岩石三轴力学渗透特性测试仪及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种岩石三轴力学渗透特性测试装置及测试方法，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；气体充填与采集模块完成对三轴压力系统提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和高精高频采集。煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，测量三轴应力加载条件下的煤岩试件渗透率，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集，并进行煤岩在受力变形过程中渗透率的测试；液压加载模块对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。

Testing Instrument and Method of Rock Triaxial Mechanical Permeability

The invention discloses a rock triaxial mechanical permeability testing device and testing method, including gas filling and acquisition module, coal and rock triaxial mechanical permeability testing module, hydraulic loading module and gas flow acquisition module; gas filling and acquisition module completes providing stable gas seepage pressure to the triaxial pressure system and realizes intelligent control of gas pressure and high precision and high frequency acquisition. Coal-rock triaxial mechanical permeability testing module provides closed space for pressure loading and gas seepage of coal-rock specimens, and measures permeability of coal-rock specimens under triaxial stress loading conditions. At the same time, the data of axial and circumferential deformation of coal-rock specimens in the test process are collected, and the permeability of coal-rock in the process of stress and deformation is tested by hydraulic loading module; briquette specimens are tested by hydraulic loading module. Axial and circumferential stress loading control and stress and strain measurement of coal and rock during loading process; gas flow acquisition module can complete gas flow acquisition in gas outlet channel.

【技术实现步骤摘要】
岩石三轴力学渗透特性测试仪及测试方法
本专利技术属于土木工程、岩土工程科研
，特别涉及一种煤层气勘探开发
的岩石三轴力学渗透特性测试装置。
技术介绍
我国是煤炭资源的生产大国，煤炭一直以来都作为重要的基础能源在国民经济中占有重要的战略地位，然而大量存在的瓦斯气体对煤炭安全开采具有很大的威胁。随着煤层气的开采利用，不但降低了煤炭开采的危险性，而且缓解了煤炭生产力，优化了能源结构。我国大多数矿区煤层气储层具有低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的“三低一强”的特性，很不利于直接抽釆。在煤层气抽采过程中，提高煤层气抽采率成为我国要解决的首要问题，而煤岩渗透率是表征气体通过煤岩的能力，因此研究瓦斯气体在煤岩中的渗透规律对于煤炭安全开采及煤层气抽采具有重要意义。目前，针对岩石渗透特性的研究，已开展了大量的研究工作，研制了一系列岩石渗透特性的测试仪器，研究现状如下：申请号为201610946045.7的中国专利技术专利，公开了《三轴应力作用下超低渗岩石渗透率测量装置》，(胡大伟；王冲；魏天宇；周辉；张传庆；杨凡杰；卢景景；朱勇)该装置包括数据采集及处理系统，三轴压力系统。