本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)中的巖土檢測(cè)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)是可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的方法。

背景技術(shù)：

伴隨著《國(guó)土資源“十三五”規(guī)劃綱要》的頒布，我國(guó)明確提出要進(jìn)行天然氣水合物資源勘查與試采、頁(yè)巖氣調(diào)查評(píng)價(jià)和勘查示范基地建設(shè)等專項(xiàng)創(chuàng)新工程，在這種背景下，我國(guó)對(duì)深部油氣開發(fā)的研究正進(jìn)行的如火如荼；氣體滲透系數(shù)作為深部油氣開發(fā)中致密巖石的重要力學(xué)參數(shù)之一，在深部油氣開發(fā)的研究中，經(jīng)常需要對(duì)氣體滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

目前測(cè)量巖石氣體滲透系數(shù)的方法主要有穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法(又稱壓力脈沖法)、壓力震蕩法；其中，穩(wěn)態(tài)法適用于滲透率較大的巖石的滲透系數(shù)的測(cè)量；瞬態(tài)法適用于致密巖石的測(cè)量，其原理成熟，測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量精度大，是目前測(cè)量滲透率的主流方法；壓力震蕩法適用于較致密巖石滲透率的測(cè)量，其測(cè)量精度高，對(duì)儀器的要求也高，對(duì)于常規(guī)致密率巖石而言，該方法并不經(jīng)濟(jì)；而由于巖石賦存環(huán)境的復(fù)雜性，在各種工程荷載的作用下，巖石初始地應(yīng)力場(chǎng)受到改造，應(yīng)力場(chǎng)分布發(fā)生變化，巖石產(chǎn)生變形和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化，從而導(dǎo)致巖石的滲透特性發(fā)生變化，因此準(zhǔn)確模擬工程條件下巖石的受力狀況對(duì)真實(shí)情況下巖石的滲透率測(cè)量至關(guān)重要。

目前模擬巖石受力狀態(tài)的裝置主要是常規(guī)(假)三軸儀以及真三軸儀；真三軸儀比常規(guī)三軸儀更能精確模擬巖石的三向受力狀態(tài)，也更能反映巖石真實(shí)的本構(gòu)關(guān)系，同時(shí)試驗(yàn)操作、結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，造價(jià)也偏高；但實(shí)際上，常規(guī)三軸儀由于其操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用；因此，有時(shí)候就經(jīng)常即需要常規(guī)三軸儀，又需要真三軸試驗(yàn)儀；而實(shí)際上，很多單位資金并不充裕，同時(shí)擁有常規(guī)三軸儀和真三軸儀并不符合實(shí)際，而且各類工程的實(shí)踐使得很多單位需要更便捷地做常規(guī)(假)三軸試驗(yàn)與真三軸試驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，將可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的裝置改裝成可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真三軸試驗(yàn)的裝置，試樣為正方形底面的矩形體，上壓頭、下壓頭為正方形底面的長(zhǎng)方體、且與所述試樣底面尺寸相同；用橡膠套套上試樣、上壓頭、下壓頭，并用卡箍將橡膠套嚴(yán)格密封試樣、上壓頭、下壓頭；

步驟2：通過(guò)垂直加載活塞作用在上壓頭上，對(duì)試樣施加豎向軸力σ1至特定值，保持壓力值不變；

步驟3：通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪把手動(dòng)操作加載部分，使右軸桿左進(jìn)與水平壓頭貼近；再操作泵動(dòng)加載部分，使左軸桿右進(jìn)，貼近水平壓頭，從而對(duì)試樣施加水平力σ2至特定值，保持壓力值不變；

步驟4：通過(guò)進(jìn)油口和出油口的油壓對(duì)試樣施加水平力σ3至特定值，保持壓力值不變；

步驟5：打開高壓氮?dú)馄块_關(guān)，通過(guò)減壓箱調(diào)整壓力值至特定值，壓力值通過(guò)滲透壓上壓頭壓力傳感器讀出；

步驟6：打開進(jìn)氣口閥門、出氣口閥門，通過(guò)高壓氣瓶給滲透管路施加氣壓，直至滲透壓上壓頭壓力傳感器與滲透壓下壓頭壓力傳感器讀數(shù)相等；

步驟7：關(guān)閉進(jìn)氣口閥門，調(diào)整減壓箱使進(jìn)氣口壓力值增加至特定值；

步驟8：關(guān)閉閥門，迅速打開進(jìn)氣口閥門，使進(jìn)氣口滲透壓瞬時(shí)大于出氣口滲透壓，在滲透管道內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)的壓力差ΔP；由于在壓力差ΔP的作用下，試樣兩端會(huì)產(chǎn)生氣體滲流作用，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值，通過(guò)如下公式計(jì)算試樣的氣體滲透系數(shù)；

