CN107179241B - 一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置 - Google Patents

一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，包括溶液槽、压头、CCD高速摄像机、强光源和防水漫射屏，溶液槽的内侧底端面装设有承载板，承载板上设有至少四个盲孔，盲孔内装设有支撑体，CCD高速摄像机装设在溶液槽内，与强光源和防水漫射屏配合，用于采集岩石裂缝动态扩展图像信息；岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置还包括压力机，压力机包括冲头和工作台，冲头与工作台相对设置，压头装设有在冲头上，溶液槽装设在工作台上，可通过控制压力机以改变压头的位移或施加载荷，以完成不同载荷条件下的饱水岩石裂纹扩展实验，且本发明采用防水CCD高速摄像机，可实现全程记录岩石裂缝扩展状态，实现图像数据的采集，便于后续测量和分析。

Description

一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置
技术领域
本发明涉及非常规储层裂缝形态实验研究技术领域，更具体地，涉及一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置。
背景技术
页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气。我国的页岩气资源丰富，随着开采技术的进步以及国家对开采的补贴支持，对页岩气的开发利用将进入快速发展时期。国外的页岩气的开采发展的比较早，主要的开采技术包括水平井技术、多层压裂技术、清水压裂技术以及重复压裂技术等，我国的页岩气开采目前还处于起步阶段。
近年来，许多人采用断裂力学方法研究了岩石裂纹的扩展发育规律。研究表明，处于一定环境介质中的含裂纹材料，当裂纹尖端的应力强度因子高于断裂韧度时，裂纹就会以接近声速扩展；而含裂纹的氧化物、硅酸盐等材料，当裂纹尖端的应力强度因子远低于断裂韧度时，裂纹仍会以一定的速度扩展。许多与环境有关的因素(如应力腐蚀等)导致了此类扩展。这种稳定的、准静态裂纹扩展称为亚临界扩展。当断裂韧度低于某一门槛值K0时，裂纹不再扩展。
如图1所示，裂纹的亚临界扩展分三个阶段，在KI～lgv图上，图中，KI表示应力强度因子，K0表示裂纹扩展门槛值，KIC表示岩石的断裂韧度，lgv表示裂纹扩展速率。在第一阶段内，当断裂韧度刚超过K0(门槛值)后，裂纹经过一段孕育期突然加速扩展，裂纹的扩展主要由应力腐蚀速度决定；而当进入扩展的第二阶段后，扩展处于稳定状态，其扩展速率不随应力强度因子KI的提高而增加，裂纹的扩展主要由环境中活性物质向裂纹尖端扩散的速度决定。当裂纹由成核、生长和亚临界扩展发展到临界长度后，裂纹尖端区域的应力强度因子KI也随着裂纹的扩展而急剧增大，此时，裂纹的扩展从稳态阶段进入动态阶段(第三阶段)。此阶段是走向快速断裂的过渡区，受热激活焓的影响，此时受环境介质的影响并不明显。
而现有技术中，大多数的研究主要是针对岩石各向异性参数开展的，而且更多的是直接通过力学设备对岩石(例如边坡岩)的各向异性参数进行力学测试，并未对处于流体饱和状态下的岩石压裂物理模拟的方法进行研究。段靓靓等从横观各向同性理论出发，对现场采集的岩样进行室内单轴压缩试验和巴西劈裂试验，对岩石的各向异性参数进行了研究，探讨了弹性模量、抗压强度和抗拉强度随岩层倾角变化的规律。
另一方面，目前的研究主要是针对砂岩和碳酸盐岩开展的。席道瑛等在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验，研究了饱和岩石的各向异性及非线性粘弹性行为。但对于处于流体饱和条件下的致密岩石裂缝扩张的研究，并未给出相应的实验设备。
综上所述，亟需形成一套用于研究致密岩石裂缝各项参数变化的物理模拟系统，以便更好地了解岩样的裂纹扩展速率与应力强度因子的变化关系和断裂韧性值以及计算亚临界裂纹指数，以达到增产的目的。
发明内容
