本實用新型屬于石油工程巖石力學領域，特別是涉及一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置。

背景技術：

我國低滲透油氣田資源非常豐富，近幾年我國探明的石油地質儲量中，低滲透儲量的比例占60％～70％，可見低滲透油田或者特(超)低滲透油田將是今后相當一個時期內(nèi)增儲上產(chǎn)的主要資源基礎。低滲透儲層低孔、低滲、非均質強、儲量豐度低，且易受損害，絕大多數(shù)油氣井必須實施壓裂增產(chǎn)措施后方能見產(chǎn)能。水力壓裂技術已經(jīng)成為低滲透、特低滲透油田改造的重要措施，其工藝技術水平對油氣的經(jīng)濟開發(fā)有著直接的影響。

巖石的斷裂韌性是判斷裂縫是否進入失穩(wěn)狀態(tài)的一個指標，是水力壓裂設計和數(shù)值模擬中的一個重要參數(shù)。絕大多數(shù)地層巖石都含有孔隙，巖石孔隙中的流體具有一定的孔隙壓力，而巖石孔隙中的壓力對它的斷裂韌性的影響是顯著的?，F(xiàn)階段巖石材料的斷裂韌性研究及測試均沒有考慮孔隙壓力的影響，巖石材料的斷裂韌性測試結果不能反映地層的真實情況。此外，不考慮巖石內(nèi)部孔隙壓力的作用，所得到的斷裂韌性測試結果用于模型計算也將不能得到準確的結果。因此有必要進行巖石材料在含孔隙壓力條件下的斷裂韌性試驗研究。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型涉及一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，能夠用于研究孔隙壓力、圍壓、溫度等因素對巖石材料斷裂韌性的影響，所得到的研究成果可以為水力壓裂模型計算提供準確的參數(shù)支持。

本實用新型涉及一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其包括試驗機、圍壓腔和夾持夾具：

所述試驗機包括剛架，該剛架內(nèi)安裝所述圍壓腔，該圍壓腔內(nèi)裝有所述夾持夾具，所述試驗機剛架上端安裝剛架壓頭，用于壓緊所述圍壓腔，該圍壓腔下方的試驗機剛架上還包括小車，該小車下方裝有滑軌，該滑軌的數(shù)量為至少兩條，所述至少兩條滑軌內(nèi)側的剛架上設置液壓缸，該液壓缸內(nèi)有液壓軸，該液壓缸及液壓軸用于將所述小車升起或降低，當液壓缸及液壓軸處于壓縮狀態(tài)時，小車可沿滑軌滑動，液壓缸連接油壓泵；

所述圍壓腔包括圍壓筒，該圍壓筒裝在圍壓筒底座上，所述圍壓筒包括排氣孔，該排氣孔連接閥門I，所述圍壓筒底座包括注液孔，該注液孔連接閥門II，所述圍壓筒與圍壓筒底座之間通過密封圈密封，當向圍壓腔內(nèi)注入液體時，排氣孔用于排出圍壓腔內(nèi)的氣體；當需要排出圍壓腔內(nèi)的液體時，排氣孔用于泵入高壓氣體；

