本發(fā)明涉及非常規(guī)儲層裂縫形態(tài)實驗研究技術領域，更具體地，涉及一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置。

背景技術：

頁巖氣是一種以游離或吸附狀態(tài)藏身于頁巖層或泥巖層中的非常規(guī)天然氣。我國的頁巖氣資源豐富，隨著開采技術的進步以及國家對開采的補貼支持，對頁巖氣的開發(fā)利用將進入快速發(fā)展時期。國外的頁巖氣的開采發(fā)展的比較早，主要的開采技術包括水平井技術、多層壓裂技術、清水壓裂技術以及重復壓裂技術等，我國的頁巖氣開采目前還處于起步階段。

近年來，許多人采用斷裂力學方法研究了巖石裂紋的擴展發(fā)育規(guī)律。研究表明，處于一定環(huán)境介質中的含裂紋材料，當裂紋尖端的應力強度因子高于斷裂韌度時，裂紋就會以接近聲速擴展；而含裂紋的氧化物、硅酸鹽等材料，當裂紋尖端的應力強度因子遠低于斷裂韌度時，裂紋仍會以一定的速度擴展。許多與環(huán)境有關的因素(如應力腐蝕等)導致了此類擴展。這種穩(wěn)定的、準靜態(tài)裂紋擴展稱為亞臨界擴展。當斷裂韌度低于某一門檻值k0時，裂紋不再擴展。

如圖1所示，裂紋的亞臨界擴展分三個階段，在ki～lgv圖上，圖中，ki表示應力強度因子，k0表示裂紋擴展門檻值，kic表示巖石的斷裂韌度，lgv表示裂紋擴展速率。在第一階段內，當斷裂韌度剛超過k0(門檻值)后，裂紋經(jīng)過一段孕育期突然加速擴展，裂紋的擴展主要由應力腐蝕速度決定；而當進入擴展的第二階段后，擴展處于穩(wěn)定狀態(tài)，其擴展速率不隨應力強度因子ki的提高而增加，裂紋的擴展主要由環(huán)境中活性物質向裂紋尖端擴散的速度決定。當裂紋由成核、生長和亞臨界擴展發(fā)展到臨界長度后，裂紋尖端區(qū)域的應力強度因子ki也隨著裂紋的擴展而急劇增大，此時，裂紋的擴展從穩(wěn)態(tài)階段進入動態(tài)階段(第三階段)。此階段是走向快速斷裂的過渡區(qū)，受熱激活焓的影響，此時受環(huán)境介質的影響并不明顯。

而現(xiàn)有技術中，大多數(shù)的研究主要是針對巖石各向異性參數(shù)開展的，而且更多的是直接通過力學設備對巖石(例如邊坡巖)的各向異性參數(shù)進行力學測試，并未對處于流體飽和狀態(tài)下的巖石壓裂物理模擬的方法進行研究。段靚靚等從橫觀各向同性理論出發(fā)，對現(xiàn)場采集的巖樣進行室內單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，對巖石的各向異性參數(shù)進行了研究，探討了彈性模量、抗壓強度和抗拉強度隨巖層傾角變化的規(guī)律。

另一方面，目前的研究主要是針對砂巖和碳酸鹽巖開展的。席道瑛等在mts伺服壓機上對不同飽和狀態(tài)的砂巖、大理巖標本進行了垂直層理和平行層理兩個方向的正弦波加載試驗，研究了飽和巖石的各向異性及非線性粘彈性行為。但對于處于流體飽和條件下的致密巖石裂縫擴張的研究，并未給出相應的實驗設備。

