CN109709135A - 一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温岩石力学破坏研究领域，具体是一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法。包括以下步骤1）根据热传导理论将热冲击因子ω定义，2）将待测岩样加工成立方体试件，3）在立方体岩石试件的六个面上划分方格网，4）等距离标定3个钻孔取芯点，5）在标定I、II、III三点处分别用6mm以下的取芯钻进行钻孔，6）在钻孔底部埋设的热电偶探头，7）将热电偶探头与数显测温仪相连接，8）通电加热工作液至目标温度并保持恒温状态。9）将岩石试件快速、平稳地放入油浴或水浴槽工作液中，10）记录温度，11）计算温度梯度分布，12）将岩石试件进行细观破裂CT扫描实验，13）采用热冲击因子ω的值来标定热冲击作用对岩石破坏能力的强弱。

Description

一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法

技术领域

本发明属于高温岩石力学破坏研究领域，具体是一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法。

背景技术

热冲击现象在自然界普遍存在。当岩石急剧加热或急剧冷却时，在极短的时间内岩体产生大量的热交换，温度发生剧烈变化，温度梯度导致岩体内部产生冲击热应力，使岩石发生热冲击破裂。岩石热冲击破裂的本质是非定常温度场引起瞬间巨大的热应力，从而导致岩石内部裂隙的萌生、扩展直至贯通，是从细观损伤到宏观破坏的过程。岩石热冲击破裂有利于岩体从微观层面产生大量的裂隙、裂纹，宏观层面力学特性劣化，渗透性增强。岩石热冲击破裂的这些特征正在被科学界高度关注，在干热岩、石油、天然气储层渗透性改造领域得到了广泛应用。

热冲击对岩石的破坏能力取决于热冲击速度和热冲击温度梯度。为了更好的描述热冲击的破坏能力，科研工作者引入热冲击因子，即热冲击传热过程中，单位时间内温度梯度的变化率，其数学表达式为()。热冲击因子可以揭示不同热冲击非稳态传热过程中温度场和温度梯度变化规律，分析不同热冲击的破坏能力，可以表征热冲击传热对岩石破坏能力的强弱。高温岩石力学破坏理论的继续深入必须找到能够清晰描述热对岩石破坏能力的物理量，对热的破坏能力做进一步的定量划分。热冲击因子的测定和研究对于推进高温岩石力学破坏理论深入发展具有重要意义。

在过去的几十年中，许多科研工作者都在研究温度对岩石破裂的效应，岩石热破裂理论因为没有对造成热破裂的热传导过程给出明确限定而无法继续发展，热冲击因子的测定为高温岩石力学破坏理论的继续深入研究提供了可能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法，用以表征热冲击传热对岩石破坏能力的强弱，进而与岩石力学细观破裂实验、宏观力学实验力学参数测试相结合，标定热冲击作用对岩石破坏能力的强弱。

本发明采取以下技术方案：一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法，包括以下步骤，

1）根据热传导理论将热冲击因子ω定义为：热冲击传热过程中，单位时间内温度梯度的变化率，表达式为，式中为温度梯度，为时间。

2）将待测岩样加工成高与底边边长为2:1的符合国际岩石力学实验标准的立方体试件，其高记为H、底边边长记为B。

3）在立方体岩石试件的六个面上划分方格网，方格网的边长为a。

4） 在任一长方形面上，垂直于底边B/2处的划线上，等距离标定3个钻孔取芯点，其编号分别为I、II、III，钻孔I、钻孔II和钻孔I、钻孔III的间距均为L₁，钻孔II、钻孔III距试件边缘均为L₂。

5）在标定I、II、III三点处分别用6mm以下的取芯钻进行钻孔，钻孔深度依次为H₁、H₂、H₃，且△H=H₂-H₁=H₁-H₃。

6）在钻孔底部埋设的热电偶探头，保证探头部分与孔底充分接触，并用铝粉充填。

7）将热电偶探头与数显测温仪相连接，并进行调试，保证温度传感器正常工作。

8）在恒温油浴或水浴槽中加入工作液，将相对布置传感器的面没入恒温油浴或水浴槽中，并保证工作液液面达到岩石试件的B/2处，然后取出岩石试件，通电加热工作液至目标温度并保持恒温状态。

9）将岩石试件快速、平稳地放入油浴或水浴槽工作液中，试件刚好浸至B/2处。

10）记录温度，开始时，每间隔t₁秒时间记录一次钻孔I、钻孔II、钻孔III处热电偶的读数，直到3个热电偶探头的温度都有变化时，然后每间隔较短时间t₂秒记录一次数据，并将三个热电偶温度读数分别记为T₁、T₂、T₃，间隔时间记为△t。