所述夾持夾具包括夾持底座，該夾持底座上裝有立柱，上蓋板通過四根所述立柱固定在所述夾持底座上，該夾持底座包括滑槽，該滑槽上設置至少一個支撐板，該支撐板上方安裝待測試的試件，下板通過螺栓固定于所述夾持底座上，所述上蓋板上設置夾具壓頭，該夾具壓頭穿過上蓋板中心的通孔，然后與待測試的試件接觸，上圈通過四根定位螺栓固定于夾具壓頭的外圓周，所述下板上開有至少一個探針孔，該探針孔內(nèi)安放有LVDT傳感器，所述上圈安裝探針，該探針的底部插入所述下板的探針孔中，LVDT傳感器通過測量探針下降距離來確定試件的變形量。LVDT傳感器(英文全稱Linear Variable Differential Transformer)是線性可變差動變壓器縮寫，屬于直線位移傳感器。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述支撐板上端面包括半圓形凹槽，該凹槽內(nèi)設置支撐輥，支撐輥可在支撐板的半圓形凹槽內(nèi)滾動。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述支撐板通過螺栓固定在夾持底座的滑槽上。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述圍壓筒底座包括定位桿，所述圍壓筒的底邊緣包括定位孔，當所述圍壓筒與所述圍壓筒底座裝配在一起時，定位桿用于對齊圍壓筒和圍壓筒底座上的螺栓孔。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述液壓缸通過液壓軸分為上下兩個壓力腔，當向下部壓力腔注液時，上部壓力腔出液，液壓軸上升；當向上部壓力腔注液時，下部壓力腔出液，液壓軸下降。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述小車由液壓軸控制上升、下降，當小車下降至滑軌時，小車可以沿滑軌滑動。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述圍壓筒包括圍壓筒壓頭，所述圍壓筒與圍壓筒壓頭之間通過密封圈密封。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述圍壓筒與圍壓筒底座之間通過螺栓固定。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述圍壓筒底座上安裝有加熱棒，用于對圍壓腔內(nèi)的液體進行加熱。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述夾持底座通過螺栓固定在圍壓筒底座上。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，通過調(diào)節(jié)支撐板在滑槽上的位置來控制試件的跨度，從而調(diào)節(jié)試件的長度。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述夾具壓頭底部開有凹槽，該凹槽內(nèi)裝有支撐輥，該支撐輥與待測試的試件接觸，更優(yōu)選的是，支撐輥通過焊接固定在夾具壓頭上。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，試件安放在孔壓封頭之間，將加熱的塑管套裝在孔壓封頭和試件外側，從而將試件與孔壓封頭密封在一起，孔壓封頭端部開有凹槽，用于安放密封件，通過在塑管外加裝壓緊件將密封件與塑管密封死。

如上所述的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其中，所述孔壓封頭上開有注液口與出液口，所述注液口與所述凹槽之間的間距不小于8mm，試件密封在兩個孔壓封頭之間，通過向注液口注液對試件施加孔隙壓力，所述塑管的端部位于所述注液口和所述凹槽之間的位置以便密封試件，且不影響注液。

本實用新型所述的孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置的使用方法為：在孔壓封頭之間安放試件，將加熱的塑管套裝在孔壓封頭和試件外側，孔壓封頭端的凹槽內(nèi)安放密封件，通過在塑管外加裝壓緊件將密封件與塑管密封死，該塑管不能遮蓋注液口，將密封后的試件安裝在夾持夾具的支撐板上，將夾持夾具置于圍壓筒底座內(nèi)，將圍壓筒與圍壓筒底座連接并密封，將所述孔壓封頭的注液口連接孔隙壓力泵，將圍壓泵連接至所述圍壓筒底座的注液孔，通過圍壓泵向圍壓筒底座的注液孔注液，從而向圍壓腔內(nèi)注油，圍壓腔內(nèi)多余的氣體通過圍壓筒上的排氣孔排出；

當圍壓腔內(nèi)注滿油后，停止注油，再將圍壓筒底座5的注液口處的閥門I以及圍壓筒4排氣孔處的閥門I關死，隨后啟動圍壓泵向圍壓腔內(nèi)加壓，當達到設定圍壓，維持設定的圍壓；再啟動孔隙壓力泵，向兩個孔壓封頭15的注液口內(nèi)注入液體；

最后利用加熱棒將圍壓腔內(nèi)的液壓油加熱到設定溫度；

隨后啟動控制記錄系統(tǒng)記錄，按照設定的加載速率對試件進行加載，記錄實驗數(shù)據(jù)，直至試件17達到破壞。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果在于，在對巖石試件進行斷裂韌性測試時，能夠對試件施加圍壓、孔隙壓力，同時通過對圍壓腔內(nèi)的液體進行加熱，使試件處于高溫環(huán)境中，充分模擬地層巖石高溫、高壓、含孔隙壓力的環(huán)境特點，使測試出的巖石材料的斷裂韌性更加準確。本實用新型構造簡單、操作方便、實用性強，能夠對巖石材料及人工材料進行含圍壓、高溫、含孔隙壓力條件下的斷裂韌性測試，所得到的結果更為準確，可為油田及研究機構的水力壓裂模型計算提供準確的斷裂韌性參數(shù)。

附圖說明

以下附圖僅旨在對本實用新型做示意性的說明和解釋，并不限定本實用新型的范圍。其中，

圖1為根據(jù)本實用新型的一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置的一優(yōu)選實施例的整體結構示意圖；