綜上所述，亟需形成一套用于研究致密巖石裂縫各項參數(shù)變化的物理模擬系統(tǒng)，以便更好地了解巖樣的裂紋擴展速率與應力強度因子的變化關系和斷裂韌性值以及計算亞臨界裂紋指數(shù)，以達到增產(chǎn)的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種結構簡單、操作方便的巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，以解決現(xiàn)有用于研究處于流體飽和條件下的致密巖石裂縫擴張研究設備匱乏的技術問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，包括溶液槽、壓頭和ccd攝像機，所述溶液槽的內側底端面裝設有承載板，所述承載板上設有至少四個盲孔，所述盲孔內裝設有支撐體，所述ccd攝像機裝設在所述溶液槽內用于采集所述承載板上巖石裂縫動態(tài)擴展圖像信息；所述巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置還包括壓力機，所述壓力機包括沖頭和工作臺，所述沖頭與所述工作臺相對設置，所述壓頭裝設有在所述沖頭上，所述溶液槽裝設在所述工作臺上。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述壓頭為兩個，且兩個所述壓頭平行間隔裝設在所述沖頭上，且所述壓頭為半球形壓頭。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述壓力機的位移加載控制精度至少為0.05mm/min。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述支撐體為支撐柱或滾珠。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述溶液槽的底端面設有與所述承載板外形適配的容槽。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述承載板的四個頂角上設有吊環(huán)孔，所述吊環(huán)孔下部設有內螺紋，并在所述吊環(huán)孔內裝設有吊環(huán)。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述承載板的四個頂角上設有吊環(huán)孔，所述吊環(huán)孔下部設有內螺紋，并在所述吊環(huán)孔內裝設有吊環(huán)。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述溶液槽為不銹鋼槽或透明玻璃槽。

在上述方案基礎上優(yōu)選，所述溶液槽底部設有一鎖緊槽，所述工作臺上裝設有一鎖緊凸起，所述鎖緊凸起與所述鎖緊槽相適配。

在上述方案基礎上優(yōu)選，還包括一控制器及顯示屏，所述顯示屏和所述ccd攝像機與所述控制器電性相連，優(yōu)選的，所述ccd攝像機為ccd高速攝像機。

在上述方案基礎上優(yōu)選，還包括一光源和防水漫射屏，所述防水漫射屏裝設在所述承載板上，所述光源與所述ccd攝像機相對設置。

本發(fā)明提供了一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，在壓力機的沖頭上設置壓頭，配合在工作臺上設置可拆卸的溶液槽，并在溶液槽內設置承載板，利用溶液槽裝設飽和流體提供巖石研究環(huán)境，通過承載板上的支撐體，利用四個支撐體形成一個端面以支撐巖石，通過控制壓力機的沖頭帶動壓頭作用在支撐體上的巖石表面，配合ccd攝像機，以清楚方便觀察巖石上裂縫的變化。

本發(fā)明的一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，利用溶液槽裝設飽和流體，可實現(xiàn)巖石在飽和流體中的實驗測量，且使用過程中，可通過控制壓力機以改變壓頭的位移或施加載荷，以完成不同載荷條件下的飽水巖石裂紋擴展實驗，使用方便快捷。本發(fā)明采用防水ccd攝像機，可實現(xiàn)全程記錄巖石的裂縫擴展狀態(tài)，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，便于后續(xù)測量和分析。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的背景技術中的巖石裂紋的亞臨界擴展速度與應力強度因子關系曲線圖；

圖2為本發(fā)明的待測巖石的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置的另一結構示意圖；

圖5為本發(fā)明的壓頭的立體結構圖；

圖6為本發(fā)明的承載板與巖石的相對位置關系圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

請參閱圖3，并結合4至圖6所示，本發(fā)明提供了一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，包括壓頭11、溶液槽30、ccd攝像機45和壓力機1，優(yōu)選的，ccd攝像機45采用防水ccd高速攝像機。

其中，壓力機1包括控制主機、沖頭10和工作臺20，其中，壓力機的位移加載控制精度至少為0.05mm/min，并可輸出位移-載荷和載荷-時間曲線。使用時，控制主機通過驅動裝置與沖頭10相連，以利用控制主機驅使驅動裝置運動，從而帶動沖頭10相對工作臺20上下運動。

