CN107101890B - 高温岩样应变与声波测试装置及测试方法 - Google Patents

高温岩样应变与声波测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高温岩样应变与声波测试装置及测试方法，该装置主要由声波发射端、上承压轴、刚玉顶针、上位移滑片、下位移滑片、隔热外壳、碳纤维套、岩样、下承压轴、声波接收端、下铜电极、珍珠岩粉、温度传感器、变压器、温度‑声波控制箱、示波器、上铜电极、数据采集与处理系统组成。该方法包括：（1）将装置安装在单轴力学实验机冲程上；（2）对岩样加热；（3）进行压缩实验；（4）上位移滑片、下位移滑片的差值即为岩样的轴向应变值；（5）从声波发射端发射声波，经过岩样后被声波接收端接收，得到岩样的声波时差；（6）采集各项数据并储存。本发明原理可靠，操作简便，实时获得高温下岩石的力学参数，具有广阔的市场应用前景。

Description

高温岩样应变与声波测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及高温岩体地热开发及油气井工程领域中一种用于单轴力学实验机的高温岩样应变与声波测试装置及测试方法。
背景技术
在高温条件下，由于组成岩石的多种矿物颗粒热膨胀不同，会使得岩石内部出现微裂纹，从而导致岩石力学性能劣化，这就会引起地热开发井或油气井井壁失稳，从而造成井塌等严重安全事故。因此研究高温下岩石力学参数的变化规律，具有十分重要的现实意义。
中国专利CN205643032U公开了一种沥青混合料高温稳定性单轴试验装置，能模拟沥青路面受热后温度自路表向下变化的过程，但该装置研究对象是沥青，且只能获得单轴抗剪强度；中国专利CN104865137A与中国专利CN105092387A分别公开了一种测试导体材料高温环境下单轴拉伸力学性能的试验装置与一种单晶硅小尺寸试件高温力学性能原位拉伸测试系统，这两种装置都是进行拉伸力学测试。目前存在的岩石单轴力学实验装置有的无法加温，有的所加温度十分有限，无法测试更高温度下的岩石力学参数，且基本不具备声速测试功能。因此，将岩石作为研究对象，直接进行压缩力学测试，获得岩石的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学参数，为高温岩体地热开发及油气井工程提供科学分析手段和理论依据，已成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于提供高温岩样应变与声波测试装置，该装置可用于单轴力学实验机上，进行高温下的岩样应变与声波测试实验，实时记录单轴压缩过程中岩样的温度、轴向应变与声波时差，并计算获得抗压强度、弹性模量和泊松比等岩石力学参数，为高温岩体地热开发及油气井工程提供科学分析手段。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对高温岩样进行应变与声波测试的方法，该方法原理可靠，操作简便，能快速高效加热岩石，实时获得高温下岩石的力学参数，得到的实验数据更加准确可靠，具有广阔的市场应用前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
高温岩样应变与声波测试装置，主要由上承压压头、声波发射端、上承压轴、刚玉顶针、上位移滑片、上固定脚块、下固定脚块、下位移滑片、隔热外壳、碳纤维套、岩样、下承压轴、下承压压头、声波接收端、下铜电极、珍珠岩粉、温度传感器、变压器、温度-声波控制箱、示波器、上铜电极、数据采集与处理系统组成。
所述碳纤维套包裹岩样，由上下两对刚玉顶针固定在隔热外壳中，碳纤维套与隔热外壳之间的空隙充填有珍珠岩粉；上部的刚玉顶针通过上固定脚块固定上位移滑片，下部的刚玉顶针通过下固定脚块固定下位移滑片，上位移滑片与下位移滑片分别连接数据采集与处理系统。
所述岩样上端通过上承压轴连接声波发射端和上承压压头，岩样下端通过下承压轴连接声波接收端和下承压压头，所述上承压轴和下承压轴分别安装有上铜电极和下铜电极，上铜电极和下铜电极连接变压器；岩样中端连接温度传感器、变压器和温度-声波控制箱，温度-声波控制箱连接示波器，还分别连接声波发射端和声波接收端。
所述碳纤维套、温度传感器、示波器、变压器和温度-声波控制箱均连接数据采集与处理系统。
本装置包括智能加热部分、岩样轴向应变测试部分、声波测试部分、数据采集与处理部分，以下简要阐述这四个部分的工作流程。
智能加热部分：通过温度-声波控制箱调控变压器功率，而变压器接通上下铜电极，上下铜电极又连接碳纤维套，因此可以对热碳纤维套进行加热；温度传感器也连接碳纤维套，将碳纤维套的温度反馈给数据采集与处理系统；数据采集与处理系统根据反馈来的温度信息，智能选择停止加热或者继续加热，以将温度维持在指定温度，例如指定500℃，若反馈回来的温度不足500摄氏度，将持续加热，若温度已达500℃，则停止加热，停止加热后若温度逐渐冷却低于500摄氏度，将再次加热直至500℃后停止，如此往复，将温度维持在500℃。
