CN114184486B - 一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法 - Google Patents
一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114184486B CN114184486B CN202111492364.2A CN202111492364A CN114184486B CN 114184486 B CN114184486 B CN 114184486B CN 202111492364 A CN202111492364 A CN 202111492364A CN 114184486 B CN114184486 B CN 114184486B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pressure
- pressure head
- rock sample
- fracturing
- pipe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 139
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 77
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims description 30
- 239000010720 hydraulic oil Substances 0.000 claims description 27
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 19
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 6
- 238000010009 beating Methods 0.000 claims description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 5
- 239000010724 circulating oil Substances 0.000 claims description 3
- 210000000078 claw Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000003755 preservative agent Substances 0.000 claims description 3
- 230000002335 preservative effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 2
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 claims description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000007656 fracture toughness test Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 2
- 238000010223 real-time analysis Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000010729 system oil Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
- G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
- G01N3/12—Pressure testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法，包括：压力仓，其内部下端可拆卸设置有下压头，内部上端滑动设置有上压头；所述下压头和上压头之间可拆卸设置有柱状岩样；所述柱状岩样中部设置有压裂通孔；所述压裂通孔内壁两侧对称开设有预制裂纹；所述下压头下端与手控液压装置连接，上端一体设置有嵌入压裂通孔的压裂管；所述压力仓内外部还分别连接有加热装置和伺服液压装置。本发明能够在对柱状岩样进行断裂韧性测试时，更好的模拟深部地层高温高压条件，而且计算精度高，测试结果与工程实际值相差值较小，适用性和功能拓展强。
Description
技术领域
本发明涉及岩石试验领域，具体为一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法。
背景技术
目前对于深部页岩气的开采是一个热门话题，而水力压裂技术是深部页岩气开采的关键技术。在浅部资源(<3500m)开采中，页岩储层所受围压较小，地温对其水力压裂性能的影响更是可以忽略不计。然而，由于地球浅部资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部，其必然会促使深部资源开采成为常态。对于深埋地下的油气资源储层，其地应力高达100Mpa，地温高达 200℃。温度对其水力压裂性能的影响不容忽略。因此，页岩储层的水力压裂性能与浅部页岩储层将会具有明显的差异。本技术采用一种新的实验装置，可以进行在实时高温与高围压条件下岩石的断裂韧性研究，其中包括实验设备的改造与岩样加工工艺。
在目前的岩样断裂韧性试验测试方法中，主要通过三点弯法或者巴西圆盘试验来测量带有预制裂纹的巴西圆盘或半盘试样的断裂韧性，他们各自具有的明显缺点是：
