一种可控温度的岩石抗压强度测试系统及方法与流程

文档序号:11232809阅读:812来源:国知局
一种可控温度的岩石抗压强度测试系统及方法与流程

本发明涉及岩石力学特性检测领域,具体涉及一种能够在高温条件下进行岩石破裂压力检测的装置和方法。



背景技术:

众所周知,随着表层油气田的不断挖掘开采,浅层油气资源变得越来越少,人们开始把探索油气资源的目标瞄向了深层油气田。而要对深层油气田进行研究,就需要模拟地下深处的高温高压环境。通过检测含油岩石在不同压力和温度条件下物理特性的变化,可以对储油层的生成、变化和迁移等进行研究,其数据对油、气田的开发有着重要的指导意义。

此外,现有的岩石力学检测装置和方法能够实现岩石在不同方向应力作用下发生破裂的实验模拟,其实验结果通常以应力应变曲线的形式体现。但是,如何解释这些应力应变曲线并将之转化成岩石力学性质的描述,需要有比较深厚的岩石力学专业知识,并且岩石破裂过程中其内部究竟发生了怎样的变化,还需要更深入地研究。

因此,本领域亟需开发一种能够在高温条件下进行岩石破裂压力检测的装置和方法。



技术实现要素:

本发明融合了真三轴实验技术、高温高压实验技术和x射线检测技术,建立一套能够模拟高温、高压条件,并在岩石破裂过程中对岩石内部微观结构的变化进行动态检测的实验装置和方法,实现在不同温度下的岩石抗压强度测试,能够为专业人员更好地分析岩石破裂力学提供帮助。

为了实现在高温条件下对岩石受压直至破裂的过程检测,本发明设计了一种可控温度的岩石抗压强度测试系统及其测试方法。

根据本发明的一个方面,提供一种可控温度的岩石抗压强度测试系统,包括高温高压仓、三轴应力加载装置、一个或多个x射线检测装置;每个x射线检测装置包括x射线发生器和x射线接收器,x射线发生器和x射线接收器分别设置在所述高温高压仓相对的两个侧面;三轴应力加载装置为所述高温高压仓内的岩石样品提供三轴压力加载;以及所述高温高压仓设置有加热装置。

进一步地,三轴应力加载装置包括:6个机械臂,6个机械臂两两对称地设置在岩石样品外表面的x、y、z轴上;每个机械臂包括压杆和压盘,压盘紧贴住岩石样品的外表面,压杆一端与压盘相连接。

进一步地,所述压盘与岩石样品外表面之间设有应变传感器。应变传感器连接到所述三轴应力加载装置,用于收集岩石样本的应变数据。

进一步地,所述加热装置包括电热丝,电热丝沿周向设置在所述高温高压仓的外侧壁上。

进一步地,岩石样品为正方体,设置在密封套内。

进一步地,所述的可控温度的岩石抗压强度测试系统放置于密封的铅房内。

进一步地,所述系统还包括控制装置,与所述三轴应力加载装置、一个或多个x射线检测装置以及所述加热装置连接,并控制上述装置。

进一步地,所述高温高压仓的外壳采用聚四氟乙烯制造。

根据本发明的另一方面,提供一种可控温度的岩石抗压强度测试方法,包括以下步骤:开启x射线扫描;对设置在高温高压仓内的岩石样品加温加压;采集岩石样品的形变数据和x射线扫描数据;处理采集到的数据。

进一步地,所述方法还包括根据采集到的岩石样品的形变数据和x射线扫描数据,调整施加给岩石样品的温度和/压力。由采集到的x射线扫描数据对岩石样品进行三维图像显示,由图像判断岩石样品内部是否发生破裂,进而确定给定温度下的岩石样品抗压强度。

本发明的系统检测时环境的最高温度可升至一百二十摄氏度。系统检测时三个轴向的最高压力可升至七十兆帕。

本发明的系统能够在高温、高压状态下对样品(如岩石样品等)进行压力加载,实时监测样品在不同方向压力加载直至破裂过程中内部微观结构的变化。通过本发明的系统和方法,能够实现岩石破裂过程中对岩石内部微观结构的变化进行动态检测,测量不同温度条件下岩样的抗压强度变化,并将岩样破裂过程以x射线扫描图像的形式精细、直观地显示出来,它能够为岩石破裂力学研究提供有效的检测方法和检测手段,帮助和简化专业人对对岩石破裂过程的力学解释。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述,本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本公开示例性实施方式中,相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示了本发明的可控温度的岩石抗压强度测试系统的结构示意图。

