本發(fā)明涉及巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)，尤其涉及一種高壓多相流耦合巖石真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

溫室氣體的大量排放是影響全球氣候變暖的主要因素之一。CO₂捕集、封存與利用技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際上降低二氧化碳排放量的關(guān)鍵技術(shù)之一。地下深部咸水層、油氣資源開采廢棄井田、深海以及非常規(guī)油氣儲(chǔ)層（頁(yè)巖油氣、煤層氣和致密油等非常規(guī)資源）等場(chǎng)地作為二氧化碳封存主要場(chǎng)所。在CO₂地質(zhì)封存項(xiàng)目中對(duì)場(chǎng)地力學(xué)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)是必不可少的環(huán)節(jié)。CO₂地質(zhì)封存（CCS）、非常規(guī)油氣資源開發(fā)和二氧化碳鉆井及壓裂等地下工程均涉及巖石、水和二氧化碳的相互作用。近年來(lái)，多個(gè)兩相流力學(xué)耦合分析軟件應(yīng)運(yùn)而生，但由于缺乏含CO2-水兩相流體作用下巖石力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和本構(gòu)模型，數(shù)值模擬結(jié)果仍然不能滿足工程需求。為了提高數(shù)值分析與計(jì)算精度，有必要模擬深部?jī)?chǔ)層的應(yīng)力與空隙流體狀態(tài)，開展二氧化碳和水兩相流作用下砂巖的固結(jié)排水真三軸力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試和分析不同流體組分與壓力下巖石的力學(xué)特性，并探究高壓多相流耦合作用下巖石的力學(xué)特性相關(guān)參數(shù)的測(cè)定方法，為數(shù)值模擬力學(xué)本構(gòu)模型的建立和相關(guān)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定奠定基礎(chǔ)。此外，針對(duì)CO₂和水兩相流條件下巖石力學(xué)特性的相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和理論研究相對(duì)匱乏，CO₂與水耦合作用下巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則、損傷機(jī)理和本構(gòu)方程是有待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)高壓流體多相滲流耦合作用下巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試，充分考慮高壓流體對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，提供一種高壓多相滲流耦合巖石真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及其方法，可以研究CO2、N2、甲烷和水等高壓流體耦合作用下巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則、裂紋擴(kuò)展損傷演化機(jī)制及本構(gòu)關(guān)系等，為規(guī)?；疌O2地質(zhì)封存力學(xué)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)建立有效的理論模型及數(shù)值模擬方法奠定基礎(chǔ)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一、高壓多相流耦合巖石真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）

包括圍壓室、X方向壓軸、Y方向壓軸、加載墊塊、多孔隔板、Pcmax陶瓷板、O型密封圈、巖樣、聲發(fā)射傳感器、計(jì)算機(jī)、溫度調(diào)節(jié)水域、過(guò)濾器、孔隙二氧化碳計(jì)量泵、孔隙水計(jì)量泵、真空泵、控制器、位移支架和LVDT位移傳感器；

其位置和連接關(guān)系是：

在圍壓室的中心設(shè)置有巖樣，在巖樣的四周設(shè)置有加載墊塊，X方向壓軸壓緊左、右加載墊塊，Y方向壓軸壓緊前、后加載墊塊；在左、前加載墊塊上設(shè)置有位移支架，在右、后加載墊塊上設(shè)置有LVDT位移傳感器；左、右加載墊塊均設(shè)置有流體通道；在左加載墊塊內(nèi)設(shè)置有Pcmax陶瓷板，并通過(guò)型密封圈進(jìn)行密封；在左、右加載墊塊上內(nèi)嵌有多孔隔板；在后加載墊塊上設(shè)置有聲發(fā)射傳感器；

將巖樣的上下兩面抹膠密封；左、右加載墊塊通過(guò)氣體管路與過(guò)濾器相連；

過(guò)濾器分別與孔隙二氧化碳計(jì)量泵和孔隙水計(jì)量泵連接，孔隙二氧化碳計(jì)量泵和孔隙水計(jì)量泵共同連接于真空泵，將巖樣抽真空；孔隙二氧化碳計(jì)量泵和孔隙水計(jì)量泵分別通過(guò)控制器和計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)流體控制；

