CN115290433A - 基于立式shpb系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置及方法 - Google Patents

基于立式shpb系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，包括岩样夹持与加载系统1、立式SHPB系统2、观测系统3、控制线路群4和计算机控制与数据采集系统5。利用该装置进行高温高压单齿冲击破岩试验方法，包括：（1）将岩样和径向约束钢套采用5~15°的锥角关系进行匹配组装后，放入岩样夹持与加载系统；（2）向岩样施加轴向压力，通过带锥度的径向约束钢套转化为径向压力；（3）通过加热线圈向岩样提供高温环境；（4）冲锤经过单齿向岩样施加一定的轴向冲击力；（5）应变信号反馈至计算机，同时DIC及显微观测仪采集冲击瞬态的岩样表面损伤与应变图像。本发明原理可靠，操作简便，为研究深部地层冲击破岩过程的力学行为及机理提供技术手段。

Description

基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置及方法
技术领域
本发明涉及深部地层冲击破岩试验技术领域，具体涉及一种基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置及方法。
背景技术
目前，我国油气资源勘探开发已向深层、超深层不断迈进，钻井工程面临更多复杂难钻地层，钻头寿命低、速度慢是制约油气资源高效勘探开发的主要技术瓶颈之一。其关键问题在于，深部复杂高温高压环境下岩石受冲击载荷作用后，其破坏行为十分复杂，这与岩石细观结构关系密切。研究岩石在动-静载荷耦合作用下的单齿破岩机理，有利于指导钻头结构和钻井参数的优化。因此，提供一种基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置及方法，准确探究动-静载荷耦合作用下单齿破岩的力学行为与机理，可为科学设计钻头、优化布齿结构提供重要的理论依据。
“一种评价冲击荷载作用下钻头牙齿破岩效率的装置及方法”(CN202110992590.0)，通过三轴加载系统模拟深部地层压力环境，并基于SHPB系统测试结果提供一种能够实时测得钻头和岩样之间的机械比能关系的钻头牙齿破岩效率评价方法，但该装置未考虑地层高温环境，而实际上在深层、超深层钻井过程中，地层本身高温已成为各类科学问题和工程问题中不可忽视的因素。“一种SHPB测试用高温加热系统”(ZL202110021254.1)，通过空心发热体对试验岩样进行封闭加热，并配合SHPB系统研究温度与应变率效应对岩石动态力学性能的影响，但该装置无法考虑实际井下的压力环境，不适合用于深部岩石钻井工程中的破岩机理研究。此外，上述两种装置也未考虑岩石破坏过程中的细观观测问题，而事实上，动-静耦合载荷下岩石的宏观力学行为及破碎机制与岩石的细观结构密切相关，从细观层面探究其机理有助于提高研究人员对不同地层冲击破岩的认识。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，解决了模拟深部地层钻井过程中高温高压、动-静载荷耦合等复杂环境的问题，同时通过细观观测方法揭示单齿破岩机理，为研究深部地层冲击破岩过程的力学行为及机理提供理论依据。
本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验方法，该方法原理可靠，操作简便，克服了现有技术的缺陷和不足，为揭示不同类型地层在动-静载荷耦合作用下的破坏机理提供有效的技术手段。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，包括立式SHPB系统、岩样夹持与加载系统、观测系统、控制线路群、计算机控制与数据采集系统。
所述立式SHPB系统，包括输入杆、输出杆、固定在输入杆上的单齿、应变片、超动态应变仪和双踪波形存储器。
所述岩样夹持与加载系统，包括加热线圈、保温和隔热材料、径向约束钢套、轴压头和轴压推杆。
所述观测系统，包括支架、DIC及显微观测仪。
所述控制线路群包括动态力学参数采集线路、冲击控制线路、加热控制线路、图像采集线路。
所述计算机控制与数据采集系统，通过控制箱与控制线路群相连，控制加载并将实验数据和图像传输至计算机。
进一步地，所述立式SHPB系统，对常规SHPB装置进行了改进，采用立式机架结构设计，通过所述计算机控制与数据采集系统对岩样施加冲击力，通过输入杆和输出杆上应变片采集的应力波波形计算动态岩石力学参数。
进一步地，所述岩样夹持与加载系统，置于所述立式SHPB系统上，所述岩样和径向约束钢套采用一定的锥角关系进行匹配，通过施加一定的轴向应力转化为岩样圆周面上的径向应力，以模拟地层的围压状态，通过进气口对岩样内部施加一定的孔隙压力或注入水模拟深部有水地层环境，通过加热线圈加热岩样模拟地层高温环境，加载系统四周通过保温套、保温垫、密封材料等进行隔热和密封。
进一步地，所述观测系统，通过高速摄像机与DIC测试系统和显微镜头的配合，捕捉冲击过程中岩样表面的瞬态破坏特征和应变特征。
进一步地，所述计算机控制与数据采集系统，首先被配置为加载岩样的动-静载荷耦合环境，其次通过应变片分别与入射杆和输出杆连接，采集应力波信号，通过观测系统采集冲击过程的瞬态破坏和应变图像。
与现有技术相比，本发明能够解决现有技术无法完全模拟井下高温高压环境下岩体冲击破岩过程，同时观测其瞬态破坏行为和细观损伤等问题。本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过岩样和径向约束钢套的锥度设计，改进普通的岩样夹持与加载系统，并与立式SHPB系统联用，实现同时加载模拟井下的高温和高围压环境，为准确地理解深部地层冲击破岩过程的力学行为及其机理提供理论依据；
