一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置及方法

1.本发明涉及碳封存试验技术领域，尤其涉及一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置及方法。


背景技术：

2.碳封存是应对全球气候变化的地质响应与对策，通过将体量巨大的超临界二氧化碳(sc-co2,supercritical co2)注入并封存在深部地下储层可以帮助实现碳中和目标，碳封存诱发地震的机理在于，封存场区原有断层处于应力平衡状态，在sc-co2流体注入后流体压力抵消了一部分围压和法向压力，结构面孔隙水压力增大有效应力减小，同时sc-co2对岩石的吸附作用降低了断层的结构面之间的摩擦系数，最终导致断层发生滑动。
3.目前还没有针对sc-co2影响下断层剪切滑移特性进行评价的测试装置案例，无法对sc-co2影响下结构面有效应力降低、摩擦系数折减及剪切滑移特性进行定量分析。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置及方法，旨在解决无法对sc-co2影响下结构面有效应力降低、摩擦系数折减及剪切滑移特性进行定量分析的问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置，包括sc-co2供应系统和岩石直剪试验系统；
6.所述岩石直剪试验系统包括岩石压力机、直剪仓、岩石试样、法向压力伺服控制与应力位移记录机构、切向压力伺服控制与应力位移记录机构、注入管、控制机构和声发射探头，所述直剪仓设置于所述岩石压力机的一侧，所述岩石试样设置于所述直剪仓内，所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构设置于所述岩石压力机的一侧，并与所述岩石试样连接，并贯穿所述直剪仓顶部，所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构设置于所述岩石压力机的一侧，并与所述岩石试样连接，并贯穿所述直剪仓侧壁，所述注入管设置于所述sc-co2供应系统与所述直剪仓之间，所述控制机构设置于所述直剪仓的一侧，所述声发射探头设置于所述岩石试样的一侧。
7.其中，所述岩石试样包括下部岩块和上部岩块，所述下部岩块固定设置于所述直剪仓内，所述上部岩块设置于所述下部岩块的一侧，并与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构连接，并位于所述直剪仓内，所述下部岩块具有下结构面，所述上部岩块具有上结构面，所述下结构面位于所述下部岩块靠近所述上部岩块的一侧，所述上结构面位于所述上部岩块靠近所述下结构面的一侧。
8.其中，所述控制机构包括排气管、第二调压阀、第二电磁阀、加热模块、温压实时监测模块和两个密封套，所述排气管设置于所述直剪仓远离所述注入管的一侧，所述第二调压阀设置于所述注入管的一侧，所述第二电磁阀设置于所述排气管的一侧，所述加热模块设置于所述直剪仓四周，所述温压实时监测模块设置于所述直剪仓的一侧，所述密封套设
置于所述直剪仓与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构之间，另一所述密封套设置于所述直剪仓与所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构之间。
9.其中，所述sc-co2供应系统包括液态二氧化碳钢瓶、连接管、增压泵、压力釜、加热组件、第一调压阀、第一电磁阀和压力传感器，所述连接管与所述液态二氧化碳钢瓶固定连接，并位于所述液态二氧化碳钢瓶的一侧，所述增压泵与所述连接管固定连接，并位于远离所述液态二氧化碳钢瓶的一侧，所述压力釜设置于所述增压泵与所述注入管之间，所述加热组件设置于所述压力釜外侧壁，所述第一调压阀设置于所述连接管的一侧，所述第一电磁阀设置于所述注入管的一侧，所述压力传感器设置于所述压力釜的一侧。
10.其中，所述加热组件包括加热带和温控仪，所述加热带与所述压力釜固定连接，并位于所述压力釜外侧壁，所述温控仪设置于所述加热带的一侧。
11.其中，所述sc-co2供应系统还包括保温棉套，所述保温棉套与所述注入管固定连接，并位于所述注入管四周。
12.第二方面，本发明提供了一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验方法，包括以下步骤：
13.分别通过法向压力伺服控制与应力位移记录机构和切向压力伺服控制与应力位移记录机构为直剪仓内的岩石试样施加法向应力和切向应力，直至岩石试样处于应力平衡状态；
14.通过sc-co2供应系统使用sc-co2替换直剪仓内的气体，气体经排气管排出；
15.通过控制机构将直剪仓内的sc-co2的压力和温度调整至预设值；
16.通过声发射探头记录声发射信号、通过法向压力伺服控制与应力位移记录机构记录法向应力、法向位移变化过程、通过切向压力伺服控制与应力位移记录机构记录切向应力、切向位移变化过程；
