技术摘要：
一种可模拟径向压力的真三轴实验装置，包括水平固定底盘和减速电机，水平固定底盘的底部固定连接有若干根圆周阵列的支柱，水平固定底盘的上表面转动设置有实验箱体，实验箱体内放置有岩心试件，以实验箱体的左右水平方向为x向，以实验箱体的前后水平方向为y向，以实验  全部
背景技术：
目前页岩油技术开发往往涉及到三维地层应力和孔隙压力技术条件，考虑有机质 内页岩油流动存在临界压力梯度，有机质通过扩散形式向无机质孔隙供液，无机质与裂缝 间窜流。 应力作用下岩层中三维流体运动的微分方程为： 通过对构造应力场和渗流耦合方程建立，可对油气运移的流体势场进行数值模拟，从 而对油气运移方向和聚集分布进行定量预测。 利用现有的方法来研究有机质页岩油的渗流往往存在如下问题：1)  不能进行地 层构造压力模拟；2)  地层孔隙压力无法添加；3)  页岩油无法在岩心内通过热蒸汽加热实 现渗流；4) 缺乏对复杂井网同时渗流的研究。 为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种可模拟径向压力的真三轴实验装置及方法，本发明能够 模拟岩心三轴方向的应力及孔隙压力，通过向岩心试件注入热蒸汽模拟稠油热采，并通过 旋转实验箱体实现复杂渗流测试。 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 一种可模拟径向压力的真三轴实验装置，包括水平固定底盘和减速电机，水平固定底 盘的底部固定连接有若干根圆周阵列的支柱，水平固定底盘的上表面转动设置有实验箱 体，实验箱体内放置有岩心试件，以实验箱体的左右水平方向为x向，以实验箱体的前后水 平方向为y向，以实验箱体的上下垂直方向为z向，实验箱体的内部左侧设置有x向施压机 构，实验箱体的内部前侧设置有y向施压机构，实验箱体的底部设置有z向施压机构，实验箱 体的底部通过带传动机构与减速电机的主轴传动连接。 实验箱体包括水平转盘、圆筒体和轴压盖板，圆筒体的顶部和底部均敞口，水平转 盘的上表面外边沿设有第一环形台阶，圆筒体的底部内圆周与环形台阶的竖直外圆周紧密 贴合，圆筒体的底部外边沿一体成型有环形凸板，环形凸板的下表面与环形台阶的水平底 面紧压接触，环形凸板上圆周阵列螺纹连接有若干根紧固螺栓，各根紧固螺栓的内端均穿 过环形凸板并螺纹固定连接在水平转盘上，水平固定底盘的中部开设有上下通透的轴承 孔，水平转盘的下表面中部一体成型有中空转轴，水平固定底盘的上表面同中心开设有至 少两道环形凹槽，每道环形凹槽内均间隔滚动设有若干个滚珠，各个滚珠的顶部均凸出相 6 CN 111579382 A 说　明　书 2/9 页 应环形凹槽的顶部，水平转盘的下表面压设在各个滚珠上，中空转轴的下端穿过轴承孔且 位于水平固定底盘的下方，中空转轴的上侧部外圆周与轴承孔之间转动连接并转配有轴 承，中空转轴的下侧部外圆周通过键固定套装有第一带轮，减速电机的主轴上固定套装有 第二带轮，第一带轮和第二带轮之间通过皮带传动连接，岩心试件同中心设置在圆筒体内 部，轴压盖板压紧在岩心试件的上表面并安装在圆筒体的顶部。 