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CN108489799B - 一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法 - Google Patents

一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法 Download PDF

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CN108489799B CN201810162388.3A CN201810162388A CN108489799B CN 108489799 B CN108489799 B CN 108489799B CN 201810162388 A CN201810162388 A CN 201810162388A CN 108489799 B CN108489799 B CN 108489799B
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Abstract

本发明公开了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法，属于岩石力学试验技术领域。该试验装置包括：容器，容器内设置有容腔，用于放置岩心试样，容器的上端分别设置有第一通孔和第二通孔，第一通孔用于穿设为岩心试样加载轴向压力的压头，第二通孔用于向容腔内注入气体，以利用气体对岩心试样施加围压，容器的侧壁下端设置有第三通孔，第三通孔用于连通容腔与三轴室，以实现容腔与三轴室内压力传递及平衡。应用时，将试验装置安装于三轴室内，通过三轴室的进出气口以及连通管给容器充气，能够较准确地模拟高压气体施加于盐穴岩壁的近场围压，实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验。

Description

一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法
技术领域
本申请涉及岩石力学试验技术领域，尤其涉及一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法。
背景技术
在实际的工程中，无论是盐岩地下储气库，还是盐穴压气蓄能，地下盐穴均充满了高压气体。高压气体作用下，盐穴岩壁的变形情况极大地影响了盐岩地下储气库和盐穴压气蓄能的工程稳定性。因此，对高压气体作用下岩石力学变形及强度特性的模拟尤为重要。然而，现有技术中，还没有针对这种情况的试验设备，无法实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法，能够实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验，较准确地模拟高压气体施加于盐穴岩壁的近场围压。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置，应用于岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统，所述试验系统还包括三轴室。所述试验装置包括：容器，所述容器内设置有容腔，用于放置岩心试样。所述容器的上端分别设置有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔用于穿设为所述岩心试样加载轴向压力的压头，所述第二通孔用于向所述容腔内注入气体，以通过进入所述容腔的所述气体对所述岩心试样施加围压。所述容器的侧壁下端设置有第三通孔，所述第三通孔用于连通所述容腔与所述三轴室。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置还包括连通管，所述连通管的一端与所述第二通孔密封配合，且与所述容腔连通，所述连通管的另一端用于连接所述三轴室上设置的进出气口。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置还包括第一带孔橡皮塞，所述连通管的一端通过所述第一带孔橡皮塞与所述第二通孔密封配合。
进一步地，上述连通管包括第一连接管和第二连接管。所述第一连接管的一端与所述第二通孔密封配合，所述第一连接管的另一端与所述第二连接管的一端连接。所述第二连接管的另一端用于连接所述三轴室上设置的进出气口。
进一步地，所述第一连接管为U形管，所述U形管的一端与所述第二通孔密封配合，所述U形管的另一端伸出所述容器的盖板的外缘。
进一步地，所述第二连接管为橡胶管。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置还包括上压头，所述上压头的一端用于连接所述岩心试样的顶端，所述上压头的另一端穿过所述第一通孔，用作轴压承载面。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置还包括下压头，所述下压头的一端连接所述容器的底盘，所述下压头的另一端用于连接所述岩心试样的底端。
进一步地，上述容器的盖板、底盘、侧壁分体，所述侧壁呈圆筒状，所述盖板和底盘分别与所述侧壁密封配合。所述第一通孔和所述第二通孔分别设置于所述盖板上，所述第三通孔设置于所述侧壁的底部。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置还包括第一环形密封件和第二环形密封件，所述侧壁的一端通过所述第一环形密封件与所述盖板密封配合，所述侧壁的另一端通过所述第二环形密封件与所述底盘密封配合。