17.将压力和温度的预设值、声发射信号、法向应力、法向位移变化过程和切向应力、切向位移变化过程进行整理分析，得到试验结果；
18.将sc-co2排净后打开直剪仓，观察并分析岩块结构面的剪切摩擦变形破坏特征。
19.本发明的一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置及方法，通过所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构向所述岩石试样施压法向应力和切向应力，使得所述岩石试样模拟岩石断层，通过所述sc-co2供应系统将所述直剪仓内的气体替换成sc-co2，并通过所述控制机构保证所述直剪仓内的温度和压力，模拟所述岩石试样在sc-co2影响下的剪切滑移，研究有效应力降低、摩擦系数折减及剪切滑移特性，解决无法对sc-co2影响下结构面有效应力降低、摩擦系数折减及剪切滑移特性进行定量分析的问题。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置的剖视
图。
22.图2是控制机构、声发射探头、法向压力伺服控制与应力位移记录机构、切向压力伺服控制与应力位移记录机构和岩石试样的剖视图。
23.图3是注入管与保温棉套的径向剖视图。
24.图4是上部岩块和所述下部岩块为接触的结构示意图。
25.图5是本发明提供的一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验方法的流程图。
26.1-sc-co2供应系统、2-岩石直剪试验系统；
27.101-液态二氧化碳钢瓶、102-第一调压阀、103-增压泵、104-压力釜、105-加热带、106-压力传感器、107-温控仪、108-第一电磁阀、109-保温棉套、110-加热组件、111-连接管；
28.201-上部岩块、202-下部岩块、204-直剪仓、205-法向压力伺服控制与应力位移记录机构、206-切向压力伺服控制与应力位移记录机构、207-岩石压力机、208-注入管、209-排气管、210-第二电磁阀、211-加热模块、212-温压实时监测模块、213-声发射探头、214-密封套、215-第二调压阀、216-控制机构、217-岩石试样、2031-上结构面、2032-下结构面。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.请参阅图1至图4，第一方面，本发明提供一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置，包括sc-co2供应系统1和岩石直剪试验系统2；
31.所述岩石直剪试验系统2包括岩石压力机207、直剪仓204、岩石试样217、法向压力伺服控制与应力位移记录机构205、切向压力伺服控制与应力位移记录机构206、注入管208、控制机构216和声发射探头213，所述直剪仓204设置于所述岩石压力机207的一侧，所述岩石试样217设置于所述直剪仓204内，所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205设置于所述岩石压力机207的一侧，并与所述岩石试样217连接，并贯穿所述直剪仓204顶部，所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206设置于所述岩石压力机207的一侧，并与所述岩石试样217连接，并贯穿所述直剪仓204侧壁，所述注入管208设置于所述sc-co2供应系统1与所述直剪仓204之间，所述控制机构216设置于所述直剪仓204的一侧，所述声发射探头213设置于所述岩石试样217的一侧。
32.在本实施方式中，通过所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206向所述岩石试样217施压法向应力和切向应力，使得所述岩石试样217模拟岩石断层，通过所述sc-co2供应系统1将所述直剪仓204内的气体替换成sc-co2，通过控制机构216将直剪仓204内的sc-co2的压力和温度调整至预设值，模拟所述岩石试样217在sc-co2的有效应力降低及摩擦系数折减特性，通过声发射探头213记录声发射信号、通过法向压力伺服控制与应力位移记录机构205记录法向应力变化过程、通过切向压力伺服控制与应力位移记录机构206记录切向应力变化过程，将压力和温度的预设值、声发射信号、法向应力变化过程和切向应力变化过程进行整理分析，得到试验结果，解
决无法对sc-co2影响下结构面有效应力降低、摩擦系数折减及剪切滑移特性进行定量分析的问题。