(2)本发明通过高速摄像机与DIC系统、显微镜头的配合，形成观测系统，能够观测冲击破岩过程中岩样表面的瞬态破坏特征和局部应变特征，为揭示不同类型地层在动-静载荷耦合作用下的破坏机理提供技术手段。
附图说明
图1为基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置整体结构图。
图2为岩样夹持与加载系统的局部结构图。
图中：1-岩样夹持与加载系统，101-保温套，102-隔热外壳，103-保温垫，104-加热线圈，105-岩样，106-径向约束钢套，107-密封材料，108-轴压头，109-隔热轴，110-第二保温套，111-固定螺栓，112-轴压推杆，113-拉杠，114-底部固定架；2-立式SHPB系统，201-输入杆，202-单齿，203-输出杆，204-第一应变片，205-第二应变片，206-高压气体爆轰入射头，207-超动态应变仪，208-双踪波形存储器，209-轴压泵，210-外支撑杆，211-内支撑杆，212-底座；3-观测系统，301-支架，302-DIC及显微观测仪；4-控制线路群，401-动态力学参数采集线路，402-冲击控制线路，403-加热控制线路，404-图像采集线路；5-计算机控制与数据采集系统，501-控制箱，502-计算机。
具体实施方式
下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
参看图1、图2。
基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，包括岩样夹持与加载系统1、立式SHPB系统2、观测系统3、控制线路群4和计算机控制与数据采集系统5。
岩样夹持与加载系统1包括第一保温套101、隔热外壳102、保温垫103、加热线圈104、岩样105、径向约束钢套106、密封材料107、轴压头108、隔热轴109、第二保温套110、轴压推杆112、拉杠113和底部固定架114。所述岩样105和径向约束钢套106采用一定的锥度设计并匹配结合，通过密封材料107密封后裹覆加热线圈104，岩样下端为轴压头108，轴压头通过隔热轴109连接至轴压推杆112，所述岩样通过第一保温套101、第二保温套110、隔热外壳102和保温垫103保持温度，所述岩样夹持与加载系统通过固定螺栓111、拉杠113和底部固定架114安置并固定于立式SHPB系统的底座。
所述岩样105和径向约束钢套106采用5～15°的锥度设计并匹配结合，进一步地通过施加的轴向应力值与径向弹性夹套的锥角关系，通过力学计算公式换算出作用在岩样圆周面上的正应力，即径向应力值。径向应力与轴向应力呈固定的变化关系，计算公式如下：
F＝P·sinθcosθ
其中：F—径向应力值；
P—轴向应力值；
θ—锥度。
所述立式SHPB系统2包括输入杆201、单齿202、输出杆203、第一应变片204、第二应变片205、高压气体爆轰入射头206、超动态应变仪207、双踪波形存储器208、轴压泵209、外支撑杆210、内支撑杆211和底座212。所述输入杆201上方有冲锤，下方连接单齿202，单齿正对岩样105，轴压推杆112连接输出杆203，第一应变片204、第二应变片205分别安装于输入杆、输出杆上，再通过线路连接超动态应变仪207和双踪波形存储器208，轴压推杆112连接轴压泵209(轴压泵通过控制轴压推杆向岩样施加轴压)，所述高压气体爆轰入射头206控制冲锤，向输入杆201施加冲击力，所述立式SHPB系统通过外支撑杆210、内支撑杆211固定并支撑在底座212上。
所述观测系统3包括观支架301和位于支架上的DIC及显微观测仪302。支架301高度可调节，选择适宜角度进行观测，DIC及显微观测仪302由高速摄像机配合DIC测试系统与显微镜头使用，观测单齿破岩过程中岩样表面瞬态破坏行为和应变特征。
所述控制线路群4包括动态力学参数采集线路401、冲击控制线路402、加热控制线路403和图像采集线路404。所述动态力学参数采集线路401连接至双踪波形存储器208，采集输入杆与输出杆上应变片的反馈信号，冲击控制线路402连接至高压气体爆轰入射头206，加热控制线路403连接至加热线圈104，图像采集线路404连接至DIC及显微观测仪302。
所述计算机控制与数据采集系统5包括控制箱501和计算机502，所述控制线路群连接至控制箱，控制箱连接计算机，由计算机控制和处理采集到的数据和图像。
利用上述装置进行基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验方法，依次包括如下步骤：
(1)将岩样105和径向约束钢套106采用5～15°的锥角关系进行匹配组装后，放入岩样夹持与加载系统内，调整观测系统支架301使之位于合适高度和观测角度；
(2)通过轴压泵209向岩样施加轴向压力，轴向压力通过带锥度的径向约束钢套转化为径向压力，并将压力数据记录于计算机控制与数据采集系统5；
(3)通过加热线圈104向岩样提供高温环境，加热控制线路403将温度数据反馈至计算机控制与数据采集系统5；
(4)拆卸第一保温套101，计算机控制与数据采集系统5通过冲击控制线路402，使冲锤经过单齿202向岩样105施加一定的轴向冲击力；
(5)在单齿冲击破岩过程中，动态力学参数采集线路401将双踪波形存储器208中超动态应变仪207采集到的应变信号反馈至计算机控制与数据采集系统5，同时DIC及显微观测仪采集冲击瞬态过程中的岩样表面损伤与应变图像。
试验完毕，取消加热并卸压，待岩样冷却后取出。

