[發明專利]高溫高壓常規三軸直剪破裂滲流耦合測試裝置及使用方法

有效

• 申請號: 202110419440.0
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113109181B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 劉造保;劉斌慧;冉亞東;郝良;吳名;徐建宇;李航
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N3/02;G01N3/18;G01N15/08
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 韓國勝

本發明涉及一種高溫高壓常規三軸直剪破裂滲流耦合測試裝置，兩個剪切壓頭和兩個壓力組件以關于巖石試樣中心對稱的方式設巖石試樣上下。剪切壓頭包括第一和第二剪切壓頭主體。壓力組件包括橡膠囊和墊板。壓力組件的一部分在第一和第二剪切壓頭高度差所形成空間內。橡膠囊通過墊板向巖石試樣施加壓力。第二剪切壓頭主體設的第一滲流網路凹槽和墊板設的第二滲流網路凹槽內的滲流介質向巖石試樣施加滲透壓。三軸試驗機向巖石試樣施加側向圍壓、軸壓和高溫。其有益效果是，該測試裝置能夠在高溫高壓條件下開展常規三軸直剪破裂滲流試驗。簡單的結構、優化后的密封設計、活塞部件和橡膠囊的連接方式、注液方法設計使得本發明的實用性和可靠性大大提高。

技術領域

本發明涉及巖石實驗技術領域，尤其涉及一種高溫高壓常規三軸直剪破裂滲流耦合測試裝置及使用方法。

背景技術

隨著巖石工程中的資源開采、能源開發等領域的深入發展，為利于地熱能生產、油氣生產、深井灌注、二氧化碳封存和核廢料處理的發展，需要進行滲流介質流經裂隙網路的預測和描述，以更好地提高開采和開發的技術能力，避免實際開采時因滲流介質流經裂隙網路的預測和描述不準確造成的滲流介質注入誘發地震、CO₂及儲氣庫泄露的危害。巖石工程的基本賦存環境包括三軸高溫、高應力和高滲流介質壓力，測試時需要在溫度-滲流-應力(THM)多場耦合作用下預測和描述滲流介質流經裂隙網路。目前，對巖石裂隙的滲透性實驗研究包括壓剪試驗和直剪試驗，其采用的巖石樣品多為采用鋸切或劈裂等方式得到的預破裂樣品。但這種方式忽視了滲流介質對巖石的滲流影響的重要因素：斷裂產生的應力邊界條件和磨損產物。因此，對完整巖石開展常規三軸直剪破裂滲流耦合測試更加合理和準確。

因巖石三軸壓縮試驗機的價格高昂，為降低成本，目前普遍借助現有的試驗機開展常規三軸直剪滲流測試。目前，國內外的常規三軸直剪滲流測試的剪切裝置所采用的原理為“剛性壓頭+橡膠壓頭”，如專利文獻CN102901676B，CN105158087B，CN103728191A，CN105203411A，CN107748110B等，但這種裝置進行三軸直剪的前提是：側向圍壓是通過橡膠塊以相同的壓力傳遞到下方的巖塊頂面，而橡膠塊傳遞的壓力值受橡膠塊的高寬比的影響較大。為減小誤差，美國阿拉莫斯國家實驗室的研究人員將橡膠塊的高度增加到更大，并在“兩剛一柔型”三軸試驗機中開展完整巖石常溫下常規三軸直剪滲流試驗(Frash，L.P.(2017).Caprock integrity susceptibility to permeable fracture creation)。然而，橡膠塊的高度增加可能會受到現有三軸壓縮試驗機壓頭高度的限制。不允許無限增大，那會大大增加油溫升高的難度。

為解決橡膠塊的高度增加會受到現有三軸壓縮試驗機壓頭高度的限制的問題，專利文獻CN110044730A提出了一種基于“剛性壓頭+橡膠囊”的剪切裝置，該裝置可以將側向圍壓通過橡膠囊以同樣的力傳遞到下方巖石試樣的頂面。但是該專利文獻僅能實現溫度-應力耦合，無法進行巖石三軸直剪破裂的滲透性測試，無法滿足進行巖石三軸直剪破裂測試所需的溫度-滲流-應力(THM)多場耦合環境，其實用性和可靠性較低。

發明內容

(一)要解決的技術問題

鑒于現有技術的上述缺點、不足，本發明提供一種高溫高壓常規三軸直剪破裂滲流耦合測試裝置及使用方法，其解決了現有的巖石試樣剪切裝置無法進行巖石三軸直剪破裂的滲透性測試、且無法滿足進行巖石三軸直剪破裂測試所需的溫度-滲流-應力(THM)多場耦合環境的技術問題。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

第一方面，本發明實施例提供一種高溫高壓常規三軸直剪破裂滲流耦合測試裝置，包括兩個剪切壓頭和兩個壓力組件，所述兩個剪切壓頭和兩個所述壓力組件均分別以關于巖石試樣中心對稱的方式設置在所述巖石試樣的上下兩側；