本发明提供一种结构简单、操作方便的岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，以解决现有用于研究处于流体饱和条件下的致密岩石裂缝扩张研究设备匮乏的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，包括溶液槽、压头和CCD摄像机，所述溶液槽的内侧底端面装设有承载板，所述承载板上设有至少四个盲孔，所述盲孔内装设有支撑体，所述CCD摄像机装设在所述溶液槽内用于采集所述承载板上岩石裂缝动态扩展图像信息；所述岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置还包括压力机，所述压力机包括冲头和工作台，所述冲头与所述工作台相对设置，所述压头装设有在所述冲头上，所述溶液槽装设在所述工作台上。
在上述方案基础上优选，所述压头为两个，且两个所述压头平行间隔装设在所述冲头上，且所述压头为半球形压头。
在上述方案基础上优选，所述压力机的位移加载控制精度至少为0.05mm/min。
在上述方案基础上优选，所述支撑体为支撑柱或滚珠。
在上述方案基础上优选，所述溶液槽的底端面设有与所述承载板外形适配的容槽。
在上述方案基础上优选，所述承载板的四个顶角上设有吊环孔，所述吊环孔下部设有内螺纹，并在所述吊环孔内装设有吊环。
在上述方案基础上优选，所述承载板的四个顶角上设有吊环孔，所述吊环孔下部设有内螺纹，并在所述吊环孔内装设有吊环。
在上述方案基础上优选，所述溶液槽为不锈钢槽或透明玻璃槽。
在上述方案基础上优选，所述溶液槽底部设有一锁紧槽，所述工作台上装设有一锁紧凸起，所述锁紧凸起与所述锁紧槽相适配。
在上述方案基础上优选，还包括一控制器及显示屏，所述显示屏和所述CCD摄像机与所述控制器电性相连，优选的，所述CCD摄像机为CCD高速摄像机。
在上述方案基础上优选，还包括一光源和防水漫射屏，所述防水漫射屏装设在所述承载板上，所述光源与所述CCD摄像机相对设置。
本发明提供了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，在压力机的冲头上设置压头，配合在工作台上设置可拆卸的溶液槽，并在溶液槽内设置承载板，利用溶液槽装设饱和流体提供岩石研究环境，通过承载板上的支撑体，利用四个支撑体形成一个端面以支撑岩石，通过控制压力机的冲头带动压头作用在支撑体上的岩石表面，配合CCD摄像机，以清楚方便观察岩石上裂缝的变化。
本发明的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，利用溶液槽装设饱和流体，可实现岩石在饱和流体中的实验测量，且使用过程中，可通过控制压力机以改变压头的位移或施加载荷，以完成不同载荷条件下的饱水岩石裂纹扩展实验，使用方便快捷。本发明采用防水CCD摄像机，可实现全程记录岩石的裂缝扩展状态，实现图像数据的采集，便于后续测量和分析。
附图说明
图1为本发明的背景技术中的岩石裂纹的亚临界扩展速度与应力强度因子关系曲线图；
图2为本发明的待测岩石的结构示意图；
图3为本发明的岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置的结构示意图；
图4为本发明的岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置的另一结构示意图；
图5为本发明的压头的立体结构图；
图6为本发明的承载板与岩石的相对位置关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参阅图3，并结合4至图6所示，本发明提供了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，包括压头11、溶液槽30、CCD摄像机45和压力机1，优选的，CCD摄像机45采用防水CCD高速摄像机。
其中，压力机1包括控制主机、冲头10和工作台20，其中，压力机的位移加载控制精度至少为0.05mm/min，并可输出位移-载荷和载荷-时间曲线。使用时，控制主机通过驱动装置与冲头10相连，以利用控制主机驱使驱动装置运动，从而带动冲头10相对工作台20上下运动。
