CN109001046A - 测试深部岩体i型断裂韧度的试验***及方法 - Google Patents

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Abstract

一种测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，包括具有中间切缝的半圆盘岩石试件、用于对所述半圆盘岩石试件施加轴向压力的加载***、用于对半圆盘岩石试件施加高温围压的真空压力室、用于真空压力室排气的真空泵和用于对真空压力室注入惰性气体的惰性气体***，所述具有中间切缝的半圆盘岩石试件放置在真空压力室内，轴向压力的加载***伸入到真空压力室内作用到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上，具有中间切缝的半圆盘岩石试件的下面设置有两个支撑垫，两个支撑垫分别设置在具有中间切缝的半圆盘岩石试件的切缝的两侧，真空压力室与惰性气体***连接，在真空压力室内设置有加热装置。相对于现有技术，本发明能够模拟真实储层环境，精确测定岩石断裂韧度，为深部能源工程发展提供支持。

Description

测试深部岩体I型断裂韧度的试验***及方法
技术领域
本发明涉及岩石断裂力学研究领域，特别涉及一种测试深部岩体高温高压环境下I型断裂韧度值的试验***。
背景技术
断裂韧度是评价岩石力学特性（包括岩石裂缝起裂、扩展以及破裂机制等）的重要参数。因此，获得准确的岩石断裂韧度值、设计发明科学的测试测量方法至关重要。
现阶段，国内外科学家提出了几种岩石断裂韧度的测试方法，对岩石断裂力学的发展具有很大的促进作用。Franklin（1988）首次提出了利用V-型切缝弯曲试件（CB）和短棒试件（SR）两种测试I型断裂韧度方法，并推荐为国际岩石力学与工程学会（ISRM）的标准试验方法；Fowell（1995）提出了用中间V-型切缝的巴西圆盘（CCNBD）试件测试岩石I型断裂韧度，并推荐为国际岩石力学与工程学会（ISRM）的标准试验方法；另外一个ISRM建议的新颖试验方法是采用Kuruppu（2015）提出的半圆盘（SCB）试件。
虽然以上ISRM建议的I型岩石断裂韧度测试方法，为解决地表岩石力学工程问题提供了很大的帮助。但是，随着人类工程建设活动不断向地球深部发展，例如二氧化碳地质封存、页岩储层的大规模体积压裂等，都需要考虑深部岩体所处的高温高压环境，以及在这种深部环境影响下的岩石断裂力学特征。因此，发明科学的岩石力学试验设备模拟地球深部环境，并精确测得岩石断裂韧度这个重要参数，对深部岩石力学工程具有重要的参考价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试深部岩体I型断裂韧度的试验***及试验方法，以解决现有的岩体断裂韧度测试中试件制备、实验方案过于复杂，实验目的过于单一的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，包括具有中间切缝的半圆盘岩石试件、用于对所述半圆盘岩石试件施加轴向压力的加载***、用于对半圆盘岩石试件施加高温围压的真空压力室、用于真空压力室排气的真空泵和用于对真空压力室注入惰性气体的惰性气体***，所述具有中间切缝的半圆盘岩石试件放置在真空压力室内，轴向压力的加载***伸入到真空压力室内作用到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上，具有中间切缝的半圆盘岩石试件的下面设置有两个支撑垫，两个支撑垫分别设置在具有中间切缝的半圆盘岩石试件的切缝的两侧，真空压力室与惰性气体***连接，在真空压力室内设置有加热装置。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述支撑垫为滚轴。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述具有中间切缝的半圆盘岩石试件包括半圆盘岩石，半圆盘岩石的底部中间位置设置有人工切缝，在人工切缝下面设置切口位移计，用于实时测量试验过程中切缝张开度。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述轴向压力的加载***包括加载盘，传力杆的底部通过加载盘与具有中间切缝的半圆盘岩石试件连接，传力杆的顶部伸出真空压力室外与真空压力室顶部的加载梁连接，在真空压力室外设置有导杆，加载梁的两端由导杆支撑，导杆的上部设置有弹簧装置，压力加载装置对加载梁施加压力，压力通过加载梁及传力杆传递到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述压力加载装置上设置有测力传感器及位移传感器，用于对半圆盘试件施加轴向载荷，并能采用力与位移两种控制方式。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述真空压力室内的加热装置为盘绕在真空密闭压力室内壁上的加热电阻丝，支撑垫底部设置有垫块，垫块与真空压力室之间通过密封垫固定，传力杆的底顶部与真空密压力室之间设置有法兰盘，法兰盘与真空密闭压力室及传力杆之间均由密封圈密封；所述真空压力室设置有与惰性气体***连通的气体注入端口，真空压力室还设置有气体排出端口，气体排出端口与抽真空***连接，真空压力室还设置有温度传感器和压力传感器。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述抽真空***包括与真空压力室连通的涡轮高真空泵，涡轮高真空泵与旋转泵连接，所述惰性气体***包括高压计量注射泵、开关和惰性气源，其中真空压力室依次与高压计量注射泵、开关和惰性气源通过管道连通，在管道上设置有压力计、温度计和流量计。
