CN116202934A - 深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头及压力盒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头及压力盒，包括密封压头，密封压头的前端有环形密封槽和均匀布置的若干渗透孔，所述若干渗透孔位于环形密封槽内围；密封压头内设有密封流体注入通道和渗流流体通道，密封流体注入通道一端与环形密封槽贯通，所述渗流流体通道一端与若干渗透孔连通。使用过程中，通过渗流流体通道可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体可通过若干渗透孔均匀流向试样；而通过密封流体注入通道可向环形密封槽注入密封流体，可防止流体从试样边缘流出。本申请的密封压头可将压力均匀传递给试样，也可实现试样表面流体的均匀分布；本申请的渗透压力盒可实现立方体试样的三向密封，可用于三向渗透率测试。

Description

深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头及压力盒

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，尤其涉及深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头及压力盒。

背景技术

深地、深海、深空领域赋存着大量的资源、能源，因此目前正逐渐逐渐向深部转移。然而，深部岩石处于极其复杂的渗流场、温度场内。因深部岩石面临着复杂的力学环境使得相关的工程实施面临巨大的考验，所以开展深部岩体物理力学试验具有重大意义。

岩石中气或水的渗透行为测试对工程实践和工业安全具有重要意义。现有的岩石渗透率测试系统往往只能进行渗流行为测试，难以开展应力实验。

此外，现有的岩石渗透率测试系统只能测试某一固定方向（竖直方向）的渗透率，而实际工程储层岩体是三向渗流场，现有岩石渗透率测试系统有待改进。

发明内容

本申请提供一种深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头及压力盒，其首要解决现有岩石渗透率测试系统往往只能进行渗流行为测试，难以开展应力实验的问题，其次再解决现有岩石渗透率测试系统难以实现三向渗流测试的问题。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，包括密封压头，所述密封压头的前端有环形密封槽和均匀布置的若干渗透孔，所述若干渗透孔位于环形密封槽内围；密封压头内设有密封流体注入通道和渗流流体通道，密封流体注入通道一端与环形密封槽贯通，所述渗流流体通道一端与若干渗透孔连通。使用过程中，通过渗流流体通道可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体可通过若干渗透孔均匀流向试样；而通过密封流体注入通道可向环形密封槽注入密封流体，可防止流体从试样边缘流出。

可选的，所述密封压头包括压头本体和渗透垫块；所述环形密封槽一体制造于压头本体前端边缘，密封流体注入通道和渗流流体通道设于压头本体内，密封流体注入通道一端与环形密封槽贯通，另一端贯通压头本体外表面；

所述压头本体的前端有一体制造的嵌槽，嵌槽位于所述环形密封槽内围，渗流流体通道一端贯通嵌槽，另一端贯通压头本体外表面；所述渗透垫块装于嵌槽内，所述若干渗透孔设于渗透垫块上，渗透孔前后贯通渗透垫块。

可选的，所述压头本体的前端有一体制造的矩形凸块，矩形凸块位于所述环形密封槽内围，所述嵌槽位于所述矩形凸块前端面。

特别的，所述渗透垫块上从内到外等间隔设有多圈渗透孔，每一圈以渗透垫块中心为圆心同心布置，每一圈沿圆周方向有等间隔布置的多个渗透孔；所述渗透垫块背面有多个圆槽和多个径向直槽，多圈渗透孔分别位于其中一个圆槽上并与对应的圆槽贯通，所述径向直槽贯通多个圆槽，多个径向直槽沿圆周方向等间隔布置；所述渗流流体通道的一端与其中一个圆槽和/或径向直槽正对。

本申请提供的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，包括所述深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，所述密封压头有6个；所述6个密封压头两两位于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上。

可选的，用至少8个弹性片将所述6个密封压头连接在一起。

可选的，本申请提供的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒还包括试样密封夹具，所述试样密封夹具用于固定试样，试样密封夹具的6个方向分别预留有与6个密封压头适配的口。

特别的，所述试样密封夹具包括刚性外立方体框架和柔性内立方体框架，刚性外立方体框架和柔性内立方体框架均有12条框边，刚性外立方体框架和柔性内立方体框架的6个面均为矩形框；柔性内立方体框架内可装入立方体试样，柔性内立方体框架一体制造，柔性内立方体框架的12条外棱角位置与刚性外立方体框架的12条内棱角紧密贴合；所述柔性内立方体框架的每个面均有一体制造的环形凸缘，环形凸缘用于插入密封压头的环形密封槽内。

