本发明涉及一种测定岩石剪切强度及剪切裂缝摩擦滑动特性的测试装置。
背景技术
深部非常规油气资源及地热能资源是我国未来重要的接替能源。深部岩石面临高地应力、高温、高孔隙压力等“三高”特征，给岩石力学性质测试带来了前所未有的挑战。深部非常规油气储层及地热储层基质渗透率极低，但是天然裂缝发育，水力压裂有效激活天然裂缝、裂缝剪切滑移成网、提高储层连通性是非常规油气储层及地热储层获得良好改造效果的关键。因此，水力压裂裂缝剪切滑移的力学机制是其关键科学问题之一，也是当前学术界研究热点之一。
水力压裂裂缝剪切滑移过程是天然裂缝弱面在地应力和缝内水压力作用下发生剪切破裂，接着剪切裂缝相对摩擦滑动，形成具有一定导流能力的自支撑裂缝。岩石天然裂缝弱面的剪切强度以及剪切裂缝面摩擦滑动特性是揭示压裂裂缝剪切滑移力学机制的基础。亟需一种能够同时测量岩石弱面剪切强度和剪切裂缝摩擦滑动特性的测试装置。
测量岩石剪切强度主要有直接剪切法和拟三轴压缩试验法，分别利用岩石直剪仪和三轴岩石力学试验机完成。裂缝面摩擦滑动特性通常指摩擦系数随滑动距离的变化规律，可由直接剪切试验法、扭剪试验法和三轴压缩试验法测得。然而，现有测试装置存在以下问题：1)现有岩石直剪仪通常仅能模拟岩石所受正压力和剪切力，无法模拟深部岩石所受三轴地应力和温度条件，同时无法精确测量剪切裂缝面摩擦滑动特性；2)三轴压缩试验法是基于摩尔库伦准则间接测量得到剪切强度，无法同时测试剪切强度和剪切裂缝的摩擦滑动特性。现有测试装置缺乏同时测量岩石剪切强度与剪切裂缝面摩擦滑动特性的功能。
技术实现要素：
本发明提供了一种测定岩石剪切强度及剪切裂缝摩擦滑动特性的测试装置，以同时测量岩石剪切强度与剪切裂缝面摩擦滑动特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测定岩石剪切强度及剪切裂缝摩擦滑动特性的测试装置，包括：上剪切盘，具有沿水平面倾斜设置的上剪切斜面，上剪切斜面上设置有上剪切槽；下剪切盘，具有沿水平面倾斜设置的下剪切斜面，上剪切斜面与下剪切斜面平行，且上剪切斜面与下剪切斜面能够对应配合滑动，下剪切斜面上设置有下剪切槽，下剪切槽与上剪切槽对应并能够形成柱形容纳空间，柱形容纳空间的轴线与下剪切斜面垂直。
进一步地，上剪切盘上设置有滑动凹槽，下剪切盘上对应设置有与滑动凹槽配合的滑动凸起；或者，上剪切盘上设置有滑动凸起，下剪切盘上对应设置有与滑动凸起配合的滑动凹槽。
进一步地，滑动凹槽为燕尾槽。
进一步地，上剪切槽内设置有用于固定岩心一端的上套筒组件，下剪切槽内设置有用于固定岩心另一端的下套筒组件。
进一步地，上剪切盘和下剪切盘结构相同，上剪切盘为直角棱锥体状结构。
进一步地，当上剪切斜面与下剪切斜面配合时，上剪切盘的上表面与下剪切盘的下表面均与水平面平行。
进一步地，下剪切盘的下表面设置有用于固定的卡槽。
本发明的有益效果是，采用三轴岩石力学试验机压头在上剪切盘施加轴向载荷，促使上剪切盘和下剪切盘沿上剪切斜面与下剪切斜面相对滑动，此时岩心在与上剪切斜面相交平面上产生剪切破坏；形成剪切裂缝并继续摩擦滑动。测试过程中可实时记录轴向位移、轴向载荷随时间的变化，即可同时得到岩石剪切强度和剪切裂缝摩擦滑动特性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1的纵向剖视图。
图中附图标记：10、上剪切盘；11、上剪切斜面；12、上剪切槽；20、下剪切盘；21、下剪切斜面；22、下剪切槽；31、上套筒组件；32、下套筒组件；40、岩心。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种测定岩石剪切强度及剪切裂缝摩擦滑动特性的测试装置包括上剪切盘10和下剪切盘20。上剪切盘10具有沿水平面倾斜设置的上剪切斜面11，上剪切斜面11上设置有上剪切槽12。下剪切盘20具有沿水平面倾斜设置的下剪切斜面21，上剪切斜面11与下剪切斜面21平行，且上剪切斜面11与下剪切斜面21能够对应配合滑动，下剪切斜面21上设置有下剪切槽22，下剪切槽22与上剪切槽12对应并能够形成柱形容纳空间，柱形容纳空间的轴线与下剪切斜面21垂直。
