[發(fā)明專利]一種能夠誘導(dǎo)本征尖銳裂縫的雙懸臂梁斷裂韌性測試方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810026842.2
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108333045B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧運(yùn)虎;金衍;陳勉;董京楠;洪國斌;侯冰;劉洪濤;周舟;林伯韜;王世永
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)(北京)
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/06
• 代理公司: 11367 北京馳納智財(cái)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 陳常美

本發(fā)明公開了一種能夠誘導(dǎo)本征尖銳裂縫的雙懸臂梁斷裂韌性測試方法，包括以下步驟：步驟（1）、制備巖板，端面處理，繪制導(dǎo)電柵；步驟（2）、裝置夾持巖板，預(yù)加載計(jì)算的拉力及軸向力；步驟（3）、巖板靜置一段時(shí)間，施加外載拉力，直至巖板產(chǎn)生I型斷裂縫，完成實(shí)驗(yàn)外力加載部分；步驟（4）、采集數(shù)據(jù)；步驟（5）、處理分析數(shù)據(jù)并繪制曲線。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的誘導(dǎo)本征尖銳裂縫的斷裂韌性測試方法簡單易懂、操作便捷、測試結(jié)果準(zhǔn)確，能夠有效記錄測量I型裂縫延伸速度、開裂位移和延伸長度等數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)研究巖石斷裂韌性提供了方法基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于油氣鉆探工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠誘導(dǎo)本征尖銳裂縫的雙懸臂梁斷裂韌性測試方法。

背景技術(shù)

巖石材料本身性質(zhì)對理解巖石碎片化過程是十分重要的，如對巖體的鉆孔、爆破、隧道掘進(jìn)、切割和破碎等巖石力學(xué)設(shè)計(jì)問題上都需要考慮巖石材料特性。斷裂力學(xué)主要研究巖石材料的特性，因此對實(shí)際巖石工程設(shè)計(jì)作出了重要貢獻(xiàn)。近幾年來，許多專家學(xué)者通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測試方法討論巖石斷裂韌性的相關(guān)問題。斷裂力學(xué)是一種工程學(xué)科，其目的是為了定量描述由一個(gè)裂縫引發(fā)的完整材料結(jié)構(gòu)破裂過程。斷裂力學(xué)中將最大允許應(yīng)力與裂縫的尺寸和位置相關(guān)聯(lián)，甚至可以預(yù)測裂縫增長到臨界尺寸的速度，環(huán)境或變化的負(fù)載(疲勞)的影響。并且還可以確定裂縫快速擴(kuò)展和停止移動(dòng)裂縫的條件。

巖石的斷裂特性可用于預(yù)防和預(yù)測金屬、塑料、陶瓷等人造材料結(jié)構(gòu)潛在的災(zāi)難性失效或破壞，其對混凝土、巖石等材料開裂的應(yīng)用也逐漸受到重視。歷史上，斷裂力學(xué)是材料力學(xué)強(qiáng)度的發(fā)展，其中結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與某些材料強(qiáng)度值進(jìn)行比較，以確定是否發(fā)生故障。斷裂力學(xué)中的基本材料參數(shù)稱為斷裂韌性。

由于斷裂力學(xué)具體描述了裂紋的影響，并且斷裂韌性的測試實(shí)驗(yàn)與普通強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)不同，所以有必要對斷裂韌性實(shí)驗(yàn)提出具體的、明確的實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)方法。

具體來說，I型裂縫為張拉縫，II型裂縫為剪切縫。I型裂縫為斷裂力學(xué)中三種裂縫中最基本也是最重要的一種，它代表著材料抗擊張拉裂縫擴(kuò)展的能力，同時(shí)表征了材料張拉裂縫擴(kuò)展時(shí)與能量消耗量大小正相關(guān)的一個(gè)指數(shù)。I型斷裂韌性的值一旦確定，同時(shí)就可以確定I型裂縫擴(kuò)展單位長度所需要消耗的能量，同時(shí)能夠確定I型裂縫近縫尖的全場位移、全場應(yīng)變以及斷裂力學(xué)中極為重要的J積分的大小(Rice)。I型斷裂韌性對巖石的張性斷裂有著決定性作用，在淺地層水力壓裂、近井筒井壁失穩(wěn)中有著重要意義。同時(shí)，在隧道挖掘過程，I型斷裂韌性值都決定著整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與否。

II型斷裂韌性的測試方法參考《國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦方法》中的《國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)II型斷裂韌性測試推薦方法》(ISRM Suggested Method for the Determination ofMode II Fracture Toughness)。基本方法基于圓柱形巖心，在圓柱形巖心的上下端面銑出環(huán)形窄切槽，置于壓機(jī)上進(jìn)行剪切破壞測試。剪切通過上下加載位置的不同實(shí)現(xiàn)。具體加載方式為上端加載內(nèi)圓柱，下端加載外圓環(huán)，但是其不適用于I型裂縫。

申請?zhí)枮?00510007695的中國發(fā)明專利公開了一種計(jì)算巖石II型斷裂韌性的方法,包括下列步驟:1)測試巖石的II型斷裂韌性；2)測試巖石的抗壓強(qiáng)度；3)建立巖石II型斷裂韌性計(jì)算模型；4)利用步驟3)中的計(jì)算模型獲得巖石II型斷裂韌性。該發(fā)明中獲取了準(zhǔn)確的巖石II型斷裂韌性后,可很大程度的提高各種水力壓裂模型的預(yù)測精度。可預(yù)測水力壓裂裂縫從開始起裂、裂縫擴(kuò)展過程中在地層空間的彎曲幾何形態(tài),從而可計(jì)算出裂縫寬度分布和裂縫面摩阻大小,為壓裂支撐劑和壓裂液性能設(shè)計(jì)提供科學(xué)的基礎(chǔ),可保證壓裂支撐劑有效分布在水裂裂縫面上,形成有效的泄油通道,而不是堵在井壁裂縫口處造成壓裂作業(yè)失效，但是該發(fā)明并不能測量I型裂縫延伸速度、開裂位移和延伸長度等數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容