计量泵14、真空泵15、控制器16、位移支架17和LVDT位移传感器18；

其位置和连接关系是：

在围压室1的中心设置有岩样8，在岩样8的四周设置有加载垫块4，X方向压轴2压紧左、右加载垫块4-1、4-2，Y方向压轴3压紧前、后加载垫块4-3、4-4；在左、前加载垫块4-1、4-3上设置有位移支架17，在右、后加载垫块4-2、4-4上设置有LVDT位移传感器18；左、右加载垫块4-1、4-2均设置有流体通道；在左加载垫块4-1内设置有Pcmax陶瓷板6，并通过O型密封圈7进行密封；在左、右加载垫块4-1、4-2上内嵌有多孔隔板5；在后加载垫块4-4上设置有声发射传感器9；

将岩样8的上下两面抹胶密封；左、右加载垫块（4-1、4-2）通过气体管路与过滤器12相连；

过滤器12分别与孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14连接，孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14共同连接于真空泵15，将岩样8抽真空；孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14分别通过控制器16和计算机10连接，实现流体控制；

声发射传感器9和LVDT位移传感器18分别与计算机10连接，采集声发射声信号和位移信号。

2、功能部件

1）围压室1

围压室1是一种不锈钢制带上盖的密闭圆筒腔体；

其功能是：室内充满高压油，可产生100MPa的最大围压，为岩样8施加Z方向的均匀应力，并设置气体及电气线路穿层通道。

2）X方向压轴2

X方向压轴2是一种不锈钢制圆柱体；

其功能是：传递三轴压力机产生的X方向压力，三轴压力机在X方向最大加载能力500t。

3）Y方向压轴3

Y方向压轴3是一种不锈钢制圆柱体；

其功能是：传递三轴压力机产生的Y方向压力，三轴压力机在Y方向最大加载能力250t。

4）加载垫块4

加载垫块4是一种不锈钢制长方形块体，包括左、右、前、后加载垫块4-1、4-2、4-3、4-4；

其左、右加载垫块4-1、4-2均分别设置有流体通道，左加载垫块4-1的流体通道需装Pcmax陶瓷板6作为水通道，右加载垫块4-2的流体通道作为气体通道。

5）多孔隔板5

多孔隔板5是一种带有多孔的不锈钢板，其形状和加载垫块4适配；

其功能是：嵌入加载垫块4内，传递应力并能使流体通过。

6）Pcmax陶瓷板6

Pcmax陶瓷板6是一种高阻气值和高压力的陶瓷板（或者致密均质岩石）；

其功能是可以透水隔气，最大可阻挡达10MPa高压气体，可有效调节孔隙水和孔隙二氧化碳等气体的组分压力。

7）O型密封圈7

O型密封圈是一种O型橡胶圈；

其功能是：对不同部件的连接处进行密封。

8）岩样8

岩样8是待测试的对象。

9）声发射传感器9

声发射传感器9是一种采集声信号的传感器；

其功能是：采集岩石破裂过程中的声发射事件数。

10）计算机10

计算机10是一种通用的计算机；

其功能是：对流量泵进行控制和对声发射传感器、位移传感器进行数据采集。

11）温度调节水域11

温度调节水域11是一种通用的恒温水浴槽；

其功能是：使流入岩样的流体保持在预定的温度，实现流体的恒温控制。

12）过滤器12

过滤器12是一种通用的可以过滤流体中一定粒径的固体颗粒的装置；

其功能是：过滤流体中杂质，防止管路被堵。

13）孔隙二氧化碳计量泵13

孔隙二氧化碳计量泵13采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵；

其功能是：精确控制二氧化碳的压力，并精确测量二氧化碳的瞬态质量和流量等参数，并具有恒压和恒流两种工作模式，恒压工作模式可调节压力范围为0.06895～68.95MPa，压力显示分辨率为6.895kPa。