聲發(fā)射傳感器和LVDT位移傳感器分別與計(jì)算機(jī)連接，采集聲發(fā)射聲信號(hào)和位移信號(hào)。

二、高壓多相流耦合巖石真三軸試驗(yàn)方法（簡(jiǎn)稱方法）

本方法主要包括以下步驟：

①巖樣加工

將待測(cè)試巖石加工為長(zhǎng)×寬×高=100mm×50mm×50mm或80mm×40mm×40mm表面平整的立方體巖樣；

②巖樣密封

將巖樣放在左、右、前和后加載墊塊中心并夾緊，在巖樣上下兩面及棱角處均勻地涂抹一層密封膠，使得密封膠和加載墊塊完全包裹住巖樣，形成組合件；待密封膠風(fēng)干，才可進(jìn)行測(cè)試；

③管路連接

將含有巖樣的組合件放入圍壓室中間位置，并將X方向壓軸和Y方向壓軸壓緊加載墊塊；然后將加載墊塊上的二氧化碳和孔隙水管路分別與孔隙二氧化碳計(jì)量泵和孔隙水計(jì)量泵連接，管路需途徑溫度調(diào)節(jié)水域；

④系統(tǒng)氣密性檢查

在孔隙流體控制單元中，向密封的巖樣充入高壓力氣體，待壓力恒定后，關(guān)閉閥門，觀察壓力變化，如過(guò)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有下降，則氣密性良好；否則重復(fù)密封試樣及步驟③④，直至該單元密封性良好為止；

⑤抽真空

開啟真空泵，抽真空12小時(shí)，完成后先關(guān)閉氣路閥門再關(guān)閉真空泵，保持密封巖樣內(nèi)部真空狀態(tài)；

⑥預(yù)應(yīng)力加載

啟動(dòng)三軸壓力機(jī)加載系統(tǒng)，按照預(yù)先試驗(yàn)方案對(duì)巖樣施加預(yù)定的三軸應(yīng)力；

⑦孔隙流體加載

啟動(dòng)孔隙二氧化碳計(jì)量泵和孔隙水計(jì)量泵、溫度調(diào)節(jié)水域，先注入高壓孔隙水，并保持預(yù)定的壓力；待固結(jié)平衡后，注入高壓力孔隙二氧化碳，并保持預(yù)定的壓力，固結(jié)平衡時(shí)間保持24小時(shí)；

⑧試驗(yàn)測(cè)試

首先啟動(dòng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)單元和位移監(jiān)測(cè)單元，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的應(yīng)力路徑，控制和調(diào)節(jié)三軸壓力機(jī)和孔隙流體壓力，開展多相流耦合巖石真三種力學(xué)特性試驗(yàn)；

⑨整理設(shè)備

待完成測(cè)試后，首先將高壓氣體放出，再卸載應(yīng)力，取出試驗(yàn)后被破壞的巖樣，清理干凈圍壓室，關(guān)閉三軸壓力機(jī)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)單元和孔隙流體控制單元；

⑩試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

對(duì)保存在計(jì)算機(jī)中的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

①利用伺服控制真三軸應(yīng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和位移的精準(zhǔn)控制；

②利用流體計(jì)量泵能實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)流體壓力及巖樣飽和度的精確控制和測(cè)量，并能夠精確測(cè)量出流體的瞬態(tài)質(zhì)量、流量等參數(shù)；

③基于軸平移技術(shù)特殊設(shè)計(jì)的加載墊塊可以對(duì)巖樣施加多種流體，實(shí)現(xiàn)多相流體耦合模擬環(huán)境，并且可采用致密均質(zhì)巖石制作的高透氣隔板能夠形成10MPa以上得基質(zhì)吸力；

④利用真三軸應(yīng)力控制系統(tǒng)和孔隙流體控制系統(tǒng)能夠模擬出深部?jī)?chǔ)層巖體所處的真實(shí)應(yīng)力和孔隙流體狀態(tài)；

⑤利用加載墊塊上的LVDT位移傳感器可以精確測(cè)量出試樣的變形；

⑥聲發(fā)射傳感器可以接收孔隙介質(zhì)在加卸載過(guò)程中裂隙發(fā)育和擴(kuò)展產(chǎn)生的破壞信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多相孔隙介質(zhì)應(yīng)力、損傷和滲流強(qiáng)耦合研究；

