CN108709815B - 测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法，其技术方案是自增压液氮罐穿过实验腔体底端；流体回收罐与实验腔体顶端相连，流体回收罐上装有控制阀门；水压系统穿过加载设备和活塞系统与实验腔体底端相连；水压系统的另一端与计算机控制系统相连；低温控制系统与实验腔体相连；液压系统的一端与计算机控制系统相连；液压系统的另一端穿过加载设备与活塞系统相连；有益效果：本发明解决了岩心在低温/超低温条件下断裂韧性的测试问题，可较真实的模拟岩心在低温条件下的破裂，对指导低温水力压裂等现场应用具有重要意义；另外，仅通过更换不同的下垫块，即可同时测量其他的力学特性，功能多样，操作简单。

Description

测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩石力学领域，特别涉及一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法，用于获得低温条件下岩石的断裂韧性，为精细分析地层低温条件下岩石的力学特性，指导油气、矿场资源的钻采提供依据。

背景技术

1981年，美国第一口页岩气井压裂成功，验证了应用水力压裂技术开发页岩气的可行性。但由于水力压裂对水资源的大量浪费，导致法国等国家出于资源与环境的考虑先后出台法律禁止用水力压裂法开采页岩气。近年来，为解决这一难题，国内外学者提出了新型低温无水压裂技术。

低温条件下岩石的断裂韧性是判断低温无水压裂能否形成缝网的关键参数。近年来，尽管人们通过室内试验的方法获得岩石较准确的断裂韧性，但针对复杂的地质条件与岩石的特殊性，各种实验方法和装置都具有一定的适用范围。如申请号为CN106769517A，CN106644740A的发明专利分别公布了一种孔隙压力条件下测试岩石断裂韧性的实验装置和方法，虽然,能够用于研究孔隙压力、围压、温度等因素对岩石材料断裂韧性的影响，且在考虑温度影响的过程中，主要通过加热棒加温，即仅能实现高温条件，但对于无水压裂的低温环境，由于实现机理不同，利用该装置无法实现。另外，该实验装置的测试试样为3点弯曲梁，而鉴于岩石的特殊性，3点弯曲梁法的岩石试样制备困难，且难以夹持，所以应用性不强；申请号为CN07340165A的发明专利所利用的试样虽然为常用巴西圆盘试样，但在测量岩石断裂韧性时，未考虑外在温度的影响。

为满足低温无水压裂在油气开采中应用的要求，准确获得岩石在低温环境下的断裂韧性，分析低温无水压裂的机理，亟须研制出能真实反映低温状态的测量岩石断裂韧性的实验装置及方法。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置及方法，以更加准确地测试低温/超低温等极端条件下岩石的断裂韧性。

本发明提到的一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，其技术方案是：包括自增压液氮罐（1）、液氮回收罐（3）、水压系统（5）、实验腔体（9）、低温控制系统（12）、液压加载系统（13）、计算机控制系统（15），

所述自增压液氮罐通过第一高压保温管线（2）穿过实验腔体（9）底端；

液氮回收罐（3）通过第二高压保温管线（4）与实验腔体（9）顶端相连，液氮回收罐（3）上装有控制阀门；

水压系统（5）的一端通过第一耐压管线（6）穿过加载设备（7）和活塞系统（8）与实验腔体（9）底端相连；水压系统（5）的另一端通过第三数据传输线（16）与计算机控制系统（15）相连；

低温控制系统（12）通过第一数据传输线（10）与实验腔体（9）相连，第一数据传输线（10）一端配有温度传感器；

液压加载系统（13）的一端通过第二数据传输线（14）与计算机控制系统（15）相连；液压加载系统（13）的另一端通过第二耐压管线（11）穿过加载设备（7）与活塞系统（8）相连；

所述实验腔体（9）包括上垫块（21）、热缩管（22）、下垫块（24）、腔体外壳（25）、卡扣（26）、橡胶密封圈（27），所述腔体外壳（25）安置于活塞系统（8）上端，岩心（23）夹在上垫块（21）和下垫块（24）之间，热缩管（22）包裹在岩心（23）、上垫块（21）的下部分、下垫块（24）的上部分的外部；上垫块（21）穿过腔体外壳（25），通过卡扣（26）安装在腔体外壳（25）上端的上垫块（21）的外侧。

