一种基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量系统及方法与流程

本发明涉及岩石动态物理力学测量技术领域，特别是涉及一种改进的岩石材料原位渗流测量系统及测量方法。

背景技术：

石油、天然气等作为人类重要的能源来源，其开采量一直居高不下。由于浅层油气的开采殆尽，人们逐渐向非常规油气资源(深部石油、天然气)开采进军。然而，深部石油和天然气开采过程中存在的难度大、开采成本高等缺点制约着其发展。随着深部开采技术的不断进步，相关研究和工程实践表明增大地下深部岩体的渗透性是一种提高深部油气开采效率的有效手段。目前，水压致裂、爆破增渗以及超声波强化采油技术为主要的增渗方式。由于赋存条件复杂，深部岩石在爆破荷载作用后的力学行为难以实时监测，作用前后的渗透系数变化更是无法准确测量，而现存理论无法完全解释和预测深部岩石在动态荷载后的渗透性能变化规律。因此，需要通过室内试验的手段对深部赋存条件下岩石受到动态荷载作用后的渗透性能演化机理进行深入研究。在另一方面，由于地震以及爆破等动态荷载的作用，围岩或地下工程结构往往会产生不同程度的损伤，继而会对岩体的渗透性能造成影响，从而导致一系列地质灾害问题。因此，了解深部岩石在动态荷载作用下渗透性能演变规律是深部地质工程和岩土工程学科前沿的关键科学问题和亟待解决的重大课题。

目前，对于岩石渗透性能的研究全都依赖于实验研究。美国coretest公司开发的覆压孔隙度渗透率仪可以对岩心试样施加围压，并同时施加孔隙水压力，测量并计算岩石在高压下的孔隙度以及渗透率的变化。中国矿业大学研制的高温高压岩体三轴试验机在对岩石样品施加高温和高围压的同时，可以在试样两端施加具有一定压差的气体压力，从而通过测量气体流量来计算岩样的渗透率；此外，亦有mts815.02型岩石力学电液伺服系统，可以对岩样进行三轴加载并通过测量在孔隙压力梯度作用下的流体流量来获得其渗透系数。以上实验设备往往只能实现在渗透压力与静态或动态荷载耦合作用下岩石的力学性能测试，不能对深部赋存条件下动态荷载扰动后岩石的渗透系数进行测量。美国岩心公司生产的fdes-641型三轴驱替系统可以实现在围压状态下对岩样的渗透系数进行量测。以上测试系统仅能对岩石静态围压状态下的渗透系数进行测量，不能考虑动态冲击荷载影响后的渗透系数变化。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出了一种基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量系统及方法，实现不同地应力条件下岩石的动态冲击加载，并在加载前后分别进行渗透系数测量的岩石(类)材料原位渗流测量装置。

本发明的一种基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量系统，该系统包括平台19、分离式霍普金森压杆以及岩石材料原位渗流测量装置，所述分离式霍普金森压杆用于提供动态加载测试条件；

所述分离式霍普金森压杆的结构包括子弹23、入射杆21、动量陷阱25、透射杆22以及轴向预加载装置20，以上各部件均通过支座24固定于所述平台19上，所述岩石材料原位渗流测量装置安装在所述平台19上且位于入射杆21和透射杆22之间，所述轴向预加载装置20与所述改进的岩石材料原位渗流测量装置通过油管17与油泵18相连；子弹23被发射之后，与入射杆12发生对心碰撞从而产生一列压缩应力波，该应力波沿入射杆21传播至入射撞杆4后，再传递到样品6上，进而继续向透射撞杆5和透射杆22继续传播；

所述轴向预加载装置20用于提供预加载轴向应力，所提供的预加载轴向应力通过透射杆22传递到透射撞杆5上，进而传递到样品6上，以实现对样品6进行轴向应力的预加载；

所述改进的岩石材料原位渗流测量装置包括设置于平台19上的油缸1、入射立板2、透射立板3、入射撞杆4、透射撞杆5、热缩管7、密封瓦8、导轨支架9和导轨10，具体结构为：

入射立板2与导轨支架9分别通过螺栓和所述平台19固定相连；导轨支架9与入射立板2上固定连接有两根导轨10，在透射立板3的下部设置有两个与导轨10直径相同的圆孔，导轨10穿过透射立板3上的圆孔，从而为透射立板3提供支撑，并使得透射立板3可在导轨10上自由滑动；入射立板2与透射立板3之间安装有油缸1，所述入射立板2与所述透射立板3中心处皆设置有与所述入射撞杆4和所述透射撞杆5直径相同的圆孔，圆孔可供所述入射撞杆4和透射撞杆5穿过并沿杆件轴向自由运动；入射立板2、透射立板3以及油缸1通过穿过入射立板2与透射立板3的四个螺栓固定、夹紧；入射立板2与透射立板3的内侧设置有与油缸1内径和外径尺寸相同的环形凹槽，使得油缸1与入射立板2以及透射立板3镶嵌配合，使油缸1在工作时成为一个压力容器，其内部保持一定的压力；入射立板2上设置有注油孔15和排气孔16，注油孔15通过油管17与油泵18相连；当入射立板2、透射立板3油缸1夹紧后，通过油泵18与油管17通过注油孔15向油缸1内部注入液压油，油缸1内的空气通过排气孔16被排出，直至液压油充满油缸1，进而油缸1内的压力增加，实现对样品6进行预加围压加载；入射撞杆4和透射撞杆5内部中心设置有注水孔11，注水孔11一端从位于油缸1外部的入射撞杆4和透射撞杆5的外侧面处打通，通过水管12与伺服水压机13相连；注水孔11的另一端从位于油缸1内部的入射撞杆4和透射撞杆5的底面处打通。