岩心试件为长方体结构，岩心试件的横截面为正方形，所述正方形的对角线的长 度小于圆筒体的内径，岩心试件的中心处开设有上下通透的第一中心圆孔，岩心试件内部 开设有至少三个顶部均敞口的加热盲孔，所有的加热盲孔围绕第一中心圆孔均匀设置，岩 心试件的高度小于圆筒体的高度，岩心试件的底部压接在水平转盘的上表面； x向施压机构包括第一中空膨胀方板，第一中空膨胀方板所在平面沿前后方向竖向设 置，第一中空膨胀方板设置在圆筒体内部左侧部且位于岩心试件的左侧，第一中空膨胀方 板的右侧面与岩心试件的左侧面紧压接触，第一中空膨胀方板的左侧前后两棱边分别与圆 筒体的内壁紧压接触，第一中空膨胀方板的左侧和圆筒体的左侧内圆周之间的扇形空间匹 配填装有第一扇形板，第一中空膨胀方板的顶部中心开设有与第一中空膨胀方板的内腔连 通的第一安装孔，第一安装孔上固定安装有第一压力液导管，圆筒体内部右侧部设置有位 于岩心试件的右侧的第一实心方板，第一实心方板的尺寸和第一中空膨胀方板的尺寸相 同，第一实心方板和第一中空膨胀方板左右对称，第一实心方板的左侧面与岩心试件的右 侧面紧压接触，第一实心方板的右侧前后两棱边分别与圆筒体的内壁紧压接触，第一实心 方板的右侧和圆筒体的右侧内圆周之间的扇形空间匹配填装有第二扇形板，第二扇形板和 第一扇形板的结构相同且左右对称，第一中空膨胀方板、第一实心方板、第一扇形板、第二 扇形板和岩心试件的高度均相同； y向施压机构包括第二中空膨胀方板，第二中空膨胀方板所在平面沿左右方向竖向设 置，第二中空膨胀方板设置在圆筒体内部前侧部且位于岩心试件的前侧，第二中空膨胀方 板的后侧面与岩心试件的前侧面紧压接触，第二中空膨胀方板的前侧左右两棱边分别与圆 筒体的内壁紧压接触，第二中空膨胀方板的前侧和圆筒体的前侧内圆周之间的扇形空间匹 配填装有第三扇形板，第二中空膨胀方板的顶部中心开设有与第二中空膨胀方板的内腔连 通的第二安装孔，第二安装孔上固定安装有第二压力液导管，圆筒体内部后侧部设置有位 于岩心试件的后侧的第二实心方板，第二实心方板的尺寸和第二中空膨胀方板的尺寸相 同，第二实心方板和第二中空膨胀方板前后对称，第二实心方板的前侧面与岩心试件的后 侧面紧压接触，第二实心方板的后侧左右两棱边分别与圆筒体的内壁紧压接触，第二实心 方板的后侧和圆筒体的后侧内圆周之间的扇形空间匹配填装有第四扇形板，第四扇形板和 第三扇形板的结构相同且左右对称，第二中空膨胀方板、第二实心方板、第三扇形板、第四 扇形板和岩心试件的高度均相同； 第一中空膨胀方板和第二中空膨胀方板的结构相同且相互垂直布置，第一实心方板和 第二实心方板的结构相同且相互垂直布置，第一扇形板、第二扇形板、第三扇形板和第四扇 形板的结构相同且在圆筒体内部圆周阵列布置，第一中空膨胀方板的前侧面、第二中空膨 胀方板的左侧面和圆筒体的内圆周之间的扇形空间匹配加塞有第一扇形长条板，第二中空 膨胀方板的右侧面、第一实心方板的前侧面和圆筒体的内圆周之间的扇形空间匹配加塞有 第二扇形长条板，第一实心方板的后侧面、第二实心方板的右侧面和圆筒体的内圆周之间 7 CN 111579382 A 说　明　书 3/9 页 的扇形空间匹配加塞有第三扇形长条板，第一中空膨胀方板的后侧面、第二实心方板的左 侧面和圆筒体的内圆周之间的扇形空间匹配加塞有第四扇形长条板，第一扇形长条板、第 二扇形长条板、第三扇形长条板和第四扇形长条板的结构相同且在圆筒体内部圆周阵列布 置； z向施压机构包括轴压油缸和轴压升降板，轴压油缸同中心竖向设置在中空转轴内部， 轴压油缸的缸体顶部固定连接在水平转盘的下表面，水平转盘的中部开设有上大下小的T 型孔，轴压升降板水平设置且匹配安装在T型孔的上部大孔中，轴压升降板的尺寸和T型孔 的上部大孔的尺寸相同，轴压升降板的厚度和T型孔的上部大孔的深度相同，轴压升降板的 上表面与岩心试件的下表面紧压接触，轴压油缸的活塞杆向上伸出缸体并匹配穿过T型孔 的下部小孔，轴压油缸的活塞杆的顶部与轴压升降板的下表面固定连接，轴压升降板、轴压 油缸的活塞杆和轴压油缸的缸体底部同中心均开设有上下通透的第二中心圆孔，第二中心 圆孔与第一中心圆孔的内径相同且上下对应。 