一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，包括加载室、温度加载系统、真三轴应力加载系统、断层稳定性评价试样、气液加载系统、微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统。本发明专利技术还公开了一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，分别对断层稳定性评价试样进行两向地应力加载条件下、三向地应力加载条件下的断层失稳实验以及真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验，还原了断层所处的深部高温、高压、高应力环境，实现了耦合加载条件下断层多物理场信息的监测，通过监测形变、温度、流体耦合场对地质断层力学行为的影响，为研究断层失稳机制提供了实验装置与技术手段。与技术手段。与技术手段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法


[0001]本专利技术涉及断层稳定性评价及地震异常信息分析
，具体涉及一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法。

技术介绍

[0002]断层作为一种特殊的地质结构，对区域内地壳活动、地貌变化等具有重要影响。在实际地质环境中，断层处在高温、高压、高应力的环境中，深部地应力、高温、地下流体等都是影响地质断层力学行为的因素。利用实验室中构建的地质断层试件进行相关物理模拟实验是开展断层力学研究的重要方法。
[0003]传统的断层力学相关物理模拟实验只考虑了构造应力场因素。例如，中国专利技术专利“一种用于室内走滑断层的双向加载的加载装置及试验方法”(专利号：CN201911037799.0)中公开的断层力学加载实验装置可用于室内走滑断层构造蠕滑和粘滑条件下变形场研究，中国专利技术专利“一种断层错动失稳冻融的试验系统及试验方法”(专利号：CN202210237071.8)中公开的断层结构物理模型装置同样可以实现构造应力作用下的断层失稳滑移模拟实验，中国专利技术专利“一种变倾角断层滑移模拟试验方法”(专利号：CN202011447595.7)可以实现对不同倾角断层的滑移破坏过程的物理模拟。但是，上述现有技术中提出的实验加载装置及实验方案均无法实现对地质断层试件的温度加载和流体注入过程的模拟，使得采用传统断层力学相关物理模拟实验所能采集到的断层力学行为信息太少。另外，现阶段针对地质断层物理模拟实验的专利及相关文献中，尚未设计出可以用于监测加载过程中形变、温度、流体等因素的地质断层试件。
[0004]因此，亟需提出一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置及方法，研究地质断层在深部地应力、高温及地下流体等因素耦合影响下的力学行为，监测地质断层在热流固多物理场耦合加载过程中的异常信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种形变、温度、流体多场耦合断层失稳实验装置及方法，通过还原地质断层所处地层深部的真实环境，全面监测形变、温度、流体多场耦合作用下地质断层的多物理场信息，准确获取地质断层在深部地应力、高温及地下流体等因素耦合影响下的力学行为，分析耦合场对断层失稳的影响机制，为深部地层断层失稳机制的研究奠定了基础。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，包括加载室、温度加载系统、真三轴应力加载系统、断层稳定性评价试样、气液加载系统、微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统；
[0008]所述加载室包括上端盖、框架和底座；
[0009]所述温度加载系统包括加热板和加热电源，加热板设置于底座上，与加热电源相连接，加热板顶面与断层稳定性评价试样底面相紧贴，加热板的底面中心位置处设置有贯穿整个加热板的贯通孔；
[0010]所述真三轴应力加载系统包括两个X轴应力加载压头、两个Y轴应力加载压头和一个Z轴应力加载压头，X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头和Z轴应力加载压头均固定于框架上，两个X轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的左右两侧，两个Y轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的前后两侧，Z轴应力加载压头设置于断层稳定性评价试样的顶部，X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头和Z轴应力加载压头的压板均与断层稳定性评价试样相紧贴，X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头和Z轴应力加载压头分别与液压油缸相连接；
[0011]所述断层稳定性评价试样设置呈立方体结构，根据预设倾角值在断层稳定性内部预设倾斜断层，倾斜断层采用待研究区内的断层泥制成，走向与真三轴应力加载系统的Y轴应力加载方向平行，断层稳定性评价试样底面中心位置处设置有注水孔，注水孔与贯通孔相连通，用于连接气液加载系统；
[0012]所述气液加载系统包括气液注入管道、液体储罐、气体储罐和气体收集管道，气液注入管道的一端依次穿过贯通孔和注水孔伸入断层稳定性评价试样内，另一端分为两路，一路通过液体注入管道与液体储罐相连接，另一路通过气体注入管道与气体储罐相连接，气液注入管道上设置有流体压力表，气体收集管道设置于Z轴应力加载压头内，气体收集管道底端与断层稳定性评价试样顶面相紧贴，气体收集管道上设置有气体流量计和气体浓度检测仪；
[0013]所述微破裂监测系统包括多个声发射传感器和声发射接收端，声发射传感器均匀分布在断层稳定性评价试样的两个相对侧面上，与断层稳定性评价试样表面相紧贴，各声发射传感器分别与声发射接收端相连接；
