CN106323761A - 一种岩石脆性试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种岩石脆性试验装置，其技术方案是：包括可以承受不同围压的三轴压力釜、固定岩心的底座、内置在底座中的声发射传感器、安装在底座上的温度传感器、粘贴在岩心不同方位的应变片、包裹在三轴压力釜外部的电磁加热圈以及相应线路通道。本发明的有益效果是：本发明摆脱了大型三轴压缩机的限制和声发射传感器外置的局限性，可同步得到声发射累积能量值与应力‑应变值，测定方法提高了岩石脆性评价的合理性和准确性。

Description

一种岩石脆性试验装置
技术领域
本发明涉及一种岩石力学实验领域，特别涉及一种岩石脆性试验装置。
背景技术
由于页岩储层致密，属于低孔、超低渗储层，为了实现经济开发需要进行压裂作业，而岩石脆性作为岩石固有的力学属性，决定了页岩储层的可压裂性和压裂改造的难易程度。因此，一般通过岩石的脆性指数来评价岩石的可压裂性，脆性指数越高，说明储层一般性质硬脆，对压裂作业的反应敏感，能迅速形成复杂的网状裂缝。
目前，声发射脆性指数测定法是通过岩石压裂过程中声发射能量大小进行测定，如中国专利申请号为201310254628.X的发明专利，单纯从声发射能量大小考虑，而忽略试样形态、加载速率等外在因素不同时，声发射能量大小随之发生变化，使得测定的脆性指数存在偏差。此外，进行声发射实验时，一方面声发射传感器多放置在压力釜外，导致声发射信号能量损失严重，另一方面声发射装置不能同步获得原位页岩的声发射特征参数和应力-应变数据，降低了测定岩石脆性指数的准确度。例如，申请号为20一种岩石脆性试验方法0212775.1发明专利和申请号为201320057732.5发明专利，虽然声发射传感器置于底座，减小了声发射信号能量的损失，但不能同步得到原位温度压力下页岩声发射特征参数和应力-应变数据。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种岩石脆性试验装置，通过改进试验装置、优化测定方法，提高了原位页岩脆性指数评价的合理性和准确性。
本发明提到的一种岩石脆性试验装置，包括三轴压力釜（1）、底座（14）、活塞杆（8）、声发射传感器（16）、温度传感器（4）、应变片（12）、电磁加热圈（13），所述活塞杆（8）安装在三轴压力釜（1）上端，用密封圈Ⅰ（9）密封，可用于给岩心（11）施加压力；所述底座（14）安装在三轴压力釜（1）下端，用密封圈Ⅱ（15）密封；所述岩心（11）放置在活塞杆（8）与底座（14）之间，用热塑管（3）密封；所述注液口（6）安置在三轴压力釜（1）下部，用于向釜腔（2）内注入、排除液体，实现对岩心（11）加载、卸载围压；所述排气口（10）安置在三轴压力釜（1）上部，用于釜腔内排放气体或充气排液；所述电磁加热圈（13）安装在三轴压力釜（1）外壁，用于对釜腔加热；所述温度传感器（4）安装在底座（14）上，用内防水橡胶塞（6）密封，其数据线Ⅰ（18）依次通过底座（14）导出，与温度测量仪（19）连接，并由计算机（20）显示温度大小；所述应变片（12）安装在热塑管（3）内，并粘贴在岩心（11）四个不同方位，其数据线Ⅱ（21）依次通过底座（14）导出，与应变测量仪（24）连接，并由计算机（20）显示应变数据；所述声发射传感器（16）安装在底座（14）内部，用橡胶垫（17）、螺丝（7）固定，其数据线Ⅲ（22）依次通过线底座（14）导出，与声发射检测仪连接，并由计算机（20）显示声发射数据。
上述的底座（14）由底座主体和底座腔室（30）组成，所述的底座主体由第一底座体（14.1）、第二底座体（14.2）和第三底座体（14.3）组成整体，且三个底座体为直径依次减小的圆柱体，三个底座体的中心处设有底座腔室（30），且第一底座体（14.1）的上表面与三轴压力釜（1）的的底部接触配合，第二底座体（14.2）的轴向外表面与三轴压力釜（1）的底部内壁接触；所述的第三底座体（14.3）的轴向外表面与热塑管（3）的内壁配合；所述的三轴压力釜（1）的内壁、第二底座体（14.2）的上表面和热塑管（3）的外壁之间形成釜腔（2）。
