一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置

摘要

本发明涉及工程地质技术领域，特别涉及一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置与方法。蠕变试验装置包括试件装置系统、轴向加载系统、围压系统、气压加载系统、温度控制系统和数据采集系统。其中，所述试件装置系统，在试件的横向中央含有一道倾斜水泥砂浆夹层；纵向有穿透上下表面的孔道；孔道内表面覆盖一层树脂膜；从而达到解决封闭气体，实现有夹层且气压条件下岩石蠕变特性的测试。

权利要求

1.一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置，其特征在于，该装置实现气压作用下孔道岩石试件的蠕变测试；

所述蠕变试验装置包括试件装置系统、轴力加载系统、围压系统、气压加载系统、温度控制系统和数据采集系统；

所述试件装置系统的试件在横向中央含有一道倾斜水泥砂浆夹层，纵向有穿透上下表面的孔道，孔道内表面覆盖一层树脂膜；

所述试件装置系统包括上孔压压盘(29)、下孔压压盘(28)、岩石试件(30)和包裹上、下孔压压盘和岩石试件(30)四周的热缩管(38)；所述岩石试件(30)为圆柱体试件，其直径为

50mm，高度为80mm，在岩石试件(30)的横向中央含有一道倾斜水泥砂浆夹层(31)，岩石试件(30)的纵向中央，设有一道穿透上下表面的孔道(44)，所述水泥砂浆夹层(31)的厚度为

4mm，所述孔道(44)的直径为9mm，在孔道(44)的内壁上涂有一层厚为2mm的树脂膜(39)，涂有树脂膜(39)的孔道(44)内径为5mm；所述上孔压压盘(29)的直径为50mm，高度为80mm，在上孔压压盘(29)的中部有一个7字形孔道I(45)，所述7字形孔道I(45)的开口一端与岩石试件上表面的孔道口相通，另一端通过管道与气压加载装置相连；所述下孔压压盘(28)的直径为50mm，高度为80mm，在下孔压压盘(28)的中部有一个7字形孔道II(46)，所述7字形孔道II(46)的开口一端与岩石试件下表面的孔道口相通，另一端通过管道与稳压器(40)相连；

在岩石试件(30)与上、下孔压压盘(29)、(28)之间设置一道O型密封圈，岩石试件(30)和上、下孔压压盘(29)、(28)的四周套有热缩管(38)，在热缩管(38)的中央装有一道环向引伸计(32)。

2.根据权利要求1所述的蠕变试验装置，其特征在于，所述轴力加载系统包括加载轴(25)、轴力传感器(23)、三轴腔(33)、承压板(34)、底座(35)。

3.根据权利要求1所述的蠕变试验装置，其特征在于，所述围压系统包括三轴腔(33)与围压加载系统；三轴腔(33)内充有硅油，围压加载通过加载油缸(1)来实现。

4.根据权利要求1所述的蠕变试验装置，其特征在于，所述气压加载系统包括气压缸(9)和稳压器(40)，所述气压缸(9)与上孔压压盘(29)连接，所述稳压器(40)与下孔压压盘(28)连接。

5.根据权利要求1所述的蠕变试验装置，其特征在于，所述温度控制系统包括加热圈(24)、温度传感器(22)；加热圈(24)位于三轴腔(33)的外表面通过加热三轴腔(33)的壁面，利用热传导加热三轴腔内的硅油温度，对岩石试件(30)加热。

6.根据权利要求1所述的蠕变试验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括气压、轴向和环向应变、围压、轴压和温度数据的采集。

说明书

一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及工程地质技术领域，特别涉及一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置与方法。

背景技术

[0002] 带夹层的裂隙岩体是水利水电工程、采矿工程、铁路和公路建设工程、土木建设工程、石油工程、海洋勘探与开发工程等各种工程中经常遇到的复杂介质。近年来，世界各国对气体燃料的需求与日俱增，在能源总消耗中，天然气和石油气已占了很大比重，过去气体燃料大都储存在地面储气罐中，既费钢材，又不安全、经济，因此，天然气地下气库将成为必然趋势。北欧的瑞典、挪威已拥有大型地下油气库200余座，其中不少单库容量超过100万立方米，用于战略储备，法国有90天的战略储备系统，美国有1.5亿立方米的石油储备计划，日本有10多个石油储备基地，目前，全国已建成地下储气库20多座，国内已投运的储气库在环渤海、长三角、西南、中西部、西北、东北和中南地区均有分布。地下储气库中岩体裂隙，尤其岩体中含软弱夹层，是影响天然气地下储存长期安全性的重要因素，研究气压作用下孔道岩石试件的蠕变特性具有重要意义题。