上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，所述半圆盘岩石试件的直径为75mm，人工切缝 长α为16mm，两个支撑垫之是的距离S为60mm。
一种基于上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***的试验方法，包括以下步骤：
a：具有中间切缝的半圆盘岩石试件的制作：钻取岩芯，制作半圆盘岩石试件，半圆盘岩石试件直径大于岩石类材料颗粒尺寸的10倍或者76mm，厚度大于或等于0.4倍的直径，人工切缝长α，，支撑圆棒之间的跨距S，；
b：钻取岩芯过程中，选取进钻方位并制作结构面倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的岩石试件；
c：钻取岩芯时，尽量避免试样微观损伤，防止影响断裂韧度测定精度；
d：取样、切割及试验过程中，清楚标明各向异性试件层理方向、试件标号、切口位置、切缝长度和加载搁置位置点；
e：将中间切缝半圆盘试件置于真空压力室的垫迅雷会员上，并布置惰性气体***、传感器，检查密封装置和加热电阻丝；
f：通过法兰盘密封压力室，利用涡轮高真空泵和旋转泵抽出压力室空气，直至真空；
g：通过气体注入端口，利用惰性气体泵注***，向真空压力室注入惰性气体，并记录压力、温度、流量；
h：利用加热电阻丝给真空压力室提供高温环境，并实时测量真空压力室的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；
i：维持真空压力室温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，加载方向和人工切缝要严格保持在一条直线上，位移控制加载，速率为0.06mm/min；
j：设计真空压力室不同的温度和压强，能模拟不同深度的岩体环境，测定不同结构面倾角下的岩体I型断裂韧度值。
相对于现有技术，本发明能够模拟真实储层环境，精确测定岩石断裂韧度，为深部能源工程发展提供支持。
附图说明
图1是本发明测试深部岩体I型断裂韧度的试验***的结构示意图；
图2是本发明真空压力室的结构示意图；
图3是本发明同倾角结构面直缝半圆盘试样的示意图；
图4是本发明直缝半圆盘试件几何和加载装置示意图
图5是图4的C-C向剖视图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-5所示，一种测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，包括具有中间切缝的半圆盘岩石试件20、用于对所述半圆盘岩石试件施加轴向压力的加载***、用于对半圆盘岩石试件施加高温围压的真空压力室1、用于真空压力室排气的真空泵10和用于对真空压力室注入惰性气体的惰性气体***，所述具有中间切缝的半圆盘岩石试件放置在真空压力室内，轴向压力的加载***伸入到真空压力室内作用到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上，具有中间切缝的半圆盘岩石试件的下面设置有两个支撑垫16，所述支撑垫为滚轴。两个支撑垫分别设置在具有中间切缝的半圆盘岩石试件的切缝的两侧，真空压力室与惰性气体***连接，在真空压力室内设置有加热装置。
本发明具有中间切缝的半圆盘岩石试件包括半圆盘岩石20，半圆盘岩石的底部中间位置设置有人工切缝，在人工切缝下面设置切口位移计，位移计与控制器连接，用于实时测量试验过程中切缝张开度。
本发明的轴向压力的加载***包括加载盘25，传力杆19的底部通过加载盘与具有中间切缝的半圆盘岩石试件连接，传力杆的顶部伸出真空压力室外与真空压力室顶部的加载梁连接，在真空压力室外设置有导杆28，加载梁的两端由导杆支撑，导杆的上部设置有弹簧装置13，压力加载装置2对加载梁施加压力，压力通过加载梁及传力杆传递到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上，所述压力加载装置上设置有测力传感器及位移传感器，压力加载装置上的测力传感器及位移传感器与控制器连接，用于对半圆盘试件施加轴向载荷，并能采用力与位移两种控制方式。
本发明真空压力室内的加热装置为盘绕在真空密闭压力室内壁上的加热电阻丝17，加热电阻丝与控制器连接，支撑垫底部设置有垫块26，垫块与真空压力室之间通过密封垫24固定，传力杆的底顶部与真空压力室之间设置有法兰盘18，法兰盘与真空压力室及传力杆之间均由密封圈密封；所述真空压力室设置有与惰性气体***连通的气体注入端口，真空压力室还设置有气体排出端口，气体排出端口与抽真空***连接，真空压力室还设置有温度传感器和压力传感器，真空压力室内的温度传感器和压力传感器分别与控制器连接。