⑦本系統(tǒng)可以獲取巖石在高壓二氧化碳和水耦合條件下的力學(xué)特性和變形機(jī)制研究。

總之，本發(fā)明可以研究深部采礦和深埋地質(zhì)工程所共同面臨的高壓多相耦合巖體變形破裂機(jī)理與斷裂滑動(dòng)誘發(fā)地震等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，并為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)與理論支撐。

附圖說(shuō)明

圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖（俯視，剖）；

圖2是本系統(tǒng)X方向上加載墊塊剖面示意圖；

圖3.1是左（右）加載墊塊的主視圖，

圖3.2是左（右）加載墊塊的俯視圖，

圖3.3是左（右）加載墊塊的左視圖；

圖4.1是多孔隔板的主視圖，

圖4.2是多孔隔板的俯視圖，

圖4.3是多孔隔板的左視圖。

圖中：

1—圍壓室；

2—X方向壓軸；

3—Y方向壓軸；

4—加載墊塊，

4-1—左加載墊塊，4-2—右加載墊塊，4-3—前加載墊塊，4-4—后加載墊塊；

5—多孔隔板；

6—Pcmax陶瓷板；

7—O型密封圈；

8—巖樣；

9—聲發(fā)射傳感器；

10—計(jì)算機(jī)；

11—溫度調(diào)節(jié)水域；

12—過(guò)濾器；

13—孔隙二氧化碳計(jì)量泵；

14—孔隙水計(jì)量泵；

15—真空泵；

16—控制器；

17—位移支架；

18—LVDT位移傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明：

一、系統(tǒng)

1、總體

如圖1、2，本系統(tǒng)包括圍壓室1、X方向壓軸2、Y方向壓軸3、加載墊塊4、多孔隔板5、Pcmax陶瓷板6、O型密封圈7、巖樣8、聲發(fā)射傳感器9、計(jì)算機(jī)10、溫度調(diào)節(jié)水域11、過(guò)濾器12、孔隙二氧化碳計(jì)量泵13、孔隙水計(jì)量泵14、真空泵15、控制器16、位移支架17和LVDT位移傳感器18；

其位置和連接關(guān)系是：

在圍壓室1的中心設(shè)置有巖樣8，在巖樣8的四周設(shè)置有加載墊塊4，X方向壓軸2壓緊左、右加載墊塊4-1、4-2，Y方向壓軸3壓緊前、后加載墊塊4-3、4-4；在左、前加載墊塊4-1、4-3上設(shè)置有位移支架17，在右、后加載墊塊4-2、4-4上設(shè)置有LVDT位移傳感器18；左、右加載墊塊4-1、4-2均設(shè)置有流體通道；在左加載墊塊4-1內(nèi)設(shè)置有Pcmax陶瓷板6，并通過(guò)O型密封圈7進(jìn)行密封；在左、右加載墊塊4-1、4-2上內(nèi)嵌有多孔隔板5；在后加載墊塊4-4上設(shè)置有聲發(fā)射傳感器9；

將巖樣8的上下兩面抹膠密封；左、右加載墊塊（4-1、4-2）通過(guò)氣體管路與過(guò)濾器12相連；

過(guò)濾器12分別與孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14連接，孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14共同連接于真空泵15，將巖樣8抽真空；孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14分別通過(guò)控制器16和計(jì)算機(jī)10連接，實(shí)現(xiàn)流體控制；

