测试含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置和方法

1.本发明涉及隧道工程技术及矿山安全开采技术领域，尤其涉及一种测试含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置和方法。


背景技术：

2.我国西部高寒山区和海底地下工程施工过程中，经常穿越松散的冻土、冰碛层及水合物软弱地层。由于含冰软岩呈现出较强的低温蠕变特性，容易出现大变形、涌水涌沙及释放气体等，给现场施工带来了一系列难题，严重制约安全施工及矿产资源高效开采。研究表明，在开挖扰动、卸荷、温度变化及多相渗流等复杂地质环境中，含冰软岩蠕变过程会伴随相变，产生的流体运移规律更加复杂，导致重大灾害频发。从力学角度来看，含冰软岩地层是一个具有复杂力学行为的亚稳态结构体，蠕变过程伴随着微观结构破坏、颗粒迁移及骨架坍塌等过程，是典型的涉及温度、应力、渗流及相变的多物理场耦合问题。研究含冰软岩蠕变过程中的流体运移规律对保证冰川区、高山区、冻土区及海底等复杂低温环境中安全高效施工具有重要意义。
3.目前，通常采用固结仪、单轴仪或三轴仪进行岩土蠕变实验。其中，固结仪一般用于土体研究，无法改变围压大小；单轴仪用于土体或岩石研究，只能实现轴向加载，无法施加围压和孔隙压力；三轴仪可用于土体或岩石研究，但是现有的三轴仪使用的样品尺寸较小，边界效应明显；另外，拟三轴加载难以模拟含冰软岩真实赋存状态，且缺乏微观观测手段。而且，现有的岩土蠕变实验设备普遍功效较低，对于每块样品的实验少则需要几天，多则需要一个月，几块样品试验完成往往需要几个月时间，无法满足工程需要。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
5.本发明一方面提供了一种模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置，包括：多联样品罐、xyz真三轴压力系统、温控系统、ct扫描仪、多种参数传感器和数据采集器；所述多联样品罐包括多个样品罐，每个所述样品罐用于放置含冰软岩样品，还用于承受围压和轴压，多个所述样品罐通过连接装置连接为一个整体，所述连接装置与所述xyz真三轴压力系统和温控系统连接；所述xyz真三轴压力系统用于为所述样品罐提供xyz三个方向的压力以对样品进行真三轴蠕变试验；所述温控系统用于控制所述样品罐内的温度以使样品处于预设温度环境中；所述ct扫描仪用于对各所述样品罐中的样品进行ct扫描；所述参数传感器用于采集样品在真三轴蠕变试验中的各种参数数据；所述xyz真三轴压力系统、温控系统、参数传感器和ct扫描仪均与数据采集器数据连接；所述样品罐中设置有板加压装置，所述板加压装置用于在xyz任一方向对样品施加局部压力或全局压力；所述样品罐包括外舱和内舱，所述内舱通过氟胶套分割为样品室与加压室，所述
加压室靠近所述外舱；所述样品室用于放置样品，所述加压室用于通过xyz真三轴压力系统加压或通过所述板加压装置加压；所述板加压装置包括加压控制器和加压板，所述加压控制器的一端位于所述外舱，另一端位于所述加压室，所述加压板位于所述加压室内，所述加压板上设置有多个阵列排布的小板，所述加压控制器与所述小板数据连接，控制所述小板向所述样品室施加压力或卸载压力；所述加压板包括依次连接的上端加压板、缓冲塞和下端加压板，所述上端加压板和所述下端加压板上均设置有多个相互对应的阵列排布的小板，所述上端加压板朝向所述下端加压板的侧面上设置有与所述小板对应的凹槽，所述加压控制器与所述上端加压板上的小板数据连接，控制所述上端加压板上的小板向所述下端加压板上的小板施加压力或卸载压力。
6.优选地，各所述样品罐上均设置有气体进口和气体出口，与所述气体出口连接的管路上依次设置有过滤器、气液分离器和气相色谱仪，与所述气液分离器连接的支路上设置有电子天平和电导率仪。
7.优选地，所述ct扫描仪设置为一套，且该ct扫描仪在多个所述样品罐间移动。
8.优选地，所述样品罐设置为三个，三个所述样品罐连接为三联真三轴系统。
9.优选地，所述板加压装置设置为多个，均匀分布于所述样品室的侧面和端面的外侧。
10.优选地，所述下端加压板的小板上设置有加热器，且每个小板上的加热器通过导线连接并与所述样品室底部的加热元件连接，同时，每个小板上的加热器与所述加压室外壁上设置的温度传感器数据连接。
