一种用于岩体剪切和渗流试验的密封机构的制作方法

本实用新型涉及岩石力学试验技术，尤其是一种用于岩体剪切和渗流试验的密封机构。

背景技术：

岩石或岩体剪切-渗流试验是岩石力学中重要的研究试验之一，该试验装置结构复杂，对流体的密封问题难度大，且很难实现对高压流体的密封。在当前岩体的剪切渗流耦合研究中对渗流流体的渗透压力要求很高，现有的岩体剪切渗流试验装置无法实现渗透压高达10MPa以上的要求。而且在剪切过程中，岩体破坏后会发生较大的剪切位移，进而会引起密封部分的变形也很大，进而加大了剪切渗流试验装置的密封难度。近年来，针对二氧化碳地质封存的基础研究中，超临界二氧化碳作用下的岩体力学特性的研究对岩体剪切渗流试验装置有着很高的渗透压要求；而且这部分研究又急需进行，因此针对岩体剪切渗流装置的密封问题，迫切需要提供一种用于岩体剪切和渗流试验的密封机构及其方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于解决岩体剪切渗流试验的渗流流体的高渗透压密封问题，在真三轴试验机围压室的基础上提供一种用于岩体剪切和渗流试验的密封机构；通过特殊设计的密封胶套可以对较高的渗透压有着良好的密封性，而且没有死空间可以精确计量注入岩样的流体体积。

本实用新型目的是这么实现的：

通过特殊设计的密封胶套能将岩样完全包裹起来，将2块法向压板和2块剪切压板(具有流体通道)部分包裹起来，实现渗透流体与外界的密封；在密封胶套内部设置有特殊设计的变形胶囊，通过围压跟踪泵保持变形胶囊内部压力与胶套外部压力始终一致，剪切破坏后的岩样发生较大剪切位移会挤压变形胶囊，引起变形胶囊压力升高，围压跟踪泵减少变形胶囊内部液体体积使变形胶囊内部压力与密封胶套外部压力一致，进而使得变形胶囊体积减小而不会引起密封胶套的变形；密封胶套不变形就不会被外部围压破坏。

具体地说：

一、用于岩体剪切和渗流试验的密封机构(简称密封机构)

包括由岩样、剪切板、法向压板、围压跟踪泵、计算机和围压室构成的岩体剪切和渗流试验装置；

设置有密封胶套、变形胶囊和变形隔板；

其位置和连接关系是：

密封胶套置于围压室的中心，岩样置于密封胶套中心位置，2块剪切板分别从左、右穿过密封胶套的左、右两侧压紧岩样，2块法向压板分别从上、下两侧穿过密封胶套压紧岩样；置于密封胶套内左下方和右上方的左、右两个变形胶囊均通过管路与围压跟踪泵相连；在变形胶囊和岩样之间设置有变形隔板；左、右两侧剪切板的流体通道分别与流体注入源和流体回流源相连。

二、密封方法(简称方法)

本方法包括以下步骤：

①密封机构组装

将密封胶套平行放置，无开口面朝上，将变形胶囊和变形隔板安装到密封胶套剪切位移区(若变形隔板易改变位置，可用双面胶粘到变形胶囊上)，然后用硅胶涂匀密封胶套的注入口四周以防液压油由此进入密封胶套；

②配件组合

首先将岩样放到密封胶套内部中心位置，然后将2块剪切压板和2块法向压板穿过相应的开口压紧岩样，形成密封组合件；可根据试验要求在组合件上安装相应的传感器；

③围压与变形胶囊内压平衡

将密封机构放到岩体剪切和渗流试验装置的围压室内，连接相应的流体注入管路，将2个变形胶囊通过管线与围压跟踪泵相连，根据需要再连接其它管线，最后关闭围压室；

④测试跟踪及平衡围压

首先开启围压跟踪泵，根据预定方案对围压室注入高压油时，围压跟踪泵能够实时监视围压室的压力变化，并能调整变形胶囊内部压力大小与围压室压力保持一致。

本实用新型具有下列优点和积极效果

①通过密封胶套隔离围压与渗透压，可以使注入流体的渗透压高达50MPa，且围压压紧密封胶套有助于密封可防止流体通过岩体侧面串流；

②通过变形胶囊的主动排液而减少体积，破坏岩样的错动位移不会引起密封胶套变形而发生破坏等问题；

③通过围压跟踪泵控制变形胶囊内部液压压力，可以实时准确平衡变形胶囊内部液压压力与围压，进而很好地保护密封胶套；

④通过变形胶囊的变形让位与破坏后岩样的错动位移，可以实现岩样剪切的大变形或大位移时对流体的良好密封性；

⑤由三元乙丙橡胶制成的密封胶套和变形胶囊可以完成具有一定腐蚀性流体、高温流体极端环境下的试验。

总之，本实用新型通过密封胶套将围压与渗透压隔离，可以使注入流体的渗透压高达50MPa；通过变形胶囊可以实现岩样剪切的大位移，并能保证对流体的良好密封性；能完成具有一定腐蚀性流体、高温流体等极端环境下的剪切渗流试验。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图(主视，剖)；

图2是密封胶套的结结构示意图(主视，剖)；

图3是密封胶套的结结构示意图(立体)；

图4是变形胶囊的结构示意图(立体)。

图中：

1—密封胶套；

1-1—变形胶囊，1-2—变形隔板；

2—岩样；

3—剪切板，

3-1—流体通道；

4—法向压板；

5—围压跟踪泵；

6—计算机；

7—围压室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、总体

如图1，密封机构包括由密封胶套1、岩样2、剪切板3、法向压板4、围压跟踪泵5、计算机6和围压室7构成的岩体剪切和渗流试验装置；

设置有密封胶套1、变形胶囊1-1和变形隔板1-2；

其位置和连接关系是：

密封胶套1置于围压室7的中心，岩样2置于密封胶套1的中心位置，2块剪切板3分别从左、右穿过密封胶套1的左、右两侧压紧岩样2，2块法向压板 4分别从上、下两侧穿过密封胶套1压紧岩样2；置于密封胶套1内左下方和右上方的左、右两个变形胶囊1-1均通过管路与围压跟踪泵5相连；在变形胶囊 1-1和岩样2之间设置有变形隔板1-2；左、右两侧剪切板3的流体通道3-1分别与流体注入源和回流源相连；

密封胶套1将岩样2完全包裹起来，将2块剪切板3和2块法向压板4的伸进部分包裹起来，实现渗透流体与外界的密封。

2、功能部件

1)密封胶套1

如图1、2、3、4，密封胶套1是一种由三元乙丙橡胶制成的呈中心对称的十字形状的壳体(沿中心垂线将密封胶套1分成左右两块，再将右块沿中心顺时针旋转180°即和左块重合)，壳体厚度2mm，上下左右开口；

在密封胶套1的内部设置有变形胶囊1-1和变形隔板1-2；

其位置和连接关系是：

2个变形胶囊1-1分别置于密封胶套1内部左右两侧剪切位移区，2块变形隔板1-2分别紧贴2个变形胶囊1-1。

*变形胶囊1-1

变形胶囊1-1是一种由三元乙丙橡胶制成带有流体注入口的方形囊体，可以随内外压力差发生一定体积的变形，为岩样2剪切位移腾空位置，从而避免岩样2发生剪切位移时破坏密封胶套1。

*变形隔板1-2

变形隔板1-2是一种由铝制成的尺寸与变形胶囊1-1相匹配的金属板，夹在变形胶囊1-1和岩样2之间，并能随之移动，避免变形胶囊1-1与岩样2直接接触而发生破坏。

2)岩样2

岩样2是待测试的岩石样品，一般为具有一定尺寸的立方体。

3)剪切板3

剪切板3是一种不锈钢制、具有一定尺寸且带有流体通道3-1的长方体；

其功能是对岩样2施加剪切力，并能通过其流体通道3-1对岩样2注入流体。

4)法向压板4

法向压板4一种不锈钢制、具有一定尺寸的长方体；

其功能是对岩样2施加法向应力。

5)围压跟踪泵5

围压跟踪泵5是一种能根据围压室7内部压力值自动调整输出压力并与围压保持一致的压力泵；

其功能是保持变形胶囊1-1内压力与围压一致，使得岩样2剪切位移变化挤压变形胶囊1-1变小时不会造成变形胶囊1-1内压力升高而引起密封胶套1变形。

6)计算机6

计算机6是一种常用计算机；

其功能是监测和控制围压跟踪泵5的压力，便于实现变形胶囊1-1和围压室 7内部压力保持一致。

7)围压室7

围压室7是一种真三轴试验机的应力加载试验室；

其功能是为岩样2施加X、Y和Z方向的应力，X和Y方向通过活塞施加应力，Z方向通过围压室内部高压液压油施加。

3、工作原理

在剪切试验过程中，围压室7内部压力始终高于注入流体的压力，因而围压室7内部压力会压紧密封胶套1，避免注入的流体窜入围压室7及通过岩样2的两个侧面窜流，最终实现很好的密封性。

围压室7对岩样2进行剪切过程中，通过围压跟踪泵5使变形胶囊1-1和围压室7的内部压力始终保持一致；随着对岩样2的剪切力的增大，岩样2会发生剪切位移，进而通过变形隔板1-2对变形胶囊1-1进行挤压，使变形胶囊1-1 内部压力增高，变形胶囊1-1内部压力增高后，围压跟踪泵5会将变形胶囊1-1 内部液体排除一部分使得变形胶囊1-1和围压室7的内部压力始终保持一致，进而使变形胶囊1-1的体积变小；随着剪切过程的进行，上一过程不断重复，直至剪切结束。

变形隔板1-2避免破坏后的岩样2上粗糙边角对密封胶套1和变形胶囊1-1 直接接触而发生破坏。