[0014]所述应力与形变监测系统包括DIC测量装置和多组应变片组，DIC测量装置固定在上端盖上，位于断层稳定性评价试样的上方，与DIC测量接收端相连接，DIC测量装置的DIC镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，应变片组沿倾斜断层的倾向均匀设置于倾斜断层的上表面，各应变片组中均设置有两个应变片，其中一个应变片沿断层倾向设置，另一个应变片沿断层走向设置，各应变片分别与动态应变仪相连接；
[0015]所述温度异常与热异常监测系统包括热成像仪和多个热电偶温度传感器，热成像仪固定在上端盖上，与热成像输出端相连接，热成像仪的热成像镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，热电偶温度传感器沿倾斜断层的倾向均匀埋设于倾斜断层内部，各热电偶温度传感器分别与温度采集仪相连接；
[0016]所述流体压力监测系统包括流体压力显示仪和多个流体压力传感器，流体压力传感器沿倾斜断层的倾向均匀埋设于倾斜断层内部，各流体压力传感器分别与流体压力显示仪相连接。
[0017]优选地，所述液体注入管道上设置有液体控制阀，气体注入管道上设置有气体控制阀。
[0018]优选地，所述微破裂监测系统中设置有8个声发射传感器，均匀分布在断层稳定性评价试样的左、右侧面或前、后侧面上。
[0019]优选地，所述X轴应力加载压头的压板和Y轴应力压头的压板上设置有多个声发射传感器安置孔，声发射传感器安置孔内设置有声发射传感器，声发射传感器的通过弹簧与压板相连接。
[0020]一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，采用如上所述的基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，具体包括断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验、断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验以及断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验。
[0021]优选地，所述断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验，具体包括以下步骤：
[0022]步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；
[0023]利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中；
[0024]步骤2，安装断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，其特征在于，包括加载室、温度加载系统、真三轴应力加载系统、断层稳定性评价试样、气液加载系统、微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统；所述加载室包括上端盖、框架和底座；所述温度加载系统包括加热板和加热电源，加热板设置于底座上，与加热电源相连接，加热板顶面与断层稳定性评价试样底面相紧贴，加热板的底面中心位置处设置有贯穿整个加热板的贯通孔；所述真三轴应力加载系统包括两个X轴应力加载压头、两个Y轴应力加载压头和一个Z轴应力加载压头，X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头和Z轴应力加载压头均固定于框架上，两个X轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的左右两侧，两个Y轴应力加载压头对称设置于断层稳定性评价试样的前后两侧，Z轴应力加载压头设置于断层稳定性评价试样的顶部，X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头和Z轴应力加载压头的压板均与断层稳定性评价试样相紧贴，X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头和Z轴应力加载压头分别与液压油缸相连接；所述断层稳定性评价试样设置呈立方体结构，根据预设倾角值在断层稳定性内部预设倾斜断层，倾斜断层采用待研究区内的断层泥制成，走向与真三轴应力加载系统的Y轴应力加载方向平行，断层稳定性评价试样底面中心位置处设置有注水孔，注水孔与贯通孔相连通，用于连接气液加载系统；所述气液加载系统包括气液注入管道、液体储罐、气体储罐和气体收集管道，气液注入管道的一端依次穿过贯通孔和注水孔伸入断层稳定性评价试样内，另一端分为两路，一路通过液体注入管道与液体储罐相连接，另一路通过气体注入管道与气体储罐相连接，气液注入管道上设置有流体压力表，气体收集管道设置于Z轴应力加载压头内，气体收集管道底端与断层稳定性评价试样顶面相紧贴，气体收集管道上设置有气体流量计和气体浓度检测仪；所述微破裂监测系统包括多个声发射传感器和声发射接收端，声发射传感器均匀分布在断层稳定性评价试样的两个相对侧面上，与断层稳定性评价试样表面相紧贴，各声发射传感器分别与声发射接收端相连接；所述应力与形变监测系统包括DIC测量装置和多组应变片组，DIC测量装置固定在上端盖上，位于断层稳定性评价试样的上方，与DIC测量接收端相连接，DIC测量装置的DIC镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，应变片组沿倾斜断层的倾向均匀设置于倾斜断层的上表面，各应变片组中均设置有两个应变片，其中一个应变片沿断层倾向设置，另一个应变片沿断层走向设置，各应变片分别与动态应变仪相连接；所述温度异常与热异常监测系统包括热成像仪和多个热电偶温度传感器，热成像仪固定在上端盖上，与热成像输出端相连接，热成像仪的热成像镜头与断层稳定性评价试样的顶面相对，热电偶温度传感器沿倾斜断层的倾向均匀埋设于倾斜断层内部，各热电偶温度传感器分别与温度采集仪相连接；所述流体压力监测系统包括流体压力显示仪和多个流体压力传感器，流体压力传感器沿倾斜断层的倾向均匀埋设于倾斜断层内部，各流体压力传感器分别与流体压力显示仪相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，其特征在于，所述液体注入管道上设置有液体控制阀，气体注入管道上设置有气体控制阀。