11.优选地，所述下端加压板的各小板间隙中设置有可沿间隙移动的压头，所述压头用于对样品进行微尺度压痕试验。
12.优选地，所述装置还包括与所述压头连接的用于压痕力学参数测量的传感器。
13.本发明第二方面提供了一种模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的方法，利用如上述的模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置，所述方法包括：制备含冰软岩样品并将其放置在样品罐中；利用xyz真三轴压力系统对样品施加压力进行蠕变试验，测试含水合物沉积物或软岩的变形随时间的发展曲线，测试超声波速及衰减、电阻率随时间的变化曲线，测量变形、超声波、电阻随时间的变化曲线；利用温控系统根据预设的分级温度进行分级降温，并在温度稳定后采收压裂液，进行渗流特性分析；利用板加压装置在xyz任一方向对样品施加局部压力或全局压力，测量样本在突变荷载时的形变量、裂缝发展趋势，并进行力学参数分析。
14.本发明的有益效果是：本发明提供的装置和方法不仅可以较为真实的模拟含冰碛层、冻土或水合物层分级加载蠕变、卸荷蠕变、动态载荷蠕变、降温-压冰融蠕变试验，还能够进行力学参数分析试验。而且能够通过渗透率、ct探测、声发射、电导分析等多种试验参数探测分析岩石力学结构变形及破坏特征，结合电导率、气相色谱仪及离子质谱仪掌握相变过程中的化学成分演化机制。另外，本装置还可以为低温条件下含冰碛、冻土或水合物沉
积物提供一种工程扰动三联真三轴模拟仿真的平台，为西部高寒、海底地下工程作业提供科学试验数据和理论依据。
附图说明
15.图1为本发明所述模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置结构示意图；图2为本发明所述三联样品罐的结构示意图；图3为本发明所述板加压装置的结构示意图；图4为本发明所述下端加压板的结构示意图。
16.图中，各符号的含义如下：1、多联样品罐；2、xyz真三轴压力系统；3、温控系统；4 、ct扫描仪；5、支架开关；6、数据采集器；7、连接装置；8、板加压装置；9、外舱；10、内舱；11、氟胶套；12、样品室；13、加压室；14、加压控制器；15、加压板；16、小板；17、上端加压板；18、缓冲塞；19、下端加压板；20、气体进口；21、气体出口；22、过滤器；23、气液分离器；24、气相色谱仪；25、电子天平；26、电导率仪；27、气源；28、增压机；29、干燥器；30、干燥气体收集器；31、恒速恒压泵；32、搅拌器；33、入口压力表；34、环压跟踪泵；35、环压压力表；36、电动伺服缸；37、回压泵；38、回压容器；39、加热器；40、温度传感器；41、压头；42、样品底座；43、重力传感器；44、声发射传感器；45、可拆卸件；46、流体注入管道；47、横轨；48、竖轨；49、电动伺服缸连接器；50、样品固定夹；51、支架。
具体实施方式
17.为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
18.实施例一含冰软岩（包括冰碛层、冻土或水合物层）受到的围压条件较高，所处环境的温度较低，需要专用的能提供温度压力控制的高压蠕变仪来进行实验，国内外尚没有用于研究含冰软岩蠕变过程中流体运移的设备。由于含冰软岩的组分较通常的岩土多，在实验过程中，样品的微结构的变化更为复杂，为了观测加载过程中微结构的变化及其对蠕变性能的影响，本发明中将岩土ct、声发射、电导率仪及气相色谱仪等多种监测设备与真三轴高压蠕变实验装置结合，得到用于测试含冰软岩蠕变过程中的流体运移实验装置。通过该试验装置不仅能够从三个垂直方向施加应力，更加真实的反应地层条件下的应力状态，实现了三联真三轴实验。而且通过设置板加压装置，实现在三轴方向对样品施加全局或局部压力，从而进行力学参数分析试验。通过设置温控系统，还能够为低温条件下含冰碛、冻土或水合物沉积物提供一种工程扰动三联真三轴模拟仿真的平台，为西部高寒、海底地下工程作业提供科学试验数据和理论依据。
19.如图1-4所示，本发明实施例提供了一种模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置，包括：多联样品罐1、xyz真三轴压力系统2、温控系统3、ct扫描仪4、多种参数传感器和数据采集器6。
