一種可控溫度的巖石抗壓強度測試系統及方法與流程
2023-09-20 05:29:40 1
本發明涉及巖石力學特性檢測領域，具體涉及一種能夠在高溫條件下進行巖石破裂壓力檢測的裝置和方法。
背景技術：
眾所周知，隨著表層油氣田的不斷挖掘開採，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瞄向了深層油氣田。而要對深層油氣田進行研究，就需要模擬地下深處的高溫高壓環境。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、變化和遷移等進行研究，其數據對油、氣田的開發有著重要的指導意義。
此外，現有的巖石力學檢測裝置和方法能夠實現巖石在不同方向應力作用下發生破裂的實驗模擬，其實驗結果通常以應力應變曲線的形式體現。但是，如何解釋這些應力應變曲線並將之轉化成巖石力學性質的描述，需要有比較深厚的巖石力學專業知識，並且巖石破裂過程中其內部究竟發生了怎樣的變化，還需要更深入地研究。
因此，本領域亟需開發一種能夠在高溫條件下進行巖石破裂壓力檢測的裝置和方法。
技術實現要素：
本發明融合了真三軸實驗技術、高溫高壓實驗技術和x射線檢測技術，建立一套能夠模擬高溫、高壓條件，並在巖石破裂過程中對巖石內部微觀結構的變化進行動態檢測的實驗裝置和方法，實現在不同溫度下的巖石抗壓強度測試，能夠為專業人員更好地分析巖石破裂力學提供幫助。
為了實現在高溫條件下對巖石受壓直至破裂的過程檢測，本發明設計了一種可控溫度的巖石抗壓強度測試系統及其測試方法。
根據本發明的一個方面，提供一種可控溫度的巖石抗壓強度測試系統，包括高溫高壓倉、三軸應力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置；每個x射線檢測裝置包括x射線發生器和x射線接收器，x射線發生器和x射線接收器分別設置在所述高溫高壓倉相對的兩個側面；三軸應力加載裝置為所述高溫高壓倉內的巖石樣品提供三軸壓力加載；以及所述高溫高壓倉設置有加熱裝置。
進一步地，三軸應力加載裝置包括：6個機械臂，6個機械臂兩兩對稱地設置在巖石樣品外表面的x、y、z軸上；每個機械臂包括壓杆和壓盤，壓盤緊貼住巖石樣品的外表面，壓杆一端與壓盤相連接。
進一步地，所述壓盤與巖石樣品外表面之間設有應變傳感器。應變傳感器連接到所述三軸應力加載裝置，用於收集巖石樣本的應變數據。
進一步地，所述加熱裝置包括電熱絲，電熱絲沿周向設置在所述高溫高壓倉的外側壁上。
進一步地，巖石樣品為正方體，設置在密封套內。
進一步地，所述的可控溫度的巖石抗壓強度測試系統放置於密封的鉛房內。
進一步地，所述系統還包括控制裝置，與所述三軸應力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置以及所述加熱裝置連接，並控制上述裝置。
進一步地，所述高溫高壓倉的外殼採用聚四氟乙烯製造。
根據本發明的另一方面，提供一種可控溫度的巖石抗壓強度測試方法，包括以下步驟：開啟x射線掃描；對設置在高溫高壓倉內的巖石樣品加溫加壓；採集巖石樣品的形變數據和x射線掃描數據；處理採集到的數據。
進一步地，所述方法還包括根據採集到的巖石樣品的形變數據和x射線掃描數據，調整施加給巖石樣品的溫度和/壓力。由採集到的x射線掃描數據對巖石樣品進行三維圖像顯示，由圖像判斷巖石樣品內部是否發生破裂，進而確定給定溫度下的巖石樣品抗壓強度。
本發明的系統檢測時環境的最高溫度可升至一百二十攝氏度。系統檢測時三個軸向的最高壓力可升至七十兆帕。
本發明的系統能夠在高溫、高壓狀態下對樣品(如巖石樣品等)進行壓力加載，實時監測樣品在不同方向壓力加載直至破裂過程中內部微觀結構的變化。通過本發明的系統和方法，能夠實現巖石破裂過程中對巖石內部微觀結構的變化進行動態檢測，測量不同溫度條件下巖樣的抗壓強度變化，並將巖樣破裂過程以x射線掃描圖像的形式精細、直觀地顯示出來，它能夠為巖石破裂力學研究提供有效的檢測方法和檢測手段，幫助和簡化專業人對對巖石破裂過程的力學解釋。
附圖說明
通過結合附圖對本公開示例性實施方式進行更詳細的描述，本公開的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施方式中，相同的參考標號通常代表相同部件。
圖1顯示了本發明的可控溫度的巖石抗壓強度測試系統的結構示意圖。
