多场耦合下拉-剪破裂实验用含节理裂隙岩芯制作方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，具体是一种多场耦合下拉-剪破裂实验用含节理裂隙岩芯制作方法。

背景技术：

在深部岩土工程领域，含裂隙岩体是岩土工程领域经常遇到的一种复杂介质，其岩体裂隙的形成、扩展是煤层气开采、水利水坝养护、低渗透油气藏压裂开采、干热岩开发利用等研究中的重要组成部分。大量工程实践表明，深部岩土工程施工中，岩体的开裂和压裂裂缝网络的形成多是由于内部原生弱节理裂隙面在地应力、流体压力等综合作用下引起的弱节理面拉伸、剪切、滑移等破坏引起的。该用于多场耦合下拉-剪实验研究的含节理裂隙岩芯的制作方法对于研究当前理论上和模拟中常用的原生裂隙模型下岩石的破坏机制、以及网络的影响对非常规油气开采、干热岩利用具有重要的理论价值和实践意义。

用于室内岩石物理实验研究的岩样一般是完整岩样，不具备天然弱节理裂隙面。学者们常采用相似材料，并通过不同的裂缝片(如云母、铁片等)，预制弱节理裂隙，该方法能够较好地对岩石材料的物理性质进行模拟，进而研究其变形、破坏、流体渗流等规律进行。但相似材料并不能真实再现深部岩石在不同应力、流体渗流条件下的裂缝起裂、扩展、及网络形成等多由真实岩石非均质特征引起的变形、破坏等现象，因此，在真实岩石材料中预制具备一定几何特征、网络特征的弱节理裂隙，并进行拉、剪、拉-剪混合压裂破坏相关实验是非常规油气、干热岩等开采方法研究不可或缺的一种方法。

目前压裂实验含裂隙岩样的制作成为了制约水力压裂、CO2压裂、泡沫压裂、干冰压裂等非常规油气开采实验研究发展的一个难点。现阶段国内外相关裂隙制作方法种类较多，这些方法主要存在以下问题，一类是采用相似模型材料，与深部真实岩石材料特性差异较大，不适用于深部弱节理裂隙真实岩石；且能预制的裂纹数量大多只有两条，不适用于离散裂缝、多尺度网络模型的实验研究；特别是预埋金属薄片模拟节理的方案，金属容易松动导致裂缝精度不够，在取出金属薄片后，裂缝不填充，或采用云母、树脂胶或石膏类填充对抗拉强度或渗流实验影响较大。另一类是采用类岩石试样，与深部真实岩石材料特性也具有较大差异，不适用于深部弱节理裂隙真实岩石；且大多依赖于3D打印，其造价很高。还有一类是采用高压水切刀技术对真实长方体岩块进行裂隙切割，能够模拟真实岩石，但采用云母填充裂隙对其裂隙与岩石的流体交换有影响，采用石膏填充，抗拉强度远低于深部真实岩石弱节理裂隙的抗拉强度。当然也有裂隙填充采用粒径为0.50～0.69mm的细砂和502胶胶结而成，而502胶结对裂隙岩体的渗透性有影响；还有采用水泥砂浆制作类岩石材料，也不适用于深部弱节理裂隙真实岩石。另外，还有采用高速电机和旋转切割刀片相结合的裂缝切割方式，该切割方式只适用于边缘裂缝的切割。

因此，目前急需一种适用于岩石拉裂、剪裂、以及拉剪混合作用下的含裂隙岩石制作方法，以此获得更加接近于深部真实含天然裂隙岩芯，满足对已经天然弱节理裂隙下压裂裂缝形成扩展机理的研究。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术中多段压裂实验中采用高压水力切刀制作试样的不足，提供一种多场耦合下拉-剪破裂实验用含节理裂隙岩芯制作方法，该方法通过对实验区域岩体取样，经过高压水力切刀或二氧化碳激光切割进行裂隙切割，再在裂隙内填充喷涂混凝土固化的方式获得试样。从而获得接近于深部真实含天然裂隙岩芯的劈裂、剪切、压裂实验研究中拉裂、剪裂裂缝形成和扩展机理研究用试样。其可操作性强，能满足对已经天然弱节理裂隙下压裂裂缝形成扩展机理的研究，且以该方法预制天然裂隙，能根据需要灵活制作不同几何参数的节理裂隙真实岩石试样，能更好地进行理论推导和数值模拟验证。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种多场耦合下拉-剪破裂实验用含节理裂隙岩芯制作方法，包括如下步骤：