聲發(fā)射傳感器9和LVDT位移傳感器18分別與計(jì)算機(jī)10連接，采集聲發(fā)射聲信號(hào)和位移信號(hào)。

2、功能部件

1）圍壓室1

圍壓室1是一種不銹鋼制帶上蓋的密閉圓筒腔體；

其功能是：室內(nèi)充滿高壓油，可產(chǎn)生100MPa的最大圍壓，為巖樣8施加Z方向的均勻應(yīng)力，并設(shè)置氣體及電氣線路穿層通道。

2）X方向壓軸2

X方向壓軸2是一種不銹鋼制圓柱體；

其功能是：傳遞三軸壓力機(jī)產(chǎn)生的X方向壓力，三軸壓力機(jī)在X方向最大加載能力500t。

3）Y方向壓軸3

Y方向壓軸3是一種不銹鋼制圓柱體；

其功能是：傳遞三軸壓力機(jī)產(chǎn)生的Y方向壓力，三軸壓力機(jī)在Y方向最大加載能力250t。

4）加載墊塊4

加載墊塊4是一種不銹鋼制長(zhǎng)方形塊體，包括左、右、前、后加載墊塊4-1、4-2、4-3、4-4；

其左、右加載墊塊4-1、4-2均分別設(shè)置有流體通道，左加載墊塊4-1的流體通道需裝Pcmax陶瓷板6作為水通道，右加載墊塊4-2的流體通道作為氣體通道。

5）多孔隔板5

多孔隔板5是一種帶有多孔的不銹鋼板，其形狀和加載墊塊4適配；

其功能是：嵌入加載墊塊4內(nèi)，傳遞應(yīng)力并能使流體通過(guò)。

6）Pcmax陶瓷板6

Pcmax陶瓷板6是一種高阻氣值和高壓力的陶瓷板（或者致密均質(zhì)巖石）；

其功能是可以透水隔氣，最大可阻擋達(dá)10MPa高壓氣體，可有效調(diào)節(jié)孔隙水和孔隙二氧化碳等氣體的組分壓力。

7）O型密封圈7

O型密封圈是一種O型橡膠圈；

其功能是：對(duì)不同部件的連接處進(jìn)行密封。

8）巖樣8

巖樣8是待測(cè)試的對(duì)象。

9）聲發(fā)射傳感器9

聲發(fā)射傳感器9是一種采集聲信號(hào)的傳感器；

其功能是：采集巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射事件數(shù)。

10）計(jì)算機(jī)10

計(jì)算機(jī)10是一種通用的計(jì)算機(jī)；

其功能是：對(duì)流量泵進(jìn)行控制和對(duì)聲發(fā)射傳感器、位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

11）溫度調(diào)節(jié)水域11

溫度調(diào)節(jié)水域11是一種通用的恒溫水浴槽；

其功能是：使流入巖樣的流體保持在預(yù)定的溫度，實(shí)現(xiàn)流體的恒溫控制。

12）過(guò)濾器12

過(guò)濾器12是一種通用的可以過(guò)濾流體中一定粒徑的固體顆粒的裝置；

其功能是：過(guò)濾流體中雜質(zhì)，防止管路被堵。

13）孔隙二氧化碳計(jì)量泵13

孔隙二氧化碳計(jì)量泵13采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX計(jì)量泵；

其功能是：精確控制二氧化碳的壓力，并精確測(cè)量二氧化碳的瞬態(tài)質(zhì)量和流量等參數(shù)，并具有恒壓和恒流兩種工作模式，恒壓工作模式可調(diào)節(jié)壓力范圍為0.06895～68.95MPa，壓力顯示分辨率為6.895kPa。

14）孔隙水計(jì)量泵14

孔隙水計(jì)量泵14采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX計(jì)量泵；

其功能是：精確控制水的壓力，并精確測(cè)量水的瞬態(tài)質(zhì)量和流量等參數(shù)，并具有恒壓和恒流兩種工作模式，恒壓工作模式可調(diào)節(jié)壓力范圍為0.06895～68.95MPa，壓力顯示分辨率為6.895kPa。

15）真空泵15

真空泵15是一種通用的抽真空設(shè)備；

其功能是：可抽出巖樣中的氣體，并使之處于高負(fù)壓狀態(tài)。

16）控制器16

控制器16是一種和TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX計(jì)量泵配套的控制器，可以完成計(jì)算機(jī)對(duì)計(jì)量泵實(shí)時(shí)控制命令并將信息實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)的電子設(shè)備；

其功能是：將孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14流量參數(shù)實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)10及執(zhí)行計(jì)算機(jī)10的命令對(duì)孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14進(jìn)行控制。

