CN105891011A - 一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其特征在于，下样台的部件声发射探头孔用于安置声发射探头，下样台的部件盛液槽用于盛放不同液体或压裂液，为测试摩擦面提供液浴环境。球头座为保证上、下样品的面-面接触进行微调的机构，通过旋紧微调螺栓将球座和球头锁死，柔性钢丝绳牵引拉环，绕过手摇锥面螺杆与下端大质量砝码相连，大质量砝码置于电子称上，电子称通过数据采集卡连接于电脑上，手摇锥面螺杆包含普通等径螺杆部分、直径渐增螺杆部分和手摇曲柄部分，通过摇动曲柄，使钢丝绳向锥面大经方向移动，使钢丝绳牵引大质量砝码向上移动，承载砝码部分质量。电子称和位移计量器同步连续记录，并智能采集到计算机程序进行数据存储。可实现不同流体作用下的岩石断面的微滑动摩擦行为及特征的测量。

Description

一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置

技术领域

本发明是关于页岩气储层体积压裂增产技术，特别是关于一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置。

背景技术

页岩气开发都需要实施水力压裂进行人工造缝，以在储层中形成具有高导流能力的复杂缝网***，从而获得工业气流。与常规天然气储层不同的是，获得高产必须最大程度的激活天然裂缝并发生剪切滑移，实现天然裂缝之间的贯通和自支撑。现阶段的页岩成网潜力评价大多集中于脆性的评价，脆性是针对基质的评价指标，而针对天然裂缝能否发生剪切滑移，目前国内外还没有相应的评价方法。

缝面摩擦强度是天然裂缝剪切滑移控制因素之一。水力压裂泵入大量的压裂液，除了对页岩储层的局部应力场改变进行力学造缝外，流体-岩石的相互作用还会改变裂缝表面的摩擦系数。压裂液影响缝面摩擦系数主要表现在两方面：一方面，压裂液对页岩缝面矿物的化学作用以致其软化，摩擦系数降低；另一方面，附着于表面的水分子减阻剂会起到液膜作用，降低了表面摩擦系数。因此评价不同压裂液对缝面摩擦强度的影响规律对于研究页岩体积缝网的形成非常重要，目前国内外还没有合理的评价装置和评价方法，设计一套进行页岩天然缝面摩擦强度规律的装置十分有必要。现有技术如下：

一、直剪摩擦试验机

目前，可通过直剪的方法测定岩石的摩擦强度。将岩石样品加工后，剪切滑动的摩擦面经过人工打磨，至光滑平整后置入上、下试验样品盒中，保证对磨面出露一定高度。然后将上、下岩样完全对齐，放置在液压压机，下试验盒固定。实验开始时，上试验盒正上方施加正压力，侧向施加切向力。通过改变正压力，记录该过程中的切向力和横向位移，即可得出不同正压力条件下岩石的摩擦强度。但是存在一些不足，首先，使用该方案进行摩擦强度实验，需要对岩石样品两摩擦面进行精细的切割、打磨等处理加工流程，该过程中需要用水或其它流体对切割打磨过程予以润滑和冷却，引入的流体会对摩擦面产生较大程度的污染，所测得的摩擦强度存在较大程度的失真；其次，经过打磨的岩石表面光滑均匀，粗糙度较小，而天然裂缝面往往表现为非均质性强、粗糙度大等特性，实验中的打磨面与天然裂缝缝面状态差异较大；再次，整个实验过程需要伺服液压压机配套，运行成本和技术水平要求较高；最后，无法测试流体作用下岩石缝面的摩擦强度。

二、三轴摩擦实验装置

除了直剪摩擦实验外，也可以通过三轴摩擦实验方法对岩石的摩擦强度进行测试。该测试方法与岩石三轴强度实验类似，将样岩石品制作成圆柱形标准试件，再将圆柱形试件按一定角度剖开形成一对斜面作为摩擦面，其中一块端面正中心钻一贯穿孔至摩擦面。两摩擦面对接后用热缩管固定，按照岩石力学实验操作步骤置于三轴压机压头上。实验开始时，施加预定围压，然后施加一定孔隙流体压，流体(一般为水)经过贯穿孔至摩擦面，记录轴向施加应力力和轴向位移，实现流体-岩石作用状态下的摩擦强度实验。但是存在一些缺点，首先，使用该方案进行摩擦强度实验，需要对岩石样品两摩擦面进行精细的切割、打磨等处理加工流程，该过程中需要用水或其它流体对切割打磨过程予以润滑和冷却，这个过程引入的流体会对摩擦面产生较大程度的污染，所测得的摩擦强度存在一定程度的失真；其次，经过打磨的岩石表面光滑均匀，粗糙度较小，而天然裂缝面往往表现为非均质性强、粗糙度大等特性，实验中的打磨面与天然裂缝缝面状态差异较大；再次，实验过程中的应力施加和位移记录均需要伺服液压压机的配套，对设施性能要求很高；最后，由于液压压机孔隙压力施加通常为水或者氮气，无法换成滑溜水等其它含有压裂液成分的流体，所以无法实现不同压裂液作用下的摩擦强度的测定。