发明内容

[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置与方法。

[0004] 本发明解决上述问题的技术方案是：一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置和一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验方法。

[0005] 一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验装置，包括试件装置系统、轴向加载系统、围压系统、气压加载系统、温度控制系统和数据采集系统。

[0006] 所述试件装置系统，在试件的横向中央含有一道倾斜水泥砂浆夹层；纵向有穿透上下表面的孔道；孔道内表面覆盖一层树脂膜。从而达到解决封闭气体，实现有夹层且气压条件下岩石蠕变特性的测试。

[0007] 所述试件装置系统，包括上孔压压盘29、下孔压压盘28、岩石试件30和包裹上、下孔压压盘和岩石试件30四周的热缩管38。所述岩石试件30为圆柱体试件，其直径为50mm，高度为80mm，在岩石试件30的横向中央含有一道倾斜水泥砂浆夹层31，岩石试件30的纵向中央，设有一道穿透上下表面的孔道44，所述水泥砂浆夹层31的厚度为4mm,所述孔道44的直径为9mm,在孔道44的内壁上涂有一层厚为2mm的树脂膜39，涂有树脂膜39的孔道44内径为5mm；所述上孔压压盘29的直径为50mm,高度为80mm，在上孔压压盘29的中部有一个7字形孔道I45，所述7字形孔道I45的开口一端与岩石试件上表面的孔道口相通，另一端通过管道与气压加载装置相连；所述下孔压压盘28的直径为50mm,高度为80mm,在下孔压压盘28的中部有一个7字形孔道II46，所述7字形孔道II46的开口一端与岩石试件下表面的孔道口相通，另一端通过管道与稳压器40相连；在岩石试件30与上、下孔压压盘29，28之间设置一道O型密封圈，岩石试件30和上、下孔压压盘29,28的四周套有热缩管38，在热缩管38的中央装有一道环向引伸计32；

[0008] 轴力加载系统包括加载轴25、轴力传感器23、三轴腔33、承压板34、底座35。

[0009] 围压系统包括三轴腔33与围压加载系统。三轴腔33内充有硅油，围压加载通过加载油缸1来实现。

[0010] 气压加载系统包括气压缸9和稳压器40，所述气压缸9与上孔压压盘29连接，所述稳压器40与下孔压压盘28连接。

[0011] 温度控制系统包括加热圈24、温度传感器22。加热圈24位于三轴腔33的外表面通过加热三轴腔33的壁面，利用热传导加热三轴腔内的硅油温度，对岩石试件30加热。

[0012] 数据采集系统包括气压、轴向和环向应变、围压、轴压和温度等数据的采集。

[0013] 一种气压作用下孔道岩石试件的蠕变试验方法，包括以下步骤：

[0014] (1)岩石试件的制作。试件由上下两岩块与夹层组成，首先用电钻在高100mm，直径为50mm的圆柱体岩石试件30的中央沿纵向钻取一个直径为10mm穿透上下表面的孔道44，用切割机沿上述岩石试件30横向倾斜地将试件切割成两半，获得横断面倾斜的上下两个岩块,在上下两岩块的倾斜横断面中央各粘贴一个电阻式应变片42，并预埋在水泥砂浆夹层31内,所述粘贴通过电线与电脑控制器37相连；夹层材料为水泥砂浆，其配合比为：水泥：砂子：水＝1:2:0.8；将上下岩块合拢，在孔道44内插入一根稍小于孔道内径的玻璃棒，将带玻璃棒的上、下岩块插入一根透明PVC管47内，所述透明PVC管47的直径略大于上、下岩块的直径，长度要比合拢的上、下岩块高度要长5cm，沿透明PVC管47纵向通长开一道宽度约为2cm的狭槽41，将上、下岩块沿透明PVC管47纵向拉开一段距离，在上、下岩块之间产生一个水平宽度为4mm的裂缝48，用夹具将透明PVC管47的两端夹住，确保上、下岩块固定在透明PVC管
47内不动。通过狭槽41将水泥砂浆灌注到上、下岩块之间的裂缝48内，并用小棒将裂缝48内的水泥砂浆捣密实，24小时后将透明PVC管47拆除，同时将玻璃棒从孔道中抽出，将岩石试件30放入水中养护28天，28后试件从水中取出，烘干后，将一根直径为5mm的铝棒插入到孔道44的中央，从铝棒与孔道44之间的约2mm的裂缝中倒入液态酚醛树脂，所述液态酚醛树脂内加入了一定量的固化剂和LCC无色促进剂，待树脂冷却定型之后再将铝棒抽出，在孔道44的内壁上形成了一层厚度约2mm树脂膜39。