第二方面，本申请还提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统，包括三轴室和上述的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置。所述试验装置安装于所述三轴室内。所述三轴室的底盘上设置有进出气口，所述进出气口用于连接外部充气加压设备，所述进出气口通过连通管与所述试验装置的第二通孔连通。
进一步地，上述进出气口的外端设置有伸出所述三轴室的进气管，所述进气管上设置有用于控制所述进气管的导通和截止的气口阀门。
进一步地，上述进出气口的内端设置有第二带孔橡皮塞，所述第二带孔橡皮塞的外壁与所述进出气口的内壁密封配合，所述第二带孔橡皮塞的孔内设置有与该孔密封配合的导管，所述连通管通过所述导管与所述进出气口连通。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统还包括外部储液装置和导液管，所述外部储液装置用于存放液压油，所述导液管的一端与所述三轴室上端的第一油口连通，所述导液管的另一端浸入所述外部储液装置内的液压油中。
进一步地，上述充气加压设备为高压气瓶。
第三方面，本申请还提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法，基于上述的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置实现，所述方法包括：将岩心试样安装于所述试验装置的容器内；将所述试验装置安装于三轴室内，且将压头穿过所述试验装置的第一通孔，直至接触所述岩心试样的顶部，其中，所述压头用于为所述岩心试样加载轴向压力；通过所述三轴室底盘的第一油口向所述三轴室与所述容器之间的空间充入液压油；将所述三轴室的进出气口与充气加压设备连接，通过所述充气加压设备、所述进出气口、所述连通管以及所述试验装置的第二通孔给所述容器充气，从而给所述岩心试样施加预设大小的围压；按照预设规则给所述岩心试样加载轴向压力；试验结束后，释放所述试验装置内的高压气体，排出所述三轴室内的液压油。
进一步地，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的容器内安装有下压头，所述岩心试样安装于所述下压头上，所述下压头的一端连接所述容器的底盘，所述下压头的另一端连接所述岩心试样的底端。此时，上述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法中，所述通过所述三轴室底盘的第一油口向所述三轴室与所述容器之间的空间充入液压油的步骤与所述将所述三轴室的进出气口与充气加压设备连接的步骤之间，还包括：将所述三轴室上端的第二油口通过导液管连接到一个装有所述液压油的外部储液装置，使得所述外部储液装置内的液压油通过所述第二油口流入所述三轴室内，进而通过所述试验装置的第三通孔流入所述容器内。其中，所述容器内流入的所述液压油的高度超过所述试验装置中的第三通孔的高度，且不超过安装于所述容器内的下压头的高度。这样既能够避免试验装置内的高压气体泄漏到三轴室内，又可以避免液压油接触到岩心试样。
本申请提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置、系统及方法，在应用时，将岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置安装于三轴室内，该试验装置包括：容器，容器内设置有容腔，容器的上端分别设置有第一通孔和第二通孔，容器的侧壁下端设置有第三通孔。在容腔中放置好岩心试样后，向三轴室与容器之间的空间充入液压油，将三轴室的进出气口与充气加压设备连接，通过充气加压设备、进出气口、连通管以及第二通孔给容器充气，给岩心试样施加预设大小的围压。这样就能够较准确地模拟高压气体施加于盐穴岩壁的近场围压，实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验。并且由于试验装置设置有用于连通容腔与三轴室的第三通孔，起到保持容腔与三轴室之间压力平衡的作用，从而将容腔内注入的高压气体的压力传递给三轴室内的液压油，由三轴室来承压，不仅有利于降低试验装置的设计难度，还有利于增加试验装置的使用寿命。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的结构示意图；
图2示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的盖板在第一视角下的结构示意图；
图3示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的盖板在第二视角下的结构示意图；
图4示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的底盘在第三视角下的结构示意图；
图5示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的底盘在第四视角下的结构示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置的部分结构示意图；
图7示出了图6的M-M截面图；
图8示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统的结构示意图；
图9示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统的另一种结构示意图；
图10示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法的一种方法流程图；
图11示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验的充油过程状态示意图；
图12示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验的放气回油过程状态示意图；