本发明的一种基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将分离式霍普金森压杆与岩石材料原位渗流测量装置装配完备；

步骤2，将经过充分饱和的样品6夹持于密封瓦8与入射撞杆4与透射撞杆5之间，其外部使用热缩管7紧紧包裹；装载完成后，将透射立板3再次沿着导轨10向入射一侧移动，与油缸1紧密接触，将入射立板2、油缸1、透射立板3固定并夹紧；

步骤3，启动轴向预加载装置20对样品6预先施加小于1mpa的轴向应力，将其夹持稳定；完成轴向预压力施加后，油泵18通过注油孔15将油注入油缸1内，注油的同时排气孔15向外排气，排气孔15完成排气后开始排油，当排油流量均匀且稳定时，关闭排油阀门；启动油泵18向油缸1内的油施加压力，实现围压加载；同步调节油泵18、轴向预加载装置20以及伺服水压机13的压力大小，三者共同将压力施加到预定的压力值，施加压力过程中始终保持本装置油缸1内的压力与轴向预加载装置20中的压力同步增加，且轴向预加载装置20中的压力始终比油缸1内的压力略大；

步骤4，在施加围压后，通过伺服水压机13对样品6施加一定的压力差，使其渗流稳定，并维持压差不变测量其初始渗透系数；

步骤5，完成以上步骤后，即可通过分离式霍普金森杆对样品6进行动态加载，加载过程中需要严格控制荷载大小使得试样不被粉碎，通过动量陷阱25吸收多余的反射波，使得样品6仅受到单次应力波加载，通过记录伺服水压机的流量变化准确获得单次荷载作用后岩石样品渗透系数；

步骤6，若需要继续加载并测量渗透系数变化，重复步骤5；

步骤7，通过伺服水压机(或气压机)13卸除水压，通过油泵18卸除轴压，最后通过油泵18卸除围压，油缸1内的油通过排气孔15及油管17回收，拆除热缩管7，取出样品6。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明为研究深部赋存条件下岩石受到动态荷载作用后的渗透性能演化机理提供强有力的支撑，成果可为实际工程提供准确可信的实验参数，供工程设计和科研参考。

附图说明

图1为本发明的岩石材料原位渗流测量装置侧视图，

图2为本发明的的岩石材料原位渗流测量装置剖面俯视图，

图3为本发明的的岩石材料原位渗流测量装置正视图，

图4为本发明的一种基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量系统示意图，

附图标记：

1、油缸，2、入射立板，3、透射立板，4、入射撞杆，5、透射撞杆，6、样品，7、热缩管，8、密封瓦，9、导轨支架，10、导轨，11、注水孔，12、接线，13、伺服水压机(或气压机)，14、螺栓，15、注油孔，16、排气孔。17、油管，18、油泵，19、平台，20、轴向预加载装置，21、入射杆，22、透射杆，23、子弹，24、支座，25、动量陷阱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为本发明的限制。

如图1至3所示，为本发明的岩石材料原位渗流测量装置侧视图。该装置包括平台19以及设置于平台19上的油缸1、入射立板2、透射立板3、入射撞杆4、透射撞杆5、热缩管7、密封瓦8、导轨支架9和导轨10；具体结构描述如下：

平台19用于为上述部件提供支撑平台；入射立板2与导轨支架9分别通过螺栓和平台19固定相连；导轨支架9与入射立板2上的开孔处通过螺栓14固定连接有两根导轨10，在透射立板3的下部设置有两个与导轨10直径相同的圆孔，导轨10穿过透射立板3上的圆孔，从而为透射立板3提供支撑，并使得透射立板3可在导轨10上自由滑动，以保证实验装卸样品时方便拆卸立板和油缸。入射立板2与透射立板3之间安装有油缸1，入射立板2与透射立板3中心处皆设置有与入射撞杆4和透射撞杆5直径相同的圆孔，圆孔可供两个撞杆穿过并自由运动；入射立板2与透射立板3四周的合适位置处分别设置有四个与螺栓14的螺杆直径相同的圆孔，以保证入射立板2、透射立板3以及油缸1通过螺杆14进行固定并夹紧。

入射立板2与透射立板3的内侧设置有与油缸1内径和外径尺寸相同的环形凹槽，使得油缸1与入射立板2以及透射立板3镶嵌配合，由四个螺栓14拧紧固定，使油缸1在工作时成为一个压力容器，其内部保持一定的压力。

