一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機構的制作方法

本實用新型涉及巖石力學試驗技術，尤其是一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機構。

背景技術：

巖石或巖體剪切-滲流試驗是巖石力學中重要的研究試驗之一，該試驗裝置結構復雜，對流體的密封問題難度大，且很難實現對高壓流體的密封。在當前巖體的剪切滲流耦合研究中對滲流流體的滲透壓力要求很高，現有的巖體剪切滲流試驗裝置無法實現滲透壓高達10MPa以上的要求。而且在剪切過程中，巖體破壞后會發生較大的剪切位移，進而會引起密封部分的變形也很大，進而加大了剪切滲流試驗裝置的密封難度。近年來，針對二氧化碳地質封存的基礎研究中，超臨界二氧化碳作用下的巖體力學特性的研究對巖體剪切滲流試驗裝置有著很高的滲透壓要求；而且這部分研究又急需進行，因此針對巖體剪切滲流裝置的密封問題，迫切需要提供一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機構及其方法。

技術實現要素：

本實用新型的目的就在于解決巖體剪切滲流試驗的滲流流體的高滲透壓密封問題，在真三軸試驗機圍壓室的基礎上提供一種用于巖體剪切和滲流試驗的密封機構；通過特殊設計的密封膠套可以對較高的滲透壓有著良好的密封性，而且沒有死空間可以精確計量注入巖樣的流體體積。

本實用新型目的是這么實現的：

通過特殊設計的密封膠套能將巖樣完全包裹起來，將2塊法向壓板和2塊剪切壓板(具有流體通道)部分包裹起來，實現滲透流體與外界的密封；在密封膠套內部設置有特殊設計的變形膠囊，通過圍壓跟蹤泵保持變形膠囊內部壓力與膠套外部壓力始終一致，剪切破壞后的巖樣發生較大剪切位移會擠壓變形膠囊，引起變形膠囊壓力升高，圍壓跟蹤泵減少變形膠囊內部液體體積使變形膠囊內部壓力與密封膠套外部壓力一致，進而使得變形膠囊體積減小而不會引起密封膠套的變形；密封膠套不變形就不會被外部圍壓破壞。

具體地說：

一、用于巖體剪切和滲流試驗的密封機構(簡稱密封機構)

包括由巖樣、剪切板、法向壓板、圍壓跟蹤泵、計算機和圍壓室構成的巖體剪切和滲流試驗裝置；

設置有密封膠套、變形膠囊和變形隔板；

其位置和連接關系是：

密封膠套置于圍壓室的中心，巖樣置于密封膠套中心位置，2塊剪切板分別從左、右穿過密封膠套的左、右兩側壓緊巖樣，2塊法向壓板分別從上、下兩側穿過密封膠套壓緊巖樣；置于密封膠套內左下方和右上方的左、右兩個變形膠囊均通過管路與圍壓跟蹤泵相連；在變形膠囊和巖樣之間設置有變形隔板；左、右兩側剪切板的流體通道分別與流體注入源和流體回流源相連。

二、密封方法(簡稱方法)

本方法包括以下步驟：

①密封機構組裝

將密封膠套平行放置，無開口面朝上，將變形膠囊和變形隔板安裝到密封膠套剪切位移區(若變形隔板易改變位置，可用雙面膠粘到變形膠囊上)，然后用硅膠涂勻密封膠套的注入口四周以防液壓油由此進入密封膠套；

②配件組合

首先將巖樣放到密封膠套內部中心位置，然后將2塊剪切壓板和2塊法向壓板穿過相應的開口壓緊巖樣，形成密封組合件；可根據試驗要求在組合件上安裝相應的傳感器；

③圍壓與變形膠囊內壓平衡

將密封機構放到巖體剪切和滲流試驗裝置的圍壓室內，連接相應的流體注入管路，將2個變形膠囊通過管線與圍壓跟蹤泵相連，根據需要再連接其它管線，最后關閉圍壓室；

④測試跟蹤及平衡圍壓

首先開啟圍壓跟蹤泵，根據預定方案對圍壓室注入高壓油時，圍壓跟蹤泵能夠實時監視圍壓室的壓力變化，并能調整變形膠囊內部壓力大小與圍壓室壓力保持一致。

本實用新型具有下列優點和積極效果

①通過密封膠套隔離圍壓與滲透壓，可以使注入流體的滲透壓高達50MPa，且圍壓壓緊密封膠套有助于密封可防止流體通過巖體側面串流；

②通過變形膠囊的主動排液而減少體積，破壞巖樣的錯動位移不會引起密封膠套變形而發生破壞等問題；

③通過圍壓跟蹤泵控制變形膠囊內部液壓壓力，可以實時準確平衡變形膠囊內部液壓壓力與圍壓，進而很好地保護密封膠套；

④通過變形膠囊的變形讓位與破壞后巖樣的錯動位移，可以實現巖樣剪切的大變形或大位移時對流體的良好密封性；

⑤由三元乙丙橡膠制成的密封膠套和變形膠囊可以完成具有一定腐蝕性流體、高溫流體極端環境下的試驗。

總之，本實用新型通過密封膠套將圍壓與滲透壓隔離，可以使注入流體的滲透壓高達50MPa；通過變形膠囊可以實現巖樣剪切的大位移，并能保證對流體的良好密封性；能完成具有一定腐蝕性流體、高溫流體等極端環境下的剪切滲流試驗。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖(主視，剖)；