ΔP_t＝P_ut-P_dt ①

其中，ΔP_t為t時(shí)刻上下滲透壓壓力差，P_ut為t時(shí)刻進(jìn)氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，P_dt為t時(shí)刻出氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，ΔP為初始時(shí)刻進(jìn)、出氣端壓力差，μ為氣體的粘滯系數(shù)，L為試樣的長(zhǎng)度，A為試樣的截面面積，S_u、S_d為進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶容氣量，其大小等于進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓縮系數(shù)與體積的乘積，α為公式推導(dǎo)過(guò)程中引進(jìn)的一個(gè)參數(shù)；計(jì)算中，先由計(jì)算機(jī)模擬出與時(shí)間t曲線，由①、②式計(jì)算出α，再帶入③式求試樣氣體滲透系數(shù)；

步驟9：通過(guò)加壓系統(tǒng)改變?chǔ)?，σ2，σ3的大小，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣破壞，得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值下試樣的氣體滲透系數(shù)；

步驟10：在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，將可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的裝置改裝成可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的假三軸試驗(yàn)的裝置，此時(shí)，去除所述可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真三軸試驗(yàn)的裝置中的水平壓頭，將試樣改為圓形截面的圓柱體，上壓頭、下壓頭為圓形底面的圓柱體、且與試樣截面尺寸相同；用橡膠套套上試樣、上壓頭、下壓頭，并用卡箍將橡膠套嚴(yán)格密封試樣、上壓頭、下壓頭；

步驟11：手動(dòng)操作加載部分、泵動(dòng)加載部分不操作，保持左軸桿右軸桿與圍壓室密封接合；

步驟12：通過(guò)垂直加載活塞作用在上壓頭上，從而對(duì)試樣施加豎向軸力σ1至特定值，保持壓力值不變；

步驟13：通過(guò)進(jìn)油口和出油口的油壓對(duì)試樣施加σ2、σ3至特定值，保持壓力值不變；

步驟14：打開高壓氮?dú)馄块_關(guān)，通過(guò)減壓箱調(diào)整壓力值至特定值，壓力值通過(guò)滲透壓上壓頭壓力傳感器讀出；

步驟15：打開進(jìn)氣口閥門、出氣口閥門，通過(guò)高壓氣瓶給滲透管路施加氣壓，直至滲透壓上壓頭壓力傳感器與滲透壓下壓頭壓力傳感器讀數(shù)相等；

步驟16：關(guān)閉進(jìn)氣口閥門，調(diào)整減壓箱使進(jìn)氣口壓力值增加至特定值；

步驟17：關(guān)閉閥門，迅速打開進(jìn)氣口閥門，使進(jìn)氣口滲透壓瞬時(shí)大于出氣口滲透壓，在滲透管道內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)的壓力差ΔP；由于在壓力差ΔP的作用下，試樣兩端會(huì)產(chǎn)生氣體滲流作用，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值，通過(guò)如下公式計(jì)算試樣的氣體滲透系數(shù)；

ΔP_t＝P_ut-P_dt ①

其中，ΔP_t為t時(shí)刻上下滲透壓壓力差，P_ut為t時(shí)刻進(jìn)氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，P_dt為t時(shí)刻出氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，ΔP為初始時(shí)刻進(jìn)、出氣端壓力差，μ為氣體的粘滯系數(shù)，L為試樣的長(zhǎng)度，A為試樣的截面面積，S_u、S_d為進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶容氣量，其大小等于進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓縮系數(shù)與體積的乘積，α為公式推導(dǎo)過(guò)程中引進(jìn)的一個(gè)參數(shù)；計(jì)算中，先由計(jì)算機(jī)模擬出與時(shí)間t曲線，由①、②式計(jì)算出α，再帶入③式求試樣氣體滲透系數(shù)；

步驟18：通過(guò)加壓系統(tǒng)改變?chǔ)?，σ2，σ3的大小，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣破壞，得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值下試樣的氣體滲透系數(shù)。

在上述技術(shù)方案中，在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立。在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，可以控制σ1>σ2>σ3；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，可以控制σ1，σ2＝σ3。