图13示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验的气体加压过程状态示意图；
图14示出了本申请实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法的另一种方法流程图。
其中，附图标记分别为：
试验系统1；试验装置10；岩心试样100；容腔101；盖板102；侧壁103；底盘104；底盘本体1041；托盘1042；定位销1043；第一通孔111；第二通孔112；第三通孔113；连通管120；第一连接管121；第二连接管122；第一带孔橡皮塞130；上压头141；下压头142；第一环形密封件151；第二环形密封件152；橡胶圈160；三轴室20；进出气口201；第二带孔橡皮塞202；导管203；轴向力加载压头210；进气管221；气口阀门222；第一油口231；第一开关阀门232；第二油口241；第二开关阀门242；充气加压设备300；导液管410；外部储液装置420；液压油500；气体600。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
需要说明的是，在本文中，A/B表示A或B，即既可以是A，也可以是B，例如，“三轴/裸三轴”表示既可以是三轴，又可以是裸三轴，“岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置”表示该试验装置既适用于岩石气体三轴压缩试验，又适用于岩石气体裸三轴压缩试验。
在实际的工程中，无论是盐岩地下储气库，还是盐穴压气蓄能，地下盐穴均充满了高压气体。因此，高压气体作用下岩石力学变形及强度特性的模拟，对于评价盐岩地下储气库和盐穴压气蓄能的工程稳定性尤为重要。鉴于现有技术中，还没有针对这种情况的试验设备，无法实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验。本发明提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置，应用于岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统，该试验系统还包括三轴室。将该试验装置与三轴室配合，能够较准确地模拟高压气体施加于盐穴岩壁的近场围压，实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验，从而评价高压气体作用下岩石的力学特性。
需要说明的是，本发明实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置既可以用于实现岩石气体裸三轴压缩试验，又可以用于实现岩石气体三轴压缩试验。其中，三轴压缩试验是指进行试验时，岩心试样被保护套如热缩管包裹，这样对岩心试样施加的围压会直接传递到仅仅包裹在岩心试样表面的保护套上，然后保护套再传递给岩心试样。而裸三轴压缩试验是指去掉普通三轴压缩试验中岩心试样表面的保护套，保护套通常采用热缩管，使得岩心试样与高压气体直接接触，以较准确地揭示高压气体作用下岩石的力学特性。本发明实施例主要以实现岩石气体裸三轴压缩试验为例进行说明。
请参照图1，本发明实施例提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10，包括：容器，容器内设置有容腔101，用于放置岩心试样100。如图1所示，容器的上端分别设置有第一通孔111和第二通孔112，容器的侧壁103下端设置有第三通孔113。
其中，第一通孔111用于穿设为岩心试样100加载轴向压力的压头。其中，“穿设”一词也可以理解为连接，使用时，为岩心试样100加载轴向压力的压头穿过第一通孔111，与岩心试样100连接。可以理解的是，第一通孔111设置于容器盖板102的中心位置。本实施例中，可以直接将三轴室内的轴向力加载压头穿过第一通孔111，为放置在容腔101内的岩心试验加载轴向压力。为了方便试验装置10的设计和安装，也可以另外设计一个配套压头，且该配套压头的外径与第一通孔111的孔径适配。试验时，将该配套压头的一端穿过第一通孔111与岩心试样100的一端接触，另一端用作轴向力的承压面，三轴室内的轴向力加载压头通过该配套压头向岩心试样100施加轴向压力。
第二通孔112用于向容腔101内注入气体，以通过进入容腔101的气体对岩心试样100施加围压。具体所注入气体的量可以根据所需要的围压大小控制。所注入的气体根据实际需要选择，例如，当需要模拟存储天然气的盐岩地下储气库中，天然气施加于盐穴岩壁的近场围压时，向容腔101内注入的气体则为高压天然气。在其它应用场景中，气体也可以是高压空气或高压氮气等。
在利用本试验装置10以及配套的三轴室进行岩石气体三轴/裸三轴压缩试验的过程中，试验装置10中的第三通孔113用于连通容腔101与三轴室，使得容腔101与三轴室内的压力始终保持平衡。也就是说，容腔101内的压力和三轴室内的压力是一样的，容器不需要承受任何压力差，所有的压力都是由三轴室来承担，这样有利于增加试验装置10的使用寿命。此外，容器内外连通的设计，也降低了对本试验装置10的密封要求，不需要精密的密封，只需要普通密封就能够满足要求，降低了试验装置10的设计难度。
另外，由于在进行岩石气体三轴/裸三轴压缩试验时，为了监测岩心试样100的应力，会在岩心试样100上安装用于检测应力的应变仪。因此，第三通孔113还用于穿过应变仪的连接线路，以方便应变仪的走线。岩心试样100上应变仪的连接线可以通过第三通孔113与三轴室底盘的插孔相连。
基于此，本实施例中，第三通孔113可以设置一个或多个，例如，可以设置1-4个第三通孔113。具体可以根据实际需要来确定第三通孔113的个数。
