三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置的制作方法

本发明涉及岩土工程技术中的岩石力学测试领域，更具体地说是三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置。

背景技术：

渗透率是岩石重要的物理参数之一，对于了解非常规油气田及核废料储存的深部岩体的物理特性尤其重要；而伴随着近些年页岩气、致密砂岩油气等的开采，迫切地需要一种测量三轴应力状态下超低渗岩体渗透率的装置，这对现今实验原理及实验仪器都提出了不小的挑战。

目前大多数测量岩石渗透率的实验仪器都采用稳态法或者压力脉冲法等原理，对于非常规油气田储层中的超低渗岩体，该种测试方法存在测量原理落后、测量精度差的缺点，因此并不适用这种超低渗岩体渗透率的测量；目前测量超低渗岩石渗透率比较流行的方法是压力震荡法，该方法的原理是通过在岩石试样上游施加已知渗透压力波，在下游测量相应渗透压力波，通过对比两者之间的波形得出超低渗岩石渗透率。

目前国内少量采用压力震荡法测量超低渗岩体渗透率的仪器中则存在着一定缺点；申请号为201310518094.7的专利《一种测量超低渗岩石渗透率应力敏感性的互相关技术》中采用了压力震荡法测量超低渗岩石的渗透率，但该装置仅仅能提供围压，不能提供三轴应力的试验状态，无法真实模拟深部岩体在三轴应力作用下的受力状态。

因此研制出一款既能很好地测量超低渗岩石渗透率，又能真实地模拟好岩体的三轴应力状态的仪器就显得尤为重要了。

技术实现要素：

本发明的目的是提供三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置，能很好地测量超低渗岩石渗透率、提供三轴应力的试验状态，能真实地模拟岩体的三轴应力状态。

为了实现本发明的目的，本发明的技术方案为：三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置，包括数据采集及处理系统，其特征在于：还包括三轴压力系统；所述三轴压力系统包括围压室、轴压室、测试室、围压闭环伺服计量泵、轴压闭环伺服计量泵和渗透压闭环伺服计量泵；所述围压室缸筒及轴压室缸筒包括轴压室缸筒和围压室缸筒；所述轴压室缸筒连接于所述围压室缸筒上端，且与所述围压室缸筒通过螺栓固定密封、连接成一个整体；

所述围压室包括围压室底座、所述围压室缸筒；所述轴压室包括轴向活塞、所述轴压室缸筒、轴压室顶盖；

所述轴向活塞位于所述轴压室内，所述轴压室缸筒上端设置有所述轴压室顶盖、下端连接于所述围压室缸筒上，所述围压室缸筒下端设置有所述围压室底座；

所述测试室位于所述围压室缸筒内，有上游孔隙压垫块位于所述测试室和所述轴向活塞之间，

有试样设置于所述测试室内，有透水垫板设置于所述试样上下两端，所述试样、所述透水垫板被橡胶套严密包裹；有二个卡箍分别设置于所述橡胶套的上下两端；

所述数据采集及处理系统设置于所述三轴压力系统外侧，且分别通过所述围压闭环伺服计量泵、所述轴压闭环伺服计量泵和所述渗透压闭环伺服计量泵连接于所述三轴压力系统上。

在上述技术方案中，所述透水垫板包括上透水垫板、下透水垫板，所述上透水垫板设置于所述试样上端，所述下透水垫板设置于所述试样下端；有下游孔隙压管路连通所述测试室和所述围压室底座。在三轴压力室内，围压室由于液压油的存在，需要充分保证围压室的密封问题；而渗透管道要从外部进入仪器内部对岩石试样施加渗透压，并且有利于实验步骤的进行，最佳方法就是渗透管路从围压室底座进入仪器内部。