优选的，上述的第一底座体（14.1）设有一条径向的线槽Ⅳ（28），线槽Ⅳ（28）的外端设在第一底座体（14.1）的外壁，内端连通到线槽Ⅰ（25）；所述的第二底座体（14.2）上设有一条轴向的线槽Ⅱ（26），所述的线槽Ⅱ（26）的上端设在第二底座体（14.2）的上表面，下端连通到线槽Ⅳ（28）；所述的第三底座体（14.3）上设有径向的线槽Ⅴ（29）和轴向的线槽Ⅰ（25），线槽Ⅰ（25）的上端与线槽Ⅴ（29）连通，下端与线槽Ⅳ（28）及底座腔室（30）连通；所述的线槽Ⅴ（29）设在第三底座体（14.3）的上端。
另外，上述电磁加热圈（13）用于对三轴压力釜（1）加热，温度传感器（4）精确测量釜腔（2）温度。
上述活塞杆（8）对岩心（11）施加压力过程中，实现应变片（12）和声发射传感器（16）同步输出数据。
本发明提到的岩石脆性试验方法，包括以下步骤：
（1）、通过岩石脆性试验装置进行高温条件下三轴压缩实验，得到原位页岩的声发射累积能量和应力-应变的同步数据；
（2）、建立声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型；
（3）、根据所述关系模型，通过所述同步数据，确定原位页岩的脆性指数；
其中，所述声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型按照如下方法建立：
（a）、通过基于声发射技术的原位页岩脆性试验装置进行高温条件下三轴压缩实验，得到原位页岩的应力-应变、声发射累积能量的同步数据；
（b）、在同一坐标系下，绘制应力σ和声发射累积能量ln(E AE )随应变ε的变化曲线；
（c）、在应力-应变曲线上标记出应力起始点、屈服起始点和残余起始点，并计算出在声发射累积能量曲线上三点对应线段的斜率；
（d）根据应力-应变不同阶段，声发射累积能量与岩石脆性的关系，确定原位页岩脆性指数的关系模型。
本发明的有益效果是：（1）本发明所述试验装置结构合理、操作简单，摆脱了大型三轴压缩机的限制，能够广泛应用于施工现场和研究单位，进行高温条件下的三轴压缩实验；
（2）本发明所述声发射传感器内置于底座中，声发射信号直接通过底座传到声发射传感器，该底座为独特的设计结构，简化了实验装置的体积，方便了实验，减少了通过三轴压力釜时声发射信号能量损失，提高了原位页岩脆性指数评价准确性；
（3）本发明所述活塞杆对岩心施加压力，应变片和声发射传感器同步输出数据，避免了分别获得应力-应变值和声发射累积能量值时产生的误差；
（4）本发明所述声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型，从能量角度确定原位页岩脆性指数，更加可靠，并且精确度高，提高了原位页岩脆性评价的合理性。
附图说明
图1为本发明的试验装置结构示意图；
图2为本发明的试验装置底座结构剖面图；
图3为本发明的试验装置底座结构主视图；
图4为本发明的试验装置底座结构俯视图；
图5为同一坐标系下，应力和声发射累积能量随应变的变化关系曲线示意图。
图中，1、三轴压力釜，2、釜腔，3、热塑管，4、温度传感器，5、防水橡胶塞，6、注液口，7、螺丝，8、活塞杆，9、密封圈Ⅰ，10、排气口，11、岩心，12、应变片，13、电磁加热圈，14、底座，15、密封圈Ⅱ，16、声发射传感器，17、橡胶垫，18、数据线Ⅰ，19、温度测量仪，20、计算机，21、数据线Ⅱ，22、数据线Ⅲ，23、声发射检测仪，24、应变测试仪，25、线槽Ⅰ，26、线槽Ⅱ，27、线槽Ⅲ，28、线槽Ⅳ，29、线槽Ⅴ，30、底座腔室，31、螺孔Ⅴ，32、螺孔Ⅲ，33、螺孔Ⅰ，34、螺孔Ⅱ，35、螺孔Ⅳ；14.1、第一底座体，14.2、第二底座体，14.3、第三底座体。
具体实施方式
