本發(fā)明涉及高溫巖體地?zé)衢_發(fā)及油氣井工程領(lǐng)域中一種用于單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的高溫巖樣應(yīng)變與聲波測試裝置及測試方法。

背景技術(shù)：

在高溫條件下，由于組成巖石的多種礦物顆粒熱膨脹不同，會使得巖石內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，從而導(dǎo)致巖石力學(xué)性能劣化，這就會引起地?zé)衢_發(fā)井或油氣井井壁失穩(wěn)，從而造成井塌等嚴(yán)重安全事故。因此研究高溫下巖石力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

中國專利cn205643032u公開了一種瀝青混合料高溫穩(wěn)定性單軸試驗(yàn)裝置，能模擬瀝青路面受熱后溫度自路表向下變化的過程，但該裝置研究對象是瀝青，且只能獲得單軸抗剪強(qiáng)度；中國專利cn104865137a與中國專利cn105092387a分別公開了一種測試導(dǎo)體材料高溫環(huán)境下單軸拉伸力學(xué)性能的試驗(yàn)裝置與一種單晶硅小尺寸試件高溫力學(xué)性能原位拉伸測試系統(tǒng)，這兩種裝置都是進(jìn)行拉伸力學(xué)測試。目前存在的巖石單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置有的無法加溫，有的所加溫度十分有限，無法測試更高溫度下的巖石力學(xué)參數(shù)，且基本不具備聲速測試功能。因此，將巖石作為研究對象，直接進(jìn)行壓縮力學(xué)測試，獲得巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)，為高溫巖體地?zé)衢_發(fā)及油氣井工程提供科學(xué)分析手段和理論依據(jù)，已成為當(dāng)務(wù)之急。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供高溫巖樣應(yīng)變與聲波測試裝置，該裝置可用于單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行高溫下的巖樣應(yīng)變與聲波測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)時記錄單軸壓縮過程中巖樣的溫度、軸向應(yīng)變與聲波時差，并計算獲得抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)，為高溫巖體地?zé)衢_發(fā)及油氣井工程提供科學(xué)分析手段。

本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置對高溫巖樣進(jìn)行應(yīng)變與聲波測試的方法，該方法原理可靠，操作簡便，能快速高效加熱巖石，實(shí)時獲得高溫下巖石的力學(xué)參數(shù)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。

高溫巖樣應(yīng)變與聲波測試裝置，主要由上承壓壓頭、聲波發(fā)射端、上承壓軸、剛玉頂針、上位移滑片、上固定腳塊、下固定腳塊、下位移滑片、隔熱外殼、碳纖維套、巖樣、下承壓軸、下承壓壓頭、聲波接收端、下銅電極、珍珠巖粉、溫度傳感器、變壓器、溫度-聲波控制箱、示波器、上銅電極、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。

所述碳纖維套包裹巖樣，由上下兩對剛玉頂針固定在隔熱外殼中，碳纖維套與隔熱外殼之間的空隙充填有珍珠巖粉；上部的剛玉頂針通過上固定腳塊固定上位移滑片，下部的剛玉頂針通過下固定腳塊固定下位移滑片，上位移滑片與下位移滑片分別連接數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

所述巖樣上端通過上承壓軸連接聲波發(fā)射端和上承壓壓頭，巖樣下端通過下承壓軸連接聲波接收端和下承壓壓頭，所述上承壓軸和下承壓軸分別安裝有上銅電極和下銅電極，上銅電極和下銅電極連接變壓器；巖樣中端連接溫度傳感器、變壓器和溫度-聲波控制箱，溫度-聲波控制箱連接示波器，還分別連接聲波發(fā)射端和聲波接收端。

所述碳纖維套、溫度傳感器、示波器、變壓器和溫度-聲波控制箱均連接數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

本裝置包括智能加熱部分、巖樣軸向應(yīng)變測試部分、聲波測試部分、數(shù)據(jù)采集與處理部分，以下簡要闡述這四個部分的工作流程。

智能加熱部分：通過溫度-聲波控制箱調(diào)控變壓器功率，而變壓器接通上下銅電極，上下銅電極又連接碳纖維套，因此可以對熱碳纖維套進(jìn)行加熱；溫度傳感器也連接碳纖維套，將碳纖維套的溫度反饋給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)根據(jù)反饋來的溫度信息，智能選擇停止加熱或者繼續(xù)加熱，以將溫度維持在指定溫度，例如指定500℃，若反饋回來的溫度不足500攝氏度，將持續(xù)加熱，若溫度已達(dá)500℃，則停止加熱，停止加熱后若溫度逐漸冷卻低于500攝氏度，將再次加熱直至500℃后停止，如此往復(fù)，將溫度維持在500℃。

巖樣軸向應(yīng)變測試部分：上下位移滑片分別被上下固定腳塊固定在兩個剛玉頂針上，并連接數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，剛玉頂針隨巖樣做軸向應(yīng)變，巖樣軸向應(yīng)變的數(shù)值等于上下位移滑片的位移差值，并將位移信息反饋給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，顯示具體數(shù)值。

聲波測試部分：溫度-聲波控制箱連接示波器，并分別連接聲波發(fā)射端和聲波接收端；溫度-聲波控制箱控制聲波發(fā)射端發(fā)射聲波經(jīng)過巖樣并被聲波接收端接收，測得的聲波數(shù)據(jù)在示波器中顯示，并存儲在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)采集與處理部分：測試得的加熱數(shù)據(jù)、巖樣軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)及聲波數(shù)據(jù)均在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中顯示與儲存。

