本發(fā)明涉及巖石力學(xué)特性檢測領(lǐng)域，具體涉及一種能夠在高溫條件下進(jìn)行巖石破裂壓力檢測的裝置和方法。

背景技術(shù)：

眾所周知，隨著表層油氣田的不斷挖掘開采，淺層油氣資源變得越來越少，人們開始把探索油氣資源的目標(biāo)瞄向了深層油氣田。而要對深層油氣田進(jìn)行研究，就需要模擬地下深處的高溫高壓環(huán)境。通過檢測含油巖石在不同壓力和溫度條件下物理特性的變化，可以對儲油層的生成、變化和遷移等進(jìn)行研究，其數(shù)據(jù)對油、氣田的開發(fā)有著重要的指導(dǎo)意義。

此外，現(xiàn)有的巖石力學(xué)檢測裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)巖石在不同方向應(yīng)力作用下發(fā)生破裂的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常以應(yīng)力應(yīng)變曲線的形式體現(xiàn)。但是，如何解釋這些應(yīng)力應(yīng)變曲線并將之轉(zhuǎn)化成巖石力學(xué)性質(zhì)的描述，需要有比較深厚的巖石力學(xué)專業(yè)知識，并且?guī)r石破裂過程中其內(nèi)部究竟發(fā)生了怎樣的變化，還需要更深入地研究。

因此，本領(lǐng)域亟需開發(fā)一種能夠在高溫條件下進(jìn)行巖石破裂壓力檢測的裝置和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明融合了真三軸實(shí)驗(yàn)技術(shù)、高溫高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)和x射線檢測技術(shù)，建立一套能夠模擬高溫、高壓條件，并在巖石破裂過程中對巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行動態(tài)檢測的實(shí)驗(yàn)裝置和方法，實(shí)現(xiàn)在不同溫度下的巖石抗壓強(qiáng)度測試，能夠?yàn)閷I(yè)人員更好地分析巖石破裂力學(xué)提供幫助。

為了實(shí)現(xiàn)在高溫條件下對巖石受壓直至破裂的過程檢測，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)及其測試方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)，包括高溫高壓倉、三軸應(yīng)力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置；每個x射線檢測裝置包括x射線發(fā)生器和x射線接收器，x射線發(fā)生器和x射線接收器分別設(shè)置在所述高溫高壓倉相對的兩個側(cè)面；三軸應(yīng)力加載裝置為所述高溫高壓倉內(nèi)的巖石樣品提供三軸壓力加載；以及所述高溫高壓倉設(shè)置有加熱裝置。

進(jìn)一步地，三軸應(yīng)力加載裝置包括：6個機(jī)械臂，6個機(jī)械臂兩兩對稱地設(shè)置在巖石樣品外表面的x、y、z軸上；每個機(jī)械臂包括壓桿和壓盤，壓盤緊貼住巖石樣品的外表面，壓桿一端與壓盤相連接。

進(jìn)一步地，所述壓盤與巖石樣品外表面之間設(shè)有應(yīng)變傳感器。應(yīng)變傳感器連接到所述三軸應(yīng)力加載裝置，用于收集巖石樣本的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述加熱裝置包括電熱絲，電熱絲沿周向設(shè)置在所述高溫高壓倉的外側(cè)壁上。

進(jìn)一步地，巖石樣品為正方體，設(shè)置在密封套內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述的可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)放置于密封的鉛房內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括控制裝置，與所述三軸應(yīng)力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置以及所述加熱裝置連接，并控制上述裝置。

進(jìn)一步地，所述高溫高壓倉的外殼采用聚四氟乙烯制造。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試方法，包括以下步驟：開啟x射線掃描；對設(shè)置在高溫高壓倉內(nèi)的巖石樣品加溫加壓；采集巖石樣品的形變數(shù)據(jù)和x射線掃描數(shù)據(jù)；處理采集到的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述方法還包括根據(jù)采集到的巖石樣品的形變數(shù)據(jù)和x射線掃描數(shù)據(jù)，調(diào)整施加給巖石樣品的溫度和/壓力。由采集到的x射線掃描數(shù)據(jù)對巖石樣品進(jìn)行三維圖像顯示，由圖像判斷巖石樣品內(nèi)部是否發(fā)生破裂，進(jìn)而確定給定溫度下的巖石樣品抗壓強(qiáng)度。