圖2是密封膠套的結結構示意圖(主視，剖)；

圖3是密封膠套的結結構示意圖(立體)；

圖4是變形膠囊的結構示意圖(立體)。

圖中：

1—密封膠套；

1-1—變形膠囊，1-2—變形隔板；

2—巖樣；

3—剪切板，

3-1—流體通道；

4—法向壓板；

5—圍壓跟蹤泵；

6—計算機；

7—圍壓室。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明：

1、總體

如圖1，密封機構包括由密封膠套1、巖樣2、剪切板3、法向壓板4、圍壓跟蹤泵5、計算機6和圍壓室7構成的巖體剪切和滲流試驗裝置；

設置有密封膠套1、變形膠囊1-1和變形隔板1-2；

其位置和連接關系是：

密封膠套1置于圍壓室7的中心，巖樣2置于密封膠套1的中心位置，2塊剪切板3分別從左、右穿過密封膠套1的左、右兩側壓緊巖樣2，2塊法向壓板 4分別從上、下兩側穿過密封膠套1壓緊巖樣2；置于密封膠套1內左下方和右上方的左、右兩個變形膠囊1-1均通過管路與圍壓跟蹤泵5相連；在變形膠囊 1-1和巖樣2之間設置有變形隔板1-2；左、右兩側剪切板3的流體通道3-1分別與流體注入源和回流源相連；

密封膠套1將巖樣2完全包裹起來，將2塊剪切板3和2塊法向壓板4的伸進部分包裹起來，實現滲透流體與外界的密封。

2、功能部件

1)密封膠套1

如圖1、2、3、4，密封膠套1是一種由三元乙丙橡膠制成的呈中心對稱的十字形狀的殼體(沿中心垂線將密封膠套1分成左右兩塊，再將右塊沿中心順時針旋轉180°即和左塊重合)，殼體厚度2mm，上下左右開口；

在密封膠套1的內部設置有變形膠囊1-1和變形隔板1-2；

其位置和連接關系是：

2個變形膠囊1-1分別置于密封膠套1內部左右兩側剪切位移區，2塊變形隔板1-2分別緊貼2個變形膠囊1-1。

*變形膠囊1-1

變形膠囊1-1是一種由三元乙丙橡膠制成帶有流體注入口的方形囊體，可以隨內外壓力差發生一定體積的變形，為巖樣2剪切位移騰空位置，從而避免巖樣2發生剪切位移時破壞密封膠套1。

*變形隔板1-2

變形隔板1-2是一種由鋁制成的尺寸與變形膠囊1-1相匹配的金屬板，夾在變形膠囊1-1和巖樣2之間，并能隨之移動，避免變形膠囊1-1與巖樣2直接接觸而發生破壞。

2)巖樣2

巖樣2是待測試的巖石樣品，一般為具有一定尺寸的立方體。

3)剪切板3

剪切板3是一種不銹鋼制、具有一定尺寸且帶有流體通道3-1的長方體；

其功能是對巖樣2施加剪切力，并能通過其流體通道3-1對巖樣2注入流體。

4)法向壓板4

法向壓板4一種不銹鋼制、具有一定尺寸的長方體；

其功能是對巖樣2施加法向應力。

5)圍壓跟蹤泵5

圍壓跟蹤泵5是一種能根據圍壓室7內部壓力值自動調整輸出壓力并與圍壓保持一致的壓力泵；

其功能是保持變形膠囊1-1內壓力與圍壓一致，使得巖樣2剪切位移變化擠壓變形膠囊1-1變小時不會造成變形膠囊1-1內壓力升高而引起密封膠套1變形。

6)計算機6

計算機6是一種常用計算機；

其功能是監測和控制圍壓跟蹤泵5的壓力，便于實現變形膠囊1-1和圍壓室 7內部壓力保持一致。

7)圍壓室7

圍壓室7是一種真三軸試驗機的應力加載試驗室；

其功能是為巖樣2施加X、Y和Z方向的應力，X和Y方向通過活塞施加應力，Z方向通過圍壓室內部高壓液壓油施加。

3、工作原理

在剪切試驗過程中，圍壓室7內部壓力始終高于注入流體的壓力，因而圍壓室7內部壓力會壓緊密封膠套1，避免注入的流體竄入圍壓室7及通過巖樣2的兩個側面竄流，最終實現很好的密封性。

圍壓室7對巖樣2進行剪切過程中，通過圍壓跟蹤泵5使變形膠囊1-1和圍壓室7的內部壓力始終保持一致；隨著對巖樣2的剪切力的增大，巖樣2會發生剪切位移，進而通過變形隔板1-2對變形膠囊1-1進行擠壓，使變形膠囊1-1 內部壓力增高，變形膠囊1-1內部壓力增高后，圍壓跟蹤泵5會將變形膠囊1-1 內部液體排除一部分使得變形膠囊1-1和圍壓室7的內部壓力始終保持一致，進而使變形膠囊1-1的體積變小；隨著剪切過程的進行，上一過程不斷重復，直至剪切結束。

變形隔板1-2避免破壞后的巖樣2上粗糙邊角對密封膠套1和變形膠囊1-1 直接接觸而發生破壞。