优选的，上述下垫块（24）采用A型下垫块，所述A型下垫块内设有直径略小于岩心（23）中孔直径的圆形通道，圆形通道的底端设有内螺纹；A型下垫块底端的外侧用橡胶密封圈密封。

优选的，上述下垫块（24）采用B型下垫块，所述B型下垫块中间设有圆形通道，圆形通道的底端设有内螺纹；B型下垫块底端的外侧用橡胶密封圈密封；B型下垫块的上部端面剖面上带有凹槽，便于实现流体在岩心入口端面的流动。

优选的，上述热缩管（22）的外侧分别安装轴向和径向传感器，可模拟不同的实验条件。

优选的，上述岩心（23）采用的标准为直径50mm，高度25mm，中心设置直径小于5mm的圆孔，圆孔两侧分别预制0.5mm长的翼型裂缝。

优选的，上述计算机控制系统（15）控制液压加载系统（13）给活塞系统（8）加压，使上垫块（21）与加载设备（7）接触并夹紧，且压力在2MPa。

本发明提到的一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，其技术方案是：通过测量低温下岩石断裂韧性的实验装置进行测量低温下岩石断裂韧性的实验方法，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径50mm，高度25mm，中心设置直径小于5mm的圆孔，圆孔两侧分别预制0.5mm长的翼型裂缝，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将实验的岩心置于实验腔体内，并将实验腔体置于活塞系统上；

（3）利用计算机控制系统控制液压加载系统给活塞系统加压，使上垫块与加载设备接触并夹紧，压力在2MPa，利用卡扣将上垫块密封；

（4）打开自增压液氮罐，使实验腔体内充满低温流体，同时通过控制液氮回收罐的控制阀门，维持实验腔体内的温度；

（5）打开低温控制系统，实时记录实验腔体内的温度；

（6）待温度稳定到实验设定值时，打开水压系统，由计算机控制系统给岩心施加内压，观察压力变化情况，待压力下降时，停止加压，记录最高压力值P；

（7）卸载水压系统和液压加载系统的压力，关闭自增压液氮罐，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算出该稳定温度下的岩石断裂韧性。

本发明提到的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，通过测量低温下岩石断裂韧性的实验装置进行测量低温下岩石力学性质的方法，其实验步骤如下：

利用测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，将下垫块由A型下垫块更换成B型下垫块后，并在热缩管外侧分别安装轴向和径向传感器，可模拟不同的实验条件，测量不同围压、孔隙压力和低温/超低温条件下岩石的强度，弹性模量，泊松比的力学参数，为分析低温/超低温条件下的岩石的力学行为提供支撑。

优选的，本发明的具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径50mm，高度50mm的圆柱，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将实验的岩心由上垫块和B型下垫块夹紧，外端包裹热缩管，并将测量轴向和径向位移的传感器置于热缩管外侧后，置于实验腔体内，并将实验腔体置于活塞系统上，利用卡扣将上垫块密封；

（3）打开自增压液氮罐，使实验腔体内充满低温流体，同时关闭液氮回收罐的控制阀门，维持实验腔体内的温度和压力；

（4）打开低温控制系统，实时记录实验腔体内的温度；

（5）待温度稳定到实验设定值时，利用计算机控制系统控制水压系统给岩心施加孔隙压力，当岩心充分饱和并达到设定的孔隙压力值时，维持设定的孔隙压力不变；

（6）利用计算机控制系统控制液压加载系统给活塞系统加压，直到岩心破坏，记录整个加载过程中随轴向载荷变化的岩心的轴向和径向变形；

（7）卸载水压系统和液压加载系统的压力，关闭自增压液氮罐，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算岩心在该温度、围压和孔隙压力条件下的相关力学参数。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