14）孔隙水计量泵14

孔隙水计量泵14采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵；

其功能是：精确控制水的压力，并精确测量水的瞬态质量和流量等参数，并具有恒压和恒流两种工作模式，恒压工作模式可调节压力范围为0.06895～68.95MPa，压力显示分辨率为6.895kPa。

15）真空泵15

真空泵15是一种通用的抽真空设备；

其功能是：可抽出岩样中的气体，并使之处于高负压状态。

16）控制器16

控制器16是一种和TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵配套的控制器，可以完成计算机对计量泵实时控制命令并将信息实时传输给计算机的电子设备；

其功能是：将孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14流量参数实时反馈给计算机10及执行计算机10的命令对孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14进行控制。

17）位移支架17

位移支架17是一种不锈钢制固定于加载垫块4上的脚架；

其功能是：固定LVDT位移传感器18，并能将岩样8的尺寸变化转换成位移支架17间的距离变化。

18）LVDT位移传感器18。

LVDT位移传感器18是一种常用高精度位移传感器；

其功能是：可将位移支架17之间的距离转换成电信号，经计算机10处理还原成位移，可以实时监测岩样8的尺寸变形。

3、本装置的工作原理

本装置由三轴应力控制单元、孔隙流体控制单元、变形测量单元和声发射测量单元4部分构成；本系统能够独立精确控制三向轴应力、CO2流体孔隙压力、孔隙水压力，并精确测量CO2和水的瞬态质量和流量等参数。

1）三轴应力控制单元

由围压室1、X方向压轴2、Y方向压轴3和三轴压力机组成的三轴应力控制单元，为系统提供应力支持，完成岩样8的力学特性试样；

三轴应力控制单元由三轴压力机产生巨大的应力通过X、Y两个水平方向的压轴和加载垫块对岩样8施加，油压泵通过向围压室注入液压油对岩样8施加Z方向的应力；三个方向的应力可以独立加载和伺服控制（位移控制模式和力控制模式），Y方向压力最大加载能力为250t，X方向最大加载能力500t，Z方向最大加载能力为100MPa；可对长×宽×高=100mm× 50mm×50mm或80mm× 40mm×40mm两种方形岩样8进行加载。

2）孔隙流体控制单元

由加载垫块4、多孔隔板5、Pcmax陶瓷板6、O型密封圈7、温度调节水域11、过滤器12、孔隙二氧化碳计量泵13、孔隙水计量泵14、真空泵15及控制器16组成的孔隙流体控制单元，为岩样8提供高压多相流体的模拟环境，并能够对多个流体参数进行控制和计量；

孔隙流体控制单元由孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14通过加载垫块4的流体通道对岩样8注入二氧化碳和水等流体，实现岩样8的高压流体的模拟环境；孔隙二氧化碳计量泵13和孔隙水计量泵14均采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX计量泵，并能精确地控制流体压力和流量；在左加载垫块4-1内嵌的Pcmax隔板为高阻气值和高压力陶瓷板或者致密岩石（具有稳定的突破压力），通过轴平移吸力控制技术可以有效调节和控制CO2和水的孔隙压力，可防止远高于空隙水压力值的二氧化碳气体串入孔隙水计量泵14实现不同压力值的流体注入。

3）变形测量单元

由位移支架17、LVDT位移传感器18和计算机10组成变形测量单元，可以监测岩样8在试验过程中X、Y方向的变形情况；

变形测量单元由LVDT位移传感器18监测两个相对位置的位移支架17的距离变化，间接地监测岩样8的尺寸变化情况；LVDT位移传感器18量程0-5mm，耐压120MPa，可以满足高围压环境的工作条件。

4）声发射测量单元

由声发射传感器9和计算机10组成的声发射测量单元可以监测岩石破裂过程中的声发射事件数，研究特征应力和应变的关系。

声发射测量单元由声发射监测岩石破裂过程中的声发射事件数，通过计算机10分析声发射时间数可以得到特征应力和应变的关系。