如图3和图4所示，本发明的冲头10与工作台20相对设置，并在冲头10上装设有压头11，工作台20上装设有用于容纳饱和流体的溶液槽30，溶液槽30内的底端面上可拆卸式装设有承载板40，承载板40上设有至少四个盲孔，四个盲孔呈四边形布设，盲孔内装设有支撑体44，四个支撑体44以形成一个承载面，岩石50设置在四个支撑体44所形成的承载面上；并在溶液槽30内还装设有一个CCD摄像机45，CCD摄像机45的摄像头与承载面上的岩石50相对设置，用于采集承载板40上的岩石50裂缝图像信息。
使用过程中，根据实验需要，在溶液槽30内装设液体，将岩石50浸透在液体内，通过控制主机驱动冲头10带动压头11向下运动，使得压头11作用在岩石50上，利用CCD摄像机45获取岩石50在压头11作用下，产生裂缝及裂缝扩展状态图像，从而以获取岩石50的裂纹扩展速率与应力强度因子的变化关系和断裂韧性值以及计算亚临界裂纹指数，便于研究岩石50的特性，为页岩气勘探开发提供参考数据，其中，所实验的岩石50结构如图2所示。
需要说明的是，本发明的溶液槽30内也可以不装入任何液体，以实现采集岩石50在空气状态下受到外界作用力时，产生裂缝及裂缝扩展状态参数，以满足不同实验需要。
优选的，本发明的溶液槽30与工作台20之间可以是可拆卸式相连，以方面溶液槽30内的溶液更换。
作为本发明的另一实施中，本发明的溶液槽30还可以与工作台20之间是固定相连，通过在溶液槽30上设置进水口和出水口，配合在进水口和出水口上设置阀门，利用进水口向溶液槽30内输入液体，出水口向外输出液体，从而实现不同条件下岩石50裂缝的测量。
在本发明的另一实施中，本发明的压头11可拆卸式装设在冲头10底部，并且该压头11可以是两个或多个，且相邻两个压头11平行间隔装设在冲头10上，且压头11为半球形压头11，如图5所示。
进一步的，为了降低支撑体44与待测岩石50之间摩擦系数，本发明的支撑体44可以是滚珠，盲孔呈圆形，滚珠间隙配合式装设在盲孔内，并且滚珠的至少1/3的半球面突出在本发明的承载板40外，优选的是，本发明的滚珠最好是钢柱，以增加滚珠的刚度，避免岩石50在收到压头11作用力下，滚珠破损，影响实验效果。
需要说明的是，本发明的了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，还包括一个锁紧装置，该锁紧装置装设在承载板40上，当岩石50放置在支撑体44上时，利用该锁紧装置可实现岩石50的固定，从而避免岩石50在收到压头11作用力时，产生相对位移，影响其实验效果。
在本发明的另一实施中，本发明的支撑体44为支撑柱，四个支撑柱平行设置，以形成平行四边形的承载面，岩石50放置在承载面上。
请继续参阅图3所示，本发明的溶液槽30的底端面设有与承载板40外形适配的容槽，使用时，利用该容槽，以实现承载板40的定位。
为了方便实验完成后，承载板40与溶液槽30之间的分离，并保证承载板40在实验过程中，不产生相对位移，本发明还在承载板40的四个顶角上设有吊环孔41，吊环孔41的底部设有内螺纹，并在吊环孔41内装设有吊环。在实验过程中，利用内螺纹与吊环之间的配合实现吊环与承载板40之间的固定，而在实验完成后，则可以通过吊环，将承载板40吊起，从而实现承载本与溶液槽30之间的快速分离，使其使用更加方便快捷。作为本发明的另一替代方案为，本发明还可以在承载板40与溶液槽30贴合的底面设置一个销孔401，配合在溶液槽30的内侧底端面设置一个销钉，溶液槽30利用销钉与销孔401之间的配合从而实现了溶液槽30与承载板40之间的固定相连，如图6所示。
优选的是，本发明的溶液槽30的底板为不锈钢板，利用不锈钢板以防止溶液槽30生锈影响其实验结果。值得说明的是，本发明的溶液槽30的侧板还可以是透明有机玻璃槽或钢化玻璃，即溶液槽30采用透明的透明有机玻璃槽或钢化玻璃作而成，利用玻璃的透明特性，方便在实验过程中可直观看到实验整个过程。
在本发明的另一优选实施例中，本发明的溶液槽30底部设有锁紧槽，工作台20上装设有一锁紧凸起33，锁紧凸起33与锁紧槽相适配。该锁紧槽可以是长方形的，也可以是楔形的，锁紧凸起33与该锁紧槽适配，利用锁紧凸起33与锁紧槽之间的过盈配合，从而实现工作台20与溶液槽30之间的可拆卸式相连。
优选的是，本发明的锁紧槽可以是销孔，工作台20上的锁紧凸起33可以是销钉，利用销钉穿插在销孔内，以实现工作台20与溶液槽30的可拆卸式相连。