Claims (5)

1.基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，包括岩样夹持与加载系统（1）、立式SHPB系统（2）、观测系统（3）、控制线路群（4）和计算机控制与数据采集系统（5），其特征在于，岩样夹持与加载系统（1）包括第一保温套（101）、隔热外壳（102）、保温垫（103）、加热线圈（104）、岩样（105）、径向约束钢套（106）、轴压头（108）、隔热轴（109）、第二保温套（110）、轴压推杆（112）、拉杠（113）和底部固定架（114），所述岩样（105）和径向约束钢套（106）采用锥度设计并匹配结合，密封后裹覆加热线圈（104），岩样下端为轴压头（108），轴压头通过隔热轴（109）连接至轴压推杆（112），所述岩样通过第一保温套（101）、第二保温套（110）、隔热外壳（102）和保温垫（103）保持温度，所述岩样夹持与加载系统通过固定螺栓（111）、拉杠（113）和底部固定架（114）安置并固定于立式SHPB系统的底座；所述立式SHPB系统（2）包括输入杆（201）、单齿（202）、输出杆（203）、第一应变片（204）、第二应变片（205）、高压气体爆轰入射头（206）、超动态应变仪（207）、双踪波形存储器（208）、轴压泵（209）、外支撑杆（210）、内支撑杆（211）和底座（212），所述输入杆（201）上方有冲锤，下方连接单齿（202），单齿正对岩样（105），轴压推杆（112）连接输出杆（203），第一应变片（204）、第二应变片（205）分别安装于输入杆、输出杆上，再通过线路连接超动态应变仪（207）和双踪波形存储器（208），轴压推杆（112）连接轴压泵（209），所述高压气体爆轰入射头（206）控制冲锤，向输入杆施加冲击力，所述立式SHPB系统通过外支撑杆（210）、内支撑杆（211）固定并支撑在底座（212）上；所述观测系统（3）包括观支架（301）和位于支架上的DIC及显微观测仪（302）；所述控制线路群（4）包括动态力学参数采集线路（401）、冲击控制线路（402）、加热控制线路（403）和图像采集线路（404）；所述计算机控制与数据采集系统（5）包括控制箱（501）和计算机（502），控制线路群连接至控制箱，控制箱连接计算机，由计算机控制和处理采集到的数据和图像。
2.如权利要求1所述的基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，其特征在于，所述岩样（105）和径向约束钢套（106）采用5~15°的锥度设计并匹配结合。
3.如权利要求1所述的基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，其特征在于，所述支架（301）高度可调节，DIC及显微观测仪（302）由高速摄像机配合DIC测试系统与显微镜头使用，观测单齿破岩过程中岩样表面瞬态破坏行为和应变特征。
4.如权利要求1所述的基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验装置，其特征在于，所述动态力学参数采集线路（401）连接至双踪波形存储器（208），采集输入杆与输出杆上应变片的反馈信号，冲击控制线路（402）连接至高压气体爆轰入射头（206），加热控制线路（403）连接至加热线圈（104），图像采集线路（404）连接至DIC及显微观测仪（302）。
5.利用权利要求1、2、3或4所述的装置进行基于立式SHPB系统的高温高压单齿冲击破岩试验方法，依次包括如下步骤：
（1）将岩样和径向约束钢套采用5~15°的锥角关系进行匹配组装后，放入岩样夹持与加载系统内，调整观测系统支架使之位于合适高度和观测角度；
（2）通过轴压泵向岩样施加轴向压力，轴向压力通过带锥度的径向约束钢套转化为径向压力，并将压力数据记录于计算机控制与数据采集系统；
（3）通过加热线圈向岩样提供高温环境，加热控制线路将温度数据反馈至计算机控制与数据采集系统；
（4）拆卸第一保温套，计算机控制与数据采集系统通过冲击控制线路，使冲锤经过单齿向岩样施加一定的轴向冲击力；
（5）在单齿冲击破岩过程中，动态力学参数采集线路将双踪波形存储器中超动态应变仪采集到的应变信号反馈至计算机控制与数据采集系统，同时DIC及显微观测仪采集冲击瞬态过程中的岩样表面损伤与应变图像。
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