[發明專利]基于電容層析成像技術的巖石三軸試驗裂隙擴展觀測裝置

在審

• 申請號: 201610067948.8
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105738212A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 張超;徐衛亞;楊蘭蘭;張久長;俞雋;閆龍;吉華;王如賓;王環玲
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種巖石裂隙擴展觀測裝置，特別涉及一種基于電容層析成像技術的巖石三軸試驗裂隙擴展觀測裝置。

背景技術

巖石是多孔孔隙介質，是由固體巖石骨架和流動的孔隙流體組成的二相體，其力學性質極大地依賴于巖石內部存在的裂隙以及裂隙內的流體。巖石受力變形破壞的過程中，內部裂隙的力學表現隨應力狀態和加載方式的不同而不同。或在較低的壓應力下，原生裂隙被壓密閉合；或在低拉應力作用下，原生裂隙由于尖端應力集中而擴展裂開；或在低剪應力作用下，原生裂隙撕開或滑開。無論何種應力狀態和加載方式，當作用的荷載超過一定水平，巖石內部將會有新的裂隙萌生，并且各種裂隙進一步擴展、成核、相接，然后貫通形成明顯的裂隙，最后巖石整體破壞。因此，若能清楚地知道巖石內部裂隙的力學狀態、幾何尺寸和分布規律，就能更好地把握巖石的宏觀力學性質。

再者，巖石的力學性質與裂隙中的流體有很大的關系。這主要表現為兩方面：其一，流體壓力的存在可以為巖石分擔一部分荷載，影響到裂隙的變形，進而影響到巖石的應力狀態；另一方面，巖石受力之后，裂隙變形，又使得流體在巖石中運移的通道變窄，進而影響到流體的滲流。但當荷載達到一定值時，巖石內部將出現新的裂隙，發生體積擴容現象，裂隙增多，裂隙變寬甚至相匯貫通。裂隙的存在將加大流體的輸運通道，使流體更容易透過巖石。可見，作為二相體的巖石，作用于其上的應力與滲流是相互影響的。這就是巖石的應力滲流耦合問題。正是由于巖石中裂隙的存在和裂隙流體的運動，才使得地下水、石油和天然氣等資源富集。也正是由于巖石的多孔特性，使得這些資源的開發利用成為可能。研究和開采這些資源，均涉及到巖石應力滲流耦合的力學問題。

開展巖石應力滲流耦合研究的理想實驗設備是全自動巖石三軸流變滲流試驗機。該試驗機可以同時對試驗巖樣施加長期應力和滲流作用，以研究兩者的耦合效應。但要采用三軸試驗儀研究巖石受力過程中的裂隙擴展仍然有很大的難度。

目前，國內能開展這一研究的試驗設備是與CT機配套的專用巖石三軸試驗機。應用此試驗機可以得到在不同荷載作用下，巖石中微孔洞被壓密和微裂隙萌生、分叉、發展、斷裂、貫通破壞等各個階段清晰的CT圖像。但應用CT掃描技術存在兩個不足：(1)需對三軸試驗機的圍壓室做改造，以適應CT掃描儀。這種改造通常比較費時費力，甚至需要重新制作三軸室。(2)CT掃描儀的價格極昂貴，與三軸試驗機相當。因此，有必要開發一種小巧實用，造價低廉的設備來實現巖石三軸試驗過程中巖石裂隙發展實時成像的功能。

電容層析成像是二十世紀80年代末，90年代初提出的一種新的層析成像技術。電容成像的基本原理是在觀測物體周圍安置電極傳感器陣列，通過測量不同電極組合之間的電容，應用一定的算法重建觀測物體內部的介電常數分布情況，并將不同介電常數的物質進行識別區分，再在計算機上實現可視化。利用這種技術可以把物體內部的介電常數的空間分布，通過測量物體表面所分布的電極之間的電容計算出來。電容層析成像技術以其廉價、高速、非輻射等特點，在近十幾年來獲得很大發展。該技術在石油、化工、冶金、能源等領域的兩相流測量中極具潛在應用價值。

發明內容

發明目的：本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，提供一種操作簡便、實用的基于電容層析成像技術的巖石三軸試驗裂隙擴展觀測裝置。

技術方案：本發明所述的基于電容層析成像技術的巖石三軸試驗裂隙擴展觀測裝置，包括三軸試驗裝置和電容成像系統，三軸試驗裝置包括放置巖樣的三軸室、包裹巖樣的橡膠套以及緊密環繞該橡膠套的雙層橡膠環；電容成像系統包括位于該雙層橡膠環層間、沿其環向間隔分布的環形電極，用于測量任意兩個環形電極間實時電容、并將其轉換為電容數字信號的數據采集模塊，以及用于將該電容數字信號轉換為圖像顯示的成像模塊；成像模塊發出檢測數字信號，該檢測數字信號經數據采集模塊轉換成檢測電信號、為環形電極供電。

通過測量環形電極間的實時電容，該實時電容代表巖體的實時介電常數，介電常數表征裂隙變化，當巖體破裂時，巖體空間等價介電常數發生變化，從而使得電極板間的測量電容也發生變化。數據采集系統測量任一對環形電極間的電容，并將該電容轉化為電容數字信號、送入成像模塊，成像模塊將電容數字信號轉換為投影數據；通過測量多對環形電極得到不同觀測角度下的電容，該電容反應巖體空間內介電常數的分布情況，從而得出巖體空間裂隙的分布情況，實現實時觀測裂隙的擴展過程。

具體的，數據采集模塊包括用于將檢測數字信號轉換為檢測電信號的信號傳輸電路，以及用于測量任意兩個環形電極間實時電容的數據采集器。