发明内容

本发明所要解决的一种技术问题是提供一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，该装置可以测量岩石样品在不同流体作用下的摩擦强度随正压力的变化关系，了解该岩石样品的摩擦强度与正应力的关系、不同压裂液对摩擦强度的影响规律等。考虑到压裂施工现场的复杂性等条件，该装置测量精度高，运行成本低，，且方便现场测量分析。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其结构包括图1中所示的部件1～15。其特征在于，隔振台为整个装置提供稳定的实验平台；水平导轨与下样台滑台相配合，形成摩擦系数低于0.05的水平导轨组，以减小实验测试误差；固定于导轨上的位移计量器为测试提供位移的动态记录；限位器为两个块状金属体，用于下样台的起滑、终滑位置限定；下样台的部件拉环由柔性钢绳牵引，为下样台提供切向力；水平仪用于滑台的调水平，声发射探头孔用于安置声发射探头，监测剪切滑移过程中的声发射活动；螺孔用于样品在下样品槽中的固定；盛液槽用于盛放不同液体，为实验摩擦面提供液浴环境；上样品槽是与下样品槽结构一致的组件，实验中内置上样品；球头座是为保证上、下样品的面-面接触的微调机构，球头与上样品槽刚性连接，待上下样品完全面-面接触后，旋紧微调螺栓至球座将球头咬合锁死；承重盘为与滑台完全平行的铝制圆盘，其上加载不同质量的砝码，与垂向导轨配合，为样品摩擦面施加正压力；防斜杆为垂向导轨起到稳定防斜作用；柔性钢绳牵引拉环，绕过手摇锥面螺杆，下端悬挂大质量砝码，大质量砝码置于电子天平上，其中手摇锥面螺杆包含普通等径螺杆、直径渐增螺杆和曲柄，通过摇动曲柄，带动直径渐增螺杆的向曲柄反方向一侧移动，柔性钢绳向直径渐增螺杆的直径增大方向爬升，可牵动下样台向手动螺杆方向移动，同时，大质量砝码向上同时移动，电子称示数发生连续变化；电子天平和位移计量器同步记录，并经数据采集卡自动输入电脑并存储。

本发明的设计原理：

本发明运用经典摩擦力学实验原理。

本发明的有益效果：

由上述原理设计和具体实施方式可以看出，本发明提供的一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，具有如下优点：装置简单，具有很好的便携性，整体装置不需要伺服液压机的配合，通过添加砝码即可提供正压力，通过手摇曲杆实现切向力的加载；测试更接近真实状态，实验样品的摩擦面不需要经过精细打磨，通过球头座的调整，实现粗糙劈裂面完全吻合状态下的摩擦强度测试；可模拟页岩储层压裂状态，可以添加不同的流体，实现对岩石缝面处于不同的流体中摩擦行为的研究；切向力的加载可通过简易的装置实现精细、缓慢的加载，提高了实验精度；实验过程中可采集声发射事件，能够深入了解摩擦过程；操作简单，使用本装置可实现切向力、位移、声发射的同步监测，数据由计算机记录并处理，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置的简图，图中：1垂向导轨，2砝码，3承重盘，4球头座，5防斜杆，6上样品槽，7下样台，8位移计量器，9水平导轨，10隔振台，11限位器，12手摇锥面螺杆，13柔性钢绳，14大质量砝码，15电子称。

