岩心抗剪强度测试装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及石油钻井实验设备技术领域，特别涉及一种岩心抗剪强度测试装置及系统。


背景技术：

2.岩石的抗剪切强度是反应岩石力学性质的一个重要参数，具体是指岩石在外力作用下发生破坏时能承受的最大剪切应力。目前，室内抗剪强度试验常用的方法有以下三种：直接剪力试验、扭转试验和三轴试验，其中扭转试验测定的抗剪强度受到的应力作用较为单一，测量结果较为准确。
3.在扭转试验中，岩石抗剪切强度测试装置包括第一岩石固定装置和第二岩石固定装置，待测岩心位于第一岩石固定装置和第二岩石固定装置之间，第一岩石固定装置分别与纵向力加载系统和电机连接，第二岩石固定装置固定在操作台上。其中，纵向力加载系统通过第一岩石固定装置向待测岩心施加纵向压力，以固定待测岩心；电机带动第一岩石固定装置转动，对待测岩心施加扭转应力，让待测岩心发生扭转变形直至破裂，通过测得的扭转应力可以计算得到岩石的抗剪强度。
4.然而，现有的岩石抗剪强度测量装置中第一岩石固定装置和第二岩石固定装置均具有的是圆型固定槽，在进行岩心抗剪切强度测试时，待测岩心通过第一岩石固定装置和第二岩石固定装置之间产生的纵向压力来固定，在施加扭转应力的时候，待测岩心容易在固定槽内发生滑动、偏转或侧翻，导致传递的扭矩存在损失，难以精准的测试岩心的抗剪强度，更甚者会造成试验的失败。


技术实现要素：

5.鉴于此，本实用新型提供一种岩心抗剪强度测试装置及系统。该装置结构简单，操作方便，能够准确固定岩心位置，无需向待测岩心施加纵向压力，能精准的测试出扭转试验中待测岩心的抗剪强度。
6.具体而言，包括以下的技术方案：
7.一方面，本实用新型实施例提供了一种岩心抗剪强度测试装置，包括第一岩心固定器、第二岩心固定器、电机和扭矩传感器；
8.所述第一岩心固定器与所述电机相连，所述电机与第一岩心固定器之间设置扭矩传感器，所述第二岩心固定器位于固定面上；
9.所述第二岩心固定器具有第二固定槽，所述第一岩心固定器具有第一固定槽，所述第一固定槽和所述第二固定槽均为多边型凹槽；
10.在所述装置被配置为使用时，两端均为与所述多边型凹槽对应的多边型柱体的待测岩心的一端位于所述第二固定槽内，另一端位于所述第一固定槽内。
11.在一种可能设计中，所述第一固定槽和所述第二固定槽均为等六边型凹槽。
12.在一种可能设计中，所述装置包括下底板、上底板和转盘；
13.所述第二岩心固定器位于下底板上，所述下底板位于所述固定面上；
14.所述上底板和下底板之间通过支撑杆连接；
15.所述上底板上设有上下贯通的转动孔，所述转盘设置在转动孔中，所述转盘与电机通过转轴连接；
16.所述扭矩传感器位于转盘与电机之间，所述第一岩心固定器与转盘下表面相连。
17.在一种可能设计中，所述装置还包括滚珠轴承；
18.所述滚珠轴承位于所述转动孔的内壁与转盘之间，并与转盘侧壁滑动接触。
19.在一种可能设计中，所述扭矩传感器的输入端与电机通过联轴节相连，所述扭矩传感器的输出端与转盘的转轴相连；
20.所述扭矩传感器的信号输出端与计算机处理器连接。
21.在一种可能设计中，所述支撑杆的个数至少为三个；
22.至少三个所述支撑杆均匀布设在转动孔的外周。
23.在一种可能设计中，所述上底板具有多个锁紧机构和多个通孔，所述支撑杆一一对应地穿过所述锁紧机构和所述通孔。
24.在一种可能设计中，所述支撑杆具有外螺纹，所述通孔的一端和另一端分别具有定位螺帽，所述外螺纹适于与所述定位螺帽的内螺纹配合。
25.在一种可能设计中，所述装置还包括电源和变速箱；
26.所述电机与变速箱连接，所述变速箱与电源连接。
27.另一方面，本实用新型实施例还提供了一种岩心抗剪强度测试系统，所述系统包括待测岩心和上述提及的任一项所述的岩心抗剪强度测试装置；
