CN115356223B - 基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置及方法，属于深部开采及岩石力学性质相关技术领域。装置包括：腔体、真多轴加载系统、划痕系统、温控系统、流体泵注系统、数据采集系统及数据处理控制系统，利用该装置可以模拟真实的温度‑应力‑渗流环境，并在该环境下按照预设路线进行划痕实验，测量得到页岩脆性指数连续剖面。本发明解决了现有技术中只能在常温常压下进行常规压痕及划痕力学参数实验的缺陷，测试简单，成本低，能大范围识别层理、裂缝及非均质程度，样品损耗量小，高效且得到的页岩脆性指数数据连续性好，可为深部软岩隧道超前钻孔预测、围岩支护及页岩油气压裂工艺设计提供有效实验支撑。
Description
技术领域
本发明涉及深部开采及岩石力学性质相关技术领域，尤其涉及一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置及方法。
背景技术
岩石脆性指数表征岩石发生破裂前的瞬态变化快慢（难易）程度，反映的是储层压裂后形成裂缝的复杂程度。通常，脆性指数高的地层性质硬脆，对压裂作业反应敏感，能够迅速形成复杂的网状裂缝；反之，脆性指数低的地层则易形成简单的双翼型裂缝。因此，岩石脆性指数是表征储层可压裂性必不可少的参数。
目前，页岩脆性指数主要采用常规压痕及划痕岩石力学实验（在常温常压下进行）和全岩矿物分析来获取。但是，页岩作为一种特殊的软岩，容易破碎、泥化，加之矿产资源开采逐渐向深部发展，地质构造环境复杂，页岩储层又广泛发育孔隙、裂隙、层理及多组分矿物，使得取芯作业变得十分困难。而常规压痕及划痕试验测试结果具有很强的波动性，往往需要进行多次试验才能保证结果的可靠性。但试验破坏性强，对样品损耗大，由于井下样品获取困难，因此样品比较宝贵，从而导致常规压痕及划痕试验成本高。另外，工程施工尺度达到1~10公里，在如此大的范围内具有极强的非均质性，需要开展超大规模的岩石力学试验工作。而且会受到包括流体、温度、应力、渗流作用、层理裂缝等复杂环境的影响。此外，常规压痕及划痕试验只能获得离散的数据点，难以形成连续曲线变化。
因此，在页岩脆性指数获取上，需要形成一种连续性好、测试简单、成本低、大范围识别层理、裂缝及非均质程度、样品损耗量小且高效的技术方案。划痕技术虽然可以获取连续岩石力学参数曲线应用于页岩脆性评价中，然而，目前的划痕实验装备只能在常温常压下开展实验，难以实现原位温度-应力-流体赋存环境的连续性质分析及脆性评价。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案。
本发明第一方面提供了一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，包括：腔体、真多轴加载系统、划痕系统、温控系统、流体泵注系统、数据采集系统及数据处理控制系统；
所述划痕系统用于利用自动化拆装的多种划痕刀头对样品进行划痕试验，且划痕刀头的数量和位置根据试验需求进行自由调整；
所述真多轴加载系统和所述划痕系统中均包括多个可伸缩的压力柱，所述腔体由磁吸面围成，所述压力柱通过后端设置的磁吸器可拆装固定在所述磁吸面上；所述真多轴加载系统的各压力柱在对应的各自轴向对样品独立施加应力并联动控制，所述真多轴加载系统的所述压力柱的数量和位置以及施加应力的大小根据实际地层中的应力进行确定和动态调整；所述压力柱的长度根据样品的大小和形状进行伸缩调整；
所述温控系统用于控制样品表面及其周围的温度达到实际地层中的温度值；
所述流体泵注系统用于向样品上端面注入能够模拟地层渗流液压力和温度的流体；
所述数据采集系统用于采集竖向位移、竖向应力、水平位移、水平应力、样品表面及其周围的温度、用于获得划痕表观深度和宽度的激光信号、和高速摄像仪获取的图像数据，所述图像数据用于观察划痕刀头经过后样品表面的痕迹变化以及流体浸泡作用下的痕迹变化；