本发明还包括孔隙压力机构，孔隙压力机构包括一根孔压轴，孔压轴竖向插接在 第二中心圆孔中，孔压轴的外圆周与第二中心圆孔的内壁紧密贴合，孔压轴的底部一体成 型有横杆，横杆固定连接在轴压油缸的缸体底部，孔压轴的中部开设有同中心的孔压液压 油注入孔，孔压轴的上部一体成型有插接在第一中心圆孔中的柔性膨胀管，柔性膨胀管的 顶部封堵，柔性膨胀管的外圆周与第一中心圆孔的内壁紧密贴合，孔压液压油注入孔的顶 部与柔性膨胀管的内腔连通； 轴压升降板上开设有若干条圆环形的渗流通道槽，渗流通道槽的上侧敞口，所有的渗 流通道槽之间通过沿径向开设的液体流道连通，孔压轴的外圆周与轴压升降板内圈相接触 的位置开设有环形导流槽，液体流道的内端口与环形导流槽上端口连通，孔压轴中沿竖向 开设有渗流液排出孔，渗流液排出孔的顶部与环形导流槽的底部连通。 轴压盖板的上表面中部固定安装有加热箱，加热箱内设置有电加热丝，加热箱中 储存有液体，加热箱的顶部中心安装有鼓风器，四个加热盲孔内均安装有加热管，加热箱与 各根加热管之间均通过一根热蒸汽管连接，第一压力液导管、第二压力液导管和各根热蒸 汽管均穿过轴压盖板。 第一中空膨胀方板、第一实心方板、第二中空膨胀方板和第二实心方板的中部均 开设有圆形通孔，各个圆形通孔中均固定安装有渗流器，渗流器呈中空圆盘结构，渗流器的 内侧面均匀开设有渗流孔，渗流器的外侧面中部固定连接有渗流管，左侧的渗流管水平向 左依次穿过第一扇形板和圆筒体且伸出圆筒体的左侧，右侧的渗流管水平向右依次穿过第 二扇形板和圆筒体且伸出圆筒体的右侧，前侧的渗流管水平向前依次穿过第三扇形板和圆 筒体且伸出圆筒体的前侧，后侧的渗流管水平向后依次穿过第四扇形板和圆筒体且伸出圆 筒体的后侧； 轴压盖板为圆形板，轴压盖板的外径与圆筒体的内径相等，轴压盖板的外边沿圆周阵 列设置有四块第一扇形卡板，圆筒体的顶部内圆周设有第二环形台阶，第一扇形卡板的外 径与第二环形台阶的内径相等，圆筒体的顶部边沿圆周阵列设置有四块位于第二环形台阶 正上方的第二扇形卡板，第二扇形卡板的外边沿与圆筒体的顶部边沿一体成型，第二扇形 卡板的内边沿与圆筒体的内壁齐平，第一扇形卡板和第二扇形卡板的圆心角均为30°～ 45°，第一扇形卡板卡设在第二扇形卡板和第二环形台阶的水平底面之间。 8 CN 111579382 A 说　明　书 4/9 页 一种可模拟径向压力的真三轴实验装置的实验方法，包括以下步骤： （1）、打开实验箱体：先旋转轴压盖板，使四块第一扇形卡板和四块第二扇形卡板错位， 从而将轴压盖板从圆筒体的顶部拿下来，如此，便打开了实验箱体，然后拿出第一扇形长条 板、第二扇形长条板、第三扇形长条板和第四扇形长条板，为放置岩心试件做准备； （2）将岩心试件放置到实验箱体内，并固定好岩心试件：首先控制轴压油缸的活塞杆向 上伸出，使轴压升降板缓慢向上升至圆筒体的顶部，然后将岩心试件放置在轴压升降板，再 控制轴压油缸的活塞杆向下缩回，使轴压升降板缓慢向下回落至水平转盘上的T型孔的上 部大孔中，从而使岩心试件放置到圆筒体内且位于第一中空膨胀方板、第二中空膨胀方板、 第一实心方板和第二实心方板围成的长方体空间中，再将第一扇形长条板、第二扇形长条 板、第三扇形长条板和第四扇形长条板分别插入到对应的扇形空间中，进而固定好岩心试 件； （3）、安装好轴压盖板，将实验箱体封闭：将轴压盖板放置到圆筒体顶部，旋转轴压盖 板，使四块第一扇形卡板和四块第二扇形卡上下对应卡接，从而保证轴压盖板在轴向锁死， 