岩石耦合渗透试验装置及方法与流程

本发明岩石(体)渗透试验领域，具体涉及到温度-应力-渗流-化学多场耦合作用下岩石渗透试验装置及方法。

背景技术：

近年来，研究者发现温度-渗流-应力-化学(thmc)耦合作用下裂隙岩石的渗透特性变化规律，对核废物深埋处置、爆炸软基处理、二氧化碳地质封存、地热开发、石油酸化开采、水利水电工程等众多与水相关的岩石工程有着十分重要的科学意义。目前，对于岩石thmc耦合作用的试验研究目前还处于理论研究阶段中，今后还会有很大的改善空间，其中耦合渗透试验装置的温度系统和化学溶液自配系统决定了整个实验所能实现的温度变化范围和渗透流体的ph值范围,对系统开展温度—化学—渗流—应力多场耦合试验研究有非常重要的作用。虽然thmc耦合作用研究并没有成熟，但已有人设计出一些岩石渗透试验装置，但代表性差且试验条件与实际工程的匹配性并不理想。如已有法国toptndustrie公司生产的三轴流变实验系统，可加载围压、轴压和孔隙水压，但没有涉及温度、化学控制因素。武汉岩土力学研究所研制一套应力-水流-化学耦合的力学试验系统，能够进行多项岩石力学细观试验。该试验系统主要用于在化学因素影响下的力学特性变化，不仅没有设计温度系统，而且主要集中在裂隙岩石的力学以及变形特性、耦合模型以及力学关系上，并不能用于系统研究渗流－应力－化学—温度多场耦合影响下裂隙岩石的渗透特性变化规律。河海大学渗流实验室和成都伺服液压设备有限公司合作研究、设计、制造的“超高压(多路控制)大流量渗透仪及渗流应力耦合系统”，能够加载围压、轴压、渗透压(即孔隙水压)，并且能够进行水化学试验，但其缺少控温系统而不能考虑温度因素，并且阀门繁多操作麻烦，不够人性化。更重要的是，大部分的已有的三轴试验装置的温控系统一般并没有设置降温装置，只有加热装置，且加热方式简单，加热不均匀，温度变化范围小，难以满足高温渗透试验的要求；而现有的渗透试验装置设计功能单调，设置实验条件比较少，多数并没有化学溶液自配系统，无法进一步综合探讨多场耦合作用下对裂隙岩石渗透特性演化机制，使得这方面的研究进展缓慢。

随着经济的发展，环境污染问题越来越严重，甚至危及到岩土体所处的地下环境。例如，核废料地质安全处理就是一个典型的流固热化学耦合问题，由于受核废料放出的热量影响使得岩石温度发生变化，同时影响地下水的化学成分，使得水岩作用机理发生变化，导致岩石的渗透特性以及变形性质均有别于常岩土体，因此温度条件、化学作用对于研究岩土体的渗透性变化是有很大的意义的，开展温度、水岩作用对岩土体的研究不仅可以为解决地下环境问题提供理论依据，还可以为地热资源利用、石油开采等实际工程提供应用价值。同时，温度条件、水岩作用在岩土体的存在环境中作为场的性质存在能够影响地下水渗流场、应力场、水化学反应，使得岩土体，特别是裂隙岩体时时处于多因素构成的动态平衡体系中。而温度、应力、化学、水流同时共同作用下的岩体特性受到很大的影响，其中渗透率和岩石强度会发生很大的变化，忽略周围环境因素研究得到的岩石性质会有很大误差，难以满足实际工程需要，因此本次裂隙岩石高应力高水压温度化学耦合渗透试验装置特别是其中的控温系统和化学溶液自配系统，不仅能够用于系统地开展温度-渗流-应力-化学多场耦合作用下裂隙岩石渗透特性变化规律的研究，还具有重要的实际工程价值，对今后多场耦合的试验研究有很大的推动作用。

