一种扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置的制作方法

本发明属于岩石渗流力学试验设备的技术领域，尤其涉及一种扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置。

背景技术：

随着经济发展的不断向前，无论是国家的发展还是人们的日常生活对于能源的需求日益增加，目前地下资源的开采已经逐步向深部发展，与浅部开采相比，深部开采地质条件千变万化，岩石中地下水及其他相溶或不相溶流体的运动规律也错综复杂。同时，由于开采过程中诸如爆破、机械开采动力扰动、高能级岩爆与矿震、局部破断等扰动的影响，使得通过传统的多场、多相渗流实验所得出的相关参数及规律已经难以解决现有的实际问题。

就目前而言，流固耦合实验装置大多采用单相渗流介质，而在实际工程中，往往是液体渗流和气体渗流共同作用于岩体之中。同时，在石油、天然气、co2储存过程中和核废料深埋工程中，如果没有充分考虑多场、多相渗流的影响，就不能采取有效的施工方法及安全措施，进而带来不必要的资源浪费、环境污染和生命安全等问题。因此，寻求准确、可靠的能在扰动作用下进行岩石的多场、多场、多相渗流的实验装置迫在眉睫。

技术实现要素：

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置，可以模拟在实际工程扰动作用下，实现岩石的多场、多相渗流实验。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置，包括轴压加载系统，用于对岩石试件施加轴压；

围压加载系统，用于对岩石试件施加围压；

扰动系统，用于为岩石试件提供不同幅值、不同频率的扰动；

流体加载通道，用于向岩石试件中注入液体；

气体加载通道，用于向岩石试件中注入气体；

气液分离与收集系统，用于将通过岩石试件后的气体和液体分开进行收集，得出气、液的有效渗透率。

进一步的，所述岩石试件竖直放置在缸体的中心位置处，所述岩石试件的顶部和底部分别由矩形垫块和凸形垫块进行支撑。

进一步的，所述轴压加载系统包括由不锈钢高压管制成的轴压加载管道、第二六通阀、油泵、轴压油缸；

所述轴压油缸通过所述轴压加载管道、第二六通阀与所述油泵相连接，所述轴压油缸的梯形轴压伸缩杆贯通所述缸体的顶板与所述矩形垫块相连；

所述轴压加载管道上设有第五压力表。

由上，通过油泵、第二六通阀和轴压油缸为试件提供轴压加载。

可选的，所述围压加载系统包括由不锈钢高压管制成的围压加载管道、第三六通阀、气泵；

所述围压加载管道的一端通过第三六通阀与所述气泵相连接，其另一端穿过所述缸体的第四通孔；

所述围压加载管道上设有第四压力表。

由上，通过气泵和第三六通阀为试件提供围压加载。

进一步的，所述扰动系统包括位于所述缸体底部左右两端并对称设置的激振器底座，所述激振器底座上方设置有激振器，所述激振器上方设置有“l”扰动杆，所述扰动杆的末端连接至所述岩石试件的中部。

