高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法

技术领域

本发明属于煤岩断裂韧度测试技术领域，具体涉及高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法。

背景技术

断裂韧度是评价岩石断裂力学特性的重要参数，可以用来判断岩石在力的作用下裂缝的起裂、扩展以及扩展机理等。获取准确的断裂韧度值，对评价水力压裂开采非常规油气储层的可行性以及优化技术参数至关重要。

目前，国内外提出几种岩石断裂韧度的测试方法，有效促进了断裂力学在岩石力学领域中的应用和发展。根据ISRM建议的试验方法，可采用Kuruppu于2015年提出的半圆盘（SCB）试样进行测量岩石的断裂韧度值，但该方法无法解决在深部条件下岩石的断裂韧度测试。在深部条件下，岩石处于高温高地应力条件，因此，考虑高温高压作用下岩石的断裂力学特征具有重要的意义。

在采用水力（压裂液为H

在高温高压流体与岩石耦合作用下煤岩的断裂韧度测试中，核心问题是如何保证煤岩处在具有一定压力的封闭环境中，且同时施加轴向荷载。当流体为水或者是油时，通过O型圈等较容易实现密封，但流体为高压气体（70MPa）时，这种方法则不可靠，尤其是当流体为超临界二氧化碳时，超临界CO

发明内容

为了克服现有技术的不足，更加真实模拟高温高压流体作用下煤岩的断裂韧度特性，解决现有高温高压流体作用下煤岩的断裂韧度特性测试不精准的技术问题，本发明提供一种高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法。本发明通过以下技术方案予以实现。

高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法，该测试方法用于模拟煤岩体埋藏深度3000m的地质环境条件，具体步骤包括：

1）加工半圆盘待测试样，试样尺寸为Ф50×20mm或者Ф75×30mm，并根据需要预制裂纹；

2）将上堵头和下堵头安装于胶套两侧，并将其装到压力釜筒体内腔中，安装三点弯曲装置底座于试样安装凸台顶面，将待测试样设置于三点弯曲装置底座上，然后将底座从压力釜筒体下部装入压力釜筒体中，同时将固定支座从压力釜筒体上部装入压力釜筒体中，并旋紧，通过固定支座和底座固定上堵头和下堵头，实现围压内腔的密封；

3）安装声发射传感器和位移传感器，通过耦合剂使声发射传感器与待测试样表面相贴合，待测试样两侧分别安装两个声发射传感器，以进行破坏点的定位；调整待测试样的位置，将声发射引线从声发射引线通道穿出后与声发射装置连接，将上压头装入压力釜筒体内，然后对声发射引线通道进行密封；

4）把压力釜系统安置在压力机的压力机底座上，调整压力机压头位置，使压力机压头与上压头接触；

5）通过控制系统启动升温控温装置，设置加热温度为T1，加热速率为2-5°C/min，对试样进行加热，达到预热温度后，进行保温；

6）通过控制系统开启围压恒流恒压泵，打开阀门V4、V5，使围压介质通入到冷却装置中，然后接入到围压内腔内；同时开启阀门V1、V2，使流体接入到恒流恒压泵到达预热器，达到预热温度后，开启阀门V3，使该流体接入到溶浸压内腔内，并通过压力传感器进行测量渗透压力；围压恒流恒压泵和恒流恒压泵通过交替加载的方式，以0.5MPa为一个压力梯度，先进行围压内腔的压力的施加，然后再加载溶浸压内腔的压力，如此交替加载，即可完成；

7）打开声发射采集装置和位移数据采集装置，检测破坏过程声发射信号特征和位移信息，并将该信息发送至控制系统；

8）开启压力机，以0.02mm/min的加载速率进行加载，直至待测试样破坏，完成高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试；

所述高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法，主要依托于高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试装置，高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试装置包括压力釜试验系统、轴压和围压加载系统、溶浸压加载系统、升温控温系统、声发射系统、位移采集系统和控制系统；

所述压力釜试验系统包括压力釜筒体、上压头、固定支座、底座和胶套；

所述胶套竖直设置在压力釜筒体内腔中部且胶套的上、下两端外侧壁与压力釜筒体内壁之间分别设置有上堵头和下堵头，胶套外侧壁与压力釜筒体内侧壁之间形成围压内腔；所述压力釜筒体内腔上部设有固定支座，所述压力釜筒体内腔下部设有底座，所述固定支座与底座分别与压力釜筒体内壁之间通过螺纹连接；所述固定支座中部设有压头过孔，上压头下端由上至下穿过压头过孔伸入胶套内腔中；所述底座顶面中部设有试样安装凸台，所述试样安装凸台由下至上伸入胶套内腔中；所述试样安装凸台顶面设有三点弯曲装置支座，待测试样安装在三点弯曲装置支座上，所述三点弯曲装置支座外侧设有支撑圆筒，所述上压头下端设在支撑圆筒上方；所述胶套内腔中部、上压头下端与试样安装凸台顶面之间为容浸压内腔；

