用于检测模拟地层条件下岩石韧性的装置及方法与流程

本公开涉及岩石韧性参数检测领域，尤其涉及一种用于检测模拟地层条件下岩石韧性的装置和一种用于检测模拟地层条件下岩石韧性的方法。

背景技术：

在以往对岩石物理特性的研究中，通常采用岩石三轴应力测试方法等测量岩石的杨氏弹性模量、泊松比、抗压强度、内聚力、内摩擦角、强度参数(诸如抗压强度、单轴抗拉强度和抗剪强度)等，而忽略了岩石的抗曲模量等反应岩石韧性的信息。抗曲模量通常可衡量材料抵抗弯曲变形的能力，是表征材料自身属性的物理量。

在针对南方海相碳酸盐岩地区的石油地质勘探过程中发现，其主要是由烃源岩及盖层构成。盖层的韧性参数，特别是抗曲模量，可衡量其在外力作用下是否易于发生弯曲变形，这对于这类地区的勘探开发非常重要，因此对于盖层的诸如抗曲模量的韧性参数的评价上升到一个极其重要的地位。

现有技术中，对于抗曲模量的测量一般采用三点弯试验，即将规定尺寸的长方形材料置于两个规定尺寸的支点上，从中间不断加大载荷强度，直至岩石发生破裂，必要时对破裂后的变形进行步测量。图1示出了现有技术中采用简支圆片集中载荷冲击法测定硅片抗弯强度的示意图。该方法是利用一定高度的钢珠滑落冲击硅片中心来计算硅片的抗弯强度。该方法的缺陷是：该实验只能在常温、常压条件下进行，无法还原待测样品在真实地层压力以及温度条件下的情况。此外，其每次实验只能记录一次冲击，实验误差较大。因此，该方法不适用于获得在真实地层条件下的岩石的韧性参数。

技术实现要素：

本公开的目的之一是提供一种便于检测岩石样品在模拟地层条件下的韧性参数的装置。本公开还提供了一种用于检测岩石样品在模拟地层条件下的韧性参数的方法。

根据本公开的一个方面，公开了一种用于检测模拟地层条件下岩石韧性的装置，该装置包括：夹持器外筒，其内部形成第一密封腔体；夹具，设置于所述第一密封腔体内，用于保持岩石样品的位置；温度控制装置，用于控制所述第一密封腔体内的温度；围压控制装置，用于控制施加至岩石样品的围压；压力施加装置，包括设置于第一密封腔体外部的气体抽吸装置以及设置于第一密封腔体内部的第一活塞，第一活塞朝向岩石样品的一侧具有顶头，气体抽吸装置连通至所述第一密封腔体内以驱动第一活塞运动，使得顶头给岩石样品施加压力；应变采集装置，用于采集岩石样品在受到压力施加装置所施加的压力时相应的应变信息，所述应变信息包括岩石样品的挠曲度。

根据本公开的另一方面，公开了一种用于检测模拟地层条件下的岩石韧性的方法，该方法包括：将岩石样品固定在密闭腔体内；控制该密闭腔体内的温度，以及控制施加至岩石样品的围压；给岩石样品施加压力，并获取岩石样品在受到所施加的压力时相应的应变信息，所述应变信息包括岩石样品的挠曲度；基于所施加的压力以及所述应变信息获取岩石样品在相应温度和围压环境下的韧性参数。

本公开通过使岩石样品处于一定的温度和围压环境中，以模拟真实的地层条件，并通过给处于模拟地层条件下的岩石样品施加压力并采集岩石样品在压力下所产生的应变信息来获取岩石的抗模曲量等参数。应用本公开，可得到岩石在真实地层条件下的持续应变信息，还可根据岩石样品断裂时所受的压力等得到岩石的抗曲模量，为盖层评价提供新的方法和指标，对于盖层评价具有重要意义。此外，本公开还具有误差小、测量精度高等优点。

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为现有技术中利用三点弯试验测定硅片抗曲强度的装置结构示意图；

