[發明專利]一種高溫環境中不同載荷下膠結顆粒強度測試裝置及方法

有效

• 申請號: 201710744761.1
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107402181B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發明（設計）人: 張建光;王傳睿;呂愛民;張旭;趙健男
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N19/04
• 分類號: G01N19/04
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王楠

技術領域

本發明涉及一種高溫環境中不同載荷下膠結顆粒強度測試裝置及方法，屬于巖石力學和油藏工程技術領域。

背景技術

巖石力學與油藏工程中需要對巖石破裂機理及規律進行大量的力學特性研究。實際地層中的應力情況十分復雜，巖石的破裂受到了很多的因素影響，如外加載荷、巖石孔隙壓力、地熱因素等都起到了不可忽視的作用。值的注意的是，不同的影響因素會同時發生，他們之間可能會發生相互耦合，因此需要對其綜合影響進行針對性的研究。

對于巖石而言，尤其是致密介質巖石，具有明確的微觀結構，即基質顆粒之間通過膠結物粘連。由于巖石存在這種非連續性質，在相關的工程研究中，多采用離散單元法進行技術分析。離散單元法是以不連續介質力學為基礎的數值模擬技術，因此在使用離散單元法進行模擬之前，需要先進行物理模型試驗并解析顆粒間的接觸本構關系。

相關領域的學者曾經利用圓柱體和半球體等形狀的理想化膠結顆粒試樣(8)，研究了常溫常壓下外加載荷(剪切、拉壓、彎轉、扭轉等)對膠結顆粒的影響。然而實際地層巖石處于高溫高壓的環境下，發生破裂的誘因也多種多樣、十分復雜，因此前人的試驗條件和模型選擇過于理想化和簡單化，不能直接真實的反應出地層條件下巖石球形膠結顆粒的力學行為。

中國專利文件(申請號201710057913.0)公開了一種砂顆粒納米凝膠膠結區扭轉強度和剪應變測試裝置，包括轉矩施加裝置、膠結區成形裝置、粒子圖像測速裝置和數據采集及控制系統。轉矩施加裝置包括轉動軸桿、細線、應力計、施力桿和直線式超聲電機；膠結區成形裝置包括含有色顆粒硅溶膠水箱、球形顆粒、顆粒安裝套桿、圓形截面有機玻璃套管和石英玻璃平板；所述粒子圖像測速裝置包括數碼相機和光源；所述數據采集及控制系統分別與載荷施加裝置和粒子圖像測速裝置連接。該方案尚不能模擬高溫環境，所測試的力學性質種類也稍有限制。

為解決上述存在的問題及技術不足，進一步研究高溫環境下球形顆粒的接觸力學特性，本發明設計了一種新型的測試膠結顆粒接觸力學特性的裝置系統，所述的裝置系統能夠提供高溫環境條件，通過加載設備對球體膠結顆粒進行多種形式的力學加載，并測定膠結顆粒在不同垂向載荷下的剪切、抗彎、抗扭強度，為巖石力學與油藏工程等相關領域中進行地層巖石破裂的離散元分析研究提供物理模型的試驗基礎。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種高溫環境中不同載荷下膠結顆粒強度測試裝置。

本發明還提供上述裝置的工作使用方法。

本發明的技術方案如下：

為對膠結顆粒間的接觸力學特性進行研究，首先構建理想雙球體顆粒膠結模型，簡化膠結物(13)上下膠結面為點接觸。對其中的膠結物(13)進行受力分析如下：

1、在壓縮試驗過程中，膠結物(13)僅受到垂向載荷，如圖1所示，假設垂向載荷大小為F，那么膠結物(13)受到的總應力大小為2倍垂向載荷，即：

F_合＝2F

膠結物(13)上表面受到大小為F垂直向下的力，下表面受到大小為F垂直向上的力。

2、在壓縮—旋扭試驗過程中，膠結物(13)受到了垂向載荷和旋扭載荷，如圖2所示，假設垂向載荷大小為F、旋扭載荷大小為f，那么膠結物(13)受力情況為：

膠結物(13)上表面受到大小為F垂直向下垂向力，大小為f俯視為逆時針的旋扭力；下表面受到大小為F垂直向上的垂向力。

3、在壓縮—剪切試驗過程中，膠結物(13)受到了垂向載荷和剪切載荷，如圖3所示，假設垂向載荷大小為F、剪切載荷大小為f，那么膠結物(13)受力情況為：

膠結物(13)上表面受到大小為F垂直向下垂向力，大小為f水平向右的切向力；下表面受到大小為F垂直向上的垂向力，大小為f水平向左的切向力。

4、在壓縮—彎扭試驗過程中，膠結物(13)受到了垂向載荷和彎扭載荷，如圖4所示，假設垂向載荷大小為F，彎扭載荷大小為f'h，那么膠結物(13)受力情況為：

膠結物(13)上表面受到大小為F垂直向下垂向力；下表面大小為F垂直向上的垂向力，受到大小為f'h的順時針扭矩。

5、在壓縮—彎扭—旋扭試驗中，膠結物(13)受到了垂向載荷、旋扭載荷和彎扭載荷，如圖5所示，假設垂向載荷大小為F，旋扭載荷大小為f，彎扭載荷大小為f'h，那么膠結物(13)受力情況為：