可以理解的是，为了方便在实验过程中通过试验装置10的第二通孔112向容腔101内注入气体，以通过高压气体对岩心试样100的环向方向施加围压，需要在与本实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10配套使用的三轴室上设置通孔，作为进出气口201。再通过一导气管连通该进出气口201与试验装置10上的第二通孔112，以通过在该进出气口201连接外部的充气加压设备300如高压气瓶，向试验装置10的容腔101内注入气体，直至容腔101内的气压达到指定围压。
为了简化试验装置10的安装，本实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10还可以包括连通管120，如图1所示。连通管120的一端与第二通孔112密封配合，且与容器的容腔101连通，连通管120的另一端用于连接三轴室上设置的进出气口。该连通管120即作为三轴室的进出气口与试验装置10的容腔101之间的导气管。试验时，将连通管120的另一端与三轴室上设置的进出气口连接，就可以通过外部的充气加压设备300如高压气瓶向三轴室的进出气口注入气体，气体依次经过进出气口、连通管120以及第二通孔112进入容腔101。
其中，实现连通管120的一端与第二通孔112密封配合的方式有多种。作为一种实施方式，可以在第二通孔112内设置密封圈，将连通管120的一端插入带有密封圈的第二通孔112，实现与第二通孔112的密封配合。作为另一种实施方式，试验装置10还包括第一带孔橡皮塞130，如图1所示，连通管120的一端通过第一带孔橡皮塞130与第二通孔112密封配合。此时，连通管120的一端插入第一带孔橡皮塞130的孔内，与容腔101连通。由于橡皮塞由橡胶材质制成，橡胶是一种阻尼材质，其制成的第一带孔橡皮塞130与第二通孔112之间具有较大的摩擦力，且第一带孔橡皮塞130中的孔与连通管120的外壁之间也具有较大的摩擦力，具有较好的密封效果。
具体的，如图1所示，连通管120可以包括第一连接管121和第二连接管122。第一连接管121的一端与第二通孔112密封配合，第一连接管121的另一端与第二连接管122的一端连接。第二连接管122的另一端用于连接三轴室上设置的进出气口。
作为一种实施方式，第一连接管121可以为U形管，U形管的一端与第二通孔112密封配合。具体的，U形管可以采用有机树脂玻璃制成，但不限于此，优选为透明材质。当U形管的一端通过第一带孔橡皮塞130与第二通孔112密封配合时，U形管的外径要能与第一带孔橡皮塞130配合，即不能小于第一带孔橡皮塞130的内孔，又不能太大，使得U形管能够插入到第一带孔橡皮塞130，且能紧密结合即可。另外，为了方便通过第二连接管122连接三轴室上的进出气口，U形管的底部部分长度大于盖板102的第二通孔112到盖板102边缘之间的最短距离，使得U形管的另一端可以伸出容器的盖板102的外缘。
作为一种实施方式，第二连接管122可以采用橡胶管。橡胶管具有耐压、耐酸碱、回弹力强、透明度高等特性。
另外，作为一种可选的实施例，容器的盖板102、底盘104、侧壁103可以分体设置，盖板102和底盘104分别与侧壁103之间密封配合。在这种情况下，盖板102、底盘104和侧壁103可以分别成型，如图2和图3所示，第一通孔111和第二通孔112分别设置于盖板102上，且第一通孔111设置于盖板102的中央，第三通孔113设置于侧壁103的底部。实验时，再组装盖板102、底盘104及侧壁103形成容器。
进一步地，为了方便放置且固定岩心试样100，如图4和图5所示，底盘104可以包括底盘本体1041和托盘1042，托盘1042设置于底盘本体1041上方，且托盘1042上设置有定位销1043。作为一种实施方式，定位销1043可以设置于托盘1042的中心位置。
具体的，可以根据试验对容器不同部位的需求选择各自更加适宜的材质。本实施例中，底盘104和盖板102的材质可以优选为不锈钢，以防止腐蚀性岩石，如盐岩，破碎散落后腐蚀装置。如图6和图7所示，容器的侧壁103呈圆筒状，以使得岩心试样100受到的围压均衡。为了方便在试验过程中观测试验装置10内的情况，容器的侧壁103优选为透明材质。而且由于试验时容器的容腔101与三轴室连通，容器的侧壁103不需要承压。因此，作为一种实施方式，容器的侧壁103可以由有机树脂玻璃制成。
作为一种可选的实施例，岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10还可以包括第一环形密封件151和第二环形密封件152，如图6所示。侧壁103的一端通过第一环形密封件151与盖板102密封配合，侧壁103的另一端通过第二环形密封件152与底盘104密封配合。作为一种实施方式，第一环形密封件151和第二环形密封件152均可以采用环形吸盘，此时，侧壁103的上端和下端分别与一环形吸盘相连，底盘104与侧壁103下端的环形吸盘以吸附方式相连，盖板102与侧壁103上端的环形吸盘以吸附方式相连。其中，环形吸盘可以由橡胶材质制成。
作为一种可选的实施例，岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10还可以包括上压头141，上压头141的一端用于连接岩心试样100的顶端，上压头141的另一端穿过第一通孔111，用作轴压承载面，承载三轴室20的轴向力加载压头210施加的轴向压力，如图8所示。在这种情况下，上压头141的用作轴压承载面的一端可以通过加工工艺制作得很平整，以便于在承载轴向压力时，避免产生除竖直方向之外的其余方向的分力，使得试验数据更加精准。
作为一种可选的实施例，岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10还可以包括下压头142，下压头142的一端连接容器的底盘104，下压头142的另一端用于连接岩心试样100的底端。作为一种实施方式，下压头142的用于连接底盘104的一端设有盲孔，作为定位孔。该定位孔的规格与底盘104上设置的定位销1043的规格相对应，通过该定位孔与底盘104上的定位销1043配合，可以固定下压头142的位置，从而固定岩心试样100的位置。这样当岩心试样100受到高压气体的作用时，岩心试样100不会发生移动或者倾倒。