特别的，柔性内立方体框架的12条内棱角位置有与立方体试样的棱角适配的直角边结构。

可选的，6个密封压头的前端分别从试样密封夹具6个方向的框口处伸入至与试样密封夹具内的立方体试样的表面接触；环形凸缘插入密封压头的环形密封槽内，二者之间设有环向密封条。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请的密封压头可将压力均匀传递给试样，也可实现试样表面流体的均匀分布；

2，使用本申请，通过渗流流体通道可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体可通过若干渗透孔均匀流向试样；而通过密封流体注入通道可向环形密封槽注入密封流体，可防止流体从试样边缘流出，可用于岩体渗流测试；

3，本申请的渗透压力盒可实现立方体试样的三向密封，可用于三向渗透率测试。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1是实施例中密封压头的三维图；

图2是实施例中密封压头的主视图；

图3是图2中A-A处的剖视图；

图4是图2中B-B处的剖视图；

图5是实施例中压头本体的三维图；

图6是实施例中第一视角下渗透垫块的三维图；

图7是实施例中第二视角下渗透垫块的三维图；

图8是实施例中深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒的三维图；

图9是实施例中试样密封夹具的三维图；

图10是实施例中试样密封夹具的主视图；

图11是图10中C-C处的剖视图；

图12是图10中D-D处的剖视图；

图13是实施例中柔性内立方体框架的三维图；

图14是实施例中柔性内立方体框架的剖视图；

图15是实施例中6个压头本体与试样密封夹具组配在一起时的三维图；

图16是实施例中6个压头本体与试样密封夹具组配在一起时的主视图；

图17是图16中E-E处的剖视图；

图18是图16中F-F处的剖视图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图4所示，本实施例公开的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，包括密封压头100，密封压头100的前端有环形密封槽11和均匀布置的若干渗透孔21，若干渗透孔21位于环形密封槽11内围；密封压头100内设有密封流体注入通道13和渗流流体通道14，密封流体注入通道13一端与环形密封槽11贯通，渗流流体通道14一端与若干渗透孔21连通。通过渗流流体通道14可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体可通过若干渗透孔21均匀流向试样；而通过密封流体注入通道13可向环形密封槽11注入密封流体，可防止流体从试样边缘流出，可用于岩体渗流测试。

在一种可能的设计中，密封压头100包括压头本体1和渗透垫块2。

如图5所示，压头本体1的前端边缘有一体制造的环形密封槽11和一体制造的矩形凸块12，矩形凸块12位于环形密封槽11内围，环向密封条3嵌装在环形密封槽11中。

压头本体1内设有密封流体注入通道13和渗流流体通道14，密封流体注入通道13一端与环形密封槽11贯通，另一端贯通压头本体1外表面。

矩形凸块12前端面有一体制造的嵌槽15，渗流流体通道14一端贯通嵌槽15，另一端贯通压头本体1外表面。渗透垫块2通过螺钉装于嵌槽15内，渗透垫块2上均匀布置有若干渗透孔21，渗透孔21前后贯通渗透垫块2。通过渗流流体通道14可根据实验需求注入不同温度、压力的流体，流体流入嵌槽再通过若干渗透孔21均匀流向试样。

在一种可能的设计中，如图6、图7所示，渗透垫块2上从内到外等间隔设有多圈渗透孔21，每一圈以渗透垫块2中心为圆心同心布置。每一圈沿圆周方向有等间隔布置的多个渗透孔21。

特别的，渗透垫块2背面有多个圆槽22和多个径向直槽23，多圈渗透孔21分别位于其中一个圆槽22上并与对应的圆槽22贯通，径向直槽23贯通多个圆槽22，多个径向直槽23沿圆周方向等间隔布置。渗流流体通道14的一端与其中一个圆槽22和/或径向直槽23正对为宜。

值得说明的是，圆槽22和径向直槽23的数量根据需要合理设置。在一种可能的设计中，径向直槽23有4个，圆槽22有5-7个。

在一种可能的设计中，密封流体注入通道13和渗流流体通道14均为L型，密封流体注入通道13一端与环形密封槽11垂直贯通，另一端垂直贯通压头本体1侧壁。渗流流体通道14一端与嵌槽15垂直贯通，另一端垂直贯通压头本体1侧壁。