33.进一步的，所述岩石试样217包括下部岩块202和上部岩块201，所述下部岩块202固定设置于所述直剪仓204内，所述上部岩块201设置于所述下部岩块202的一侧，并与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206连接，并位于所述直剪仓204内，所述下部岩块202具有下结构面2032，所述上部岩块201具有上结构面2031，所述下结构面2032位于所述下部岩块202靠近所述上部岩块201的一侧，所述上结构面2031位于所述上部岩块201靠近所述下结构面2032的一侧；所述控制机构216包括排气管209、第二调压阀215、第二电磁阀210、加热模块211、温压实时监测模块212和两个密封套214，所述排气管209设置于所述直剪仓204远离所述注入管208的一侧，所述第二调压阀215设置于所述注入管208的一侧，所述第二电磁阀210设置于所述排气管209的一侧，所述加热模块211设置于所述直剪仓204四周，所述温压实时监测模块212设置于所述直剪仓204的一侧，所述密封套214设置于所述直剪仓204与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205之间，另一所述密封套214设置于所述直剪仓204与所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206之间。
34.在本实施方式中，所述第二调压阀215位于所述注入管208的末端，所述上部岩块201和所述下部岩块202的加工尺寸可根据实际需求确定，所述上部岩块201的所述上结构面2031和所述下部岩块202的所述下结构面2032可根据需求加工为不同粗糙度，在所述上部岩块201与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205的和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206的接触面上涂抹黄油，在所述下部岩块202与所述直剪仓204的接触面涂抹黄油，降低所述岩石试样217与压力机之间的摩擦，所述直剪仓204上设置有供所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205的和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206与所述上部岩块201连接的通孔，所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205的和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206的截面尺寸渐变性设计，可以确保施加法向、切向应力的过程中所述直剪仓204的良好密闭性，位于所述直剪仓204与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205之间的所述密封套214，和位于所述直剪仓204与所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206之间的所述密封套214进一步增加了所述直剪仓204的密封性，所述密封套214为橡胶套，当所述sc-co2供应系统1将sc-co2注入所述直剪仓204内后，所述直剪仓204内的气体从所述排气管209排出，气体排出完成后，所述温压实时监测模块212监测所述直剪仓204内的sc-co2的压力，当压力达到预设值时关闭所述第二电磁阀210，通过所述第二调压阀215可对所述直剪仓204内的压力进行调节，压力调节完成后，所述温压实时监测模块212监测所述直剪仓204内的温度，当温度低于预设值时，通过所述加热模块211对所述直剪仓204内的温度进行加热，直至所述直剪仓204内的温度到达预设值。
35.进一步的，所述sc-co2供应系统1包括液态二氧化碳钢瓶101、连接管111、增压泵103、压力釜104、加热组件110、第一调压阀102、第一电磁阀108和压力传感器106，所述连接管111与所述液态二氧化碳钢瓶101固定连接，并位于所述液态二氧化碳钢瓶101的一侧，所述增压泵103与所述连接管111固定连接，并位于远离所述液态二氧化碳钢瓶101的一侧，所述压力釜104设置于所述增压泵103与所述注入管208之间，所述加热组件110设置于所述压
力釜104外侧壁，所述第一调压阀102设置于所述连接管111的一侧，所述第一电磁阀108设置于所述注入管208的一侧，所述压力传感器106设置于所述压力釜104的一侧；所述加热组件110包括加热带105和温控仪107，所述加热带105与所述压力釜104固定连接，并位于所述压力釜104外侧壁，所述温控仪107设置于所述加热带105的一侧；所述sc-co2供应系统1还包括保温棉套109，所述保温棉套109与所述注入管208固定连接，并位于所述注入管208四周。