所述围压内腔下部一侧的压力釜筒体侧壁上设有围压内腔进液口，围压内腔上部另一侧的压力釜筒体侧壁上设有围压内腔出液口，围压内腔中部的压力釜筒体侧壁上设有温度传感器插口；所述上压头内设有声发射引线通道，声发射引线通道的进口设在上压头侧壁上部，声发射引线通道的出口设在上压头下端端面；所述底座内设有流体注入通道，流体注入通道的进口设在底座侧壁下部，流体注入通道的出口设在底座顶面中部；

所述轴压和围压加载系统包括压力机、围压恒流恒压泵、冷却装置；所述压力釜试验系统设在压力机底座上，上压头上端与压力机压头连接；所述围压恒流恒压泵的进水口通过连接水管与供水系统连接，所述围压恒流恒压泵的出水口通过连接水管与冷却装置的进水口，所述冷却装置的出水口通过连接水管与围压内腔进液口连通；所述围压恒流恒压泵的出水口与冷却装置的进水口之间的连接水管上设有控制阀门，所述冷却装置的出水口与围压内腔进液口之间的连接水管上设有控制阀门和压力传感器；所述围压内腔出液口与排水管道连通，所述排水管道上设有排水阀门；

所述溶浸压加载系统包括流体源、恒流恒压泵和预热器，所述流体源的出水口通过连接水管与恒流恒压泵的进水口连接，所述恒流恒压泵的出水口通过连接水管与预热器的进水口连接，所述预热器的出水口通过连接水管与流体注入通道的进口连接；所述流体源的出水口与恒流恒压泵的进水口之间的连接水管、恒流恒压泵的出水口与预热器的进水口之间的连接水管和预热器的出水口与流体注入通道的进口之间的连接水管上均设有控制阀门，且所述预热器的出水口与流体注入通道的进口之间的连接水管上还设有压力传感器；

所述升温控温系统包括加热装置、温度传感器和控温装置，所述加热装置设在压力釜筒体外侧圆周方向；所述温度传感器设在温度传感器插口处，所述温度传感器和加热装置分别与控温装置电气连接；

所述声发射系统包括声发射传感器、声发射装置和声发射引线，所述声发射传感器通过耦合剂贴在待测试样表面，所述射传感器通过声发射引线穿过声发射引线通道与声发射装置连接；

所述位移采集系统，包括位移传感器和位移数据采集装置，所述位移传感器安装于上压头上，所述位移传感器与位移数据采集装置电气连接；

所述控制系统分别与围压恒流恒压泵、冷却装置、恒流恒压泵、预热器、控温装置、声发射装置和位移数据采集装置电气连接。

进一步，所述待测试样为切槽半圆盘试样，所述切槽半圆盘试样的槽与竖直方向的夹角为15°、30°、45°、54°、60°、75°或90°中的一种，通过改变夹角，实现不同类型裂纹的断裂韧度测定。

进一步，所述高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试装置对待测试样施加的浸泡压力范围为0～70MPa，温度范围为20～250℃。

进一步，所述流体注入系统中的流体采用的是氮气、二氧化碳、甲烷CH

进一步，所述上压头与支撑圆筒的间隙为1-2mm，围压内腔与溶浸压内腔的压力差为0.1-0.2MPa。

进一步，所述围压内腔中的介质为水或硅油；当温度小于100℃时，围压内腔中的介质为水, 当温度大于等于100℃时，围压内腔中的介质为硅油。

本发明为一种能够在高温高压条件下有效密封试样、实现高温高压流体作用下煤岩断裂韧度特性的测试方法，与现有的断裂韧度测试的试验方法相比，本方法充分考虑矿物地质封存条件下的地应力条件，可以对试样加载达到70MPa的浸泡压力，试样的环境温度达250℃，可模拟矿物埋藏深度达3000m的地质环境条件。

本发明是高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试的试验方法及试验装置的重要技术改革，为气体或者超临界二氧化碳压裂煤岩体过程中煤岩体的压裂特性提供了可行的试验方法。本发明具有安全实用、设计合理、环保高效、适用于大范围推广等优点。

