CN114323964A - 压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是压‑拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，它包括底座、承压台、两个杠杆机构、岩石拉断体，底座上设置两个杠杆机构，每个杠杆的动力臂端设置加压支撑台，每个杠杆的阻力臂端连接岩石上部施压体，承压台居中位于两个杠杆机构之间，承压台下部具有对称设置的两个岩石下部施压体，岩石拉断体位于岩石下部施压体之间；每个岩石下部施压体均与岩石拉断体下面的岩石预置钻孔紧固到一起，每个岩石上部施压体均与岩石拉断体上面的岩石预置钻孔紧固到一起；岩石拉断体的中心有岩石预置裂缝，岩石预置裂缝两侧设置位移传感器。本发明能简易而又准确地测试岩石断裂韧性及断裂能，提高了拉伸试验的成功率。

Description

压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置

技术领域：

本发明涉及的是岩石力学工程、石油工程等领域中的一种岩石断裂韧性及断裂能测试技术，具体涉及的是压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置。

背景技术：

在进行油气资源开采的过程中，钻井和压裂都会导致储层岩石发生复杂的断裂破坏，其中拉伸断裂尤为显著。岩石的抗拉强度、断裂韧性、所需的断裂能不仅是评价井眼稳定性的重要参数，也是衡量裂缝扩展能力的重要指标。

以往在研究岩石断裂韧性及断裂能时，通常采用的试验方法是三点弯曲试验、粘连式直接拉伸试验。三点弯曲试验通给试样施加压缩形式的点载荷，由于受力方向与裂缝扩展的方向不在同一条线上，无法获得裂缝张开位移，即无法准确计算出断裂能；粘连式拉伸试验经常出现岩石拉断体中心轴线偏离加载方向和粘连不紧实的现象，影响试验结果。

工程中不仅要断裂韧性的值，而且需要断裂能。但是，目前常用的直接和间接拉伸试验都存在一定局限，而且现有方法都无法直接、准确的测试岩石断裂韧性和断裂能。研究一种简易、直接、准确的拉伸试验装置，获得岩石的断裂韧性和断裂能，对石油工程和采矿工程等领域有着重要的应用价值。

发明内容：

本发明的目的是提供压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，这种压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置用于解决现有岩石拉伸强度测试中，由于应力集中和偏心拉伸导致试验结果与真实值偏差较大的问题；本发明的另一个目的是提供这种压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置的测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置包括底座、承压台、两个杠杆机构、岩石拉断体，底座上设置两个杠杆机构，每个杠杆的动力臂端设置加压支撑台，每个杠杆的阻力臂端连接岩石上部施压体，承压台居中位于两个杠杆机构之间，承压台下部具有对称设置的两个岩石下部施压体，岩石下部施压体为U型挂钩，每个 U型挂钩的下端具有拉柱，岩石拉断体位于岩石下部施压体之间；岩石拉断体为扁平圆柱体，岩石拉断体的中心有岩石预置裂缝，岩石预置裂缝的两侧各有一个岩石预置钻孔，岩石拉断体的中心、岩石预置钻孔的中心、岩石预置裂缝的中心位于一条直线上，岩石预置裂缝与岩石拉断体两个端面相交处分别贴合着一个位移传感器感应贴片，位移传感器感应贴片均连接一个位移传感器，位移传感器连接至数据采集系统；每个岩石下部施压体的拉柱均与岩石拉断体下面的岩石预置钻孔紧固到一起，每个岩石上部施压体均与岩石拉断体上面的岩石预置钻孔紧固到一起；通过对称的杠杆联动机构，使岩石上部施压体始终产生垂直向上的拉伸力，力的方向不产生偏移，使得力的方向与岩石预置裂缝张开位移的方向处于同一条直线上，便于计算断裂能。