由上，通过激振器和扰动杆为试件提供试验所需的扰动，能够实现不同幅值，不同频率的扰动影响。通过“l”形扰动杆的末端连接至试件中部，为试件提供轴向扰动。

可选的，所述流体加载通道包括油液加载通道和水加载通道；

所述水加载通道包括水泵和混合罐，所述水泵和混合罐之间依次设有第一六通阀、过滤器、第一液体流量计，所述第一六通阀外接有第一压力表和第一稳压罐；

所述油液加载通道包括油泵和混合罐，所述油泵与所述混合罐之间依次设有第二六通阀、第二液体流量计以及第二压力表，所述第二六通阀外接有第二稳压罐；

所述混合罐通过管道与所述矩形垫块中部开设的“倒l”第一通孔连接实现水液体加载和油液流体加载。

由上，油泵在与混合罐相连的同时还通过轴压加载管道与轴压油缸相连，在实现液体渗流实验的同时还能为试件提供稳定的轴压加载。

可选的，所述气体加载通道包括气泵和混合罐，所述气泵与所述混合罐之间依次连接有第三六通阀、第一气体流量计和第三压力表，所述第三六通阀外接有第三稳压罐；

所述混合罐通过管道与所述矩形垫块中部开设的“倒l”第一通孔连接气体加载。

由上，气泵在与混合罐相连的同时还通过围压加载管道穿过第四通孔达到缸体内部，在实现气体渗流实验的同时还能为试件提供稳定的围压加载。

可选的，所述气液分离与收集系统包括背压调节器和气液分离器，所述背压调节器通过所述凸形垫块中部开设的“l”形第二通孔用管道与所述岩石试件相连；

所述气液分离器的一端与所述背压调节器相连接，其另一端与第二气体流量计相连接，所述第二气体流量计另一端设置有气相色谱分析仪。

由上，矩形垫块与凸形垫块中部分别开有“l”形通孔，通过管道分别与混合罐以及背压调节器相连接，更方便的实现对试件的渗流实验。

可选的，所述凸形垫块的底端设有凹形垫板，所述凸形垫块的凸处装嵌于所述凹形垫板的凹处，所述凹形垫板的底端固定于所述缸体的底部。

由上，能将试件更稳定的固定在缸体内。

可选的，所述气液分离器的下端设有集液瓶。

由上，本发明提供的实验装置可以进行单项渗流实验测定绝对渗透率，也可以进行原始水饱和煤层中气液两相相对的渗透流动和模拟注水驱煤层瓦斯过程中的气液相对渗流情况的两相渗流实验，同时还可以进行三相渗流实验测定有效渗透率。本发明的扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置能够一泵两用，节约资源，同时在常规压力室内部添加一种变形扰动杆，通过激振器实现横向扰动，可以真实模拟实际工程中岩石所受到的扰动影响及多相流体对岩石渗透率的影响。另外，通过第二六通阀控制轴压，通过第三六通阀控制围压，通过第一六通阀、第二六通阀、第三六通阀的共同作用控制渗透压，从而能够更加精确的得到岩石在实际工程中的相关系数及渗透率演化规律。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明优选实施例的扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置的结构示意图。

图中：1-水泵；2-油泵；3-气泵；4-混合罐；5-第一六通阀；6-第二六通阀；7-第三六通阀；8-第一压力表；9-第二压力表；10-第三压力表；11-第四压力表；12-第五压力表；13-过滤器；14-第一液体流量计；15-第一气体流量计；16-第二液体流量计；17-第一稳压罐；18-第二稳压罐；19-第三稳压罐；20-轴压加载管道；21-围压加载管道；22-轴压油缸；23-梯形轴压伸缩杆；24-矩形垫块；25-岩石试件；26-凸形垫块；27-凹形垫板；28-第一通孔；29-第二通孔；30-第三通孔；31-第四通孔；32-第五通孔；33-第一扰动杆；34-第一激振器器；35-第一激振器底座；36-第二扰动杆；37-第二激振器；38-第二激振器底座；39-背压调节器；40-气液分离器；41-第二气体流量计；42-色谱分析仪；43-集液瓶；44-集液口；45-缸体；46-第一电缆；47-第二电缆。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

需要说明，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1所示，本发明的扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置包括：水泵1，所述水泵1通过不锈钢高压管与混合罐4相连，所述混合罐4的下端设有集液口44并且与所述水泵1之间从左向右依次设有第一六通阀5、过滤器13、第一液体流量计14，所述第一六通阀5外接有第一压力表8和第一稳压罐17。

所述混合罐4还接有油泵2和气泵3，所述油泵2与所述混合罐4之间依次设有第二六通阀6、第二液体流量计16以及第二压力表9，所述第二六通阀6外接有第二稳压罐18以及由不锈钢高压管制成的轴压加载管道20，所述轴压加载管道20上设有第五压力表12并与轴压油缸22相连，所述油泵2、第二六通阀6、轴压加载管道20和轴压油缸22构成轴压加载系统。油泵2在与所述混合罐4相连的同时还通过所述轴压加载管道20与所述轴压油缸22相连，在实现渗流实验的同时还能为岩石试件25提供稳定的轴压加载。