附图说明

图1为高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试装置的结构示意图；

图2为溶浸压内腔局部放大图；

图3为待测试样加工示意图。

其中，1——上压头；2——声发射引线通道；3——加热装置；4——固定支座；5——压力釜筒体；6——上堵头；7——支撑圆筒；8——声发射传感器；9——待测试样；10——三点弯曲装置支座；11——下堵头；12——底座；13——流体注入通道；14——围压内腔出液口；15——溶浸压压力传感器；16——位移传感器；17——胶套；18——围压内腔；19——溶浸压内腔；20——温度传感器；21——围压内腔进液口；22——压力传感器；23——位移数据采集装置；24——声发射装置；25——控温装置；26——围压恒流恒压泵；27——冷却装置；28——预热器；29——恒流恒压泵；30——流体源；31——控制系统；32——压力机底座；33——压力机压头；34——压力机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法，该测试方法用于模拟煤岩体埋藏深度3000m的地质环境条件，具体步骤包括：

1）加工半圆盘待测试样9，试样尺寸为Ф50×20mm或者Ф75×30mm，并根据需要预制裂纹；所述待测试样9为切槽半圆盘试样，所述切槽半圆盘试样的槽与竖直方向的夹角为15°、30°、45°、54°、60°、75°或90°中的一种，通过改变角度，实现不同类型裂纹的断裂韧度测定。

2）将上堵头6和下堵头11安装于胶套17两侧，并将其装到压力釜筒体5内腔中，安装三点弯曲装置底座10于试样安装凸台顶面，将待测试样9设置于三点弯曲装置底座10上，然后将底座12从压力釜筒体5下部装入压力釜筒体5中，同时将固定支座4从压力釜筒体5上部装入压力釜筒体5中，并旋紧，通过固定支座4和底座12固定上堵头6和下堵头11，实现围压内腔18的密封；

3）安装声发射传感器和位移传感器16，通过耦合剂使声发射传感器8与待测试样9表面相贴合，待测试样9两侧分别安装两个声发射传感器8，以进行破坏点的定位；调整待测试样的位置，将声发射引线从声发射引线通道2穿出后与声发射装置24连接，将上压头1装入压力釜筒体5内，然后对声发射引线通道2进行密封；

4）把压力釜系统安置在压力机34的压力机底座32上，调整压力机压头33位置，使压力机压头33与上压头1接触；

5）通过控制系统31启动升温控温装置，设置加热温度为T1，加热速率为2-5°C/min，对试样进行加热，达到预热温度后，进行保温；

6）通过控制系统31开启围压恒流恒压泵26，打开阀门V4、V5，使围压介质通入到冷却装置27中，然后接入到围压内腔18内；同时开启阀门V1、V2，使流体接入到恒流恒压泵29到达预热器，达到预热温度后，开启阀门V3，使该流体接入到溶浸压内腔19内，并通过压力传感器进行测量渗透压力，对待测试样9施加的浸泡压力范围为0～70MPa，温度范围为20～250℃；围压恒流恒压泵26和恒流恒压泵29通过交替加载的方式，以0.5MPa为一个压力梯度，先进行围压内腔18的压力的施加，然后再加载溶浸压内腔19的压力，如此交替加载，即可完成；

7）打开声发射采集装置24和位移数据采集装置23，检测破坏过程声发射信号特征和位移信息，并将该信息发送至控制系统31；

8）开启压力机34，以0.02mm/min的加载速率进行加载，直至待测试样9破坏，本次试验完成；

高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法主要依托于高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试装置，高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试装置包括压力釜试验系统、轴压和围压加载系统、溶浸压加载系统、升温控温系统、声发射系统、位移采集系统和控制系统31；

所述压力釜试验系统包括压力釜筒体5、上压头1、固定支座4、底座12和胶套17；

所述胶套17竖直设置在压力釜筒体5内腔中部且胶套17的上、下两端外侧壁与压力釜筒体5内壁之间分别设置有上堵头6和下堵头11，胶套17外侧壁与压力釜筒体5内侧壁之间形成围压内腔18；所述压力釜筒体5内腔上部设有固定支座4，所述压力釜筒体5内腔下部设有底座12，所述固定支座4与底座12分别与压力釜筒体5内壁之间通过螺纹连接；所述固定支座4中部设有压头过孔，上压头1下端由上至下穿过压头过孔伸入胶套17内腔中；所述底座12顶面中部设有试样安装凸台，所述试样安装凸台由下至上伸入胶套17内腔中；所述试样安装凸台顶面设有三点弯曲装置支座10，待测试样9安装在三点弯曲装置支座10上，所述三点弯曲装置支座10外侧设有支撑圆筒7，所述上压头1下端设在支撑圆筒7上方；所述胶套17内腔中部、上压头1下端与试样安装凸台顶面之间为容浸压内腔19；