下面将结合本发明附图与实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种岩石脆性试验装置，包括：三轴压力釜1、底座14、活塞杆8、声发射传感器16、温度传感器4、应变片12、电磁加热圈13。
所述活塞杆8安装在三轴压力釜1上端，用密封圈Ⅰ9密封，可用于给岩心11施加压力；所述底座14安装在三轴压力釜1下端，用密封圈Ⅱ15密封，并通过螺孔Ⅰ33、螺孔Ⅱ34、螺孔Ⅲ32、螺孔Ⅳ35固定；所述岩心11放置在活塞杆8与底座14之间，用热塑管3密封；所述注液口6安置在三轴压力釜1下部，用于向釜腔2内注入、排除液体，实现对岩心11加载、卸载围压；所述排气口10安置在三轴压力釜1上部，用于釜腔内排放气体或充气排液；所述电磁加热圈13安装在三轴压力釜1外壁，用于对釜腔加热；所述温度传感器4安装在底座14上，用内防水橡胶塞6密封，其数据线Ⅰ18与温度测量仪19连接，并由计算机20显示温度大小；所述应变片12安装在热塑管3内，并粘贴在岩心11四个不同方位，其数据线Ⅱ21与应变测量仪24连接，并由计算机20显示应变数据；所述声发射传感器16安装在底座14内部，用橡胶垫17、螺丝7固定，其数据线Ⅲ22与声发射检测仪连接，并由计算机20显示声发射数据。
如图2、3、4所示，本发明的底座装置，包括：底座主体、底座腔室30，线槽Ⅰ25、线槽Ⅱ26，线槽Ⅲ27、线槽Ⅳ28、螺孔Ⅰ33、螺孔Ⅱ34、螺孔Ⅲ32、螺孔Ⅳ35、螺孔Ⅴ31，
所述的底座主体由第一底座体14.1、第二底座体14.2和第三底座体14.3组成整体，且三个底座体为直径依次减小的圆柱体，三个底座体的中心处设有底座腔室30，且第一底座体14.1的上表面与三轴压力釜1的的底部接触配合，第二底座体14.2的轴向外表面与三轴压力釜1的底部内壁接触；所述的第三底座体14.3的轴向外表面与热塑管3的内壁配合；所述的三轴压力釜1的内壁、第二底座体14.2的上表面和热塑管3的外壁之间形成釜腔2。
优选的，上述的第一底座体14.1设有一条径向的线槽Ⅳ28，线槽Ⅳ28的外端设在第一底座体14.1的外壁，内端连通到线槽Ⅰ25；所述的第二底座体14.2上设有一条轴向的线槽Ⅱ26，所述的线槽Ⅱ26的上端设在第二底座体14.2的上表面，下端连通到线槽Ⅳ28；所述的第三底座体14.3上设有径向的线槽Ⅴ29和轴向的线槽Ⅰ25，线槽Ⅰ25的上端与线槽Ⅴ29连通，下端与线槽Ⅳ28及底座腔室30连通；所述的线槽Ⅴ29设在第三底座体14.3的上端。
另外，螺孔Ⅰ33、螺孔Ⅱ34、螺孔Ⅲ32、螺孔Ⅳ35将底座14固定在三轴压力釜1下端；所述数据线Ⅰ18依次通过线槽Ⅱ26、线槽Ⅳ28导出，与温度测量仪19连接，并由计算机20显示温度大小；所述数据线Ⅱ21依次通过线槽Ⅴ29、线槽Ⅰ25、线槽Ⅳ28导出，与应变测量仪24连接；所述数据线Ⅲ22依次通过线槽Ⅲ27、线槽Ⅳ28导出，与声发射检测仪连接。
本发明提到的一种岩石脆性试验方法，包括：
（1）、选取页岩加工成直井为25mm，高度为50mm的标准岩心试样，放置在所述试验装置，进行高温条件下三轴压缩实验，得到原位页岩的声发射累积能量和应力-应变的同步数据；
（2）、建立声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型；
（3）、根据所述关系模型，通过所述同步数据，确定原位页岩的脆性指数；
其中，所述声发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型按照如下方法建立：
（a）、利用所述试验装置进行高温条件下三轴压缩实验，得到原位页岩的声发射累积能量和应力-应变的同步数据；
（b）、在同一坐标系下，绘制应力（σ）和声发射累积能量（ln(E AE )）随应变（ε）的变化曲线，如图5所示。通过应力-应变曲线标记出应力起始点A，屈服起始点B，残余起始点C，并在声发射累积能量曲线上标记出点B、点C相对应的点D，点E；