入射立板2上设置有注油孔15和排气孔16，注油孔15通过油管17与油泵18相连。当入射立板2、透射立板3和油缸1利用螺栓14夹紧后，可通过油泵18与油管17通过注油孔15向油缸1内部注入液压油，油缸1内的空气通过排气孔16被排出，直至液压油充满油缸1，进而油缸1内的压力增加，实现对样品6进行预加围压加载。

油缸1的工作压力可达60mpa。

入射撞杆4和透射撞杆5，内部中心设置有注水孔11。注水孔11一端从位于油缸1外部的入射撞杆4和透射撞杆5的外侧面处打通，通过水管12与伺服水压机(或气压机)13相连；注水孔11的另一端从位于油缸1内部的入射撞杆4和透射撞杆5的底面处打通。

所述岩石材料原位渗流测量装置在工作时，入射撞杆4一端和透射撞杆5的一端伸入油缸1内，两撞杆之间夹持有两片密封瓦8，密封瓦8之间夹持有样品6。热缩管7包裹住两片密封瓦8、样品6和两撞杆的一部分，以保证将样品与油缸1内部的液压油分隔。伺服水压机(或气压机)13可通过水管12向样品6内部孔隙注入孔隙流体并施加孔隙压力。密封瓦8的作用在于使得注水孔11内的液体可以自由进入到样品6的孔隙中去，而在样品6经过冲击破碎后，其碎片不会进入到注水孔11中而造成堵塞；入射撞杆4另一端和透射撞杆5的另一端分别与入射杆21和透射杆22接触，用于传递测试过程中的动态应力波荷载。

如图4所示，为本发明的一种基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量系统示意图。该系统包括分离式霍普金森压杆以及岩石材料原位渗流测量装置。

分离式霍普金森压杆的结构包括子弹23、入射杆21、动量陷阱25、透射杆22以及轴向预加载装置20，以上各部件均通过支座24固定于平台19上。岩石材料原位渗流测量装置安装在实验平台19上，位于入射杆21和透射杆22之间。轴向预加载装置20与岩石材料原位渗流测量装置通过油管17与油泵18相连。分离式霍普金森压杆用于提供的动态加载测试条件，轴向预加载装置20用于提供预加载轴向应力，岩石材料原位渗流测量装置将预加载轴向应力通过透射杆22传递到透射撞杆5上，进而传递到样品6上，以实现对试样进行轴向应力的预加载。子弹23被发射之后，与入射杆12发生对心碰撞从而产生一列压缩应力波，该应力波沿入射杆21传播至入射撞杆4后，再传递到样品6上，进而继续向透射撞杆5和透射杆22继续传播。

本发明的基于霍普金森杆的岩石材料原位渗流测量方法，具体包括以下步骤的工作过程描述如下：

步骤1，将分离式霍普金森压杆与岩石材料原位渗流测量装置按照图4装配完备，此过程中需要保证子弹23、入射杆21、动量陷阱25、透射杆22以及轴向预加载装置20均通过支座24固定于平台19上，且位于入射杆21和透射杆22之间，子弹23、入射杆21、透射杆22以及轴向预加载装置20以及入射撞杆4和透射撞杆5保证在同一轴线上；

步骤2，将经过充分饱和的样品6夹持于密封瓦8与入射撞杆4与透射撞杆5之间，其外部使用热缩管7紧紧包裹，如图2所示；装载完成后，将透射立板3再次沿着导轨10向入射一侧移动，与油缸1紧密接触，拧紧螺栓14。使用螺栓14将入射立板2、油缸1、透射立板3固定并加紧；

步骤3，启动轴向预加载装置20对样品6预先施加小于1mpa的轴向应力，将其夹持稳定。完成轴向预压力施加后，油泵18通过注油孔15将油注入油缸1内，注油的同时排气孔15向外排气，排气孔15完成排气后开始排油，当排油流量均匀且稳定时，关闭排油阀门。启动油泵18向油缸1内的油施加压力，实现围压加载。同步调节油泵18、轴向预加载装置20以及伺服水压机(或气压机)13的压力大小，三者共同将压力施加到预定的压力值。需要注意的是，施加压力过程中始终保持本装置油缸1内的压力与轴向预加载装置20中的压力同步增加，且轴向预加载装置20中的压力始终比油缸1内的压力略大；

步骤4，在施加围压后，通过伺服水压机(或气压机)13对样品6施加一定的压力差，使其渗流稳定，并维持压差不变测量其初始渗透系数；

步骤5，完成以上步骤后，即可通过分离式霍普金森杆对样品6进行动态加载，加载过程中需要严格控制荷载大小使得试样不被粉碎；此外，亦需要通过动量陷阱25吸收多余的反射波，使得样品6仅受到单次应力波加载；通过记录伺服水压机的流量变化可以准确获得单次荷载作用后岩石样品渗透系数。

步骤6，若需要继续加载并测量渗透系数变化，重复步骤5。

步骤7，实验完成后，首先通过伺服水压机(或气压机)13卸除水压，其次通过油泵18卸除轴压，最后通过油泵18卸除围压。油缸1内的油通过排气孔15及油管17回收。拆除热缩管7，取出样品6。