本發(fā)明的系統(tǒng)檢測時環(huán)境的最高溫度可升至一百二十?dāng)z氏度。系統(tǒng)檢測時三個軸向的最高壓力可升至七十兆帕。

本發(fā)明的系統(tǒng)能夠在高溫、高壓狀態(tài)下對樣品(如巖石樣品等)進(jìn)行壓力加載，實(shí)時監(jiān)測樣品在不同方向壓力加載直至破裂過程中內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。通過本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石破裂過程中對巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行動態(tài)檢測，測量不同溫度條件下巖樣的抗壓強(qiáng)度變化，并將巖樣破裂過程以x射線掃描圖像的形式精細(xì)、直觀地顯示出來，它能夠?yàn)閹r石破裂力學(xué)研究提供有效的檢測方法和檢測手段，幫助和簡化專業(yè)人對對巖石破裂過程的力學(xué)解釋。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對本公開示例性實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實(shí)施方式中，相同的參考標(biāo)號通常代表相同部件。

圖1顯示了本發(fā)明的可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示了本發(fā)明的高溫高壓倉的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開的優(yōu)選實(shí)施方式，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

本發(fā)明融合了真三軸實(shí)驗(yàn)技術(shù)、高溫高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)和x射線檢測技術(shù)，建立一套能夠模擬高溫、高壓條件，并在巖石破裂過程中對巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的 變化進(jìn)行動態(tài)檢測的實(shí)驗(yàn)裝置和方法，實(shí)現(xiàn)在不同溫度下的巖石抗壓強(qiáng)度測試，能夠?yàn)閷I(yè)人員更好地分析巖石破裂力學(xué)提供幫助。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，提供一種可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)，包括高溫高壓倉、三軸應(yīng)力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置；每個x射線檢測裝置包括x射線發(fā)生器和x射線接收器，x射線發(fā)生器和x射線接收器分別設(shè)置在所述高溫高壓倉相對的兩個側(cè)面；三軸應(yīng)力加載裝置為所述高溫高壓倉內(nèi)的巖石樣品提供三軸壓力加載；以及所述高溫高壓倉設(shè)置有加熱裝置。

本發(fā)明的真三軸實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以真實(shí)模擬主應(yīng)力狀態(tài)，且在任意應(yīng)力路徑下測試樣品力學(xué)特征?？梢詫?shí)現(xiàn)3個方向分別施加不同大小的主應(yīng)力，3個軸向產(chǎn)生應(yīng)變，能夠模擬巖體中的應(yīng)力條件。

高溫高壓倉可以模擬高溫高壓環(huán)境。在高溫高壓倉倉內(nèi)，被測樣品被加溫、加壓。然后通過內(nèi)置的應(yīng)力應(yīng)變探頭檢測其在不同條件下物理特性的變化。因此通過該裝置可以測出樣品的各個階段表現(xiàn)出的有別于常溫低壓環(huán)境下的特性。

本發(fā)明利用了x射線斷層成像技術(shù)，它能在對檢測物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、細(xì)致、多層次、直觀地展示被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況。

具體地，本發(fā)明的系統(tǒng)按其功能可分為三軸應(yīng)力加載裝置、x射線檢測裝置和高溫高壓倉三部分。三軸應(yīng)力加載裝置提供對被測樣品的三軸壓力加載，壓力通過三個軸向的機(jī)械臂和壓盤實(shí)現(xiàn)。

通常，實(shí)驗(yàn)樣品為正方體，其六個表面均貼有應(yīng)變片(應(yīng)變傳感器)，用于測量樣品在三個軸向方向的形變量。應(yīng)變傳感器與三軸應(yīng)力加載裝置(或者與控制裝置)連接，將應(yīng)變數(shù)據(jù)傳輸至三軸應(yīng)力加載裝置(或者控制裝置)。