上述方案中底座上方有四个垂直于底座的杠杆支架，杠杆支架为刚性支架，四个杠杆支架分成两对，两对杠杆支架分别位于底座的两端，每对杠杆支架之间用螺栓轴承连接，螺栓轴承同时穿过杠杆支架之间的杠杆预置孔，杠杆支架用于加压支撑台施力，联动杠杆机构，对岩石拉断体提供垂直向上的力。

上述方案中岩石拉断体为扁平圆柱体，两个岩石预置钻孔的圆心位于圆柱体的一条直径上，具体在岩石拉断体外边界与圆心连线的二分之一处，两个岩石预置钻孔连线的中心为岩石拉断体中心；岩石裂缝为一个细窄的长方体，其长度为岩石预置钻孔直径的1.5倍。

上述方案中两个加压支撑台、承压台位于同一水平线上。

上述方案中各岩石预置钻孔中设置滚珠轴承，滚珠轴承外直径略小于岩石预置钻孔直径，与其紧密相贴，其作用为岩石上、下部施压体在对岩石拉断体施加拉伸载荷时减小摩擦力。

上述压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置采用转压为拉的加载方式为岩石施加拉伸载荷，具体测试步骤如下：

（1）通过数控线切割机将不规则的岩石切割成测试所需的形状和尺寸；

（2）将岩石拉断体通过岩石预置钻孔放置在两个岩石上施压体之间，且同时位于两个下部施压体之间，在岩石拉断体的岩石预置裂缝两侧安装位移传感器，并通过数据线与外部的数据采集系统连接；

（3）将两个加压支撑台及承压台分别与外部的油压泵连接；

（4）启动外部的油压泵，为两个加压支撑台及承压台分别施加一定数值的压力；

（5）承压台为岩石拉断体施加向下的拉伸载荷，两侧的加压支撑台通过杠杆原理，为岩石拉断体施加向上的拉伸载荷，通过位移传感器记录下来的数据，计算岩石的断裂韧性与断裂能。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明巧妙地使用杠杆原理，施加在两侧承压台的压缩载荷转化为岩石拉断体上的拉伸载荷，对岩石进行直接拉伸实验，能有效避免常规夹具因夹持不稳定造成试件损坏或粘连不紧导致试件滑脱的问题，又能有效避免对试件造成集中受力，影响试样的破坏位置，提高了拉伸试验的成功率。

2、自平衡。通过左右对称的杠杆联动机构，使得试样中岩石上部施压体始终产生垂直向上的拉伸力，避免力的方向产生偏移，使得力的方向与裂缝张开位移的方向处于同一条直线上，便于计算断裂能。

3、本发明可同时做岩石的拉伸实验与剪切实验。可以测试断裂韧性，纯拉伸应力下的断裂韧性（即I型断裂韧性实验），和拉伸剪切复合应力条件下的复合断裂韧性（即II-III型复合断裂韧性实验）。做I型断裂韧性试验时，将预置裂缝垂直于中心线；做拉伸剪切复合应力条件下的II-III型复合断裂韧性试验时，预置裂缝中心轴不变，可根据选择，以裂缝中心轴为中心，旋转裂缝至理想角度，进行岩石的剪切实验。

4、本发明简易而又准确地测试岩石断裂韧性及断裂能，为地下工程设计提供重要的参数支持，解决岩石拉伸强度测试中，由于应力集中和偏心拉伸导致试验结果与真实值偏差较大的问题；解决目前常用的直接和间接拉伸试验都存在一定局限，且现有方法都无法直接、准确的测试岩石断裂韧性和断裂能等问题。