(1)人字形三点弯曲圆棒试样，该种类型的试样施加很小的载荷即会断裂，制作需要大量完整的岩心，稳定裂纹扩展阶段短暂，并且需要对测试结果做非线性校正，测试结果比实际断裂初性偏高。
(2)巴西圆盘试验，测试数据离散性较大且难以保证理想的中心起裂，在加载过程中，应力集中点会首先破坏造成加载载荷的降低，只有试件的中心首先起裂的时候才符合巴西圆盘测试断裂初性的弹性力学理论。
(3)目前测量断裂韧性的试验装置大都忽略了围压和温度对其作用的影响，并不能很好的得出深部地层高温高压条件下岩石的断裂韧性，从而导致其误差较大。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法，包括：
压力仓，其内部下端可拆卸设置有下压头，内部上端滑动设置有上压头；所述下压头和上压头之间可拆卸设置有柱状岩样；所述柱状岩样中部设置有压裂通孔；所述压裂通孔内壁两侧对称开设有预制裂纹；所述下压头下端与手控液压装置连接，上端一体设置有嵌入压裂通孔的压裂管；所述压力仓内外部还分别连接有加热装置和伺服液压装置。
优选的是，其中，所述压力仓包括一个底座；所述底座中部设置有内螺纹管；所述底座中内嵌设置有L型加压管；所述L型加压管较长端径向设置于底座中，且延伸至底座外沿处设置有加压口；所述L型加压管较短端轴向设置于底座中部，且上端与底座中部的内螺纹管一体连通；所述下压头下端设置有与内螺纹管相匹配的外螺纹管；通过所述外螺纹管与内螺纹管的螺合，从而实现了可拆卸连接。
优选的是，其中，所述压力仓还包括一个可与底座扣合密封的筒罩；筒罩上端设置有活动压头；所述活动压头上端抵靠有外部轴压机的顶杆；所述底座上端固定设置有两根分别位于下压头两侧的导杆；两根所述导杆上端共同滑动套设有上压头；所述上压头为盘状结构，且分别开设有两个与两个导杆相对应的滑孔；所述上压头通过两个滑孔套设在两个导杆上后，形成滑动连接；所述上压头中部上端设置有上顶块；所述上顶块与活动压头下端相对应；所述上压头中部下端设置有顶紧柱状岩样上端的下顶块；所述柱状岩样上端与下顶块之间设置有密封片。
优选的是，其中，所述压力仓外壁上下侧分别设置有注油管和出油管；所述注油管和出油管分别与伺服液压装置连接，从而形成用于给压力仓补油放油的循环油路；所述伺服液压装置还包括一个用于给压力仓内部液压增压的伺服增压器；所述伺服增压器的信号控制端连接有伺服控制系统。
优选的是，其中，所述手控液压装置包括一个超高压手动泵；所述超高压手动泵的压力输出端通过软管对接至加压口；所述超高压手动泵的数据采集端连接有应变采集系统。
优选的是，其中，所述柱状岩样下端设置有与压裂通孔同轴一体的扩大槽；所述下压头上端设置有与扩大槽相匹配的密封块；所述压裂管一体设置在密封块上端；所述下压头从最上端压裂管端口至最下端外螺纹管端口之间，均通过内置的空腔实现一体的上下连通；所述压裂管和密封块依次陆续嵌入压裂通孔和扩大槽中，从而形成了可拆卸了连接；所述下压头和柱状岩样对接嵌合后，其所有的接触面全部均匀填充有高温密封胶。
优选的是，其中，所述加热装置包括三根固定设置在底座上端同侧的加温棒；三根所述加温棒分别关于所述底座轴心互呈30度配置。
优选的是，其中，还包括轴压围压采集装置；所述轴压围压采集装置包括一个设置在上压头上的轴向传感器；所述柱状岩样外壁套设有挂具；所述挂具上设置有径向传感器。所述轴向传感器与径向传感器与外部数据控制终端电连接。
优选的是，其中，还包括温度采集装置；所述温度采集装置包括一个设置压力仓的温度传感器；所述温度传感器与外部温度控制系统电连接。
优选的是，其中，一种基于高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置的测量方法：
步骤一、将用于试压的岩石材料加工为直径为50mm，高度为100mm的柱状岩样；在柱状岩样中心轴线处钻取一个的压裂通孔，在该压裂通孔的内壁两侧开设两道预制裂纹；
步骤二、在柱状岩样下端开设一个与压裂通孔一体连通的扩大槽；使用勺子将高温密封胶填充到柱状岩样端部的整个扩大槽中，将下压头的压裂管的端口使用卫生纸和保鲜膜封堵住，再将压裂管嵌入压裂通孔中，此时，密封块也和扩大槽紧密嵌合，使用橡胶锤对下压头进行捶打，使得高温密封胶能够均匀填充至整个扩大槽中，最后用水平仪放在下压头底部，看是否水平，若不平，继续用橡胶锤轻敲，直到水平为止，完成后放置1～2天，直至高温密封胶硬化；
步骤三、使用管钳，将已经和柱状岩样粘接稳定的下压头通过外螺纹管螺合拧动至底座上端的内螺纹管中固定稳定；将上压头通过两个滑孔套设至两个导杆上；将筒罩下端与底座外沿部的多个锁定爪进行卡合锁定，将整个压力仓形成密封的空间，试验准备完成；
步骤四、通过伺服控制系统向压力仓中注入液压油，打开加热装置中的三根加热棒，加热至预加热温度时，保温一个小时；使用伺服增压器对压力仓中的液压油加压至稳定值，从而为柱状岩样提供了围压；通过外部轴压机的顶杆对筒罩的活动顶块进行向下施压，带动上顶块连同上压头对柱状岩样提供了向下的轴压，并保持10分钟；
步骤五、作业人员手动操控以液压油为介质的超高压手动泵，将泵压通过软管打入底座的L型加压孔中，然后从下压头的压裂管打入到柱状岩样的压裂通孔中，逐渐增加泵压，升至最高点后，突然降低至与外部围压相同，维持稳定状态后，即可认为此时柱状岩样已经通过两个预制裂纹裂开；
步骤六、重复进行多次步骤五，直至最后一次试验中，泵压上升至与围压相等后不再继续大幅度上升，维持稳定状态后，即可认为此时柱状岩样已经通过两个预制裂纹完全压裂；在这个过程中，应变采集系统采集到了相关试压数据，完成了本次试压测量，实验停止后，关闭加热装置，降低轴向压力至0，降低围压值至0，关闭伺服液压装置，关闭应变采集装置，试验结束本发明至少包括以下有益效果：