20.所述多联样品罐包括多个样品罐，每个所述样品罐用于放置含冰软岩样品，还用于承受围压和轴压，多个所述样品罐通过连接装置7连接为一个整体，所述连接装置7与所
述xyz真三轴压力系统2和温控系统3连接。
21.所述xyz真三轴压力系统2用于为所述样品罐提供xyz三个方向的压力以对样品进行真三轴蠕变试验；所述温控系统3用于控制所述样品罐内的温度以使样品处于预设温度环境中；所述ct扫描仪4用于对各所述样品罐中的样品进行ct扫描；所述参数传感器用于采集样品在真三轴蠕变试验中的各种参数数据；所述xyz真三轴压力系统2、温控系统3、参数传感器和ct扫描仪4均与数据采集器6数据连接。
22.所述样品罐中设置有板加压装置8，所述板加压装置8用于在xyz任一方向对样品施加局部压力或全局压力。
23.所述样品罐包括外舱9和内舱10，所述内舱10通过氟胶套11分割为样品室12与加压室13，所述加压室13靠近所述外舱9；所述样品室12用于放置样品，所述加压室13用于通过xyz真三轴压力系统2加压或通过所述板加压装置8加压。
24.所述板加压装置8包括加压控制器14和加压板15，所述加压控制器14的一端位于所述外舱9，另一端位于所述加压室13，所述加压板15位于所述加压室13内，所述加压板15上设置有多个阵列排布的小板16，所述加压控制器14与所述小板16数据连接，控制所述小板16向所述样品室12施加压力或卸载压力。
25.所述加压板15包括依次连接的上端加压板17、缓冲塞18和下端加压板19，所述上端加压板17和所述下端加压板19上均设置有多个相互对应的阵列排布的小板16，所述上端加压板17朝向所述下端加压板19的侧面上设置有与所述小板16对应的凹槽，所述加压控制器14与所述上端加压板17上的小板16数据连接，控制所述上端加压板17上的小板16向所述下端加压板19上的小板16施加压力或卸载压力。
26.其中，各所述样品罐上均设置有气体进口20和气体出口21，与所述气体出口21连接的管路上依次设置有过滤器22、气液分离器23和气相色谱仪24，与所述气液分离器23连接的支路上设置有电子天平25和电导率仪26。
27.上述结构的装置在使用过程中，为了达到并保持预设压力，将气源27通过增压机28和管路连接样品罐上的气体进口，为装置提供部分压力。气体通过样品罐中的样品后，由气体出口通向干燥器29，再由干燥气体收集器30收集，最后提取的干燥气体经由气相色谱仪24分析后传入数据采集器内经过分析后得出相变过程中的化学成分演化机制。除了通过向样品罐中通入气体外，还向其中注入流体。具体为：通过恒速恒压泵31将搅拌器32内搅拌均匀的流体泵入样品罐内，保持入口压力表恒定。还通过环压跟踪泵34向样品罐内泵入流体，使环压压力表35恒定。另外，在装置使用过程中，还可以通过电动伺服缸36（用于各样品罐的电动伺服缸36使用设置于样品罐之间的电动伺服缸连接器49连接）实时调节样品罐内的压力，使试验压力始终保持恒定。其中，流出样品罐的流体一部分经由回压泵37泵入回压容器38内储存起来，防止因为流体流失而导致装置的压力失衡；另一部分流体经由液体出口通过过滤器22和气液分离器23到电子天平25和电导率仪26内进行蠕变特性实验分析。利用该装置进行蠕变实验过程中，可以由终端机控制温控系统3对实验温度进行实时调节。
28.利用该装置进行实验时，还可以通过声发射传感器44向数据采集器6实时发送超声波波形图数据，可以根据该数据分析样品的弹性常数。
29.本装置中，多联样品罐通过连接装置相连，形成多联真三轴样品罐系统，比如，若包括三个样品罐，则形成三联真三轴样品罐系统。该系统可以通过xyz真三轴压力系统为其
提供xyz任一方向的压力，进行真三轴蠕变实验。由于该系统中的样品罐连接为一个整体，因此，在使用过程中，多个样品罐之间可协同使用同时进行实验，也可独立使用分别进行实验。从而可以满足不同的实验需求。比如，有的样品罐可以进行加载实验，有的样品罐可以进行卸载实验；又比如，有的样品罐可以对样品一进行实验，有的样品罐可以对样品二进行实验。所有的样品罐也可以同时进行相同的实验。目前，在蠕变实验中，通常使用五联拟三轴系统。本发明中，使用三联真三轴系统。
