本實用新型涉及巖石力學(xué)試驗技術(shù)，尤其是一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

巖石或巖體剪切-滲流試驗是巖石力學(xué)中重要的研究試驗之一，該試驗裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對流體的密封問題難度大，且很難實現(xiàn)對高壓流體的密封。在當(dāng)前巖體的剪切滲流耦合研究中對滲流流體的滲透壓力要求很高，現(xiàn)有的巖體剪切滲流試驗裝置無法實現(xiàn)滲透壓高達(dá)10MPa以上的要求。而且在剪切過程中，巖體破壞后會發(fā)生較大的剪切位移，進(jìn)而會引起密封部分的變形也很大，進(jìn)而加大了剪切滲流試驗裝置的密封難度。近年來，針對二氧化碳地質(zhì)封存的基礎(chǔ)研究中，超臨界二氧化碳作用下的巖體力學(xué)特性的研究對巖體剪切滲流試驗裝置有著很高的滲透壓要求；而且這部分研究又急需進(jìn)行，因此針對巖體剪切滲流裝置的密封問題，迫切需要提供一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機(jī)構(gòu)及其方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就在于解決巖體剪切滲流試驗的滲流流體的高滲透壓密封問題，在真三軸試驗機(jī)圍壓室的基礎(chǔ)上提供一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機(jī)構(gòu)；通過特殊設(shè)計的密封膠套可以對較高的滲透壓有著良好的密封性，而且沒有死空間可以精確計量注入巖樣的流體體積。

本實用新型目的是這么實現(xiàn)的：

通過特殊設(shè)計的密封膠套能將巖樣完全包裹起來，將2塊法向壓板和2塊剪切壓板(具有流體通道)部分包裹起來，實現(xiàn)滲透流體與外界的密封；在密封膠套內(nèi)部設(shè)置有特殊設(shè)計的變形膠囊，通過圍壓跟蹤泵保持變形膠囊內(nèi)部壓力與膠套外部壓力始終一致，剪切破壞后的巖樣發(fā)生較大剪切位移會擠壓變形膠囊，引起變形膠囊壓力升高，圍壓跟蹤泵減少變形膠囊內(nèi)部液體體積使變形膠囊內(nèi)部壓力與密封膠套外部壓力一致，進(jìn)而使得變形膠囊體積減小而不會引起密封膠套的變形；密封膠套不變形就不會被外部圍壓破壞。

具體地說：

一、用于巖體剪切和滲流試驗的密封機(jī)構(gòu)(簡稱密封機(jī)構(gòu))

包括由巖樣、剪切板、法向壓板、圍壓跟蹤泵、計算機(jī)和圍壓室構(gòu)成的巖體剪切和滲流試驗裝置；

設(shè)置有密封膠套、變形膠囊和變形隔板；

其位置和連接關(guān)系是：

密封膠套置于圍壓室的中心，巖樣置于密封膠套中心位置，2塊剪切板分別從左、右穿過密封膠套的左、右兩側(cè)壓緊巖樣，2塊法向壓板分別從上、下兩側(cè)穿過密封膠套壓緊巖樣；置于密封膠套內(nèi)左下方和右上方的左、右兩個變形膠囊均通過管路與圍壓跟蹤泵相連；在變形膠囊和巖樣之間設(shè)置有變形隔板；左、右兩側(cè)剪切板的流體通道分別與流體注入源和流體回流源相連。

二、密封方法(簡稱方法)

本方法包括以下步驟：

①密封機(jī)構(gòu)組裝

將密封膠套平行放置，無開口面朝上，將變形膠囊和變形隔板安裝到密封膠套剪切位移區(qū)(若變形隔板易改變位置，可用雙面膠粘到變形膠囊上)，然后用硅膠涂勻密封膠套的注入口四周以防液壓油由此進(jìn)入密封膠套；

②配件組合

首先將巖樣放到密封膠套內(nèi)部中心位置，然后將2塊剪切壓板和2塊法向壓板穿過相應(yīng)的開口壓緊巖樣，形成密封組合件；可根據(jù)試驗要求在組合件上安裝相應(yīng)的傳感器；

