多联实验系统及其实验方法与流程

本发明属于岩石力学性能测试领域，特别涉及一种同时测量多个岩心的蠕变、渗透及其耦合的长期实验的实验系统和实验方法。

背景技术：

渗透率是描述流体在岩石等多孔介质材料内流动能力的重要表征参数；岩石的流变特性是描述在外力作用下岩石的变形性能；渗透率和流变特性在能源开采与储存、废弃物处置、水利工程、环境工程等众多领域均有着广泛的应用。

近些年来，随着经济的发展，非常规油气资源开采、co2地质封存、盐岩能源储备等工程活动愈加频繁，且人类工程活动逐渐向地球深部进军，深部岩石的渗透率极低、流变特性显著等问题成为阻挠人类进军地球深部的主要障碍之一。室内实验是研究岩石力学行为、渗流特征的重要手段，系统性的开展室内实验研究对于指导深部工程活动具有重要的指导意义。然而，由于深部岩石的渗透率极低，采用常规的实验方法测试渗透率时将会导致实验测量过程时间跨度较大、耗时长等；研究岩石的流变特性更是一个耗时巨大的工作；此外，岩石内部的非均质性使得岩心实验结果的离散性较大，一个岩心的实验结果不足以代表整批试样的力学行为，往往需要多次重复的工作以获得有效的数据点，《水利水电工程岩石试验规程(sl264-2001)》与《工程岩体试验方法标准(gb/t50266-2013)》等均要求每组试样的个数不少于3-5个。传统实验设备和实验方法每次实验只能采取一个试样进行研究，为了获得有效的实验数据，往往同类型实验需要连续测试几个月才能得到，有的蠕变实验甚至需要几年才能得到较好的研究结果，这在一定程度上限制了我国相关研究的进展。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多联实验系统，该实验系统可同时开展多个试样(≥2个)的岩石力学试验，同时开展测量多个岩心的蠕变、渗透及其耦合的长期实验，从而加快室内实验研究速度；本发明的另一目的是提供基于该实验系统的实验方法。

本发明的多联实验系统，可同时开展不低于2个试样的岩石力学综合实验系统，作为扩展性，该系统可根据研究人员需求将其简单的变成只进行单个试样试验的实验系统。

本发明所述实验系统，主要特点是多个实验单元共用一套围压加载管路和渗透上游管路，试样在实验过程中所受围压、渗透压分别由同一围压源、渗透源提供；每个实验单元的轴压系统单独连接一轴压加载泵；渗透下游各自单独连接至大气压或下游渗透储罐。

本发明所述实验系，由至少两个试验单元组成，每个实验结构包括矩形框架、三轴室、轴压室、上压杆、轴向加载构件、平衡台、支撑柱构成；

所述支撑柱固定在矩形框架底部，所述平衡台通过支撑柱水平固定支撑，所述三轴室和轴压室为一端封闭的圆筒形构件，分别固定在平衡台的上下表面与平衡态围成密闭空间，所述上压杆一端固定在矩形框架顶部，另一端通过三轴室顶部的通孔伸入三轴室内部，所述轴向加载构件由圆柱杆穿过水平圆盘构成，圆盘及圆盘以上的圆柱杆位于平衡台以上三轴室内，圆盘以下的圆柱杆穿过平衡台伸入轴压室内，与轴压室内设置的水平轴压板连接；

多个实验单元共用一套围压加载管路和渗透上游管路，试样在实验过程中所受围压和渗透压分别由同一围压源、渗透源提供；每个实验单元的轴压系统单独连接一轴压加载泵，渗透下游各自单独连接至大气压或下游渗透储罐。

进一步地，三轴室通过外部液压系统驱动，可沿上压杆上下移动，实现三轴室的开启和关闭。

进一步地，三轴室、轴压室与平衡台接触的端部边缘设置有用于设置螺栓孔，以便用螺栓将其与平衡台固定在一起的凸缘。

进一步地，所述平衡台为上表面设置有上凸台的圆柱形构件，上凸直径与三轴室内径相同，嵌入三轴室内，平衡台直径与三轴室加凸缘的外径相同。

进一步地，所述轴压板直径与轴压室内径与相同，且两者连接接触处有高压密封圈。

进一步地，所述轴压室下端设置有轴压加载孔，轴压加载孔通过管路与轴压泵相连，进而给轴压室加压，进一步给三轴室的试样加载；轴压室上端侧壁设有泄压孔，以便在轴向加载构件上移过程中排出轴压室内部空气。

进一步地，所述上压杆与三轴室连接接触处设置有高压密封圈，防止围压油沿上压杆渗漏；三轴室与平衡台间连接接触处设置有高压密封圈，防止围压油沿三轴室与平衡台间渗漏；轴向加载构件与平衡台连接接触处设置有高压密封圈；轴压室与平衡台连接接触处设置有高压密封圈。