圖2顯示了本發明的高溫高壓倉的結構示意圖。
圖3顯示了根據本發明一個實施例的可控溫度的巖石抗壓強度測試方法的流程圖。
具體實施方式
下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優選實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的優選實施方式，然而應該理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了使本公開更加透徹和完整，並且能夠將本公開的範圍完整地傳達給本領域的技術人員。
本發明融合了真三軸實驗技術、高溫高壓實驗技術和x射線檢測技術，建立一套能夠模擬高溫、高壓條件，並在巖石破裂過程中對巖石內部微觀結構的 變化進行動態檢測的實驗裝置和方法，實現在不同溫度下的巖石抗壓強度測試，能夠為專業人員更好地分析巖石破裂力學提供幫助。
根據本發明的一個實施方式，提供一種可控溫度的巖石抗壓強度測試系統，包括高溫高壓倉、三軸應力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置；每個x射線檢測裝置包括x射線發生器和x射線接收器，x射線發生器和x射線接收器分別設置在所述高溫高壓倉相對的兩個側面；三軸應力加載裝置為所述高溫高壓倉內的巖石樣品提供三軸壓力加載；以及所述高溫高壓倉設置有加熱裝置。
本發明的真三軸實驗技術可以真實模擬主應力狀態，且在任意應力路徑下測試樣品力學特徵。可以實現3個方向分別施加不同大小的主應力，3個軸向產生應變，能夠模擬巖體中的應力條件。
高溫高壓倉可以模擬高溫高壓環境。在高溫高壓倉倉內，被測樣品被加溫、加壓。然後通過內置的應力應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出的有別於常溫低壓環境下的特性。
本發明利用了x射線斷層成像技術，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、準確、細緻、多層次、直觀地展示被檢測物體內部的結構、組成、材質及缺損狀況。
具體地，本發明的系統按其功能可分為三軸應力加載裝置、x射線檢測裝置和高溫高壓倉三部分。三軸應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械臂和壓盤實現。
通常，實驗樣品為正方體，其六個表面均貼有應變片(應變傳感器)，用於測量樣品在三個軸向方向的形變量。應變傳感器與三軸應力加載裝置(或者與控制裝置)連接，將應變數據傳輸至三軸應力加載裝置(或者控制裝置)。
高溫高壓倉是被測的巖石樣品進行溫度加載的部件，為了能夠實現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。高壓倉的外殼一般採用耐高溫、高壓的非金屬材料(如聚四氟乙烯)製造。外 殼的耐壓能力還與外殼材料的厚度有關。當厚度增加時，耐壓能力增加，但對x射線的吸收相應增加。此時，可以通過增加x射線發射強度來解決。
x射線檢測裝置包含x射線發生器和x射線接收兩部分，分別置於高溫高壓倉對應的兩側。也可以採用多個x射線檢測裝置，從不同的側面獲得巖石樣品的x射線掃描數據。
所述系統還包括控制裝置，與所述三軸應力加載裝置、一個或多個x射線檢測裝置以及所述加熱裝置連接，並控制上述裝置。本發明中的控制裝置可以計算機，通過接口電路與上述裝置連接，控制加溫、加壓和檢測過程，並且接收和處理採集到的數據。
由於涉及x射線，整個測試系統可放置於密封的鉛房內，通過計算機遠程控制實現。
可選地，三軸應力加載裝置包括：6個機械臂，6個機械臂兩兩對稱地設置在巖石樣品外表面的x、y、z軸上；每個機械臂包括壓杆和壓盤，壓盤緊貼住巖石樣品的外表面，壓杆一端與壓盤相連接。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後，放置於高溫高壓倉內。高溫高壓倉內部六個面上各有一組機械臂和應變感應器，由電纜連接至外部計算機控制系統。可選地，機械臂通過液壓系統提供動力，液壓系統經管道連接到高溫高壓倉內，由計算機控制，給巖石樣品外部施加圍壓和溫度。三軸應力加載裝置可以給巖石樣品施加三個軸向壓力(每個方向施加的應力可以單獨控制)，並從應變感應器獲取巖石樣品形變信息，返回到計算機。x射線發射器和接收器分置與樣品相對的兩個側面，在實驗過程中連續檢測，並將採集到的數據返回計算機。