所述数据处理控制系统用于建立竖向应力、水平应力及划痕深度随水平位移的变化关系；还用于根据所述数据采集系统采集的数据计算断裂韧性、硬度及弹性模量，并根据划痕脆性指数公式建立脆性指数随水平位移的连续剖面；还用于对所述装置的其他系统生成并发送相应的控制指令对其进行操作控制；还用于显示采集或处理得到的数据和变化关系；
其中，所述断裂韧性、硬度、弹性模量根据如下公式计算：
所述划痕脆性指数公式为：
公式中，
为断裂韧性，
为竖向位移，
为竖向应力，
为划痕系统的压力柱施加的应力，
为硬度，
为弹性模量，
为弹性系数，
为水平应力，
为脆性指数，
为脆性系数。
优选地，所述真多轴加载系统还包括柔性压力面，所述柔性压力面设置在所述压力柱的前端，所述柔性压力面位于样品的侧面和顶面方向。
优选地，所述划痕系统还包括设置在所述压力柱前端的划痕刀头、刀头放置转盘和刀头机械手，所述刀头放置转盘上放置有各种所需刀头，所述刀头机械手用于按照指令拆装刀头。
优选地，所述温控系统包括金属加热板、散热格栅和温度传感器，所述金属加热板和散热格栅间隔设置且位于样品周围。
优选地，所述流体泵注系统包括：流体腔、与所述流体腔上端连接的流体通道和气体通道、以及与所述流体腔下端连接的渗流液输出通道和渗流液输出管，所述渗流液输出管与样品上端面的空腔连通；所述流体腔的下端设置有流量控制计，所述流体腔的周围设置有温度传感器与加热装置；所述流体通道依次包括流体注入口、流体注入通道和多个中间容器；所述气体通道依次包括管道连通的气瓶、气压泵和柱塞泵；所述气体通道上设置有气压计。
优选地，所述数据采集系统包括用于测量各压力柱施加应力的压力传感器、测量应力加载过程中竖向位移和水平位移的位移传感器、用于观察划痕刀头经过后样品表面的痕迹变化以及流体浸泡作用下的痕迹变化的高速摄像仪、用于获得划痕表观深度和宽度的激光测量仪、和用于实时监测压力柱与划痕刀头位置的磁吸位移器，以使刀头能够按照所述数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验。
优选地，所述装置还包括底部旋转平台，所述底部旋转平台用于带动样品旋转，实现对样品的各个面的划痕试验。
优选地，所述装置还包括四向固定器和螺旋控制杆，所述四向固定器包含四个固定角，用于对样品进行夹持固定；所述螺旋控制杆用于根据样品大小调节样品底部固定空间大小。
本发明第二方面提供了一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的方法，利用如第一方面所述的装置进行实施，所述方法包括：
采用线切割加工得到样品，并将样品置于所述装置中固定；
根据样品在实际地层中的应力状态，确定所述真多轴加载系统中的压力柱的数量和位置，并利用各压力柱对样品施加多轴应力，以使样品恢复到实际地层的应力状态，并根据实际地层环境调整样品所处环境的温度及渗流情况，实现对真实的温度-应力-渗流环境的模拟；
在恒定应力作用下，按照所述数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验，记录划痕刀头竖向位移、水平位移和水平应力，并通过高速摄像仪观测样品表面的痕迹，通过激光测量仪的激光信号获得划痕表观深度和宽度，
根据采集的数据计算样品的断裂韧性、硬度和弹性模量，并计算脆性指数随水平位移的连续剖面。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置及方法，可以模拟真实的温度-应力-渗流环境，并在该环境下按照预设路线进行划痕实验，测量得到页岩脆性指数连续剖面，解决了现有技术中只能在常温常压下进行岩石常规压痕及划痕力学参数实验的缺陷，是一种测试简单、成本低、能大范围识别层理、裂缝及非均质程度、样品损耗量小、高效且得到的页岩脆性指数数据连续性好的技术方案，可以为深部软岩隧道超前钻孔预测、围岩支护及页岩油气压裂工艺设计提供有效实验支撑，还可作为传统岩石力学评价的一个重要补充。
附图说明