11）结合划分的方格网坐标，利用编制的温度场反演程序计算整个岩石试件热冲击传热过程中具体时刻的温度梯度分布，已有的温度场反演程序是根据热传导方程来模拟岩石内部传热规律，设置温度边界条件，即工作液温度，以及通过插值方法将实验过程中测点温度，即实测数据随时间变化的关系作为结果来反算岩石内部热传导系数λ，再根据这一热传导系数λ计算整个岩石试件热冲击传热过程中具体时刻的温度梯度分布，然后根据计算热冲击因子。

12）将热冲击因子测试完毕的岩石试件进行细观破裂CT扫描实验，观察岩石热冲击作用下各破裂区裂隙的发生发展、形态、密度特征，根据裂隙数量及裂隙大小可以找到岩石热冲击破裂沿传热方向的破裂分区特征。

13）对热冲击作用后的岩石试件进行宏观力学参数测试，力学参数包括单轴抗压强度σ、弹性模量E、泊松比μ，绘制每个热冲击因子ω下分别对应的宏观力学参数（σ，E，μ）的图像，自动拟合功能得到热冲击因子ω与宏观力学参数（σ，E，μ）的关系式，即可以采用热冲击因子ω的值来标定热冲击作用对岩石破坏能力的强弱。

所述步骤4）中，钻孔I、钻孔II和钻孔I、钻孔III的间距L₁≧15mm，钻孔II、钻孔III距试件边缘的距离L₂≧15mm，且L₁+L₂=H/2。

所述步骤8）中，工作液取1000倍及以上试件体积。

与现有技术相比，给出了热冲击因子的定义和具体计算公式，提出了热冲击因子的测量方法，为丰富和发展高温岩石力学提供了一种思路。热冲击因子的测定为高温岩石力学破坏理论的继续深入研究提供了可能。

附图说明

图1：标准岩石试件表面方格网划分及温度传感器安装孔布置示意图；

图2：岩石热冲击破裂过程中热冲击因子测定试验装置示意图；

图3：热冲击作用下岩石试件内部温度场反演分析图；

图中：1-钻孔I，2-钻孔II，3-钻孔III，4-热电偶探头，5-铝粉，6-数显测温仪，7-油浴槽，8-工作液。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3对本发明做进一步说明。

某产地的花岗岩体受到300℃高温液态油的热冲击作用而发生热冲击破裂，测试该花岗岩在发生热冲击破裂过程中热冲击因子的数值，并对其热冲击破坏能力做标定。具体步骤如下：

1）根据热传导理论将热冲击因子ω定义为：热冲击传热过程中，单位时间内温度梯度的变化率，表达式为，式中为温度梯度，为时间。

2）将待测岩样加工成高与底边边长为2:1的符合国际岩石力学实验标准的立方体试件，即50mm×50mm×100mm标准花岗岩长方体试件。

3）在立方体岩石试件的六个面上划分方格网，方格网的边长为5mm 。

4） 在任一长方形面上，垂直于底边25mm处的划线上，等距离标定3个钻孔取芯点，其编号分别为I、II、III，钻孔I、钻孔II和钻孔I、钻孔III的间距均为L₁=15mm，钻孔II，钻孔III距试件边缘均为L₂=35mm。

5）在标定I、II、III三点处分别用6mm以下的取芯钻进行钻孔，钻孔深度依次为H₁=25mm、H₂=35mm、H₃=15mm，且深度差都为10mm。

6）在钻孔底部埋设高精度的热电偶探头4，保证探头部分与孔底充分接触，并用铝粉5充填。

7）将热电偶探头4与数显测温仪6相连接，并进行调试，保证温度传感器正常工作。

8）在体积足够大的恒温油浴（水浴）槽7中加入适量工作液8，将相对布置传感器的面没入恒温油浴（水浴）槽7中，并保证工作液8液面达到岩石试件的25mm处，然后取出岩石试件，通电加热工作液8至目标温度300℃，并保持恒温状态。

9）将岩石试件快速、平稳地放入油浴槽7工作液8中，试件刚好浸至25mm处。

10）记录温度。开始时，每间隔10秒记录一次钻孔I、钻孔II、钻孔III处热电偶4的读数，直到3个热电偶探头4的温度都有变化时，然后每间隔较短时间2秒记录一次数据，并将三个热电偶4温度读数分别记为T₁、T₂、T₃，间隔时间记为2秒。