图2为图1中球头座4结构示意图，图中：16微调螺栓，17球座，18球头。

图3为图1中下样台7结构示意图，图中：19声发射探头孔，20螺孔，21水平仪，22拉环，23下样品槽，24盛液槽，25滑台。

图4为图1中手摇锥面螺杆12结构示意图，图中：26普通等径螺杆，27直径渐增锥面螺杆，28曲柄。

具体实施方式

实施例1

一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其结构包括图1中所示的部件1～15。其特征在于，隔振台10为整个装置提供稳定的实验平台；水平导轨9与下样台7的部件滑台25相配合，形成摩擦系数低于0.05的水平导轨组，以减小实验误差；固定于导轨9上的位移计量器8为测试提供位移的动态记录；限位器11为两个块状金属体，用于下样台7的起滑、终滑位置的限定；下样台7的部件拉环22由柔性钢绳13牵引，为下样台7提供切向力，水平仪21用于滑台的调水平；声发射探头孔19用于安置声发射探头，监测剪切滑移过程中的声发射活动；螺孔20用于样品在下样品槽23中的固定；盛液槽24用于盛放不同液体，为实验摩擦面提供液浴环境；上样品槽6是与下样品槽23结构完全一致的组件，实验中内置上样品，球头座4是为保证上、下样品的面-面接触的微调机构，球头18与上样品槽6刚性连接，待上下样品完全面-面接触后，旋紧微调螺栓16至球座17将球头18咬合锁死；承重盘3为与滑台25完全平行的铝制圆盘，其上加载不同质量的砝码2，与垂向导轨1配合，为样品摩擦面施加正压力，防斜杆5和垂向导轨1衔接起到稳定防斜作用；柔性钢绳13牵引拉环22，绕过手摇锥面螺杆12，下端悬挂大质量砝码14，大质量砝码14置于电子称15上，其中手摇锥面螺杆12包含普通等径螺杆26、直径渐增螺杆27和曲柄28，通过摇动曲柄28，带动27的向曲柄反方向移动，柔性钢绳13向曲柄28方向爬升，可牵动下样台7向手摇螺锥方向移动，同时大质量砝码14向上同时移动，电子天平15和位移计量器8同步记录，并经数据采集卡自动输入电脑并存储。

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

第一步，采集待测的现场岩石样品，挑选样品，将样品裁切为2*2*3cm的长方体，然后运用巴西劈裂法沿岩长轴中央横劈开为2*2*1.5cm的两个样块，需要避免劈开面不受损伤，置入干燥箱干燥24小时，再浸泡于流体中24小时。

第二步，将样品分别置入上、下样品槽，用螺丝固定好后，然后安装4个声发射探头，再将滑台移至左边的限位器处。

第三步，按预定正压力，在承重盘上加砝码，然后沿垂向导轨下移至上、下样品密合接触，旋紧微调螺栓，锁死上样品防止发生横向滑动。再往盛液槽内添加流体，至液面没过样品接触面。

第四步，计算机端打开软件，开始同步记录位移、切向力和声发射，手摇曲柄进行切向力施加。滑台滑至左边限位器时，停止数据记录，数据分析处理即可得出此正压力和该流体作用下的岩石摩擦强度。

Claims (4)

1.一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其特征在于，隔振台为整个装置提供稳定的实验平台，隔振台上放置水平导轨，水平导轨与滑台相配合，形成水平导轨组；固定于导轨上的位移计量器为测试提供位移的动态记录，限位器为两个块状金属体，用于限定下样台起滑和终滑位置；下样台的部件拉环由柔性钢绳牵引，为下样台提供切向力；水平仪用于滑台的调平，声发射探头孔用于安置声发射探头；螺孔将样品固定在下样品槽中，盛液槽用于盛放不同液体，为实验摩擦面提供液浴环境；上样品槽是与下样品槽结构完全一致的组件，实验中上样品槽内置上样品，球头座是为保证上、下样品的面-面接触的微调机构，球头与上样品槽刚性连接，通过旋紧微调螺栓将球座和球头锁死，承重盘为与滑台完全平行的铝制圆盘，承重盘上加载不同质量的砝码，承重盘与垂向导轨配合，为样品摩擦面施加正压力，防斜杆与垂向导轨斜接起到稳定防斜作用，柔性钢绳牵引拉环，绕过手摇螺锥，下端悬挂大质量砝码，大质量砝码置于电子天平上，手摇锥面螺杆包含普通等径螺杆、直径渐增锥面螺杆和曲柄，通过摇动曲柄，带动直径渐增螺杆的向曲柄反方向一侧移动，柔性钢绳向直径渐增螺杆的直径增大方向爬升，可牵动下样台向手动锥面螺杆方向移动，同时，大质量砝码向上同时移动，电子天平和位移计量器同步记录，并智能采集到计算机程序进行数据存储。

2.根据权利要求1所述的一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其特征在于，球头座4包括微调螺栓、球座和球头，球头可在球座中任意方向旋转，微调螺栓可将球头和球座锁死。

3.根据权利要求1所述的一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其特征在于，滑台上有一盛液槽，样品在不同流体浴条件下的剪切摩擦，下样槽侧壁上布置有声发射孔，安装声发射探头监测剪切滑动过程中的岩石声发射活动。

4.根据权利要求1所述的一种不同流体作用下岩石摩擦强度测量装置，其特征在于，手摇锥面螺杆上的直径渐增螺杆剖面为梯形的直径逐渐增大的螺杆，旋转直径渐增螺杆，缠绕在直径渐增螺杆的柔性钢绳将会通过拉环牵动滑台，同时牵引大质量砝码，实现高精度、缓慢的切向力加载。