30.本发明提供的装置，还包括板加压装置。因此，在本发明提供的装置中，除了可以使用xyz真三轴压力系统对样品施加压力之外，还可以使用板加压装置对样品施加压力，从而实现不同的实验目的。其中，使用xyz真三轴压力系统对样品施加压力可以进行蠕变试验，使用板加压装置对样品施加压力力学实验，进行力学参数分析。因此，采用本发明提供的装置可以实现不同的实验目的，而且两者灵活搭配使用，可以同时实现两种目的。
31.本发明中，板加压装置包括加压控制器和加压板，其中，加压板由多个小板排列组合构成。而且，加压控制器可以单独对每个小板进行独立控制。在本发明中，所述板加压装置8设置为多个，均匀分布于所述样品室12的侧面和端面的外侧。比如，在本发明的一个实施例中，加压板由9块同样大小的小板组成。在使用过程中，9块小压板可施加扰动，这个扰动可以是整体均匀扰动，使得样品整体均匀受力，也可以是局部扰动，使得样品局部受力；扰动可以单次或多次施加到样本上；扰动也可以分单向、双向、三向瞬时加载；同时可测量样本在不同扰动情况下发生突变荷载时的形变量、裂缝发展趋势等，从而进行力学参数分析；卸载荷载时，可以单向卸载，也可以多向卸载，其中每个方向卸载时可以均匀卸载，也可以突变卸载，突变卸载时可分若干次(由实际情况确定)突变卸载。在进行卸载过程时，每卸载一次就可测量一次样本形变量、裂缝发展趋势等参数进行力学分析。因此，利用本发明中的板加压装置可以实现对样品的精细加压。而且在本发明中，可以在小板上分别设置加热装置，实现样品局部加热和全局均匀加热。具体的，在本发明中，所述下端加压板19的小板16上设置有加热器39，且每个小板16上的加热器39通过导线连接并与所述样品室12底部的加热元件连接，同时，每个小板16上的加热器39与所述加压室13外壁上设置的温度传感器40数据连接。
32.在本发明的另一个优选实施例中，所述下端加压板19的各小板16间隙中设置有可沿间隙移动的压头41，所述压头41用于对样品进行微尺度压痕试验。
33.所述装置还包括与所述压头41连接的用于压痕力学参数测量的传感器。
34.在本发明中，分布于样品室的侧面和端面外侧的加压板之间可以通过支架51连接，支架51内部可以设置有压头和加热器导线，支架外部可通过支架开关5打开，对支架内部的各部件进行调整。在本发明的一个优选实施例中，样品罐内共设置有六个加压板，分别设置在样品罐的四个侧面和两个端面，对样品进行xyz三向加压。
35.在本发明的一个优选实施例中，在9块小板之间的缝隙内，共设置有8个压头，压头上连接有力学传感器，每边两个。压头可沿着小板之间的缝隙移动，在使用过程中，可以在初始位置对压头施加一定荷载的力(具体可以由实际情况确定)，之后沿着缝隙每经过一段固定距离(具体可以由实际情况确定)后，压头下压，且施加的荷载是上次的两倍。以上述步骤分别进行若干次(具体可以由实际情况确定)。也可以在不同位置上对压头施加恒定荷载。也可以在每次移动过一段固定距离后加载时间逐渐变长，同样进行若干次(具体可以由
实际情况确定)。最后由压头传入到传感器内的各种数据集中到计算机上，可以进行力学分析，得出各种力学参数。
36.在本发明中，采用经由耐高温高压处理、弹性较好的氟胶套将内舱分为样品室与加压室，其中样品室的底部设置有样品底座42，样品底座42上设置有重力传感器43和样品固定夹50，样品固定夹的右上方设置有一个声发射传感器44。
37.在本发明实施例中，加压板位于加压室内，氟胶套将样品与加压板进行分割，使得轴压和围压加卸载过程相互独立，从而可以实现在设定围压条件下轴压逐级卸载到零的应力状态模拟。
38.在本发明实施例中，上端加压板内部中空，缓冲塞包裹在上端加压板和下端加压板上。上端加压板、下端加压板和缓冲塞之间均可通过可拆卸件45连接。
39.在本发明的一个实施例中，样品罐的内舱将上端加压板和下端加压板包括在内，留有4个与加压控制器相连的出口至外舱中。加压时，控制加压板抬起高度不高于内舱半径。
40.在本发明的一个实施例中，内舱外壁上设置有温度传感器40，实时监控内舱内温度并通过外部计算机控制温度。
41.在本发明实施例中，流体注入管道46可通过内舱顶盖连接到内舱，外舱包裹整个内舱和加压控制器。