图2显示了本发明的高温高压仓的结构示意图。

图3显示了根据本发明一个实施例的可控温度的岩石抗压强度测试方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整,并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明融合了真三轴实验技术、高温高压实验技术和x射线检测技术,建立一套能够模拟高温、高压条件,并在岩石破裂过程中对岩石内部微观结构的 变化进行动态检测的实验装置和方法,实现在不同温度下的岩石抗压强度测试,能够为专业人员更好地分析岩石破裂力学提供帮助。

根据本发明的一个实施方式,提供一种可控温度的岩石抗压强度测试系统,包括高温高压仓、三轴应力加载装置、一个或多个x射线检测装置;每个x射线检测装置包括x射线发生器和x射线接收器,x射线发生器和x射线接收器分别设置在所述高温高压仓相对的两个侧面;三轴应力加载装置为所述高温高压仓内的岩石样品提供三轴压力加载;以及所述高温高压仓设置有加热装置。

本发明的真三轴实验技术可以真实模拟主应力状态,且在任意应力路径下测试样品力学特征。可以实现3个方向分别施加不同大小的主应力,3个轴向产生应变,能够模拟岩体中的应力条件。

高温高压仓可以模拟高温高压环境。在高温高压仓仓内,被测样品被加温、加压。然后通过内置的应力应变探头检测其在不同条件下物理特性的变化。因此通过该装置可以测出样品的各个阶段表现出的有别于常温低压环境下的特性。

本发明利用了x射线断层成像技术,它能在对检测物体无损伤条件下,以二维断层图像或三维立体图像的形式,清晰、准确、细致、多层次、直观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况。

具体地,本发明的系统按其功能可分为三轴应力加载装置、x射线检测装置和高温高压仓三部分。三轴应力加载装置提供对被测样品的三轴压力加载,压力通过三个轴向的机械臂和压盘实现。

通常,实验样品为正方体,其六个表面均贴有应变片(应变传感器),用于测量样品在三个轴向方向的形变量。应变传感器与三轴应力加载装置(或者与控制装置)连接,将应变数据传输至三轴应力加载装置(或者控制装置)。

高温高压仓是被测的岩石样品进行温度加载的部件,为了能够实现x射线检测,放置样品的高温高压仓外壳要求耐高温、高压,同时对x射线衰减小。高压仓的外壳一般采用耐高温、高压的非金属材料(如聚四氟乙烯)制造。外 壳的耐压能力还与外壳材料的厚度有关。当厚度增加时,耐压能力增加,但对x射线的吸收相应增加。此时,可以通过增加x射线发射强度来解决。

x射线检测装置包含x射线发生器和x射线接收两部分,分别置于高温高压仓对应的两侧。也可以采用多个x射线检测装置,从不同的侧面获得岩石样品的x射线扫描数据。

所述系统还包括控制装置,与所述三轴应力加载装置、一个或多个x射线检测装置以及所述加热装置连接,并控制上述装置。本发明中的控制装置可以计算机,通过接口电路与上述装置连接,控制加温、加压和检测过程,并且接收和处理采集到的数据。

由于涉及x射线,整个测试系统可放置于密封的铅房内,通过计算机远程控制实现。

可选地,三轴应力加载装置包括:6个机械臂,6个机械臂两两对称地设置在岩石样品外表面的x、y、z轴上;每个机械臂包括压杆和压盘,压盘紧贴住岩石样品的外表面,压杆一端与压盘相连接。具体地,高温高压仓为正方体,方形的测试样品被耐高温、高压的胶套密封包裹后,放置于高温高压仓内。高温高压仓内部六个面上各有一组机械臂和应变感应器,由电缆连接至外部计算机控制系统。可选地,机械臂通过液压系统提供动力,液压系统经管道连接到高温高压仓内,由计算机控制,给岩石样品外部施加围压和温度。三轴应力加载装置可以给岩石样品施加三个轴向压力(每个方向施加的应力可以单独控制),并从应变感应器获取岩石样品形变信息,返回到计算机。x射线发射器和接收器分置与样品相对的两个侧面,在实验过程中连续检测,并将采集到的数据返回计算机。