本发明实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10在应用时，安装于三轴室20内，如图8所示，通过第二通孔112向容腔101内注入气体，以利用气体对岩心试样100施加围压，能够较准确地模拟高压气体施加于盐穴岩壁的近场围压，实现岩石气体三轴/裸三轴压缩试验。并且由于试验装置10设置有用于连通容腔101与三轴室20的第三通孔113，起到保持容腔101与三轴室20之间压力平衡的作用，从而将容腔101内注入的高压气体的压力传递给三轴室20内的液压油500，由三轴室20来承压，不仅有利于降低试验装置10的设计难度，还有利于增加试验装置10的使用寿命。
请参照图8，本发明实施例还提供了一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验系统1，包括三轴室20和上述的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10。如图8所示，试验装置10安装于三轴室20内。
其中，三轴室20的底盘上设置有进出气口201，进出气口201用于连接外部充气加压设备300，且进出气口201通过连通管120与试验装置10的第二通孔112连通。
具体的，进出气口201的内端设置有第二带孔橡皮塞202，第二带孔橡皮塞202的外壁与进出气口201的内壁密封配合，第二带孔橡皮塞202的孔内设置有与该孔密封配合的导管203，连通管120通过导管203与进出气口201连通。
为了方便控制试验装置10的充气和放气，进出气口201的外端设置有伸出三轴室20的进气管221，进气管221上设置有用于控制进气管221的导通和截止的气口阀门222。本实施例中，充气加压设备300可以为高压气瓶。
需要说明的是，三轴室20在试验机中比较常见，三轴室20底盘上设置有第一油口231，且第一油口231处设置有用于控制第一油口231开闭的第一开关阀门232，第一油口231用于连接试验机的液压系统；且三轴室20上端还设置有第二油口241，且第二油口241处设置有用于控制第二油口241开闭的第二开关阀门242。
另外，为了方便在岩石气体裸三轴压缩试验中进行放气回油，上述试验系统1还包括外部储液装置420和导液管410，如图9所示。外部储液装置420用于存放液压油500，导液管410的一端与三轴室20的第二油口241连通，导液管410的另一端浸入外部储液装置420内的液压油500中。其中，外部储液装置420优选采用透明且带刻度的容器，例如，可以采用烧杯，以方便得到外部储液装置420内液压油500的量。导液管410可以采用透明的橡胶管，以方便观察液压油500的传输情况。外部储液装置420和导液管410的具体使用方法将在下文中相应的方法实施例中描述。
请参照图10，为本发明实施例提供的一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法的方法流程图，该试验方法是基于上述的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10实现的，该试验方法既可以用于实现岩石气体裸三轴压缩试验，又可以用于实现岩石气体三轴压缩试验。如图10所示，该试验方法包括：
步骤S101，将岩心试样安装于试验装置的容器内；
步骤S102，将试验装置安装于三轴室内，且将压头穿过试验装置的第一通孔，直至接触岩心试样的顶部，其中，压头用于为岩心试样加载轴向压力；
步骤S103，通过三轴室底盘的第一油口向三轴室与容器之间的空间充入液压油；
步骤S104，将三轴室的进出气口与充气加压设备连接，通过充气加压设备、进出气口、连通管以及试验装置的第二通孔给容器充气，从而给岩心试样施加预设大小的围压；
步骤S105，按照预设规则给岩心试样加载轴向压力；
步骤S106，试验结束后，释放试验装置内的高压气体，排出三轴室内的液压油。
其中，步骤S101为放置岩心试样100的步骤，步骤S102为安装试验装置10的步骤。由于试验装置10的各部件可以是分体设置的，上述步骤可以在组装试验装置10的过程中完成。
例如，在一种具体的应用场景中，可以先将试验装置10的底盘104，即容器的底盘104，放在三轴室20的底盘之上，两者通过定位销和定位孔来确保同心；把下压头142安装在容器的底盘104之上，也通过定位销和定位孔来确保同心；把加装好应变仪的岩心试样100放在下压头142之上；把上压头141放在岩石试样之上；组装容器侧壁103与两端的环形吸盘；将容器的盖板102吸附到侧壁103上端的环形吸盘上；将上压头141穿过盖板102上的第一通孔111，并将应变仪的电路连线穿过容器侧壁103底部的第三通孔113，将侧壁103下端的环形吸盘压在容器的底盘104上。
需要说明的是，试验装置10的组装顺序可以略微不同，只要组装好即可。
还需要说明的是，对于三轴压缩试验，需要将岩心试样100用保护套如热缩管包裹。而对于裸三轴压缩试验，则不需要用保护套包裹岩心试样100，使得岩心试样100与高压气体直接接触。
步骤S103为充油过程。通过液压系统向三轴室20与容器之间的空间充入航空液压油500。具体的，充油过程包括：
首先，关闭三轴室20底部的进出气口201。例如，当进出气口201处设置有气体阀门时，则关闭该气体阀门，使得航空液压油500无法通过容器侧壁103的第三通孔113进入容器内。
然后，通过液压系统从三轴室20底盘的第一油口231向三轴室20与容器之间的空间充油，直至充满三轴室20与容器之间的空间，如图11所示。需要说明的是，图11中分布的横向短线段表示液压油500。为了便于观察，可以在三轴室20上端的第二油口241连接透明胶皮管，该透明胶皮管可以看到航空液压油500流出，则说明三轴室20与容器之间的空间已充满液压油500。此时，关闭用于控制第一油口231开闭的第一开关阀门232，停止充油。