本发明抽真空***包括与真空压力室连通的涡轮高真空泵10，滑轮高真空泵通过管道分别与真空压力室和旋转泵11连接，所述惰性气体***包括高压计量注射泵6、开关和惰性气源，其中真空压力室依次与高压计量注射泵6、开关和惰性气源通过管道连通，在管道上设置有压力计4、温度计5和流量计7，其中涡轮高真空泵、旋转泵连接、高压计量注射泵、开关、压力计、温度计和流量计均与控制器连接。
本发明实验时，选用半圆盘岩石试件的直径为75mm，人工切缝 长α为16mm，两个支撑垫之是的距离S为60mm。
一种基于上述测试深部岩体I型断裂韧度的试验***的试验方法，包括以下步骤：
a：具有中间切缝的半圆盘岩石试件的制作：钻取岩芯，制作半圆盘岩石试件，半圆盘岩石试件直径大于岩石类材料颗粒尺寸的10倍或者76mm，厚度大于或等于0.4倍的直径，人工切缝长α，，支撑圆棒之间的跨距S，，
b：钻取岩芯过程中，选取进钻方位并制作结构面倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的岩石试件；
c：钻取岩芯时，尽量避免试样微观损伤，防止影响断裂韧度测定精度；
d：取样、切割及试验过程中，清楚标明各向异性试件层理方向、试件标号、切口位置、切缝长度和加载搁置位置点；
e：将中间切缝半圆盘试件置于真空压力室的垫迅雷会员上，并布置惰性气体***、传感器，检查密封装置和加热电阻丝；
f：通过法兰盘密封压力室，利用涡轮高真空泵和旋转泵抽出压力室空气，直至真空；
g：通过气体注入端口，利用惰性气体泵注***，向真空压力室注入惰性气体，并记录压力、温度、流量；
h：利用加热电阻丝给真空压力室提供高温环境，并实时测量真空压力室的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；
i：维持真空压力室温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，加载方向和人工切缝要严格保持在一条直线上，位移控制加载，速率为0.06mm/min；
j：设计真空压力室不同的温度和压强，能模拟不同深度的岩体环境，测定不同结构面倾角下的岩体I型断裂韧度值。
本发明的真空压力室1包括上盖板12、轴向荷载传递装置、外接端口、传感器、密封圈、加热电阻丝17。轴向荷载传递装置包括传力杆19、加载圆盘25和垫块16，直接给试件施加作用力。外接端口包括气体排出端口23、气体注入端口22、温度检测端口14和压力检测端口15，压力室密闭之前布置各端口连线并密封。传感器包括温度传感器和压力传感器，用于实时测量压力室内温度和压强。加热电阻丝17用于给压力室提供高温环境，并通过温度传感器控制温度变化。
压力室真空排气泵，包括气体排出端口23、涡轮高真空泵10和旋转泵11，用于注入惰性气体前，将压力室内的空气抽空，保持压力室处于真空状态。
惰性气体泵注***，包括压力计4、温度计5、流量计7、高压计量注射泵6、开关8和气源9，用于实验加载前，向真空压力室注入惰性气体直至设定的压力值，并记录压力、流量、温度等数据。
轴向加载***，包括加载梁2、电源开关3、法兰盘18、传力杆19、弹簧13、导杆23、滚轴16、测力及位移传感器，采用力或位移两种控制方式，对试件施加轴向载荷，直至试件压裂破坏，记录峰值破坏载荷P与位移等数据。
本基于上述的测试深部岩体I型断裂韧度值的试验***及试验方法包括以下步骤：
a：钻取岩芯，本发明直径，，人工切缝长选定；支撑圆棒之间的跨距；
b：钻取岩芯过程中，选取进钻方位并制作结构面倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的试件；
c：钻取岩芯时，尽量避免试样微观损伤，防止影响断裂韧度测定精度；
d：取样、切割及试验过程中，清楚标明各向异性试件层理方向、试件标号、切口位置、切缝长度和加载搁置位置点等；
e：将中间切缝半圆盘试件20置于真空压力室1的滚轴16上，并布置外接端口、传感器，检查密封装置和加热电阻丝17；
f：通过法兰盘18及密封圈24密封压力室，利用涡轮高真空泵10和旋转泵11抽出压力室1空气，直至真空；
g：通过气体注入端口21，利用惰性气体泵注***，向真空压力室1注入惰性气体，并记录压力、温度、流量等；
h：利用加热电阻丝17给压力室1提供高温环境，并实时测量压力室的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；
i：维持压力室温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，加载方向和人工切缝要严格保持在一条直线上，位移控制加载，速率为0.06mm/min；
j：设计压力室不同的温度和压强，可以模拟不同深度的岩体环境，测定不同结构面倾角下的岩体I型断裂韧度值。