(1)相较于目前试压机中直接通过液压杆等固体压缩部件直接接触抵靠在岩样周围进行施压，本装置是采用伺服液压装置在压力仓中注入液压油加压后来为柱状岩样提供围压的，也就是通过液压油这种流体包裹住柱状岩样进行均匀施压，所以，本装置能够更好的通过伺服液压装置来操控液压，从而对柱状岩样进行均匀稳定的围压控制，保证围压能够维持在一定的恒定值，所以本装置能够施加的围压值更高，更能适应现在我国向深部页岩气开采的发展战略(当地层深度达到3000m时，其地应力已达50MPa，而我国页岩气埋藏深度普遍大于1500m)，更具有实际的试验意义；操作简便，可保证施压精度，提高试验效率和准确性；
(2)相较于对目前的圆盘岩样(巴西劈裂岩石样品)进行压裂试验的装置，柱状岩样(国际标准岩石样品)加工更加方便快捷，能够提高试验的准备效率；而本装置中，滑动设置的上压头方便与柱状岩样的上端抵靠对接，下压头上端压裂管方便与柱状岩样内部的压裂通孔嵌入对接，使得各个试压部件装配容易，调整方便，密封性强，可见本装置更加适用于柱状岩样的压裂断裂韧性检测，适用性和功能拓展性明显更强。
(3)开设在压裂通孔内壁两侧的预制裂纹，这种结构的意义在于，让整个柱状岩样在受压试验过程中，可以通过这两道预制裂纹向外破裂，裂纹扩展阶段均匀稳定，测试离散线性度更小，保证柱状岩样进行更为理想的中心起裂，进而有效的提高柱状岩样断裂韧性测试的准确度。
(4)加热装置直接集成安装在压力仓内部，通过操控液压油这一种介质，就能为柱状岩样同时提供试验所需的围压和温度这两种属性，让柱状岩样处于更真实的高温高围压地层测试环境中，降低了设备成本，简化了加热作业的操作步骤，提高了试验效率和精度；其次，本装置中施加围压和内部泵压的压力源以及温度油源均可使用同种液压油，降低了本装置的复杂性，提高了其易操作性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的总结构系统图；
图2为本发明的压力仓扣合上筒罩后的结构图；
图3为本发明的压力仓内部结构图；
图4为本发明的压力仓内部结构截面图；
图5为本发明的下压头结构图；
图6为本发明的柱状岩样下端的扩大槽和压裂通孔结构图；
图7为本发明的柱状岩样截面结构图；
图8为本发明的压力仓内部挂载各种传感器后的结构图；
图9为本发明的压力仓内部挂载各种传感器后的俯视图；
图10为本发明的A试验过程采集数据图；
图11为本发明的B试验过程采集数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。图1-11示出了本发明的一种实现形式，包括：
压力仓1，其内部下端可拆卸设置有下压头2，内部上端滑动设置有上压头3；所述下压头2和上压头3之间可拆卸设置有柱状岩样4；所述柱状岩样 4中部设置有压裂通孔41；所述压裂通孔41内壁两侧对称开设有预制裂纹 411；所述下压头2下端与手控液压装置连接，上端一体设置有嵌入压裂通孔 41的压裂管21；所述压力仓1内外部还分别连接有加热装置和伺服液压装置。
工作原理：在模拟高温高压地层环境对柱状岩样4进行压裂测试时，通过伺服液压装置对压力仓注入液压油后使用内部的加热装置加热至预设温度 (模拟地层中的高温环境)，随后将液压油加压至稳定值，从而为柱状岩样4 提供了稳定的围压(模拟地层中的高围压环境)；通过外部轴压机的顶杆对上压头3向下加压，从而为柱状岩样4提供了稳定的轴压；(施加轴压可以对柱状岩样4进行轴向的限位压紧，因为在试压过程中，我们最终需要让柱状岩样4从两条预制裂纹411裂开，而不是从上端或是其他部位破裂，如此才能采集到更精确的数据)通过作业人员操控手控液压装置将液压油为介质的泵压打入下压头2，直至柱状岩样4的压裂通孔41中，从而对两条预制裂纹411施压，在操控手控液压装置不断提高泵压的情况下，两条预制裂纹411 开始裂开，当泵压数据发生明显下降，且降至围压值附近时，并持续稳定时，即可任认为柱状岩样4已经断裂，然后停止采集，记录实验过程中的相关数据，从而完成了本次高温高压条件下岩石断裂韧性的检测。
采用这种技术方案的优点在于：
(1)相较于目前试压机中直接通过液压杆等固体压缩部件直接接触抵靠在岩样周围进行施压，本装置是采用伺服液压装置在压力仓中注入液压油加压后来为柱状岩样4提供围压的，也就是通过液压油这种流体包裹住柱状岩样进行均匀施压，所以，本装置能够更好的通过伺服液压装置来操控液压，从而对柱状岩样4进行均匀稳定的围压控制，保证围压能够维持在一定的恒定值，所以本装置能够施加的围压值更高，更能适应现在我国向深部页岩气开采的发展战略(当地层深度达到3000m时，其地应力已达50MPa，而我国页岩气埋藏深度普遍大于1500m)，更具有实际的试验意义；操作简便，可保证施压精度，提高试验效率和准确性；
(2)相较于目前的圆盘岩样(巴西劈裂岩石样品)进行压裂试验的装置，柱状岩样4(国际标准岩石样品)加工更加方便快捷，能够提高试验的准备效率；而本装置中，滑动设置的上压头3方便与柱状岩样4的上端抵靠对接，下压头2上端压裂管21方便与柱状岩样4内部的压裂通孔41嵌入对接，使得各个试压部件装配容易，调整方便，密封性强，可见本装置更加适用于柱状岩样4的压裂断裂韧性检测，适用性和功能拓展性明显更强。
(3)开设在压裂通孔41内壁两侧的预制裂纹411，这种结构的意义在于，让整个柱状岩样4在受压试验过程中，可以通过这两道预制裂纹411向外破裂，裂纹扩展阶段均匀稳定，测试离散线性度更小，保证柱状岩样4进行更为理想的中心起裂，进而有效的提高柱状岩样4断裂韧性测试的准确度。
(4)加热装置直接集成安装在压力仓1内部，通过操控液压油这一种介质，就能为柱状岩样4同时提供试验所需的围压和温度这两种属性，让柱状岩样4处于更真实的高温高围压地层测试环境中，降低了设备成本，简化了加热作业的操作步骤，提高了试验效率和精度；其次，本装置中施加围压和内部泵压的压力源以及温度油源均可使用同种液压油，降低了本装置的复杂性，提高了其易操作性。
