CN115683813A - 一种岩石断裂韧性测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石断裂韧性测试装置及测试方法，测试装置包括：壳体，其内部具有用于放置岩石试样的围压腔；加热装置，用于加热围压腔内的岩石试样；流体注入装置，用于向岩石试样内注入流体，以对岩石试样施加孔隙压力；加载轴，伸入围压腔内，加载轴通过向岩石试样施加压力使岩石试样断裂。本发明通过设置围压腔、加热装置和流体注入装置，实现在模拟实际地层压力、实际地层温度和实际地层孔隙压力的情况下测量岩石的断裂韧性，从而使测得的断裂韧性更准确，更接近实际情况，能满足实际工程设计的需要。

Description

一种岩石断裂韧性测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种岩石断裂韧性测试装置及测试方法。

背景技术

岩石断裂韧性是石油工程、岩土工程中重要的工程设计参数。相对于抗拉强度和抗压强度，岩石断裂韧性的大小直接表征岩石破裂时裂纹扩展路径。

虽然目前存在室内测量岩石断裂韧性的试验装置，但由于无法模拟真实地层环境，测得的岩石断裂韧性不能满足实际工程设计的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种岩石断裂韧性测试装置及测试方法，以解决现有技术无法真实测量岩石断裂韧性的问题。

为达到上述目的，本发明提出一种岩石断裂韧性测试装置，包括：壳体，其内部具有用于放置岩石试样的围压腔；加热装置，用于加热所述围压腔内的岩石试样；流体注入装置，用于向所述岩石试样内注入流体，以对所述岩石试样施加孔隙压力；加载轴，伸入所述围压腔内，所述加载轴通过向所述岩石试样施加压力使所述岩石试样断裂。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述流体注入装置包括：至少一压板，设于所述围压腔内，用于固定在所述岩石试样的外壁上，所述压板上设有注入孔；注入管线，与所述压板连接且与所述注入孔连通；注入泵，与所述注入管线连接。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述岩石试样包括两个相对的侧面，两个所述侧面上分别固定一个所述压板，每个所述压板连接一所述注入管线。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述压板的侧面上固定有多孔垫片，并通过所述多孔垫片与所述岩石试样的外壁接触，所述多孔垫片将所述压板上的注入孔与所述岩石试样内的孔隙连通。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述加载轴的朝向所述岩石试样的一端连接压头，所述加载轴和所述压头之间设有耐高温压力传感器。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述围压腔内还设有用于连接所述岩石试样的耐高温应变片，所述耐高温应变片连接数据线，所述数据线穿过所述壳体并伸出所述壳体外，以连接控制系统。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述围压腔内设有支撑架，所述壳体通过所述支撑架支撑所述岩石试样，所述支撑架和所述岩石试样线接触。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述围压腔内设有用于监测温度的热电偶。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述壳体内还设有轴压腔，所述轴压腔和所述围压腔互不连通，所述加载轴穿过所述轴压腔，所述加载轴的外壁上固定有气密环，并通过所述气密环与所述轴压腔的侧壁滑动接触，所述轴压腔通过设于所述壳体上的连通通道与外界大气连通。

如上所述的岩石断裂韧性测试装置，其中，所述壳体包括由下至上依次连接的围压座、围压筒、轴压筒和盖板，所述围压座、所述围压筒和所述轴压筒共同围成所述围压腔，所述轴压筒和所述盖板共同围成所述轴压腔，所述加载轴穿过所述盖板和所述轴压筒。

本发明还提供一种岩石断裂韧性测试方法，采用如上所述的岩石断裂韧性测试装置，所述测试方法包括：将所述岩石试样放入所述围压腔内；向所述围压腔内注入液压油，调整所述围压腔内液压油的压力，直至达到预设围压；朝所述岩石试样移动所述加载轴，直至所述加载轴与所述岩石试样接触且接触力达到预设预应力；通过所述流体注入装置向所述岩石试样内注入流体，直至所述岩石试样内达到预设孔隙压力值；启动所述加热装置，对所述围压腔内的液压油和岩石试样加热，直至达到预设温度；再次朝所述岩石试样移动所述加载轴，以对所述岩石试样施加压力，直至所述岩石试样断裂。