岩样轴向应变测试部分：上下位移滑片分别被上下固定脚块固定在两个刚玉顶针上，并连接数据采集与处理系统，刚玉顶针随岩样做轴向应变，岩样轴向应变的数值等于上下位移滑片的位移差值，并将位移信息反馈给数据采集与处理系统，显示具体数值。
声波测试部分：温度-声波控制箱连接示波器，并分别连接声波发射端和声波接收端；温度-声波控制箱控制声波发射端发射声波经过岩样并被声波接收端接收，测得的声波数据在示波器中显示，并存储在数据采集与处理系统中。
数据采集与处理部分：测试得的加热数据、岩样轴向应变数据及声波数据均在数据采集与处理系统中显示与储存。
利用上述装置对高温岩样进行应变与声波测试的方法，依次包括以下步骤：
（1）将本装置安装在单轴力学实验机冲程上；
（2）通过温度-声波控制箱调控变压器发出电流，经过上铜电极和下铜电极对碳纤维套及碳纤维套中的岩样进行加热，通过数据采集与处理系统将碳纤维套中的岩样维持在设定的温度；
（3）打开单轴力学实验机进行压缩实验；
（4）在岩样受压缩发生轴向应变过程中，刚玉顶针跟随岩样一起轴向移动，上位移滑片、下位移滑片的差值即为岩样在高温压缩过程中的轴向应变值；
（5）利用温度-声波控制箱从声波发射端发射声波，经过岩样后被声波接收端接收，岩样高温单轴压缩过程中的波形图显示在示波器中，得到岩样在高温压缩过程中的声波时差；
（6）数据采集与处理系统采集各项数据并储存，进行抗压强度、泊松比、弹性模量等岩石力学参数的计算。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本装置不但能测试高温下岩石的单轴力学参数，也能测试高温冷却后岩样的单轴力学参数；
（2）本装置自带轴向应变测试功能，可以在没有单轴力学实验机的情况下，用千斤顶代替进行实验；
（3）碳纤维导热能力强弹性好，能快速升高岩样温度，并与包裹的岩样一起形变而不会对岩样产生侧向束缚力影响实验结果；
（4）珍珠岩粉作为隔热层，不但能阻止碳纤维套温度耗散而起到保温的作用，同时还能防止外壳温度过高烫伤实验操作者；
（5）测试的声波数据可供其他岩石力学参数的计算。
附图说明
图1是高温岩样应变与声波测试装置的结构示意图。
图中：1.上承压压头，2.声波发射端，3.上承压轴，4.刚玉顶针，5.上位移滑片，6.上固定脚块，7.下固定脚块，8. 下位移滑片，9.隔热外壳，10.碳纤维套，11.岩样，12.下承压轴，13.下承压压头，14.声波接收端，15.下铜电极，16.珍珠岩粉，17.温度传感器，18.变压器，19.温度-声波控制箱，20.示波器，21.上铜电极，22.数据采集与处理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参看图1。
高温岩样应变与声波测试装置，主要由上承压压头1、声波发射端2、上承压轴3、刚玉顶针4、上位移滑片5、上固定脚块6、下固定脚块7、下位移滑片8、隔热外壳9、碳纤维套10、岩样11、下承压轴12、下承压压头13、声波接收端14、下铜电极15、珍珠岩粉16、温度传感器17、变压器18、温度-声波控制箱19、示波器20、上铜电极21、数据采集与处理系统22组成。
所述碳纤维套10包裹岩样11，由上下两对刚玉顶针4固定在隔热外壳9中，碳纤维套与隔热外壳之间的空隙充填有珍珠岩粉16；上部的刚玉顶针通过上固定脚块6固定上位移滑片5，下部的刚玉顶针通过下固定脚块7固定下位移滑片8，上位移滑片与下位移滑片分别连接数据采集与处理系统22。
所述岩样上端通过上承压轴3连接声波发射端2和上承压压头1，岩样下端通过下承压轴12连接声波接收端14和下承压压头13，所述上承压轴和下承压轴分别安装有上铜电极21和下铜电极15，上铜电极和下铜电极连接变压器18；岩样中端连接温度传感器17、变压器18和温度-声波控制箱19，温度-声波控制箱连接示波器20，还分别连接声波发射端2和声波接收端14。
所述碳纤维套10、温度传感器17、示波器20、变压器18和温度-声波控制箱19均连接数据采集与处理系统22。
利用上述装置对高温岩样进行应变与声波测试的方法，依次包括以下步骤：
（1）将本装置安装在单轴力学实验机冲程上；
（2）通过温度-声波控制箱调控变压器发出电流，电流经过上铜电极和下铜电极对碳纤维套进行加热，进而对碳纤维套中的岩样进行加热，利用温度传感器实时监测碳纤维套的温度，并通过数据采集与处理系统将碳纤维套中的岩样维持在设定的温度，当岩样达到设定温度后，可恒温一段时间，保证岩样均匀受热；
（3）打开单轴力学实验机进行压缩实验；
（4）在岩样受压缩发生轴向应变过程中，刚玉顶针跟随岩样一起轴向移动，上位移滑片、下位移滑片的差值即为岩样在高温压缩过程中的轴向应变值；
（5）利用温度-声波控制箱从声波发射端发射声波，经过岩样后被声波接收端接收，岩样高温单轴压缩过程中的波形图显示在示波器中，从而得到岩样在高温压缩过程中的声波时差；
（6）各项数据均存储到数据采集与处理系统中，并进行抗压强度、泊松比、弹性模量等岩石力学参数计算；
（7）实验结束后，关闭电源，当装置冷却至室温后，更换岩样，可进行下一轮实验。