在另外一种实施例中，所述压力仓1包括一个底座11；所述底座11中部设置有内螺纹管111；所述底座11中内嵌设置有L型加压管112；所述L型加压管112较长端径向设置于底座11中，且延伸至底座11外沿处设置有加压口113；所述L型加压管112较短端轴向设置于底座11中部，且上端与底座11中部的内螺纹管111一体连通；所述下压头2下端设置有与内螺纹管111 相匹配的外螺纹管22；通过所述外螺纹管22与内螺纹管111的螺合，从而实现了可拆卸连接。
(这种结构的优点在于，整个L型加压管内嵌设置于底座中，安全性好，结构更加紧凑，提高了装置整体的平整性；将加压口配置在底座11的侧面，更方便使用软管与外部的手控液压装置进行对接安装，出液口配置在底座中部，更方便与下压头实现对接。)
在另外一种实施例中，所述压力仓1还包括一个可与底座11扣合密封的筒罩12；筒罩12上端设置有活动压头121；所述活动压头121上端抵靠有外部轴压机的顶杆；所述底座11上端固定设置有两根分别位于下压头11两侧的导杆31；两根所述导杆31上端共同滑动套设有上压头3；所述上压头3为盘状结构，且分别开设有两个与两个导杆31相对应的滑孔32；所述上压头3 通过两个滑孔32套设在两个导杆31上后，形成滑动连接；所述上压头3中部上端设置有上顶块33；所述上顶块33与活动压头121下端相对应；所述上压头3中部下端设置有顶紧柱状岩样4上端的下顶块34；所述柱状岩样4 上端与下顶块34之间设置有密封片35。
(这种结构的优点是，保证试验过程中整个压力仓的密封性，上压头装配更加调整容易；由于压裂通孔的上端口也是导通的，通过一个密封片安装在上压头和柱状岩样的上端面，可以防止试验过程中，压裂通孔中的液压油从压裂通孔上端溢出，对试验造成影响。)
在另一种实施例中，所述压力仓1外壁上下侧分别设置有注油管51和出油管52；所述注油管51和出油管52分别与伺服液压装置连接，从而形成用于给压力仓补油放油的循环油路；所述伺服液压装置还包括一个用于给压力仓1内部液压增压的伺服增压器53；所述伺服增压器53的信号控制端连接有伺服控制系统54。
(这种结构的优点在于，伺服液压装置配置容易，与压力仓1的对接方便，提高使用液压油作为施加围压介质的操控性，在为压力仓注入液压油进行施压时，具备更好稳定性的持续性。)
在另一种实施例中，所述手控液压装置包括一个超高压手动泵61；所述超高压手动泵61的压力输出端通过软管对接至加压口113；所述超高压手动泵61的数据采集端连接有应变采集系统62。
(这种结构的优点是，对柱状岩岩样中的压力通孔施加泵压是时，更加稳定方便和安全，数据采集及时，保证试验结果的精度。)
在另外一种实施例中，所述柱状岩样4下端设置有与压裂通孔41同轴一体的扩大槽42；所述下压头2上端设置有与扩大槽42相匹配的密封块23；所述压裂管21一体设置在密封块23上端；所述下压头3从最上端压裂管21 端口至最下端外螺纹管22端口之间，均通过内置的空腔实现一体的上下连通；所述压裂管21和密封块23依次陆续嵌入压裂通孔41和扩大槽42中，从而形成了可拆卸了连接；所述下压头2和柱状岩样4对接嵌合后，其所有的接触面全部均匀填充有高温密封胶。
(这种结构的优点是，在将压裂管插入压裂通孔时，下压头的端面并不是直接与柱状岩样进行均匀对接，而是通过一个凸起的密封块配合上高温密封胶嵌入安装到柱状岩样的扩大槽中去，通过这样一种巧妙结构，显著的提高了密封效果，极好的防止了由于密封效果差，柱状岩样内部泵压与外部围压出现连通，最终导致试验失败的现象。)
在另外一种实施例中，所述加热装置包括三根固定设置在底座11上端同侧的加温棒71；三根所述加温棒71分别关于所述底座11轴心互呈30度配置。
(这种结构的优点是，三根加温棒间隔分布更加合理和紧凑，既能在底座上为其他部件预留出更多的配置空间，又能兼顾对液压油的加热效率。)
在另外一种实施例中，还包括轴压围压采集装置；所述轴压围压采集装置8包括一个设置在上压头3上的轴向传感器81；所述柱状岩样4外壁套设有挂具82；所述挂具82上设置有径向传感器83。所述轴向传感器81与径向传感器83与外部数据控制终端电连接。
(这种结构的优点是，在试验过程中，轴向传感器可实时检测柱状岩样的轴向应变量；挂具上的径向传感器可检测到柱状岩样的径向应变量；将实时检测到轴向应变数据、径向应变数据全部传输到外部的数据控制终端中进行实时分析和处理，从而对试压相关参数进行调整，通过这样的实时反馈处理，可以更精确的控制压力仓内相关压力参数，提高后续所测岩石力学指标的准确性)
在另外一种实施例中，还包括温度采集装置；所述温度采集装置包括一个设置压力仓1的温度传感器72；所述温度传感器72与外部温度控制系统 73电连接。
(这种结构的优点是，温度传感器可实时检测到压力仓内部温度数据，将实时检测到的温度传输到外部的数据控制终端中进行实时分析和处理，从而对温度参数进行调整，通过这样的实时反馈处理，可以更精确的控制压力仓内相关温度，提高了所测岩石力学指标的准确性。)
在另外一种实施例中，一种基于高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置的测量方法，其过程包括：
步骤一、将用于试压的岩石材料加工为直径为50mm，高度为100mm的柱状岩样4(即国际标准岩石样品规格)；在柱状岩样4中心轴线处钻取一个的压裂通孔41，在该压裂通孔41的内壁两侧开设两道预制裂纹411；