（1）、本发明解决了岩心在低温/超低温条件下断裂韧性的测试问题，可较真实的模拟岩心在低温条件下的破裂，对指导低温水力压裂等现场应用具有重要意义；

（2）、实现低温环境采用的自增压液氮罐，低温介质可以是液氮，液态二氧化碳等低温流体，既保证了降温安全，又可灵活地实现不同的低温环境，降温方法简单快捷；

（3）本实验装置仅通过更换不同的下垫块，即可同时测量低温/超低温环境下岩石在不同围压和孔隙压力下的力学特性，功能多样，操作简单，实验方便，减少投资。

附图说明

图1为本发明的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置示意图；

图2为实验腔体内部结构示意图；

图3为测量断裂韧性的A型下垫块结构示意图；

图4为A型下垫块的俯视图；

图5为测量力学参数的B型下垫块结构示意图；

图6为B型下垫块的顶端部分的俯视图；

图7为B型下垫块的整体的俯视图；

上图中，自增压液氮罐1、第一高压保温管线2、液氮回收罐3、第二高压保温管线4、水压系统5、第一耐压管线6、加载设备7、活塞系统8、实验腔体9、第一数据传输线10、第二耐压管线11、低温控制系统12、液压加载系统13、第二数据传输线14、计算机控制系统15、第三数据传输线16；

上垫块21、热缩管22、岩心23、下垫块24、腔体外壳25、卡扣26、橡胶密封圈27。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照附图1-4，本发明提到的一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，其技术方案是：包括自增压液氮罐1、液氮回收罐3、水压系统5、实验腔体9、低温控制系统12、液压加载系统13、计算机控制系统15，

所述自增压液氮罐通过第一高压保温管线2穿过实验腔体9底端；

液氮回收罐3通过第二高压保温管线4与实验腔体9顶端相连，液氮回收罐3上装有控制阀门；

水压系统5的一端通过第一耐压管线6穿过加载设备7和活塞系统8与实验腔体9底端相连；水压系统5的另一端通过第三数据传输线16与计算机控制系统15相连；

低温控制系统12通过第一数据传输线10与实验腔体9相连，第一数据传输线10一端配有温度传感器；

液压加载系统13的一端通过第二数据传输线14与计算机控制系统15相连；液压加载系统13的另一端通过第二耐压管线11穿过加载设备7与活塞系统8相连；

参照附图2，本发明的实验腔体9包括上垫块21、热缩管22、下垫块24、腔体外壳25、卡扣26、橡胶密封圈27，所述腔体外壳25安置于活塞系统8上端，岩心23夹在上垫块21和下垫块24之间，热缩管22包裹在岩心23、上垫块21的下部分、下垫块24的上部分的外部；上垫块21穿过腔体外壳25，通过卡扣26安装在腔体外壳25上端的上垫块21的外侧。

签字，下垫块24采用A型下垫块，所述A型下垫块内设有直径略小于岩心23中孔直径的圆形通道，圆形通道的底端设有内螺纹；A型下垫块底端的外侧用橡胶密封圈密封。

优选的，上述岩心23采用的标准为直径50mm，高度25mm，中心设置直径小于5mm的圆孔，圆孔两侧分别预制0.5mm长的翼型裂缝。

优选的，上述计算机控制系统15控制液压加载系统13给活塞系统8加压，使上垫块21与加载设备7接触并夹紧，且压力在2MPa。

本发明提到的一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，其技术方案是：通过测量低温下岩石断裂韧性的实验装置进行测量低温下岩石断裂韧性的实验方法，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径50mm，高度25mm，中心设置直径小于5mm的圆孔，圆孔两侧分别预制0.5mm长的翼型裂缝，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将实验的岩心23置于实验腔体9内，并将实验腔体9置于活塞系统8上；

（3）利用计算机控制系统15控制液压加载系统13给活塞系统8加压，使上垫块21与加载设备7接触并夹紧，压力在2MPa，利用卡扣26将上垫块21密封；

（4）打开自增压液氮罐1，使实验腔体9内充满低温流体，同时通过控制液氮回收罐3的控制阀门，维持实验腔体9内的温度；

（5）打开低温控制系统12，实时记录实验腔体9内的温度；

（6）待温度稳定到实验设定值时，打开水压系统5，由计算机控制系统15给岩心23施加内压，观察压力变化情况，待压力下降时，停止加压，记录最高压力值P；

（7）卸载水压系统5和液压加载系统13的压力，关闭自增压液氮罐1，取出岩心23，实验完毕，根据实验结果计算出该稳定温度下的岩石断裂韧性。

实施例2，本发明参照附图1-7，本发明提到的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，通过测量低温下岩石断裂韧性的实验装置进行测量低温下岩石力学性质的方法，其实验步骤如下：