高溫高壓倉是被測的巖石樣品進(jìn)行溫度加載的部件，為了能夠?qū)崿F(xiàn)x射線檢測，放置樣品的高溫高壓倉外殼要求耐高溫、高壓，同時對x射線衰減小。高壓倉的外殼一般采用耐高溫、高壓的非金屬材料(如聚四氟乙烯)制造。外 殼的耐壓能力還與外殼材料的厚度有關(guān)。當(dāng)厚度增加時，耐壓能力增加，但對x射線的吸收相應(yīng)增加。此時，可以通過增加x射線發(fā)射強(qiáng)度來解決。

x射線檢測裝置包含x射線發(fā)生器和x射線接收兩部分，分別置于高溫高壓倉對應(yīng)的兩側(cè)。也可以采用多個x射線檢測裝置，從不同的側(cè)面獲得巖石樣品的x射線掃描數(shù)據(jù)。

所述系統(tǒng)還包括控制裝置，與所述三軸應(yīng)力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置以及所述加熱裝置連接，并控制上述裝置。本發(fā)明中的控制裝置可以計(jì)算機(jī)，通過接口電路與上述裝置連接，控制加溫、加壓和檢測過程，并且接收和處理采集到的數(shù)據(jù)。

由于涉及x射線，整個測試系統(tǒng)可放置于密封的鉛房內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)。

可選地，三軸應(yīng)力加載裝置包括：6個機(jī)械臂，6個機(jī)械臂兩兩對稱地設(shè)置在巖石樣品外表面的x、y、z軸上；每個機(jī)械臂包括壓桿和壓盤，壓盤緊貼住巖石樣品的外表面，壓桿一端與壓盤相連接。具體地，高溫高壓倉為正方體，方形的測試樣品被耐高溫、高壓的膠套密封包裹后，放置于高溫高壓倉內(nèi)。高溫高壓倉內(nèi)部六個面上各有一組機(jī)械臂和應(yīng)變感應(yīng)器，由電纜連接至外部計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？蛇x地，機(jī)械臂通過液壓系統(tǒng)提供動力，液壓系統(tǒng)經(jīng)管道連接到高溫高壓倉內(nèi)，由計(jì)算機(jī)控制，給巖石樣品外部施加圍壓和溫度。三軸應(yīng)力加載裝置可以給巖石樣品施加三個軸向壓力(每個方向施加的應(yīng)力可以單獨(dú)控制)，并從應(yīng)變感應(yīng)器獲取巖石樣品形變信息，返回到計(jì)算機(jī)。x射線發(fā)射器和接收器分置與樣品相對的兩個側(cè)面，在實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)檢測，并將采集到的數(shù)據(jù)返回計(jì)算機(jī)。

此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試方法，包括以下步驟：開啟x射線掃描；對設(shè)置在高溫高壓倉內(nèi)的巖石樣品加溫加壓；采集巖石樣品的形變數(shù)據(jù)和x射線掃描數(shù)據(jù)；處理采集到的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述方法還包括根據(jù)采集到的巖石樣品的形變數(shù)據(jù)和x射線掃 描數(shù)據(jù)，調(diào)整施加給巖石樣品的溫度和/壓力，并且實(shí)時采集巖石樣品的形變數(shù)據(jù)和x射線掃描數(shù)據(jù)。由采集到的x射線掃描數(shù)據(jù)對巖石樣品進(jìn)行三維圖像顯示，由圖像判斷巖石樣品內(nèi)部是否發(fā)生破裂，進(jìn)而確定給定溫度下的巖石樣品抗壓強(qiáng)度。

本發(fā)明的系統(tǒng)檢測時環(huán)境的最高溫度可升至一百二十?dāng)z氏度。系統(tǒng)檢測時三個軸向的最高壓力可升至七十兆帕。

為便于理解本發(fā)明實(shí)施例的方案及其效果，以下給出一個具體應(yīng)用示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，該示例僅為了便于理解本發(fā)明，其任何具體細(xì)節(jié)并非意在以任何方式限制本發(fā)明。