图1为本发明所述基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置整体结构主视图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明所述基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置局部结构俯视图；
图中，各符号的含义如下：
1、磁吸面；2、高速摄像仪；3、位移传感器；4、刀头；5、压力柱；6、磁吸器；7、第一压力传感器；8、激光测量仪；9、样品；10、四向固定器；11、底座；12、刀头放置转盘；13、底部旋转平台；14、刀头机械手；15、数据处理控制系统；16、伺服控制装置；17、第二压力传感器；18、凹槽；19、柔性压力面；20、渗流液输出管；21、流量控制计；22、流体腔；23、中间容器；24、ISCO泵；25、气压泵；26、气瓶；27、气压计；28、流体注入口；29、流体注入通道；30、阀门；31、温度传感器与加热装置；32、渗流液输出通道；33、温度传感器；34、金属加热板；35、散热格栅。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明针对现有技术中存在的问题，采用划痕实验的方法测量页岩脆性指数连续性变化。而且考虑到矿产资源的深部发展过程中，温度-渗流-应力等因素对岩石力学脆性指数的高度影响，将复杂温度-应力-渗流条件进行耦合，提出了高温高压流体环境下的划痕测试脆性指数连续性剖面的装置和方法。
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，包括：腔体、真多轴加载系统、划痕系统、温控系统、流体泵注系统、数据采集系统及数据处理控制系统15。
所述划痕系统用于利用自动化拆装的多种划痕刀头4对样品进行划痕试验，且划痕刀头的数量和位置根据试验需求进行自由调整。
所述真多轴加载系统和所述划痕系统中均包括多个可伸缩的压力柱5，所述腔体由磁吸面1围成，所述压力柱5通过后端设置的磁吸器6可拆装固定在所述磁吸面1上；所述真多轴加载系统的各压力柱5在对应的各自轴向对样品9独立施加应力并联动控制，所述真多轴加载系统的所述压力柱5的数量和位置以及施加应力的大小根据实际地层中的应力进行确定和动态调整；所述压力柱5的长度根据样品的大小和形状进行伸缩调整。
所述温控系统用于控制样品表面及其周围的温度达到实际地层中的温度值。
所述流体泵注系统用于向样品上端面注入能够模拟地层渗流液压力和温度的流体。
所述数据采集系统用于采集竖向位移、竖向应力、水平位移、水平应力、样品表面及其周围的温度、用于获得划痕表观深度和宽度的激光信号、高速摄像仪获取的图像数据，所述图像数据用于观察划痕刀头经过后样品表面的痕迹变化以及流体浸泡作用下的痕迹变化。
所述数据处理控制系统用于建立竖向应力、水平应力及划痕深度随水平位移的变化关系；还用于根据所述数据采集系统采集的数据计算断裂韧性、硬度及弹性模量，并根据划痕脆性指数公式建立脆性指数随水平位移的连续剖面；还用于对所述装置的其他系统生成并发送相应的控制指令对其进行操作控制；还用于显示采集或处理得到的数据和变化关系。
其中，所述断裂韧性、硬度、弹性模量根据如下公式计算：
所述划痕脆性指数公式为：
公式中，
为断裂韧性，
为竖向位移，
为竖向应力，
为划痕系统的压力柱施加的应力，
为硬度，
为弹性模量，
为弹性系数，
为水平应力，
为脆性指数，
为脆性系数。
在本发明提供的装置中，所述真多轴加载系统除了包括多个压力柱外，还包括柔性压力面19，所述柔性压力面19设置在所述压力柱5的前端，所述柔性压力面19位于样品的侧面和顶面方向。
所述划痕系统除了包括多个压力柱外，还包括设置在所述压力柱前端的划痕刀头4、刀头放置转盘12和刀头机械手14，所述刀头放置转盘12上放置有各种所需刀头，所述刀头机械手14用于按照指令拆装刀头。
其中，在柔性压力面靠近划痕刀头的一端可以设置有凹槽18，划痕刀头可以在凹槽内进行划痕。通过采用这种结构，可以实现在样品受压条件下进行划痕实验，最大程度模拟了样品真实的压力环境，得出的划痕数据更加真实、准确。