在上述技术方案中，所述围压闭环伺服计量泵、所述轴压闭环伺服计量泵、所述渗透压闭环伺服计量泵的结构相同，且均包括泵体、泵活塞、压力传感器、伺服控制模块和伺服电机；所述围压闭环伺服计量泵的所述压力传感器为围压传感器、所述轴压闭环伺服计量泵的所述压力传感器为轴压传感器、所述渗透压闭环伺服计量泵的所述压力传感器为上游孔隙压传感器、下游孔隙压传感器。

在上述技术方案中，所述围压传感器的两端分别连接所述围压伺服泵伺服控制模块和通往所述围压室下端的管路、所述轴压传感器的两端分别连接所述轴压伺服泵伺服控制模块和通往所述轴压室上端的管路、所述上游孔隙压传感器的两端分别连接所述伺服控制模块和通往所述测试室上端的管路、所述下游孔隙压传感器与所述围压室底座上连接所述测试室底部的通道连接；所述伺服控制模块与所述伺服电机连接，所述伺服电机与所述泵活塞连接，所述泵活塞位于所述泵体内。

在上述技术方案中，所述围压传感器、所述轴压传感器、所述上孔隙压传感器、所述下孔隙传感器通过数据采集卡传送数据至所述数据测量及采集系统中。实现电脑对数据全过程的实时监测与控制，配合相关软件自动计算出实验结果，省时省力，避免了人为误差。

本发明具有如下优点：

(1)能很好地测量超低渗岩石渗透率；

(2)能提供三轴应力的试验状态，能真实地模拟好岩体的三轴应力状态；

(3)测试室内测试试样由橡胶套严密包裹，其中试样上下部各放置一块透水垫板，透水垫板与试样大小相同，且橡胶套通过两个卡箍将试样以及两块透水垫板严格密封在上孔隙压头和围压室底座之间；保证测试室的密封性；使围压室与实验室严格隔离，防止在施加渗透压过程中由于密封不到位对测量结果产生影响；

(4)实现电脑对数据全过程的实时监测与控制，配合相关软件自动计算出实验结果，省时省力，避免了人为误差；采用信号处理技术对数据进行处理，测量精度高；

(5)操作简单、原理先进成熟。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明实施三轴应力状态下测量超低渗岩石渗透率孔隙压波形相关图。

图中1-围压室,2-围压室底座,3-围压室缸筒及轴压室缸筒,31-轴压室缸筒,32-围压室缸筒,4-轴压室,5-轴向活塞,6-轴压室顶盖,7-上游孔隙压垫块,8-透水垫板,81-上透水垫板,82-下透水垫板，9-试样,10-卡箍,11-橡胶套,13-围压传感器,14-围压闭环伺服计量泵,16-轴压传感器,17-轴压闭环伺服计量泵,19-上游孔隙压传感器,20-渗透压闭环伺服计量泵,22-下游孔隙压传感器,23-数据采集及处理系统,24-三轴压力系统,25-测试室,Ⅰ-上孔隙压力波,Ⅱ-下孔隙压力波。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置，包括数据采集及处理系统23，其特征在于：还包括三轴压力系统24；所述三轴压力系统24包括围压室1、轴压室4、测试室25、围压闭环伺服计量泵14、轴压闭环伺服计量泵17和渗透压闭环伺服计量泵20；所述围压室缸筒及轴压室缸筒3包括轴压室缸筒31和围压室缸筒32；所述轴压室缸筒31连接于所述围压室缸筒32上端，且与所述围压室缸筒32通过螺栓固定密封、连接成一个整体；

所述围压室1包括围压室底座2、所述围压室缸筒32；所述轴压室4包括轴向活塞5、所述轴压室缸筒31、轴压室顶盖6；

所述轴向活塞5位于所述轴压室4内，所述轴压室缸筒31上端设置有所述轴压室顶盖6，所述围压室缸筒32下端设置有所述围压室底座2；

所述测试室25位于所述围压室缸筒32内，有上游孔隙压垫块7位于所述测试室25和所述轴向活塞5之间，

有试样9设置于所述测试室25内，有透水垫板8设置于所述试样9上下两端，所述试样9、所述透水垫板8被橡胶套11严密包裹；有二个卡箍10分别设置于所述橡胶套11的上下两端；