本发明的岩石断裂韧性测试装置及测试方法的特点和优点是：

1、本发明通过设置围压腔、加热装置和流体注入装置，实现在模拟实际地层压力、实际地层温度和实际地层孔隙压力的情况下测量岩石的断裂韧性，从而使测得的断裂韧性更准确，更接近实际情况，能满足实际工程设计的需要；

2、本发明通过设置在岩石试样的侧面设置多孔垫片和压板，使流体从岩石试样的整个侧面向内渗流，使岩石试样内部孔隙的压力分布更均匀；

3、本发明通过设置支撑架，并将支撑架设置为与岩石试样线接触，使岩石试样的整个外表面与围压腔中的液压油接触，液压油对岩石试样施加全包围式围压，更接近实际地层环境。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明的岩石断裂韧性测试装置的一方向的剖视图；

图2是本发明的岩石断裂韧性测试装置的另一方向的剖视图；

图3是本发明中流体注入装置安装在岩石试样外的示意图。

主要元件标号说明：

1、壳体；2、流体注入装置；3、加载轴；4、围压腔；5、压板；6、注入管线；

7、注入孔；8、密封套；9、多孔垫片；10、密封圈；11、压头；

12、耐高温压力传感器；13、支撑架；14、热电偶；15、围压加载通路；

16、排气通路；17、轴压腔；18、气密环；19、连通通道；20、围压座；

21、围压筒；22、轴压筒；23、盖板；24、数据线通路；25、数据线插头；

100、岩石试样；101、直切口、102、密封胶。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“上”和“下”、“顶”和“底”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。在本发明的描述中，除非另有说明，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，可以是直接连接，可以是通过中间媒介间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

实施方式一

如图1、图2所示，本发明提供一种岩石断裂韧性测试装置，包括壳体1、加热装置(图未示出)、流体注入装置2和加载轴3，壳体1的内部具有用于放置岩石试样100的围压腔4，通过向围压腔4内注入液压油对岩石试样100施加围压，以模拟实际地层压力，加热装置用于加热围压腔4内的岩石试样100，以模拟实际地层温度，流体注入装置2用于向岩石试样100内注入流体，例如流体是液体或气体，液体可以是水，通过注入流体对岩石试样100施加孔隙压力，使岩石试样100的孔隙状态更接近实际地层的孔隙状态，加载轴3伸入围压腔4内，加载轴3通过向岩石试样100施加压力(例如轴向压力)使岩石试样100断裂，以便测量断裂韧性。

本发明通过设置围压腔4、加热装置和流体注入装置2，实现在模拟实际地层压力、实际地层温度和实际地层孔隙压力的情况下测量岩石的断裂韧性，从而使测得的断裂韧性更准确，更接近实际情况，能满足实际工程设计的需要。

例如本发明使用的岩石试样100为半圆盘试样，试样的下端面中间位置处具有通过切割得到的直切口101(如图1所示)，直切口101的深度例如为半圆盘半径的五分之二，在直切口101处涂抹有密封胶102，以避免试样与液压油直接接触，较佳地，在试样的整个外表面均匀涂抹一层密封胶102，以避免试样与液压油直接接触。

在一实施例中，如图2、图3所示，流体注入装置2包括至少一压板5、注入管线6和注入泵，压板5设于围压腔4内，用于固定在岩石试样100的外壁上，压板5上设有注入孔7；注入管线6与压板5连接且与流体注入孔7连通，注入泵与注入管线6连接，注入泵将流体通过注入管线6和压板5上的注入孔7注入岩石试样100的孔隙中。

进一步，如图3所示，岩石试样100包括两个相对的侧面，两个侧面上分别固定一个压板5，每个压板5连接一注入管线6，以从岩石试样100的相对两侧注入流体，使岩石试样100内部孔隙的压力分布更均匀。

进一步，如图3所示，压板5的外周缘和岩石试样100之间通过密封套8密封，以防止流体从压板5的外周缘处流出。

进一步，如图3所示，压板5的侧面上固定有多孔垫片9，并通过多孔垫片9与岩石试样100的外壁接触，多孔垫片9将压板5上的注入孔7与岩石试样100内的孔隙连通，以将注入注入孔7的流体引流至岩石试样100的孔隙内，其中压板5既起到流体入口的作用，又起到压住多孔垫片9的作用，使流体在岩石试样100的孔隙内渗流。其中多孔垫片9和压板5的面积较大，例如覆盖岩石试样100的整个侧面，以使流体从岩石试样100的整个侧面向内渗流，使岩石试样100内部孔隙的压力分布更均匀。