在上述技術(shù)方案中，在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，施加水平力σ2時(shí)，所述右軸桿左進(jìn)的距離由設(shè)計(jì)人員事先進(jìn)行精確測(cè)量確定。以確保操作后試樣不偏離。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)僅通過(guò)更換少部分部件，就既可做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)又可做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)；

(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；

(3)為科研單位節(jié)省資金，給研究人員提供方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明可以進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)儀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明可以進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)儀裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明真/假三軸測(cè)量致密巖石氣體滲透系數(shù)試驗(yàn)裝置側(cè)視圖。

圖中1-垂直加載活塞,2-上壓頭,3-下壓頭,4-手動(dòng)操作加載部分,5-泵動(dòng)加載部分,6-水平壓頭,7-試樣,8-進(jìn)油口,9-出油口,10-底座,11-左軸桿,12-右軸桿,13-圍壓室,14-高壓氮?dú)馄?15-減壓箱,16-閥門,18-滲透壓上壓頭壓力傳感器,19-進(jìn)氣口閥門,24-出氣口閥門,25-滲透壓下壓頭壓力傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時(shí)通過(guò)說(shuō)明使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)更加清楚和容易理解。

參閱附圖可知：可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，將可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的裝置改裝成可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真三軸試驗(yàn)的裝置，試樣7為正方形底面的矩形體，上壓頭2、下壓頭3為正方形底面的長(zhǎng)方體、且與試樣7底面尺寸相同；用橡膠套套上試樣7、上壓頭2、下壓頭3，并用卡箍將橡膠套嚴(yán)格密封試樣7、上壓頭2、下壓頭3；

步驟2：通過(guò)垂直加載活塞1作用在上壓頭2上，對(duì)試樣7施加豎向軸力σ1至特定值，保持壓力值不變；

步驟3：通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪把手動(dòng)操作加載部分4，使右軸桿12左進(jìn)與水平壓頭6貼近；再操作泵動(dòng)加載部分5，使左軸桿11右進(jìn)，貼近水平壓頭6，從而對(duì)試樣7施加水平力σ2至特定值，保持壓力值不變；

步驟4：通過(guò)進(jìn)油口8和出油口9的油壓對(duì)試樣7施加水平力σ3至特定值，保持壓力值不變；

步驟5：打開高壓氮?dú)馄?4開關(guān)，通過(guò)減壓箱15調(diào)整壓力值至特定值，壓力值通過(guò)滲透壓上壓頭壓力傳感器18讀出；

步驟6：打開進(jìn)氣口閥門19、出氣口閥門24，通過(guò)高壓氣瓶14給滲透管路施加氣壓，直至滲透壓上壓頭壓力傳感器18與滲透壓下壓頭壓力傳感器25讀數(shù)相等；

步驟7：關(guān)閉進(jìn)氣口閥門19，調(diào)整減壓箱15使進(jìn)氣口壓力值增加至特定值；

步驟8：關(guān)閉閥門16，迅速打開進(jìn)氣口閥門19，使進(jìn)氣口滲透壓瞬時(shí)大于出氣口滲透壓，在滲透管道內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)的壓力差ΔP；由于在壓力差ΔP的作用下，試樣7兩端會(huì)產(chǎn)生氣體滲流作用，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值，通過(guò)如下公式計(jì)算試樣的氣體滲透系數(shù)；

ΔP_t＝P_ut-P_dt ①

其中，ΔP_t為t時(shí)刻上下滲透壓壓力差，P_ut為t時(shí)刻進(jìn)氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，P_dt為t時(shí)刻出氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，ΔP為初始時(shí)刻進(jìn)、出氣端壓力差，μ為氣體的粘滯系數(shù)，L為試樣的長(zhǎng)度，A為試樣的截面面積，S_u、S_d為進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶容氣量，其大小等于進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓縮系數(shù)與體積的乘積，α為公式推導(dǎo)過(guò)程中引進(jìn)的一個(gè)參數(shù)；計(jì)算中，先由計(jì)算機(jī)模擬出與時(shí)間t曲線，由①、②式計(jì)算出α，再帶入③式求試樣7氣體滲透系數(shù)；

步驟9：通過(guò)加壓系統(tǒng)改變?chǔ)?，σ2，σ3的大小，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣7破壞，得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值下試樣7的氣體滲透系數(shù)；