进一步地，所述轴压室配套设置有上压头和下压头，上压头和下压头直径、上压杆直径、轴向加载装置的圆柱杆直径均相等，使用时，上下压头分别放置与岩石试件的上下两端，分别与上压杆、轴向加载构件的圆柱杆相接。

进一步地，各实验单元的下压头通过上游渗透管路与同一渗透系统连通，上压头通过下游渗透管路分别连至大气压或下游渗透储罐，各实验单元的三轴室通过围压管路与同一围压泵连通，从而向三轴室内施加围压。

进一步地，上游渗透管路设置有上游渗透储罐。

本发明所述实验系统，上压杆、平衡台、门式框架一起构成围压自平衡系统，轴压室、平衡台构成轴压自平衡系统，工作时通过围压管路向围压自平衡系统里充入液压油，进而利用围压泵升高围压自平衡系统里的液压油压力，从而向试件施加围压；利用轴压泵，通过轴压管路向轴压室与轴压板之间的空间内充入液压油，并推动轴压板向上运动，进而通过轴向加载构件对试样进行轴向加载。

本发明所述实验系统各实验单元的尺寸可不完全相同。

使用本发明所述多联实验系统进行岩石力学实验的方法，可同时开展不少于一个的岩石力学实验，特别是可同时在一套系统内开展2个以上的蠕变或渗透实验，同时测量多个岩心的蠕变、渗透及其耦合实验数据。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明组成模式简单，实验系统易于操作。

2、本发明的实验系统可以开展现行常规岩石力学实验系统难以进行的三轴伸长实验，即围压(σ3)大于轴压(σ1)，以更加真实的模拟地下储库的运营状态。

3、本发明的实验系统可以同时开展不少于一个试样(可以同时开展多个)的岩石力学实验(如单轴、三轴、渗透、流变等)，尤其是针对低渗岩石的渗透实验、流变类实验等耗时较长的实验，可以有效缩短其实验研究周期，加快实验研究进展。

4、本发明所述实验系统可以完成岩石的三轴伸长实验，可以同时在一套系统内开展2个以上的蠕变或渗透实验，极大的缩短实验周期。

附图说明

图1为本发明所述实验系统(三个实验单元)的正立面视剖图；

图2为本发明实施实例1的应力路径示意图。

图中，1—门式框架，2—三轴室，3—上压杆，4—轴压室，5—支撑柱，6—平衡台，7-1—试样下压头，7-2—试样上压头，8—岩石试样，9-1—三轴室锚固螺丝，9-2—轴压室锚固螺丝，10—密封圈，11—围压管路，12-1、12-2—分别为渗透上、下游管路，13—渗透上游储罐，14-1、14-2、14-3—分别为单元1、2、3的渗透截止阀，15-1、15-2、15-3—分别为单元1、2、3的围压截止阀，16-1—轴向加载构件，16-2—轴压板，17—泄压孔。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述实验系统所进一步说明。

以下实施例中实验系统由以3个实验单元构成的系统为例做说明，但该系统并不限于由3个单元组成，可以由1个及以上的单元组成，单元数量的上限由围压泵的工作能力确定。

下面通过实施实例对本发明所述多联实验系统的实验方法作进一步说明。

实施例1

本实施例所述实验系，由3试验单元组成，每个实验结构包括矩形门式框架1、三轴室2、轴压室4、上压杆3、轴向加载构件16-1、平衡台6、支撑柱5构成；

所述支撑柱固定在矩形框架底部，所述平衡台通过支撑柱水平固定支撑，所述三轴室和轴压室为一端封闭的圆筒形构件，分别固定在平衡台的上下表面与平衡态围成密闭空间，三轴室、轴压室与平衡台接触的端部边缘设置有用于设置螺栓孔，以便用螺栓将其与平衡台固定在一起的凸缘。所述平衡台为上表面设置有上凸台的圆柱形构件，上凸台直径与三轴室内径相同，嵌入三轴室内，平衡台直径与三轴室加凸缘的外径相同。所述上压杆一端固定在矩形框架顶部，另一端通过三轴室顶部的通孔伸入三轴室内部，三轴室通过外部液压系统驱动，可沿上压杆上下移动，实现三轴室的开启和关闭。所述轴向加载构件由圆柱杆穿过水平圆盘构成，圆盘及圆盘以上的圆柱杆位于平衡台以上三轴室内，圆盘以下的圆柱杆穿过平衡台伸入轴压室内，与轴压室内设置的水平轴压板通过螺钉连接。所述轴压板16-2直径与轴压室内径与相同，且两者连接接触处有高压密封圈。所述轴压室下端设置有泄压孔17，泄压孔通过管路与轴压泵相连，进而给轴压室加压，进一步给三轴室的试样加载；轴压室上端侧壁设有泄压孔，以便在轴向加载构件上移过程中排出轴压室内部空气。

