本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)中的巖土檢測(cè)領(lǐng)域，更具體地說是可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

伴隨著《國土資源“十三五”規(guī)劃綱要》的頒布，我國明確提出要進(jìn)行天然氣水合物資源勘查與試采、頁巖氣調(diào)查評(píng)價(jià)和勘查示范基地建設(shè)等專項(xiàng)創(chuàng)新工程，在這種背景下，我國對(duì)深部油氣開發(fā)的研究正進(jìn)行的如火如荼；氣體滲透系數(shù)作為深部油氣開發(fā)中致密巖石的重要力學(xué)參數(shù)之一，在深部油氣開發(fā)的研究中，經(jīng)常需要對(duì)氣體滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

目前測(cè)量巖石氣體滲透系數(shù)的方法主要有穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法(又稱壓力脈沖法)、壓力震蕩法；其中，穩(wěn)態(tài)法適用于滲透率較大的巖石的滲透系數(shù)的測(cè)量；瞬態(tài)法適用于致密巖石的測(cè)量，其原理成熟，測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量精度大，是目前測(cè)量滲透率的主流方法；壓力震蕩法適用于較致密巖石滲透率的測(cè)量，其測(cè)量精度高，對(duì)儀器的要求也高，對(duì)于常規(guī)致密率巖石而言，該方法并不經(jīng)濟(jì)；而由于巖石賦存環(huán)境的復(fù)雜性，在各種工程荷載的作用下，巖石初始地應(yīng)力場(chǎng)受到改造，應(yīng)力場(chǎng)分布發(fā)生變化，巖石產(chǎn)生變形和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化，從而導(dǎo)致巖石的滲透特性發(fā)生變化，因此準(zhǔn)確模擬工程條件下巖石的受力狀況對(duì)真實(shí)情況下巖石的滲透率測(cè)量至關(guān)重要。

目前模擬巖石受力狀態(tài)的裝置主要是常規(guī)(假)三軸儀以及真三軸儀；真三軸儀比常規(guī)三軸儀更能精確模擬巖石的三向受力狀態(tài)，也更能反映巖石真實(shí)的本構(gòu)關(guān)系，同時(shí)試驗(yàn)操作、結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，造價(jià)也偏高；但實(shí)際上，常規(guī)三軸儀由于其操作簡單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用；因此，有時(shí)候就經(jīng)常即需要常規(guī)三軸儀，又需要真三軸試驗(yàn)儀；而實(shí)際上，很多單位資金并不充裕，同時(shí)擁有常規(guī)三軸儀和真三軸儀并不符合實(shí)際，再加上各類工程的實(shí)踐使得很多單位需要更便捷地做常規(guī)(假)三軸試驗(yàn)與真三軸試驗(yàn)；這樣，開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡單，易操作，既能做致密巖石氣體滲透率測(cè)量的真三軸試驗(yàn)、又能做致密巖石氣體滲透率測(cè)量的假三軸試驗(yàn)的裝置就顯得很有必要了。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡單、易操作、能進(jìn)行真/假三軸試驗(yàn)并能測(cè)量巖石氣體滲透系數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)裝置，包括σ1方向加載系統(tǒng)、σ2方向加載系統(tǒng)、σ3方向加載系統(tǒng)、滲透系統(tǒng)；所述σ1方向加載系統(tǒng)包括：垂直加載活塞、上壓頭、下壓頭；所述σ2方向加載系統(tǒng)包括：手動(dòng)操作加載部分、泵動(dòng)加載部分；所述σ3方向加載系統(tǒng)包括：進(jìn)油口、出油口；

所述垂直加載活塞、所述上壓頭、所述下壓頭設(shè)置于圍壓室內(nèi)；所述垂直加載活塞位于所述上壓頭正上方；所述上壓頭和所述下壓頭分別設(shè)置于試樣的上、下兩端；

有左軸桿、右軸桿分別以軸對(duì)稱形式設(shè)置于所述圍壓室兩側(cè)、且分別穿過所述圍壓室外壁；所述泵動(dòng)加載部分右端連接于所述左軸桿左端，所述手動(dòng)操作加載部分左端連接于所述右軸桿右端；所述進(jìn)油口、所述出油口分別以軸對(duì)稱形式設(shè)置于所述圍壓室外壁下端的左、右兩側(cè)；有底座垂直連接于所述圍壓室下端；