步骤二、在柱状岩样4下端开设一个与压裂通孔41一体连通的扩大槽 42；使用勺子将高温密封胶填充到柱状岩样4端部的整个扩大槽42中，(此处由于高温密封胶加具有相当程度的粘性，并不会马上掉入压裂通孔41中) 将下压头的压裂管的端口使用卫生纸和保鲜膜封堵住，(此处可防止压裂管 21在从扩大槽42嵌入时，造成高温密封胶反流入压裂管21端口中，从而被胶封住)再将压裂管21嵌入压裂通孔41中，此时，密封块23也和扩大槽 42紧密嵌合，使用橡胶锤对下压头2进行捶打，使得高温密封胶能够均匀填充至整个扩大槽中，(此处在捶打过程中，一些高温密封胶会从扩大槽中溢出，然后均匀填充至下压头与柱状岩样所接触的整个外端面上，继续让两者保持紧密连接)最后用水平仪放在下压头2底部，看是否水平，若不平，继续用橡胶锤轻敲，直到水平为止，完成后放置1～2天，直至高温密封胶硬化；(此处的优势在于，采用了上述粘接方法后，就可显著提高下压头与柱状岩样粘接部的耐温极限和粘结强度，从而保证在高压高温试验环境中该部件的密封性和稳定性，保证后续试验精度)
步骤三、使用管钳，将已经和柱状岩样4粘接稳定的下压头2通过外螺纹管螺合拧动至底座上端的内螺纹管中固定稳定；将上压头3通过两个滑孔套设至两个导杆上；将筒罩下端与底座外沿部的多个锁定爪进行卡合锁定，将整个压力仓1形成密封的空间，试验准备完成；(此处的优势在于，各个部件装配容易简单，提高了试验准备效率)
步骤四、通过伺服液压装置(DYS-2500型高温高压岩石三轴试验系统油源动力柜)向压力仓1中注入液压油(S1M46抗磨液压油)，打开加热装置中的三根加热棒71(直径：10mm、长度：230mm、功率：650W)，加热至预加热温度(如图10，在试验A中加热至50度；如图11，在试验B中，加热至80度)时，保温一个小时(此处可使柱状岩样4加热更加均匀，提高后续试验精度)；使用伺服增压器对压力仓1中的液压油加压至稳定值，从而为柱状岩样提供了围压；(如图10，试验A中的围压为15Mpa；如图11，试验B 中的围压为45Mpa)通过外部轴压机的顶杆对筒罩的活动顶块进行向下施压，带动上顶块连同上压头对柱状岩样提供了向下的轴压(轴压即偏主压，如图 10，在试验A中偏主压为15Mpa；如图11，在试验B中偏主压为15Mpa)，并保持10分钟(此处可防止柱状岩样4内部的液压油从上部流出)；
步骤五、作业人员手动操控以液压油为介质的超高压手动泵(型号： MATTSONMPH-16240)，将泵压通过软管打入底座11的L型加压孔中，然后从下压头的压裂管打入到柱状岩样的压裂通孔中，逐渐增加泵压，升至最高点后，突然降低至与外部围压相同，维持稳定状态后，即可认为此时柱状岩样已经通过两个预制裂纹裂开；(如图10，试验A中的泵压1曲线；如图 11，试验B中的泵压1曲线)
步骤六、重复进行多次步骤五，(此处要进行多次的原因在于，在试验过程会出现柱状岩样4无法完全压裂的状态，如图11试验B的泵压1曲线在z 最高点下降后并未降低至与围压值相等，所以需要进行多次试验才能将柱状岩样4通过两条预制裂纹411完全压裂，从而保证后续测量数据准确)直至最后一次试验中，泵压上升至与围压相等后不再继续大幅度上升，维持稳定状态后，即可认为此时柱状岩样4已经通过两个预制裂纹完全压裂；在这个过程中，应变采集系统采集到了相关试压数据，完成了本次试压测量，实验停止后，关闭加热装置，降低轴向压力至0，降低围压值至0，关闭伺服液压装置，关闭应变采集装置62，试验结束。(如图10，试验A中的泵压2曲线；如图11，试验B中的泵压2、3曲线)
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置，其特征在于，包括：
压力仓，其内部下端可拆卸设置有下压头，内部上端滑动设置有上压头；所述下压头和上压头之间可拆卸设置有柱状岩样；所述柱状岩样中部设置有压裂通孔；所述压裂通孔内壁两侧对称开设有预制裂纹；所述下压头下端与手控液压装置连接，上端一体设置有嵌入压裂通孔的压裂管；所述压力仓内外部还分别连接有加热装置和伺服液压装置；
所述压力仓还包括一个可与底座扣合密封的筒罩；筒罩上端设置有活动压头；所述活动压头上端抵靠有外部轴压机的顶杆；所述底座上端固定设置有两根分别位于下压头两侧的导杆；两根所述导杆上端共同滑动套设有上压头；所述上压头为盘状结构，且分别开设有两个与两个导杆相对应的滑孔；所述上压头通过两个滑孔套设在两个导杆上后，形成滑动连接；所述上压头中部上端设置有上顶块；所述上顶块与活动压头下端相对应；所述上压头中部下端设置有顶紧柱状岩样上端的下顶块；所述柱状岩样上端与下顶块之间设置有密封片；
所述压力仓外壁上下侧分别设置有注油管和出油管；所述注油管和出油管分别与伺服液压装置连接，从而形成用于给压力仓补油放油的循环油路；所述伺服液压装置还包括一个用于给压力仓内部液压增压的伺服增压器；所述伺服增压器的信号控制端连接有伺服控制系统；
所述手控液压装置包括一个超高压手动泵；所述超高压手动泵的压力输出端通过软管对接至加压口；所述超高压手动泵的数据采集端连接有应变采集系统；
所述加热装置包括三根固定设置在底座上端同侧的加温棒；三根所述加温棒分别关于所述底座轴心互呈30度配置；
还包括轴压围压采集装置；所述轴压围压采集装置包括一个设置在上压头上的轴向传感器；所述柱状岩样外壁套设有挂具；所述挂具上设置有径向传感器，所述轴向传感器与径向传感器与外部数据控制终端电连接。
2.如权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置，其特征在于，所述压力仓包括一个底座；所述底座中部设置有内螺纹管；所述底座中内嵌设置有L型加压管；所述L型加压管较长端径向设置于底座中，且延伸至底座外沿处设置有加压口；所述L型加压管较短端轴向设置于底座中部，且上端与底座中部的内螺纹管一体连通；所述下压头下端设置有与内螺纹管相匹配的外螺纹管；通过所述外螺纹管与内螺纹管的螺合，从而实现了可拆卸连接。