三轴压力系统可以真实模拟深部岩体受围压和轴压等三轴应力作用下的受力特点，解决了无法模拟岩石三轴受力的问题。该装置的测量方法为压力震荡法，测量超低岩石的渗透率，但是该装置无法测量岩石的轴向位移和环向位移。申请号为201510437467.7的中国专利技术专利，公开了《真三轴环境下煤岩渗透率的检测方法及装置》，(张振宇；梁运培；姜德义；胡千庭；陈结；刘晓茜)该装置可测量不同环境条件的煤岩渗透率。该装置结构紧凑，体积小巧，利用三个方向的油缸可实现对试件三轴加载。该装置难以实现对圆柱形试件围压的加载，且该装置只考虑了渗流问题，没有测量试件的变形。申请号为201610944483.X中国专利技术专利，公开了《可测量致密岩石气体渗透率的真/假三轴试验装置》，(胡大伟；王冲；魏天宇；周辉；张传庆；杨凡杰；卢景景；朱勇；张帆)该装置可以用底面边长50mm、高100mm的长方体完成真三轴试验，也可以用底边直径50mm、高100mm的圆柱形试件完成假三轴试验。该试验装置侧重于可做真/假三轴试验，无法测量岩石的轴向位移和环向位移。申请号为CN201310745508.X的中国专利技术专利，公开了《一种高温超低渗透率测量仪》，(杨典森,陈卫忠,杨建平)该装置可实现不同温度、应力条件下低渗透率测量，适合非常规油气田、能源储存以及核废料地下储存工程涉及的低渗透岩土介质渗透率测量，但是该装置只能测量试件的轴向位移，忽略了环向位移的测试。申请号为CN201410259243.7的中国专利技术专利，公开了《一种可快速测量孔隙率的多相渗流介质三轴应力渗流耦合试验装置》，(徐卫亚,俞隽,王如宾,贾朝军,张久长,张强,闫龙)该装置，能运用水、气等多种渗流介质的稳态法和脉冲法测量岩石的渗透率，但是该装置轴压和围压的加载均使用增压泵，压力加载控制精度低，无法进行加卸载状态下试件的渗透率测试，且无法实时批量采集压力数据。该装置操作复杂，试件更换困难。申请号为CN201611217456.9的中国专利技术专利，公开了《一种各向异性岩石渗透率和弹性模量的测量装置及方法》，(闫传梁,王怀栋,程远方,韩忠英,丁吉平,滕飞,李庆超)该装置可以测量不同三轴应力和温度条件下各向异性岩石的渗透率和弹性模量。但是该装置无法测量圆柱形标准试件的渗透率，并且该装置压力加载无法实现伺服控制，加载精度低，试件更换困难。《岩石力学与工程学报》2010年5月份第29卷第5期由许江、尹光志等发表的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用”一文中公开了含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置，装置由伺服加载系统、水域恒温系统、三轴压力室、孔压控制系统、数据测试和辅助系统等6部分组成。该装置将传统的‘点充气’改为了‘面充气’，更加逼真的模拟瓦斯源；安装有轴向位移传感器，但忽略了环向位移的测试。综合分析目前现有渗透率测试装置，还存在以下不足之处：(1)对于加载过程中的煤岩渗透率特性测试，大部分试验仪器需要借助外置压力机来完成加载，需要多人才能完成操作；(2)测试装置无法同时测量试件的轴向和环向变形；(3)测试装置无法实现动态加载过程中的渗透率与变形测试；(4)试验所需试件更换困难；(5)测试装置围压密封困难。考虑到传统渗透率测试装置的弊端，迫切需要研制出一套功能更趋完备的煤岩渗透特性试验装置，以便更深层次地探索各因素对瓦斯渗流的作用机制，为煤层气抽采等提供技术参考。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种既操作简单，又能完成动态加载过程中煤岩的渗透率测试，还能实时同步测量试验过程中煤岩的轴向和环向位移的可三轴加载的煤岩渗透率测试装置及方法。为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用以下技术方案：可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；各模块分工明确，相互配合；所述的气体充填与采集模块用于对煤岩三轴力学渗透测试模块提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和采集；所述的煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集；所述的液压加载模块主要完成对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；所述的气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。进一步的，所述气体充填与采集模块包括高压气源、真空泵、调压阀、耐高压连接管、进气口高精度传感器、多通道采集装置、出气口高精度传感器；所述高压气源和调压阀通过所述耐高压连接管连接到所述渗透特性测试仪的进气和出气通道，所述进气口高精度传感器、出气口高精度传感器与所述多通道采集装置连接，进气口高精度传感器、出气口高精度传感器用于采集进气口和出气口的气压，完成气体的充填与采集；所述真空泵通过所述耐高压连接管连接到所述渗透仪的进气通道，完成试验仪器内气体的抽真空操作；进一步的，所述煤岩三轴力学渗透测试模块是本专利技术的核心模块，包括轴压室、围压室、测试室、环向位移测量装置和轴向位移测量装置；所述围压室位于所述轴压室下部，两者用连接件连接；所述的测试室位于围压室内部，所述的测试室内部用于放置试件，测试室将试件与围压室隔离；所述的环向位移测量装置用于采集试件的环向应变，所述的轴向位移测量装置用于采集试件的轴向应变。