在一种可能的设计中，压头本体1侧壁安装有两个流体管道接头16，密封流体注入通道13和渗流流体通道14另一端分别与其中一个流体管道接头16连接。

为便于与外部部件对接，压头本体1后端设有对接口。

可选的，环向密封条3的横截面为开口朝外的U型结构。

可选的，压头本体1整体采用高刚度合金材料制成。渗透垫块2也具有高刚度。

可选的，环向密封条3采用高强度橡胶制成。

如图8所示，本实施例公开的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，包括6个密封压头100，如图15-图18所示，6个密封压头100分别位于三条轴上，本文中的三轴分别指三轴坐标系中的X轴、Y轴、Z轴。6个压头分别为：对称设置在X轴方向的两个密封压头100，对称设置在Y轴方向的两个密封压头100以及对称设置在Z轴方向的两个密封压头100。

在一种可能的设计中，密封压头100为矩形。6个密封压头100分别与立方体试样400的6个面适配。

如图8所示，用至少8个弹性片300将6个密封压头100连接在一起使其内侧构成用于放置立方体试样400的试样空间。

值得说明的是，弹性片300的数量根据需要合理设置。本实施例用12个弹性片300将6个密封压头100连接在一起，每个密封压头100的四周分别通过一个弹性片300与四周的4个密封压头100连接。当然，在另一种可能的设计中，可用更多的弹性片300将6个密封压头100连接在一起。

可选的，如图3所示，密封压头100外端四周设有与弹性片300适配的弹片槽101，弹片槽101中设有螺钉孔，弹性片300的一端置于弹片槽101中并通过螺钉与密封压头100连接。

在一种可能的设计中，深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒还包括试样密封夹具200。如图9-图12所示，试样密封夹具200用于固定立方体试样400，同时又需要在6个方向预留有与6个密封压头100适配的口。在一种可能的设计中，试样密封夹具200包括刚性外立方体框架201和柔性内立方体框架202，刚性外立方体框架201有12条框边，刚性外立方体框架201的6个面均为矩形框。

柔性内立方体框架202内可装入立方体试样400。柔性内立方体框架202有12条框边2021，柔性内立方体框架202的6个面均为矩形框，柔性内立方体框架202一体制造。

在一种可能的设计中，如图13、图14所示，柔性内立方体框架202的每个面均有一体制造的环形凸缘2022，环形凸缘2022与压头本体1的环形密封槽11适配，用于与压头本体1紧密贴合。如图3、图4所示，环向密封条3有与环形凸缘2022适配的内凹槽，环形凸缘2022装在环向密封条3的内凹槽内。

柔性内立方体框架202的12条外棱角位置2023与刚性外立方体框架201的12条内棱角紧密贴合。在一种可能的设计中，柔性内立方体框架202的12条内棱角位置有与立方体试样400的棱角适配的直角边结构2024。

在一种可能的设计中，柔性内立方体框架202为耐磨耐压高强度的橡胶框，刚性外立方体框架201为金属框架。

在一种可能的设计中，柔性内立方体框架202内可装入100*100*100mm的立方体试样400。

在一种可能的设计中，密封压头100与刚性外立方体框架201的矩形框口适配，二者之间可依靠摩擦力保持相对固定。矩形凸块12与柔性内立方体框架202的矩形框口适配。

本实施例的工作原理：

立方体试样400置于试样密封夹具200的柔性内立方体框架202内，6个密封压头100的前端分别从试样密封夹具200的6个方向的框口处伸入至与立方体试样400的表面接触；柔性内立方体框架202的6个方向的环形凸缘2022对应插入6个密封压头100的环形密封槽11内。

通过6个压头本体1内部的密封流体注入通道13向环形密封槽11内注入高压密封流体，使环向密封条3与柔性内立方体框架202紧密贴合，实现立方体试样400的12条棱边与柔性内立方体框架202紧密贴合，可实现密封压头100边缘与立方体试样400棱角的高压密封。随后，通过同一轴上的其中一个密封压头100的渗流流体通道14注入渗流流体，渗流流体经渗透垫块2均匀流向立方体试样400；同一轴上的另一个密封压头100的渗流流体通道14作为渗流流体出口。而立方体试样400的12条棱边相互密封，可防止试样边缘的流体相互流通；值得说明的是，渗流压力应小于密封压力。