36.在本实施方式中，在将sc-co2注入所述直剪仓204内时，打开所述连接管111上的所述第一电磁阀108，所述液态二氧化碳钢瓶101内的液态二氧化碳经所述连接管111和所述增压泵103流至所述压力釜104内，通过所述压力传感器106对所述压力釜104内的液态二氧化碳的压力进行监测，启动所述增压泵103，所述增压泵103向压力釜104内施加压力(大于7.38mpa)，通过所述第一调压阀102可对所述压力釜104内的液态二氧化碳的压力进一步调节，直至所述压力釜104内的液态二氧化碳的压力达到试验初始压力，同时，启动所述加热组件110的所述加热带105，使得所述加热带105对所述压力釜104内的液态二氧化碳加热，通过所述温控仪107监测液态二氧化碳的温度，直至液态二氧化碳的温度到达预设温度，此时所述压力釜104内的液态二氧化碳转化为sc-co2，此时，打开所述注入管208上的所述第一电磁阀108，sc-co2经所述注入管208流至所述直剪仓204内，所述注入管208四周的所述保温棉套109可避免sc-co2在所述注入管208内流动时造成温度流失，直至sc-co2将所述直剪仓204内的气体全部排出，关闭所述第一电磁阀108。
37.请参阅图5，第二方面，本发明提供一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验方法，包括以下步骤：
38.s101分别通过法向压力伺服控制与应力位移记录机构205和切向压力伺服控制与应力位移记录机构206为直剪仓204内的岩石试样217施加法向应力和切向应力，直至所述岩石试样217处于预设的极限应力平衡状态；
39.具体的，所述上部岩块201和所述下部岩块202的加工尺寸可根据实际需求确定，所述上部岩块201的所述上结构面2031和所述下部岩块202的所述下结构面2032可根据需求加工为不同粗糙度，在所述上部岩块201与所述法向压力伺服控制与应力位移记录机构205的和所述切向压力伺服控制与应力位移记录机构206的接触面上涂抹黄油，在所述下部岩块202与所述直剪仓204的接触面涂抹黄油，降低所述岩石试样217与压力机之间的摩擦，在将所述上部岩块201和所述下部岩块202放入所述直剪仓204内，施加法向应力和切向应力使得所述岩石试样217处于极限应力平衡状态后，所述控制机构216提前对所述直剪仓204内的温度加热至预设值。
40.s102通过sc-co2供应系统1使用sc-co2替换直剪仓204内的气体，气体经排气管209排出；
41.具体的，将sc-co2注入所述直剪仓204内的流程为：打开所述连接管111上的所述第一电磁阀108，所述液态二氧化碳钢瓶101内的液态二氧化碳经所述连接管111和所述增压泵103流至所述压力釜104内；关闭第一电磁阀108启动所述增压泵103，所述增压泵103向压力釜104内施加压力(大于7.38mpa)，控制增压阀使所述压力釜104内的液态二氧化碳达到试验初始压力，提前启动所述加热组件110的所述加热带105，使得所述加热带105对所述压力釜104内的液态二氧化碳加热，通过所述温控仪107实时监测液态二氧化碳的温度、压
力传感器106实时监测压力釜104中的气体压力，直至液态二氧化碳的温度到达预设温度、压力达到预设压力，此时所述压力釜104内的液态二氧化碳转化为sc-co2，打开所述注入管208上的所述第一电磁阀108，sc-co2经所述注入管208流至所述直剪仓204内，所述注入管208四周的所述保温棉套109可避免sc-co2在所述注入管208内流动时造成温度流失，所述第二调压阀215和所述第二电磁阀210打开，直至sc-co2将所述直剪仓204内的气体全部排出(通过观察第二电磁阀210处的气体凝结情况判断直剪仓204内的原有空气是否排净)，直剪仓204内的空气排净后关闭第二电磁阀210。
42.s103通过控制机构216将直剪仓204内的sc-co2的压力和温度调整至预设值；
43.具体的，通过所述第二调压阀215对sc-co2进行流量控制使得直剪仓204内压力达到预设压力，用所述控制机构216的所述温压实时监测模块212监测所述直剪仓204内的sc-co2的压力，当压力达到预设值时关闭所述第二调压阀215及第一电磁阀108，通过所述加热模块211对所述直剪仓204内的温度进行提前加热，所述温压实时监测模块212监测所述直剪仓204内的温度和压力，对所述直剪仓204内的温度进行二次调节，直至所述直剪仓204内的温度到达准确预设值，避免sc-co2在流进所述直剪仓204时发生温度流失。
44.s104通过声发射探头213记录声发射信号、通过法向压力伺服控制与应力位移记录机构205记录法向应力、法向位移变化过程、通过切向压力伺服控制与应力位移记录机构206记录切向应力、切向位移变化过程；
45.s105将压力和温度的预设值、声发射信号、法向应力、法向位移变化过程和切向应力、切向位移变化过程进行整理分析，得到试验结果；
46.s106将sc-co2排净后打开直剪仓204，观察并分析岩块结构面的剪切摩擦变形破坏特征。
47.通过本发明提供一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验方法可用于对sc-co2影响下结构面有效应力降低、摩擦系数折减及剪切滑移特性进行定量分析与描述，还可通过试验手段测试sc-co2流体注入引发断层滑移的临界封存压力，有利于针对碳封存场地断层剪切滑移特性的研究开展相关试验仪器的研发工作。
48.以上所揭露的仅为本发明一种测试碳封存场地断层剪切滑移特性的试验装置及方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。