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，σ2方向加載系統(tǒng)還包括水平壓頭；所述水平壓頭為長方體，且與所述試樣接觸的截面與所述試樣相同；所述上壓頭、所述下壓頭的底面形狀為正方形、且與所述試樣底面尺寸相同；所述上壓頭、所述下壓頭、所述試樣被橡膠套套住，所述橡膠套的上下兩端被卡箍嚴(yán)格密封；

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，所述上壓頭、所述下壓頭為圓形底面的圓柱體、且底面尺寸與所述試樣底面相同；所述上壓頭、所述下壓頭、所述試樣被橡膠套套住，所述橡膠套的上下兩端被卡箍嚴(yán)格密封；且所述左軸桿、所述右軸桿與所述圍壓室密封接合。

在上述技術(shù)方案中，在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立。在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，可以控制σ1>σ2>σ3；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，可以控制σ1，σ2＝σ3。

在上述技術(shù)方案中，所述滲透系統(tǒng)包括高壓氮?dú)馄?、上滲透壓進(jìn)氣口、上壓頭內(nèi)部管路、下壓頭內(nèi)部管路、下滲透壓出氣口、出氣端儲(chǔ)氣瓶；連接高壓氮?dú)馄咳ネ錾蠞B透壓進(jìn)氣口的管路上依次連接有減壓箱、閥門、進(jìn)口端儲(chǔ)氣瓶、滲透壓上壓頭壓力傳感器、進(jìn)氣口閥門；連接所述下滲透壓出氣口去往所述出氣端儲(chǔ)氣瓶的管路上依次連接有出氣口閥門、滲透壓下壓頭壓力傳感器；所述上滲透壓進(jìn)氣口、所述下滲透壓出氣口分別以軸對(duì)稱形式設(shè)置于所述底座上端；所述上壓頭內(nèi)部管路兩端分別連接所述上壓頭底端、所述上滲透壓進(jìn)氣口，所述下壓頭內(nèi)部管路兩端分別連接所述下壓頭頂端、所述下滲透壓出氣口。

在上述技術(shù)方案中，在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，所述水平壓頭共二個(gè),且分別設(shè)置于所述試樣左、右兩端。便于夾緊試樣，防止式樣松動(dòng)，還可以使試樣在σ2方向受力均勻，防止影響試驗(yàn)結(jié)果。

在上述技術(shù)方案中，在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，所述試樣為正方形底面的長方體，且所述試樣尺寸為底面邊長50mm，高100mm；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，所述試樣為圓形截面的圓柱體，且所述試樣尺寸為直徑50mm，高100mm。在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，試樣底面為邊長50mm的正方形，高度為100mm的長方體，這樣方便對(duì)試樣施加三個(gè)主應(yīng)力σ1，σ2，σ3，保持σ2≠σ3；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，試樣為直徑50mm高度100mm的圓柱體，方便通過油壓保持σ2＝σ3。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)僅通過更換少部分部件，就既能做致密巖石氣體滲透率測(cè)量的真三軸試驗(yàn)、又能做致密巖石氣體滲透率測(cè)量的假三軸試驗(yàn)；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，把本發(fā)明改裝為可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真三軸試驗(yàn)裝置，在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，把本發(fā)明改裝為可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的假三軸試驗(yàn)裝置；

(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低；

(3)為科研單位節(jié)省資金，給研究人員提供方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可以進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明可以進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明側(cè)視圖。

圖中1-垂直加載活塞,2-上壓頭,3-下壓頭,4-手動(dòng)操作加載部分,5-泵動(dòng)加載部分,6-水平壓頭,7-試樣,8-進(jìn)油口,9-出油口,10-底座,11-左軸桿,12-右軸桿,13-圍壓室,14-高壓氮?dú)馄浚?5-減壓箱，16-閥門，17-進(jìn)口端儲(chǔ)氣瓶，18-滲透壓上壓頭壓力傳感器，19-進(jìn)氣口閥門，20-上滲透壓進(jìn)氣口，21-上壓頭內(nèi)部管路，22-下壓頭內(nèi)部管路，23-下滲透壓出氣口，24-出氣口閥門，25-滲透壓下壓頭壓力傳感器，26-出氣端儲(chǔ)氣瓶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時(shí)通過說明使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：參閱附圖可知：可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)裝置，包括σ1方向加載系統(tǒng)、σ2方向加載系統(tǒng)、σ3方向加載系統(tǒng)、滲透系統(tǒng)；所述σ1方向加載系統(tǒng)包括：垂直加載活塞1、上壓頭2、下壓頭3；所述σ2方向加載系統(tǒng)包括：手動(dòng)操作加載部分4、泵動(dòng)加載部分5；所述σ3方向加載系統(tǒng)包括：進(jìn)油口8、出油口9；