圖2為圖1所示實施例的試驗機整體結構示意圖；

圖3為圖1所示實施例的圍壓腔的結構示意圖；

圖4為圖1所示實施例的夾持夾具的整體結構示意圖；

圖5為圖1所示實施例的夾持夾具與圍壓腔的裝配結構示意圖；

圖6為圖1、圖4及圖5所示實施例的試件密封示意圖；

圖7為圖4及圖5所示實施例中夾具壓頭19的結構示意圖。

附圖標號說明：

1、剛架；2、剛架壓頭；3、圍壓筒壓頭；4、圍壓筒；5、圍壓筒底座；6、定位桿；7、小車；8、滑軌；9、液壓軸；10、液壓缸；11、夾持底座；12、立柱；13、支撐板；14、支撐輥；15、孔壓封頭；16、壓緊件；17、試件；18、上蓋板；19、夾具壓頭；20、上圈；21、固定螺栓；22、探針；23、下板；111、滑槽；151、出液口；152、注液口。

具體實施方式

為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖說明本實用新型的一優(yōu)選實施例的具體實施方式。

圖1-圖6所示為一種孔隙壓力條件下測試巖石斷裂韌性的實驗裝置，其包括試驗機、圍壓腔和夾持夾具。試驗機包括試驗機剛架1、剛架壓頭2、小車7、滑軌8、液壓軸9、液壓缸10，試驗機剛架1上端安裝剛架壓頭2，試驗機剛架1下端安裝液壓缸10，液壓缸10內(nèi)有液壓軸9，小車7位于試驗機剛架1的平臺上，小車7裝在液壓缸10上，當液壓缸10下降至最低位時，小車7可沿滑軌8滑動；圍壓腔包括圍壓筒壓頭3、圍壓筒4、圍壓筒底座5、定位桿6；夾持夾具包括夾持底座11、立柱12、支撐板13、支撐輥14、孔壓封頭15、壓緊件16、上蓋板18、夾具壓頭19、上圈20、固定螺栓21、探針22、下板23，上蓋板18通過四根立柱12固定在夾持底座11上，兩個支撐板13通過螺栓固定在夾持底座11的滑軌上，支撐輥14安放于支撐板13的半圓形凹槽中，孔壓封頭15固定于試件17的兩端，下板23通過螺栓固定于夾持底座11上，上圈20通過四根固定螺栓21固定在夾具壓頭19上，探針22位于上圈20與下板23之間。

進一步的，試驗機的結構如圖2所示，當加載時，通過向液壓缸10的底部壓力腔泵入液體，推動液壓軸9向上移動，從而推動小車7向上運動；當卸載時，通過向液壓缸10的上部壓力腔泵入液體，推動液壓軸9向下移動，從而帶動小車7向下運動，當小車7完全接觸上滑軌8時，可將小車7沿滑軌8推出試驗機剛架1。

進一步的，圍壓腔的結構如圖3所示，圍壓筒4與圍壓筒壓頭3、圍壓筒底座5之間通過密封圈密封，圍壓筒4頂部開有排氣孔，定位桿6位于圍壓筒底座5上，定位桿6用于對齊圍壓筒4與圍壓筒底座5，圍壓筒4與圍壓筒底座5之間通過螺栓固定。

進一步的，夾持夾具的結構如圖4所示，如圖5所示，試驗時，將夾持底座11通過螺栓固定于圍壓筒底座5上，夾持底座11上開有滑槽111，支撐板13可固定在夾持底座11點滑槽111上的任意位置；支撐板13上端開有半圓形凹槽，支撐輥14可在支撐板13的半圓形凹槽中滾動；孔壓封頭15含有出液口151和注液口152，且孔壓封頭15端部開有凹槽，該凹槽內(nèi)嵌裝密封件；如圖7所示，夾具壓頭19的底部開有凹槽，支撐輥14通過焊接固定在夾具壓頭19下部的凹槽內(nèi)，該凹槽內(nèi)的支撐輥14用于壓緊試件17；下板23上開有兩個探針孔，探針孔內(nèi)安放有LVDT傳感器，LVDT傳感器通過測量探針22下降距離來確定試件17變形量。