所述数据采集及处理系统23设置于所述三轴压力系统24外侧，且分别通过所述围压闭环伺服计量泵14、所述轴压闭环伺服计量泵17和所述渗透压闭环伺服计量泵20连接于所述三轴压力系统24上。

所述透水垫板8包括上透水垫板81、下透水垫板82，所述上透水垫板81设置于所述试样9上端，所述下透水垫板82设置于所述试样9下端；有下游孔隙压管路连通所述测试室25和所述围压室底座2。

所述围压闭环伺服计量泵14、所述轴压闭环伺服计量泵17、所述渗透压闭环伺服计量泵20的结构相同，且均包括泵体、泵活塞、压力传感器、伺服控制模块和伺服电机；所述围压闭环伺服计量泵14的所述压力传感器为围压传感器13、所述轴压闭环伺服计量泵17的所述压力传感器为轴压传感器16、所述渗透压闭环伺服计量泵20的所述压力传感器为上游孔隙压传感器19、下游孔隙压传感器22。

所述围压传感器13的两端分别连接所述围压伺服泵伺服控制模块和通往所述围压室1下端的管路、所述轴压传感器16的两端分别连接所述轴压伺服泵伺服控制模块和通往所述轴压室4上端的管路、所述上游孔隙压传感器19的两端分别连接所述伺服控制模块和通往所述测试室25上端的管路、所述下游孔隙压传感器22与所述围压室底座2上连接所述测试室25底部的通道连接；所述伺服控制模块与所述伺服电机连接，所述伺服电机与所述泵活塞连接，所述泵活塞位于所述泵体内。

所述围压传感器13、所述轴压传感器16、所述上孔隙压传感器19、所述下孔隙传感器22通过数据采集卡传送数据至所述数据测量及采集系统23中。

图2中Ⅰ为上孔隙压力波，由渗透压伺服泵通过渗透管路给岩石试样施加振幅及频率已知的正弦渗透压力波，其振幅及频率的控制由三轴压力系统24中伺服泵的伺服控制模块进行控制，其振幅及频率的测量由上渗透压传感器19测得，最终形成上渗透压的渗透压-时间图像；由于岩石试样渗透率的影响，上游正弦渗透压力波在通过岩石试样内部时，其振幅会发生衰减，相位也会发生滞后效应，也就是图中的下游孔隙压力波Ⅱ；同样的，下孔隙压的测量由下渗透压传感器22测得，最终形成下渗透压的渗透压-时间图像；这样就可以直观的得到上、下孔隙压振幅的幅值比α以及相位延迟θ，通过渗透率与上、下孔隙压振幅的幅值比α以及相位延迟θ的关系，最终计算出岩石试样的渗透率。

本发明三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置的工作过程如下：选取超低渗岩石，并加工成标准的圆柱体实验构件，得到试样9；用橡胶套11将试样9上下两端的透水垫板8、试样9包裹于上游孔隙压垫块7与围压室底座2之间，并用两个卡箍10箍紧橡胶套11上下两端；通过围压闭环伺服计量泵14、轴压闭环伺服计量泵17给试样9施加围压以及轴压至特定值，同时通过渗透压闭环伺服计量泵20给试样9施加渗透压，使得试样9饱和；待试样9渗透压加压饱和后，通过渗透压闭环伺服计量泵20给试样9施加振幅、频率已知正弦压力波，同时通过下游孔隙压传感器22记录下游孔隙压力波Ⅱ的情况，并将数据实时传输到数据测量及采集系统23；改变围压、轴压大小，将波形互相关方法用于渗透率的测量，对不同围压、轴压情况下的试样9进行渗透率分析，得出不同围压、轴压条件下的渗透率。

其它未说明的部分均属于现有技术。