CN106644740A - 一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置 - Google Patents

一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，包括试验机、围压腔和夹持夹具。试验机包括试验机刚架、刚架压头、小车、滑轨、液压轴和液压缸；围压腔包括围压筒压头、围压筒、围压筒底座、定位杆；夹持夹具包括夹持底座、立柱、支撑板、支撑辊、孔压封头、压紧件、上盖板、夹具压头、上圈、固定螺栓、探针、下板。本发明构造简单、操作方便、实用性强，能够对岩石材料及人工材料进行含围压、高温、含孔隙压力条件下的断裂韧性测试，所得到的结果更为准确，可为油田及研究机构的水力压裂模型计算提供准确的断裂韧性参数。

Description

一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置
技术领域
本发明属于石油工程岩石力学领域，特别是涉及一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置。
背景技术
我国低渗透油气田资源非常丰富，近几年我国探明的石油地质储量中，低渗透储量的比例占60％～70％，可见低渗透油田或者特(超)低渗透油田将是今后相当一个时期内增储上产的主要资源基础。低渗透储层低孔、低渗、非均质强、储量丰度低，且易受损害，绝大多数油气井必须实施压裂增产措施后方能见产能。水力压裂技术已经成为低渗透、特低渗透油田改造的重要措施，其工艺技术水平对油气的经济开发有着直接的影响。
岩石的断裂韧性是判断裂缝是否进入失稳状态的一个指标，是水力压裂设计和数值模拟中的一个重要参数。绝大多数地层岩石都含有孔隙，岩石孔隙中的流体具有一定的孔隙压力，而岩石孔隙中的压力对它的断裂韧性的影响是显著的。现阶段岩石材料的断裂韧性研究及测试均没有考虑孔隙压力的影响，岩石材料的断裂韧性测试结果不能反映地层的真实情况。此外，不考虑岩石内部孔隙压力的作用，所得到的断裂韧性测试结果用于模型计算也将不能得到准确的结果。因此有必要进行岩石材料在含孔隙压力条件下的断裂韧性试验研究。
发明内容
本发明涉及一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，能够用于研究孔隙压力、围压、温度等因素对岩石材料断裂韧性的影响，所得到的研究成果可以为水力压裂模型计算提供准确的参数支持。
本发明涉及一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其包括试验机、围压腔和夹持夹具：
所述试验机包括刚架，该刚架内安装所述围压腔，该围压腔内装有所述夹持夹具，所述试验机刚架上端安装刚架压头，用于压紧所述围压腔，该围压腔下方的试验机刚架上还包括小车，该小车下方装有滑轨，该滑轨的数量为至少两条，所述至少两条滑轨内侧的刚架上设置液压缸，该液压缸内有液压轴，该液压缸及液压轴用于将所述小车升起或降低，当液压缸及液压轴处于压缩状态时，小车可沿滑轨滑动，液压缸连接油压泵；
所述围压腔包括围压筒，该围压筒装在围压筒底座上，所述围压筒包括排气孔，该排气孔连接阀门I，所述围压筒底座包括注液孔，该注液孔连接阀门II，所述围压筒与围压筒底座之间通过密封圈密封，当向围压腔内注入液体时，排气孔用于排出围压腔内的气体；当需要排出围压腔内的液体时，排气孔用于泵入高压气体；
所述夹持夹具包括夹持底座，该夹持底座上装有立柱，上盖板通过四根所述立柱固定在所述夹持底座上，该夹持底座包括滑槽，该滑槽上设置至少一个支撑板，该支撑板上方安装待测试的试件，下板通过螺栓固定于所述夹持底座上，所述上盖板上设置夹具压头，该夹具压头穿过上盖板中心的通孔，然后与待测试的试件接触，上圈通过四根定位螺栓固定于夹具压头的外圆周，所述下板上开有至少一个探针孔，该探针孔内安放有传感器，所述上圈安装探针，该探针的底部插入所述下板的探针孔中，所述传感器通过测量探针下降距离来确定试件的变形量。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述探针孔内安放有LVDT传感器，所述上圈安装探针，该探针的底部插入所述下板的探针孔中，LVDT传感器通过测量探针下降距离来确定试件的变形量，LVDT传感器(英文全称LinearVariable Differential Transformer)是线性可变差动变压器缩写，属于直线位移传感器。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述支撑板上端面包括半圆形凹槽，该凹槽内设置支撑辊，支撑辊可在支撑板的半圆形凹槽内滚动。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述支撑板通过螺栓固定在夹持底座的滑槽上。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述围压筒底座包括定位杆，所述围压筒的底边缘包括定位孔，当所述围压筒与所述围压筒底座装配在一起时，定位杆用于对齐围压筒和围压筒底座上的螺栓孔。