（c）、将点A和点D连接，点D和点E连接，从而分别得出线段AD、线段DE的斜率：
（1）
（2）
式中，为线段AD的斜率；为线段DE的斜率；为应力起始时刻的声发射累积能量值；为屈服起始时刻的声发射累积能量值；为残余起始时刻的声发射累积能量值；为应力起始时刻的应变值；为屈服起始时刻的应变值；为残余起始时刻的应变值。
研究表明，岩石的失稳破坏是一个能量耗散和能量突然释放的结果，屈服前，能量主要用于变形，声发射传感器检测到的能量较弱；屈服后，能量则用于破坏，声发射传感器检测到的能量信号较强。因此，岩石在三轴压缩破坏过程中，未达到屈服点时，岩石存在一个相对较长的平静期，脆性程度越好，岩石的声发射累积能量增长越缓慢，所对应的斜率越小；当处于屈服点和残余点之间时，脆性程度越好，岩石的声发射累积能量增长越快，所对应的斜率越大。
（d）根据应力-应变不同阶段，声发射累积能量与岩石脆性的关系，建立发射累积能量、应力-应变与原位页岩脆性指数的关系模型：
（3）
式中：为岩石的脆性指数。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种岩石脆性试验装置，其特征是：包括三轴压力釜（1）、底座（14）、活塞杆（8）、声发射传感器（16）、温度传感器（4）、应变片（12）、电磁加热圈（13），所述活塞杆（8）安装在三轴压力釜（1）上端，用密封圈Ⅰ（9）密封，可用于给岩心（11）施加压力；所述底座（14）安装在三轴压力釜（1）下端，用密封圈Ⅱ（15）密封；所述岩心（11）放置在活塞杆（8）与底座（14）之间，用热塑管（3）密封；所述注液口（6）安置在三轴压力釜（1）下部，用于向釜腔（2）内注入、排出液体，实现对岩心（11）加载、卸载围压；所述排气口（10）安置在三轴压力釜（1）上部，用于釜腔内排放气体或充气排液；所述电磁加热圈（13）安装在三轴压力釜（1）外壁，用于对釜腔加热；所述温度传感器（4）安装在底座（14）上，用内防水橡胶塞（6）密封，其数据线Ⅰ（18）依次通过底座（14）导出，与温度测量仪（19）连接，并由计算机（20）显示温度大小；所述应变片（12）安装在热塑管（3）内，并粘贴在岩心（11）四个不同方位，其数据线Ⅱ（21）依次通过底座（14）导出，与应变测量仪（24）连接，并由计算机（20）显示应变数据；所述声发射传感器（16）安装在底座（14）内部，用橡胶垫（17）、螺丝（7）固定，其数据线Ⅲ（22）依次通过线底座（14）导出，与声发射检测仪连接，并由计算机（20）显示声发射数据；
所述的底座（14）由底座主体和底座腔室（30）组成，所述的底座主体由第一底座体（14.1）、第二底座体（14.2）和第三底座体（14.3）组成整体，且三个底座体为直径依次减小的圆柱体，三个底座体的中心处设有底座腔室（30），且第一底座体（14.1）的上表面与三轴压力釜（1）的底部接触配合，第二底座体（14.2）的轴向外表面与三轴压力釜（1）的底部内壁接触；所述的第三底座体（14.3）的轴向外表面与热塑管（3）的内壁配合；所述的三轴压力釜（1）的内壁、第二底座体（14.2）的上表面和热塑管（3）的外壁之间形成釜腔（2）；
所述的第一底座体（14.1）设有一条径向的线槽Ⅳ（28），线槽Ⅳ（28）的外端设在第一底座体（14.1）的外壁，内端连通到线槽Ⅰ（25）；所述的第二底座体（14.2）上设有一条轴向的线槽Ⅱ（26），所述的线槽Ⅱ（26）的上端设在第二底座体（14.2）的上表面，下端连通到线槽Ⅳ（28）；所述的第三底座体（14.3）上设有径向的线槽Ⅴ（29）和轴向的线槽Ⅰ（25），线槽Ⅰ（25）的上端与线槽Ⅴ（29）连通，下端与线槽Ⅳ（28）及底座腔室（30）连通；所述的线槽Ⅴ（29）设在第三底座体（14.3）的上端；
所述电磁加热圈（13）用于对三轴压力釜（1）加热，温度传感器（4）精确测量釜腔（2）温度。
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