一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法，属于岩石实验分析技术领域；包括真三轴压力容器、轴压加载、围压加载、孔隙压力加载入口和孔隙压出口；真三轴压力容器上段与孔隙压力加载入口相连，下端与孔隙压力加载出口相连；真三轴压力容器外壁上设有四个外接通道，两两对称地和围压加载系统相连；外接通道直接与真三轴压力容器围压腔相通；采用本发明专利技术可在岩石高温真三轴加载状态下研究气液单相渗流、气体驱替、吸附

【技术实现步骤摘要】
一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法


[0001]本专利技术涉及岩石实验分析
，具体为一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法。

技术介绍

[0002]随着煤炭等能源资源的开采深度逐渐向深部延伸，煤等岩石材料的岩石力学特性逐渐表现为高温高压控制下的粘弹塑性变形，原位条件下的高温高压岩石力学成为当今岩石力学的重要研究内容。原位条件下的岩石材料，处在较高温度场、高应力场和渗流场耦合作用下，不仅发生强度、变形、渗流等力学特性变化，还伴随有气体吸附-解吸、传热传质等特点。实验室内研究原位条件下岩石的力学特性、传热传质等特点时，大多以此设置相应的实验条件，进行相关的岩石力学实验。目前的岩石试验机大多不能同时进行如此多功能的系统性实验。实验过程复杂，实验结果往往不能互相匹配，使得对结果的对比分析及整体考量造成困难。因此，有必要研制一种多功能的适用于多场耦合作用下的岩石试验系统，既可以实现多场耦合作用下的岩石强度、变形、渗流等力学特性，还可以研究岩石的传热和传质特征。使其结果产生相关联性，以提高数据的科学性和准确性。