步骤S104为气体600加压过程。如图13所示，将高压气瓶与三轴室20底盘上的进出气口201连接，打开用于控制进出气口201开闭的气口阀门222，开始给试验装置10的容腔101充气加压。需要说明的是，图13中分布的黑点阵列表示气体600。由于试验装置10的容腔101和三轴室20是连通的，所以容腔101内的压力与三轴室20内的压力是一样的，试验装置10不需要承受任何压力差，所有的压力都是三轴室20来承担。需要说明的是，上述气体600加压过程，可以通过手动开关阀门来实现，也可以通过计算机伺服控制系统来实现。
步骤S105为轴压加载过程。由于轴向压力的加载原理，与其他现有的三轴试验过程类似，因此，具体的轴压加载规则可以参照现有的三轴试验过程，本实施例中不作详述。
步骤S106为放气排液过程。轴压加载试验结束后，断开三轴室20底盘上的进出气口201与高压气瓶的连接，并打开气口阀门222，释放试验装置10的容腔101内的高压气体600，注意人不能对着进出气口201。待压力释放到1-2MPa时，可以关闭气口阀门222，打开三轴室20底盘上的第一油口231，利用剩余的气压，将航空液压油500排出。然后依次打开三轴室20以及试验装置10，试验结束。
本发明实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法，通过向试验装置10内注入高压气体600，向试验装置10内的岩心试样100施加近场围压，能够有效地模拟高压气体600施加于盐穴岩壁的近场围压，实现岩石气体600三轴/裸三轴压缩试验，评价高压气体600作用下岩石的力学特性。
请参照图14，为本发明实施例提供的另一种岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法的方法流程图，该实验方法是基于上述的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10实现的，该试验方法既可以用于实现岩石气体裸三轴压缩试验，又可以用于实现岩石气体三轴压缩试验。该试验装置10的容器内安装有下压头142，岩心试样100安装于下压头142上，下压头142的一端连接容器的底盘104，下压头142的另一端连接岩心试样100的底端。如图14所示，该试验方法包括：
步骤S201，将岩心试样安装于试验装置的容器内；
步骤S202，将试验装置安装于三轴室内，且将压头穿过试验装置的第一通孔，直至接触岩心试样的顶部，其中，压头用于为岩心试样加载轴向压力；
步骤S203，通过三轴室底盘的第一油口向三轴室与容器之间的空间充入液压油；
步骤S204，将三轴室上端的第二油口通过导液管连接到一个装有液压油的外部储液装置，使得外部储液装置内的液压油通过第二油口流入三轴室内，进而通过试验装置的第三通孔流入容器内；
其中，容器内流入的液压油500的高度超过试验装置10中的第三通孔113的高度，且不超过安装于容器内的下压头142的高度。
步骤S205，将三轴室的进出气口与充气加压设备连接，通过充气加压设备、进出气口、连通管以及试验装置的第二通孔给容器充气，从而给岩心试样施加预设大小的围压；
步骤S206，按照预设规则给岩心试样加载轴向压力；
步骤S207，试验结束后，将试验装置内的高压气体释放到三轴室外。
相比于图10示出的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法，在步骤S203与步骤S205之前增加了放气回油过程，即上述步骤S204。增加放气回油过程既能够避免试验装置10内的高压气体泄漏到三轴室20内，又可以避免液压油500接触到岩心试样100。
具体的，放气回油过程可以包括：
将三轴室20上端的第二油口241用导液管410如透明胶管连接到一个装有航空液压油500的烧杯中，打开三轴室20上的气口阀门222。
由于重力，烧杯中的航空液压油500会通过三轴室20上端的第二油口241流入到三轴室20内，进而通过试验装置10上的第三通孔113流入容腔101中，如图12所示。这样，与三轴室20上端的第二油口241连接的烧杯中的航空液压油500会逐步减少，通过烧杯上的刻度，可以读出烧杯内航空液压油500下降的体积，并计算获得进入试验装置10的容腔101内的航空液压油500的高度，使得航空液压油500进入容腔101的高度接近设置在容腔101内的下压头142的高度，但不超过下压头142的高度，避免让航空液压油500接触到岩心，且超过试验装置10上的第三通孔113的高度。让一部分航空液压油500进入试验装置10的容腔101的目的是避免高压气体从试验装置10的容腔101泄露到三轴室20内。
关闭三轴室20上的气口阀门222，关闭三轴室20上端的第二油口241处的第二开关阀门242，放气回油结束。
综上所述，本发明实施例提出了一种揭示近场围岩岩石力学特性的“气体裸三轴试验”方法，并给出相应的试验配套装置及试验步骤，同时还发现，该装置同样适用气体三轴试验。为了更清楚地说明本发明实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10、系统及方法的技术方案，下面说明一下设计思路。
试验基本原理为在三轴室20内，开辟一个单独的空间，让高压空气保持在该空间内，与岩心试样100直接接触。为了实现岩石岩心与高压气体直接接触，且在不改变试验机整体框架、三轴室20及液压系统的前提下，拟在三轴室20内增加一套透明圆筒，圆筒内注入高压气体，并将保持高压气体在圆筒之内。
为方便描述，将试验装置10内的透明圆筒称之为“小三轴室”，试验机自身的三轴室20称之为“大三轴室”。“小三轴室”下方有通孔，能够保持与“大三轴室”相互连通，保持压力平衡。通过高压气瓶给“小三轴室”内的岩心试样100施加高压气体，高压气体直接作用这裸露的岩心之上。“小三轴室”下方的通孔，可以将“小三轴室”内的高压气体的压力传递给“大三轴室”内的航空液压油500，最终是通过试验机自身的“大三轴室”来承受整个压力室内的压力，“小三轴室”因为内外压平衡，不需要承受压力。