[0015] (2)试件安装。将制备好的岩石试件30置于上孔压压盘29和下孔压压盘28之间，确保上、下孔压压盘29,28内的7字形孔道I，II45,46的开口与岩石试件30的孔道44上、下表面开口相通，并在岩石试件30与上、下孔压压盘29，28之间设置一道O型密封圈，再将热缩管38套在岩石试件30和上、下孔压压盘29,28的四周，风机热风均匀的吹热缩管38表面，直至热缩管38与岩石试件30和上、下孔压压盘29,28的四周表面贴合，将岩石试件和上、下孔压压盘一道置于三轴腔33的上刚性压盘26与下刚性压盘27之间，在岩石试件30外包的热塑管38中央安装一道环向引伸计32，以测试试验过程中岩石试件30的环向蠕变变形,同时在沿岩石试件纵向安装一道轴向引伸计43,以测试试验过程中岩石试件30的轴向蠕变变形。

[0016] (3)施加围压与轴压。将围压与轴压系统的各管道与电阻式应变片42的电路连接好，在电脑控制器37中设置围压值和围压施加速率的大小,围压施加完毕后，在电脑控制器37中设置轴压值和轴压施加速率的大小，从而实现对岩石试件的围压与轴压的施加。

[0017] (4)施加气压。将气压加载系统的各管道和线路连好，将气压缸9的出口气压调到设计值,同将稳压器44的压力表也调到设计值,气压缸9内高压气体通过上孔压压盘29的7字形孔道I45、岩石试件30的孔道44和下孔压压盘28的7字形孔道II46与稳压器40相连，确保岩石试件30的孔道44内的气压保持在设计值。

[0018] (5)设置试验温度。将电脑控制器37中温度设置到试验要求的温度值,加热圈24通过热传导加热三轴腔33内的硅油温度，从而使岩石试件30的温度加热至试验要求的温度值。

[0019] (6)数据采集。保持轴压、围压和温度不变，整个试验持续时间为90小时，在试验过程实时采集气体压力、岩石试件的轴向和环向应变、围压、轴压和温度等数据，采样间隔为1.0秒。

[0020] 本发明对现有技术产生的有益效果是：

[0021] 一种气压作用下含竖向孔道岩石试件的蠕变试验装置和方法，能完成气压作用下含夹层孔道岩石试件蠕变特性的科研工作，而且由于在孔道内壁有一层致密树脂膜，可以确保在蠕变试验过程中气体不会渗漏。

附图说明

[0022] 图1为装置结构示意图。

[0023] 图2为试件系统剖面图。

[0024] 图3为水泥砂浆夹层制备方法示意图。

[0025] 图4为在围压为10MPa，轴压为50MPa，孔隙压为3MPa和温度为50℃下，裂隙倾角为15°的岩石试件的轴向应变-时间曲线。

[0026] 图5为在围压为10MPa，轴压为50MPa，孔隙压为3MPa和温度为50℃下，裂隙倾角为30°的岩石试件的轴向应变-时间曲线。

[0027] 图6为在围压为10MPa，轴压为50MPa，孔隙压为8MPa和温度为50℃下，裂隙倾角为15°的岩石试件的轴向应变-时间曲线。

[0028] 图中：1、加载油缸，2、伺服电机，3、减速器，4、螺旋传动副，5、活塞，6、围压传感器，7、流量传感器Ⅰ，8、流量传感器Ⅱ，9、气压缸，10、气压表Ⅰ，11、气压表Ⅱ，12、阀门Ⅰ，13、阀门Ⅱ，14、阀门Ⅲ，15、数据线Ⅰ，16、数据线Ⅱ，17、数据线Ⅲ，18、数据线Ⅳ，19、数据线Ⅴ，20、数据线Ⅵ，21、数据线Ⅶ，22、温度传感器，23、轴力传感器，24、加热圈，25、加载轴，26、上刚性压盘，27下刚性压盘，28、下孔压压盘，29、上孔压压盘，30、岩石试件，31、水泥砂浆夹层，32、环向引伸计，33、三轴腔，34、承压板，35、底座，36、刚性垫块，37、电脑控制器，38、热缩管，
39、树脂膜，40、稳压器，41、狭槽，42、电阻式应变片，43、轴向引伸计，44、孔道，45、7字形孔道I，46、7字形孔道II，47、PVC管，48、裂缝。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