本发明提供的所述温控系统包括金属加热板34、散热格栅35和温度传感器33，所述金属加热板34和散热格栅35间隔设置且位于样品周围。
在本发明的一个实施例中，所述流体泵注系统包括：流体腔22、与所述流体腔22上端连接的流体通道和气体通道、以及与所述流体腔下端连接的渗流液输出通道32和渗流液输出管20，所述渗流液输出管20与样品上端面的空腔连通；所述流体腔22的下端设置有流量控制计21，所述流体腔22的周围设置有温度传感器与加热装置31；所述流体通道依次包括流体注入口28、流体注入通道29和多个中间容器23；所述气体通道依次包括管道连通的气瓶26、气压泵25和柱塞泵，柱塞泵优选为ISCO泵24；所述气体通道上设置有气压计27。
使用时，可以打开流体注入口注入实验所需的流体到流体腔，然后温度传感器与加热装置对流体加热至设定温度，由气瓶提供气源，经气压泵加压，同时ISCO泵增压，打开各个流体腔对应的阀门30，开始向渗流液输出通道输出流体，同时流量控制计对流体流量进行监测与控制。
本发明中，所述数据采集系统包括用于测量各压力柱施加应力的压力传感器，具体为位于划痕系统的压力柱上的第一压力传感器7和和位于真多轴加载系统的压力柱上的第二压力传感器17。数据采集系统还包括测量应力加载过程中竖向位移和水平位移的位移传感器3、用于观察划痕刀头经过后样品表面的痕迹变化以及流体浸泡作用下的痕迹变化的高速摄像仪2、用于获得划痕表观深度和宽度的激光测量仪8、用于实时监测压力柱与划痕刀头位置的磁吸位移器，以使刀头能够按照所述数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验。
在本发明的一个优选实施例中，所述装置还包括底部旋转平台13，所述底部旋转平台13用于带动样品旋转，实现对样品的各个面的划痕试验。
另外，所述装置还包括四向固定器10和螺旋控制杆，所述四向固定器10包含四个固定角，用于对样品进行夹持固定；所述螺旋控制杆用于根据样品大小体调节样品底部固定空间大小。其中，可以将四向固定器、螺旋控制杆和样品等都设置在底座11上，并将底座安装在所述底部旋转平台上。
本发明还提供了一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的方法，利用本发明提供的装置进行实施，所述方法包括：
采用线切割加工得到样品，并将样品置于所述装置中固定；
根据样品在实际地层中的应力状态，确定所述真多轴加载系统中的压力柱的数量和位置，并利用各压力柱对样品施加多轴应力，以使样品恢复到实际地层的应力状态，并根据实际地层环境调整样品所处环境的温度及渗流情况，实现对真实的温度-应力-渗流环境的模拟，从而最大程度上模拟真实环境；在恒定应力作用下，按照所述数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验，记录划痕刀头竖向位移、水平位移和水平应力，并通过高速摄像仪观测样品表面的痕迹，通过激光测量仪的激光信号获得划痕表观深度和宽度；根据采集的数据计算样品的断裂韧性、硬度和弹性模量，并计算脆性指数随水平位移的连续剖面。
在上述方法中，可以将样品加工成圆柱形或长方体或其他形状，如果钻取样品难度高，可以采用线切割进行加工。加工好的样品可以通过装置中的四向固定器对样品进行夹持固定。在放置样品之前，可以利用螺旋控制杆根据样品大小调节底部固定空间大小，以使空间适应样品大小。因此，本发明提供的装置，可以灵活的满足于多种大小的样品，样品的加工要求得到了极大的降低，提高了样品加工的效率。将样品固定好之后，可以应用真多轴加载系统对样品进行多轴应力加载，加载应力和位移可以根据伺服控制装置16准确控制，以实现样品原始地应力环境模拟；另外，还可以通过温控系统，将样品及其周围的温度控制到试验要求的温度，直到温度传感器的结果趋于稳定。本发明提供的温控系统通过金属加热板进行加热升温，散热格栅进行散热降温，因此，可以很快速的实现温度升降，满足实际地层环境中高温的要求。模拟了实际地层的压力和温度环境之后，还可以通过流体泵注系统模拟渗流环境。向流体腔注入实验所用流体（液氮、水、泥浆或压裂液等），ISCO泵加压后，打开阀门，流体腔内流体流出混合，保持一段时间，流入样品上端面的腔体中，让流体与页岩表面充分接触，模拟样品的渗流环境。在模拟的压力-温度-渗流环境下，控制划痕刀头接触到样品表面，逐渐施加载荷，对样品进行划痕试验；压力柱与划痕刀头工作同时记录竖向应力、水平应力、竖向位移及水平位移；