3.如权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置，其特征在于，所述柱状岩样下端设置有与压裂通孔同轴一体的扩大槽；所述下压头上端设置有与扩大槽相匹配的密封块；所述压裂管一体设置在密封块上端；所述下压头从最上端压裂管端口至最下端外螺纹管端口之间，均通过内置的空腔实现一体的上下连通；所述压裂管和密封块依次陆续嵌入压裂通孔和扩大槽中，从而形成了可拆卸了连接；所述下压头和柱状岩样对接嵌合后，其所有的接触面全部均匀填充有高温密封胶。
4.如权利要求1所述的一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置，其特征在于，还包括温度采集装置；所述温度采集装置包括一个设置压力仓的温度传感器；所述温度传感器与外部温度控制系统电连接。
5.一种如权利要求1~4任一项所述的基于高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将用于试压的岩石材料加工为直径为50mm，高度为100mm的柱状岩样；在柱状岩样中心轴线处钻取一个的压裂通孔，在该压裂通孔的内壁两侧开设两道预制裂纹；
步骤二、在柱状岩样下端开设一个与压裂通孔一体连通的扩大槽；使用勺子将高温密封胶填充到柱状岩样端部的整个扩大槽中，将下压头的压裂管的端口使用卫生纸和保鲜膜封堵住，再将压裂管嵌入压裂通孔中，此时，密封块也和扩大槽紧密嵌合，使用橡胶锤对下压头进行捶打，使得高温密封胶能够均匀填充至整个扩大槽中，最后用水平仪放在下压头底部，看是否水平，若不平，继续用橡胶锤轻敲，直到水平为止，完成后放置1~2天，直至高温密封胶硬化；
步骤三、使用管钳，将已经和柱状岩样粘接稳定的下压头通过外螺纹管螺合拧动至底座上端的内螺纹管中固定稳定；将上压头通过两个滑孔套设至两个导杆上；将筒罩下端与底座外沿部的多个锁定爪进行卡合锁定，将整个压力仓形成密封的空间，试验准备完成；
步骤四、通过伺服控制系统向压力仓中注入液压油，打开加热装置中的三根加热棒，加热至预加热温度时，保温一个小时；使用伺服增压器对压力仓中的液压油加压至稳定值，从而为柱状岩样提供了围压；通过外部轴压机的顶杆对筒罩的活动顶块进行向下施压，带动上顶块连同上压头对柱状岩样提供了向下的轴压，并保持10分钟；
步骤五、作业人员手动操控以液压油为介质的超高压手动泵，将泵压通过软管打入底座的L型加压孔中，然后从下压头的压裂管打入到柱状岩样的压裂通孔中，逐渐增加泵压，升至最高点后，突然降低至与外部围压相同，维持稳定状态后，即可认为此时柱状岩样已经通过两个预制裂纹裂开；
步骤六、重复进行多次步骤五，直至最后一次试验中，泵压上升至与围压相等后不再继续大幅度上升，维持稳定状态后，即可认为此时柱状岩样已经通过两个预制裂纹完全压裂；在这个过程中，应变采集系统采集到了相关试压数据，完成了本次试压测量，实验停止后，关闭加热装置，降低轴向压力至0，降低围压值至0，关闭伺服液压装置，关闭应变采集装置，试验结束。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111492364.2A CN114184486B (zh) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | 一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111492364.2A CN114184486B (zh) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | 一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114184486A CN114184486A (zh) | 2022-03-15 |
| CN114184486B true CN114184486B (zh) | 2023-12-12 |
Family
ID=80542781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111492364.2A Active CN114184486B (zh) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | 一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114184486B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114720263A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-08 | 东北石油大学 | 深部高温高压环境岩石断裂可视化试验装置和试验方法 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101216393A (zh) * | 2007-12-28 | 2008-07-09 | 保定天威集团有限公司 | 一种自粘换位导线整体高温抗弯强度实验方法及装置 |
| CN104655495A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-05-27 | 太原理工大学 | 一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法 |
| CN105628507A (zh) * | 2016-02-05 | 2016-06-01 | 四川大学 | 在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法 |