③圍壓與變形膠囊內(nèi)壓平衡

將密封機(jī)構(gòu)放到巖體剪切和滲流試驗裝置的圍壓室內(nèi)，連接相應(yīng)的流體注入管路，將2個變形膠囊通過管線與圍壓跟蹤泵相連，根據(jù)需要再連接其它管線，最后關(guān)閉圍壓室；

④測試跟蹤及平衡圍壓

首先開啟圍壓跟蹤泵，根據(jù)預(yù)定方案對圍壓室注入高壓油時，圍壓跟蹤泵能夠?qū)崟r監(jiān)視圍壓室的壓力變化，并能調(diào)整變形膠囊內(nèi)部壓力大小與圍壓室壓力保持一致。

本實用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果

①通過密封膠套隔離圍壓與滲透壓，可以使注入流體的滲透壓高達(dá)50MPa，且圍壓壓緊密封膠套有助于密封可防止流體通過巖體側(cè)面串流；

②通過變形膠囊的主動排液而減少體積，破壞巖樣的錯動位移不會引起密封膠套變形而發(fā)生破壞等問題；

③通過圍壓跟蹤泵控制變形膠囊內(nèi)部液壓壓力，可以實時準(zhǔn)確平衡變形膠囊內(nèi)部液壓壓力與圍壓，進(jìn)而很好地保護(hù)密封膠套；

④通過變形膠囊的變形讓位與破壞后巖樣的錯動位移，可以實現(xiàn)巖樣剪切的大變形或大位移時對流體的良好密封性；

⑤由三元乙丙橡膠制成的密封膠套和變形膠囊可以完成具有一定腐蝕性流體、高溫流體極端環(huán)境下的試驗。

總之，本實用新型通過密封膠套將圍壓與滲透壓隔離，可以使注入流體的滲透壓高達(dá)50MPa；通過變形膠囊可以實現(xiàn)巖樣剪切的大位移，并能保證對流體的良好密封性；能完成具有一定腐蝕性流體、高溫流體等極端環(huán)境下的剪切滲流試驗。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖(主視，剖)；

圖2是密封膠套的結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖(主視，剖)；

圖3是密封膠套的結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖(立體)；

圖4是變形膠囊的結(jié)構(gòu)示意圖(立體)。

圖中：

1—密封膠套；

1-1—變形膠囊，1-2—變形隔板；

2—巖樣；

3—剪切板，

3-1—流體通道；

4—法向壓板；

5—圍壓跟蹤泵；

6—計算機(jī)；

7—圍壓室。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明：

1、總體

如圖1，密封機(jī)構(gòu)包括由密封膠套1、巖樣2、剪切板3、法向壓板4、圍壓跟蹤泵5、計算機(jī)6和圍壓室7構(gòu)成的巖體剪切和滲流試驗裝置；

設(shè)置有密封膠套1、變形膠囊1-1和變形隔板1-2；

其位置和連接關(guān)系是：

密封膠套1置于圍壓室7的中心，巖樣2置于密封膠套1的中心位置，2塊剪切板3分別從左、右穿過密封膠套1的左、右兩側(cè)壓緊巖樣2，2塊法向壓板 4分別從上、下兩側(cè)穿過密封膠套1壓緊巖樣2；置于密封膠套1內(nèi)左下方和右上方的左、右兩個變形膠囊1-1均通過管路與圍壓跟蹤泵5相連；在變形膠囊 1-1和巖樣2之間設(shè)置有變形隔板1-2；左、右兩側(cè)剪切板3的流體通道3-1分別與流體注入源和回流源相連；

密封膠套1將巖樣2完全包裹起來，將2塊剪切板3和2塊法向壓板4的伸進(jìn)部分包裹起來，實現(xiàn)滲透流體與外界的密封。

2、功能部件

1)密封膠套1

如圖1、2、3、4，密封膠套1是一種由三元乙丙橡膠制成的呈中心對稱的十字形狀的殼體(沿中心垂線將密封膠套1分成左右兩塊，再將右塊沿中心順時針旋轉(zhuǎn)180°即和左塊重合)，殼體厚度2mm，上下左右開口；