利用测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，将下垫块24由A型下垫块更换成B型下垫块后，并在热缩管22外侧分别安装轴向和径向传感器，可模拟不同的实验条件，测量不同围压、孔隙压力和低温/超低温条件下岩石的强度，弹性模量，泊松比的力学参数，为分析低温/超低温条件下的岩石的力学行为提供支撑。

参照附图5-7，本发明的B型下垫块中间设有圆形通道，圆形通道的底端设有内螺纹；B型下垫块底端的外侧用橡胶密封圈密封；B型下垫块的上部端面剖面上带有凹槽，便于实现流体在岩心入口端面的流动。使用时，热缩管22的外侧分别安装轴向和径向传感器，可模拟不同的实验条件。

本发明进行测量低温下岩石力学性质的方法，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径50mm，高度50mm的圆柱，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将实验的岩心23由上垫块21和B型下垫块夹紧，外端包裹热缩管22，并将测量轴向和径向位移的传感器置于热缩管22外侧后，置于实验腔体9内，并将实验腔体9置于活塞系统8上，利用卡扣26将上垫块21密封；

（3）打开自增压液氮罐1，使实验腔体9内充满低温流体，同时关闭液氮回收罐3的控制阀门，维持实验腔体9内的温度和压力；

（4）打开低温控制系统12，实时记录实验腔体9内的温度；

（5）待温度稳定到实验设定值时，利用计算机控制系统15控制水压系统5给岩心23施加孔隙压力，当岩心23充分饱和并达到设定的孔隙压力值时，维持设定的孔隙压力不变；

（6）利用计算机控制系统15控制液压加载系统13给活塞系统8加压，直到岩心23破坏，记录整个加载过程中随轴向载荷变化的岩心23的轴向和径向变形；

（7）卸载水压系统5和液压加载系统13的压力，关闭自增压液氮罐1，取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算岩心23在该温度、围压和孔隙压力条件下的相关力学参数。

本实验装置仅通过更换不同的下垫块，即可同时测量低温/超低温环境下岩石在不同围压和孔隙压力下的力学特性，功能多样，操作简单，实验方便，减少投资。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，其特征是：包括自增压液氮罐（1）、液氮回收罐（3）、水压系统（5）、实验腔体（9）、低温控制系统（12）、液压加载系统（13）、计算机控制系统（15），

所述自增压液氮罐通过第一高压保温管线（2）穿过实验腔体（9）底端；

液氮回收罐（3）通过第二高压保温管线（4）与实验腔体（9）顶端相连，液氮回收罐（3）上装有控制阀门；

水压系统（5）的一端通过第一耐压管线（6）穿过加载设备（7）和活塞系统（8）与实验腔体（9）底端相连；水压系统（5）的另一端通过第三数据传输线（16）与计算机控制系统（15）相连；

低温控制系统（12）通过第一数据传输线（10）与实验腔体（9）相连，第一数据传输线（10）一端配有温度传感器；

液压加载系统（13）的一端通过第二数据传输线（14）与计算机控制系统（15）相连；液压加载系统（13）的另一端通过第二耐压管线（11）穿过加载设备（7）与活塞系统（8）相连；

所述实验腔体（9）包括上垫块（21）、热缩管（22）、下垫块（24）、腔体外壳（25）、卡扣（26）、橡胶密封圈（27），所述腔体外壳（25）安置于活塞系统（8）上端，岩心（23）夹在上垫块（21）和下垫块（24）之间，热缩管（22）包裹在岩心（23）、上垫块（21）的下部分、下垫块（24）的上部分的外部；上垫块（21）穿过腔体外壳（25），通过卡扣（26）安装在腔体外壳（25）上端的上垫块（21）的外侧；

所述下垫块（24）采用B型下垫块，所述B型下垫块中间设有圆形通道，圆形通道的底端设有内螺纹；B型下垫块底端的外侧用橡胶密封圈密封；B型下垫块的上部端面剖面上带有凹槽，便于实现流体在岩心入口端面的流动。