28.其中，所述待测岩心的一端为与第二固定槽相匹配的多边型柱体，所述待测岩心的另一端为与第一固定槽相匹配的多边型柱体。
29.本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果是：
30.由于第一岩心固定器具有的第一固定槽和第二岩心固定器具有的第二固定槽均为多边型凹槽，因此当将两端均为与多边型凹槽对应的多边型柱体的待测岩心的一端置于第二固定槽内，另一端置于第一固定槽内时，多边型柱体可以与多边型凹槽相配合，使得待测岩心能够牢固的固定在第一岩心固定器和第二岩心固定器之间，使得待测岩心不易从第一岩心固定器和第二岩心固定器之间脱离，免去了对待测岩心施加纵向压力，使得待测岩心的受力状态更符合自然条件下的状态，扭矩的传递不易受损失，数据更真实，试验结果精度更高。
31.本实用新型不仅能够为石油钻井高效破岩提供基础参数，而且结构简单，易制造、成本低、实用方便、易推广，适用于石油行业的各试验室及检测等。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本实用新型实施例提供的一种岩心抗剪强度测试装置的正视图；
34.图2是本实用新型实施例提供的一种岩心抗剪强度测试装置的下底板俯视图；
35.图3是本实用新型实施例提供的一种岩心抗剪强度测试装置的上底板俯视图；
36.图4是本实用新型实施例提供的一种岩心抗剪强度测试装置的上底板仰视图。
37.图中的附图标记分别表示：
38.1.下底板，2.第二岩心固定器，3.支撑杆，4.定位螺帽，5.上底板，6.转盘， 7.第一岩心固定器，8.滚珠轴承，9.电机，10.扭矩传感器，11.计算机处理器， 12.变速箱，13.电源，14.第二固定槽，15.第一固定槽，16.通孔，17.支架，18. 固定座。
具体实施方式
39.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
40.岩石抗剪强度是油气井钻井工程、完井工程及压裂改造等工作中重要的岩石强度参数。岩石的抗剪强度对于油气井钻完井工程，尤其是井壁稳定性分析评价中具有重要意义。
41.在岩石抗剪试验中，随着剪切应力的增加，剪切应力方向的变形或应变也在增加。当剪切应力达到某一值时，待测岩心开始遭到破坏，待测岩心承载能力下降，待测岩心的变形或应变则继续增大。岩石在外力作用下发生破坏时能承受的最大剪切应力即为岩石的抗剪切强度。扭转试验测定的抗剪强度由于受到的应力作用较为单一，测量结果比较准确，因此是室内抗剪强度试验最常用的方法。
42.在扭转试验中，岩石抗剪切强度测试装置包括第一岩石固定装置和第二岩石固定装置，待测岩心位于第一岩石固定装置和第二岩石固定装置之间，第一岩石固定装置分别与纵向力加载系统和电机连接，第二岩石固定装置固定在操作台上。其中，纵向力加载系统通过第一岩石固定装置向待测岩心施加纵向压力，以固定待测岩心；电机带动第一岩石固定装置转动，对待测岩心施加扭转应力，让待测岩心发生扭转变形直至破裂，通过测得的扭转应力可以计算得到待测岩心的抗剪强度。
43.然而，现有的通过扭转试验测量岩石抗剪强度的装置中，第一岩石固定装置和第二岩石固定装置均具有的固定槽是圆型，测量时，待测岩心通过第一岩石固定装置和第二岩石固定装置之间产生的纵向压力来压紧固定，这会造成待测岩心的受力状态与实际地层中不一致，并且在施加扭转应力时，待测岩心容易在圆型固定槽内发生滑动、偏转或侧翻，导致传递的扭矩存在损失，难以精准的测试待测岩心的抗剪强度，更甚者会造成试验的失败。
44.为了解决相关技术中存在的问题，本实用新型实施例提供了一种岩心抗剪强度测试装置，其正视图如图1所示，该装置包括第一岩心固定器7、第二岩心固定器2、电机9和扭矩传感器10。