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述液压缸通过液压轴分为上下两个压力腔，当向下部压力腔注液时，上部压力腔出液，液压轴上升；当向上部压力腔注液时，下部压力腔出液，液压轴下降。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述小车由液压轴控制上升、下降，当小车下降至滑轨时，小车可以沿滑轨滑动。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述围压筒包括围压筒压头，所述围压筒与围压筒压头之间通过密封圈密封。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述围压筒与围压筒底座之间通过螺栓固定。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述围压筒底座上安装有加热棒，用于对围压腔内的液体进行加热。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述夹持底座通过螺栓固定在围压筒底座上。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，通过调节支撑板在滑槽上的位置来控制试件的跨度，从而调节试件的长度。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述夹具压头底部开有凹槽，该凹槽内装有支撑辊，该支撑辊与待测试的试件接触，更优选的是，支撑辊通过焊接固定在夹具压头上。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述试件安放在孔压封头之间，将加热的塑管套装在孔压封头和试件外侧，从而将试件与孔压封头密封在一起，孔压封头端部开有凹槽，用于安放密封件，通过在塑管外加装压紧件将密封件与塑管密封死。
如上所述的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其中，所述孔压封头上开有注液口与出液口，所述注液口与所述凹槽之间的间距不小于8mm，试件密封在两个孔压封头之间，通过向注液口注液对试件施加孔隙压力，所述塑管的端部位于所述注液口和所述凹槽之间的位置以便密封试件，且不影响注液。
本发明所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置的使用方法为：在孔压封头之间安放试件，将加热的塑管套装在孔压封头和试件外侧，孔压封头端的凹槽内安放密封件，通过在塑管外加装压紧件将密封件与塑管密封死，该塑管不能遮盖注液口，将密封后的试件安装在夹持夹具的支撑板上，将夹持夹具置于围压筒底座内，将围压筒与围压筒底座连接并密封，将所述孔压封头的注液口连接孔隙压力泵，将围压泵连接至所述围压筒底座的注液孔，通过围压泵向围压筒底座的注液孔注液，从而向围压腔内注油，围压腔内多余的气体通过围压筒上的排气孔排出；
当围压腔内注满油后，停止注油，再将围压筒底座5的注液口处的阀门I以及围压筒4排气孔处的阀门I关死，随后启动围压泵向围压腔内加压，当达到设定围压，维持设定的围压；再启动孔隙压力泵，向两个孔压封头15的注液口内注入液体；
最后利用加热棒将围压腔内的液压油加热到设定温度；
随后启动控制记录系统记录，按照设定的加载速率对试件进行加载，记录实验数据，直至试件17达到破坏。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，在对岩石试件进行断裂韧性测试时，能够对试件施加围压、孔隙压力，同时通过对围压腔内的液体进行加热，使试件处于高温环境中，充分模拟地层岩石高温、高压、含孔隙压力的环境特点，使测试出的岩石材料的断裂韧性更加准确。本发明构造简单、操作方便、实用性强，能够对岩石材料及人工材料进行含围压、高温、含孔隙压力条件下的断裂韧性测试，所得到的结果更为准确，可为油田及研究机构的水力压裂模型计算提供准确的断裂韧性参数。
附图说明
以下附图仅旨在对本发明做示意性的说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1为根据本发明的一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置的一优选实施例的整体结构示意图；
图2为图1所示实施例的试验机整体结构示意图；
图3为图1所示实施例的围压腔的结构示意图；
图4为图1所示实施例的夹持夹具的整体结构示意图；
图5为图1所示实施例的夹持夹具与围压腔的装配结构示意图；
图6为图1、图4及图5所示实施例的试件密封示意图；
图7为图4及图5所示实施例中夹具压头19的结构示意图。
附图标号说明：
1、刚架；2、刚架压头；3、围压筒压头；4、围压筒；5、围压筒底座；6、定位杆；7、小车；8、滑轨；9、液压轴；10、液压缸；11、夹持底座；12、立柱；13、支撑板；14、支撑辊；15、孔压封头；16、压紧件；17、试件；18、上盖板；19、夹具压头；20、上圈；21、固定螺栓；22、探针；23、下板；111、滑槽；151、出液口；152、注液口。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的一优选实施例的具体实施方式。