17）位移支架17

位移支架17是一種不銹鋼制固定于加載墊塊4上的腳架；

其功能是：固定LVDT位移傳感器18，并能將巖樣8的尺寸變化轉(zhuǎn)換成位移支架17間的距離變化。

18）LVDT位移傳感器18。

LVDT位移傳感器18是一種常用高精度位移傳感器；

其功能是：可將位移支架17之間的距離轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)10處理還原成位移，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖樣8的尺寸變形。

3、本系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)由三軸應(yīng)力控制單元、孔隙流體控制單元、變形測(cè)量單元和聲發(fā)射測(cè)量單元4部分構(gòu)成；本系統(tǒng)能夠獨(dú)立精確控制三向軸應(yīng)力、CO2流體孔隙壓力、孔隙水壓力，并精確測(cè)量CO2和水的瞬態(tài)質(zhì)量和流量等參數(shù)。

1）三軸應(yīng)力控制單元

由圍壓室1、X方向壓軸2、Y方向壓軸3和三軸壓力機(jī)組成的三軸應(yīng)力控制單元，為系統(tǒng)提供應(yīng)力支持，完成巖樣8的力學(xué)特性試樣；

三軸應(yīng)力控制單元由三軸壓力機(jī)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力通過(guò)X、Y兩個(gè)水平方向的壓軸和加載墊塊對(duì)巖樣8施加，油壓泵通過(guò)向圍壓室注入液壓油對(duì)巖樣8施加Z方向的應(yīng)力；三個(gè)方向的應(yīng)力可以獨(dú)立加載和伺服控制（位移控制模式和力控制模式），Y方向壓力最大加載能力為250t，X方向最大加載能力500t，Z方向最大加載能力為100MPa；可對(duì)長(zhǎng)×寬×高=100mm× 50mm×50mm或80mm× 40mm×40mm兩種方形巖樣8進(jìn)行加載。

2）孔隙流體控制單元

由加載墊塊4、多孔隔板5、Pcmax陶瓷板6、O型密封圈7、溫度調(diào)節(jié)水域11、過(guò)濾器12、孔隙二氧化碳計(jì)量泵13、孔隙水計(jì)量泵14、真空泵15及控制器16組成的孔隙流體控制單元，為巖樣8提供高壓多相流體的模擬環(huán)境，并能夠?qū)Χ鄠€(gè)流體參數(shù)進(jìn)行控制和計(jì)量；

孔隙流體控制單元由孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14通過(guò)加載墊塊4的流體通道對(duì)巖樣8注入二氧化碳和水等流體，實(shí)現(xiàn)巖樣8的高壓流體的模擬環(huán)境；孔隙二氧化碳計(jì)量泵13和孔隙水計(jì)量泵14均采用TELEDYNE ISCO公司的D系列100DX計(jì)量泵，并能精確地控制流體壓力和流量；在左加載墊塊4-1內(nèi)嵌的Pcmax隔板為高阻氣值和高壓力陶瓷板或者致密巖石（具有穩(wěn)定的突破壓力），通過(guò)軸平移吸力控制技術(shù)可以有效調(diào)節(jié)和控制CO2和水的孔隙壓力，可防止遠(yuǎn)高于空隙水壓力值的二氧化碳?xì)怏w串入孔隙水計(jì)量泵14實(shí)現(xiàn)不同壓力值的流體注入。

3）變形測(cè)量單元

由位移支架17、LVDT位移傳感器18和計(jì)算機(jī)10組成變形測(cè)量單元，可以監(jiān)測(cè)巖樣8在試驗(yàn)過(guò)程中X、Y方向的變形情況；

變形測(cè)量單元由LVDT位移傳感器18監(jiān)測(cè)兩個(gè)相對(duì)位置的位移支架17的距離變化，間接地監(jiān)測(cè)巖樣8的尺寸變化情況；LVDT位移傳感器18量程0-5mm，耐壓120MPa，可以滿足高圍壓環(huán)境的工作條件。

4）聲發(fā)射測(cè)量單元

由聲發(fā)射傳感器9和計(jì)算機(jī)10組成的聲發(fā)射測(cè)量單元可以監(jiān)測(cè)巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射事件數(shù)，研究特征應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系。

聲發(fā)射測(cè)量單元由聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射事件數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)10分析聲發(fā)射時(shí)間數(shù)可以得到特征應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系。