所述垂直加載活塞1、所述上壓頭2、所述下壓頭3設(shè)置于圍壓室13內(nèi)；所述垂直加載活塞1位于所述上壓頭2正上方；所述上壓頭2和所述下壓頭3分別設(shè)置于試樣7的上、下兩端；

有左軸桿11、右軸桿12分別以軸對(duì)稱形式設(shè)置于所述圍壓室13兩側(cè)、且分別穿過所述圍壓室13外壁；所述泵動(dòng)加載部分5右端連接于所述左軸桿11左端，所述手動(dòng)操作加載部分4左端連接于所述右軸桿12右端；所述進(jìn)油口8、所述出油口9分別以軸對(duì)稱形式設(shè)置于所述圍壓室13外壁下端的左、右兩側(cè)；有底座10垂直連接于所述圍壓室13下端；

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，σ2方向加載系統(tǒng)還包括水平壓頭6；所述水平壓頭6為長方體，且與所述試樣7接觸的截面與所述試樣7相同；所述上壓頭2、所述下壓頭3的底面形狀為正方形、且與所述試樣7底面尺寸相同；所述上壓頭2、所述下壓頭3、所述試樣7被橡膠套套住，所述橡膠套的上下兩端被卡箍嚴(yán)格密封；

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，所述上壓頭2、所述下壓頭3為圓形底面的圓柱體、且底面尺寸與所述試樣7底面相同；所述上壓頭2、所述下壓頭3、所述試樣7被橡膠套套住，所述橡膠套的上下兩端被卡箍嚴(yán)格密封；且所述左軸桿11、所述右軸桿12與所述圍壓室13密封接合。

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立。

所述滲透系統(tǒng)包括高壓氮?dú)馄?4、上滲透壓進(jìn)氣口20、上壓頭內(nèi)部管路21、下壓頭內(nèi)部管路22、下滲透壓出氣口23、出氣端儲(chǔ)氣瓶26；連接高壓氮?dú)馄?4去往所述上滲透壓進(jìn)氣口20的管路上依次連接有減壓箱15、閥門16、進(jìn)口端儲(chǔ)氣瓶17、滲透壓上壓頭壓力傳感器18、進(jìn)氣口閥門19；連接所述下滲透壓出氣口23去往所述出氣端儲(chǔ)氣瓶26的管路上依次連接有出氣口閥門24、滲透壓下壓頭壓力傳感器25；所述上滲透壓進(jìn)氣口20、所述下滲透壓出氣口23分別以軸對(duì)稱形式設(shè)置于所述底座10上端；所述上壓頭內(nèi)部管路21兩端分別連接所述上壓頭2底端、所述上滲透壓進(jìn)氣口20，所述下壓頭內(nèi)部管路22兩端分別連接所述下壓頭3頂端、所述下滲透壓出氣口23。

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，所述水平壓頭6共二個(gè),且分別設(shè)置于所述試樣7左、右兩端。

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，所述試樣7為正方形底面的長方體，且所述試樣7尺寸為底面邊長50mm，高100mm；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，所述試樣7為圓形截面的圓柱體，且所述試樣7尺寸為直徑50mm，高100mm(如圖1、圖2、圖3所示)。