根据采集到的数据，利用如下公式计算断裂韧性，硬度及弹性模量：
其中，
为断裂韧性，
为竖向位移，
为竖向应力，
为划痕系统的压力柱施加的载荷，
为硬度，
为弹性模量，
为弹性系数，
为水平应力，
为脆性指数，
为脆性系数；
最后，根据脆性指数公式绘制脆性指数随着水平位移的连续剖面：
本发明提供的装置及方法，主要进行了如下的改进和创新：
1.腔体采用磁吸面围成。磁吸面可以实现真多轴加载系统和划痕系统中压力柱的数量自由控制和位置自由移动，而且其位置和数量还可以由数据处理控制系统控制，可以根据实验需要灵活自由调整；
2.有多种划痕刀头可以选择变换，而且刀头更换工作都可以自动化完成，由数据处理控制系统控制，不需要人力十分方便；
3.可以实现对各种大小和形状的样品的实验，不需要进行过于复杂的加工，因为真多轴加载系统和划痕系统中压力柱都带有伸缩功能，使得压力面和刀头可以通过压力柱的伸缩改变位置，适应样品的形状和大小，而且在磁吸面上可自由调整压力柱位置，进而调整压力面和刀头对应于磁吸面的位置，样品固定器可以根据样品大小自动调整适应；
4.由金属加热板、散热格栅及温度传感器组成温控系统，可以快速实现高温环境，可以根据页岩样品真实环境温度设定实验温度，最大限度模拟真实环境温度情况；
5. 数据处理控制系统可以对压力面、划痕刀头位置及伸缩、刀头更换、流体控制、温度控制、应力控制、各个传感器数据采集与处理、高速摄像仪及激光测量仪等各种装置控制、能实时反馈实验情况，简单方便的对发出指令；
6.在流体腔内可以同时注入多种流体，通过流量控制计控制流量，还可以对流体加热，可最大限度模拟页岩样品渗流环境；
7. 划痕刀头、压力面、压力柱、底部旋转平台可以在数据处理控制系统的控制下联动协作，根据系统设定的划痕位置进行划痕；
8.压力面主要用来对样品施加压力，模拟真实的高压环境，压力面可以自由移动位置及伸缩，还可与样品表面实现柔性自洽紧密贴合，最大限度地模拟页岩的受力环境；
9.现有的真三轴系统，只能在xyz方向进行加载，无法真实模拟受力环境，本发明中的真多轴系统中的压力柱数量、位置、压力大小、伸缩都可以通过控制系统简易操作控制，可以实现对样品的全方位压力加载，顶部及侧面均有压力面，共同作用实现真实的高压环境；
10.可以实现多样品的多个面及多个位置划痕，打破了现有的划痕实验的诸多限制；
11.实验过程可以记录竖向应力、水平应力、竖向位移及水平位移等数据，然后根据公式自动计算断裂韧性、硬度及弹性模量等，最后再根据划痕脆性指数公式绘制脆性指数随着水平位移的连续剖面。
本发明的优点及有益效果包括：
一、真多轴加载
1.采用多轴独立加载联动控制，不同于现有真三轴只能在xyz三个方向施加应力，真多轴可以根据需要调整轴数，也可以在任何方向施加应力，应力的大小可以通过系统指令控制，更加符合页岩真实的受力环境；
2.与样品表面接触的应力面的形状可以根据需要改变，可以与样品表面实现柔性自洽，与样品全方位紧密贴合，可以更好模拟真实环境受力情况，并且易拆卸，容易更换，适应性强；
3.真多轴均磁吸在表面上，利用磁吸控制技术，通过系统指令自动调整真多轴的位置，实现真多轴施加应力能根据样品的位置与形状灵活改变；
4.底部的旋转平台可以实现样品的旋转，这样能实现样品的多个面均能划到，得到连续剖面数据。
5.真多轴系统的各个压力柱不仅可以实现施加应力，还可以伸缩调整位置。
二、划痕刀头
1.通过样品底部的旋转平台可以实现样品的旋转，划痕刀头可以实现对样品各个侧面进行划痕；