附图说明：

图1是压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置三维示意图；

图2是承压台与岩石拉断体关系、岩石下部施压体与岩石预置钻孔连接关系以及位移传感器的放置位置示意图；

图3为中部承压台模块正视图示意图；

图4为压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置三维侧视图示意图；

图5为分别为纯拉伸应力下的I型断裂韧性岩石试件示意图与拉伸剪切复合应力条件下的II-III型复合断裂韧性岩石试件示意图。

图6为岩石拉断体示意图。

图中：1.岩石拉断体2.承压台3.岩石上部施压体4.岩石下部施压体5.位移传感器6.岩石预置钻孔7.岩石预置裂缝8.滚珠轴承9.杠杆机构 10.加压支撑台11.螺栓轴承12.杠杆支架13.底座。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1-图6所示，这种测试岩石复合断裂韧性及断裂能的测试装置包括岩石拉断体1、承压台2、岩石上部施压体3、岩石下部施压体4、位移传感器5、岩石预置钻孔6、岩石预置裂缝7、滚珠轴承8、杠杆机构9、加压支撑台10、螺栓轴承11、杠杆支架12、底座13。底座13上方有四个垂直底座的刚性支架，用于支撑杠杆机构9与承压台2；左右侧两对杠杆支架12之间用螺栓轴承11连接，可减小摩擦力，螺栓轴承11同时通过杠杆中预置钻孔，用于加压支撑台10施力，联动杠杆机构，对岩石拉断体提供垂直向上的力；两个杠杆机构9动力臂端均设置加压支撑台10，加压支撑台10用于接收外部的力；左右两侧承压台所受的压力通过用螺栓轴承连接的刚性支架，通过杠杆原理，将向下的压缩载荷转化为向上的拉伸载荷。岩石拉断体1位于承压台2下方，岩石拉断体1上部岩石预置钻孔6与杠杆机构9由上岩石上部施压体3连接，岩石拉断体1下部岩石预置钻孔6由岩石下部施压体4连接；岩石预置裂缝7两侧放置两个位移传感器5，位移传感器5可连接数据采集系统，两个位移传感器5用于采集岩石破裂的断裂韧性与断裂能。

岩石拉断体1为扁平圆柱体，岩石拉断体1的中心有岩石预置裂缝7，岩石预置裂缝7的两侧各有一个岩石预置钻孔6，两个岩石预置钻孔6的圆心位于试件圆形面的一条直径上，岩石预置钻孔6圆心具体在试件圆形面外边界与试件圆心连线的二分之一处，每个岩石预置钻孔6设置有滚珠轴承8。岩石预置裂缝7为一个细窄的长方体，长度为钻孔直径的1.5倍，其中心为岩石拉断体中心。岩石拉断体的中心、岩石预置钻孔的中心、岩石裂缝的中心位于一条直线，可称其为中心线。

底座13上的两个杠杆机构9，每个杠杆的动力臂端设置加压支撑台，动力臂位于加压支撑台的支撑块之间，螺栓轴承穿过动力臂和两个支撑块将动力臂和支撑块连接起来，每个杠杆的阻力臂端连接岩石上部施压体3，承压台2居中位于两个杠杆机构9之间，承压台2下部具有对称设置的两个岩石下部施压体4，岩石下部施压体4为U型挂钩，每个 U型挂钩的下端具有拉柱，岩石拉断体1位于岩石下部施压体4之间；岩石预置裂缝7与岩石拉断体1两个端面相交处分别贴合着一个位移传感器感应贴片，位移传感器感应贴片均连接一个位移传感器5，位移传感器5连接至数据采集系统；每个岩石下部施压体4的拉柱均与岩石拉断体下面的岩石预置钻孔6紧固到一起，每个岩石上部施压体3均与岩石拉断体上面的岩石预置钻孔6紧固到一起；两个加压支撑台10、承压台2位于同一水平线上，用于接收外部的施压系统的一定数值的压力（可选择多种的外部施压系统）。

本发明左右完全对称，实现自平衡。通过左右对称的杠杆联动机构，使得试样中岩石上部施压体始终产生垂直向上的拉伸力，避免力的方向产生偏移，使得力的方向与裂缝张开位移的方向处于同一条直线上，便于计算断裂能。

