煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法技术

本发明专利技术属于二氧化碳地质封存与非常规天然气高效开采工程技术领域，是煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法；是将试件置于三轴压力釜内的三点弯曲加载框架内并在试件内设置裂缝位移监测系统，通过轴向加载，并控制二氧化碳流体的压力和温度模拟高地应力环境下超临界二氧化碳对煤岩体I型断裂行为的作用影响，实现对不同温度、压力超临界二氧化碳以及不同浸润时间条件下煤岩体I型断裂特性试验研究；通过三点弯曲加载框架实现对试件三点弯曲加载试验；同时解决了现有设备无法对煤岩试件预置裂纹尖端张开度的精准测定。对煤岩试件预置裂纹尖端张开度的精准测定。对煤岩试件预置裂纹尖端张开度的精准测定。

【技术实现步骤摘要】
煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法


[0001]本专利技术属于二氧化碳地质封存与非常规天然气高效开采工程
，涉及一种煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法。

技术介绍

[0002]超临界二氧化碳被认为是开采非常规天然气，包括页岩气、煤层气等，最为理想的致裂介质，在致裂地下目标储层的同时可实现二氧化碳地质封存，而其中最为关键的是要探明该过程中煤岩体断裂行为特征，尤其是对于超临界二氧化碳作用下煤岩体张拉型，即I型断裂特性的研究；由于超临界二氧化碳理化性质特殊，对煤岩体的力学性质具有劣化作用，煤岩体在此条件下发生韧性断裂行为，传统线弹性断裂理论已不再适用于超临界二氧化碳作用下煤岩体断裂行为的表征；因此，深入研究不同条件下超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂特性对于厘清超临界二氧化碳致裂煤岩体裂纹扩展机理从而指导工程实践有着至关重要的作用。
[0003]目前，国内外各专家对于超临界二氧化碳作用下煤岩体断裂特性的研究并不多，其中最难以解决的问题便是如何实现在超临界二氧化碳作用的同时实施稳定的断裂试验，因此，建立一种密封性好且能够实现不同超临界二氧化碳作用条件下煤岩体试件I型断裂试验方法是探究超临界二氧化碳致裂煤岩体机理的基础。
[0004]目前，涉及煤岩体I型断裂相关参数测试装置及方法的中国专利技术专利主要有：重庆交通大学的“一种测试压实黏土I型断裂韧度的NSCB试样制备装置及其使用方法（CN109459290A）”；河南理工大学的“一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法（CN109738311A）”；中国科学院武汉岩土力学研究所的“一种测试岩石断裂韧度的试验装置（CN103604702A）”；华北水利水电大学的“测试深部岩体I型断裂韧度的试验系统及方法（CN109001046A）”。然而，这些已有的煤岩体I型断裂参数测试设备存在以下几点问题：1. 由于测量岩石断裂参数的试件形状一般较为特殊，大部分试验方法无法实现模拟高地应力，即使有方法能够实现对煤岩试件的高静水压力施加，其试验稳定性无法得到保证；2. 现有试验方法无法保证超临界二氧化碳的密封性以及超临界二氧化碳长时间浸润煤岩试件的稳定性；3. 现有试验方法无法实现对煤岩试件预置裂纹尖端张开度的精准测定；4. 现有试验方法不能对不同尺度煤岩试件开展研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
[0007]煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法，包括以下步骤：1）从煤岩体试件底部向内预置裂缝。
[0008]2）将三轴压力釜置于外部加载平台上；所述的三轴压力釜底部设置有定位底座；
轴向加载装置设置在三轴压力釜顶部用于向试件加载轴向力；所述定位底座表面沿中轴线对称设置有支撑柱；所述试件设置在两支撑柱上；轴向加载装置、支撑柱与试件为点接触或线接触；轴向加载装置与试件接触的加载点，以及两个支撑柱形成三点弯曲加载框架。
[0009]所述三轴压力釜的腔体通过输入管线与二氧化碳液化装置相连接；所述输入管线设置有轴流泵、第一加热装置和压力传感器；所述三轴压力釜连接有第二加热装置，所述第二加热装置连接有温度传感器。
[0010]所述压力传感器、温度传感器和裂缝位移监测装置与数据采集系统相连接。
[0011]3）将试件设置在两个支撑柱上；试件的轴线、轴向加载装置的加载中线以及定位底座的中轴线位于同一竖直平面；将裂缝位移监测装置放置于裂缝内，用于测定试件预置裂缝尖端张开位移。
[0012]4）根据预设的压力，通过轴流泵向三轴压力釜的腔体内注入二氧化碳流体；检测输入管线二氧化碳流体的压力；同时对输入管线和三轴压力釜加热；使得二氧化碳流体在三轴压力釜体内达到其超临界状态，通过设定不同的排出压力，以及设定不同加热温度，实现模拟超临界二氧化碳对煤岩体I型半圆盘试件浸润环境。