图2为根据本公开的一个具体示例的用于检测模拟地层条件下岩石韧性的装置的结构示意图；

图3为应用本公开得到的在模拟地层条件下岩石样品所受压力与挠曲度的关系曲线示意图。

附图标记说明

1-夹持器外筒；2-第一夹持部件；3-第二夹持部件；5-围压泵；

6-应变片；7-应变仪；8-液压泵；9-缸体；10-第一活塞；

11-第二活塞；12-顶头；13-温控仪；14-围压套；15-压力变送器；

16-阀门；17-处理单元；18-显示单元

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。

本公开公开了一种用于监测模拟地层条件下岩石韧性的装置。该装置包括夹持器外筒、夹具、温度控制装置、围压控制装置、压力施加装置、应变采集装置。夹持器外筒内部形成第一密封腔体。夹具设置于所述第一密封腔体内，用于保持岩石样品的位置。温度控制装置用于控制所述第一密封腔体内的温度。围压控制装置，用于控制施加至岩石样品的围压。压力施加装置包括设置于第 一密封腔体外部的气体抽吸装置以及设置于第一密封腔体内部的第一活塞，第一活塞朝向岩石样品的一侧具有顶头，气体抽吸装置连通至所述第一密封腔体内以驱动第一活塞运动，使得顶头给岩石样品施加压力。应变采集装置用于采集岩石样品在受到压力施加装置所施加的压力时相应的应变信息，所述应变信息包括岩石样品的挠曲度。

通过应用上述装置，可使待测的岩石样品置于模拟真实地层条件的环境下，然后给岩石样品施加压力并采集其应变信息，从而可得到岩石样品的持续应变信息，还可根据岩石样品断裂时所受的压力等得到岩石的抗曲模量。

图2为根据本公开的一个具体示例的用于检测模拟地层条件下岩石韧性的装置的结构示意图。

该具体示例中，夹持器外筒1为封闭的筒体结构，其内部可形成第一密封腔体。

夹具可以包括第一夹持部件2和第二夹持部件3。第一夹持部件2和第二加持部件3的外端可分别安装至夹持器外筒1的第一端面和第二端面，第一夹持部件2内端和第二加持部件3内端间的间隙可用于夹持待测的岩石样品。例如，第一夹持部件2的外端可以通过螺纹与夹持器外筒1的第一端面的内表面固定连接，第二夹持部件3的外端可以通过螺纹与夹持器外筒1的第二端面的内表面固定连接，可通过旋转螺纹来调整夹持的松紧程度。第一夹持部件2可以是空心柱体。第一活塞10可以设置于该空心柱体的腔体内，与夹持器外筒1的第一端面间形成第二密封腔体。气体抽吸装置可连通至第一密封腔体内的该第二密封腔体，以驱动第一活塞10运动，从而通过顶头12给岩石样品的表面(例如表面的中心位置)施加压力。顶头12的形状可以是矩形、半球形和圆锥形中的任意一种，例如直径为5mm的半球状。此处的术语“内、外”可参考图2。

在本具体示例中，第一夹持部件2和第二夹持部件3可以均为空心圆柱，其外径(半径)均为25mm，内径(半径)均为18mm，且二者的轴线在同一直线上，例如均位于第一密封腔体的中心轴线上，如此使得在检测过程中岩石样 品受到来自两侧的夹具的力是受力面积相对应的均衡且反向的力。

该具体示例中的气体抽吸部件可以包括液压泵8、缸体9和置于该缸体9内的第二活塞11。第二活塞11可以将缸体9内的腔体隔开为互不连通的两部分。液压泵8可以通过四根连杆固定在夹持器外筒1外部，其输入端可以连通至压力源，其输出端可以连通至缸体9内第二活塞11一侧的腔体，而第二活塞11另一侧的腔体则可以连通至第一密封腔体内的第二密封腔体。液压泵8可以向缸体9中的第二活塞11加压，从而推动第二活塞11沿缸体9的轴向运动，而在第二活塞11运动过程中，第二活塞11至第一活塞10之间的气体通路中的气体被压缩，从而推动第一活塞10运动，进而通过顶头11给岩石样品施加轴向压力，使岩石样品发生形变。通过这一两级活塞结构，可以充分保证液压泵8中的液体不污染夹持器外筒1和夹具等，以延长仪器的使用寿命，且利于仪器回收。