所述围压内腔18下部一侧的压力釜筒体5侧壁上设有围压内腔进液口21，围压内腔18上部另一侧的压力釜筒体5侧壁上设有围压内腔出液口14，围压内腔18中部的压力釜筒体5侧壁上设有温度传感器插口；所述上压头1内设有声发射引线通道2，声发射引线通道2的进口设在上压头1侧壁上部，声发射引线通道2的出口设在上压头1下端端面；所述底座12内设有流体注入通道13，流体注入通道13的进口设在底座12侧壁下部，流体注入通道13的出口设在底座12顶面中部；

所述轴压和围压加载系统包括压力机34、围压恒流恒压泵26、冷却装置27；所述压力釜试验系统设在压力机底座32上，上压头1上端与压力机压头33连接；所述围压恒流恒压泵26的进水口通过连接水管与供水系统连接，所述围压恒流恒压泵26的出水口通过连接水管与冷却装置27的进水口，所述冷却装置27的出水口通过连接水管与围压内腔进液口21连通；所述围压恒流恒压泵26的出水口与冷却装置27的进水口之间的连接水管上设有控制阀门，所述冷却装置27的出水口与围压内腔进液口21之间的连接水管上设有控制阀门和压力传感器22；所述围压内腔出液口14与排水管道连通，所述排水管道上设有排水阀门；

所述溶浸压加载系统包括流体源30、恒流恒压泵29和预热器28，所述流体源30的出水口通过连接水管与恒流恒压泵29的进水口连接，所述恒流恒压泵29的出水口通过连接水管与预热器28的进水口连接，所述预热器28的出水口通过连接水管与流体注入通道13的进口连接；所述流体源30的出水口与恒流恒压泵29的进水口之间的连接水管、恒流恒压泵29的出水口与预热器28的进水口之间的连接水管和预热器28的出水口与流体注入通道13的进口之间的连接水管上均设有控制阀门，且所述预热器28的出水口与流体注入通道13的进口之间的连接水管上还设有溶浸压压力传感器15；

所述升温控温系统包括加热装置3、温度传感器20和控温装置25，所述加热装置3设在压力釜筒体5外侧圆周方向；所述温度传感器20设在温度传感器插口处，所述温度传感器20和加热装置3分别与控温装置25电气连接；

所述声发射系统包括声发射传感器8、声发射装置24和声发射引线，所述声发射传感器8通过耦合剂贴在待测试样9表面，所述射传感器通过声发射引线穿过声发射引线通道2与声发射装置24连接；

所述位移采集系统，包括位移传感器16和位移数据采集装置23，所述位移传感器16安装于上压头1上，所述位移传感器16与位移数据采集装置23电气连接；

所述控制系统31分别与围压恒流恒压泵26、冷却装置27、恒流恒压泵29、预热器28、控温装置25、声发射装置24和位移数据采集装置23电气连接。

进一步，所述流体注入系统中的流体采用的是氮气、二氧化碳、甲烷CH4、水H2O或者带有一定浓度的化学溶液。

进一步，所述上压头1与支撑圆筒7的间隙为1-2mm，围压内腔18与溶浸压内腔的压力差为0.1-0.2MPa。

进一步，所述围压内腔18中的介质为水或硅油；当温度小于100℃时，围压内腔18中的介质为水, 当温度大于等于100℃时，围压内腔18中的介质为硅油。

本装置包括压力釜试验系统、轴压和围压加载系统、溶浸压加载系统、升温控温系统、声发射系统、位移采集系统和控制系统31，其中，

压力釜系统是系统的重要组成部分，主要对试样进行密封，形成封闭空间，以进行高温高压流体作用下煤岩的断裂韧度试验；轴压和围压加载系统，主要是实现轴压、围压的加载，加载围压的目的是为了创造待测试样9在高温高压流体浸泡下的环境，起密封的作用；溶浸压加载系统，主要是将多种流体注入压力釜筒体中，进行煤岩在高温高压流体浸泡环境下的断裂韧度测试；升温控温系统，主要是对待测试样9进行温度控制，以进行流体在不同温度下的环境条件；声发射装置主要是为了实时监测高温高压流体浸泡环境下的煤岩在断裂韧度测试过程中裂纹的起裂、扩展，以便深入分析该种条件下煤岩破坏机理；位移采集系统，主要是通过位移传感器16对试验过程进行精确测量；控制系统主要是通过各种温度、位移和压力传感器等对试验过程实时进行检测与控制，并经电脑计算分析后直接显示整个系统工作状况与测试结果，并有效评价整套装置在运营过程中温度、溶浸压力和围压压力的稳定性、可靠性。

该试验装置能够模拟煤岩体埋藏深度达3000m的地质环境条件下的试验要求，通过恒流恒压泵29注入流体压力P

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。