2.刀头形状有多种，可以根据需要改变，而且过程十分简单，更换不同刀头可以通过刀头放置转盘和刀头机械手实现，刀头放置转盘上有各种各样的刀头，根据实验需要可以用机械手抓取刀头迅速对实验刀头进行更换；
3.划痕刀头后端的压力柱为划痕提供力还可以进行伸缩，可以灵活的调整与样品间的距离，方便划痕实验；
4.可以根据磁吸位移器监测到刀头的实时位置，从而可以按照数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验。
三、样品
1.不限样品的形状，一般加工为长方体，但也可以实现多种形状长宽高斜曲不规则样品的实验，加工过程可以用切割加工，难度较低；
2.样品可以通过四向固定器进行固定，还可以通过螺旋控制杆根据样品大小调节样品底部固定空间大小；
3.可以对样品的多个面进行划痕；
4．实验过程仅对样品浅表层有损坏，不影响后续其他实验，即样品的使用重复性高，降低了样品成本；
5．可以获取页岩样品长轴方向的脆性指数连续曲线剖面，大大减弱了结果离散性和随机性；
6．在温度-应力-渗流环境下开展实验，最大程度的模拟原位岩石力学性质，解决现有划痕设备仅能在常温常压下开展实验的现状。本发明所述的装置及方法可为深部软岩隧道超前钻孔预测、围岩支护及页岩油气压裂工艺设计提供有效实验支撑，可作为传统岩石力学评价的一个重要补充。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，包括：腔体、真多轴加载系统、划痕系统、温控系统、流体泵注系统、数据采集系统及数据处理控制系统；
所述划痕系统用于利用自动化拆装的多种划痕刀头对样品进行划痕试验，且划痕刀头的数量和位置根据试验需求进行自由调整；
所述真多轴加载系统和所述划痕系统中均包括多个可伸缩的压力柱，所述腔体由磁吸面围成，所述压力柱通过后端设置的磁吸器可拆装固定在所述磁吸面上；所述真多轴加载系统的各压力柱在对应的各自轴向对样品独立施加应力并联动控制，所述真多轴加载系统的所述压力柱的数量和位置以及施加应力的大小根据实际地层中的应力进行确定和动态调整；所述压力柱的长度根据样品的大小和形状进行伸缩调整；
所述温控系统用于控制样品表面及其周围的温度达到实际地层中的温度值；
所述流体泵注系统用于向样品上端面注入能够模拟地层渗流液压力和温度的流体；
所述数据采集系统用于采集竖向位移、竖向应力、水平位移、水平应力、样品表面及其周围的温度、用于获得划痕表观深度和宽度的激光信号、和高速摄像仪获取的图像数据，所述图像数据用于观察划痕刀头经过后样品表面的痕迹变化以及流体浸泡作用下的痕迹变化；
所述数据处理控制系统用于建立竖向应力、水平应力及划痕深度随水平位移的变化关系；还用于根据所述数据采集系统采集的数据计算断裂韧性、硬度及弹性模量，并根据划痕脆性指数公式建立脆性指数随水平位移的连续剖面；还用于对所述装置的其他系统生成并发送相应的控制指令对其进行操作控制；还用于显示采集或处理得到的数据和变化关系；
其中，所述断裂韧性、硬度、弹性模量根据如下公式计算：
所述划痕脆性指数公式为：
公式中，
为断裂韧性，
为竖向位移，
为竖向应力，
为划痕系统的压力柱施加的应力，
为硬度，
为弹性模量，
为弹性系数，
为水平应力，
为脆性指数，
为脆性系数。
2.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述真多轴加载系统还包括柔性压力面，所述柔性压力面设置在所述压力柱的前端，所述柔性压力面位于样品的侧面和顶面方向。
3.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述划痕系统还包括设置在所述压力柱前端的划痕刀头、刀头放置转盘和刀头机械手，所述刀头放置转盘上放置有各种所需刀头，所述刀头机械手用于按照指令拆装刀头。
4.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述温控系统包括金属加热板、散热格栅和温度传感器，所述金属加热板和散热格栅间隔设置且位于样品周围。