该检测装置还可包括压力变送器15。压力变送器15可以连接至从第二活塞11至第一密封腔体(本示例中具体为第一密封腔体内的第二密封腔体)的气体通路，以采集该气体通路中的气体压力。本领域技术人员可以根据所采集到的气体压力得到此时岩石样品所承受的单点载荷压力。为了实现宽量程测量，该压力变送器15可包括三个并联的压力变送单元：低压压力变送单元(量程至2Mpa)、中压压力变送单元(量程至20Mpa)和高压压力变送单元(量程至50Mpa)，其输入端可分别连接至该气体通路，其输出端可分别连接至处理单元17，以确保在各个压力范围内都能测得较为精确的压力值。其中，在低压压力变送单元和中压压力变送单元上可以各串联一个阀门16，以便在超量程时关闭相应阀门16，避免损坏相应的压力变送单元。

温度控制装置可以包括加热部件(未示出)和温控仪13。加热部件可设置在夹持器外筒1的外侧壁上。温控仪13可控制加热部件加热。可通过处理单元17给温控仪13设置温度，温控仪13可基于该设置的温度控制加热部件加热，用以模拟地层的温度条件。

围压控制装置可以包括围压泵5。围压泵5的输出端可连通至第一密封腔体，以将围压液体压入所述第一密封腔体内给岩石样品施加围压。在本具体示例，第一夹持部件2、第二夹持部件3和岩石样品组成的一体式结构与夹持器外筒1内壁之间可以形成密闭环空。围压泵5的输出端可以与该密闭环空相连通。可通过处理单元17给围压泵5设置围压值，围压泵5可以该设置的围压值向岩石样品施加相应围压载荷，用以模拟地层的压力条件。

可将用橡胶制成的围压套14套接在夹具和岩石样品组成的一体式结构的外侧壁上，使围压通过围压套14传递给岩石样品，从而防止围压液体与岩石样品直接接触。例如，可将待测岩石样品加工成端面半径为25mm的圆柱体，使该一体式结构的外侧壁是均匀的，从而可以在避免围压液体与岩石样品直接接触的同时不影响施加至岩石样品的围压，以更为逼真地模拟地层条件。

应变采集装置可以包括应变片6和应变仪7。应变片可以贴合地设置在岩石样品背向顶头12的一侧，例如贴合设置在该侧的中心位置。应变仪7可设置在夹持器外筒1的外部并且电连接至应变片6。应变仪7所采集到的应变信息可传送至处理单元17。

处理单元17可设置围压控制装置所提供的围压和温度控制装置所提供的温度以模拟地层条件，并基于顶头12施加至岩石样品的压力以及相应的应变信息得到在该地层条件下岩石的韧性参数(诸如抗曲模量)。处理单元17可以是计算机。显示单元18可显示所设置或采集的参数以及计算结果等。

本公开还公开了一种用于检测模拟地层条件下的岩石韧性的方法。该方法包括：将岩石样品固定在密闭腔体内；控制该密闭腔体内的温度，以及控制施加至岩石样品的围压；给岩石样品施加压力，并获取岩石样品在受到所施加的压力时相应的应变信息，所述应变信息包括岩石样品的挠曲度；基于所施加的压力以及所述应变信息获取岩石样品在相应温度和围压环境下的韧性参数。

所述韧性参数可以包括岩石样品的最大挠曲度W、单点载荷强度P和抗曲模量K。在岩石样品为圆柱体的情况下，具有如下关系：

其中W是岩石样品的最大挠曲度，P是岩石样品断裂时受到的单点载荷压力，R是岩石样品的端面的半径，S是岩石样品的厚度。

可通过如上所述的用于检测模拟地层条件下岩石韧性的装置来实现该方法，具体细节不再一一赘述。

应用示例

为便于理解本公开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公开，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本公开。

本应用示例中采用如图2所示的装置来检测模拟地层条件下的岩石韧性，该检测方法是在模拟实际地层的压力、温度条件下，按照压力梯度对所述岩石样品施压，获取所述岩石样品发生破裂时的最大挠曲度、单点载荷强度以及抗曲模量，并根据检测结果评价所述岩石样品，具体步骤如下。