45.其中，如图2所示，第一岩心固定器7与电机9相连，电机9与第一岩心固定器7之间设置扭矩传感器10，第二岩心固定器2位于固定面上。在这里，扭矩传感器10采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号；将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。
46.第二岩心固定器2具有第二固定槽14，第一岩心固定器7具有第一固定槽 15，第一
固定槽15和第二固定槽14均为多边型凹槽。
47.在所述装置被配置为使用时，两端均为与多边型凹槽对应的多边型柱体的待测岩心的一端位于第二固定槽14内，另一端位于第一固定槽15内，且待测岩心相对于第二固定槽14和第一固定槽15不会发生相对转动。
48.本实用新型提供的岩心抗剪强度测试装置，通过第一固定槽15的多边型凹槽和第二固定槽14的多边形凹槽固定两端均为多边型柱体的待测岩心，使电机 9带动第一岩心固定器7转动对待测岩心施加扭转应力时，待测岩心不会相对于第一固定槽15和第二固定槽14发生相对转动；通过扭矩传感器10测得的电机9对待测岩心施加的扭转应力，可以计算得到岩石的抗剪强度。
49.因此，本实用新型提供的岩心抗剪强度测试装置可以使得待测岩心在受到扭矩应力作用时，能够牢固的固定在第一岩心固定器7和第二岩心固定器2之间，不易脱落，免去对待测岩心施加纵向压力，确保待测岩心的受力状态更符合自然条件下的状态，扭矩的传递不易受损失，数据更真实，试验结果精度更高。
50.同时，本实用新型提供的岩心抗剪强度测试装置不仅能够为石油钻井高效破岩提供基础参数，而且结构简单，易制造、成本低、实用方便、易推广，适用于石油行业的各试验室及检测等。
51.可选的，固定面包括但不限于桌面、试验台面等，在本实用新型实施例中不作具体限定。
52.可选的，装置还包括电机固定装置(在图中未显示)，电机9位于电机固定装置上，利用电机固定装置实现对电机的固定。
53.可选的，电机固定装置包括支架17和固定座18，其中，支架17的两端分别与上底板5上表面和固定座18固定连接，电机9固定设置在固定座18的下表面。
54.可选的，支架17和固定座18可以分别制造然后通过焊接、粘接等方式固定在一起，也可以一体成型，本实施例对此不作限定。
55.在一种可能设计中，第一固定槽15和第二固定槽14均为等六边型凹槽。由于等六边型凹槽结构比起一般多边型更容易受力均匀，使待测岩心在六边型凹槽的固定槽内受到扭转应力时，能够保持相对较强的稳固性，不易发生滑动，减少了测量误差，使得受力状态更符合自然状态，测得数据更真实。
56.在一种可能设计中，装置还包括下底板1、上底板5和转盘6，其中，第二岩心固定器2位于下底板1上，下底板1位于固定面上；上底板5和下底板1 之间通过支撑杆3连接；上底板5上设有上下贯通的转动孔，转盘6设置在转动孔中，转盘6与电机9通过转轴连接；扭矩传感器10位于转盘6与电机9 之间，第一岩心固定器7与转盘6下表面相连。
57.可选的，电机9、转盘6、第一岩心固定器7和扭矩传感器10同轴转动。通过转盘6在转动孔带动第一岩心固定器7转动，能够保证待测岩心在旋转时转轴不易左右晃动，待测岩心轴向不会发生偏移，最大程度的保证扭矩传递的准确性。
58.在一种可能设计中，支撑杆3的个数至少为三个；支撑杆3均匀布设在转动孔的外周，以保证上底板5和下底板1牢固稳定的支撑固定在一起。
59.可选的，支撑杆3的个数可以为偶数个，每两个支撑杆3都以转动孔为中心，对称的分布在转动孔的外周。
60.在一种可能设计中，上底板5具有多个锁紧机构和多个通孔，支撑杆3一一对应地穿过锁紧机构和通孔。
61.在一种可能设计中，支撑杆3具有外螺纹，通孔的一端和另一端分别具有定位螺帽4，外螺纹适于与定位螺帽4的内螺纹配合。通过移动并固定上底板5 上下两端的定位螺帽4，能够灵活的调节上底板5和下底板1之间的距离，适应不同长度的待测岩心，在方便装卸待测岩心的同时，能将待测岩心固定的更加牢固。