3.根据权利要求1所述的一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，其特征在于，所述微破裂监测系统中设置有8个声发射传感器，均匀分布在断层稳定性评价试样的左、右侧面或前、后侧面上。4.根据权利要求3所述的一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，其特征在于，所述X轴应力加载压头的压板和Y轴应力压头的压板上设置有多个声发射传感器安置孔，声发射传感器安置孔内设置有声发射传感器，声发射传感器的通过弹簧与压板相连接。5.一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，其特征在于，采用如1～4中任一项所述的基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验装置，具体包括断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验、断层稳定性评价试样在三向地应力加载条件下的断层失稳实验以及断层稳定性评价试样在真三轴应力作用下的断层气体渗漏实验。6.根据权利要求5所述的一种基于形变、温度、流体多场耦合的断层失稳实验方法，其特征在于，所述断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验，具体包括以下步骤：步骤1，测定断层稳定性评价试样的原始声速；利用岩石声波参数测试仪测量断层稳定性评价试样的原始声速，原始声速包括断层稳定性评价试样中沿倾斜断层走向方向的纵波速度、横波速度以及沿垂直于倾斜断层走向方向的纵波速度和横波速度，并将测量得到的断层稳定性评价试样原始声速输入微破裂监测系统中；步骤2，安装断层稳定性评价试样；开启加热电源使得加热板温度升高至预设温度后，对加热板进行保温处理，保持加热板的温度不变，将制得的断层稳定性评价试样置于加热板上，将应力与形变监测系统的应变片组紧贴于倾斜断层的上表面，温度异常与热异常监测系统的热电偶温度传感器以及流体压力监测系统的流体压力传感器埋设于倾斜断层中，气液加载系统的气液注入管道依次穿过贯通孔和注水孔插入断层稳定性评价试样内，将真三轴应力加载系统的X轴应力加载压头、Y轴应力加载压头以及微破裂监测系统的声发射传感器紧贴于断层稳定性评价试样表面，真三轴应力加载系统的Z轴应力加载压头不与断层稳定性评价试样表面接触，DIC测量装置和热成像仪固定在上端盖上，DIC测量装置的DIC镜头和热成像仪的热成像镜头均与断层稳定性评价试样顶面相对；步骤3，向断层稳定性评价试样加载双向地应力和温度；启动液压油缸，控制真三轴应力加载系统的X轴应力加载压头和Y轴应力加载压头，以0.01MPa/s的速率向断层稳定性评价试样施加X轴方向地应力σ
x
和Y轴方向地应力σ
y
，使得断层稳定性评价试样受到双向应力场的作用，同时，根据预设的地层温度，利用加热板加热断层稳定性评价试样，向断层稳定性评价试样施加温度载荷；步骤4，监测断层稳定性评价试样的临界破裂状态；利用微破裂监测系统的声发射接收端实时获取各声发射传感器测量的声信息，根据各
声发射传感器测量的声信息，结合断层稳定性评价试样的原始声速，判断断层稳定性评价试样的倾斜断层周围是否出现破裂点，若倾斜断层周围出现破裂点，则判定倾斜断层已处于临界破裂状态，此时，保持向断层稳定性评价试样施加的X轴方向地应力σ
x
和Y轴方向地应力σ
y
不变；步骤5，利用气液加载系统向断层稳定性评价试样内注入液体；开启液体储罐和液体注入管道上的液体控制阀，液体以预设的恒定流速从液体储罐内流出，依次经液体注入管道、气液注入管道注入断层稳定性评价试样内，形成稳定的流场；步骤6，监测断层稳定性评价试样的多物理场信息；在利用温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统向断层稳定性评价试样施加温度场、双向应力场和流场时，利用微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统监测断层稳定性评价试样，其中，利用微破裂监测系统的声发射接收端实时接收各声发射传感器测量的声信息，利用应力与形变监测系统的动态应变仪实时获取各应变片组测量的沿倾斜断层倾向方向的应变、沿倾斜断层走向方向的应变以及DIC测量装置获取的断层稳定性评价试样表面应变和变形情况，利用温度异常与热异常监测系统的温度采集仪相实时获取热成像仪拍摄的断层稳定性评价试样热成像图像以及各热电偶温度传感器测量的温度，利用流体压力监测系统的流体压力显示仪实时获取各流体压力传感器测量的压力；步骤7，待断层稳定性评价试样被破坏时，结束对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验；保持向断层稳定性评价试样施加的温度场、双向应力场和流场不变，当监测到断层稳定性评价试样内连续出现多个破裂点或破裂信号时，断层稳定性评价试样内部被破坏，关闭温度加载系统、真三轴应力加载系统和气液加载系统，停止对断层稳定性评价试样在两向地应力加载条件下的断层失稳实验，并基于温度场、两向应力场和流场耦合加载阶段微破裂监测系统、应力与形变监测系统、温度异常与热异常监测系统和流体压力监测系统的监测结果，确定温度场、两向应力场和流场耦合加载不同阶段断层稳定性评...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙峰，侯丙昌，薛世峰，贾朋，张旭东，袁丽娜，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：