CN110940596A - 一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统 - Google Patents

一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，包括：X、Y、Z三个方向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块及压痕数据处理模块；还包括：二维水平应力加载装置、温控装置及真空装置。该岩石高应力高温微纳米压痕试验系统的模块化结构化特点鲜明，测试结果精度高，操作简便，为所处深部地区的高应力高温环境下的岩石力学特性研究提供了测试的理论和技术体系支持。

Description

一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统
技术领域
本发明涉及深地岩石力学试验设备技术领域，特别涉及一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统。
背景技术
常规岩石力学实验设备进行深地环境岩石力学特性的研究存在以下几个问题：
1、深部岩石取芯费时费力，岩芯极为珍贵，且较难获得大尺寸的岩石试样；但是，常规岩石力学实验设备采用的岩样尺寸较大，如标准岩样尺寸大多为Φ20×40mm或者Φ50×100mm，且同种工况下最少需要3个岩样，这和深部岩石取芯困难产生了明显的矛盾。
2、深部岩石往往处于高地应力和高地温环境，以4500～6000m深的地层为例，地层岩石的地应力高达100～150MPa，温度高达200～300℃，常规岩石力学实验设备大多无法同时实现如此高的应力和温度条件，无法满足深地高应力和高温下岩石力学实验的要求。
3、深部岩石通常处于复杂应力状态，比如各向不等的压力。同时预期存在的岩体应力会被水力压裂或其它工程方法改变而变得更加复杂。岩体的应力状态对水力压裂过程中裂纹的扩展方向起决定性的作用，复杂应力状态下深部岩石裂纹萌生、扩展微细观机理尚不明确。
上述问题严重阻碍了常规岩石力学实验设备和方法在深部岩石中的应用，导致深部岩石力学特性认识还不够深入。近年来，微纳米压痕技术已成为国际力学跨尺度研究的重要手段，提供了一种相对简单有效地评估材料力学性能的方法。通过微纳米压痕实验不仅可以获得材料的相关宏观力学性能参量，而且能够揭示材料裂纹萌生和扩展微细观机理，深入理解微观组织结构与宏观力学性能的关系，为宏微观研究架起桥梁。
目前，国内外的压痕仪器主要是集中在常温常压下进行压痕试验，一些研究机构根据实际项目背景将压痕仪器进行改良，设计出可以在高温下进行压痕试验的的压痕装置，然而深部岩石所处环境仅高温下进行压痕试验并不能满足工程实际情况，所以还需解决压痕实验中岩石周围所处的高应力问题。
发明内容
本发明提供了一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，解决了现有试验装置无法准确模拟岩石在深部地区所处的高地应力高温环境的技术问题，实现了集常规微纳米压痕测试系统、温度加载、应力加载为一体，可准确模拟岩石在深部地区所处的高地应力高温环境的技术效果。
本发明所提供的一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，包括：X、Y、Z三个方向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块及压痕数据处理模块；还包括：二维水平应力加载装置、温控装置及真空装置，其中：
所述二维水平应力加载装置包括：水平加载框架、第一微型高压油缸、第二微型高压油缸、第一压板、第二压板、第一微流量加载泵及第二微流量加载泵；所述水平加载框架设置有放置岩样的凹槽；所述第一微型高压油缸的缸体固定在所述水平加载框架的一侧，活塞杆伸出所述水平加载框架的侧端后固定连接所述第一压板；所述第二微型高压油缸的缸体固定在所述水平加载框架的另一侧，活塞杆伸出所述水平加载框架的侧端后固定连接所述第二压板；所述第一微型高压油缸的施力方向与所述第二微型高压油缸的施力方向共面且垂直；所述第一微流量加载泵连接所述第一微型高压油缸；所述第二微流量加载泵连接所述第二微型高压油缸；
所述温控装置包括：若干第一加热部件、若干第二加热部件、热电偶传感器及温控器；所述水平加载框架的凹槽内设置有若干条槽带；所述第一加热部件设置在对应的所述槽带内；所述压痕精密加载模块的微纳米压头设置在所述岩样的上方；若干所述第二加热部件设置在所述微纳米压头的四周；所述热电偶传感器设置在所述岩样的顶面；所述温控器与所述热电偶传感器、所述第一加热部件及所述第二加热部件电性连接；