采用三轴岩石力学试验机压头在上剪切盘10施加轴向载荷，促使上剪切盘10和下剪切盘20沿上剪切斜面11与下剪切斜面21相对滑动，此时岩心在与上剪切斜面11相交平面上产生剪切破坏；形成剪切裂缝并继续摩擦滑动。测试过程中可实时记录轴向位移、轴向载荷随时间的变化，即可同时得到岩石剪切强度和剪切裂缝摩擦滑动特性。
需要说明的是，上剪切盘10和下剪切盘20结构相同，上剪切盘10为直角棱锥体状结构。当上剪切斜面11与下剪切斜面21配合时，上剪切盘10的上表面与下剪切盘20的下表面均与水平面平行。即上剪切盘10的一个直角面为上剪切盘10的上表面，下剪切盘20的一个直角面为下剪切盘20的下表面。
在该上剪切盘10的上表面上可以与压机连接，用于对上剪切盘10施加垂直向压力。上述下剪切盘20的下表面设置有用于固定的卡槽，以将下剪切盘20进行固定限位。
本发明实施例中，上剪切盘10上设置有滑动凹槽，下剪切盘20上对应设置有与滑动凹槽配合的滑动凸起；或者上剪切盘10上设置有滑动凸起，下剪切盘20上对应设置有与滑动凸起配合的滑动凹槽。
设置上述滑动凹槽和滑动凸起，可以对上剪切盘10和下剪切盘20的滑动方向进行限位，同时，上述滑动凹槽和滑动凸起应该能够使上剪切盘10和下剪切盘20彼此不会分离，以保证实验的准确度。
具体地，滑动凹槽为燕尾槽。滑动凸起为与燕尾槽相配合的燕尾式凸起状结构。当然根据不同情况，可以选取不同的滑动凹槽和滑动凸起结构，例如在一种未图示的实施例中，上述滑动凹槽截面为l形，上述滑动凸起的截面形状与滑动凹槽的截面形状相适配，上述滑动凹槽和滑动凸起配合能够配合滑动，并且对上剪切盘10和下剪切盘20在垂直于上剪切斜面11的方向进行限位。
上剪切槽12内设置有用于固定岩心一端的上套筒组件31，下剪切槽22内设置有用于固定岩心另一端的下套筒组件32。其中，上述上套筒组件31和下套筒组件32结构相同，以上套筒组件31为例进行说明。
上套筒组件31包括圆锥状的内套筒和圆柱状的外套筒，该内套筒具有直径相同的轴向通孔，该轴向通孔能够用于放置岩心40。该圆锥状的内套筒的大径端与上剪切槽12的槽底固定，上述圆锥状内套筒的小径端位于上剪切槽12的槽顶处(靠近上剪切斜面11)。上述内套筒为聚四氟乙烯材料制成。上述外套筒为金属材料制成，能够由内套筒的小径端套入，并向大径端移动，其中，本发明实施例中是通过螺栓对外套筒进行驱动，从而使外套筒压缩内套筒，进而将岩心40抱紧。
在不同实施例中，可以选取不同驱动方式，例如在内套筒的外壁上设置外螺纹，外套筒的内壁上设置有对应的内螺纹。
实际应用时，将打磨好的天然一寸岩心40切割为25.4(±0.2)mm*50(±5)mm圆柱块，利用乳胶膜和热缩管进行密封处理。将上套筒组件31放入上剪切盘10中，上紧相应螺丝顶扣，使内套筒的小径端的端面与剪切面(上剪切斜面11)对齐。将下套筒组件32放入下剪切盘20中，使上剪切盘10和下剪切盘20的滑动凹槽和滑动凸起配合并将岩心40放入至合适位置。旋紧下套筒组件32的螺丝顶扣。将上套筒组件31和下套筒组件32对应的螺丝相应同步上紧，使上套筒组件31和下套筒组件32抱紧岩心40。最后将整体装置放入围压压力仪器中，使上剪切盘10的上表面与压力活塞平行接触，然后开展岩石剪切破坏实验，实验满足条件为：温度0～120℃，围压0.1～60mpa，最大正应力100mpa，并根据实验所得数据进行岩石剪切强度和剪切裂缝摩擦滑动特性计算。与传统盒式剪切仪不同，本装置可以适配岩石力学测试中常用的一寸岩心40(25.4mm*50mm)，可设置在强度较弱的节理处破坏，可以满足深层油气井、地热井地层高温高压的实验条件。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：采用三轴岩石力学试验机压头在上剪切盘10施加轴向载荷，促使上剪切盘10和下剪切盘20沿上剪切斜面11与下剪切斜面21相对滑动，此时岩心在与上剪切斜面11相交平面上产生剪切破坏；形成剪切裂缝并继续摩擦滑动。测试过程中可实时记录轴向位移、轴向载荷随时间的变化，即可同时得到岩石剪切强度和剪切裂缝摩擦滑动特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。