本深部岩体高温高压环境下I型断裂韧度的试验方法，能够并精确测得岩石断裂韧度这个重要参数，对深部岩石力学工程具有重要的参考价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于，包括具有中间切缝的半圆盘岩石试件、用于对所述半圆盘岩石试件施加轴向压力的加载***、用于对半圆盘岩石试件施加高温围压的真空压力室、用于真空压力室排气的真空泵和用于对真空压力室注入惰性气体的惰性气体***，所述具有中间切缝的半圆盘岩石试件放置在真空压力室内，轴向压力的加载***伸入到真空压力室内作用到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上，具有中间切缝的半圆盘岩石试件的下面设置有两个支撑垫，两个支撑垫分别设置在具有中间切缝的半圆盘岩石试件的切缝的两侧，真空压力室与惰性气体***连接，在真空压力室内设置有加热装置。
2.根据权利要求1所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述支撑垫为滚轴。
3.根据权利要求2所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述具有中间切缝的半圆盘岩石试件包括半圆盘岩石，半圆盘岩石的底部中间位置设置有人工切缝，在人工切缝下面设置切口位移计，用于实时测量试验过程中切缝张开度。
4.根据权利要求2所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述轴向压力的加载***包括加载盘，传力杆的底部通过加载盘与具有中间切缝的半圆盘岩石试件连接，传力杆的顶部伸出真空压力室外与真空压力室顶部的加载梁连接，在真空压力室外设置有导杆，加载梁的两端由导杆支撑，导杆的上部设置有弹簧装置，压力加载装置对加载梁施加压力，压力通过加载梁及传力杆传递到具有中间切缝的半圆盘岩石试件上。
5.根据权利要求6所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述压力加载装置上设置有测力传感器及位移传感器，用于对半圆盘试件施加轴向载荷，并能采用力与位移两种控制方式。
6.根据权利要求1所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述真空压力室内的加热装置为盘绕在真空密闭压力室内壁上的加热电阻丝，支撑垫底部设置有垫块，垫块与真空压力室之间通过密封垫固定，传力杆的底顶部与真空密压力室之间设置有法兰盘，法兰盘与真空密闭压力室及传力杆之间均由密封圈密封；所述真空压力室设置有与惰性气体***连通的气体注入端口，真空压力室还设置有气体排出端口，气体排出端口与抽真空***连接，真空压力室还设置有温度传感器和压力传感器。
7.根据权利要求6所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述抽真空***包括与真空压力室连通的涡轮高真空泵，涡轮高真空泵与旋转泵连接，所述惰性气体***包括高压计量注射泵、开关和惰性气源，其中真空压力室依次与高压计量注射泵、开关和惰性气源通过管道连通，在管道上设置有压力计、温度计和流量计。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***，其特征在于：所述半圆盘岩石试件的直径为75mm，人工切缝 长α为16mm，两个支撑垫之是的距离S为60mm。
9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的测试深部岩体I型断裂韧度的试验***的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
a：具有中间切缝的半圆盘岩石试件的制作：钻取岩芯，制作半圆盘岩石试件，半圆盘岩石试件直径大于岩石类材料颗粒尺寸的10倍或者76mm，厚度大于或等于0.4倍的直径，人工切缝长α，，支撑圆棒之间的跨距S，；
b：钻取岩芯过程中，选取进钻方位并制作结构面倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的岩石试件；
c：钻取岩芯时，尽量避免试样微观损伤，防止影响断裂韧度测定精度；
d：取样、切割及试验过程中，清楚标明各向异性试件层理方向、试件标号、切口位置、切缝长度和加载搁置位置点；
e：将中间切缝半圆盘试件置于真空压力室的垫迅雷会员上，并布置惰性气体***、传感器，检查密封装置和加热电阻丝；
f：通过法兰盘密封压力室，利用涡轮高真空泵和旋转泵抽出压力室空气，直至真空；
g：通过气体注入端口，利用惰性气体泵注***，向真空压力室注入惰性气体，并记录压力、温度、流量；
h：利用加热电阻丝给真空压力室提供高温环境，并实时测量真空压力室的温度和压强直至方案设计值，达到模拟深部岩体高温高压环境的目的；
i：维持真空压力室温度和压强不变，开始实施断裂韧度测试的轴向加载，加载方向和人工切缝要严格保持在一条直线上，位移控制加载，速率为0.06mm/min；
j：设计真空压力室不同的温度和压强，能模拟不同深度的岩体环境，测定不同结构面倾角下的岩体I型断裂韧度值。
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