步驟10：在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，將可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的裝置改裝成可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的假三軸試驗(yàn)的裝置，此時(shí)，去除所述可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真三軸試驗(yàn)的裝置中的水平壓頭6，將試樣7改為圓形截面的圓柱體，上壓頭2、下壓頭3為圓形底面的圓柱體、且與所述試樣7截面尺寸相同；用橡膠套套上試樣7、上壓頭2、下壓頭3，并用卡箍將橡膠套嚴(yán)格密封試樣7、上壓頭2、下壓頭3；

步驟11：手動(dòng)操作加載部分4、泵動(dòng)加載部分5不操作，保持左軸桿11右軸桿12與圍壓室13密封接合；

步驟12：通過(guò)垂直加載活塞1作用在上壓頭2上，從而對(duì)試樣7施加豎向軸力σ1至特定值，保持壓力值不變；

步驟13：通過(guò)進(jìn)油口8和出油口9的油壓對(duì)試樣7施加σ2、σ3至特定值，保持壓力值不變；

步驟14：打開高壓氮?dú)馄?4開關(guān)，通過(guò)減壓箱15調(diào)整壓力值至特定值，壓力值通過(guò)滲透壓上壓頭壓力傳感器18讀出；

步驟15：打開進(jìn)氣口閥門19、出氣口閥門24，通過(guò)高壓氣瓶14給滲透管路施加氣壓，直至滲透壓上壓頭壓力傳感器18與滲透壓下壓頭壓力傳感器25讀數(shù)相等；

步驟16：關(guān)閉進(jìn)氣口閥門19，調(diào)整減壓箱15使進(jìn)氣口壓力值增加至特定值；

步驟17：關(guān)閉閥門16，迅速打開進(jìn)氣口閥門19，使進(jìn)氣口滲透壓瞬時(shí)大于出氣口滲透壓，在滲透管道內(nèi)形成一個(gè)瞬時(shí)的壓力差ΔP；由于在壓力差ΔP的作用下，試樣7兩端會(huì)產(chǎn)生氣體滲流作用，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值，通過(guò)如下公式計(jì)算試樣的氣體滲透系數(shù)；

ΔP_t＝P_ut-P_dt ①

其中，ΔP_t為t時(shí)刻上下滲透壓壓力差，P_ut為t時(shí)刻進(jìn)氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，P_dt為t時(shí)刻出氣端滲透壓力實(shí)測(cè)值，ΔP為初始時(shí)刻進(jìn)、出氣端壓力差，μ為氣體的粘滯系數(shù)，L為試樣的長(zhǎng)度，A為試樣的截面面積，S_u、S_d為進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶容氣量，其大小等于進(jìn)、出口端儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓縮系數(shù)與體積的乘積，α為公式推導(dǎo)過(guò)程中引進(jìn)的一個(gè)參數(shù)；計(jì)算中，先由計(jì)算機(jī)模擬出與時(shí)間t曲線，由①、②式計(jì)算出α，再帶入③式求試樣7氣體滲透系數(shù)；

步驟18：通過(guò)加壓系統(tǒng)改變?chǔ)?，σ2，σ3的大小，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至試樣7破壞，得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的滲透壓上、下壓頭的壓力值下試樣7的氣體滲透系數(shù)。

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立；在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1，σ2，σ3的加載系統(tǒng)各自獨(dú)立。

在做致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)時(shí)，施加水平力σ2時(shí)，所述右軸桿12左進(jìn)的距離由設(shè)計(jì)人員事先進(jìn)行精確測(cè)量確定。

為了能夠更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明所述的可測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真/假三軸試驗(yàn)的方法與進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)方法、進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)方法相比較所具有的優(yōu)點(diǎn)，工作人員將這三種方法進(jìn)行了比較：對(duì)某些既需要測(cè)量致密巖石氣體滲透率的真三軸試驗(yàn)，又需要測(cè)量致密巖石氣體滲透率的假三軸試驗(yàn)的單位來(lái)講，本發(fā)明所使用的裝置成本為80萬(wàn)、占地面積小、能進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)和假三軸試驗(yàn)，進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)方法所使用的真三軸試驗(yàn)裝置和進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)方法所使用的假三軸試驗(yàn)裝置總成本需要150萬(wàn)左右、占地面積大、需分別使用進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)裝置和進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的假三軸試驗(yàn)裝置進(jìn)行致密巖石氣體滲透系數(shù)測(cè)量的真三軸試驗(yàn)和假三軸試驗(yàn)。

其它未說(shuō)明的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。