所述气泵3与所述混合罐4之间依次连接有第三六通阀7、第一气体流量计15、第三压力表10，所述第三六通阀7外接有第三稳压罐19和由不锈钢高压管制成的围压加载管道21，所述围压加载管道21上外接有第四压力表11并穿过缸体45的第四通孔31，所述气泵3、第三六通阀7和围压加载管道21共同组成围压加载系统。气泵3在与所述混合罐4相连的同时还通过所述围压加载管道21穿过所述第四通孔31达到所述缸体45的内部，在实现渗流实验的同时还能为岩石试件25提供稳定的围压加载。

轴压加载系统中的轴压油缸22固定于所述缸体45的顶板上，为了防止漏气，所述轴压油缸22与所述缸体45的连接处用电工胶带加以密封，所述轴压油缸22通过所述轴压加载管道20与所述第二六通阀6相连接，轴压油缸22的梯形轴压伸缩杆23贯通所述缸体45上顶板与所述轴压油缸22相连，所述梯形轴压伸缩杆23的下端为矩形垫块24，所述矩形垫块24中部开设有“倒l”第一通孔28，所述矩形垫块24与凸形垫块26之间为纵向设置的岩石试件25，所述凸形垫块26中部开设有“l”形第二通孔29，所述第二通孔29的入口端与所述第一通孔28下端正对，所述凸形垫块26的凸处装嵌于凹形垫板27的凹处，所述凹形垫板27的下端固定于缸体45的底部，所述缸体45左侧上部开设有与所述第一通孔28入口处正对的第三通孔30，穿过所述第三通孔30，所述第一通孔28通过管道与所述混合罐4连接实现流体加载，所述缸体45左侧中部开设有用于加载围压的第四通孔31，所述第四通孔31通过所述围压加载管道21与所述第三六通阀7相连接，所述缸体45右下方开有第五通孔32，所述第五通孔32与所述“l”形第二通孔29的出口端正对，穿过所述第五通孔32，所述第二通孔29通过管连接至气液分离与收集系统的背压调节器39，为了保证所述缸体45的密封性，分别将所述第三通孔30、第四通孔31、第五通孔32与管道的接触处用电工胶带加以密封。其中，所述水泵1和混合罐4构成水加载通道，在水加载通道上依次设置有第一六通阀5、过滤器13、第一液体流量计14，所述第一六通阀5外接有第一压力表8和第一稳压罐17。所述油泵2和混合罐4构成油液加载通道，在油液加载通道上依次设置有第二六通阀6、第二液体流量计16以及第二压力表9，所述第二六通阀6外接有第二稳压罐18，并且水加载通道和油液加载通道共同构成本发明的流体加载通道。所述气泵3和混合罐4构成气体加载通道，在气体加载通道上依次连接有第三六通阀7、第一气体流量计15和第三压力表10，所述第三六通阀7外接有第三稳压罐19。通过上述的流体加载通道和气体加载通道分别向岩石试件25注入液体和气体，真实模拟实际工程中岩石所受到的多相流体对岩石渗透率的影响。

缸体45的底部左右两端分别设置有第一激振器底座35和第二激振器底座38，所述第一激振器底座35和第二激振器底座38上方分别设置有第一激振器34和第二激振器37，所述第一激振器34和所述第二激振器37上方分别设置有“l”形第一扰动杆33和第二扰动杆36，所述第一扰动杆33和第二扰动杆36末端连接至所述岩石试件25的中部，所述第一激振器34和第二激振器37均采用高精度激振器，可以为岩石试件25提供不同幅值，不同频率的扰动，所述第一激振器34的下端接有安装在缸体45的底部并且穿过所述第一激振器底座35的第一电缆46，所述第二激振器37的下端接有安装在装置底部并且穿过所述第二激振器底座38的第二电缆47，通过电缆实现扰动荷载。上述第一激振器底座35和第二激振器底座38、第一激振器34和第二激振器37和第一扰动杆33和第二扰动杆36构成扰动系统，以对岩石试件25提供不同幅值、不同频率的扰动，真实模拟实际工程中岩石所受到的扰动影响。

本发明中的气液分离与收集系统包括背压调节器39和气液分离器40，所述背压调节器39通过所述第二通孔29和所述第五通孔32用管道与所述岩石试件25相连。所述气液分离器40的左端与所述背压调节器39相连，气液分离器40的下端设置有集液瓶43，所述气液分离器40的右端连接有第二气体流量计41，所述第二气体流量计41的右端设置有气相色谱分析仪42。

