一种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置

摘要

本发明涉及的是一种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置，它包括围压加载系统、支撑底座、轴向载荷加载系统、岩石试样，岩石试样为异形结构，岩石试样由上承压体、拉断体和下承压体构成，拉断体位于上承压体和下承压体之间；支撑底座上设置多个承压柱，围压加载系统设置在承压柱的中部，轴向载荷加载系统设置在承压柱的上端，支撑底座上安装有2个刚性支架支撑上承压体，4个独立的液压千斤顶为拉断体提供四个方向的侧向压力；2个液压加载器分别为下承压体提供轴向拉伸载荷；下承压体与支撑底座中间安装有应力传感器和位移传感器。本发明解决岩石拉伸强度测试中，由于应力集中和偏心拉伸导致试验结果与真实值偏差较大的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是岩石力学工程、石油工程、采矿工程等领域中的一种岩石拉伸强度测试技术，具体涉及的是一种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置。

背景技术

在进行油气资源开采的过程中，钻井和压裂都会导致储层岩石发生复杂的断裂破坏，其中拉伸断裂尤为显著。岩石的抗拉强度不仅是评价井眼稳定性的重要参数，也是衡量裂缝扩展能力的重要指标。同时由于储层中的岩石受到三向应力的影响，测试围压条件下的岩石拉伸强度对指导钻井和压裂设计提供重要的参数支持。

以往在研究岩石拉伸强度时，通常采用的试验方法可分为两类：一类是直接测定方法，即单轴拉伸试验；另一类方法是间接测定方法，包括巴西劈裂法、弯曲试验法和压入试验法。间接测定方法中最常用的是巴西劈裂试验，但由于加载处存在应力集中效应，岩石通常不能按照要求由中心处断裂，这使得间接法测量的抗拉强度和真实值有较大差距。而岩石直接拉伸试验主要包括粘连式和夹持式。粘连式拉伸试验经常出现岩石试样中心轴线偏离加载方向和粘连不紧实的现象，夹持式拉伸试验难以保证试件的均匀受力，常常会导致由于应力集中，而使得岩石试样在夹持部分断裂，影响试验结果。

可见，目前常用的直接和剪切拉伸试验都存在一定局限，而且现有方法都无法测试围压条件下的岩石拉伸强度。研究一种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置，获得不同围压条件下的岩石拉伸强度对石油工程、采矿工程等领域有着重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置，这种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置用于测试不同围压条件下的岩石拉伸强度，为地下工程设计提供重要的参数支持，解决岩石拉伸强度测试中，由于应力集中和偏心拉伸导致试验结果与真实值偏差较大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置包括围压加载系统、支撑底座、轴向载荷加载系统、岩石试样，岩石试样为异形结构，岩石试样由上承压体、拉断体和下承压体一体构成，拉断体位于上承压体和下承压体之间；支撑底座上设置多个承压柱，围压加载系统设置在所述多个承压柱的中部，轴向载荷加载系统设置在所述多个承压柱的上端，支撑底座上安装有2个刚性支架，刚性支架为垂直于支撑底座的长方体支架；围压加载系统包含4个独立的液压千斤顶，4个独立的液压千斤顶为拉断体提供四个方向的侧向压力；轴向载荷加载系统由2个液压加载器构成，2个液压加载器分别位于下承压体两端的顶面上，为下承压体提供轴向拉伸载荷；2个刚性支架支撑在上承压体两端的底面下，用于支撑上承压体；下承压体与支撑底座中间安装有应力传感器和位移传感器，应力传感器和位移传感器分别连接数据采集系统。

上述方案中拉断体为正方体，上承压体和下承压体分别为长方体，上承压体和下承压体相互垂直，上承压体和下承压体的长、宽、高均相等，拉断体边长与上承压体宽和高均相等，拉断体居中位于上承压体和下承压体之间，上承压体的两端从拉断体两端伸出，下承压体两端从另外一个方向上从拉断体两端伸出。

上述方案中2个液压加载器相互联通，由高压管线与外部的伺服控制液压加载系统连接。

上述方案中各液压千斤顶通过液压管线与外部的油压泵连接。

上述方案中轴向载荷加载系统向下承压体施加压力，由于上承压体由刚性支架固定，将压缩载荷转化为拉伸载荷，使得岩石试样处于受拉状态，使岩石试样由拉断体部分发生拉伸断裂，通过所述真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置测得岩石抗拉强度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明包含围压加载系统，通过4个独立的液压千斤顶为岩石施加侧向压力，模拟真实地层中的岩石受力情况，试验装置能够获得不同围压条件下的岩石拉伸强度，这是常规拉伸试验所不具备的，三轴拉伸强度能够为钻井工程、采矿工程以及储层改造工程能够提供重要的参数支持，具有重要的应用价值。

2、本发明中所用岩石试样为特殊结构，包括拉断体和上下承压体三个部分，这样的结构能够将施加在上下承压体的压缩载荷转化为拉断体上的拉伸载荷，能有效避免常规夹具因夹持不稳定造成试件损坏或试件滑脱的问题，又能有效避免对试件造成应力集中，影响试样的破坏位置，提高了拉伸试验的成功率。