第一步，在需要测试的工程岩体区域进行取样，将取得的不规则岩块切割为规则的六面立方体岩块；

第二步，根据实验类型所需试样外轮廓形状，采用旋转式裂缝切割仪在六面立方体岩块表面刻画裂缝线，深度为1mm～2mm，宽度为1mm；

第三步，采用高压水切刀或CO2激光切割方式，在六面立方体岩块上切割节理裂隙；其中，高压水切刀和CO2激光切割岩石的切割深度大于最终得到的实验所需试样岩芯对应轮廓；

第四步，通过对工程岩体区域取样岩石进行的物理实验，以及现场实验数据确定所需制备的弱节理裂隙的抗拉、抗剪强度范围；通过对拟填充的喷射混凝土进行的物理实验选择合适配比的水泥、粉煤灰、速凝剂、砂、水和粘结剂制备喷射混凝土，并将所述喷射混凝土通过干喷法填充所述节理裂隙；

第五步，将试件放入具有30℃恒温环境的混凝土加速养护箱内养护7天～90天，以使填充后的被切割部分具有与真实弱节理裂隙接近或相同的渗透性、抗拉和抗剪强度；其中，抗拉强度为0.83MPa～5MPa；抗剪强度为4MPa～4.65MPa；渗透率为0.001mD～100mD。第六步，采用岩石加工工具在六面立方体岩块的至少一个面上，按岩芯试样数量刻画闭合的试样轮廓线，并按该轮廓线加工成深度为1mm～2mm沟壑；

第七步，依据试样轮廓线，采用立式岩石取芯机在含节理裂隙的六面立方体岩块上套取实验用圆柱体岩芯，或采用岩石切割机对标准立方体进行切割，切割出实验所需试件；

第八步，采用打磨机将岩芯试件的断面打磨光滑。

采用前述技术方案的本发明，制作试样坯料的六面立方体岩块取自于需要测试的工程岩体区域，其性质本身没有差异；按实验类型所需试样外轮廓形状，通过旋转式裂缝切割仪在坯料上规划处实际可获得试样的数量，并按贯穿试样要求刻画裂缝线，以依照裂缝线进行高压水力切刀或激光切割裂缝；采用喷射混凝土进行裂缝填充，在设定温度和时间的养护后，进行试样轮廓线刻画，然后，依据轮廓线通过立式岩石取芯机或岩石切割机对六面立方体岩块进行司钻或切割，从而获得实验所需试件。其中，弱节理裂隙通过对工程岩体区域取样的岩石进行物理实验，以及现场实验数据确定所需制备的弱节理裂隙的抗拉、抗剪强度范围；通过物理实验选择合适配比的水泥(P·042.5普通硅酸盐水泥，CaO＝57.57％、SiO2＝19.0％、Al2O3＝6.45％、Fe2O3＝3.08％、MgO＝1.21％、Na2O＝0.25％、K2O＝1.35％、Cl^-＝0.028％、f-CaO＝0.81％)、粉煤灰(二级，CaO＝5.62％、SiO2＝43.64％、Al2O3＝25.38％、Fe2O3＝4.19％、MgO＝0.84％、Na2O＝0.19％、K2O＝1.36％、Cl^-＝0.011％、f-CaO＝0.46％)、速凝剂(粉状速凝剂，CaO＝32.72％、Al203＝18.83％、Fe2O3＝4.17％、MgO＝0.64％、Na2O＝9.29％、K2O＝1.72％、Cl^-＝0.004％)、砂骨料(河砂，细度模数3.3)、纤维、减水剂制备喷射混凝土，并将所述喷射混凝土通过干喷法填充所述节理裂隙，使试样裂缝具有设定的渗透性、抗拉强度和相应抗剪强度。其中，抗拉强度为0.83MPa～5MPa；抗剪强度为4MPa～4.65MPa；渗透率为0.001mD～100mD。从而获得接近于深部真实含天然裂隙岩芯的劈裂、剪切、压裂实验研究中拉裂、剪裂裂缝形成和扩展机理研究用试样。其可操作性高强，能满足对已经天然弱节理裂隙下压裂裂缝形成扩展机理的研究，且以该方法预制天然裂隙，能根据需要灵活制作不同几何参数的节理裂隙真实岩石试样，能更好地进行理论推导和数值模拟验证。本方案中，高压水切刀和CO2激光切割技术对岩石的切割深度根据实验需要可以贯穿或不贯穿六面立方体岩块。喷射混凝土的强度和渗透性参数不仅受到其配比的影响，而且受到其养护时间、养护条件等多种因素影响，以仅考虑配比影响为例，下表为喷射混凝土配比方案选取时可参考的配比案例：

