[發(fā)明專利]水壓致裂法測量高溫巖石斷裂韌性的裝置及方法

在審

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• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112858022A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尹土兵;莊登登;李檣;吳攸;譚小松;金飛燕;趙巖;吳陽春;劉惠林;郭懿德
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 謝浪

1.一種水壓致裂法測量高溫巖石斷裂韌性的裝置，其特征在于，包括:

柔性加載外套(1),其用于容置待測巖樣(6)；

釜體(2)，其具有圍壓腔，所述柔性加載外套(1)設(shè)置于所述圍壓腔內(nèi)，所述柔性加載外套(1)與所述釜體(2)之間形成有環(huán)形空間(7)；

油路機構(gòu)(3)，其與環(huán)形空間(7)相連通，所述油路機構(gòu)(3)用于向所述環(huán)形空間(7)內(nèi)輸入流體以使流體能通過所述柔性加載外套(1)向待測巖樣(6)施加圍壓；

加熱系統(tǒng)(4)，用于對所述待測巖樣(6)進(jìn)行加熱；

致裂水路機構(gòu)(5)，其與所述巖樣上的內(nèi)孔(8)相連通，所述致裂水路機構(gòu)(5)用于向所述內(nèi)孔(8)內(nèi)輸入壓裂液，以對待測巖樣(6)施加致裂水壓，所述內(nèi)孔(8)的側(cè)壁上設(shè)有預(yù)制裂紋(9)；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于對所述待測巖樣(6)的加熱溫度、所受圍壓和致裂水壓進(jìn)行測量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于：所述釜體(2)包括剛性筒體(201)和設(shè)置在所述剛性筒體(201)兩端的兩個端蓋(202)，兩個所述端蓋(202)分別與所述待測巖樣(6)的兩端相抵，所述柔性加載外套(1)的兩端分別與兩個所述端蓋(202)密封連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于：所述加熱系統(tǒng)(4)包括設(shè)置在所述剛性筒體(201)外的發(fā)熱絲(402)以及覆蓋在發(fā)熱絲(402)外的保溫隔熱層(403)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的溫控傳感器(10)設(shè)置在所述剛性筒體(201)上并與溫度顯示表(14)電性連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于：所述加熱系統(tǒng)(4)還包括保護(hù)外筒，所述發(fā)熱絲(402)和保溫隔熱層(403)從里到外裝配在所述保護(hù)外筒內(nèi)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項所述的裝置，其特征在于：所述致裂水路機構(gòu)(5)包括高壓水泵(501)和致裂水箱，所述致裂水箱、高壓水泵(501)和所述內(nèi)孔(8)通過致裂管路(502)順次相連；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的水壓傳感器(11)設(shè)置在所述致裂管路(502)上，并與水壓顯示表(13)連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于：所述內(nèi)孔(8)內(nèi)設(shè)有柔性加載內(nèi)套(16)，所述柔性加載內(nèi)套(16)的一端與其中一個所述端蓋(202)密封連接，另一端與另一個所述端蓋(202)上的壓裂液進(jìn)口連通，所述壓裂液進(jìn)口與所述致裂管路(502)相連通。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于：所述油路機構(gòu)(3)包括液壓泵(301)、回油管路(302)和進(jìn)油管路(303)，所述液壓泵(301)通過所述進(jìn)油管路(303)與所述環(huán)形空間(7)連通，所述回油管路(302)連通于所述液壓泵(301)的液壓油箱和所述環(huán)形空間(7)，且其上設(shè)有閥門。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的圍壓傳感器(15)設(shè)置在所述環(huán)形空間(7)上，并與圍壓顯示表(12)電性連接。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于：所述柔性加載外套(1)和柔性加載內(nèi)套(16)均采用橡膠套。

10.一種水壓致裂法測量高溫巖石斷裂韌性的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-9任一項所述的裝置，包括：

將待測巖樣放置在柔性加載外套內(nèi)；

通過油路機構(gòu)對環(huán)形空間內(nèi)輸入流體以使流體能通過柔性加載外套向待測巖樣施加圍壓；

保持圍壓不變，通過加熱系統(tǒng)對待測巖樣進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到預(yù)定值后停止升溫，通過致裂水路機構(gòu)向待測巖樣施加致裂水壓；

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對待測巖樣的加熱溫度、所受圍壓和致裂水壓進(jìn)行測量；

隨著水壓不斷增加使得待測巖樣預(yù)制裂紋失穩(wěn)擴展，當(dāng)水壓達(dá)到峰值發(fā)生突降的瞬間，說明預(yù)制裂紋失穩(wěn)破壞，此時關(guān)閉致裂水路機構(gòu)，記錄峰值水壓力值，并由下列公式計算出巖樣的斷裂韌度：

其中：K_IC為待測巖樣斷裂韌度，P_f為峰值水壓力值，a待測巖樣的內(nèi)孔半徑，b為待測巖樣的外徑，L為預(yù)制裂紋長度，K_I^*為無量綱應(yīng)力強度因子。