技术实现要素：

解决的技术问题：针对现有岩石耦合渗透试验装置中温控系统加热方式简单、加热不均匀，温度变化范围小，难以实现高温渗透试验，现有渗透试验装置设计功能单调、设置试验条件较少的问题，本发明提供一种岩石耦合渗透试验装置及方法，可以有效调节温度，防止热量散失，对化学溶液采用自动拌和、自动注入系统的方式进行配置，能够自动控制溶液ph值，解决碳酸溶液中co2容易从溶液中挥发出来导致酸性降低的问题，便于系统开展温度-渗流-应力-化学多场耦合作用下裂隙岩石渗透特性变化规律的研究，真实还原水岩作用条件下的岩石渗透、力学特性试验研究。

技术方案：岩石耦合渗透试验装置，包括计算机控制台、蓄水箱、化学溶液自配系统、油水转换器、压力室、升压缸、温度控制系统和管路系统，蓄水箱通过管道与化学溶液自配系统连接，化学溶液自配系统通过油水装换器与压力室连接，所述压力室内部从上到下依次设有压力传感器、上传力柱、上渗板、下渗板和下传力柱，压力室底端设有升压缸，所述油水转换器包括流量传感器d、高压传感器、低压传感器、高压贮水缸、低压贮水缸、低压渗透控制阀a、低压渗透控制阀b、高压渗透控制阀a和高压渗透控制阀b，高压传感器设于高压贮水缸，低压传感器设于低压贮水缸，所述温度控制系统包括保温壳体、加热控制器、加热机、致冷控制器、致冷机、钛加热管、铸铝浇铸不锈钢加热圈套和铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管，所述保温壳体设于压力室外部，所述钛加热管设于蓄水箱内部，所述铸铝浇铸不锈钢加热圈套设于升压缸上部，所述铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管设在压力室内部，加热控制器和致冷控制器设在压力室外部，与铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管连接；

加热控制器外设加热机，所述加热机包括温度传感器b、导热油、真空装置、真空排气阀和烟雾报警器，真空装置设于加热机内部，导热油设于真空装置内部，真空排气阀设于真空装置顶部，所述温度传感器b从顶部插入加热机机体内部的导热油；

致冷控制器外设致冷机，所述致冷机包括温度传感器c、致冷介质cacl2和密封盖，致冷机内部装有致冷介质cacl2，所述温度传感器c从顶部插入致冷机机体内部的致冷介质cacl2；

所述蓄水箱底部设有出水管，所述出水管上设有智能电磁调节阀a、流量传感器a；所述化学溶液自配系统包括化学溶液存放器、智能电磁调节阀b、流量传感器b、智能高精度ph仪a、智能高精度ph仪b、清洗蓄水缸、智能电磁调节阀c、流量传感器c、智能电磁调节阀d和过滤器；化学溶液存放器和清洗蓄水缸底部设有出水管，所述出水管上分别设有智能电磁调节阀和流量传感器；蓄水箱、化学溶液存放器和清洗蓄水缸通过底部出水管从左到右依次连于进入油水转换器的主管道。

作为优选，所述保温壳体采用分体结构，由两半组成，从内到外依次设置隔热石棉和不锈钢围板。

作为优选，所述蓄水箱的加热元件为钛加热管，压力室的控温元件为铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管，升压缸的控温元件为铸铝浇铸不锈钢加热圈套，管路系统加热保温元件为电加热圈，并且在管路外侧从内到外依次设置隔热石棉和不锈钢围板。

作为优选，所述加热机顶部设有烟雾报警器。

作为优选，铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管中加热时注入导热油，冷却时注入cacl2溶液。

作为优选，所述岩石耦合渗透试验装置中管路系统采用耐酸碱腐蚀的材料。

基于权利要求1所述的岩石耦合渗透试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、将硅胶涂到岩石试样表面并套上热缩管，用高温热风枪吹热缩管，将制作好的试件放在压力室上下盖内的凹槽处，连接上下传力柱；

步骤二、安装围压室排气阀，打开围压控油阀，直到围压室排气阀中有油冒出，关闭围压室排气阀；在压力室外接加热机和致冷机，将温度传感器a插入压力室后固定隔热橡胶；

步骤三、在计算机“组态王”系统中对加热/致冷控制器设定加热/致冷温度，调整加热/致冷频率，并设置初始温度、恒定温度、终止温度及加热/制冷时间，设置完成后，开始加热/制冷；