此外,根据本发明的另一方面,提供一种可控温度的岩石抗压强度测试方法,包括以下步骤:开启x射线扫描;对设置在高温高压仓内的岩石样品加温加压;采集岩石样品的形变数据和x射线扫描数据;处理采集到的数据。

进一步地,所述方法还包括根据采集到的岩石样品的形变数据和x射线扫 描数据,调整施加给岩石样品的温度和/压力,并且实时采集岩石样品的形变数据和x射线扫描数据。由采集到的x射线扫描数据对岩石样品进行三维图像显示,由图像判断岩石样品内部是否发生破裂,进而确定给定温度下的岩石样品抗压强度。

本发明的系统检测时环境的最高温度可升至一百二十摄氏度。系统检测时三个轴向的最高压力可升至七十兆帕。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果,以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解,该示例仅为了便于理解本发明,其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

图1显示了本发明的可控温度的岩石抗压强度测试系统的结构示意图。图2显示了本发明的高温高压仓的结构示意图。如图1和图2所示,本实施例的可控温度的岩石抗压强度测试系统1包括:x射线检测装置11、高温高压仓12、三轴应力加载装置13和加热装置14,上述装置设置于密封铅房3内。此外,还包括控制装置2,与x射线检测装置11、三轴应力加载装置13和加热装置14连接,控制上述装置。

在本实施例中,高温高压仓12形状为正方体,侧壁厚度为15厘米,侧壁材质为聚四氟乙烯。密封套21包裹在待测岩样外部,三轴应力加载装置设置在密封套21与高温高压仓12之间,并在待测岩样上施加压力。

本实施例中,三轴应力加载装置13包括6个机械臂;6个机械臂两两对称设置在待测岩样外表面的x、y、z轴上;机械臂包括压杆22和压盘23;压盘23紧贴住待测岩样的外表面,压杆22与压盘23垂直,压杆22一端与压盘23相连接,另一端延伸至高温高压仓12外部。压盘22与待测岩样外表面之间设有应变传感器。加热装置14包括电热丝,电热丝沿周向设置在高温高压仓12外侧壁上。

图3显示了根据本发明一个实施例的可控温度的岩石抗压强度测试方法的流程图。

在本实施例的方法中,步骤1,将待测岩石样品装载到高压场内;

步骤2,根据实验目的,确定温度、压力、加载速率等参数;

步骤3,启动温度、压力加载,同步启动x射线扫描,开始对待测岩石样品进行加温和加压;可以对三个轴方向进行施加同样的压力,也可以对三个轴方向分别施加不同的压力,具体可根据实验目的进行设置;

步骤4,采集并显示岩石样品应力-应变曲线和三维图像;

步骤5,观察样品三维图像,判断岩石样品内部是否产生微裂缝.例如,当岩石样品应力-应变曲线中的压力值由升高转变成下降达到5%降幅,或者应变值增大5%时,可以视为岩石样品已被压裂。此时,如实验目的仅是测试岩石抗压强度,则执行步骤6;如实验目的为观察岩石样品受压破碎过程,则执行步骤7;

步骤6,停止实验,执行步骤8,处理并显示实验结果;

步骤7,继续加载压力直至样品完全破碎,执行步骤8,处理并显示实验结果。

本发明为可控温度的岩石抗压强度测试系统及测试方法,该系统包括三轴应力加载装置、x射线检测装置和高温高压仓。待测岩样设置在密封套内,密封套设置在高温高压仓内,加热装置设置在高温高压仓外侧壁上。该测试方法为通过控制单元控制加热装置、三轴应力加载装置实现对被测岩样的温度和压力加载,完成对待测岩样的应力应变检测。采用外部x射线扫描方法,在实验过程中对岩样进行实时监测。

本发明能够实现岩石破裂过程中对岩石内部微观结构的变化进行动态检测,测量不同温度条件下岩样的抗压强度变化,并将岩样破裂过程以x射线扫描图像的形式精细、直观地显示出来,它能够为岩石破裂力学研究提供有效的检测方法和检测手段。

以上已经描述了本公开的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。 本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

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