图1-图6所示为一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其包括试验机、围压腔和夹持夹具。试验机包括试验机刚架1、刚架压头2、小车7、滑轨8、液压轴9、液压缸10，试验机刚架1上端安装刚架压头2，试验机刚架1下端安装液压缸10，液压缸10内有液压轴9，小车7位于试验机刚架1的平台上，小车7装在液压缸10上，当液压缸10下降至最低位时，小车7可沿滑轨8滑动；围压腔包括围压筒压头3、围压筒4、围压筒底座5、定位杆6；夹持夹具包括夹持底座11、立柱12、支撑板13、支撑辊14、孔压封头15、压紧件16、上盖板18、夹具压头19、上圈20、固定螺栓21、探针22、下板23，上盖板18通过四根立柱12固定在夹持底座11上，两个支撑板13通过螺栓固定在夹持底座11的滑轨上，支撑辊14安放于支撑板13的半圆形凹槽中，孔压封头15固定于试件17的两端，下板23通过螺栓固定于夹持底座11上，上圈20通过四根固定螺栓21固定在夹具压头19上，探针22位于上圈20与下板23之间。
进一步的，试验机的结构如图2所示，当加载时，通过向液压缸10的底部压力腔泵入液体，推动液压轴9向上移动，从而推动小车7向上运动；当卸载时，通过向液压缸10的上部压力腔泵入液体，推动液压轴9向下移动，从而带动小车7向下运动，当小车7完全接触上滑轨8时，可将小车7沿滑轨8推出试验机刚架1。
进一步的，围压腔的结构如图3所示，围压筒4与围压筒压头3、围压筒底座5之间通过密封圈密封，围压筒4顶部开有排气孔，定位杆6位于围压筒底座5上，定位杆6用于对齐围压筒4与围压筒底座5，围压筒4与围压筒底座5之间通过螺栓固定。
进一步的，夹持夹具的结构如图4所示，如图5所示，试验时，将夹持底座11通过螺栓固定于围压筒底座5上，夹持底座11上开有滑槽111，支撑板13可固定在夹持底座11点滑槽111上的任意位置；支撑板13上端开有半圆形凹槽，支撑辊14可在支撑板13的半圆形凹槽中滚动；孔压封头15含有出液口151和注液口152，且孔压封头15端部开有凹槽，该凹槽内嵌装密封件；如图7所示，夹具压头19的底部开有凹槽，支撑辊14通过焊接固定在夹具压头19下部的凹槽内，该凹槽内的支撑辊14用于压紧试件17；下板23上开有两个探针孔，探针孔内安放有LVDT传感器，LVDT传感器通过测量探针22下降距离来确定试件17变形量。
此外，孔压封头15上的凹槽用于安放密封件，对试件17进行密封时，先将试件17用加热的塑管密封在两孔压封头15之间，而后用压紧件16将密封件处压死，从而实现对试件17与孔压封头15之间的密封，密封后塑管端部位于压紧件16和注液口152之间的位置。试验时，孔压封头15的注液口152连接外接注液管线，并通过外接注液管线连接孔隙压力泵，施加孔隙压力前，首先对试件17施加围压，而后通过孔压封头15的注液口152对试件17注入高压液体，从而实现对试件17施加孔隙压力。
本发明的工作原理如下：
将加工好的试件17与两个孔压封头15用加热的塑管套住，用热吹风将塑管吹软，将试件17与孔压封头15密封住，孔压封头15的密封槽中安放有密封件，用压紧件16将孔压封头15上的密封件与热塑管密封死。随后将密封好的试件17安放在夹持夹具的两根支撑辊14上，再将夹具压头19放置在上盖板18内，夹具压头19上的支撑辊14顶住试件17，随后将含探针22的上圈20用固定螺栓21固定在夹具压头19上，探针22底部插入下板23的LVDT传感器孔中。再将夹持夹具安放到围压筒底座5上，用螺栓将夹持夹具固定在围压筒底座5上，而后用起重设备将围压筒4吊装至围压筒底座5上，并使围压筒4套装在围压筒底座5上的夹持夹具外，再用螺栓将围压筒4与围压筒底座5固定在一起，如图1所示，将小车7推入试验机刚架上，小车7底部的凹孔对准液压轴9，此时，小车7上的围压筒底座5及围压筒4与小车7及液压轴9和刚架压头2的中心轴重合。
试验时，首先启动油压泵向液压缸10底部的压力腔注油，液压缸10顶部的液压油流回稳压源内，这样液压轴9推动小车7向上运动，当围压筒压头3接触到刚架压头2并产生0.1KN的预紧力时，停止上升小车7。随后，再启动围压泵，向围压腔内注油，围压腔内多余的气体通过围压筒4上的排气孔排出；当围压腔内注满油后，停止注油，再将围压筒底座5的注液口处的阀门以及围压筒4排气孔处的阀门关死。随后启动围压泵向围压腔内加压，当达到设定的围压后，维持该设定的围压；再启动孔隙压力泵，向两个孔压封头15的注液口152内注液，当试件17充分饱和并达到设定的孔隙压力时，维持设定的孔隙压力；最后利用加热棒将围压腔内的液压油加热到设定温度。随后启动控制记录系统，按照设定的加载速率对试件进行加载，记录实验数据，直至试件17达到破坏。