步骤四、压力室达到目标温度后，开始加载围压、轴压；围压、轴压达到目标值后，进行渗透压排气，排气后加载渗透压；

步骤五、将化学溶液注入化学溶液自配系统中的化学溶液存放器，化学溶液流经化学溶液自配系统后进入油水转换器，在油水转换器中渗压贮水缸作用后通过渗透压逐渐渗透到岩石试样中；

步骤六、温度场、化学场、应力场逐步稳定加载后，通过计算机控制台自动控制温控系统、化学溶液自配系统和应力系统继续持续稳定运行保持目标值，即可实现多场耦合试验。

作为优选，所述化学溶液的配置方法，其步骤如下：

步骤一、清洗高压/低压贮水缸：将低压和高压控制系统内的贮水缸内的空气完全排空后清洗；

步骤二、配制溶质：向化学溶液存放器中冲入半箱的自来水，通入co2气体，使co2气体充分与自来水反应后得到碳酸溶液；

步骤三、溶质冲入渗压贮水缸：往贮水缸中冲入到达目标ph值的碳酸溶液。

有益效果：1、本发明选择钛加热管作高压水前级加热，对蓄水箱中的水直接加热到使用温度；通过对铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管中注入导热油和致冷介质cacl2调控压力室的温度；升压缸选择铸铝浇铸不锈钢加热圈套，从而保证在3小时内完成加热和保温，能够有效调节温度，防止热量散失。

2、本发明在加热机内设置真空装置，给导热油提供无氧环境，可以防止导热油经导热油管进入压力室铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管加热后由温度过高引起的燃烧问题；加热机外接烟雾报警器能及时预警高温可能引起的安全问题。

3、本发明设有化学溶液自配系统，采用溶质化学物质自动拌和、自动注入系统的方式进行溶液配制，不需要人工进行复杂的溶液配制，自动控制溶液ph值，能够解决碳酸溶液中的co2容易从溶液中挥发出来导致酸性降低的问题。

4、本发明设置有自动清洗蓄水缸，通过电脑调节流量自动清洗化学溶液经过的整体试验装置，操作方便，节水环保省时，能够解决化学溶液长期存在试验管理中对试验装置造成侵蚀的问题。

5、本发明在压力室外侧设有保温壳体，由内到外依次设置隔热石棉和不锈钢围板，可以将试样与空气隔绝，有效防止热交换，同时也是压力室外围保持人体适应温度；并且，保温壳体采用分体结构，由两半组成，便于拆卸。

6、整套管路系统采用耐酸碱腐蚀(0≤ph≤14)的材料，保证其运行的长期稳定性。

本发明针对岩石(体)所赋存在的地下水条件，可真实还原水岩作用条件下的岩石渗透、力学特性试验研究。

附图说明

图1为岩石耦合渗透试验装置的原理示意图；

图2为压力室内部结构示意图；

图3为试样示意图；

图4为加热机结构示意图；

图5为致冷机结构示意图；

图6为化学溶液自配系统原理示意图；

图7为油水转换器原理示意图。

示意图中零部件的标号说明：1.压力传感器；2.上传力柱；3.入渗口；4.温度传感器a；5.加热控制器；6.致冷控制器；7.围压室排气阀；8.液压油；9.压力室；10.保温壳体；11.铸铝浇铸不锈钢加热圈套；12.铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管；13.升压缸；14.上渗板；15.试件；16.下渗板；17.轴压油入口；18.出渗口；19.压头；20.下传力柱；21.高弹密封圈；22.热缩管；23.烟雾报警器；24.真空排气阀；25.导热油；26.真空装置；27.加热机；28.温度传感器b；29.致冷机；30.致冷介质cacl2；31.密封盖；32.温度传感器c；33.单向阀；34.电机；35.泵；36.蓄水箱；37.压力变送器；38.安全阀；39.智能电磁调节阀a；40.流量传感器a；41.智能电磁调节阀b；42.流量传感器b；43.智能电磁调节阀c；44.流量传感器c；45.智能高精度ph仪a；46.智能高精度ph仪b；47.智能电磁调节阀d；48.过滤器；49.化学溶液存放器；50.清洗蓄水缸；51.水箱；52.钛加热管；53.温度传感器d；54.流量传感器d；55.高压传感器；56.低压传感器；57.高压贮水缸；58.低压贮水缸；59.低压渗透控制阀a；60.低压渗透控制阀b；61.高压渗透控制阀a；62.高压渗透控制阀b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的试验装置及试验方法作进一步详细说明。