5.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述流体泵注系统包括：流体腔、与所述流体腔上端连接的流体通道和气体通道、以及与所述流体腔下端连接的渗流液输出通道和渗流液输出管，所述渗流液输出管与样品上端面的空腔连通；所述流体腔的下端设置有流量控制计，所述流体腔的周围设置有温度传感器与加热装置；所述流体通道依次包括流体注入口、流体注入通道和多个中间容器；所述气体通道依次包括管道连通的气瓶、气压泵和柱塞泵；所述气体通道上设置有气压计。
6.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述数据采集系统包括用于测量各压力柱施加应力的压力传感器、测量应力加载过程中竖向位移和水平位移的位移传感器、用于观察划痕刀头经过后样品表面的痕迹变化以及流体浸泡作用下的痕迹变化的高速摄像仪、用于获得划痕表观深度和宽度的激光测量仪、和用于实时监测压力柱与划痕刀头位置的磁吸位移器，以使刀头能够按照所述数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验。
7.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述装置还包括底部旋转平台，所述底部旋转平台用于带动样品旋转，实现对样品的各个面的划痕试验。
8.如权利要求1所述的基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的装置，其特征在于，所述装置还包括四向固定器和螺旋控制杆，所述四向固定器包含四个固定角，用于对样品进行夹持固定；所述螺旋控制杆用于根据样品大小调节样品底部固定空间大小。
9.一种基于高温高压划痕测量页岩脆性指数连续剖面的方法，其特征在于，利用如权利要求1-8任一项所述的装置进行实施，所述方法包括：
采用线切割加工得到样品，并将样品置于所述装置中固定；
根据样品在实际地层中的应力状态，确定所述真多轴加载系统中的压力柱的数量和位置，并利用各压力柱对样品施加多轴应力，以使样品恢复到实际地层的应力状态，并根据实际地层环境调整样品所处环境的温度及渗流情况，实现对真实的温度-应力-渗流环境的模拟；
在恒定应力作用下，按照所述数据处理控制系统中的预设路线进行划痕试验，记录划痕刀头竖向位移、水平位移和水平应力，并通过高速摄像仪观测样品表面的痕迹，通过激光测量仪的激光信号获得划痕表观深度和宽度；
根据采集的数据计算样品的断裂韧性、硬度和弹性模量，并计算脆性指数随水平位移的连续剖面。
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Citations (7)
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|---|---|---|---|---|
| CN106248494A (zh) * | 2016-08-29 | 2016-12-21 | 中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院 | 一种用于页岩气井储层脆性综合评价的方法 |
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Patent Citations (7)
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| CN107063905A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-08-18 | 西南石油大学 | 一种基于划痕实验的页岩断裂韧性计算方法 |
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