其中，“小三轴室”实现两个功能：(1)在大三轴室内，用小三轴室开辟一个空间，让高压空气保持在小三轴室内，与试样直接接触；(2)即便岩心崩塌散落，也都是在透明圆筒内，不会污染腐蚀试验台。
小三轴室下方通孔的作用包括：(1)连通小三轴室和大三轴室，保持压力的平衡；(2)试样表面的传感器的连接线通过该通孔与大三轴室底盘的插孔相连，可以根据需要来设计通孔的个数，建议1-4个通孔。
另外，关于小三轴室的设计，主要考虑以下几点：(1)小三轴室下方有通孔，方面应变仪的走线，以及从底部进油；(2)小三轴室上面有通孔，作为进出气孔。
基于以上设计思路，在一种较佳的实施例中，本发明实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10包括底盘104、透明树脂圆筒侧壁103、盖板102以及两个吸附式橡胶环形吸盘。其连接关系是：底盘104与一个吸附式橡胶环形吸盘以吸附方式相连，该吸附式橡胶环形吸盘与圆筒侧壁103的下端相连；圆筒侧壁103的底部留有第三通孔113；圆筒侧壁103的上端与另一个吸附式橡胶环形吸盘相连，该吸附式橡胶环形吸盘与盖板102以吸附方式相连；盖板102上设置有第一通孔111和第二通孔112，其中，第一通孔111设置在盖板102的中心，用于穿过设置于岩心试样100上方的上压头141，且盖板102与上压头141之间使用橡胶圈160密封，第二通孔112与第一带孔橡皮塞130相连，第一带孔橡皮塞130与一个U形管相连，U形管与一个橡胶管相连，橡胶管与试验机自身的三轴室20底盘上的第二带孔橡皮塞202相连，第二带孔橡皮塞202与试验机自身的三轴室20底盘上设置的进出气口201相连。试验装置10中底盘104上的岩心托盘1042上放置带上压头141和下压头142的岩心试样100，由岩心托盘1042上的定位销1043和下压头142上的定位孔定位。
岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10的内径要求，即圆筒侧壁103的内径要求能放进岩心试样100以及试样周围的径向、环向传感器。另外，由于试验时需要将岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10安装在试验机的三轴室20内，试验装置10的外径要求小于试验机自身的三轴室20的内径，并且，试验装置10的底盘104不覆盖试验机自身的三轴室20底盘的第一油口231和进出气口201。试验装置10的最大高度小于试验机自身的三轴室20的内壁高度，并且使得岩心试样100上面的上压头141恰好穿出试验装置10盖板102上的第一通孔111，且有一定的量程，能够满足试验轴向位移在此量程内，以使得试验机自身的三轴室20内的轴向压力加载压头不至于压坏试验装置10。在满足这些的条件下，试验装置10的各部件可以根据岩心试样100的大小(岩心试样100尺寸包括
Figure BDA0001583391710000191
)来分别设计尺寸。
此时，本发明实施例提供的岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10具有以下优点：(1)结构简单。不需要复杂的机械加工；(2)装置独立。与三轴室20及试验机的液压系统依存度不高，可与任意类型的可做气体渗透试验的三轴试验机搭配，对于不能做渗透试验的，改装下三轴室20底盘，加一个进出气的通道，即进出气口201即可；(3)组装方便。三个主要部件只需要吸附即可完成组装；(4)良好的可观察性。试验装置10的主要部分是中间的透明圆筒侧壁103，可以看到圆筒内部的情况；(5)对密封要求低。因为试验装置10与试验机的三轴室20之间是内外联通的，压力平衡，不需要精密的密封，只需要普通密封就能满足要求；(6)该试验装置10不仅可以用于模拟高压空气作用下岩心试样100的力学特性，还可以用其他气体，如天然气、氮气等。
例如，在某高温高压试验机上改造实现气体三轴/裸三轴试验装置10。该高温高压试验机三轴室20底盘上有台座，所以可以省略掉试验装置10设计的底盘104，可以直接将圆筒侧壁103下端连接的吸附式橡胶环形吸盘吸附到高温高压试验机三轴室20底盘上。
该高温高压试验机三轴室20的内半径为95mm，底盘上台座内半径为50mm，底盘上的第一油口231和进出气口201约距离底盘中心70mm。
基于该试验机三轴室20的尺寸参数，可以设计试验装置10的圆筒侧壁103内径为60mm，壁厚2mm，高度250mm，盖板102的尺寸与圆筒侧壁103内径相匹配，盖板102厚度为5-10mm，盖板102中心的第一通孔111内径为50mm，盖板102上的第二通孔112的直径为5-10mm，圆筒侧壁103底部的第三通孔113直径为5-10mm。该设计适用于50×100mm的圆柱形岩心试样100。下压头142高度为150mm，直径为50mm。圆筒侧壁103的内壁与下压头142中间的环空空隙有5mm。
设备组装过程包括：
(1)组装试样。
从下往上组装压头和试样，优选先将上压头141套入盖板102上的第一通孔111，这样方便下一步的安装，组装好之后在岩心试样100上安装应变仪。
(2)组装岩石气体三轴/裸三轴压缩试验装置10。
将圆筒侧壁103下端连接的吸附式橡胶环形吸盘吸附到试验机三轴室20底盘上，并使得岩心试样100上安装的应变仪的线束通过圆筒侧壁103底部的第三通孔113。
试验实施过程包括：
(1)充油。
按照前述岩石气体三轴/裸三轴压缩试验方法中的步骤S103给试验机三轴室20和试验装置10之间的空间充油。
(2)放气回油。
按照前述的步骤S204将试验机三轴室20内的部分液压油500放进试验装置10内，使得试验过程中气体不会从试验装置10的第三通孔113泄漏到试验机三轴室20内。需要说明的是，放气量需使得液压油500进入试验装置10内的高度超过第二通孔112的高度，且不超过下压头142的高度，避免液压油500接触到岩心试样100。