实施例1

图1是岩石耦合渗透试验装置的原理示意图，本发明包括蓄水箱36、压力室9、升压缸13、油水转换器、温度控制系统、化学溶液自配系统和管路系统。

参照图6，泵35将水箱51中的水打入蓄水箱36，通过钛加热管52对蓄水箱36中的水加热，从蓄水箱36流出的水经过蓄水箱36底端出水管上设有的智能电磁调节阀a39和流量传感器a40后进入化学溶液自配系统，所述化学溶液自配系统包括化学溶液存放器49，设于化学溶液存放器49底部出水管的智能电磁调节阀b41和流量传感器b42，清洗蓄水缸50，设于清洗蓄水缸50底部出水管的智能电磁调节阀c43和流量传感器c44，化学溶液存放器49和清洗蓄水箱50底端的出水管依次连于蓄水箱36中出水的主管道，化学溶液存放器49和清洗蓄水箱50之间的主管道上还设有智能高精度ph仪a45和智能高精度ph仪b46，在接入清洗蓄水缸50出水管后的主管道上设有智能电磁调节阀d47和过滤器48，经过过滤器48过滤后的溶液进入油水转换器。

图7是油水转化器的原理示意图，油水转换器包括流量传感器d54、高压传感器55、低压传感器56、高压贮水缸57、低压贮水缸58、低压渗透控制阀a59、低压渗透控制阀b60、高压渗透控制阀a61和高压渗透控制阀b62，高压贮水缸57上设有高压传感器55，低压贮水缸58上设有低压传感器56。高压贮水缸57和低压贮水缸58均通过流量传感器54接入压力室，载入渗透压。

参照图2，通过压力室9和升压缸13分别实现围压和轴压。

温度控制系统包括保温壳体10、加热控制器5、加热机27、致冷控制器6、致冷机29、钛加热管52、铸铝浇铸不锈钢加热圈套11和铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12，所述保温壳体10设于压力室9外部，所述钛加热管52设于蓄水箱36内部，所述铸铝浇铸不锈钢加热圈套11设于升压缸13上部，所述铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12设在压力室9内部，加热控制器5和致冷控制器6设在压力室9外部，与铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12连接；

加热控制器5外设加热机27，所述加热机27包括温度传感器b28、导热油25、真空装置26、真空排气阀24和烟雾报警器23，所述加热机27内部设有真空装置26，真空装置26内部装有导热油25，顶部设有真空排气阀24，所述温度传感器b28从顶部插入加热机27机体内部的导热油25，所述加热机27的顶部还设有烟雾报警器23；

致冷控制器6外设致冷机29，所述致冷机29包括温度传感器c32、致冷介质cacl230和密封盖31，致冷机29内部装有致冷介质cacl230，所述温度传感器c32从顶部插入致冷机29机体内部的致冷介质cacl230。

通过加热机27和致冷机29分别向压力室9内部的铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12注入导热油25和致冷介质cacl230来控制压力室9内的温度，加载温度场。

通过计算机控制台控制压力室9、温度控制系统、化学溶液自配系统和油水转换器，从而实现温度-应力-渗流-化学多场耦合作用下岩石渗透试验装置。

本发明所述裂隙岩石高应力高水压温度化学耦合渗透试验温度系统装置，试验步骤如下：

步骤一、准备并安装试样：将准备好的硅胶均匀的涂抹到规格不同的岩石试样表面并给试样套上热缩管22，用高温热风枪吹热缩管22，使其可以紧贴试样表面，防止侧向渗流；在试样两端靠近传力柱的地方加高弹密封圈21，防止热缩管脱落，将制作好的试件15放在压力室9上下盖内的凹槽处，连接上下传力柱，传力柱中间有小孔与试样接触处刻有环形水槽及透水钢板，以保证渗透沿试样整个端面发生。