11）结合划分的方格网坐标，利用编制的温度场反演程序计算整个岩石试件热冲击传热过程中具体时刻的温度梯度分布，已有的温度场反演程序是根据热传导方程来模拟岩石内部传热规律，设置温度边界条件（工作液温度），以及通过插值方法将实验过程中测点温度（实测数据）随时间变化的关系作为结果来反算岩石内部热传导系数λ，再根据这一热传导系数λ计算整个岩石试件热冲击传热过程中具体时刻的温度梯度分布，然后根据计算热冲击因子。

12）将热冲击因子测试完毕的岩石试件进行细观破裂CT扫描实验，观察岩石热冲击作用下各破裂区裂隙的发生发展、形态、密度特征，根据裂隙数量及裂隙大小可以找到岩石热冲击破裂沿传热方向的破裂分区特征。

13）对热冲击作用后的岩石试件进行宏观力学参数测试，力学参数包括单轴抗压强度σ、弹性模量E、泊松比μ，在Excel中绘制每个热冲击因子ω下分别对应的宏观力学参数（σ，E，μ）的图像，用Excel自动拟合功能得到热冲击因子ω与宏观力学参数（σ，E，μ）的关系式，即可以采用热冲击因子ω的值来标定热冲击作用对岩石破坏能力的强弱。

Claims (3)

1.一种岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）根据热传导理论将热冲击因子ω定义为：热冲击传热过程中，单位时间内温度梯度的变化率，表达式为，式中为温度梯度，为时间；

2）将待测岩样加工成高与底边边长为2:1的符合国际岩石力学实验标准的立方体试件，其高记为H、底边边长记为B；

3）在立方体岩石试件的六个面上划分方格网，方格网的边长为a ；

4） 在任一长方形面上，垂直于底边B/2处的划线上，等距离标定3个钻孔取芯点，其编号分别为I、II、III，钻孔I、钻孔II和钻孔I、钻孔III的间距均为L₁，钻孔II、钻孔III距试件边缘均为L₂；

5）在标定I、II、III三点处分别用6mm以下的取芯钻进行钻孔，钻孔深度依次为H₁、H₂、H₃，且△H=H₂-H₁=H₁-H₃；

6）在钻孔底部埋设的热电偶探头（4），保证探头部分与孔底充分接触，并用铝粉（5）充填；

7）将热电偶探头（4）与数显测温仪（6）相连接，并进行调试，保证温度传感器正常工作；

8）在恒温油浴或水浴槽（7）中加入工作液（8），将相对布置传感器的面没入恒温油浴或水浴槽（7）中，并保证工作液（8）液面达到岩石试件的B/2处，然后取出岩石试件，通电加热工作液（8）至目标温度并保持恒温状态；

9）将岩石试件快速、平稳地放入油浴或水浴槽（7）工作液（8）中，试件刚好浸至B/2处；

10）记录温度，开始时，每间隔t₁秒时间记录一次钻孔I、钻孔II、钻孔III处热电偶（4）的读数，直到3个热电偶探头（4）的温度都有变化时，然后每间隔较短时间t₂秒记录一次数据，并将三个热电偶（4）温度读数分别记为T₁、T₂、T₃，间隔时间记为△t；

11）结合划分的方格网坐标，利用编制的温度场反演程序计算整个岩石试件热冲击传热过程中具体时刻的温度梯度分布，已有的温度场反演程序是根据热传导方程来模拟岩石内部传热规律，设置温度边界条件，即工作液温度，以及通过插值方法将实验过程中测点温度，即实测数据随时间变化的关系作为结果来反算岩石内部热传导系数λ，再根据这一热传导系数λ计算整个岩石试件热冲击传热过程中具体时刻的温度梯度分布，然后根据计算热冲击因子；

12）将热冲击因子测试完毕的岩石试件进行细观破裂CT扫描实验，观察岩石热冲击作用下各破裂区裂隙的发生发展、形态、密度特征，根据裂隙数量及裂隙大小可以找到岩石热冲击破裂沿传热方向的破裂分区特征；

13）对热冲击作用后的岩石试件进行宏观力学参数测试，力学参数包括单轴抗压强度σ、弹性模量E、泊松比μ，绘制每个热冲击因子ω下分别对应的宏观力学参数（σ，E，μ）的图像，自动拟合功能得到热冲击因子ω与宏观力学参数（σ，E，μ）的关系式，即可以采用热冲击因子ω的值来标定热冲击作用对岩石破坏能力的强弱。

2.根据权利要求1所述的岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法，其特征在于：所述步骤4）中，钻孔I、钻孔II和钻孔I、钻孔III的间距L₁≧15mm，钻孔II、钻孔III距试件边缘的距离L₂≧15mm，且L₁+L₂=H/2。

3.根据权利要求1所述的岩石热冲击破裂过程中热冲击因子的测定方法，其特征在于：所述步骤8）中，工作液取1000倍及以上试件体积。