本发明由外部施力工具作用在两个加压支撑台10、承压台2上，两侧加压支撑台10产生垂直向下的力，由于杠杆原理，岩石受到向上的拉伸载荷；中间承压台2直接产生向下的拉伸载荷。此装置将压缩载荷转化为拉伸载荷，使得岩石拉断体1处于受拉状态，使岩石拉断体1由岩石预置裂缝7部位发生拉伸断裂，并由位移传感器5记录数据。通过所述，上述装置转压为拉，可以得到裂缝的张开位移，获得岩石的断裂韧性与断裂能。

本发明可同时做岩石的拉伸实验与剪切实验。可以测试断裂韧性，纯拉伸应力下的I型断裂韧性，和拉伸剪切复合应力条件下的II-III型复合断裂韧性。做I型断裂韧性试验时，将预置裂缝垂直于中心线；做拉伸剪切复合应力条件下的II-III型复合断裂韧性试验时，预置裂缝中心轴不变，可根据选择，以裂缝中心轴为中心，旋转裂缝至理想角度，进行岩石的剪切实验。

这种压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置采用转压为拉的加载方式为岩石施加拉伸载荷，避免了常规粘贴式、夹持式拉伸试验的粘贴位置、夹持位置岩石拉断问题和岩石拉断体中心轴线偏离加载方向、粘连不紧实的问题，同时此装置能够做拉伸剪切复合应力条件下的复合断裂韧性试验（即II-III型复合断裂韧性试验），具体试验步骤如下：

（1）通过数控线切割机将不规则的岩石切割成试验所需的形状和尺寸（或做I型断裂韧性试验，或做II-III型复合断裂韧性试验）；

（2）将岩石拉断体1通过岩石预置钻孔6放置在岩石上\下部施压体之间，在岩石拉断体的裂缝两侧安装位移传感器5，并通过数据线与外部的数据采集系统连接；

（3）两个加压支撑台10、承压台2与外部的油压泵连接；

（4）启动外部的油压泵，为两个加压支撑台10、承压台2施加一定数值的压力；

（5）中间承压台2为岩石拉断体1施加向下的拉伸载荷，两侧加压支撑台10通过杠杆原理，为岩石拉断体1施加向上的拉伸载荷，通过位移传感器5记录下来的数据，计算岩石的断裂韧性与断裂能。

实施例1：

（1）采用数控线切割将不规则的天然岩石切割成如图5（a）所示的岩石拉断体1。岩石拉断体包括两个岩石预置钻孔6和一条岩石预置裂缝7。两个岩石预置钻孔6的圆心位于岩石拉断体圆心与岩石拉断体外圆的二分之一处；岩石预置裂缝7的中心位于岩石拉断体圆心，长为岩石预置钻孔6直径的1.5倍。岩石拉断体1、岩石预置钻孔6、岩石预置裂缝7的中心位于一条直线，岩石制备完毕。

（2）将滚珠轴承8放入岩石预置钻孔6，岩石预置裂缝7两侧安装位移传感器5；扭下岩石下部施压体4上的螺丝，岩石下部施压体4上的拉柱塞入滚珠轴承8，将岩石拉断体放入中部承压台2下方，扭紧岩石下部施压体4的螺丝；将岩石上部施压体3的拉柱塞入滚珠轴承8；岩石拉断体放置完毕。

（3）承压台2与外部的油压泵连接（可以使用其他的外部施力工具），启动外部的油压泵，为岩石试样1施加拉伸载荷，当拉伸载荷达到一定数值后，岩石试样1的被拉断。

（4）根据油压泵所记录的施力情况，绘制应力应变曲线。根据位移传感器的数据和应力应变曲线，通过计算可以获得裂缝的断裂韧性和裂缝的断裂能。

Claims (6)