2.根据权利要求1所述的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，其特征是：所述热缩管（22）的外侧分别安装轴向和径向传感器，可模拟不同的实验条件。

3.根据权利要求1所述的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，其特征是：所述岩心（23）采用的标准为直径50mm，高度25mm，中心设置直径小于5mm的圆孔，圆孔两侧分别预制0.5mm长的翼型裂缝。

4.根据权利要求1所述的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，其特征是：所述计算机控制系统（15）控制液压加载系统（13）给活塞系统（8）加压，使上垫块（21）与加载设备（7）接触并夹紧，且压力在2MPa。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，其特征是：通过测量低温下岩石断裂韧性的实验装置进行测量低温下岩石断裂韧性的实验方法，具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径50mm，高度25mm，中心设置直径小于5mm的圆孔，圆孔两侧分别预制0.5mm长的翼型裂缝，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将实验的岩心（23）置于实验腔体（9）内，并将实验腔体（9）置于活塞系统（8）上；

（3）利用计算机控制系统（15）控制液压加载系统（13）给活塞系统（8）加压，使上垫块（21）与加载设备（7）接触并夹紧，压力在2MPa，利用卡扣（26）将上垫块（21）密封；

（4）打开自增压液氮罐（1），使实验腔体（9）内充满低温流体，同时通过控制液氮回收罐（3）的控制阀门，维持实验腔体（9）内的温度；

（5）打开低温控制系统（12），实时记录实验腔体（9）内的温度；

（6）待温度稳定到实验设定值时，打开水压系统（5），由计算机控制系统（15）给岩心（23）施加内压，观察压力变化情况，待压力下降时，停止加压，记录最高压力值P；

（7）卸载水压系统（5）和液压加载系统（13）的压力，关闭自增压液氮罐（1），取出岩心（23），实验完毕，根据实验结果计算出稳定温度下的岩石断裂韧性。

6.一种权利要求1-4中任一项所述的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，其特征是：通过测量低温下岩石断裂韧性的实验装置进行测量低温下岩石力学性质的方法，其实验步骤如下：

利用测量低温下岩石断裂韧性的实验装置，将下垫块（24）由A型下垫块更换成B型下垫块后，并在热缩管（22）外侧分别安装轴向和径向传感器，可模拟不同的实验条件，测量不同围压、孔隙压力和低温/超低温条件下岩石的强度，弹性模量，泊松比的力学参数，为分析低温/超低温条件下的岩石的力学行为提供支撑。

7.根据权利要求6所述的测量低温下岩石断裂韧性的实验装置的实验方法，其特征是：具体实验步骤如下：

（1）准备岩心：岩心标准为直径50mm，高度50mm的圆柱，为减少误差需保证岩心两端面完全平行；

（2）将实验的岩心（23）由上垫块（21）和B型下垫块夹紧，外端包裹热缩管（22），并将测量轴向和径向位移的传感器置于热缩管（22）外侧后，置于实验腔体（9）内，并将实验腔体（9）置于活塞系统（8）上，利用卡扣（26）将上垫块（21）密封；

（3）打开自增压液氮罐（1），使实验腔体（9）内充满低温流体，同时关闭液氮回收罐（3）的控制阀门，维持实验腔体（9）内的温度和压力；

（4）打开低温控制系统（12），实时记录实验腔体（9）内的温度；

（5）待温度稳定到实验设定值时，利用计算机控制系统（15）控制水压系统（5）给岩心（23）施加孔隙压力，当岩心（23）充分饱和并达到设定的孔隙压力值时，维持设定的孔隙压力不变；

（6）利用计算机控制系统（15）控制液压加载系统（13）给活塞系统（8）加压，直到岩心（23）破坏，记录整个加载过程中随轴向载荷变化的岩心（23）的轴向和径向变形；

（7）卸载水压系统（5）和液压加载系统（13）的压力，关闭自增压液氮罐（1），取出岩心，实验完毕，根据实验结果计算岩心（23）在该温度、围压和孔隙压力条件下的相关力学参数。

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