具体是，如图1所示，岩石试样100的形状为半圆盘形，岩石试样100的两个相对侧面上具有凸起，两个多孔板固定在岩石试样100的相对两侧的凸起上，两个压板5分别压在两个多孔板外侧，为了将压板5的外周缘、多孔板的外周缘和岩石试样100的凸起之间密封，在三者的外缘处套设密封套8。

例如采用的密封套8是热缩套，在热缩套外侧套设多个密封圈10，以通过密封圈10将热缩套和压板5固定、以及将热缩套和凸起固定。

在一实施例中，如图1所示，加载轴3的朝向岩石试样100的一端连接压头11，压头11具有朝向岩石试样100的尖端，加载轴3和压头11之间设有耐高温压力传感器12，用于控制压头11与岩石试样100接触过程中二者之间的预应力。

在一实施例中，围压腔4内还设有用于连接岩石试样100的耐高温应变片(图未示出)，高温应变片连接数据线，数据线穿过壳体1并伸出壳体1外，以连接控制系统，耐高温应变片用于采集岩石试样100在断裂过程中的变形数据，变形数据通过数据线传输给控制系统，以供控制系统分析。

例如耐高温应变片粘贴固定于岩石试样100的轴向两端，以测量岩石试样100在断裂过程中的变形数据，耐高温应变片和岩石试样100一起被密封胶102包裹在内。

在一实施例中，如图1、图2所示，围压腔4内设有支撑架13，壳体1通过支撑架13支撑岩石试样100，支撑架13和岩石试样100线接触，具体是，支撑架13为支撑环，支撑架13的底面与壳体1的内底壁固定，支撑架13的顶面为弧形面，以通过弧形面与岩石试样100形成线接触。

本实施例通过设置支撑架13，使岩石试样100不与壳体1的内壁接触，通过将支撑架13设置为与岩石试样100线接触，使岩石试样100的整个外表面与围压腔4中的液压油接触，液压油对岩石试样100形成全包围，更接近实际地层环境。

在一实施例中，如图1、图2所示，围压腔4内设有用于监测温度的热电偶14，通过实时热电偶14监测围压腔4内的液压油的温度，便于控制和调节温度。

在一实施例中，如图1、图2所示，壳体1的侧壁上设有与围压腔4连通的围压加载通路15和排气通路16，通过围压加载通路15向围压腔4内注入液压油，在注油过程中，围压腔4内的气体从排气通路16排出。

在一实施例中，如图1、图2所示，壳体1内还设有轴压腔17，轴压腔17和围压腔4互不连通，加载轴3穿过轴压腔17，加载轴3的外壁上固定有气密环18，并通过气密环18与轴压腔17的侧壁滑动接触，气密环18可以提高加载轴3移动的平稳性，延长加载轴3的使用寿命，轴压腔17通过设于壳体1上的连通通道19与外界大气连通，以免轴压腔17内形成气体堵塞，例如连通通道19与轴压腔17的位于气密环18下方的部分连通。

在一实施例中，如图1、图2所示，壳体1包括由下至上依次连接的围压座20、围压筒21、轴压筒22和盖板23，围压座20、围压筒21和轴压筒22共同围成围压腔4，轴压筒22和盖板23共同围成轴压腔17，加载轴3穿过盖板23和轴压筒22。

具体是，例如，排气通路16和连通通道19设于轴压筒22中，围压加载通路15设于围压座20中，围压座20中还设有数据线通路24，高温应变片连接的数据线穿过数据线通路24，流体注入装置2的注入管线6穿过围压座20，热电偶14固定在围压座20的顶部，支撑座固定在围压座20的顶部，围压座20的顶部还设有数据线插头25，数据线插头25与数据线通路24对应。