此外，孔壓封頭15上的凹槽用于安放密封件，對試件17進行密封時，先將試件17用加熱的塑管密封在兩孔壓封頭15之間，而后用壓緊件16將密封件處壓死，從而實現(xiàn)對試件17與孔壓封頭15之間的密封，密封后塑管端部位于壓緊件16和注液口152之間的位置。試驗時，孔壓封頭15的注液口152連接外接注液管線，并通過外接注液管線連接孔隙壓力泵，施加孔隙壓力前，首先對試件17施加圍壓，而后通過孔壓封頭15的注液口152對試件17注入高壓液體，從而實現(xiàn)對試件17施加孔隙壓力。

本實用新型的工作原理如下：

將加工好的試件17與兩個孔壓封頭15用加熱的塑管套住，用熱吹風將塑管吹軟，將試件17與孔壓封頭15密封住，孔壓封頭15的密封槽中安放有密封件，用壓緊件16將孔壓封頭15上的密封件與熱塑管密封死。隨后將密封好的試件17安放在夾持夾具的兩根支撐輥14上，再將夾具壓頭19放置在上蓋板18內(nèi)，夾具壓頭19上的支撐輥14頂住試件17，隨后將含探針22的上圈20用固定螺栓21固定在夾具壓頭19上，探針22底部插入下板23的LVDT傳感器孔中。再將夾持夾具安放到圍壓筒底座5上，用螺栓將夾持夾具固定在圍壓筒底座5上，而后用起重設備將圍壓筒4吊裝至圍壓筒底座5上，并使圍壓筒4套裝在圍壓筒底座5上的夾持夾具外，再用螺栓將圍壓筒4與圍壓筒底座5固定在一起，如圖1所示，將小車7推入試驗機剛架上，小車7底部的凹孔對準液壓軸9，此時，小車7上的圍壓筒底座5及圍壓筒4與小車7及液壓軸9和剛架壓頭2的中心軸重合。

試驗時，首先啟動油壓泵向液壓缸10底部的壓力腔注油，液壓缸10頂部的液壓油流回穩(wěn)壓源內(nèi)，這樣液壓軸9推動小車7向上運動，當圍壓筒壓頭3接觸到剛架壓頭2并產(chǎn)生0.1KN的預緊力時，停止上升小車7。隨后，再啟動圍壓泵，向圍壓腔內(nèi)注油，圍壓腔內(nèi)多余的氣體通過圍壓筒4上的排氣孔排出；當圍壓腔內(nèi)注滿油后，停止注油，再將圍壓筒底座5的注液口處的閥門以及圍壓筒4排氣孔處的閥門關死。隨后啟動圍壓泵向圍壓腔內(nèi)加壓，當達到設定的圍壓后，維持該設定的圍壓；再啟動孔隙壓力泵，向兩個孔壓封頭15的注液口152內(nèi)注液，當試件17充分飽和并達到設定的孔隙壓力時，維持設定的孔隙壓力；最后利用加熱棒將圍壓腔內(nèi)的液壓油加熱到設定溫度。隨后啟動控制記錄系統(tǒng)，按照設定的加載速率對試件進行加載，記錄實驗數(shù)據(jù)，直至試件17達到破壞。

試件17破壞后，停止加熱，待圍壓腔內(nèi)的液體冷卻達到室溫后，先下降小車7，使施加在試件17上的軸壓達到0.1KN。啟動孔隙壓力泵，撤除施加在試件17上的孔隙壓力，再啟動圍壓泵，撤除圍壓。打開圍壓筒底座5注液口處閥門和圍壓筒4排氣孔處的閥門，將連接在圍壓筒4排氣孔上的排氣管接到穩(wěn)壓氣站上，利用氣壓將圍壓腔內(nèi)的液壓油反排至穩(wěn)壓源內(nèi)。待圍壓腔內(nèi)的液壓油排盡后，下降小車7至滑軌8上，將小車7推出試驗機剛架1。隨后拆卸圍壓筒4，用起重設備將圍壓筒4吊離小車7，最后將試件17從夾持夾具上拆卸下來，從而完成整個實驗流程。

以上所述僅為本實用新型示意性的具體實施方式，并非用以限定本實用新型的保護范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬于本實用新型的保護范圍。