Claims (2)

1.高温岩样应变与声波测试装置，主要由上承压压头（1）、声波发射端（2）、上承压轴（3）、刚玉顶针（4）、上位移滑片（5）、上固定脚块（6）、下固定脚块（7）、下位移滑片（8）、隔热外壳（9）、碳纤维套（10）、岩样（11）、下承压轴（12）、下承压压头（13）、声波接收端（14）、下铜电极（15）、珍珠岩粉（16）、温度传感器（17）、变压器（18）、温度-声波控制箱（19）、示波器（20）、上铜电极（21）、数据采集与处理系统（22）组成，其特征在于，所述碳纤维套（10）包裹岩样（11），由上下两对刚玉顶针（4）固定在隔热外壳（9）中，碳纤维套与隔热外壳之间的空隙充填有珍珠岩粉（16）；上部的刚玉顶针通过上固定脚块（6）固定上位移滑片（5），下部的刚玉顶针通过下固定脚块（7）固定下位移滑片（8），上位移滑片与下位移滑片分别连接数据采集与处理系统（22）；所述岩样上端通过上承压轴（3）连接声波发射端（2）和上承压压头（1），岩样下端通过下承压轴（12）连接声波接收端（14）和下承压压头（13），所述上承压轴和下承压轴分别安装有上铜电极（21）和下铜电极（15），上铜电极和下铜电极连接变压器（18）；岩样中端连接温度传感器（17）、变压器（18）和温度-声波控制箱（19），温度-声波控制箱连接示波器（20），还分别连接声波发射端（2）和声波接收端（14）；所述碳纤维套（10）、温度传感器（17）、示波器（20）、变压器（18）和温度-声波控制箱（19）均连接数据采集与处理系统（22）。
2.利用权利要求1所述的装置对高温岩样进行应变与声波测试的方法，依次包括以下步骤：
（1）将该装置安装在单轴力学实验机冲程上；
（2）通过温度-声波控制箱调控变压器发出电流，经过上铜电极和下铜电极对碳纤维套及碳纤维套中的岩样进行加热，通过数据采集与处理系统将碳纤维套中的岩样维持在设定的温度；
（3）打开单轴力学实验机进行压缩实验；
（4）在岩样受压缩发生轴向应变过程中，刚玉顶针跟随岩样一起轴向移动，上位移滑片、下位移滑片的差值即为岩样在高温压缩过程中的轴向应变值；
（5）利用温度-声波控制箱从声波发射端发射声波，经过岩样后被声波接收端接收，岩样高温单轴压缩过程中的波形图显示在示波器中，得到岩样在高温压缩过程中的声波时差；
（6）数据采集与处理系统采集各项数据并储存，进行抗压强度、泊松比、弹性模量岩石力学参数的计算。
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