步骤二、安装温控装置：安装围压室排气阀7，打开围压控油阀，使液压油源系统中的液压油8充入压力室9中，当围压室的排气阀中有油冒出时，说明压力室9中充满了围压油，立即关闭围压室排气阀7；在压力室9外接加热机27和致冷机29，通过向压力室9内安装的铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12注入导热油25或者致冷介质cacl230控制围压油的温度；将温度传感器a4插入压力室9内固定，再固定隔热橡胶，当试样的温度达到目标值时，温度传感器a4反馈给计算机，计算机控制加热机/致冷机停止工作。

步骤三、设置温度控制：根据试验要求，利用计算机“组态王”系统对加热/致冷控制器设定加热/致冷温度，调整加热/致冷频率，将设置的初始温度、恒定温度、终止温度及加热/致冷时间，通过计算机传输给温控系统，实现温度参数全自动采集，温控系统自动进行分阶段、分级、线性加热升温及降温，设置完成后、开始加热/制冷；

步骤四：温度试验：达到目标温度后，开始逐步缓慢的加载围压、轴压；围压、轴压达到目标值后，进行渗透压排气，防止管道中有气体使渗透压加载不稳定，排气后加载渗透压；

步骤五、通过向化学溶液存放器49中注入化学溶液来加载化学场，化学溶液流经化学溶液自配系统后进入油水转换器，在油水转换器中渗压贮水缸作用后通过渗透压逐渐渗透到岩石试样中，实现温度-渗流-应力-化学(thmc)对岩石试样的多场耦合作用，试验过程中温控系统继续运行以保持目标温度恒定。

步骤六、自动控制试验稳定阶段：温度场、化学场、应力场逐步稳定加载后，将油水转换器的手动控制打到自动控制，通过电脑自动控制温控系统、化学溶液自配系统和应力系统继续持续稳定运行保持目标值，即可实现多场耦合试验。

所述化学溶液的配置方法，其步骤如下：

步骤一、清洗高压/低压贮水缸：将低压和高压控制系统内的贮水缸中的空气完全排空后清洗。打开四路低渗透压和高渗透压开关，在电脑计算机控制系统中，将要排空水的那路点击“出水”，同时将对应的“升”设置为30，将流量由“小流量”改为“大流量”。这样持续一段时间，即可把贮水缸中的空气排空后清洗。

步骤二、配置溶质：向化学溶液存放器49中冲入半箱的自来水，通入co2气体，使co2气体充分与自来水反应，直至达到饱和状态，得到碳酸溶液，即co2+h2o＝h2co3；打开蓄水箱36和化学溶液存放器49的智能电磁调节阀，通过电脑调节流量传感器控制流量改变管路化学溶液的ph值，继而可设置多种试验工况。

步骤三、溶质冲入渗压贮水缸：往渗压贮水缸中冲入到达目标ph值的碳酸溶液。在电脑计算机控制系统中，点击要进水的那路“进水”，同时将相应路的“降”设置为30，这样就开始进水，持续一段时间即可充满。

实施例2

温度控制系统包括压力室控温和渗流水的控温。

渗流水控温：如图6所示，通电后，泵35向蓄水箱36输送水，在压力变送器37的作用下，钛加热管52可对蓄水箱36中的水加热至预定温度，同时进行实时监测。通过智能电磁调节阀a39和流量传感器a40控制蓄水箱36中热水的出流量，在水流管路上包有良好的保温材料，使得渗入试样的水温非常接近试验温度。

压力室加温：如图2、图4所示，将导热油25注入加热机27的真空装置26中，之后将导油管安装在导热油入口处，导热油25进入压力室9后，启动加热控制器5并设定温度目标值，然后通过向铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12内注入导热油25对压力室9进行加热(最高150℃)，温度传感器a4深入到压力室9内，能够准确测出压力室9内温度，达到温度目标值后，加热控制器5停止工作。加热过程是阶段性，每当温度传感器测得的温度低于目标值，加热控制器5会自动启动，继续对压力室9进行加热，直到温度再次到达目标值。同时为了试验的安全性，当人离开实验室时启动烟雾报警器23，避免因导热油25温度过高引起安全事故。