[0030] 一种气压作用下含竖向孔道岩石试件的蠕变试验装置，包括：试件装置系统、轴向加载系统、围压系统、气体压力加载系统、伺服控制系统和电脑控制器。

[0031] 所述试件装置系统包括上孔压压盘29、下孔压压盘28、岩石试件30和包裹上、下孔压压盘和岩石试件30四周的热缩管38。所述岩石试件30为圆柱体试件，其直径为50mm,高度为80mm,在岩石试件30的横向中央含有一道倾斜水泥砂浆夹层31，岩石试件30的纵向中央，设有一道穿透上下表面的孔道44，所述水泥砂浆夹层31的厚度为4mm,所述孔道44的直径为9mm,在孔道的内壁上涂有一层厚为2mm的树脂膜39，涂有树脂膜的孔道内径为5mm；所述上孔压压盘29的直径为50mm,高度为80mm,在上孔压压盘29的中部有一个7字形孔道I45，所述
7字形孔道I45的开口一端与岩石试件上表面的孔道口相通，另一端通过管道与气压加载装置相连；所述下孔压压盘28的直径为50mm,高度为80mm,在下孔压压盘的中部有一个7字形孔道II46，所述7字形孔道II46的开口一端与岩石试件下表面的孔道口相通，另一端通过管道与稳压器40相连；在岩石试件30与上、下孔压压盘29,28之间设置一道O型密封圈，岩石试件30和上、下孔压压盘29,28的四周套有热缩管38，在热缩管38的中央装有一道环向引伸计
32；

[0032] 轴力加载系统包括加载轴25、轴力传感器23、承压板34、底座35。通过加载轴25的上下运动对岩石试件30进行加载和卸载轴向应力，加载轴25上的轴力传感器把力的大小检测出来并传到电脑控制器37内，加载轴25作用于上刚性压盘26，通过上孔压压盘29，施加轴力给岩石试件30。

[0033] 围压系统包括三轴腔33与围压加载系统。三轴腔33内充有硅油，围压加载通过加载油缸1来实现，伺服电机2根据试验软件发出的指令转动通过减速器3带动螺旋传动副4的运动带动活塞5直线运动来调整油缸内的压力，安装在加载油缸1出油端的围压传感器6检测油压，传送到电脑控制器37内，电脑控制器37把压力的测量信号进行处理，并设置的压力数据进行比较，然后给出纠偏信号，使施加的压力值与设置的压力值趋于一致。

[0034] 气压加载系统包括气压缸9和稳压器40，所述气压缸9与上孔压压盘29连接，所述稳压器40与下孔压压盘28连接，所述气压缸9给岩石试件30的孔道44施加气压，所述稳压器40用来稳定孔道44内气压。

[0035] 温度控制系统包括加热圈24、温度传感器22。加热圈24通过加热三轴腔33的壁面，利用热传导加热三轴腔33内硅油温度，对岩石试件30加热，通过温度传感器22实时监测三轴腔33内的温度，并将其反馈至电脑控制器37。

[0036] 数据采集系统包括气压、轴向和环向应变、围压、轴压、温度和电阻式应变片42的数据采集，通过流量传感器Ⅰ7与电脑控制器37相连，实时监测气压数据；通过轴力传感器与电脑控制器37相连，实时监测控制轴压的大小，采集轴压数据；通过围压传感器与电脑控制器37相连，实时采集围压，通过温度传感器22与电脑控制器37相连，实时采集温度数据；通过轴向引伸计32与电脑37相连，实时采集轴向应变的数据；通过轴向引伸计43与电脑37相连，实时采集轴向应变的数据。

