[发明专利]测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统

权利要求书

1.测量多场多相耦合条件下超低渗介质气体渗透参数的试验系统，其特征在于：包括三轴渗流室、变形监测装置、温度感控装置、体积/压力控制器、偏应力加载装置、气体注入装置、出口缓冲容器、超低渗流量监测装置；试验过程中，首先对岩土体试样施加温度和三轴应力控制；利用气体注入装置向岩土体试样注入高压气体，高压气体经过渗透后进入出口缓冲容器和超低渗流量监测装置，获得气体渗透流量；变形监测装置可在试验过程中测量岩土体试样的局部绝对变形量；实现了多场多相耦合条件下超低渗介质的气体渗透的全过程监测，能够获得气体渗透特性和宏观变形特性；

所述的三轴渗流室是试验系统的主体部分，包括外壳、内腔；所述的三轴渗流室外壳由底座、顶盖和侧环组成，均由不锈钢制成；所述的底座和侧环之间通过若干个水平向螺栓紧密连接在一起；所述的底座与侧环、顶盖与侧环的接缝处采用若干条O形圈密封；所述的底座内设有进气孔、出气孔和供水孔；所述的顶盖顶部设有排气孔、热探针孔、承重轴孔；所述的三轴渗流室内腔设置有若干根三轴室支柱、岩土体试样、上方金属圆柱体、下方金属圆柱体；所述的三轴渗流室内腔可充填液体；所述的若干根三轴室支柱垂直连接于底座与顶盖之间，沿底座圆周方向等距设置，起底座与顶盖之间支撑固定作用；所述的岩土体试样为被测试验材料，安装于上方金属圆柱体和下方金属圆柱体之间；所述的上方金属圆柱体、下方金属圆柱体的横截面尺寸与岩土体试样的横截面尺寸相同；所述的上方金属圆柱体、下方金属圆柱体内设有通气孔，上方金属圆柱体通气孔底端、下方金属圆柱体通气孔顶端与岩土体试样直接连通；上方金属圆柱体通气孔顶端通过导管与底座出气孔顶端连接，下方金属圆柱体通气孔底端与底座进气孔顶端连接；

所述的变形监测装置安装在三轴渗流室内腔内，由若干个电涡流传感器、若干个变形监测架、若干个金属贴片组成；所述的若干个电涡流传感器固定在变形监测架上，并分别沿岩土体试样高度、圆周方向等距布设在岩土体试样周围；所述的若干个变形监测架沿岩土体试样圆周方向等距布设；所述的金属贴片分别沿岩土体试样高度、圆周方向等距粘附在岩土体试样外高强度乳胶膜外表面，与电涡流传感器探头正对并保持一定距离；所述的电涡流传感器精确测量金属贴片与探头端面之间静态和动态的相对位移变化，通过实时监测金属贴片相对位移来间接获得渗透过程中岩土体试样的局部绝对变形量；

所述的温度感控装置安装在三轴渗流室外壳外，包括加热器、温度控制器、热探针；所述的加热器包裹在三轴渗流室侧环外侧，通过对不锈钢材料制成的侧环加热，间接将热量传导给三轴渗透室内腔充填的液体；所述的温度控制器通过导线与加热器连接，可根据温度设定值和热探针测量的三轴渗流室内腔液体温度自动控制加热器电源的通断；所述的热探针通过热探针孔将探头伸入三轴渗流室内腔液体中，可用于测量的三轴渗流室内腔液体的温度，再通过导线将实时测量温度数据传输给温度控制器；所述的加热器、温度控制器、热探针三者共同构成闭环控制装置，可精确控制被测岩土体试样在渗透试验过程中的温度；

所述的体积/压力控制器通过导管与三轴渗透室供水孔相连；对于组装好的三轴渗透室，当排气孔打开时体积/压力控制器可向三轴渗透室内腔注入或排出液体，当排气孔关闭时可向三轴渗透室内腔液体施加压力，从而对岩土体试样施加围压；