试件17破坏后，停止加热，待围压腔内的液体冷却达到室温后，先下降小车7，使施加在试件17上的轴压达到0.1KN。启动孔隙压力泵，撤除施加在试件17上的孔隙压力，再启动围压泵，撤除围压。打开围压筒底座5注液口处阀门和围压筒4排气孔处的阀门，将连接在围压筒4排气孔上的排气管接到稳压气站上，利用气压将围压腔内的液压油反排至稳压源内。待围压腔内的液压油排尽后，下降小车7至滑轨8上，将小车7推出试验机刚架1。随后拆卸围压筒4，用起重设备将围压筒4吊离小车7，最后将试件17从夹持夹具上拆卸下来，从而完成整个实验流程。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的保护范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其包括试验机、围压腔和夹持夹具：
所述试验机包括刚架(1)，该刚架(1)内安装所述围压腔，该围压腔内装有所述夹持夹具，试验机的刚架(1)上端安装刚架压头(2)，用于压紧所述围压腔，该围压腔下方的刚架(1)上还包括小车(7)，该小车(7)下方装有滑轨(8)，该滑轨(8)的数量为至少两条，至少两条滑轨(8)内侧的刚架(1)上设置液压缸(10)，该液压缸(10)内有液压轴(9)，该液压缸(10)及液压轴(9)用于将小车(7)升起或降低，当液压缸(10)及液压轴(9)处于压缩状态时，小车(7)可沿滑轨(8)滑动，液压缸(10)连接油压泵；
所述围压腔包括围压筒(4)，该围压筒(4)装在围压筒底座(5)上，所述围压筒(4)包括排气孔，该排气孔连接阀门I，围压筒底座(5)包括注液孔，该注液孔连接阀门II，围压筒(4)与围压筒底座(5)之间通过密封圈密封，当向围压腔内注入液体时，排气孔用于排出围压腔内的气体；当需要排出围压腔内的液体时，排气孔用于泵入高压气体；
所述夹持夹具包括夹持底座(11)，该夹持底座(11)上装有立柱(12)，上盖板(18)通过四根立柱(12)固定在所述夹持底座(11)上，该夹持底座(11)包括滑槽(111)，该滑槽(111)上设置至少一个支撑板(13)，该支撑板(13)上方安装待测试的试件(17)，下板(23)通过螺栓固定于夹持底座(11)上，上盖板(18)上设置夹具压头(19)，该夹具压头(19)穿过上盖板(18)中心的通孔，然后与待测试的试件(17)接触，其特征在于：上圈(20)通过四根定位螺栓固定于夹具压头(19)的外圆周，下板(23)上开有至少一个探针孔，该探针孔内安放有传感器，上圈(20)安装探针(22)，该探针(22)的底部插入下板(23)的探针孔中，传感器通过测量探针(22)下降距离来确定试件(17)的变形量。
2.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：支撑板(13)上端面包括半圆形凹槽，该凹槽内设置支撑辊(14)，支撑辊(14)可在支撑板(13)的半圆形凹槽内滚动。
3.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：支撑板(13)通过螺栓固定在夹持底座(11)的滑槽(111)上。
4.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：围压筒底座(5)包括定位杆(6)，围压筒(4)的底边缘包括定位孔，当围压筒(4)与围压筒底座(5)装配在一起时，定位杆(6)用于对齐围压筒(4)和围压筒底座(5)上的螺栓孔。
5.如权利要求1或2所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：液压缸(10)通过液压轴(9)分为上下两个压力腔，当向下部压力腔注液时，上部压力腔出液，液压轴(9)上升；当向上部压力腔注液时，下部压力腔出液，液压轴(9)下降。
6.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：小车(7)由液压轴(9)控制上升、下降，当小车(7)下降至滑轨(8)时，小车(7)沿滑轨(8)滑动。
7.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：围压筒底座(5)上安装有加热棒，用于对围压腔内的液体进行加热。
8.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：夹具压头(19)底部开有凹槽，该凹槽内装有支撑辊(14)，该支撑辊(14)与待测试的试件(17)接触。
9.如权利要求1所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：将试件(17)安放在孔压封头(15)之间，将加热的塑管套装在孔压封头(15)和试件(17)外侧，从而将试件(17)与孔压封头(15)密封在一起，孔压封头(15)端部开有凹槽，用于安放密封件，通过在塑管外加装压紧件(16)将密封件与塑管密封死。
10.如权利要求9所述的孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置，其特征在于：孔压封头(15)上开有注液口(152)与出液口(151)，所述注液口与所述凹槽之间的间距不小于8mm，试件密封在两个孔压封头(15)之间，通过向注液口注液对试件施加孔隙压力，所述塑管的端部位于所述注液口和所述凹槽之间的位置以便密封试件(17)，且不影响注液。
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