利用上述裝置對高溫巖樣進(jìn)行應(yīng)變與聲波測試的方法，依次包括以下步驟：

（1）將本裝置安裝在單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)沖程上；

（2）通過溫度-聲波控制箱調(diào)控變壓器發(fā)出電流，經(jīng)過上銅電極和下銅電極對碳纖維套及碳纖維套中的巖樣進(jìn)行加熱，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將碳纖維套中的巖樣維持在設(shè)定的溫度；

（3）打開單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)；

（4）在巖樣受壓縮發(fā)生軸向應(yīng)變過程中，剛玉頂針跟隨巖樣一起軸向移動，上位移滑片、下位移滑片的差值即為巖樣在高溫壓縮過程中的軸向應(yīng)變值；

（5）利用溫度-聲波控制箱從聲波發(fā)射端發(fā)射聲波，經(jīng)過巖樣后被聲波接收端接收，巖樣高溫單軸壓縮過程中的波形圖顯示在示波器中，得到巖樣在高溫壓縮過程中的聲波時差；

（6）數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)并儲存，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等巖石力學(xué)參數(shù)的計算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本裝置不但能測試高溫下巖石的單軸力學(xué)參數(shù)，也能測試高溫冷卻后巖樣的單軸力學(xué)參數(shù)；

（2）本裝置自帶軸向應(yīng)變測試功能，可以在沒有單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的情況下，用千斤頂代替進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（3）碳纖維導(dǎo)熱能力強(qiáng)彈性好，能快速升高巖樣溫度，并與包裹的巖樣一起形變而不會對巖樣產(chǎn)生側(cè)向束縛力影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

（4）珍珠巖粉作為隔熱層，不但能阻止碳纖維套溫度耗散而起到保溫的作用，同時還能防止外殼溫度過高燙傷實(shí)驗(yàn)操作者；

（5）測試的聲波數(shù)據(jù)可供其他巖石力學(xué)參數(shù)的計算。

附圖說明

圖1是高溫巖樣應(yīng)變與聲波測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.上承壓壓頭，2.聲波發(fā)射端，3.上承壓軸，4.剛玉頂針，5.上位移滑片，6.上固定腳塊，7.下固定腳塊，8.下位移滑片，9.隔熱外殼，10.碳纖維套，11.巖樣，12.下承壓軸，13.下承壓壓頭，14.聲波接收端，15.下銅電極，16.珍珠巖粉，17.溫度傳感器，18.變壓器，19.溫度-聲波控制箱，20.示波器，21.上銅電極，22.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

參看圖1。

高溫巖樣應(yīng)變與聲波測試裝置，主要由上承壓壓頭1、聲波發(fā)射端2、上承壓軸3、剛玉頂針4、上位移滑片5、上固定腳塊6、下固定腳塊7、下位移滑片8、隔熱外殼9、碳纖維套10、巖樣11、下承壓軸12、下承壓壓頭13、聲波接收端14、下銅電極15、珍珠巖粉16、溫度傳感器17、變壓器18、溫度-聲波控制箱19、示波器20、上銅電極21、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)22組成。

所述碳纖維套10包裹巖樣11，由上下兩對剛玉頂針4固定在隔熱外殼9中，碳纖維套與隔熱外殼之間的空隙充填有珍珠巖粉16；上部的剛玉頂針通過上固定腳塊6固定上位移滑片5，下部的剛玉頂針通過下固定腳塊7固定下位移滑片8，上位移滑片與下位移滑片分別連接數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)22。

所述巖樣上端通過上承壓軸3連接聲波發(fā)射端2和上承壓壓頭1，巖樣下端通過下承壓軸12連接聲波接收端14和下承壓壓頭13，所述上承壓軸和下承壓軸分別安裝有上銅電極21和下銅電極15，上銅電極和下銅電極連接變壓器18；巖樣中端連接溫度傳感器17、變壓器18和溫度-聲波控制箱19，溫度-聲波控制箱連接示波器20，還分別連接聲波發(fā)射端2和聲波接收端14。

所述碳纖維套10、溫度傳感器17、示波器20、變壓器18和溫度-聲波控制箱19均連接數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)22。

利用上述裝置對高溫巖樣進(jìn)行應(yīng)變與聲波測試的方法，依次包括以下步驟：

（1）將本裝置安裝在單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)沖程上；

（2）通過溫度-聲波控制箱調(diào)控變壓器發(fā)出電流，電流經(jīng)過上銅電極和下銅電極對碳纖維套進(jìn)行加熱，進(jìn)而對碳纖維套中的巖樣進(jìn)行加熱，利用溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測碳纖維套的溫度，并通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將碳纖維套中的巖樣維持在設(shè)定的溫度，當(dāng)巖樣達(dá)到設(shè)定溫度后，可恒溫一段時間，保證巖樣均勻受熱；

（3）打開單軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)；

（4）在巖樣受壓縮發(fā)生軸向應(yīng)變過程中，剛玉頂針跟隨巖樣一起軸向移動，上位移滑片、下位移滑片的差值即為巖樣在高溫壓縮過程中的軸向應(yīng)變值；

（5）利用溫度-聲波控制箱從聲波發(fā)射端發(fā)射聲波，經(jīng)過巖樣后被聲波接收端接收，巖樣高溫單軸壓縮過程中的波形圖顯示在示波器中，從而得到巖樣在高溫壓縮過程中的聲波時差；

（6）各項(xiàng)數(shù)據(jù)均存儲到數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、泊松比、彈性模量等巖石力學(xué)參數(shù)計算；

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電源，當(dāng)裝置冷卻至室溫后，更換巖樣，可進(jìn)行下一輪實(shí)驗(yàn)。