本发明提供的实验装置可以进行单项渗流实验测定绝对渗透率，也可以进行原始水饱和煤层中气液两相相对的渗透流动和模拟注水驱煤层瓦斯过程中的气液相对渗流情况的两相渗流实验，同时还可以进行三相渗流实验测定有效渗透率，下面通过实施例具体说明。

实验方案：“油-水-气”三相系统渗流实验，具体操作步骤如下：

一、按图1所示的结构将实验装置进行组装，检查实验装置各处密封性，确保装置正常工作。

二、制备岩石试件，将岩石试件25烘干后纵向设置于所述矩形垫块24与凸形垫块26之间，为保证试件的气密性，防止实验过程中出现漏气漏液现象，将一段圆管状热缩管套在岩石试件25上，用电吹风将热缩管均匀吹紧，以保证二者均匀贴紧。

三、根据试验要求计算试件所需轴压及围压，打开所述第二六通阀6，向轴压油缸22内注油，实验用油为煤油，通过观察第五压力表12以及调整第二六通阀6将轴压调整至试验所需要求后关闭第二六通阀6保证轴压恒定。

四、打开所述第三六通阀7向缸体45内注入气体，实验所用气体为高纯度氮气，通过观察第四压力表11以及调节第三六通阀7将围压调整至试验所需要求后关闭第三六通阀7保证围压恒定。

五、打开激振器，为岩石试件25提供试验所需扰动。

六、打开第三六通阀7采用恒压对已润湿处理的试件进行油饱和处理，持续时间为72小时。

七、待饱和完毕后根据实验要求调节背压调节器39达到试验所需压差后，开启第一六通阀5向岩石试件25注水，试验用水为蒸馏水，根据试验要求调整注水时间，注水方式根据实际所需可以采用恒压注入或恒流注入两种方式。

八、注水完毕后关闭第一六通阀5，打开第三流通阀7向岩石试件25中注入气体，同时打开气液分离器40，根据实际试验要求可以采用恒压注入气体或恒流注入气体两种方式。

九、每隔10分钟记录气体及混合液体的流出量，待不再有水油流出后关闭第一六通阀5，记录第二气体流量计41得到的测量结果并将收集到的混合液体通过静止、分层、萃取得到水和油的相应体积加以记录。

十、打开混合罐4下端设置的集液口44，收集混合罐内残留的液体体积，通过上述方式分别得到水、油的体积。

十一、通过第一气体流量计15记录的数据得到气体流入量，通过第一液体流量计14、第二液体流量计16记录的数据分别与与混合罐内残留的水、油体积作差得到水和油流入量，通过达西定律分别算出气、水、油的有效渗透率。

十二、通过设置不同的轴压、围压、扰动频率及扰动幅值进行多次试验，测得相应数据得出试验规律。

本发明中的混合罐4开有四个通口分别与所述油泵2、气泵3、水泵1和缸体45相连接，可以实现单相渗流实验、两相渗流实验以及三相渗流实验，同时所述混合罐4的下端设置有集液口44，方便测量实验过程中残留在混合罐内的液体，提高实验精度。

另外，在实验过程中为保证实验气密性，在开有通孔的位置使用电工胶带加以密封，保证实验装置的气密性，同时激振器幅值不宜设置过大，防止对所述缸体产生扰动影响，影响实验结果。

本发明的扰动作用下岩石多场、多相渗流实验装置的油泵在与混合罐相连的同时还通过轴压加载管道与轴压油缸相连，在实现液体渗流实验的同时还能为试件提供稳定的轴压加载，气泵在与混合罐相连的同时还通过围压加载管道穿过第四通孔达到缸体的内部，在实现气体渗流实验的同时还能为试件提供稳定的围压加载，能够一泵两用节约资源，同时在常规压力室内部添加一种变形扰动杆，通过激振器实现横向扰动，可以真实模拟实际工程中岩石所受到的扰动影响及多相流体对岩石渗透率的影响。另外，通过第二六通阀控制轴压，通过第三六通阀控制围压，通过第一六通阀、第二六通阀、第三六通阀的共同作用控制渗透压，从而能够更加精确的得到岩石在实际工程中的相关系数及渗透率演化规律。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。