多个实验单元共用一套围压加载管路和渗透上游管路，试样在实验过程中所受围压和渗透压分别由同一围压源、渗透源提供。各实验单元的下压头通过上游渗透管路12-1与同一渗透系统连通，上压头通过下游渗透管路12-2分别连至大气压或下游渗透储罐，各实验单元的三轴室通过围压管路11与同一围压泵连通，从而向三轴室内施加围压。每个实验单元的轴压室单独连接一轴压加载泵，渗透下游各自单独连接至大气压或下游渗透储罐。上游渗透管路设置有上游渗透储罐13。

所述上压杆与三轴室连接接触处设置有高压密封圈10，防止围压油沿上压杆渗漏；三轴室与平衡台间连接接触处设置有高压密封圈，防止围压油沿三轴室与平衡台间渗漏；轴向加载构件与平衡台连接接触处设置有高压密封圈；轴压室与平衡台连接接触处设置有高压密封圈。

所述轴压室配套设置有上压头7-2和下压头7-1，上压头和下压头直径、上压杆直径、轴向加载装置的圆柱杆直径均相等，使用时，上下压头分别放置与岩石试件的上下两端，分别与上压杆、轴向加载构件的圆柱杆相接。

实施例2：三轴伸长实验

1、提升三轴室2至门式框架1的顶端，将制好的圆柱形岩石试样8安装在轴向加载构件16-1上(岩石试件上下端放置上、下压头)，用氟氯橡胶膜同时包裹住岩石试样8、轴向加载构件16-1和上压杆3，并用可伸缩箍环箍紧氟氯橡胶膜的上下两端，防止围压油渗入；

2、降低三轴室2至平衡台6，锁紧三轴室锚固螺丝9-1，打开围压截止阀15-1、15-2、15-3(此处如果一批次只开展一个试样，则只需打开任意一个围压截至阀即可)，利用围压管路11向三轴室内充满围压油；

3、利用轴压泵、围压泵对试样分别施加轴压σ1和围压σ3至目标值，根据实验需要使得轴压σ1增加、减小或保持不变，本例中，保持轴压σ1不变，逐步增加围压σ3至试样破坏，实验过程中记录各项实验数据；

4、卸掉试样所受的围压、轴压，排空三轴室内部矿物油后，松开三轴室锚固螺丝9-1，提升三轴室2至门式框架1的顶端，拆掉岩石试样8，搽洗干净实验台面，完成一组三轴伸长实验。

实施例3：岩石渗透蠕变实验

1、提升三轴室2至门式框架1的顶端，将制好的圆柱形岩石试样8安装在试样下压头7-1和试样上压头7-2上，并将其放置与轴向加载构件16-1上，用氟氯橡胶膜同时包裹住岩石试样8、试样下压头7-1和试样上压头7-2，并用可伸缩箍环箍紧氟氯橡胶膜的上下两端，防止围压油渗入；

2、降低三轴室2至平衡台6，锁紧三轴室锚固螺丝9-1，打开围压截止阀15-1、15-2、15-3，利用围压管路11向三轴室内充满围压油；

3、利用轴压泵、围压泵对试样分别施加轴压σ1和围压σ3至目标值；利用围压泵保持单元1、2、3中试样所受的围压不变；分别利用轴压泵1、2、3保持单元1、2、3中试样所受的轴压不变，并记录轴压、围压以及试样的轴向、环向变形随时间的变化情况；

4、将真空泵连接上渗透上游管路12-1，打开渗透截止阀14-1、14-2、14-3，利用真空泵对系统进行抽真空处理，待真空抽取完成后，关闭渗透截止阀14-3，将渗透上游管路转接至渗透加载系统(可为气瓶、也可为渗透泵等)，打开渗透截止阀14-3，利用渗透加载系统使试样底端渗透压力至pi，关闭渗透截止阀14-1、14-2、14-3，记录渗透上游管路的压力随时间的变化情况；

5、待一级荷载施加完成后，利用轴压泵增加试样所受轴向压力至下一级研究目标值σ1’，打开渗透截止阀14-1、14-2、14-3，利用利用渗透加载系统使试样底端渗透压力至pi’，闭渗透截止阀14-1、14-2、14-3，记录渗透上游管路的压力随时间的变化情况；

6、重复第5步可完成不同应力水平下的岩石试样渗透下的流变实验；

7、实验结束后，卸掉试样所受的围压、轴压，排空三轴室内部矿物油后，松开三轴室锚固螺丝9-1，提升三轴室2至门式框架1的顶端，拆掉岩石试样8，搽洗干净实验台面。