圖1顯示了本發(fā)明的可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示了本發(fā)明的高溫高壓倉的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)1包括：x射線檢測裝置11、高溫高壓倉12、三軸應(yīng)力加載裝置13和加熱裝置14，上述裝置設(shè)置于密封鉛房3內(nèi)。此外，還包括控制裝置2，與x射線檢測裝置11、三軸應(yīng)力加載裝置13和加熱裝置14連接，控制上述裝置。

在本實(shí)施例中，高溫高壓倉12形狀為正方體，側(cè)壁厚度為15厘米，側(cè)壁材質(zhì)為聚四氟乙烯。密封套21包裹在待測巖樣外部，三軸應(yīng)力加載裝置設(shè)置在密封套21與高溫高壓倉12之間，并在待測巖樣上施加壓力。

本實(shí)施例中，三軸應(yīng)力加載裝置13包括6個機(jī)械臂；6個機(jī)械臂兩兩對稱設(shè)置在待測巖樣外表面的x、y、z軸上；機(jī)械臂包括壓桿22和壓盤23；壓盤23緊貼住待測巖樣的外表面，壓桿22與壓盤23垂直，壓桿22一端與壓盤23相連接，另一端延伸至高溫高壓倉12外部。壓盤22與待測巖樣外表面之間設(shè)有應(yīng)變傳感器。加熱裝置14包括電熱絲，電熱絲沿周向設(shè)置在高溫高壓倉12外側(cè)壁上。

圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試方法的流程圖。

在本實(shí)施例的方法中，步驟1，將待測巖石樣品裝載到高壓場內(nèi)；

步驟2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定溫度、壓力、加載速率等參數(shù)；

步驟3，啟動溫度、壓力加載，同步啟動x射線掃描，開始對待測巖石樣品進(jìn)行加溫和加壓；可以對三個軸方向進(jìn)行施加同樣的壓力，也可以對三個軸方向分別施加不同的壓力，具體可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行設(shè)置；

步驟4，采集并顯示巖石樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線和三維圖像；

步驟5，觀察樣品三維圖像，判斷巖石樣品內(nèi)部是否產(chǎn)生微裂縫.例如，當(dāng)巖石樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的壓力值由升高轉(zhuǎn)變成下降達(dá)到5％降幅，或者應(yīng)變值增大5％時，可以視為巖石樣品已被壓裂。此時，如實(shí)驗(yàn)?zāi)康膬H是測試巖石抗壓強(qiáng)度，則執(zhí)行步驟6；如實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑橛^察巖石樣品受壓破碎過程，則執(zhí)行步驟7；

步驟6，停止實(shí)驗(yàn)，執(zhí)行步驟8，處理并顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

步驟7，繼續(xù)加載壓力直至樣品完全破碎，執(zhí)行步驟8，處理并顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本發(fā)明為可控溫度的巖石抗壓強(qiáng)度測試系統(tǒng)及測試方法，該系統(tǒng)包括三軸應(yīng)力加載裝置、x射線檢測裝置和高溫高壓倉。待測巖樣設(shè)置在密封套內(nèi)，密封套設(shè)置在高溫高壓倉內(nèi)，加熱裝置設(shè)置在高溫高壓倉外側(cè)壁上。該測試方法為通過控制單元控制加熱裝置、三軸應(yīng)力加載裝置實(shí)現(xiàn)對被測巖樣的溫度和壓力加載，完成對待測巖樣的應(yīng)力應(yīng)變檢測。采用外部x射線掃描方法，在實(shí)驗(yàn)過程中對巖樣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)巖石破裂過程中對巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行動態(tài)檢測，測量不同溫度條件下巖樣的抗壓強(qiáng)度變化，并將巖樣破裂過程以x射線掃描圖像的形式精細(xì)、直觀地顯示出來，它能夠?yàn)閹r石破裂力學(xué)研究提供有效的檢測方法和檢測手段。

以上已經(jīng)描述了本公開的各實(shí)施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實(shí)施例。在不偏離所說明的各實(shí)施例的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。 本文中所用術(shù)語的選擇，旨在最好地解釋各實(shí)施例的原理、實(shí)際應(yīng)用或?qū)κ袌鲋械募夹g(shù)的技術(shù)改進(jìn)，或者使本技術(shù)領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能理解本文披露的各實(shí)施例。