表1：配比强度参数参考示例

本方案中的实验类型包括巴西劈裂实验、剪切实验和真三轴实验。

进一步的，所述六面立方体岩块各边均大于最终岩芯的相应尺寸。如长方体试样的长度、宽度和厚度；圆柱体试样的高度和直径。以便进行进一步切割打磨。

本发明具有以下有益效果：可获得接近于深部真实含天然裂隙岩芯的劈裂、剪切、压裂实验研究中拉裂、剪裂裂缝形成和扩展机理研究用试样。其可操作性高强，能满足对已经天然弱节理裂隙下压裂裂缝形成扩展机理的研究，且以该方法预制天然裂隙，能根据需要灵活制作不同几何参数、含有不同强度和渗透特性节理裂隙的真实岩石试样，能更好地进行理论推导和数值模拟验证。

附图说明

图1为获得巴西劈裂实验用岩芯的过程示意图。

图2为获得剪切实验用岩芯的过程示意图。

图3为获得真三轴实验用岩芯的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明型作进一步的说明，实施例是示例性的，仅用于揭示和解释本发明型，以便充分理解本发明型，但并不因此将本发明型限制在所述的实施例范围之内。

实施例1，参见图1，一种巴西劈裂实验用含节理裂隙岩芯制作方法，包括如下步骤：

第一步，在需要测试的工程岩体区域进行取样，将取得的不规则岩块切割为规则的六面立方体岩块；

第二步，根据实验类型所需试样外轮廓形状，采用旋转式裂缝切割仪在六面立方体岩块表面刻画裂缝线，深度为1mm～2mm，宽度为1mm；具体将六面立方体岩块划分为由左至右的第一试样、第二试样和第三试样的三个巴西劈裂试件区，在六面立方体岩块上平面中部刻画处出第一裂缝线1a，第一裂缝线沿六面立方体岩块长度方向布置，并贯穿三个试件区域；在中部的第二试件区刻画第二裂缝线1b，该第二裂缝线与第一裂缝线成135°夹角，并贯穿第二试样区；在靠右的第三试样区，刻画第三裂缝线1c和第四裂缝线1d，第三裂缝线垂直于第一裂缝线并贯穿第三试样区，第四裂缝线与第二裂缝线平行，并由第三试样的圆心向外延伸，直至贯穿第三试样对应侧壁；

第三步，采用高压水切刀或CO2激光切割方式，在六面立方体岩块上沿前述四条裂缝线切割节理裂隙；其中，高压水切刀和CO2激光切割岩石的切割深度大于最终得到的实验所需试样岩芯对应轮廓；本实施例是贯穿六面立方体岩块厚度即上下平面；

第四步，通过对工程岩体区域取样岩石进行的物理实验，以及现场实验数据确定所需制备的弱节理裂隙的抗拉、抗剪强度范围；通过对拟填充的喷射混凝土进行的物理实验选择合适配比的水泥、粉煤灰、速凝剂、砂、水和粘结剂制备喷射混凝土，并将所述喷射混凝土通过干喷法填充所述节理裂隙；

第五步，将试件放入具有30℃恒温环境的混凝土加速养护箱内养护7天～90天，以使填充后的被切割部分具有与真实弱节理裂隙接近或相同的渗透性、抗拉和抗剪强度；其中，抗拉强度为0.83MPa～5MPa；抗剪强度为4MPa～4.65MPa；抗压强度为0MPa～50Mpa；渗透率为0.001mD～100mD。