在应力加载实验中，利用6个作动器分别对6个密封压头100施加轴向力，可开展三轴六向应力加载实验。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，其特征在于：包括密封压头（100），所述密封压头（100）的前端有环形密封槽（11）和均匀布置的若干渗透孔（21），所述若干渗透孔（21）位于环形密封槽（11）内围；

密封压头（100）内设有密封流体注入通道（13）和渗流流体通道（14），密封流体注入通道（13）一端与环形密封槽（11）贯通，所述渗流流体通道（14）一端与若干渗透孔（21）连通。

2.根据权利要求1所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，其特征在于：所述密封压头（100）包括压头本体（1）和渗透垫块（2）；

所述环形密封槽（11）一体制造于压头本体（1）前端边缘，密封流体注入通道（13）和渗流流体通道（14）设于压头本体（1）内，密封流体注入通道（13）一端与环形密封槽（11）贯通，另一端贯通压头本体（1）外表面；

所述压头本体（1）的前端有一体制造的嵌槽（15），嵌槽（15）位于所述环形密封槽（11）内围，渗流流体通道（14）一端贯通嵌槽（15），另一端贯通压头本体（1）外表面；

所述渗透垫块（2）装于嵌槽（15）内，所述若干渗透孔（21）设于渗透垫块（2）上，渗透孔（21）前后贯通渗透垫块（2）。

3.根据权利要求2所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，其特征在于：所述压头本体（1）的前端有一体制造的矩形凸块（12），矩形凸块（12）位于所述环形密封槽（11）内围，所述嵌槽（15）位于所述矩形凸块（12）前端面。

4.根据权利要求2所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，其特征在于：所述渗透垫块（2）上从内到外等间隔设有多圈渗透孔（21），每一圈以渗透垫块（2）中心为圆心同心布置，每一圈沿圆周方向有等间隔布置的多个渗透孔（21）；

所述渗透垫块（2）背面有多个圆槽（22）和多个径向直槽（23），多圈渗透孔（21）分别位于其中一个圆槽（22）上并与对应的圆槽（22）贯通，所述径向直槽（23）贯通多个圆槽（22），多个径向直槽（23）沿圆周方向等间隔布置；

所述渗流流体通道（14）的一端与其中一个圆槽（22）和/或径向直槽（23）正对。

5.深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，其特征在于：包括如权利要求1-4中任一项所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压头，所述密封压头（100）有6个；

所述6个密封压头（100）两两位于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上。

6.根据权利要求5所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，其特征在于：用至少8个弹性片（300）将所述6个密封压头（100）连接在一起。

7.根据权利要求5或6所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，其特征在于：还包括试样密封夹具（200），所述试样密封夹具（200）用于固定试样，试样密封夹具（200）的6个方向分别预留有与6个密封压头（100）适配的口。

8.根据权利要求7所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，其特征在于：所述试样密封夹具（200）包括刚性外立方体框架（201）和柔性内立方体框架（202），刚性外立方体框架（201）和柔性内立方体框架（202）均有12条框边，刚性外立方体框架（201）和柔性内立方体框架（202）的6个面均为矩形框；

柔性内立方体框架（202）内可装入立方体试样（400），柔性内立方体框架（202）一体制造，柔性内立方体框架（202）的12条外棱角位置（2023）与刚性外立方体框架（201）的12条内棱角紧密贴合；

所述柔性内立方体框架（202）的每个面均有一体制造的环形凸缘（2022），环形凸缘（2022）用于插入密封压头（100）的环形密封槽（11）内。

9.根据权利要求8所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，其特征在于：柔性内立方体框架（202）的12条内棱角位置有与立方体试样（400）的棱角适配的直角边结构（2024）。

10.根据权利要求8或9所述的深地深空深海环境岩石物理力学测试用渗流压力盒，其特征在于：所述6个密封压头（100）的前端分别从试样密封夹具（200）6个方向的框口处伸入至与试样密封夹具（200）内的立方体试样（400）的表面接触；

环形凸缘（2022）插入密封压头（100）的环形密封槽（11）内，二者之间设有环向密封条（3）。

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