假设进入试验装置10的液压油500高度在下压头142上端5cm以下位置，则最大放气量为：
环空面积＝π×32-π×2.52＝8.639cm2；
试验装置10内液压油500高度为10cm，放气量体积＝8.639cm2×10cm＝86.39ml。
(3)气体加围压。
将高压气瓶与试验机三轴室20底盘上的进出气口201连接，打开进出气口201阀门，开始给试验装置10注入气体，直至试验装置10内气体对岩心试样100施加指定围压。由于试验装置10和试验机三轴室20是连通的，所以试验装置10内的压力和试验机三轴室20内的压力是一样的，试验装置10不需要承受任何压力差，所有的压力都是试验机三轴室20来承担。需要说明的是，气瓶加压过程，可以通过手动开关阀门来实现，也可以通过计算机伺服控制系统来实现。
(4)开始试验，轴压持续加载。
轴压加载过程可以参照现有的三轴试验过程。例如，刚开始使用力加载，加载速率为2.5kN/min，先加载到20kN，然后使用轴向位移控制方式，加载速率为0.2mm/min，过峰值后试验结束。
(5)试验结束
试验结束后，断开试验机三轴室20底盘上的进出气口201与高压气瓶的连接，并打开进出气口201处设置的气口阀门222，释放试验装置10内的高压气体，注意人不能对着出气口。试验装置10内压力释放到1-2MPa时，可以关闭气口阀门222，打开试验机三轴室20底盘上的第一油口231，利用试验装置10内剩余的气压，将航空液压油500排出。
然后依次打开试验机三轴室20、试验装置10，试验结束。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种岩石气体三轴或裸三轴压缩试验装置，其特征在于，应用于岩石气体三轴或裸三轴压缩试验系统，所述试验系统还包括三轴室，所述三轴室的底盘上设置有进出气口，所述进出气口与设置于所述三轴室外的充气加压设备连接，所述三轴室上端的第二油口通过导液管与一外部储液装置连通，所述外部储液装置用于存放液压油以进行放气回油，所述试验装置安装于所述三轴室内，所述试验装置包括：容器，
所述容器内设置有容腔，用于放置岩心试样；
所述容器的上端分别设置有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔用于穿设为所述岩心试样加载轴向压力的压头，所述第二通孔用于向所述容腔内注入气体，以通过进入所述容腔的所述气体对所述岩心试样施加围压；
所述容器的侧壁下端设置有第三通孔，所述第三通孔用于连通所述容腔与所述三轴室；
所述试验装置还包括连通管，所述连通管的一端与所述第二通孔密封配合，且与所述容腔连通，所述连通管的另一端连接所述三轴室上设置的进出气口，以通过所述充气加压设备、所述进出气口、所述连通管以及所述第二通孔向所述容腔内注入气体。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括第一带孔橡皮塞，所述连通管的一端通过所述第一带孔橡皮塞与所述第二通孔密封配合。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述连通管包括第一连接管和第二连接管，所述第一连接管的一端与所述第二通孔密封配合，所述第一连接管的另一端与所述第二连接管的一端连接，所述第二连接管的另一端用于连接所述三轴室上设置的进出气口。
4.一种岩石气体三轴或裸三轴压缩试验系统，其特征在于，包括三轴室和如权利要求1-3中任一项所述的岩石气体三轴或裸三轴压缩试验装置，所述试验装置安装于所述三轴室内；
所述三轴室的底盘上设置有进出气口，所述进出气口用于连接外部充气加压设备，所述进出气口通过连通管与所述试验装置的第二通孔连通；
所述系统还包括外部储液装置和导液管，所述外部储液装置用于存放液压油以进行放气回油，所述导液管的一端与所述三轴室上端的第二油口连通，所述导液管的另一端浸入所述外部储液装置内的液压油中。
5.根据权利要求4所述的试验系统，其特征在于，所述进出气口的外端设置有伸出所述三轴室的进气管，所述进气管上设置有用于控制所述进气管的导通和截止的气口阀门。
6.根据权利要求4所述的试验系统，其特征在于，所述进出气口的内端设置有第二带孔橡皮塞，所述第二带孔橡皮塞的外壁与所述进出气口的内壁密封配合，所述第二带孔橡皮塞的孔内设置有与该孔密封配合的导管，所述连通管通过所述导管与所述进出气口连通。
7.一种岩石气体三轴或裸三轴压缩试验方法，其特征在于，基于权利要求1-3中任一项所述的岩石气体三轴或裸三轴压缩试验装置实现，所述方法包括：
将岩心试样安装于所述试验装置的容器内；
将所述试验装置安装于三轴室内，且将压头穿过所述试验装置的第一通孔，直至接触所述岩心试样的顶部，其中，所述压头用于为所述岩心试样加载轴向压力；
通过所述三轴室底盘的第一油口向所述三轴室与所述容器之间的空间充入液压油；
将所述三轴室上端的第二油口通过导液管连接到一个装有所述液压油的外部储液装置，使得所述外部储液装置内的液压油通过所述第二油口流入所述三轴室内，进而通过所述试验装置的第三通孔流入所述容器内；
将所述三轴室的进出气口与充气加压设备连接，通过所述充气加压设备、所述进出气口、所述连通管以及所述试验装置的第二通孔给所述容器充气，从而给所述岩心试样施加预设大小的围压；
按照预设规则给所述岩心试样加载轴向压力；
试验结束后，释放所述试验装置内的高压气体，排出所述三轴室内的液压油。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述试验装置的容器内安装有下压头，所述岩心试样安装于所述下压头上，所述下压头的一端连接所述容器的底盘，所述下压头的另一端连接所述岩心试样的底端，
所述容器内流入的所述液压油的高度超过所述试验装置中的第三通孔的高度，且不超过安装于所述容器内的下压头的高度。
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