[发明专利]一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置及其方法

权利要求书

1.一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：包括三轴试验釜、轴向位移传感器(9)、磁致式液位计(11)、围压控制端口(13)、气体加载系统(14)、液体加载系统(15)、数据采集处理系统(12)和五个控制阀，所述三轴试验釜由试验釜外腔体(1)、试验釜内缸体、传压缸体(2)、上垫块(3-1)、下垫块(3-2)、橡胶套(5)、底部接触垫块(7)、封盖(16)和加热装置(10)组成，所述上垫块(3-1)和下垫块(3-2)分别设置在橡胶套(5)内腔的上下两端，所述试验釜内缸体由上盖(8-1)、缸体(8-2)、下盖(8-3)和底座(8-4)构成，所述封盖(16)装在上盖(8-1)内腔下部设置的凹槽中并位于缸体(8-2)顶面上，所述上盖(8-1)通过内螺纹与缸体(8-2)外表面的上部连接，所述传压缸体(2)装在上盖(8-1)内腔中且传压缸体(2)的传压轴穿过上盖(8-1)顶部中心设置的轴孔与轴向位移传感器(9)连接，所述传压缸体(2)的下部穿过封盖(16)中心设置的圆孔且其底面与上垫块(3-1)的上端面相接触，所述橡胶套(5)及上垫块(3-1)、下垫块(3-2)装在传压缸体(2)与底部接触垫块(7)之间，所述底部接触垫块(7)与底座(8-4)中心设置的螺孔连接，所述下垫块(3-2)的下端面与底部接触垫块(7)的上端面相接触，所述底座(8-4)的上部通过外螺纹与缸体内腔的下部连接，所述橡胶套(5)的外表面与缸体(8-2)、底座(8-4)和封盖(16)形成围压腔(6)，所述下盖(8-3)通过内螺纹与缸体(8-2)外表面的下部连接并使底座(8-4)的底部位于其中心设置的孔中，所述试验釜内缸体装在试验釜外腔体(1)中，所述加热装置(10)包裹在试验釜外腔体(1)的外面；所述磁致式液位计(11)的出液口通过管道和第一控制阀(F1)与围压腔(6)连接，所述磁致式液位计(11)的进液口通过管道和第二控制阀(F2)与围压控制端口(13)的出液口连接，所述磁致式液位计(11)的进气口通过管道和第三控制阀(F3)与围压控制端口(13)的出气口连接，所述磁致式液位计(11)的数据采集端与数据采集处理系统(12)连接；所述围压控制端口(13)的进气口通过管道和第四控制阀门(F4)与气体加载系统(14)连接，所述围压控制端口(13)的进液口通过管道和第五控制阀门(F5)与液体加载系统(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：所述磁致式液位计(11)由磁致伸缩位移传感器(11-1)、浮子(11-2)和液位计外壳(11-3)组成，所述浮子(11-2)套在磁致伸缩位移传感器(11-1)上并漂浮于液面上方，并能沿传感器测杆随液位的变化而上下移动，所述浮子(11-2)和磁致伸缩位移传感器(11-1)装在液位计外壳(11-3)的内腔中，所述液位计外壳(11-3)的底部设有进液口和出液口，所述液位计外壳(11-3)的上部设有进气口。

3.根据权利要求2所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：所述磁致式液位计(11)内环形液面的截面积为33.755mm²；所述磁致式液位计(11)高度量程400mm，高度分辨率为0.01mm，对应的体积测量分辨率为0.33755mm³；体积变形测量量程为13502mm³，能实现磁致式液位计(11)内液体体积变形的精确测量。

4.根据权利要求2所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置，其特征在于：所述液位计外壳(11-3)为厚壁、高强度的不锈钢管。

5.一种采用权利要求1～4任一项所述的一种测量岩石高温蠕变体积变形的装置的测量方法，其特征在于，测量步骤为：

1)将岩石试样(4)装在三轴试验釜的橡胶套(5)内，把三轴试验釜、轴向位移传感器(9)、磁致式液位计(11)、围压控制端口(13)、气体加载系统(14)、液体加载系统(15)、数据采集处理系统(12)和五个控制阀连接好；

2)首先关闭第三控制阀(F3)、第四控制阀(F4)，打开第一控制阀(F1)、第二控制阀(F2)和第五控制阀(F5)，液体加载系统(15)通过围压控制端口(13)的出液口向磁致式液位计(11)和三轴试验釜围压腔(6)注入液体；然后关闭第二控制阀(F2)和第五控制阀(F5)，围压控制端口(13)切换至气体加载，打开第三控制阀(F3)和第四控制阀(F4)，向磁致式液位计(11)注入气体进行加载；重复多次上述气、液加载步骤，使围压腔(6)加载至试样目标围压，且保证磁致式液位计(11)内的浮子(11-2)液面高度处在20-30mm量程范围内；

3)施加轴压，将岩石试样(4)加载至室温下静水压力状态；将系统温度设定为目标温度，待磁致式液位计(11)中气液界面稳定，整个试验系统稳定在目标温度下的静水压力状态后，改变岩石试样(4)的轴向应力并保持恒定，进行目标温度和压力下的蠕变试验；

4)在数据采集处理系统(12)里录入试样的轴向初始位移和液位计内液面初始高度，设置数据记录间隔，进行自动数据记录；

5)依据记录数据，通过下述公式计算岩石试样(4)的高温蠕变体积变形及体积应变；岩石试样(4)体积变化量的计算为：

ΔV_试样＝V_液+V_垫块＝Δh·S_截+πr²·Δl

式中：V_液-磁致式液位计(11)内液体体积变化量，通过V_液＝Δh·S_截计算获得，Δh-浮子(11-2)上下移动的液面高度变化；S_截-磁致式液位计(11)内环形液面的截面积；V_垫块-上垫块(3-1)向下移动而占据的空间体积，通过V_垫块＝πr²·Δl计算获得，r-上垫块截面半径，即岩石试样截面半径；Δl-上垫块向下移动的位移，即岩石试样在轴向方向上的压缩位移；

岩石试样(4)的体积应变计算为：

e_V＝ΔV_试样/V₀

式中：V₀为岩石试样(4)的初始体积，通过试样的初始直径r₀和初始高度l₀计算得到。