[0013]5）通过轴向加载装置对试件施加轴向荷载，进行三点弯曲试验，试验过程中通过裂缝位移监测装置测定试件预置裂纹尖端处张开位移及开口处张开位移变化。
[0014]优选的，所述试件为I型半圆块状煤岩试件。
[0015]优选的，两个支撑柱之间的距离为试件底部直径的0.8倍。
[0016]优选的，试件的裂缝深度与试件半径比值为2:5。
[0017]优选的，轴向加载装置的加载速度＜0.02mm/min。
[0018]优选的，轴向加载装置包括伺服加载系统和轴向加载杆，所述轴向加载杆的底部设置有加载柱，所述加载柱和支撑柱均为圆柱体结构；所述支撑柱连接有距离调节装置，用于调节两支撑柱之间的间距。
[0019]更优的，所述三轴压力釜包括上盖和底座，所述上盖和底座密封可拆卸连接；所述轴向加载杆与上盖滑动密封连接；所述轴向加载杆连接有位移引伸计，用于测定试件的轴向变形。
[0020]优选的，所述三轴压力釜的腔体通过输出管线与二氧化碳回收装置相连接；所述输出管线连接有压力传感器；试验完成后将三轴压力釜腔体内二氧化碳流体排入至二氧化碳回收装置内。
[0021]优选的，所述裂缝位移监测装置包括相连接的光纤光栅和夹式引伸计；夹式引伸计通过设置在定位底座内的数据线接头与数据采集系统相连接。
[0022]优选的，所述三轴压力釜内壁对称设置有试件定位装置，用于将试件固定在支撑柱上方；所述试件定位装置包括定位杆、定位螺母和定位滚轮，所述定位杆与三轴压力釜内壁相连接，所述定位螺母设置在定位杆上用于调节定位杆长度，定位杆端部设置所述的定位滚轮，通过相对的两个定位滚轮将试件定位。
[0023]本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：本专利技术能够实现模拟高地应力环境下超临界二氧化碳对煤岩体I型断裂行为的作用影响，能够实现对不同温度、压力超临界二氧化碳以及不同浸润时间条件下煤岩体I型断裂特性试验研究，能够解决现有设备无法实现对煤岩试件预置裂纹尖端张开度的精准测
定；此外，本装置还配有可调节三点弯曲加载框架，能对直径50mm~100mm煤岩体I型半圆盘试件实现三点弯曲加载试验。
附图说明
[0024]图1为本专利技术采用的超临界二氧化碳作用下煤岩体I型断裂参数测定试验装置的示意图。
[0025]图2为本专利技术中三点弯曲加载框架正视图。
[0026]图3为本专利技术中三点弯曲加载框架左视图。
[0027]图中标号：1
‑
外部微机控制电液伺服加载系统；2
‑
高精度位移引伸计；3
‑
三轴压力钢釜上盖；4
‑
温度传感器；5
‑
轴向加载杆；6
‑
法兰盘；7
‑
轴向耐腐蚀密封橡胶圈；8
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高温加热电阻丝；9
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绝缘保温套；10
‑
上部加载圆柱；1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：1）从煤岩体试件底部向内预置裂缝；2）将三轴压力釜置于外部加载平台上；所述的三轴压力釜底部设置有定位底座；轴向加载装置设置在三轴压力釜顶部用于向试件加载轴向力；所述定位底座表面沿中轴线对称设置有支撑柱；所述试件设置在两支撑柱上；轴向加载装置、支撑柱与试件为点接触或线接触；轴向加载装置与试件接触的加载点，以及两个支撑柱形成三点弯曲加载框架；所述三轴压力釜的腔体通过输入管线与二氧化碳液化装置相连接；所述输入管线设置有轴流泵、第一加热装置和压力传感器；所述三轴压力釜连接有第二加热装置，所述第二加热装置连接有温度传感器；所述压力传感器、温度传感器和裂缝位移监测装置与数据采集系统相连接；3）将试件设置在两个支撑柱上；试件的轴线、轴向加载装置的加载中线以及定位底座的中轴线位于同一竖直平面；将裂缝位移监测装置放置于裂缝内，用于测定试件预置裂缝尖端张开位移；4）根据预设的压力，通过轴流泵向三轴压力釜的腔体内注入二氧化碳流体；检测输入管线二氧化碳流体的压力；同时对输入管线和三轴压力釜加热；使得二氧化碳流体在三轴压力釜体内达到其超临界状态，通过设定不同的排出压力，以及设定不同加热温度，实现模拟超临界二氧化碳对煤岩体I型半圆盘试件浸润环境；5）通过轴向加载装置对试件施加轴向荷载，进行三点弯曲试验，试验过程中通过裂缝位移监测装置测定试件预置裂纹尖端处张开位移及开口处张开位移变化。2.根据权利要求1所述的煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法，其特征在于，所述试件为I型半圆块状煤岩试件。3.根据权利要求2所述的煤岩体I型在超临界二氧化碳作用下的断裂参数测定方法，其特征在于，两个支撑柱之间的距离为试件底部直径的0.8倍。4.根据权利要求2所述的煤岩体I型在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨健锋，杨磊，任雨晴，刘泽宇，马晨阳，张丁丁，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：