所述水平加载框架、所述第一压板、所述第二压板、所述岩样、所述热电偶传感器、所述第一加热部件及所述第二加热部件设置在所述真空装置内。
作为优选，还包括高精度闭环伺服控制器，与所述第一微流量加载泵及所述第二微流量加载泵电性连接。
作为优选，所述第一微流量加载泵和所述第二微流量加载泵为微流量高精度伺服加载泵；所述第一微型高压油缸通过微型液压管路与所述第一微流量加载泵连接；所述第二微型高压油缸通过微型液压管路与所述第二微流量加载泵连接。
作为优选，所述水平加载框架为高强度回字型结构，所述水平加载框架的凹槽为矩形；所述第一微型高压油缸及所述第二微型高压油缸的缸体通过法兰与所述水平加载框架固定连接。
作为优选，所述水平加载框架的凹槽的底面设置有4条平行的所述槽带。
作为优选，所述岩样设置为矩形结构，尺寸为：长3～10mm，宽3～10mm，高3～10mm；所述岩样抵靠在所述凹槽的一角部位置。
作为优选，所述第一加热部件和所述第二加热部件为云母电热片。
作为优选，所述水平加载框架的外侧包裹有气凝胶纳米固体保温层，所述气凝胶纳米固体保温层的材质为氧化硅。
作为优选，所述温控器为比例微分积分温控器。
作为优选，所述岩样表面的抛光精度范围控制在10～20nm。
本申请中提供的一种并网逆变电流控制方法，至少具有如下技术效果或优点：
本申请的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，在已有的常温常压下微纳米压痕测试设备的基础上增加二维水平应力加载装置、温控装置及真空装置。通过温控装置同时对微纳米压头及岩样进行加热，使两者同步升温并产生极小温差，同时通过热电偶传感器及时反馈岩样表面的实际温度，从而达到加热温度精准、可控、稳定。通过设置真空装置使整个压痕试验过程均在密闭的真空环境下进行，避免外界环境的干扰的同时也避免了微纳米压头和岩样的氧化问题。此外，在给岩样加热的同时通过二维水平应力加载装置对其进行二维加压。通过高温高应力下的压痕试验能够从微细观尺度上对高应力高温环境下的岩石中主要矿物成份的力学特性进行定量表征，力学特性包括硬度、弹性模量、屈服极限、弹性变形以及蠕变、松弛、损伤等，还能通过微细观结构揭示深部岩石裂纹萌生和扩展微细观机理，用以指导微细观力学参数的岩石宏观力学参数预测评估和探明深部资源开发亟需的深地环境下岩石力学特性。该试验系统模块化结构化特点鲜明，测试结果精度高，操作简便，为所处深部地区的高应力高温环境下的岩石力学特性研究提供了测试的理论和技术体系支持。
附图说明
图1为本申请实施例提供的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统的结构示意图；
图2为图1中二维水平应力加载装置的局部示意图。
(附图中各标号代表的部件依次为：1温控器、2高精度闭环伺服控制器、3第一微型高压油缸、4微型液压管路、6水平加载框架、7云母电热片、8第一压板、9热电偶传感器、10气凝胶纳米固体保温层、11微纳米压头、12岩样、13真空装置)
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，包括：X、Y、Z三个方向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块及压痕数据处理模块；还包括：二维水平应力加载装置、温控装置及真空装置13，其中：
参见附图1和2，二维水平应力加载装置包括：水平加载框架6、第一微型高压油缸3、第二微型高压油缸、第一压板8、第二压板、第一微流量加载泵及第二微流量加载泵；水平加载框架6设置有放置岩样12的凹槽；第一微型高压油缸3的缸体固定在水平加载框架6的一侧，活塞杆伸出水平加载框架6的侧端后固定连接第一压板8；第二微型高压油缸的缸体固定在水平加载框架的另一侧，活塞杆伸出水平加载框架6的侧端后固定连接第二压板；第一微型高压油缸3的施力方向与第二微型高压油缸的施力方向共面且垂直；第一微流量加载泵连接第一微型高压油缸3；第二微流量加载泵连接第二微型高压油缸。
第一微型高压油缸3推动第一压板8，进而在水平面的X轴方向挤压岩样12，第二微型高压油缸推动第二压板，进而在水平面的Y轴方向挤压岩样12，使岩样12获得两个方向的二维应力。
温控装置包括：若干第一加热部件、若干第二加热部件、热电偶传感器9及温控器1；水平加载框架6的凹槽内设置有若干条槽带；第一加热部件设置在对应的槽带内；压痕精密加载模块的微纳米压头11设置在岩样12的上方；若干第二加热部件设置在微纳米压头11的四周；热电偶传感器9设置在岩样12的顶面；温控器1与热电偶传感器9、第一加热部件及第二加热部件电性连接。
水平加载框架6、第一压板8、第二压板、岩样12、热电偶传感器9、第一加热部件及第二加热部件设置在真空装置13内。
进一步的，该压痕试验系统还包括高精度闭环伺服控制器2，与第一微流量加载泵及第二微流量加载泵电性连接。第一微流量加载泵和第二微流量加载泵为微流量高精度伺服加载泵；第一微型高压油缸3通过微型液压管路4与第一微流量加载泵连接；第二微型高压油缸通过微型液压管路与第二微流量加载泵连接。
进一步的，水平加载框架6为高强度回字型结构，水平加载框架6的凹槽为矩形；第一微型高压油缸3及第二微型高压油缸的缸体通过法兰与水平加载框架6固定连接。水平加载框架6的外侧包裹有气凝胶纳米固体保温层10，气凝胶纳米固体保温层10的材质为氧化硅。水平加载框架6的凹槽的底面设置有4条平行的槽带。岩样12设置为矩形结构，尺寸为：长3～10mm，宽3～10mm，高3～10mm；岩样12抵靠在凹槽的一角部位置。岩样12表面的抛光精度范围控制在10～20nm。第一加热部件和第二加热部件为云母电热片7。温控器1为比例微分积分温控器(PID温控器)。
下面通过具体实例来详细说明该压痕试验系统的结构和工作原理：
二维水平应力加载装置包括：1个高强度回字型的水平加载框架6、2个微型高压油缸、微型液压管路4、2个微流量高精度伺服加载泵。将2个微型高压油缸采用外部法兰固定在回字型水平加载框架6上，对2个水平方向采用压板进行独立进行加载，通过高精度闭环伺服控制器2，精确控制施加应力水平，实现高精度对地应力的准确模拟。
高温高精度的温控装置包括：在高强度回字型水平加载框架6中对称设置4条槽带，在槽带中安装云母电热片7，并在岩样12上部布置热电偶传感器9，作为PID温控器1的反馈温度，精确控制岩样12的温度。在微纳米压头11四周安装云母电热片7，实现与岩样12同步加热，最终使岩样12与微纳米压头11温度相同，加热过程由PID温控器1进行精确控制。在回字型水平加载框架6外侧包裹气凝胶纳米固体保温材料，最大程度地减小热损失，使岩样12长时间保持在设定温度。真空室为压痕试验提供真空环境，以避免压头与试样的氧化情况，保障内部被加热的样品温度稳定。
运用该压痕试验系统采用连续刚度压痕测试方法，将纳米压痕和微米压痕进行结合，实现从纳米、微米到宏观的跨尺度测试，获得为后续从微观到宏观的力学特性均质化方法提供实验数据，并能获得岩石在高应力高温下的力学参数，包括硬度、弹性模量、屈服极限、弹性变形及蠕变、松弛、损伤等。
在进行高温及二维水平应力加载下压痕试验时，岩样12会因受热受压产生膨胀，并且微纳米压头11也会受热膨胀，因此，在进行压痕试验前应调整二者间距至合适位置以保证二者试验前不会接触，根据系统加热加压温度上限及岩样尺寸，实验前需保证二者间距在1cm以上为安全距离。
考虑到温度会引起压痕测试模块的位移传感器、载荷传感器产生热漂移，造成荷载-深度曲线产生误差，以岩样12温度为基准，微调压头温度，使接触过程中的热漂移和压头温度变化最小。这样确保压痕是在规定的接触温度下等温进行的，没有热电偶和接触面之间温度梯度的任何不确定性。
在回字型水平加载框架6外侧包裹氧化硅气凝胶作为保温层。在水平二维应力施加完成后，根据压入力的大小事先在岩样12表面放置足够重量(5倍最大压入力)的砝码，确保竖向滑移在压痕实验前完成，充分消除竖向滑移的影响。
在进行微纳米压痕试验前，岩样12表面的抛光精度将达到<10～20nm。岩样12尺寸要求为：3～10mm(长)×3～10mm(宽)×3～10mm(高)；最大水平方向力：20kN，最高温度：300℃。控制微米加载载荷：200mN～200N，纳米加载载荷：0.1mN～400mN。
本申请的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，在已有的常温常压下微纳米压痕测试设备的基础上增加二维水平应力加载装置、温控装置及真空装置13。通过温控装置同时对微纳米压头11及岩样12进行加热，使两者同步升温并产生极小温差，同时通过热电偶传感器9及时反馈岩样12表面的实际温度，从而达到加热温度精准、可控、稳定。通过设置真空装置13使整个压痕试验过程均在密闭的真空环境下进行，避免外界环境的干扰的同时也避免了微纳米压头11和岩样12的氧化问题。此外，在给岩样12加热的同时通过二维水平应力加载装置对其进行二维加压，并通过高精度闭环伺服控制器2，精确控制施加应力水平，实现高精度对地应力的准确模拟。通过高温高应力下的压痕试验能够从微细观尺度上对高应力高温环境下的岩石中主要矿物成份的力学特性进行定量表征，力学特性包括硬度、弹性模量、屈服极限、弹性变形以及蠕变、松弛、损伤等，还能通过微细观结构揭示深部岩石裂纹萌生和扩展微细观机理，用以指导微细观力学参数的岩石宏观力学参数预测评估和探明深部资源开发亟需的深地环境下岩石力学特性。该试验系统模块化结构化特点鲜明，测试结果精度高，操作简便，为所处深部地区的高应力高温环境下的岩石力学特性研究提供了测试的理论和技术体系支持。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，包括：X、Y、Z三个方向宏观调整模块、压痕精密加载模块、压痕测试模块及压痕数据处理模块；其特征在于，还包括：二维水平应力加载装置、温控装置及真空装置，其中：
所述二维水平应力加载装置包括：水平加载框架、第一微型高压油缸、第二微型高压油缸、第一压板、第二压板、第一微流量加载泵及第二微流量加载泵；所述水平加载框架设置有放置岩样的凹槽；所述第一微型高压油缸的缸体固定在所述水平加载框架的一侧，活塞杆伸出所述水平加载框架的侧端后固定连接所述第一压板；所述第二微型高压油缸的缸体固定在所述水平加载框架的另一侧，活塞杆伸出所述水平加载框架的侧端后固定连接所述第二压板；所述第一微型高压油缸的施力方向与所述第二微型高压油缸的施力方向共面且垂直；所述第一微流量加载泵连接所述第一微型高压油缸；所述第二微流量加载泵连接所述第二微型高压油缸；
所述温控装置包括：若干第一加热部件、若干第二加热部件、热电偶传感器及温控器；所述水平加载框架的凹槽内设置有若干条槽带；所述第一加热部件设置在对应的所述槽带内；所述压痕精密加载模块的微纳米压头设置在所述岩样的上方；若干所述第二加热部件设置在所述微纳米压头的四周；所述热电偶传感器设置在所述岩样的顶面；所述温控器与所述热电偶传感器、所述第一加热部件及所述第二加热部件电性连接；
所述水平加载框架、所述第一压板、所述第二压板、所述岩样、所述热电偶传感器、所述第一加热部件及所述第二加热部件设置在所述真空装置内。
2.如权利要求1所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，还包括高精度闭环伺服控制器，与所述第一微流量加载泵及所述第二微流量加载泵电性连接。
3.如权利要求2所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述第一微流量加载泵和所述第二微流量加载泵为微流量高精度伺服加载泵；所述第一微型高压油缸通过微型液压管路与所述第一微流量加载泵连接；所述第二微型高压油缸通过微型液压管路与所述第二微流量加载泵连接。
4.如权利要求1所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述水平加载框架为高强度回字型结构，所述水平加载框架的凹槽为矩形；所述第一微型高压油缸及所述第二微型高压油缸的缸体通过法兰与所述水平加载框架固定连接。
5.如权利要求4所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述水平加载框架的凹槽的底面设置有4条平行的所述槽带。
6.如权利要求4所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述岩样设置为矩形结构，尺寸为：长3～10mm，宽3～10mm，高3～10mm；所述岩样抵靠在所述凹槽的一角部位置。
7.如权利要求1所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述第一加热部件和所述第二加热部件为云母电热片。
8.如权利要求1所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述水平加载框架的外侧包裹有气凝胶纳米固体保温层，所述气凝胶纳米固体保温层的材质为氧化硅。
9.如权利要求1所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述温控器为比例微分积分温控器。
10.如权利要求1所述的岩石高应力高温微纳米压痕试验系统，其特征在于，所述岩样表面的抛光精度范围控制在10～20nm。
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