62.在一种可能设计中，装置还包括滚珠轴承8，如图3和图4所示，滚珠轴承8位于转动孔的内壁与转盘6之间，并与转盘6侧壁滑动接触。滚珠轴承8 能够降低转盘6和上底板5之间的摩擦力，防止由于转盘6与上底板5之间的摩擦力影响扭矩传感器10对于待测岩心抗剪强度的测取。
63.在一种可能设计中，扭矩传感器10的输入端与电机9通过联轴节相连，扭矩传感器10的输出端与转盘6的转轴相连；扭矩传感器10的信号输出端与计算机处理器11连接。
64.如此设置，由于能够使待测岩心产生剪切变形的外载荷称为扭矩，因而通过扭矩传感器10测量待测岩心剪切破坏时的扭矩，就可以得到待测岩心的抗剪强度。
65.可选的，上底板5和下底板1的形状和大小一致，其中，上底板5和下底板1的形状包括但不限于是长方形、正方形、圆形、三角形或任意多边形。
66.需要说明的是，本实施例是以上底板5和下底板1为长方形，支撑杆3的个数为四个为例进行示意性说明的，四根支撑杆3分别以转动孔为中心，对称的固定设置在下底板1的四个角上。
67.在一个可能设计中，装置还包括电源13和变速箱12，电机9与变速箱12 连接，变速箱12与电源13连接。通过变速箱12调节电机9转动，可以灵活的增加转盘6和电机9之间的扭矩。
68.需要说明的是，本实施例中固定连接可以采用螺栓固定、焊接固定、粘接固定等连接方式。
69.上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
70.本实用新型实施例还提供了一种岩心抗剪强度测试系统，该系统包括待测岩心和上述实施例中所提及的岩心抗剪强度测试装置；
71.其中，待测岩心的一端为与第二固定槽14相匹配的多边型柱体，待测岩心的另一端为与第一固定槽15相匹配的多边型柱体。
72.对于岩心抗剪强度测试装置的结构已经在上述实施例里进行了详细地描述说明，在此不再赘述。
73.在一种可能示例中，对岩心抗剪强度进行测试时，可以以图1所示的结构为例，按照以下步骤进行：
74.将支架17的一端与上底板5上表面固定连接，支架17的另一端与固定座 18固定连接，随后将电机9固定连接在固定座18上，将扭矩传感器10的一端通过联轴节与电机9连接，扭矩传感器10另一端与转轴连接，转轴设置在转盘 6中央；
75.将待测岩心两端切割成大小与第二固定槽14和第一固定槽15相匹配的等六边柱体，中间呈圆柱体，随后将待测岩心一端放入下底板1的第二固定槽14 中，将四根支撑杆3
一端固定连接在下底板1的四个角上，将支撑杆3分别穿管上底板5对应的通孔16，将待测岩心的另一端放入第一固定槽15中，通过旋紧通孔16上下两侧的定位螺帽4将上底板5定位，使转盘6位于上底板5 的转动孔中，使得电机9、转盘6、第一岩心固定器7和扭矩传感器10可以同轴转动，确保待测岩心能够牢固的固定在第一岩心固定器7和第二岩心固定器 2之间，不会发生滑动、侧翻或偏移；
76.启动电源13，电机9开始转动，调节变速箱12，使得电机9对待测岩心施加的扭转应力不断增加，直至待测岩心发生破裂，扭矩传感器10通过信号输出端将扭矩传输到计算机处理器11中记录；
77.当完成岩心抗剪强度测试时，关闭电源13，旋开定位螺帽4，将上底板5、转盘6、待测岩心依次取下。
78.本实用新型装置能够为石油钻井高效破岩提供基础参数。本试验装置结构设计科学合理，易制造、成本低、实用方便、易推广，适用于石油行业的各试验室及检测等。
79.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的本实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本实用新型旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。