技术实现思路

[0003]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统及方法，目的在于同时模拟原位地层的高温、高地应力、渗流条件，对岩石试样进行真三轴加载，并在此加载状态下进行吸附-解吸、单相渗流、多相渗流、水-气两相流、气体驱替实验等，提高数据的相关联性和科学准确性。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，包括真三轴压力容器、轴压加载系统、围压加载系统，通过放置的试样将真三轴压力容器内部分割成四个独立的区域，两个位置相对的区域通过外接通道与一个围压加载系统相连接；两个围压加载系统分别位于相对的两个水平应力方向上。
[0005]所述的真三轴实验系统还包括孔隙压力加载入口系统和孔隙压出口系统，所述孔隙压力加载入口系统包括液体输入端、气体输入端和混合装置，所述液体输入端和气体输入端分别与混合装置连接后再通过第一管路与真三轴压力容器的上端相连通，所述第一管路上设置有控制阀；所述液体输入端包括加液装置和液体计量装置，用于向混合装置定量加入液体；所述气体输入端包括加气装置和压力控制装置，用于向混合装置定量加入气体。
[0006]所述孔隙压出口系统包括气液分离装置，以及分别与气液分离装置相连接的气体计量装置和液体计量装置；所述气液分离装置通过第二管路与真三轴压力容器的下端相连接，所述第二管路上设置有控制阀。
[0007]进一步的，所述轴压加载系统包括液体加压装置和压力检测装置，轴压加载系统通过管路与阀门与真三轴压力容器的上端相连，用于为岩石试样施加轴压，所述真三轴压
力容器在轴向方向上外接有轴向位移传感器，用于检测岩石试样在轴向方向的位移和变形。
[0008]进一步的，所述围压加载系统包括相串联的气-液混合式围压蓄能器、位移传感器和压力检测装置，围压加载系统通过管路和阀门与所述的外界通道相连。
[0009]进一步的，所述真三轴压力容器外部设置有加热装置，用于实现高温加载。
[0010]进一步的，所述真三轴压力容器的外壳为航空铝或碳纤维材料，所述真三轴压力容器连接显微CT装置，用于对试样在线扫描。
[0011]进一步的，所述真三轴压力容器设置有多个气体输入端口，用于同时并联多套气体输入装置。
[0012]一种采用所述多功能高温高压岩石真三轴实验系统的高温高压岩石真三轴实验方法，其特征在于，包括以下步骤：a）将试样装入真三轴压力容器内，向真三轴压力容器内注入围压液体，对试样施加围压；向真三轴压力容器内注入轴压液体，对试样施加轴压；保持试样的轴压和围压相等，使岩石试样处在静水压力状态。
[0013]b）待两个水平应力方向上围压加载系统的气液界面稳定以后，继续向真三轴压力容器内注入轴压液体，加载至指定轴压并维持稳定，模拟岩石的真三轴应力状态。
[0014]c）向混合装置内注入液体，混合均匀后由孔隙压入口注入试样；再向混合装置注入气体，混合均匀后由孔隙压力入口段注入试样。
[0015]d）打开孔隙压力出口端的阀门，使得气体或者液体经过试样形成完整渗流通道后，排入气液分离装置，分别用气体计量装置和液体计量装置来计量气体和液体排出量；将数据导出。
[0016]进一步的，通过对比两个水平方向上的试样变形，得出试样在真三轴应力状态下径向变形的各向异性。
[0017]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：（1）采用本专利技术系统，可以进行高温高压下的岩石真三轴岩石力学实验，并在加载状态下可研究：气体、液体单相渗流规律；气体驱替规律；吸附-解吸规律；竞争吸附规律；水-气两相渗流规律。
[0018]（2）本专利技术通过耦合各个系统的工作，使实验过程真实模拟岩石所处的复杂地质环境，实现最终检测数据的相关联性，提高检测数据的科学性及准确性。
[0019]（3）采用本专利技术系统，还可以同时测得岩石试样在第一水平方向和第二水平方向的径向变形，对比研究岩石试样在径向变形的各向异性特征。
[0020]（4）采用本专利技术系统，当真三轴岩石压力容器的外壳采用强度高、密度小的航空铝或碳纤维材料时，可以配合显微CT进行在线扫描，达到细观扫描的观测目的。
附图说明
[0021]图1是本专利技术所述多功能高温高压岩石真三轴实验系统的结构示意图。
[0022]图2是真三轴压力容器的剖面示意图。
[0023]图中，1-真三轴压力容器；2-搅拌器；3-气体减压阀；4-高压气瓶；5-气-液分离装置；6-气体计量计；7-液体计量计；8-轴向位移传感器；9-岩石试样；A1、A2-液体手动加压
泵；B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8-高精度数显压力表；C1、C2、C3-磁致伸缩位移传感器；X1、X2、X3-气液混合式蓄能器；F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10-阀门。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合实施例及附图详细说明本专利技术的技术方案，但保护范围不被此限制。
[0025]如图1所示，一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，包括真三轴压力容器1、轴压加载系统、围压加载系统、孔隙压力加载入口系统和孔隙压出口系统五部分组成。
[0026]真三轴压力容器1位于整个系统的中间位置；岩石试样9包裹在0.05 mm厚的紫铜套内，并置于真三轴压力容器1腔内。紫铜套将真三轴压力容器1内围压腔分割成四个独立的区域。真三轴压力容器1的外壁上设置有四个外接通道，外接通道内部分别直接与真三轴压力容器1的围压腔相通，外部两两对称地和围压加载系统相连。所述的围压加载系统设置在两个方向上：第一水平应力和第二水平应力方向上，分别对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，包括真三轴压力容器、轴压加载系统、围压加载系统，其特征在于，通过放置的试样将真三轴压力容器内部分割成四个独立的区域，两个位置相对的区域通过外接通道与一个围压加载系统相连接；两个围压加载系统分别位于相对的两个水平应力方向上；所述的真三轴实验系统还包括孔隙压力加载入口系统和孔隙压出口系统，所述孔隙压力加载入口系统包括液体输入端、气体输入端和混合装置，所述液体输入端和气体输入端分别与混合装置连接后再通过第一管路与真三轴压力容器的上端相连通，所述第一管路上设置有控制阀；所述液体输入端包括加液装置和液体计量装置，用于向混合装置定量加入液体；所述气体输入端包括加气装置和压力控制装置，用于向混合装置定量加入气体；所述孔隙压出口系统包括气液分离装置，以及分别与气液分离装置相连接的气体计量装置和液体计量装置；所述气液分离装置通过第二管路与真三轴压力容器的下端相连接，所述第二管路上设置有控制阀。2.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述轴压加载系统包括液体加压装置和压力检测装置，轴压加载系统通过管路与阀门与真三轴压力容器的上端相连，用于为岩石试样施加轴压，所述真三轴压力容器在轴向方向上外接有轴向位移传感器，用于检测岩石试样在轴向方向的位移和变形。3.根据权利要求1所述的一种多功能高温高压岩石真三轴实验系统，其特征在于，所述围压加载系统包括相串联的气-液混合式围压蓄能器、位移传感器和压力检测装置，围压加载系统通过管路和阀门与所述的外界通道相连。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡婷婷，苏晓玉，冯增朝，周动，赵东，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：