将实验箱体封闭； （4）、将四根热蒸汽管分别与岩心试件中的四个加热盲孔内的加热管连接； （5）、打开实验室的压力控制系统，分别通过第一压力液导管和第二压力液导管向第一 中空膨胀方板和第二中空膨胀方板内注入压力液，同时控制轴向油缸使轴向油缸的活塞杆 推动轴压升降板向上施压，以及通过孔压轴中的孔压液压油注入孔向柔性膨胀管中注入孔 压液压油，使柔性膨胀管整体径向膨胀挤压岩心试件的第一中心圆孔内壁，如此，便能够模 拟岩心试件分别在x、y、z三轴方向上的受到的压力以及岩心试件的内部孔压，根据注入量 分别控制x、y、z三轴方向的压力和孔压的大小，实现岩心试件的真三轴应力条件； （6）、打开实验室的温度控制器，使电加热丝通电，将加热箱中的液体加热产生热蒸汽， 打开鼓风器将加热箱中的热蒸汽通过热蒸汽管吹入加热管内，并通过加热管注入到岩心试 件中，使岩心试件的温度加热至预定值； （7）、打开实验室的渗流控制器，将渗流液分别通过四根渗流管注入到四个渗流器中， 渗流液通过渗流器的各个渗流孔开始渗透岩心试件； （8）、打开实验室的转速控制器，启动减速电机，并控制好减速电机的转速，减速电机的 主轴通过带传动机构传动中空转轴，中空转轴带动水平转盘在水平固定底盘上旋转，从而 使圆筒体旋转，便能通过旋转方式模拟地层在地层构造应力状态下的渗流状态； （9）、渗流开始后，测试渗流相关的实验数据； （10）、渗流测试结束，停止减速电机，使圆筒体停止旋转，再通过压力控制系统将压力 液和孔压液压油抽出，控制轴压油缸的活塞杆向下缩回，如此，x、y、z三轴方向的压力及孔 压均完成泄压，关闭温度控制器，使电加热丝断电，停止加热； （11）、重复步骤（1），控制轴压油缸的活塞杆向上伸出，使轴压升降板向上推出岩心试 件，拿出岩心试件，测试岩心试件的数据，完成实验。 本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明针 对稠油热采以及非常规有机质页岩油有效开发技术领域所具有的复杂渗流及多向压力条 件特点，设计了一种便于在拥有真三轴压力条件下的实验中可以进行稠油热采，并且可以 通过旋转实验箱体用离心力模拟地层构造地层在地层构造应力状态下的渗流状态的页岩 9 CN 111579382 A 说　明　书 5/9 页 油渗流实验装置，其中本发明还设计有孔隙压力机构可以实现岩心在地层的高温状态下的 孔压模拟实验。 本发明通过对岩心试件施加孔压以及向岩心试件内注入热蒸汽进行加热的手段 为渗流条件进行了优化，通过旋转方式模拟了地层在地层构造应力状态下的渗流状态，优 化了渗流液排出结构（渗流通道槽）充分模拟了地层渗滤原始状态，并且将渗滤与热采相结 合，实现了渗滤和热采的耦合作用。 本发明能够做到以下模拟实验： （1）实现复杂井网干渗流干扰问题及影响的模拟测试； （2）通过加热蒸汽的方式，能够模拟研究稠油热采状态下的页岩油渗流状态； （3）通过旋转实验箱体模拟地层构造应力对渗流的影响； （4）通过增加孔隙压力机构，模拟研究孔隙压力对渗流的影响。 综上述所，本发明能够模拟岩心三轴方向的应力及孔隙压力，通过向岩心试件注 入热蒸汽模拟稠油热采，并通过旋转实验箱体实现复杂渗流测试。 附图说明 图1是本发明的轴测图。 图2是本发明的主视图。 图3是本发明的左视图。 图4是图2中A-A向剖视图。 图5是图3中B-B向剖视图。 图6是本发明的俯视图。 图7是图6中C-C向剖视图。 图8是本发明的第一中空膨胀方板的结构示意图。 图9是本发明的第一中空膨胀方板的结构剖视图。 图10是本发明的渗流器的结构剖视图。 图11是本发明的轴压盖板的结构示意图。 图12是图5中D处局部放大图。 图13是图5中E处局部放大图。