[發明專利]一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置

有效

• 申請號: 201710448591.2
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107179241B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 閆偉;陳建國;鄧金根;蔚寶華;譚強;劉偉;王孔陽;汪衍剛
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（北京）
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/06
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩;吳歡燕

本發明公開了一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，包括溶液槽、壓頭、CCD高速攝像機、強光源和防水漫射屏，溶液槽的內側底端面裝設有承載板，承載板上設有至少四個盲孔，盲孔內裝設有支撐體，CCD高速攝像機裝設在溶液槽內，與強光源和防水漫射屏配合，用于采集巖石裂縫動態擴展圖像信息；巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置還包括壓力機，壓力機包括沖頭和工作臺，沖頭與工作臺相對設置，壓頭裝設有在沖頭上，溶液槽裝設在工作臺上，可通過控制壓力機以改變壓頭的位移或施加載荷，以完成不同載荷條件下的飽水巖石裂紋擴展實驗，且本發明采用防水CCD高速攝像機，可實現全程記錄巖石裂縫擴展狀態，實現圖像數據的采集，便于后續測量和分析。

技術領域

本發明涉及非常規儲層裂縫形態實驗研究技術領域，更具體地，涉及一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置。

背景技術

頁巖氣是一種以游離或吸附狀態藏身于頁巖層或泥巖層中的非常規天然氣。我國的頁巖氣資源豐富，隨著開采技術的進步以及國家對開采的補貼支持，對頁巖氣的開發利用將進入快速發展時期。國外的頁巖氣的開采發展的比較早，主要的開采技術包括水平井技術、多層壓裂技術、清水壓裂技術以及重復壓裂技術等，我國的頁巖氣開采目前還處于起步階段。

近年來，許多人采用斷裂力學方法研究了巖石裂紋的擴展發育規律。研究表明，處于一定環境介質中的含裂紋材料，當裂紋尖端的應力強度因子高于斷裂韌度時，裂紋就會以接近聲速擴展；而含裂紋的氧化物、硅酸鹽等材料，當裂紋尖端的應力強度因子遠低于斷裂韌度時，裂紋仍會以一定的速度擴展。許多與環境有關的因素(如應力腐蝕等)導致了此類擴展。這種穩定的、準靜態裂紋擴展稱為亞臨界擴展。當斷裂韌度低于某一門檻值K₀時，裂紋不再擴展。

如圖1所示，裂紋的亞臨界擴展分三個階段，在K_I～lgv圖上，圖中，K_I表示應力強度因子，K₀表示裂紋擴展門檻值，K_IC表示巖石的斷裂韌度，lgv表示裂紋擴展速率。在第一階段內，當斷裂韌度剛超過K₀(門檻值)后，裂紋經過一段孕育期突然加速擴展，裂紋的擴展主要由應力腐蝕速度決定；而當進入擴展的第二階段后，擴展處于穩定狀態，其擴展速率不隨應力強度因子K_I的提高而增加，裂紋的擴展主要由環境中活性物質向裂紋尖端擴散的速度決定。當裂紋由成核、生長和亞臨界擴展發展到臨界長度后，裂紋尖端區域的應力強度因子K_I也隨著裂紋的擴展而急劇增大，此時，裂紋的擴展從穩態階段進入動態階段(第三階段)。此階段是走向快速斷裂的過渡區，受熱激活焓的影響，此時受環境介質的影響并不明顯。

而現有技術中，大多數的研究主要是針對巖石各向異性參數開展的，而且更多的是直接通過力學設備對巖石(例如邊坡巖)的各向異性參數進行力學測試，并未對處于流體飽和狀態下的巖石壓裂物理模擬的方法進行研究。段靚靚等從橫觀各向同性理論出發，對現場采集的巖樣進行室內單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，對巖石的各向異性參數進行了研究，探討了彈性模量、抗壓強度和抗拉強度隨巖層傾角變化的規律。

另一方面，目前的研究主要是針對砂巖和碳酸鹽巖開展的。席道瑛等在MTS伺服壓機上對不同飽和狀態的砂巖、大理巖標本進行了垂直層理和平行層理兩個方向的正弦波加載試驗，研究了飽和巖石的各向異性及非線性粘彈性行為。但對于處于流體飽和條件下的致密巖石裂縫擴張的研究，并未給出相應的實驗設備。

綜上所述，亟需形成一套用于研究致密巖石裂縫各項參數變化的物理模擬系統，以便更好地了解巖樣的裂紋擴展速率與應力強度因子的變化關系和斷裂韌性值以及計算亞臨界裂紋指數，以達到增產的目的。

發明內容

本發明提供一種結構簡單、操作方便的巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，以解決現有用于研究處于流體飽和條件下的致密巖石裂縫擴張研究設備匱乏的技術問題。