进一步的，所述轴压室包括油缸套筒、轴压活塞杆和油缸后盖；所述油缸套筒上开有引线密封通道，环向位移的采集线通过所述油缸套筒上的所述引线密封通道引出，且所述引线密封通道与油缸套筒之间密封；所述轴压活塞杆位于所述油缸套筒的中心，所述油缸活塞杆活塞外部与所述油缸套筒之间密封，具体的，所述油缸活塞杆活塞外部开有密封槽，通过所述密封圈完成与所述油缸套筒的动态密封；所述油缸后盖位于油缸套筒后部，所述油缸后盖与油缸套筒之间密封；具体的，所述油缸后盖内壁开有密封槽，通过密封圈完成两者之间的静态密封；所述轴压活塞杆中间开有出气口。进一步的，所述围压室包括围压套筒、底部活塞、活塞套、围压套筒后盖、密封圈；所述活塞套位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；所述的气体充填与采集模块用于对煤岩三轴力学渗透测试模块提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和采集；所述的煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集；所述的液压加载模块主要完成对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；所述的气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。

【技术特征摘要】
1.可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，包括气体充填与采集模块、煤岩三轴力学渗透测试模块、液压加载模块、气体流量采集模块；所述的气体充填与采集模块用于对煤岩三轴力学渗透测试模块提供稳定的气体渗流压力并实现气压的智能控制和采集；所述的煤岩三轴力学渗透测试模块为煤岩试件进行压力加载和气体渗流提供密闭的空间，同时实现煤岩试件在试验过程中的轴向及环向变形数据的采集；所述的液压加载模块主要完成对型煤试件的轴向、环向应力加载控制和加载过程中煤岩应力应变的测试；所述的气体流量采集模块可完成出气通道气体流量的采集。2.如权利要求1所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述气体充填与采集模块包括高压气源、真空泵、调压阀、耐高压连接管、进气口高精度传感器、多通道采集装置、出气口高精度传感器；所述高压气源和调压阀通过所述耐高压连接管连接到所述渗透特性测试仪的进气和出气通道，所述进气口高精度传感器、出气口高精度传感器与所述多通道采集装置连接，进气口高精度传感器、出气口高精度传感器用于采集进气口和出气口的气压，完成气体的充填与采集；所述真空泵通过所述耐高压连接管连接到所述渗透仪的进气通道，完成试验仪器内气体的抽真空操作。3.如权利要求1所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述煤岩三轴力学渗透测试模块包括轴压室、围压室、测试室、环向位移测量装置和轴向位移测量装置；所述围压室位于所述轴压室下部，两者用连接件连接；所述的测试室位于围压室内部，所述的测试室内部用于放置试件，测试室将试件与围压室隔离；所述的环向位移测量装置用于采集试件的环向应变，所述的环向位移测量装置用于采集试件的轴向应变。4.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述轴压室包括油缸套筒、轴压活塞杆、油缸后盖；所述油缸套筒上开有引线密封通道，环向位移的采集线通过所述油缸套筒上的所述引线密封通道引出，且所述引线密封通道与油缸套筒之间密封；所述轴压活塞杆位于所述油缸套筒的中心，所述油缸活塞杆活塞外部与所述油缸套筒之间密封；所述油缸后盖位于油缸套筒后部，所述油缸后盖与油缸套筒之间密封；所述轴压活塞杆中间开有出气口。5.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与变形测试的岩石三轴力学渗透特性测试仪，其特征在于，所述围压室包括围压套筒、底部活塞、活塞套和围压套筒后盖；所述活塞套位于围压套筒内部，与所述围压套筒同心紧密接触，两者之间密封；所述底部活塞位于所述活塞套内部，且在底部活塞上开设有进气口；所述底部活塞与活塞套之间同心设置且密封；所述围压套筒后盖位于围压套筒底部，与所述围压套筒、底部活塞、活塞套通过连接件连接在一起，配合完成围压室底部的密封。6.如权利要求3所述的可用于煤岩渗透特性与...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汉鹏，刘众众，袁亮，张冰，张强勇，王伟，侯伟涛，章冲，薛阳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37