42.本发明提供的装置，通过设置温控系统，可以模拟不同的温度环境，而且可以实现温度的快速变化，从而完成在不同温度环境下或温度快速变化环境中的蠕变实验。即利用本发明提供的装置可以较为真实的模拟含冰碛层、冻土或水合物层三联真三轴拉压分级加载蠕变、卸荷蠕变、动态载荷蠕变、降温-压冰融蠕变试验。另外，本发明提供的装置将渗透率、ct探测、声发射、电导分析、气相色谱分析等多种手段进行融合，可以探测分析岩石力学结构变形及破坏特征及样品相变过程中的化学成分演化机制。
43.而且本发明通过设置板加压装置和压头等，实现对样品的精细加压，以及压痕力学参数测量，从而实现对样品的力学参数分析。
44.在本发明的一个优选实施例中，所述ct扫描仪4设置为一套，且该ct扫描仪可在多个所述样品罐间移动。
45.采用这种结构，既可以避免使用多套ct扫描仪造成成本上升，又可以节省装置的空间，使得装置整体上更加符合审美。
46.在具体实施过程中，可以设置横轨47和竖轨48，并将所述竖轨48沿着多个所述样品罐的排列方向延伸设置，将所述横轨47设置在所述竖轨48上，并可在所述竖轨48上移动，所述ct扫描仪4设置在所述横轨47上。这样，当需要使用ct扫描仪对各所述样品罐中的样品进行ct扫描时，即可通过在竖轨移动横轨即可，ct扫描仪会随着横轨在竖轨上移动，到达待ct扫描的样品罐处。
47.实施例二本发明实施例提供了一种模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的方法，利用实施例一所述的模拟含冰软岩样品蠕变中流体运移规律的装置，所述方法包括：制备含冰软岩样品并将其放置在样品罐中；利用xyz真三轴压力系统对样品施加压力进行蠕变试验，测试含水合物沉积物或
软岩的变形随时间的发展曲线，测试超声波速及衰减、电阻率随时间的变化曲线，测量变形、超声波、电阻随时间的变化曲线；利用温控系统根据预设的分级温度进行分级降温，并在温度稳定后采收压裂液，进行渗流特性分析；利用板加压装置在xyz任一方向对样品施加局部压力或全局压力，测量样本在突变荷载时的形变量、裂缝发展趋势，并进行力学参数分析。
48.具体地，可以按照如下步骤制备含冰软岩样品并将其放置在样品罐中：制备软岩骨架：如果是现场取样，可以将原状样切割成能放入样品室的尺度；如果是室内软岩或水合物沉积物制样，可以首先通过分层砸实的方法控制软岩样干密度，保证试样质量。根据软岩样的干密度及试样体积，即称取所需的软岩质量，平均二等分，将每份软岩样砸实至所要求的高度，并在每层制样中用切土刀将试样拉毛，以降低其分层现象，使试样整体性更好。
49.合成软岩：根据试验设定的冰或水合物饱和度制备含冰或水合物沉积物。具体过程可以为：（1）软岩样品的处理（浸泡法）：将制备的干密度为设定值的软岩样放置在密闭容器中，且密闭容器与抽真空装置、储液装置相连通，密闭的储液装置中盛放合成所需饱和度而配置的一定体积比的水。打开抽真空开关，对软岩样抽真空两小时，然后打开储液装置开关，向密闭容器中自上而下浇注溶液，直到液面超过软岩样2cm，该过程分两次完成，间隔抽真空五分钟。保持该状态使软岩样浸泡两天，软岩样的含液量会维持恒定。
50.（2）将制备好的样品放置到三联真三轴样品罐系统的样品室内，启动低温控制装置使恒温箱内降温至设定的值，一般为0-2℃（四氢呋喃水合物的合成温度为4.4℃，压力为大气压条件）。
51.（3）如果制备冻土样品，则制冷时间一般为2-3天后，认为样品制备完成；如果是制备水合物沉积物样品，也同样制冷时间一般为2-3天后，然后等待进行蠕变力学试验。
52.可以按照如下方法进行蠕变特性试验，并进行相关参数分析。在试验过程中，可以选择两种加载方式。一是采用应力控制加载方式，具体分为每种载荷分级加载或分别一次性加载两种方式加载，然后固定压力值，通过外连电动伺服缸实时调节压力恒定，并测量含水合物沉积物或软岩的变形随时间的发展曲线，测试超声波速及衰减、电阻率随时间的变化曲线；二是施加一定的变形，然后固定该值，测量变形、超声波、电阻随时间的变化曲线。
53.在本发明实施例中，可以按照如下方法进行分级降温-压渗流特性试验：根据设置的多个分级温度，采取分级降温采收压裂液的方式分析渗流特征。具体为由温度控制系统提前设置好要分级的温度，温度每变化一次稳定后采收压裂液，进行渗流特性分析，并测量气量及盐度变化。多次重复，得到样品关于分级降温条件下的渗流变化规律。
54.另外，在本发明实施例中，可以根据板加压实验的结果进行样品力学参数分析。
55.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。