本發(fā)明可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)裝置的工作過程如下：在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，將該裝置裝成真三軸儀，試樣7為正方形底面的矩形體，上壓頭2、下壓頭3為正方形底面的長方體、且與試樣7底面尺寸相同；用橡膠套套上試樣7、上壓頭2、下壓頭3，并用卡箍將橡膠套嚴(yán)格密封試樣7、上壓頭2、下壓頭3；通過垂直加載活塞1作用在上壓頭2上，對(duì)試樣7施加豎向軸力σ1至特定值，保持壓力值不變；通過旋轉(zhuǎn)手輪把手動(dòng)操作加載部分4，使右軸桿12左進(jìn)與水平壓頭6貼近；再操作泵動(dòng)加載部分5，使左軸桿11右進(jìn)，貼近水平壓頭6，從而對(duì)試樣7施加水平力σ2至特定值，保持壓力值不變；通過進(jìn)油口8進(jìn)油對(duì)試樣7施加水平力σ3至特定值，保持壓力值不變；打開高壓氮?dú)馄?4開關(guān)，通過減壓箱15調(diào)整壓力值至特定值，壓力值通過滲透壓上壓頭壓力傳感器18讀出；打開進(jìn)氣口閥門19、出氣口閥門24，通過高壓氣瓶14給滲透管路施加氣壓，直至滲透壓上壓頭壓力傳感器18與滲透壓下壓頭壓力傳感器25讀數(shù)相等；關(guān)閉進(jìn)氣口閥門19，調(diào)整減壓箱15使進(jìn)氣口壓力值增加至特定值；關(guān)閉閥門16，迅速打開進(jìn)氣口閥門19，使進(jìn)氣口滲透壓瞬時(shí)大于出氣口滲透壓，在滲透管道內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)的壓力差ΔP；由于在壓力差ΔP的作用下，試樣7兩端會(huì)產(chǎn)生氣體滲流作用，通過計(jì)算機(jī)采集不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值，通過公式計(jì)算試樣的氣體滲透系數(shù)；通過加壓系統(tǒng)改變?chǔ)?，σ2，σ3的大小，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣破壞，得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值下試樣的氣體滲透系數(shù)；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，將該裝置裝成假三軸儀，此時(shí)，去除真三軸儀裝置中的水平壓頭6，將試樣7改為圓形截面的圓柱體，上壓頭2、下壓頭3為圓形底面的圓柱體、且與所述試樣7截面尺寸相同；用橡膠套套上試樣7、上壓頭2、下壓頭3，并用卡箍將橡膠套嚴(yán)格密封試樣7、上壓頭2、下壓頭3；手動(dòng)操作加載部分4、泵動(dòng)加載部分5不操作，保持左軸桿11、右軸桿12與圍壓室13密封接合；通過垂直加載活塞1作用在上壓頭2上，從而對(duì)試樣7施加豎向軸力σ1至特定值，保持壓力值不變；通過對(duì)進(jìn)油口8進(jìn)油對(duì)試樣7施加σ2、σ3至特定值，保持壓力值不變；打開高壓氮?dú)馄?4開關(guān)，通過減壓箱15調(diào)整壓力值至特定值，壓力值通過滲透壓上壓頭壓力傳感器18讀出；打開進(jìn)氣口閥門19、出氣口閥門24，通過高壓氣瓶14給滲透管路施加氣壓，直至滲透壓上壓頭壓力傳感器18與滲透壓下壓頭壓力傳感器25讀數(shù)相等；關(guān)閉進(jìn)氣口閥門19，調(diào)整減壓箱15使進(jìn)氣口壓力值增加至特定值；關(guān)閉閥門16，迅速打開進(jìn)氣口閥門19，使進(jìn)氣口滲透壓瞬時(shí)大于出氣口滲透壓，在滲透管道內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)的壓力差ΔP；由于在壓力差ΔP的作用下，試樣7兩端會(huì)產(chǎn)生氣體滲流作用，通過計(jì)算機(jī)采集不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值，通過公式計(jì)算試樣的氣體滲透系數(shù)；通過加壓系統(tǒng)改變?chǔ)?，σ2，σ3的大小，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣破壞，得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值下試樣的氣體滲透系數(shù)。

為了能夠更加清楚地說明本發(fā)明所述的可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)裝置與進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)裝置、進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)裝置相比較所具有的優(yōu)點(diǎn)，工作人員將這三種裝置進(jìn)行了比較：對(duì)某些既需要能進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)裝置，又需要能進(jìn)行致密巖石氣體滲透率系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)裝置的單位來講，本發(fā)明成本僅為80萬、占地面積小、能進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)和假三軸試驗(yàn)，而進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)裝置和進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)裝置總成本需要150萬左右、占地面積大、需分別使用進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)裝置和進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)裝置進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)和假三軸試驗(yàn)。

其它未說明的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。