所述的偏应力加载装置由横梁、称重传感器、承重轴、轴承、操作平台、载荷速度控制器、竖轴、立柱组成；两根所述的立柱垂直固定于操作平台上，起固定和支撑作用；所述的横梁固定在立柱上；所述的竖轴固定在横梁中间；所述的称重传感器固定于竖轴底端，用于测量轴向荷载的大小；所述的承重轴穿过三轴渗流室顶盖承重轴孔，其顶端与称重传感器相连，底端与上方金属圆柱体顶端相连，用于传递自下而上的轴向荷载；所述的轴承设置在顶盖承重轴孔内壁上，与承重轴侧壁接触，在保持承重轴绝对位置固定的条件下，三轴渗流室整体上升或下降；所述的载荷速度控制器主体部分安装于操作平台内部，顶部伸出操作平台并与三轴渗流室的底座接触，用于抬升或降低三轴渗流室底座，从而使三轴渗流室整体上升或下降；由于顶部的承重轴绝对位置固定，三轴渗流室整体上升或下降实现对岩土体试样施加或卸除轴压荷载；

所述的气体注入装置由无限体积控制器、增压泵、气体缓冲容器、气/液压转换装置组成；所述的无限体积控制器与气/液压转换装置液压端之间通过导管相连，无限体积控制器内液体以恒定体积、压力以及速率的方式输入到气/液压转换装置液压端；所述的增压泵以压缩空气作为动力源，对氦气增压并通过导管送入气体缓冲容器；所述的气体缓冲容器通过导管一端与增压泵相连，另一端通过导管与气/液压转换装置气压端相连，将增压泵送来的高压气体在此缓冲后再送入气/液压转换装置气压端；所述的气/液压转换装置由高强度不锈钢制成，气/液压转换装置液压端与无限体积控制器通过导管连接，气压端与气体缓冲容器通过导管连接，内部使用活塞将气压端与液压端隔离；通过无限体积控制器向气/液压转换装置内输入液压，在气/液压转换装置内部通过活塞将液压转换为恒定体积、压力以及速率的气压，再通过导管将气/液压转换装置气压端内高压气体输入到三轴渗流室进气孔，从而使高压气体注入到岩土体试样中；

所述的超低渗流量监测装置包括四个气体流量计、单片机、四个继电器、四个电磁阀；从出口缓冲容器出口端出来的气体将会流入四条分支管道；所述的四个气体流量计分别安装于四条分支管道上，用于测量该管道气体流量，四个气体流量计量程不同；四个气体流量计与单片机之间通过导线连接，向单片机输出流量数字信号；所述的四个电磁阀分别安装于四条分支管道上，控制该分支管道上气体的通断；所述的四个继电器一端分别通过导线与四个电磁阀连接，另一端通过导线与单片机连接，单片机分别控制四个继电器电源的通断，从而控制四个电磁阀的通断；所述的单片机可完成四个气体流量计数据读取，并根据实测流量自动选择最优量程流量计所在分支管路，自动控制四个继电器电源的通断，从而控制四条管路上四个电磁阀的通断，实现最优量程流量计所在分支管路上气体的流通和其他分支管路气体的阻断；所述的气体流量计、单片机、四个继电器、四个电磁阀协同工作，实现各分支管道自动切换，连续自动监测三轴渗流室出气孔的气体流量；

偏应力加载装置通过载荷速度控制器推动底座向上位移实现轴压加载，加载方式为应力控制和位移控制两种，可连续加卸载；

所述的出口缓冲容器一端通过导管与三轴渗流室出气孔相连，另一端通过导管与超低渗流量监测装置相连；从三轴渗流室出气孔出来的气体在此缓冲以后，通过超低渗流量监测装置测量流量；出口缓冲容器底部还设有安全阀和排气阀，当出口缓冲容器内的压力超过安全阀上限压力时能自动泄压，保障安全；所述的排气阀用于试验结束后手动排空出口缓冲容器内的气体。