[0037] 实施例1：

[0038] 一种气压作用下含孔道岩石试件蠕变试验方法，包括以下步骤：

[0039] (1)岩石试件的制作。试件由上下两岩块与夹层组成，首先用电钻在高100mm，直径为50mm的圆柱体岩石试件30的中央沿纵向钻取一个直径为10mm穿透上下表面的孔道44，用切割机沿上述岩石试件30横向倾斜地将试件切割成两半，获得横断面倾斜的上下两个岩块，所述横断面的倾斜角度为15°，在上下两岩块的倾斜横断面中央各粘贴一个电阻式应变片42，并预埋在水泥砂浆夹层31内,所述粘贴通过电线与电脑控制器37相连；夹层材料为水泥砂浆，其配合比为：水泥砂浆中水泥采用的是425硅酸盐水泥，砂子用的是粒径在0.08mm以下的河沙，把水泥、砂子和水按体积比为1:2:0.8的比例配好；将上下岩块合拢，在孔道44内插入一根稍小于孔道内径的玻璃棒，将带玻璃棒的上、下岩块插入一根透明PVC管47内，所述透明PVC管47的直径略大于上、下岩块的直径，长度要比合拢的上、下岩块高度要长5cm，沿透明PVC管47纵向通长开一道宽度约为2cm的狭槽41，将上、下岩块沿透明PVC管47纵向拉开一段距离，在上、下岩块之间产生一个水平宽度为4mm的裂缝48，用夹具将透明PVC管
47的两端夹住，确保上、下岩块固定在透明PVC管47内不动。通过狭槽41将水泥砂浆灌注到上、下岩块之间的裂缝48内，并用小棒将裂缝内的水泥砂浆捣密实，24小时后将透明PVC管
47拆除，同时将玻璃棒从孔道中抽出，将岩石试件30放入水中养护28天，28后试件从水中取出，烘干后，将一根直径为5mm的铝棒插入到孔道44的中央，从铝棒与孔道44之间的约2mm的裂缝中倒入液态酚醛树脂，所述液态酚醛树脂内加入了一定量的固化剂和LCC无色促进剂，待树脂冷却定型之后再将铝棒抽出，在孔道44的内壁上形成了一层厚度约2mm树脂膜39。

[0040] (2)试件安装。将制备好的岩石试件30置于上孔压压盘29和下孔压压盘28之间，确保上、下孔压压盘29,28内的7字形孔道I，II45,46的开口与岩石试件30的孔道44上、下表面开口相通，并在岩石试件30与上、下孔压压盘29，28之间设置一道O型密封圈，再将热缩管38套在岩石试件30和上、下孔压压盘29,28的四周，风机热风均匀的吹热缩管38表面，直至热缩管38与岩石试件30和上、下孔压压盘29,28的四周表面贴合，将岩石试件和上、下孔压压盘一道置于三轴腔33的上刚性压盘26与下刚性压盘27之间，在岩石试件30外包的热缩管38中央安装一道环向引伸计32，以测试试验过程中岩石试件30的环向蠕变变形,同时在沿岩石试件纵向安装一道轴向引伸计43,以测试试验过程中岩石试件30的轴向蠕变变形。

[0041] (3)施加围压与轴压。将围压与轴压系统的各管道与电阻应变片42的电路连接好，在电脑控制器中设置围压为10MPa,施加速率为0.05MPa/s,围压施加完毕后，在电脑控制器中设置轴压为50MPa,施加速率为0.05MPa/s。

[0042] (4)施加气压。将气压加载系统的各管道和线路连好，将气压缸9的出口气压调到3MPa,同将稳压器40上压力表也调到3MPa,气压缸9内高压气体通过上孔压压盘的7字形孔道、含夹层圆柱体岩石试件中央孔道和下孔压压盘的7字形孔道与稳压器相连，确保含夹层圆柱体岩石试件中央孔道内的气压保持在3MPa。

[0043] (5)设置试验温度。在电脑控制器37中设置温度为50℃,加热圈24通过热传导加热三轴腔33内的硅油温度，将岩石试件30的达温度加热至50℃。

[0044] (6)数据采集。保持轴压、围压和温度不变，整个试验持续时间为90小时，在试验过程实时采集气体压力、试件的轴向和环向应变、围压、轴压和温度等数据，采样间隔为1.0秒。

[0045] 图4为在围压为10MPa，轴压为50MPa,孔隙压为3MPa和温度为50℃下，裂隙倾角为15°的岩石试件的轴向应变-时间曲线。

[0046] 实施例2：

[0047] 各实施步骤与实施例1基本上相同。不同之处在于：用切割机沿上述岩石试件30横向倾斜地将试件切割成两半，获得横断面倾斜的上下两个岩块，所述横断面的倾斜角度为30°。

[0048] 图5为在围压为10MPa，轴压为50MPa,孔隙压为3MPa和温度为50℃下，裂隙倾角为30°的岩石试件的轴向应变-时间曲线。

[0049] 实施例3：

[0050] 各实施步骤与实施例1基本上相同。不同之处在于：将气压缸9的出口气压调到8MPa,同将稳压器上压力表也调到8MPa。

[0051] 图6为在围压为10MPa，轴压为50MPa,孔隙压为8MPa和温度为50℃下，裂隙倾角为15°的岩石试件的轴向应变-时间曲线。