第六步，采用岩石加工工具在六面立方体岩块的上平面，和/或下平面上，按岩芯试样数量刻画闭合的试样轮廓线，并按该轮廓线加工成深度为1mm～2mm沟壑；具体是在六面立方体岩块上平面上的三个试样区对应刻画三个圆；

第七步，依据试样轮廓线，采用立式岩石取芯机在含节理裂隙的六面立方体岩块上套取实验用圆柱体岩芯；

第八步，采用打磨机将岩芯试件的断面打磨光滑，获得三个试样分别为1-1，1-2和1-3。

其中，高压水力切刀的切割精度为0.1mm～0.25mm，加砂切割时其切口宽度为1.0mm～1.2mm；激光切割或CO2激光切割可切割石英玻璃、有机玻璃、多层胶合板、石膏板，切割精度为一般孔中心距误差0.1mm～0.4mm，轮廓尺寸误差：0.1mm～0.5mm，切口宽度：0.1mm～0.5mm，切口表面粗糙度：一般Ra为12.5um～25um。采用前述切割手段均可满足试样加工精度要求。

实施例2，一种剪切实验用含节理裂隙岩芯制作方法，包括如下步骤：

第一步，在需要测试的工程岩体区域进行取样，将取得的不规则岩块切割为规则的六面立方体岩块；

第二步，根据实验类型所需试样外轮廓形状，采用旋转式裂缝切割仪在六面立方体岩块表面刻画裂缝线，深度为1mm～2mm，宽度为1mm；具体将六面立方体岩块划分为由左至右的第一试样、第二试样和第三试样的三个剪切试件区，在六面立方体岩块前面或后面中部刻画处出一条裂缝线2a，该裂缝线沿六面立方体岩块长度方向布置，并贯穿三个试件区域；

第三步，采用高压水切刀或CO2激光切割方式，在六面立方体岩块上沿裂缝线切割节理裂隙，该节理缝隙与六面立方体岩块的上下平面平行；其中，高压水切刀和CO2激光切割岩石的切割深度大于最终得到的实验所需试样岩芯对应轮廓；本实施例是贯穿六面立方体岩块宽度即前后平面；

第四步，通过对工程岩体区域取样岩石进行的物理实验，以及现场实验数据确定所需制备的弱节理裂隙的抗拉、抗剪强度范围；通过对拟填充的喷射混凝土进行的物理实验选择合适配比的水泥、粉煤灰、速凝剂、砂、水和粘结剂制备喷射混凝土，并将所述喷射混凝土通过干喷法填充所述节理裂隙；

第五步，将试件放入具有30℃恒温环境的混凝土加速养护箱内养护7天～90天，以使填充后的被切割部分具有与真实弱节理裂隙接近或相同的渗透性、抗拉和抗剪强度；其中，抗拉强度为0.83MPa～5MPa；抗剪强度为4MPa～4.65MPa；渗透率为0.001mD～100mD。

第六步，采用岩石加工工具在六面立方体岩块的上平面，和/或下平面上，按岩芯试样数量刻画闭合的试样轮廓线，并按该轮廓线加工成深度为1mm～2mm沟壑；具体是在六面立方体岩块上平面上的三个试样区对应刻画三个矩形；

第七步，依据试样轮廓线，采用岩石切割机对标准立方体进行切割，切割出实验所需试件；

第八步，采用打磨机将岩芯试件的断面打磨光滑，获得三个相同的试样2-1。

实施例3，一种真三轴实验用含节理裂隙岩芯制作方法，真三轴实验包括压裂、拉裂、剪裂、拉-剪混合等实验；该方法与实施例2的不同之处在于，在切割节理裂隙时，切割节理裂隙仅贯穿六面立方体岩块宽度方向的一半；并在试样中部形成贯穿厚度的通孔，通孔的形成方法包括高压水力加砂切割、二氧化碳激光切割等。

本实施例的其余内容与实施例2相同，在此不再赘述。最后，获得三个相同的试样3-1。

以上详细描述了本发明型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。