| KR101683619B1 (ko) * | 2015-06-12 | 2016-12-07 | 한국건설기술연구원 | 대심도 시추공의 고압 구속응력 상태 모사 및 유체주입을 통한 인장파괴 유도가 가능한 삼축압축시험용 삼축셀 및 이를 이용한 삼축압축시험 방법 |
| CN106644740A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-05-10 | 中国石油大学(北京) | 一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置 |
| CN108709815A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-10-26 | 中国石油大学(华东) | 测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法 |
| CN110308052A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-10-08 | 中国矿业大学 | 基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法 |
| CN209656425U (zh) * | 2019-01-02 | 2019-11-19 | 上海诚云建设工程质量检测有限公司 | 一种稳定度测试仪 |
| CN111366472A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-03 | 北京爱新能智科技有限公司 | 用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法 |
| CN112557203A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-26 | 核工业北京地质研究院 | 针对含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法 |
| CN213175626U (zh) * | 2020-08-18 | 2021-05-11 | 叙镇铁路有限责任公司 | 一种隧道软弱围岩挤压型变形预测装置 |
| CN112858022A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-05-28 | 中南大学 | 水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8474313B2 (en) * | 2010-03-23 | 2013-07-02 | Saudi Arabian Oil Company | Process for testing a sample of hydraulic fracturing fluid |
| CN108871968B (zh) * | 2017-05-11 | 2024-01-26 | 中国矿业大学(北京) | 一种压裂过程应力冻结实验装置 |
-
2021
- 2021-12-08 CN CN202111492364.2A patent/CN114184486B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101216393A (zh) * | 2007-12-28 | 2008-07-09 | 保定天威集团有限公司 | 一种自粘换位导线整体高温抗弯强度实验方法及装置 |
| CN104655495A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-05-27 | 太原理工大学 | 一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法 |
| KR101683619B1 (ko) * | 2015-06-12 | 2016-12-07 | 한국건설기술연구원 | 대심도 시추공의 고압 구속응력 상태 모사 및 유체주입을 통한 인장파괴 유도가 가능한 삼축압축시험용 삼축셀 및 이를 이용한 삼축압축시험 방법 |
| CN105628507A (zh) * | 2016-02-05 | 2016-06-01 | 四川大学 | 在常规岩石力学试验机上实现水力压裂实验的装置及岩石试样与方法 |
| CN106644740A (zh) * | 2017-02-22 | 2017-05-10 | 中国石油大学(北京) | 一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置 |
| CN108709815A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-10-26 | 中国石油大学(华东) | 测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法 |
| CN209656425U (zh) * | 2019-01-02 | 2019-11-19 | 上海诚云建设工程质量检测有限公司 | 一种稳定度测试仪 |
| CN110308052A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-10-08 | 中国矿业大学 | 基于声发射技术的空心岩样径向渗流试验装置和试验方法 |
