一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置及测试方法，涉及岩石力学与工程技术领域；其测试装置包括横向围压加载系统位于加载腔室内，所述加载腔室位于加压底座与盖板之间三者形成密封空间，向所述密封空间不断充入液压油，对岩石试件施加纵向上的围压；在所述盖板底部安装有上部加载柱，该上部加载柱作为断裂支点与岩石试件接触；在所述加压底座上面设有纵向载荷加载板，该纵向载荷加载板上固定有下部加载柱，所述下部加载柱在液压驱动下升高，对岩石试件施加断裂载荷。本发明专利技术能还原岩石在地下所受三向应力状态，测试不同三向围压条件下的岩石断裂韧度，为非常规油气资源可压性评价以及压裂工程设计提供重要的参数支持。支持。

【技术实现步骤摘要】
一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置及测试方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学与工程
，具体涉及一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置及测试方法。

技术介绍

[0002]页岩油、致密油等非常规油气储层低孔、低渗特征显著，该类资源在开发前需要对储层进行大规模水力压裂改造，依靠形成的地下裂缝网络，才能使油气产量满足商业开发需求。水平井联合体积压裂改造技术费用昂贵，为了避免盲目压裂，通常需要在开发前对储层压裂改造潜力进行评价，即可压裂性评价。作为岩石固有属性，断裂韧度表征岩石阻止裂缝扩展的能力，断裂韧度的大小关系到裂缝延伸的难易程度，其值越小，裂缝越容易延伸，越有利于水力压裂。因此，准确获取断裂韧度值可以为非常规储层可压裂性评价模型提供确切的参数。
[0003]断裂韧度来源于材料力学，为了更加准确的测量材料的断裂韧度，国内外学者提出了许多材料断裂韧度测试方法，如圆梁法(CB)、短棒法(SR)、巴西圆盘法(CCNBD)。随着非常规油气资源开发的需求，断裂韧度被引入到储层可压裂性评价当中。由于试件制备成功率高，试验操作简单，直切槽试件(NSCB)和人字槽试件(CCNSCB)两种半圆盘三点弯曲试验成为了非常规储层岩石断裂韧度测试的常用方法。然而，目前断裂韧度测试都是在常压条件下进行的，无法反映地下围压条件对断裂韧度的影响，室内测得的岩石断裂韧度比由现场微压裂获得的小1～2个数量级。近年来，一些学者将岩石伪三轴抗压强度试验仪器进行改造，测试了不同围压条件下的岩石断裂韧度，结果表明岩石断裂韧度与围压间存在线性关系，不同围压条件下的岩石断裂韧性可能相差一个数量级。但实际非常规储层具有典型的各向异性特征，受到的是三向不同的应力条件，各个方向的断裂韧度值存在显著差异，上述伪三轴断裂韧度测试方法施加围压是均匀的，因此无法反映岩石断裂韧度在不用应力方向上的差异性。由于断裂韧度试件破坏方式为张开扩展型，不同方向上的变形具有差异性，采用目前刚性真三轴施加三向应力无法实现，如何测试不同三向应力条件下岩石断裂韧度成为了非常规油气资源勘探开发领域的重要难题。
[0004]综上所述，目前亟需一种测试装置及测试方法来获得真三轴条件下岩石断裂韧度，以缩小室内试验与现场测量的差距，为压裂设计提供可靠的实验依据。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是提供一种真三轴岩石断裂韧度测试装置及测试方法，还原岩石在地下所受三向应力状态，测试不同三向围压条件下的岩石断裂韧度，为非常规油气资源可压性评价以及压裂工程设计提供重要的参数支持。并且通过一种张开扩展型破坏试件的加压方法，提高试验精度且缩小试验误差。
[0006]为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置，包括加压底座、加载腔室、盖板、横向围压加载系统，所述横向围压加载系统位于加载腔
室内，所述加载腔室位于加压底座与盖板之间三者形成密封空间，向所述密封空间不断充入液压油，对岩石试件施加纵向上的围压；在所述盖板底部安装有上部加载柱，该上部加载柱作为断裂支点与岩石试件接触；在所述加压底座上面设有纵向载荷加载板，该纵向载荷加载板上固定有下部加载柱，所述下部加载柱在液压驱动下升高，对岩石试件施加断裂载荷。
[0007]进一步的，所述横向围压加载系统用于对岩石试件施加横向的载荷，其包括最小应力加载器和最大主应力加载器，所述最小应力加载器对称布置在岩石试件左右两侧，用于对岩石试件施加地下储层的最小应力；所述最大主应力加载器对称布置在岩石试件前后两侧，用于对岩石试件施加地下储层的最大应力。
[0008]进一步的，所述最小应力加载器包括固定垫块和柔性超薄千斤顶，所述固定垫块与加载腔室内壁固定连接，所述柔性超薄千斤顶安装于岩石试件和固定垫块之间。
[0009]进一步的，所述最大主应力加载器包括固定垫块、柔性超薄千斤顶和变形滑动控制器，所述固定垫块与加载腔室内壁固定连接，所述柔性超薄千斤顶在液压驱下发生膨胀后，应力施加到变形滑动控制器上，从而传递给岩石试件。
[0010]进一步的，所述变形滑动控制器为双层可折式结构，两层结构之间通过滚珠接触，其内层结构与岩石试件连接，随着岩石试件的张开断裂而变形，外层结构与柔性超薄千斤顶连接不发变形。