在密封膠套1的內(nèi)部設(shè)置有變形膠囊1-1和變形隔板1-2；

其位置和連接關(guān)系是：

2個變形膠囊1-1分別置于密封膠套1內(nèi)部左右兩側(cè)剪切位移區(qū)，2塊變形隔板1-2分別緊貼2個變形膠囊1-1。

*變形膠囊1-1

變形膠囊1-1是一種由三元乙丙橡膠制成帶有流體注入口的方形囊體，可以隨內(nèi)外壓力差發(fā)生一定體積的變形，為巖樣2剪切位移騰空位置，從而避免巖樣2發(fā)生剪切位移時破壞密封膠套1。

*變形隔板1-2

變形隔板1-2是一種由鋁制成的尺寸與變形膠囊1-1相匹配的金屬板，夾在變形膠囊1-1和巖樣2之間，并能隨之移動，避免變形膠囊1-1與巖樣2直接接觸而發(fā)生破壞。

2)巖樣2

巖樣2是待測試的巖石樣品，一般為具有一定尺寸的立方體。

3)剪切板3

剪切板3是一種不銹鋼制、具有一定尺寸且?guī)в辛黧w通道3-1的長方體；

其功能是對巖樣2施加剪切力，并能通過其流體通道3-1對巖樣2注入流體。

4)法向壓板4

法向壓板4一種不銹鋼制、具有一定尺寸的長方體；

其功能是對巖樣2施加法向應(yīng)力。

5)圍壓跟蹤泵5

圍壓跟蹤泵5是一種能根據(jù)圍壓室7內(nèi)部壓力值自動調(diào)整輸出壓力并與圍壓保持一致的壓力泵；

其功能是保持變形膠囊1-1內(nèi)壓力與圍壓一致，使得巖樣2剪切位移變化擠壓變形膠囊1-1變小時不會造成變形膠囊1-1內(nèi)壓力升高而引起密封膠套1變形。

6)計算機(jī)6

計算機(jī)6是一種常用計算機(jī)；

其功能是監(jiān)測和控制圍壓跟蹤泵5的壓力，便于實現(xiàn)變形膠囊1-1和圍壓室 7內(nèi)部壓力保持一致。

7)圍壓室7

圍壓室7是一種真三軸試驗機(jī)的應(yīng)力加載試驗室；

其功能是為巖樣2施加X、Y和Z方向的應(yīng)力，X和Y方向通過活塞施加應(yīng)力，Z方向通過圍壓室內(nèi)部高壓液壓油施加。

3、工作原理

在剪切試驗過程中，圍壓室7內(nèi)部壓力始終高于注入流體的壓力，因而圍壓室7內(nèi)部壓力會壓緊密封膠套1，避免注入的流體竄入圍壓室7及通過巖樣2的兩個側(cè)面竄流，最終實現(xiàn)很好的密封性。

圍壓室7對巖樣2進(jìn)行剪切過程中，通過圍壓跟蹤泵5使變形膠囊1-1和圍壓室7的內(nèi)部壓力始終保持一致；隨著對巖樣2的剪切力的增大，巖樣2會發(fā)生剪切位移，進(jìn)而通過變形隔板1-2對變形膠囊1-1進(jìn)行擠壓，使變形膠囊1-1 內(nèi)部壓力增高，變形膠囊1-1內(nèi)部壓力增高后，圍壓跟蹤泵5會將變形膠囊1-1 內(nèi)部液體排除一部分使得變形膠囊1-1和圍壓室7的內(nèi)部壓力始終保持一致，進(jìn)而使變形膠囊1-1的體積變??；隨著剪切過程的進(jìn)行，上一過程不斷重復(fù)，直至剪切結(jié)束。

變形隔板1-2避免破壞后的巖樣2上粗糙邊角對密封膠套1和變形膠囊1-1 直接接觸而發(fā)生破壞。