压力室致冷：同加热过程相似，参照图2、图5。将致冷介质cacl2水溶液通入致冷机29，之后将引导管安装在冷却水入口，启动致冷控制器6，通过向铸铝浇铸不锈钢空气介质控温管12内注入致冷介质cacl230对压力室9致冷(最低可达-30℃)，利用温度传感器a4的反馈，压力室9内的温度就能准确达到并稳定在目标温度值。

采用实施例1的装置，将温度作为变量，进行以下实验，实验步骤为：(1)准备并安装岩样；(2)安装并设置温控系统：将温度设定为25℃(75℃，150℃)；(3)温控系统对实验装置进行加温；(4)设置实验目标值：温度达到目标值25℃(75℃，150℃)以后，将油水转换器的手动换成自动，然后在计算机控制系统，将围压的目标值设定为2.5mpa，渗压的目标值设定为0.4mpa，轴压目标值设定为20kn；(5)收集渗流液：等到计算机控制系统中显示围压、渗压、轴压达到目标值以后，开始从出渗口18收集渗流液，然后利用体变测量仪来反应渗流液的体积，即平均流量。

得到以下实验数据：

不同温度条件下石灰岩裂隙平均流量表

实验结果表明：不同温度条件下岩石裂隙初始渗流量不同，温度越高初始渗流量越大，渗透率越高，说明岩石裂隙的渗透特性有很大的变化。实验结果和已有的理论相吻合，说明本装置的温控系统有十分优良的性能，能够实现实验对温度系统装置的要求。

实施例3

如图6所示，待蓄水箱36中的水加热或冷却到目标温度后，打开智能电磁调节阀a39和流量传感器a40，使蓄水箱36中的水流入渗流管路；打开智能电磁调节阀b41和流量传感器b42，将准备好的化学溶液存放器44里的溶液同样流入渗流管路；利用计算机控制系统采集流量传感器的反馈控制相应的电磁调节阀开口来控制相应的流量；并启动智能高精度ph仪a45，测定管路ph值，直到管道溶液ph值达到目标值后，打开智能电磁调节阀d47将符合要求的化学溶液通入渗流管路渗流进岩石试样。

采用实施例1的装置，将渗流溶液作为变量，进行实验，实验步骤如下：(1)准备并安装岩样；(2)安装并设置化学溶液自配系统：将准备好的化学溶液注入化学溶液存放器49内；(3)加载渗压：将油水转换器的自动打到手动，打开油水转换器上的四路低(高)渗透压开关，将控制要注入化学溶液的贮水缸的那路点击“进水”，这样渗压贮水缸就贮满了化学溶液；(4)设置实验目标值：将油水转换器的手动换成自动，然后在计算机控制系统，将围压的目标值设定为1mpa，渗压的目标值设定为0.5mpa，轴压目标值设定为20kn；(5)收集渗流液：等到计算机控制系统中显示围压、渗压、轴压达到目标值以后，开始从出渗口18收集渗流液，然后利用体变测量仪来反应渗流液的体积，即平均流量。

得到以下实验数据：

不同ph值条件下完整石灰岩平均流量表

实验结果表明：不同ph值溶液作用下，石灰岩的渗流量不同；加入碳酸溶液后岩石渗流量有所增加，完整岩石的渗透率增大，说明化学场对石灰岩的渗流特性有很大影响。从实验结果来看本装置的化学溶液自配系统由很好的性能，完全能够满足实验对化学系统的要求，实验数据精确且已收集，给整个多场耦合实验带来很大的便利。

实施例4

如图6所示，待试验全部完成卸载并拆除试样后，向清洗蓄水缸50注满水，打开智能调节阀c43和流量传感器c44，开始清洗渗流管路、化学溶液存放器及渗压贮水缸等仪器装置，清洗过程中启动智能高精度ph仪b46，通过计算机控制系统接收智能高精度ph仪b46的反馈，直到管路ph值达到7，结束清洗工作。