此外，根據本發明的另一方面，提供一種可控溫度的巖石抗壓強度測試方法，包括以下步驟：開啟x射線掃描；對設置在高溫高壓倉內的巖石樣品加溫加壓；採集巖石樣品的形變數據和x射線掃描數據；處理採集到的數據。
進一步地，所述方法還包括根據採集到的巖石樣品的形變數據和x射線掃 描數據，調整施加給巖石樣品的溫度和/壓力，並且實時採集巖石樣品的形變數據和x射線掃描數據。由採集到的x射線掃描數據對巖石樣品進行三維圖像顯示，由圖像判斷巖石樣品內部是否發生破裂，進而確定給定溫度下的巖石樣品抗壓強度。
本發明的系統檢測時環境的最高溫度可升至一百二十攝氏度。系統檢測時三個軸向的最高壓力可升至七十兆帕。
為便於理解本發明實施例的方案及其效果，以下給出一個具體應用示例。本領域技術人員應理解，該示例僅為了便於理解本發明，其任何具體細節並非意在以任何方式限制本發明。
圖1顯示了本發明的可控溫度的巖石抗壓強度測試系統的結構示意圖。圖2顯示了本發明的高溫高壓倉的結構示意圖。如圖1和圖2所示，本實施例的可控溫度的巖石抗壓強度測試系統1包括：x射線檢測裝置11、高溫高壓倉12、三軸應力加載裝置13和加熱裝置14，上述裝置設置於密封鉛房3內。此外，還包括控制裝置2，與x射線檢測裝置11、三軸應力加載裝置13和加熱裝置14連接，控制上述裝置。
在本實施例中，高溫高壓倉12形狀為正方體，側壁厚度為15釐米，側壁材質為聚四氟乙烯。密封套21包裹在待測巖樣外部，三軸應力加載裝置設置在密封套21與高溫高壓倉12之間，並在待測巖樣上施加壓力。
本實施例中，三軸應力加載裝置13包括6個機械臂；6個機械臂兩兩對稱設置在待測巖樣外表面的x、y、z軸上；機械臂包括壓杆22和壓盤23；壓盤23緊貼住待測巖樣的外表面，壓杆22與壓盤23垂直，壓杆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有應變傳感器。加熱裝置14包括電熱絲，電熱絲沿周向設置在高溫高壓倉12外側壁上。
圖3顯示了根據本發明一個實施例的可控溫度的巖石抗壓強度測試方法的流程圖。
在本實施例的方法中，步驟1，將待測巖石樣品裝載到高壓場內；
步驟2，根據實驗目的，確定溫度、壓力、加載速率等參數；
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行加溫和加壓；可以對三個軸方向進行施加同樣的壓力，也可以對三個軸方向分別施加不同的壓力，具體可根據實驗目的進行設置；
步驟4，採集並顯示巖石樣品應力-應變曲線和三維圖像；
步驟5，觀察樣品三維圖像，判斷巖石樣品內部是否產生微裂縫.例如，當巖石樣品應力-應變曲線中的壓力值由升高轉變成下降達到5％降幅，或者應變值增大5％時，可以視為巖石樣品已被壓裂。此時，如實驗目的僅是測試巖石抗壓強度，則執行步驟6；如實驗目的為觀察巖石樣品受壓破碎過程，則執行步驟7；
步驟6，停止實驗，執行步驟8，處理並顯示實驗結果；
步驟7，繼續加載壓力直至樣品完全破碎，執行步驟8，處理並顯示實驗結果。
本發明為可控溫度的巖石抗壓強度測試系統及測試方法，該系統包括三軸應力加載裝置、x射線檢測裝置和高溫高壓倉。待測巖樣設置在密封套內，密封套設置在高溫高壓倉內，加熱裝置設置在高溫高壓倉外側壁上。該測試方法為通過控制單元控制加熱裝置、三軸應力加載裝置實現對被測巖樣的溫度和壓力加載，完成對待測巖樣的應力應變檢測。採用外部x射線掃描方法，在實驗過程中對巖樣進行實時監測。
本發明能夠實現巖石破裂過程中對巖石內部微觀結構的變化進行動態檢測，測量不同溫度條件下巖樣的抗壓強度變化，並將巖樣破裂過程以x射線掃描圖像的形式精細、直觀地顯示出來，它能夠為巖石破裂力學研究提供有效的檢測方法和檢測手段。
以上已經描述了本公開的各實施例，上述說明是示例性的，並非窮盡性的，並且也不限於所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。 本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或對市場中的技術的技術改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。