[发明专利]高温高压流体浸泡下煤岩断裂韧度测试装置

说明书

高温高压流体浸泡下煤岩断裂韧度测试装置，属于煤岩断裂韧度测试技术领域，解决现有高温高压流体浸泡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：高温高压流体浸泡下煤岩断裂韧度测试装置，其中，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、压力传感器，实现高温（250°C）高压（70MPa）多相不同流体浸泡下不同类型（I型和II型）裂纹的断裂韧度测试。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浸泡下煤岩断裂韧度测试装置。

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浸泡下煤岩的断裂韧度特性，解决现有高温高压流体浸泡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浸泡下煤岩断裂韧度测试装置。本发明通过以下技术方案予以实现。

高温高压流体浸泡下煤岩断裂韧度测试装置，其中，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；