其中，围压座20和围压筒21之间、围压筒21和轴压筒22之间、以及轴压筒22和盖板23之间均通过螺栓连接且通过密封圈10密封。

在一实施例中，加热装置包裹在围压筒21的外周壁上，既起到加热作用，又起到保温作用。加热装置可采用现有的加热装置，对于其具体结构，不再赘述。

实施方式二

本发明还提供一种岩石断裂韧性测试方法，其采用实施方式一的岩石断裂韧性测试装置，测试方法包括以下步骤：

步骤S1：将岩石试样100放入围压腔4内，将其放置在支撑架13上，即位于加载轴3正下方；

步骤S2：向围压腔4内注入液压油，调整围压腔4内液压油的压力，直至达到预设围压；

步骤S3：朝岩石试样100移动加载轴3，直至加载轴3与岩石试样100接触且接触力达到预设预应力；

步骤S4：通过流体注入装置2向岩石试样100内注入流体，直至岩石试样100内达到预设孔隙压力值；

步骤S5：启动加热装置，对围压腔4内的液压油和岩石试样100加热，直至达到预设温度；

步骤S6：再次朝岩石试样100移动加载轴3，以对岩石试样100施加轴向压力，直至岩石试样100断裂，通过耐高温应变片获取岩石试样100断裂过程中的变形数据，采用变形数据，利用现有计算方法计算得到岩石试样100的断裂韧性。

本实施方式中岩石断裂韧性测试装置的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (11)

1.一种岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述岩石断裂韧性测试装置包括：

壳体，其内部具有用于放置岩石试样的围压腔；

加热装置，用于加热所述围压腔内的岩石试样；

流体注入装置，用于向所述岩石试样内注入流体，以对所述岩石试样施加孔隙压力；

加载轴，伸入所述围压腔内，所述加载轴通过向所述岩石试样施加压力使所述岩石试样断裂。

2.如权利要求1所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述流体注入装置包括：

至少一压板，设于所述围压腔内，用于固定在所述岩石试样的外壁上，所述压板上设有注入孔；

注入管线，与所述压板连接且与所述注入孔连通；

注入泵，与所述注入管线连接。

3.如权利要求2所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述岩石试样包括两个相对的侧面，两个所述侧面上分别固定一个所述压板，每个所述压板连接一所述注入管线。

4.如权利要求2所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述压板的侧面上固定有多孔垫片，并通过所述多孔垫片与所述岩石试样的外壁接触，所述多孔垫片将所述压板上的注入孔与所述岩石试样内的孔隙连通。

5.如权利要求1所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述加载轴的朝向所述岩石试样的一端连接压头，所述加载轴和所述压头之间设有耐高温压力传感器。

6.如权利要求1所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述围压腔内还设有用于连接所述岩石试样的耐高温应变片，所述耐高温应变片连接数据线，所述数据线穿过所述壳体并伸出所述壳体外，以连接控制系统。

7.如权利要求1所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述围压腔内设有支撑架，所述壳体通过所述支撑架支撑所述岩石试样，所述支撑架和所述岩石试样线接触。

8.如权利要求1所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述围压腔内设有用于监测温度的热电偶。

9.如权利要求1所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述壳体内还设有轴压腔，所述轴压腔和所述围压腔互不连通，所述加载轴穿过所述轴压腔，所述加载轴的外壁上固定有气密环，并通过所述气密环与所述轴压腔的侧壁滑动接触，所述轴压腔通过设于所述壳体上的连通通道与外界大气连通。

10.如权利要求9所述的岩石断裂韧性测试装置，其特征在于，所述壳体包括由下至上依次连接的围压座、围压筒、轴压筒和盖板，所述围压座、所述围压筒和所述轴压筒共同围成所述围压腔，所述轴压筒和所述盖板共同围成所述轴压腔，所述加载轴穿过所述盖板和所述轴压筒。

11.一种岩石断裂韧性测试方法，其特征在于，所述测试方法采用权利要求1至10任一项所述的岩石断裂韧性测试装置，所述测试方法包括：

将所述岩石试样放入所述围压腔内；

向所述围压腔内注入液压油，调整所述围压腔内液压油的压力，直至达到预设围压；

朝所述岩石试样移动所述加载轴，直至所述加载轴与所述岩石试样接触且接触力达到预设预应力；

通过所述流体注入装置向所述岩石试样内注入流体，直至所述岩石试样内达到预设孔隙压力值；

启动所述加热装置，对所述围压腔内的液压油和岩石试样加热，直至达到预设温度；

再次朝所述岩石试样移动所述加载轴，以对所述岩石试样施加压力，直至所述岩石试样断裂。

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