步骤1，制备岩石样品：

将所述岩石样品打磨处理至圆柱体，沿圆柱体的厚度方向截取5mm，并将所述岩石样品烘干；

步骤2，搭建实验平台：

将所述第一活塞10设置在第一夹持部件2的内壁上，并将所述第一活塞10一侧的顶头12紧顶住所述岩石样品；

将所述应变片6的十字中心粘贴固定在所述岩石样品表面的圆心处，将所述应变片6两端的引线与转接头相连接，再将第二夹持部件3设置在所述岩石样品的另一侧；

步骤3，设备初检：

检测所述应变片6两端引线的电阻值；

若电阻值与所述应变片6的标定值一致，则将所述引线连接至所述应变仪7 的输入端，启动所述应变仪7，并将所述应变仪7清零；

若电阻值与所述应变片6的标定值不一致，则更换所述应变片6，并重复执行所述步骤3；

步骤4，设置实验参数；

通过所述处理单元设置实验参数，所述实验参数包括所述围压泵5输出的压力上限值和所述温控仪13的温度上限值；

所述围压泵5输出的压力上限值可以设定为150Mpa，所述温控仪13的温度上限值可以设定为150℃。

步骤5，加载围压：

启动所述围压泵5，通过所述围压泵5将压力液体泵入所述夹持器外筒1内侧的密封环空中，对所述岩石样品进行围压加载，直至达到所述步骤4中的预设值；

步骤6，加载加热：

启动所述温控仪13，通过处理单元17向所述温控仪13发送温度控制信号，使所述温控仪13对所述夹持器外筒1进行加热，直至达到所述步骤4中预设值；

步骤7，加载单点载荷施加：

步骤71，启动所述液压泵8，利用所述液压泵8对使所述第二活塞11加压，并推动所述第二活塞11沿所述缸体9的轴向运动，所述第二活塞11压缩所述第一活塞10一侧的气体空间，进而提升了所述气体空间中的气体压力，从而使所述第一活塞10沿第一夹持部件2的内腔轴向运动；

所述顶头12向所述岩石样品中心施加轴向作用力，使得所述岩石样品产生形变；

通过所述应变片6检测所述岩石样品的应变量，采样频率为1次/秒，并通过所述应变仪7将检测结果传输至处理单元17，通过所述压力变送器15采集第二活塞11一侧的气体压力值；

步骤72，判断所述岩石样品是否断裂；

若所述岩石样品未断裂，则回退至所述步骤71顺序执行；

若所述岩石样品断裂，则停止对所述第二活塞11加压，并跳转至步骤8；

在所述步骤7过程中，将三个所述压力变送单元及其输入端的阀门16保持开启，当低压压力变送单元满量程时，关闭串联在该压力变送单元输入端的阀门16；当中压压力变送单元满量程时，关闭串联在该压力变送单元输入端的阀门16；实验结束后，将各压力变送单元所采集的数据通过数据采集卡传输至处理单元17；

步骤8，根据所述步骤72中各压力条件下采集的所述岩石样品的应变量，通过处理单元17获取所述岩石样品的单点载荷压力-挠曲度关系曲线，图3为应用本公开得到的在模拟地层条件下两种不同岩石样品所受压力与挠曲度的关系曲线示意图，横坐标为单点载荷压力(单位：N)，纵坐标为挠曲度(mm)；

步骤9，将所述挠曲度-载荷关系曲线的直线部分进行直线拟合，得到所述岩石样品的最大挠曲度W；

步骤10，通过下列公式计算所述岩石样品的抗弯模量K，并对计算结果进行输出分析；

其中W是岩石样品的最大挠曲度，P是岩石样品断裂时受到的单点载荷压力，R是岩石样品的端面的半径，S是岩石样品的厚度。

应用本公开，可以检测不同岩石样品的单点载荷强度(破坏时的最大载荷)、最大挠曲度、抗曲模量等。表1示出了对部分岩石样品的检测结果。

表1

从表1中可以看出，泥灰岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩各样品的单点载荷压力-挠曲度关系基本呈直线关系，说明这些样品在单点加载过程中主要以弹性变形为主，塑性变形很少。而膏岩的单点载荷-挠度关系曲线可以看出分为两段，在较低载荷下膏岩主要以弹性变形为主，呈直线段；在较高载荷下膏盐发生明显塑性变形，并且塑变量很大，在地质条件下，易于塑性变型的岩石才能作为优质的天然气盖层。

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。