[发明专利]高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法

说明书

高温高压流体作用下煤岩断裂韧度测试方法，属于煤岩断裂韧度测试技术领域，解决现有高温≤250°C高压≤70MPa流体作用下煤岩的断裂韧度特性测试不精准的技术问题。解决方案为：加工成不同角度切槽的半圆盘试样，通过控制围压和浸泡压力≤70MPa的大小来实现密封和浸泡压力的施加，并在上压头和支撑筒预留一定的间隙，确保试样有足够的位移发生破坏，采用温度加载装置保证高温条件，采用声发射装置监测试验过程中裂缝的起裂扩展过程，压力机对上压头采用位移加载方式对试样加载直至破坏，实现高温高压流体作用下煤岩断裂韧度的测试，可以考虑不同参数对断裂韧度I型、II型的影响。本发明具有安全实用、设计合理、环保高效等优点。

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H₂O，CO₂，N₂或者超临界CO₂）开采非常规油气资源时，准确预测压裂过程中裂缝的起裂、扩展、贯通和分叉等，对注入压力、井眼布置方式等开采参数的优化起着重要的作用。而储层的断裂韧度特性参数作为判断岩石起裂扩展的重要参数，在常规的水力压裂数值计算中，通常被认为是一种材料特性，是常数。但是已有的研究表明，煤岩在流体（如超临界CO₂）作用下会发生复杂的物理、化学反应，造成力学性能的弱化，其断裂韧度特性也会发生改变。因此，简单的把煤岩的断裂韧度特性处理成材料常数，具有较大的局限性，不能体现出超临界CO₂对煤岩力学性能的影响。

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CO₂流体的特殊物理特性，即密度接近液体、黏度接近气体、扩散系数大于液体以及表面张力几乎为零，且具有一定的腐蚀性，很难进行长时间的有效密封。

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；