[0011]更进一步的，所述外层结构与内层结构顶部通过旋转轴连接，所述内层结构与岩石试件通过固定条进行紧固。
[0012]更进一步的，所述盖板底部安装有纵向位移传感器，所述岩石试件上安装有应变片，所述纵向位移传感器、应变片通过数据传输线与外部数据采集系统连接，实时测量岩石试件断裂时的纵向和横向变形量。
[0013]更进一步的，所述加载腔室上安装有加压阀和卸压阀，两者分别与外部油压系统连接。
[0014]本申请还提供一种真三轴岩石断裂韧度测试方法，步骤如下：
[0015]步骤1.在岩石试件预置切槽顶部粘贴应变片，外部包裹热缩管，用热风机使其收缩包紧岩石试件；
[0016]步骤2.将固定垫块连接在加载腔室内壁上，所述加载腔室固定于加压底座上；
[0017]步骤3.把岩石试件安装到变形滑动控制器之中，并放置到两个下部加载柱上，将柔性超薄千斤顶插入所述岩石试件与对应固定垫块之间；
[0018]步骤4.使柔性超薄千斤顶的液压管线和应变片的数据传输线与外部数据采集系统连接，再将盖板安装到加载腔室上；
[0019]步骤5.启动加压底座的液压站，使岩石试件上表面与上部加载柱接触，随后对应变片和纵向位移传感器进行调0；
[0020]步骤6.先启动最大应力方向柔性超薄千斤顶连接的液压站，对岩石试件施加最大应力方向的载荷，再启动最小应力方向柔性超薄千斤顶连接的液压站，施加最小应力方向的载荷；
[0021]步骤7.启动加载腔室连接的液压站，液压油充入加载腔室后对岩石试件施加纵向围压，待纵向围压平稳后，开始试验，监测应力
‑
应变曲线，根据试件断裂后的试验数据获得
岩石断裂韧度。
[0022]本专利技术由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
[0023]1、断裂韧度试验中，由于岩石发生的是张开延伸型断裂，三个方向的变形量都不是均匀的，现有试验装置无法对其施加真三轴应力，本专利技术以四种不同的加载方式对岩石试件的三向应力以及断裂载荷进行加压，其能够获得不同三向围压条件下的岩石断裂韧度，真三轴断裂韧度的准确测量能够为钻井工程、采矿工程以及储层改造工程提供重要的参数支持，具有较高的应用价值。
[0024]2、本专利技术采用刚性三点加载柱加压和加载腔液压油加压的方式分别对岩石试件施加纵向的断裂载荷和纵向的围压，两种加压方式虽然方向相同，但不存在相互影响，实现了断裂韧度试验中边加压边破坏的过程。
[0025]3、在岩石三点断裂过程中，由于岩石试件发生张开型的撕裂破坏，刚性加载会使岩石表面和加载板表面产生显著的摩擦，从而降低了试验成功率和试验精度，本专利技术中岩石试件的最大应力方向安装有双层可折式的变形滑动控制器，其内层结构可随本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置，其特征在于，包括加压底座、加载腔室、盖板、横向围压加载系统，所述横向围压加载系统位于加载腔室内，所述加载腔室位于加压底座与盖板之间三者形成密封空间，向所述密封空间不断充入液压油，对岩石试件施加纵向上的围压；在所述盖板底部安装有上部加载柱，该上部加载柱作为断裂支点与岩石试件接触；在所述加压底座上面设有纵向载荷加载板，该纵向载荷加载板上固定有下部加载柱，所述下部加载柱在液压驱动下升高，对岩石试件施加断裂载荷。2.根据权利要求1所述一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置，其特征在于，所述横向围压加载系统用于对岩石试件施加横向的载荷，其包括最小应力加载器和最大主应力加载器，所述最小应力加载器对称布置在岩石试件左右两侧，用于对岩石试件施加地下储层的最小应力；所述最大主应力加载器对称布置在岩石试件前后两侧，用于对岩石试件施加地下储层的最大应力。3.根据权利要求2所述一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置，其特征在于，所述最小应力加载器包括固定垫块和柔性超薄千斤顶，所述固定垫块与加载腔室内壁固定连接，所述柔性超薄千斤顶安装于岩石试件和固定垫块之间。4.根据权利要求2所述一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置，其特征在于，所述最大主应力加载器包括固定垫块、柔性超薄千斤顶和变形滑动控制器，所述固定垫块与加载腔室内壁固定连接，所述柔性超薄千斤顶在液压驱下发生膨胀后，应力施加到变形滑动控制器上，从而传递给岩石试件。5.根据权利要求4所述一种真三轴条件下岩石断裂韧度测试装置，其特征在于，所述变形滑动控制器为双层可折式结构，两层结构之间通过滚珠接触，其内层结构与岩石试件连接，随着岩石试件的张开断裂而变形，外层结构与柔性超薄千斤顶连接不发变形。6.根据权利要求5所述一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国峰，张辉，李忠诚，陈栗，赵宏宇，吴海瑞，程志远，马文艳，王直，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：