在本发明的另一实施例中，本发明还包括一控制器46及显示屏47，显示屏47和CCD摄像机45与控制器46电性相连。使用过程中，利用CCD摄像机45以获取岩石50在受到压头11作用力后，产生裂缝及裂缝动态扩展变化的图像数据，并将图像数据发送至控制器46，通过控制器46将其传递至显示屏47，利用显示屏47以显示出结果，以方便直观获取其实验图像。
进一步的，本发明还可以在溶液槽30内设置光源48，利用光源48为CCD摄像头提供光线补偿，从而使得CCD摄像头准确获取图像数据。值得说明的是，该光源48最好是强光源，并与CCD摄像头相对设置。优选的，本发明还包括防水漫射屏，所述防水漫射屏装设在所述承载板上。
本发明提供了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，在压力机1的冲头10上设置压头11，配合在工作台20上设置可拆卸的溶液槽30，并在溶液槽30内设置承载板40，利用溶液槽30装设饱和流体提供岩石50研究的工作状态，通过承载板40上的支撑体44，利用四个支撑体44形成一个端面以支撑岩石50，通过控制压力机1的冲头10带动压头11作用在支撑体44上的岩石50表面，配合防水CCD摄像机45，以清楚方便观察岩石50上裂缝的变化。
本发明的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，在使用过程中，可通过控制压力机1以改变压头11的位移或施加载荷，以完成不同载荷条件下的饱水岩石裂纹扩展实验，使用方便快捷，且采用防水CCD摄像机45，可实现全程记录岩石50的裂缝动态扩展状态，实现图像数据的采集，便于后续测量和分析。
本发明的实验装置，在使用过程中，可根据实验需要，通过控制主机以控制驱动装置，调整压头11在实验过程中的载荷、位移等速率控制及恒试验力、恒变形、恒位移控制，来完成不同实验参数。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，包括溶液槽、压头和CCD摄像机，所述溶液槽的内侧底端面装设有承载板，所述承载板上设有至少四个盲孔，所述盲孔内装设有支撑体，所述承载板的四个顶角上设有吊环孔，所述吊环孔下部设有内螺纹，并在所述吊环孔内装设有吊环；所述CCD摄像机装设在所述溶液槽内用于采集所述承载板上岩石裂缝动态扩展图像信息；所述岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置还包括压力机，所述压力机包括冲头和工作台，所述冲头与所述工作台相对设置，所述压头装设在所述冲头上，所述溶液槽装设在所述工作台上；
所述实验装置还包括一光源和防水漫射屏，所述防水漫射屏装设在所述承载板上，所述光源与所述CCD摄像机相对设置。
2.如权利要求1所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述压头为两个，且两个所述压头平行间隔装设在所述冲头上，且所述压头为半球形压头。
3.如权利要求1所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述压力机的位移加载控制精度至少为0.05mm/min。
4.如权利要求1所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述支撑体为支撑柱或滚珠。
5.如权利要求1所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述溶液槽的底端面设有与所述承载板外形适配的容槽。
6.如权利要求1所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述溶液槽的底板为不锈材质，且所述溶液槽的侧板为透明有机玻璃板或钢化玻璃板。
7.如权利要求1所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，所述溶液槽底部设有一锁紧槽，所述工作台上装设有一锁紧凸起，所述锁紧凸起与所述锁紧槽相适配。
8.如权利要求1至7任一项所述的一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，其特征在于，还包括一控制器及显示屏，所述显示屏和所述CCD摄像机与所述控制器电性相连。
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