1.一种压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，其特征在于：这种压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置包括底座（13）、承压台（2）、两个杠杆机构（9）、岩石拉断体（1），底座（13）上设置两个杠杆机构（9），每个杠杆的动力臂端设置加压支撑台（10），每个杠杆的阻力臂端连接岩石上部施压体（3），承压台（2）居中位于两个杠杆机构（9）之间，承压台（2）下部具有对称设置的两个岩石下部施压体（4），岩石下部施压体（4）为U型挂钩，每个 U型挂钩的下端具有拉柱，岩石拉断体（1）位于岩石下部施压体（4）之间；岩石拉断体（1）为扁平圆柱体，岩石拉断体（1）的中心有岩石预置裂缝（7），岩石预置裂缝（7）的两侧各有一个岩石预置钻孔（6），岩石拉断体的中心、岩石预置钻孔的中心、岩石预置裂缝的中心位于一条直线上，岩石预置裂缝（7）与岩石拉断体（1）两个端面相交处分别贴合着一个位移传感器感应贴片，位移传感器感应贴片均连接一个位移传感器（5），位移传感器（5）连接至数据采集系统；每个岩石下部施压体（4）的拉柱均与岩石拉断体下面的岩石预置钻孔紧固到一起，每个岩石上部施压体（3）均与岩石拉断体上面的岩石预置钻孔紧固到一起；通过对称的杠杆联动机构，使岩石上部施压体始终产生垂直向上的拉伸力，力的方向不产生偏移，使得力的方向与岩石预置裂缝张开位移的方向处于同一条直线上，便于计算断裂能。

2.根据权利要求1所述的压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，其特征在于：所述的底座（13）上方有四个垂直于底座的杠杆支架（12），杠杆支架（12）为刚性支架，四个杠杆支架（12）分成两对，两对杠杆支架（12）分别位于底座（13）的两端，每对杠杆支架（12）之间用螺栓轴承（11）连接，螺栓轴承（11）同时穿过杠杆支架之间的杠杆预置孔，杠杆支架（12）用于加压支撑台施力，联动杠杆机构，对岩石拉断体提供垂直向上的力。

3.根据权利要求2所述的压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，其特征在于：所述的岩石拉断体（1）为扁平圆柱体，两个岩石预置钻孔的圆心位于圆柱体的一条直径上，具体在岩石拉断体外边界与圆心连线的二分之一处，两个岩石预置钻孔连线的中心为岩石拉断体中心；岩石裂缝为一个细窄的长方体，其长度为岩石预置钻孔直径的1.5倍。

4.根据权利要求3所述的压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，其特征在于：所述的两个加压支撑台（10）、承压台（2）位于同一水平线上。

5.根据权利要求4所述的压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置，其特征在于：所述的各岩石预置钻孔（6）中设置滚珠轴承（8），滚珠轴承（8）外直径略小于岩石预置钻孔（6）直径，滚珠轴承（8）与岩石预置钻（6）孔紧密相贴。

6.一种权利要求5所述的压-拉转变式自平衡岩石复合断裂韧性及断裂能测试装置的测试方法，其特征在于：采用转压为拉的加载方式为岩石施加拉伸载荷，具体测试步骤如下：

（1）通过数控线切割机将不规则的岩石切割成测试所需的形状和尺寸；

（2）将岩石拉断体（1）通过岩石预置钻孔（6）放置在两个岩石上施压体之间，且同时位于两个下部施压体之间，在岩石拉断体的岩石预置裂缝（7）两侧安装位移传感器（5），并通过数据线与外部的数据采集系统连接；

（3）将两个加压支撑台（10）及承压台（2）分别与外部的油压泵连接；

（4）启动外部的油压泵，为两个加压支撑台（10）及承压台（2）分别施加一定数值的压力；

（5）承压台（2）为岩石拉断体施加向下的拉伸载荷，两侧的加压支撑台（10）通过杠杆原理，为岩石拉断体施加向上的拉伸载荷，通过位移传感器（5）记录下来的数据，计算岩石的断裂韧性与断裂能。

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