| CN111366472A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-07-03 | 北京爱新能智科技有限公司 | 用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法 |
| CN213175626U (zh) * | 2020-08-18 | 2021-05-11 | 叙镇铁路有限责任公司 | 一种隧道软弱围岩挤压型变形预测装置 |
| CN112557203A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-26 | 核工业北京地质研究院 | 针对含裂缝岩石的热水力耦合三轴试验方法 |
| CN112858022A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-05-28 | 中南大学 | 水压致裂法测量高温岩石断裂韧性的装置及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| laboratory investigation of hydraulic properties of deformable rock sample subjected to different loading paths;Yin Qian;Hydrogeology journal;第27卷(第7期);2617-2635 * |
| 低加载应变率下页岩力学特性试验研究;徐恒威;《力学与实践》;第43卷(第5期);第695-701页 * |
| 基于CT图像处理的泥页岩裂纹扩展与演化研究;刘俊新;浙江工业大学学报;第43卷(第1期);66-72 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114184486A (zh) | 2022-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105403505A (zh) | 固井界面胶结强度测试装置及方法 | |
| CN108801799B (zh) | 岩石压裂物理模拟系统及试验方法 | |
| CA2874557C (en) | A method and apparatus for automatically testing high pressure and high temperature sedimentation of slurries | |
| CN109001051B (zh) | 适用于节理或裂隙岩体的l型剪切渗流实验装置及其方法 | |
| JP2737367B2 (ja) | 岩石試料の高温高圧試験装置 | |
| KR101654303B1 (ko) | 삼축 압축하 공극압 시험기 | |
| WO2012049620A1 (en) | Measurement of properties of sample of curing compositions under high pressure | |
| US11067492B2 (en) | Physical simulation and calibration device and method for formation pressure testing | |
| CN114184486B (zh) | 一种高温高压条件下岩石断裂韧性测量装置及其测量方法 | |
| CN112255112A (zh) | 可视化试验系统、岩体加热方法 | |
| CN101907586A (zh) | 用于核磁共振测试岩心的高温高压夹持器 | |
| CN111272636A (zh) | 一种不同地应力下岩石孔隙度测量装置及方法 | |
| CN108894773B (zh) | 超临界二氧化碳压裂水泥胶结面致裂实验设备及方法 | |
| CN113982572A (zh) | 一种压裂蓄能一体化实验方法及实验装置 | |
| CN116411959A (zh) | 一种模拟真实地层环境下的油气井压裂试验装置及方法 | |
| CN205280557U (zh) | 固井界面胶结强度测试装置 | |
| CN211426111U (zh) | 一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置 | |
| CN112229716A (zh) | 一种微型形状记忆合金的扁铲侧胀仪及其工作方法 | |
| CA2926919A1 (en) | Displacement measurement cement testing | |
| CN115248177B (zh) | 一种基于光纤传感的低渗透岩石突破压力的测量方法及装置 | |
| CN116297618A (zh) | 一种饱和活油页岩饱和度核磁在线监测实验方法 | |
| CN113982552B (zh) | 一种表征裂缝向基质深度增能的实验装置及方法 | |
| CN113970570B (zh) | 非饱和膨润土颗粒材料屏障性能的测试装置及测试方法 | |
| CN113834731A (zh) | 一种用于岩体弹性模量和抗剪强度原位测量的实验系统和方法 | |
| Abdulhadi et al. | Thick-walled cylinder testing of clays for the study of wellbore instability |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |