一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统及方法

摘要

本发明公开了一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统及方法，包括底座、承压筒、试样组件和数据采集处理系统，试样组件包括上压头、下压头、试样、密封层和检测电极，上压头、试样和下压头从下至下依次同轴设置、且上压头与试样之间和试样与下压头之间均设有透水石，试样组件的下压头与底座固定，试样组件的上压头与活塞杆接触；多个检测电极分布安装在试样侧表面形成电极阵列；上压头的两侧和下压头的两侧均对称设有凸缘，密封层将上压头、下压头、试样、凸缘和检测电极包裹密封；能有效对试样侧表面呈电极阵列分布的检测电极进行密封，防止围压液进入试样内部，从而实现在三轴试验中运用反演成像法进行三维电阻率测量，保证测量结果准确性。

权利要求

1.一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，其特征在于，采用的高压三轴电阻率测试系统包括底座、承压筒、试样组件、活塞杆、两个渗透水管和数据采集处理系统，承压筒固定在底座上，承压筒和底座内部形成三轴室，试样组件处于三轴室内，活塞杆一端从承压筒顶部伸入三轴室内，两个渗透水管处于三轴室内、且其一端均通过底座伸出三轴室，所述试样组件包括上压头、下压头、试样、密封层和多个检测电极，上压头、试样和下压头从下至下依次同轴设置、且上压头与试样之间和试样与下压头之间均设有透水石，试样组件的下压头与底座固定，试样组件的上压头与活塞杆接触；多个检测电极分布安装在试样侧表面形成电极阵列；上压头的两侧和下压头的两侧均对称设有凸缘，密封层将上压头、下压头、试样、凸缘和检测电极包裹密封；上压头内的渗透水孔一端通过穿管螺栓伸出密封层与其中一个渗透水管另一端连通；下压头内的渗透水孔一端通过穿管螺栓伸出密封层与另一个渗透水管另一端连通；数据采集处理系统通过导线穿过底座和密封层后分别与各个检测电极连接，导线与底座连接处通过电极插头进行密封，具体步骤为：步骤一：制备试样密封液

选用硬化后硬度在20 40度的液体硅胶作为试样密封液，将足够量的密封液倒入敞口~

容器中，将容器放入抽真空装置中，对密封液抽真空1小时，完成后备用；

步骤二：检测电极布置

先将导线焊接于检测电极的一侧，根据电极阵列所需的布置方式，采用导电胶将各个检测电极粘贴于试样侧表面，导电胶涂抹面积与电极面积相同；

步骤三：试样组件的组装

待导电胶固化后，将上压头、下压头、透水石和试样按照设定的位置进行排布，完成后置于三瓣模上，使各部件的轴线共线，用G型夹卡在上、下压头两端中心，调节G型夹中螺杆的长度，使各部件充分贴合，夹紧程度以能够提起后不掉落为准，最后在导线上距检测电极

5mm以外的部位缠上纸胶带；

步骤四：浸液密封

用G型夹提起试样组件并将其完全浸入步骤一制备的密封液中，在密封液中停留1分钟，将试样组件提出后悬挂于恒温箱中，恒温箱温度控制在40℃ 50℃之间，放置10分钟后~

再次将试样组件浸入密封液中1分钟，以增加试样表面密封液的厚度，如此重复，直至试样表面的密封液厚度达到所需值，最后置于恒温箱中24小时，使其表面的密封液充分固化，最终形成密封层，所述密封层厚度控制在1 3mm之间；

~

步骤五：密封层处理

待密封液完全固化后，采用刀具分别将G型夹与上压头和下压头连接处的密封层划开，取掉G型夹，将上压头顶部的密封层、下压头凸缘以下侧面及下表面的密封层采用刀具割掉，最后将导线上的纸胶带取掉，此时试样组件的密封工作全部完成；

步骤六：测试系统组装

首先，将密封好的试样组件通过下压头固定于底座上，将导线通过电极接头穿出底座与数据采集处理系统连接，将两个渗透水管分别通过穿管螺栓与上压头和下压头的渗透水孔连通，随后将承压筒与底座密封连接，调整活塞杆使其下端与上压头顶部刚好接触；向三轴室内注入围压液后，完成整个测试系统组装；

步骤七：电阻率测试

根据测试所需的加载值，对试样进行三轴加载，打开数据采集处理系统，采用网络并行电法对电极阵列中的电极电位进行采集，将采集的数据解译后进行三维反演成像，最终得到该试样在三轴加载状态下的三维视电阻率图像，从而根据图像对其渗流情况进行分析。

2. 根据权利要求1 所述的考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，其特征在于，所述上压头和下压头均为绝缘材料，且上压头和下压头的直径均与试样直径相同。

3. 根据权利要求1 所述的考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，其特征在于，所述上压头高度为50mm，凸缘处于距上压头的顶部10mm处、且其厚5mm、宽10mm；

下压头高度为70mm，凸缘处于距下压头的底部35mm处、且其厚5mm、宽10mm。

4. 根据权利要求1 所述的考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，其特征在于，所述多个检测电极呈三维排布组成电极阵列，每个检测电极均通过导电胶固定。

5. 根据权利要求4 所述的考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，其特征在于，所述电极阵列平行于试样轴线方向布置列，列间夹角均为90°，每列为6 10个检~

测电极，环向布置3圈，每圈为8 12个检测电极。

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说明书

一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高压三轴电阻率测试系统及方法，具体是一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统及方法。

背景技术

[0002] 通过测量试样的电阻率来反映岩土材料的物理力学特性是一种常用的物理测试手段，在三轴试验中，测量试样的电阻率可研究不同条件下材料的电阻率特性，对电法勘探
具有重要的指导意义。

[0003] 电阻率测试的精度决定了其反映指标的准确性。目前三轴试验中电阻率主要的测试方法是二相电极法，即在试样的上下两端布置电极，通过测量试样两端的电压、电流，根
据欧姆定律换算得到试样的电阻率，然而该种方法仅能测得试样的平均电阻率，无法得到
试样内部不同位置的电阻率分布。电阻率反演成像法是测量电阻率的一种新方法，即在试
样的侧面布置电极阵列，通过电阻率反演成像的方法得到试样中电阻率的分布规律。电阻
率反演成像法不仅可以直观的反映试样内部不同位置的电阻率，能够得到更多的有效信
息，同时可反映岩石的各向异性，较二相电极法更为优越，在单轴压缩试验中得到了应用，
然而，三轴试验试样所处环境条件不同于单轴试验，目前尚无法在三轴试验中运用反演成
像法进行电阻率测量。

[0004] 如果在三轴试验中运用反演成像法测量电阻率，电极的密封是首先要考虑的问题，如果密封不好，使围压液进入到试样内部，不仅影响电阻率测量的精确性，还会使试样
的力学性质受到影响；同时试样尺寸较小，电极间距较近，如果采用常规的乳胶膜包裹试
样，试验过程中试样中的液体会在试样表面聚集，影响电极之间的绝缘，进而影响电阻率精
确度；因此目前还没有一种能有效保证电极的密封性能的方式，进而无法实现在三轴试验
中运用反演成像法进行三维电阻率测量。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统及方法，能有效对试样侧表面呈电极阵列分布的检测电极进行密封，防止围压液
进入试样内部，从而实现在三轴试验中运用反演成像法进行三维电阻率测量，保证测量结
果准确性。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统，包括底座、承压筒、试样组件、活塞杆、两个渗透水管和数据采集处理系统，
承压筒固定在底座上，承压筒和底座内部形成三轴室，试样组件处于三轴室内，活塞杆一端
从承压筒顶部伸入三轴室内，两个渗透水管处于三轴室内、且其一端均通过底座伸出三轴
室，所述试样组件包括上压头、下压头、试样、密封层和多个检测电极，上压头、试样和下压
头从下至下依次同轴设置、且上压头与试样之间和试样与下压头之间均设有透水石，试样
组件的下压头与底座固定，试样组件的上压头与活塞杆接触；多个检测电极分布安装在试
样侧表面形成电极阵列；上压头的两侧和下压头的两侧均对称设有凸缘，密封层将上压头、
下压头、试样、凸缘和检测电极包裹密封；上压头内的渗透水孔一端通过穿管螺栓伸出密封
层与其中一个渗透水管另一端连通；下压头内的渗透水孔一端通过穿管螺栓伸出密封层与
另一个渗透水管另一端连通；数据采集处理系统通过导线穿过底座和密封层后分别与各个
检测电极连接，导线与底座连接处通过电极插头进行密封。

[0007] 进一步，所述上压头和下压头均为绝缘材料，且上压头和下压头的直径均与试样直径相同。

[0008] 进一步，所述上压头高度为50mm，凸缘处于距上压头的顶部10mm处、且其厚5mm、宽10mm；下压头高度为70mm，凸缘处于距下压头的底部35mm处、且其厚5mm、宽10mm。

[0009] 进一步，所述多个检测电极呈三维排布组成电极阵列，每个检测电极均通过导电胶固定。

[0010] 进一步，所述电极阵列平行于试样轴线方向布置列，列间夹角均为90°，每列为6～10个检测电极，环向布置3圈，每圈为8～12个检测电极。

[0011] 一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，具体步骤为：

[0012] 步骤一：制备试样密封液

[0013] 选用硬化后硬度在20～40度的液体硅胶作为试样密封液，将足够量的密封液倒入敞口容器中，将容器放入抽真空装置中，对密封液抽真空1小时，完成后备用；

[0014] 步骤二：检测电极布置

[0015] 先将导线焊接于检测电极的一侧，根据电极阵列所需的布置方式，采用导电胶将各个检测电极粘贴于试样侧表面，导电胶涂抹面积与电极面积相同；

[0016] 步骤三：试样组件的组装

[0017] 待导电胶固化后，将上压头、下压头、透水石和试样按照设定的位置进行排布，完成后置于三瓣模上，使各部件的轴线共线，用G型夹卡在上、下压头两端中心，调节G型夹中
螺杆的长度，使各部件充分贴合，夹紧程度以能够提起后不掉落为准，最后在导线上距检测
电极5mm以外的部位缠上纸胶带；

[0018] 步骤四：浸液密封

[0019] 用G型夹提起试样组件并将其完全浸入步骤一制备的密封液中，在密封液中停留1分钟，将试样组件提出后悬挂于恒温箱中，恒温箱温度控制在40℃～50℃之间，放置10分钟
后再次将试样组件浸入密封液中1分钟，以增加试样表面密封液的厚度，如此重复，直至试
样表面的密封液厚度达到所需值，最后置于恒温箱中24小时，使其表面的密封液充分固化，
最终形成密封层；所述密封层厚度控制在1～3mm之间；

[0020] 步骤五：密封层处理

[0021] 待密封液完全固化后，采用刀具分别将G型夹与上压头和下压头连接处的密封层划开，取掉G型夹，将上压头顶部的密封层、下压头凸缘以下侧面及下表面的密封层采用刀
具割掉，最后将导线上的纸胶带取掉，此时试样组件的密封工作全部完成；

[0022] 步骤六：测试系统组装

[0023] 首先，将密封好的试样组件通过下压头固定于底座上，将导线通过电极接头穿出底座与数据采集处理系统连接，将两个渗透水管分别通过穿管螺栓与上压头和下压头的渗
透水孔连通，随后将承压筒与底座密封连接，调整活塞杆使其下端与上压头顶部刚好接触；
向三轴室内注入围压液后，完成整个测试系统组装；

[0024] 步骤七：电阻率测试

[0025] 根据测试所需的加载值，对试样进行三轴加载，打开数据采集处理系统，采用网络并行电法对电极阵列中的电极电位进行采集，将采集的数据解译后进行三维反演成像，最
终得到该试样在三轴加载状态下的三维视电阻率图像，从而根据图像对其渗流情况进行分
析。

[0026] 与现有技术相比，本发明包括底座、承压筒、试样组件、活塞杆、两个渗透水管和数据采集处理系统相结合方式，具有如下优点：

[0027] 1、本发明中通过浸塑方式形成的密封层为一次成型，与导线之间密封效果较好，不会因为变形而引起围压液渗漏，同时密封层与压头之间贴合也更紧密，不易形成渗漏路
径；另外密封层与试样表面贴合紧密，阻止试样内部液体聚集在电极之间，有效提高测量结
果的精度。

[0028] 2、本发明中在上压头和下压头上均设置了凸缘，不仅增大了渗流路径，而且在三轴试验过程中能够限制在试样轴向上密封层与压头之间产生的错动，从而进一步防止围压
液渗入试样，保证密封层的密封效果。

[0029] 3、本发明将多个检测电极组成电极阵列，并且利用网络并行法进行电位信号数据采集，通过反演成像法不仅可以得到三轴试样内部电阻率整体的分布，还可根据电阻率图
像，对试样电阻率各向异性进行研究。另外多个检测电极采用轴向与环向结合的三维阵列
形式进行布置，利用较少的电极数量，获得了较高的电阻率成像精度，从而有效减少了需要
密封导线的数量在，增加密封稳定性。

附图说明

[0030] 图1是本发明测试系统的结构示意图；

[0031] 图2是本发明中电机阵列的分布示意图；

[0032] 图3是本发明中试样组件在密封前夹装状态的结构示意图；

[0033] 图4是本发明中试样组件及密封层的结构示意图。

[0034] 图中：1、三轴室；2、上压头；3、下压头；4、试样；5、透水石；6、导线；7、电极阵列；8、数据采集处理系统；9、密封层；10、承压筒；11、底座；12、活塞杆；13、渗透水管；14、电极接
头；15、凸缘；16、渗透水孔；17、穿管螺栓；18、三瓣模；19、检测电极；20、G型夹。

具体实施方式

[0035] 下面将对本发明作进一步说明。

[0036] 如图1至图3所示，一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统，包括底座11、承压筒10、试样组件、活塞杆12、两个渗透水管13和数据采集处理系统，承压筒10固定在底座
11上，承压筒10和底座11内部形成三轴室1，试样组件处于三轴室1内，活塞杆一12端从承压
筒10顶部伸入三轴室1内，两个渗透水管13处于三轴室1内、且其一端均通过底座11伸出三
轴室1，所述试样组件包括上压头2、下压头3、试样4、密封层9和多个检测电极18，上压头2、
试样4和下压头3从下至下依次同轴设置、且上压头2与试样4之间和试样4与下压头3之间均
设有透水石5，试样组件的下压头3与底座11固定，试样组件的上压头2与活塞杆12接触；多
个检测电极19分布安装在试样4侧表面形成电极阵列7；上压头2的两侧和下压头3的两侧均
对称设有凸缘15，密封层9将上压头2、下压头3、试样4、凸缘15和检测电极19包裹密封；上压
头2内的渗透水孔16一端通过穿管螺栓17伸出密封层9与其中一个渗透水管13另一端连通；
下压头3内的渗透水孔16一端通过穿管螺栓17伸出密封层9与另一个渗透水管13另一端连
通；数据采集处理系统8通过导线6穿过底座11和密封层9后分别与各个检测电极19连接，导
线6与底座11连接处通过电极插头14进行密封。

[0037] 进一步，所述上压头2和下压头3均为绝缘材料，且上压头2和下压头3的直径均与试样4直径相同。

[0038] 进一步，所述上压头2高度为50mm，凸缘15处于距上压头2的顶部10mm处、且其厚5mm、宽10mm；下压头3高度为70mm，凸缘15处于距下压头3的底部35mm处、且其厚5mm、宽
10mm。

[0039] 进一步，所述多个检测电极19呈三维排布组成电极阵列7，每个检测电极19均通过导电胶固定。

[0040] 进一步，所述电极阵列7平行于试样4轴线方向布置列，列间夹角均为90°，每列为6～10个检测电极19，环向布置3圈，每圈为8～12个检测电极19。

[0041] 一种考虑化学渗透的高压三轴电阻率测试系统的测试方法，具体步骤为：

[0042] 步骤一：制备试样密封液

[0043] 选用硬化后硬度在20～40度的液体硅胶作为试样密封液，将足够量的密封液倒入敞口容器中，将容器放入抽真空装置中，对密封液抽真空1小时，完成后备用；

[0044] 步骤二：检测电极布置

[0045] 先将导线焊接于检测电极19的一侧，根据电极阵列7所需的布置方式，采用导电胶将各个检测电极19粘贴于试样4侧表面，导电胶涂抹面积与电极面积相同；

[0046] 步骤三：试样组件的组装

[0047] 待导电胶固化后，将上压头2、下压头3、透水石5和试样4按照设定的位置进行排布，完成后置于三瓣模18上，使各部件的轴线共线，用G型夹20卡在上、下压头两端中心，调
节G型夹20中螺杆的长度，使各部件充分贴合，夹紧程度以能够提起后不掉落为准，最后在
导线上距检测电极5mm以外的部位缠上纸胶带；

[0048] 步骤四：浸液密封

[0049] 用G型夹20提起试样组件并将其完全浸入步骤一制备的密封液中，在密封液中停留1分钟，将试样组件提出后悬挂于恒温箱中，恒温箱温度控制在40℃～50℃之间，放置10
分钟后再次将试样组件浸入密封液中1分钟，以增加试样4表面密封液的厚度，如此重复，直
至试样4表面的密封液厚度达到所需值，最后置于恒温箱中24小时，使其表面的密封液充分
固化，最终形成密封层9；所述密封层9的厚度控制在1～3mm之间；

[0050] 步骤五：密封层处理

[0051] 待密封液完全固化后，采用刀具分别将G型夹20与上压头2和下压头3连接处的密封层9划开，取掉G型夹20，将上压头2顶部的密封层9、下压头3凸缘15以下侧面及下表面的
密封层9采用刀具割掉，最后将导线6上的纸胶带取掉，此时试样组件的密封工作全部完成；

[0052] 步骤六：测试系统组装

[0053] 首先，将密封好的试样组件通过下压头3固定于底座11上，将导线6通过电极接头14穿出底座11与数据采集处理系统8连接，将两个渗透水管13分别通过穿管螺栓17与上压
头2和下压头3的渗透水孔16连通，随后将承压筒10与底座11密封连接，调整活塞杆12使其
下端与上压头2顶部刚好接触；向三轴室1内注入围压液后，完成整个测试系统组装；

[0054] 步骤七：电阻率测试

[0055] 根据测试所需的加载值，对试样进行三轴加载，打开数据采集处理系统8，采用网络并行电法对电极阵列7中的电极电位进行采集，将采集的数据解译后进行三维反演成像，
最终得到该试样4在三轴加载状态下的三维视电阻率图像，从而根据图像对其渗流情况进
行分析。