[发明专利]一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置

说明书

本发明公开了一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，包括溶液槽、压头、CCD高速摄像机、强光源和防水漫射屏，溶液槽的内侧底端面装设有承载板，承载板上设有至少四个盲孔，盲孔内装设有支撑体，CCD高速摄像机装设在溶液槽内，与强光源和防水漫射屏配合，用于采集岩石裂缝动态扩展图像信息；岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置还包括压力机，压力机包括冲头和工作台，冲头与工作台相对设置，压头装设有在冲头上，溶液槽装设在工作台上，可通过控制压力机以改变压头的位移或施加载荷，以完成不同载荷条件下的饱水岩石裂纹扩展实验，且本发明采用防水CCD高速摄像机，可实现全程记录岩石裂缝扩展状态，实现图像数据的采集，便于后续测量和分析。

技术领域

本发明涉及非常规储层裂缝形态实验研究技术领域，更具体地，涉及一种岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置。

背景技术

页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气。我国的页岩气资源丰富，随着开采技术的进步以及国家对开采的补贴支持，对页岩气的开发利用将进入快速发展时期。国外的页岩气的开采发展的比较早，主要的开采技术包括水平井技术、多层压裂技术、清水压裂技术以及重复压裂技术等，我国的页岩气开采目前还处于起步阶段。

近年来，许多人采用断裂力学方法研究了岩石裂纹的扩展发育规律。研究表明，处于一定环境介质中的含裂纹材料，当裂纹尖端的应力强度因子高于断裂韧度时，裂纹就会以接近声速扩展；而含裂纹的氧化物、硅酸盐等材料，当裂纹尖端的应力强度因子远低于断裂韧度时，裂纹仍会以一定的速度扩展。许多与环境有关的因素(如应力腐蚀等)导致了此类扩展。这种稳定的、准静态裂纹扩展称为亚临界扩展。当断裂韧度低于某一门槛值K₀时，裂纹不再扩展。

如图1所示，裂纹的亚临界扩展分三个阶段，在K_I～lgv图上，图中，K_I表示应力强度因子，K₀表示裂纹扩展门槛值，K_IC表示岩石的断裂韧度，lgv表示裂纹扩展速率。在第一阶段内，当断裂韧度刚超过K₀(门槛值)后，裂纹经过一段孕育期突然加速扩展，裂纹的扩展主要由应力腐蚀速度决定；而当进入扩展的第二阶段后，扩展处于稳定状态，其扩展速率不随应力强度因子K_I的提高而增加，裂纹的扩展主要由环境中活性物质向裂纹尖端扩散的速度决定。当裂纹由成核、生长和亚临界扩展发展到临界长度后，裂纹尖端区域的应力强度因子K_I也随着裂纹的扩展而急剧增大，此时，裂纹的扩展从稳态阶段进入动态阶段(第三阶段)。此阶段是走向快速断裂的过渡区，受热激活焓的影响，此时受环境介质的影响并不明显。

而现有技术中，大多数的研究主要是针对岩石各向异性参数开展的，而且更多的是直接通过力学设备对岩石(例如边坡岩)的各向异性参数进行力学测试，并未对处于流体饱和状态下的岩石压裂物理模拟的方法进行研究。段靓靓等从横观各向同性理论出发，对现场采集的岩样进行室内单轴压缩试验和巴西劈裂试验，对岩石的各向异性参数进行了研究，探讨了弹性模量、抗压强度和抗拉强度随岩层倾角变化的规律。

另一方面，目前的研究主要是针对砂岩和碳酸盐岩开展的。席道瑛等在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验，研究了饱和岩石的各向异性及非线性粘弹性行为。但对于处于流体饱和条件下的致密岩石裂缝扩张的研究，并未给出相应的实验设备。

综上所述，亟需形成一套用于研究致密岩石裂缝各项参数变化的物理模拟系统，以便更好地了解岩样的裂纹扩展速率与应力强度因子的变化关系和断裂韧性值以及计算亚临界裂纹指数，以达到增产的目的。

发明内容

本发明提供一种结构简单、操作方便的岩石亚临界裂缝扩展可视化实验装置，以解决现有用于研究处于流体饱和条件下的致密岩石裂缝扩张研究设备匮乏的技术问题。