[发明专利]高温高压常规三轴直剪破裂渗流耦合测试装置及使用方法

说明书

本发明涉及一种高温高压常规三轴直剪破裂渗流耦合测试装置，两个剪切压头和两个压力组件以关于岩石试样中心对称的方式设岩石试样上下。剪切压头包括第一和第二剪切压头主体。压力组件包括橡胶囊和垫板。压力组件的一部分在第一和第二剪切压头高度差所形成空间内。橡胶囊通过垫板向岩石试样施加压力。第二剪切压头主体设的第一渗流网路凹槽和垫板设的第二渗流网路凹槽内的渗流介质向岩石试样施加渗透压。三轴试验机向岩石试样施加侧向围压、轴压和高温。其有益效果是，该测试装置能够在高温高压条件下开展常规三轴直剪破裂渗流试验。简单的结构、优化后的密封设计、活塞部件和橡胶囊的连接方式、注液方法设计使得本发明的实用性和可靠性大大提高。

技术领域

本发明涉及岩石实验技术领域，尤其涉及一种高温高压常规三轴直剪破裂渗流耦合测试装置及使用方法。

背景技术

随着岩石工程中的资源开采、能源开发等领域的深入发展，为利于地热能生产、油气生产、深井灌注、二氧化碳封存和核废料处理的发展，需要进行渗流介质流经裂隙网路的预测和描述，以更好地提高开采和开发的技术能力，避免实际开采时因渗流介质流经裂隙网路的预测和描述不准确造成的渗流介质注入诱发地震、CO₂及储气库泄露的危害。岩石工程的基本赋存环境包括三轴高温、高应力和高渗流介质压力，测试时需要在温度-渗流-应力(THM)多场耦合作用下预测和描述渗流介质流经裂隙网路。目前，对岩石裂隙的渗透性实验研究包括压剪试验和直剪试验，其采用的岩石样品多为采用锯切或劈裂等方式得到的预破裂样品。但这种方式忽视了渗流介质对岩石的渗流影响的重要因素：断裂产生的应力边界条件和磨损产物。因此，对完整岩石开展常规三轴直剪破裂渗流耦合测试更加合理和准确。

因岩石三轴压缩试验机的价格高昂，为降低成本，目前普遍借助现有的试验机开展常规三轴直剪渗流测试。目前，国内外的常规三轴直剪渗流测试的剪切装置所采用的原理为“刚性压头+橡胶压头”，如专利文献CN102901676B，CN105158087B，CN103728191A，CN105203411A，CN107748110B等，但这种装置进行三轴直剪的前提是：侧向围压是通过橡胶块以相同的压力传递到下方的岩块顶面，而橡胶块传递的压力值受橡胶块的高宽比的影响较大。为减小误差，美国阿拉莫斯国家实验室的研究人员将橡胶块的高度增加到更大，并在“两刚一柔型”三轴试验机中开展完整岩石常温下常规三轴直剪渗流试验(Frash，L.P.(2017).Caprock integrity susceptibility to permeable fracture creation)。然而，橡胶块的高度增加可能会受到现有三轴压缩试验机压头高度的限制。不允许无限增大，那会大大增加油温升高的难度。

为解决橡胶块的高度增加会受到现有三轴压缩试验机压头高度的限制的问题，专利文献CN110044730A提出了一种基于“刚性压头+橡胶囊”的剪切装置，该装置可以将侧向围压通过橡胶囊以同样的力传递到下方岩石试样的顶面。但是该专利文献仅能实现温度-应力耦合，无法进行岩石三轴直剪破裂的渗透性测试，无法满足进行岩石三轴直剪破裂测试所需的温度-渗流-应力(THM)多场耦合环境，其实用性和可靠性较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种高温高压常规三轴直剪破裂渗流耦合测试装置及使用方法，其解决了现有的岩石试样剪切装置无法进行岩石三轴直剪破裂的渗透性测试、且无法满足进行岩石三轴直剪破裂测试所需的温度-渗流-应力(THM)多场耦合环境的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种高温高压常规三轴直剪破裂渗流耦合测试装置，包括两个剪切压头和两个压力组件，所述两个剪切压头和两个所述压力组件均分别以关于岩石试样中心对称的方式设置在所述岩石试样的上下两侧；