附图说明：

图1是真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置三维示意图；

图2是本发明中轴向载荷加载系统与岩石试样连接关系示意图；

图3是本发明中支撑底座、刚性支架和岩石试样连接关系示意图；

图4是本发明中围压加载系统二维示意图；

图5是本发明中岩石试样结构示意图。

1.岩石试样 2.围压加载系统 3.支撑底座 4.轴向载荷加载系统 5.液压千斤顶 6.液压管线 7.承压柱 8.刚性支架 9.应力传感器 10.位移传感器 11.固定螺栓 12.液压加载器 13.高压管线 14.拉断体 15.上承压体 16.下承压体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4、图5所示，这种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置包括围压加载系统2、支撑底座3、轴向载荷加载系统4、岩石试样1，岩石试样1为异形结构，岩石试样1由上承压体15、拉断体14和下承压体16一体构成，拉断体14位于上承压体15和下承压体16之间；支撑底座3上设置多个承压柱7，围压加载系统2设置在所述多个承压柱7的中部，轴向载荷加载系统4设置所述在多个承压柱7的上端，支撑底座3上安装有2个刚性支架8，刚性支架8为垂直于支撑底座3的长方体支架，为岩石试样1上承压体施加支撑力，围压加载系统2包含4个独立的液压千斤顶5，4个独立的液压千斤顶5为拉断体14提供四个方向的侧向压力；轴向载荷加载系统4由2个液压加载器12构成，2个液压加载器12分别位于下承压体16两端的顶面上，为下承压体16提供轴向拉伸载荷；2个刚性支架8支撑在上承压体15两端的底面下，用于支撑上承压体15；下承压体16与支撑底座3中间安装有应力传感器9和位移传感器10，应力传感器9和位移传感器10分别连接数据采集系统，用于记录岩石拉伸断裂过程的应力和应变数据。

拉断体14为正方体，上承压体15和下承压体16分别为长方体，上承压体15和下承压体16相互垂直，上承压体15和下承压体16的长、宽、高均相等，拉断体14边长与上承压体15宽和高均相等，拉断体14居中位于上承压体15和下承压体16之间，上承压体15的两端从拉断体14两端伸出，下承压体16两端从另外一个方向上从拉断体14两端伸出。试验时装置对上下承压体施加压缩载荷，由于岩石试样1的特殊结构，能够将压缩载荷转化为拉伸载荷，使得岩石试样1由拉断体14部分发生拉伸断裂，通过试验装置测得岩石抗拉强度。

围压加载系统2、支撑底座3、轴向载荷加载系统4，以上三个部分由承压柱相连接，本实施方式中承压柱为8个，具体为：支撑底座3与围压加载系统2由8个承压柱7连接，轴向载荷加载系统4与围压加载系统2由8个承压柱7连接，由固定螺栓11进行固定。围压加载系统由4个液压千斤顶为岩石试样拉断体的四个表面施加侧向压力；4个液压千斤顶通过液压管线与外部的油压泵连接。

轴向载荷加载系统4由2个液压加载器12构成，用于为岩石试样1提供轴向拉伸载荷，液压加载器12相互联通，由高压管线13与外部的伺服控制液压加载系统连接。轴向载荷加载系统4两个液压加载器12与岩石试样1下承压体接触，提供岩石拉伸断裂的轴向载荷。

刚性支架8和液压加载器12不仅起到支撑岩石试样1的作用，也能够将液压千斤顶5施加的载荷传导到岩石表面，为其施加侧向压力。

这种真三轴围压条件下岩石直接拉伸试验装置采用转压为拉的加载方式为岩石施加拉伸载荷，避免了常规粘贴式拉伸试验由粘贴位置拉断的问题，同时装置能够为岩石试样提供侧向围压，实现了不同围压水平下的岩石抗拉强度的测试，具体试验步骤如下：

（1）通过数控线切割机将不规则的岩石切割成试验所需的形状和尺寸；

（2）将岩石试样1放置在支撑底座3上，在岩石试样1和支撑底座3之间安装应力传感器9和位移传感器10，并通过数据线与外部的数据采集系统连接；

（3）在支撑底座3上先后安装围压加载系统2和轴向载荷加载系统4；

（4）将围压加载系统2与外部的油压泵连接，将轴向载荷加载系统4与外部的伺服控制液压加载系统连接；

（5）启动外部的油压泵，为岩石试样1施加一定数值的侧向压力；

（6）启动外部的伺服控制液压加载系统和数据采集系统，为岩石试样的下承压体施加载荷，岩石试样在一定载荷下被拉断，通过录下来的数据绘制应力-应变曲线，计算三轴围压条件下的岩石拉伸强度。

实施例1：

（1）采用数控线切割将不规则的天然岩石切割成如图1所示的岩石试样1，岩石试样1包含拉断体14、上承压体15和下承压体16共3个部分，拉断体14为边长30mm的正方体，上承压体15和下承压体16为30mm´30mm´60mm的长方体，上承压体15和下承压体16方向相互垂直；

（2）将岩石试样1放置在支撑底座3上，上承压体15端部位于刚性支架8之上，在岩石试样1和支撑底座3之间安装应力传感器9和位移传感器10，并通过数据线与外部的数据采集系统连接；

（3）安装围压加载系统2，通过8个承压柱7固定在支撑底座3上，随后继续安装轴向载荷加载系统4，通过8个承压柱7固定在围压加载系统2上；

（4）通过液压管线6将围压加载系统2与外部的油压泵连接，通过高压管线13将轴向载荷加载系统4与外部的伺服控制液压加载系统连接，至此试验装置安装完毕；

（5）启动外部的油压泵，使围压加载系统2的4个液压千斤顶5伸出，接触刚性支架8和液压加载器12后，为岩石试样1施加一定数值的侧向压力；

（6）侧向压力加载完成后，稳定30min，启动外部的伺服控制液压加载系统和数据采集系统，使液压加载器12伸出，为岩石试样1的下承压体16施加载荷，当拉伸载荷达到一定数值后，岩石试样1的拉断体14被拉断，通过应力传感器9和位移传感器10记录下来的数据绘制应力-应变曲线，计算三轴围压条件下的岩石拉伸强度。