如圖3和圖4所示，本發(fā)明的沖頭10與工作臺20相對設置，并在沖頭10上裝設有壓頭11，工作臺20上裝設有用于容納飽和流體的溶液槽30，溶液槽30內的底端面上可拆卸式裝設有承載板40，承載板40上設有至少四個盲孔，四個盲孔呈四邊形布設，盲孔內裝設有支撐體44，四個支撐體44以形成一個承載面，巖石50設置在四個支撐體44所形成的承載面上；并在溶液槽30內還裝設有一個ccd攝像機45，ccd攝像機45的攝像頭與承載面上的巖石50相對設置，用于采集承載板40上的巖石50裂縫圖像信息。

使用過程中，根據(jù)實驗需要，在溶液槽30內裝設液體，將巖石50浸透在液體內，通過控制主機驅動沖頭10帶動壓頭11向下運動，使得壓頭11作用在巖石50上，利用ccd攝像機45獲取巖石50在壓頭11作用下，產(chǎn)生裂縫及裂縫擴展狀態(tài)圖像，從而以獲取巖石50的裂紋擴展速率與應力強度因子的變化關系和斷裂韌性值以及計算亞臨界裂紋指數(shù)，便于研究巖石50的特性，為頁巖氣勘探開發(fā)提供參考數(shù)據(jù)，其中，所實驗的巖石50結構如圖2所示。

需要說明的是，本發(fā)明的溶液槽30內也可以不裝入任何液體，以實現(xiàn)采集巖石50在空氣狀態(tài)下受到外界作用力時，產(chǎn)生裂縫及裂縫擴展狀態(tài)參數(shù)，以滿足不同實驗需要。

優(yōu)選的，本發(fā)明的溶液槽30與工作臺20之間可以是可拆卸式相連，以方面溶液槽30內的溶液更換。

作為本發(fā)明的另一實施中，本發(fā)明的溶液槽30還可以與工作臺20之間是固定相連，通過在溶液槽30上設置進水口和出水口，配合在進水口和出水口上設置閥門，利用進水口向溶液槽30內輸入液體，出水口向外輸出液體，從而實現(xiàn)不同條件下巖石50裂縫的測量。

在本發(fā)明的另一實施中，本發(fā)明的壓頭11可拆卸式裝設在沖頭10底部，并且該壓頭11可以是兩個或多個，且相鄰兩個壓頭11平行間隔裝設在沖頭10上，且壓頭11為半球形壓頭11，如圖5所示。

進一步的，為了降低支撐體44與待測巖石50之間摩擦系數(shù)，本發(fā)明的支撐體44可以是滾珠，盲孔呈圓形，滾珠間隙配合式裝設在盲孔內，并且滾珠的至少1/3的半球面突出在本發(fā)明的承載板40外，優(yōu)選的是，本發(fā)明的滾珠最好是鋼柱，以增加滾珠的剛度，避免巖石50在收到壓頭11作用力下，滾珠破損，影響實驗效果。

需要說明的是，本發(fā)明的了一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，還包括一個鎖緊裝置，該鎖緊裝置裝設在承載板40上，當巖石50放置在支撐體44上時，利用該鎖緊裝置可實現(xiàn)巖石50的固定，從而避免巖石50在收到壓頭11作用力時，產(chǎn)生相對位移，影響其實驗效果。

在本發(fā)明的另一實施中，本發(fā)明的支撐體44為支撐柱，四個支撐柱平行設置，以形成平行四邊形的承載面，巖石50放置在承載面上。

請繼續(xù)參閱圖3所示，本發(fā)明的溶液槽30的底端面設有與承載板40外形適配的容槽，使用時，利用該容槽，以實現(xiàn)承載板40的定位。

為了方便實驗完成后，承載板40與溶液槽30之間的分離，并保證承載板40在實驗過程中，不產(chǎn)生相對位移，本發(fā)明還在承載板40的四個頂角上設有吊環(huán)孔41，吊環(huán)孔41的底部設有內螺紋，并在吊環(huán)孔41內裝設有吊環(huán)。在實驗過程中，利用內螺紋與吊環(huán)之間的配合實現(xiàn)吊環(huán)與承載板40之間的固定，而在實驗完成后，則可以通過吊環(huán)，將承載板40吊起，從而實現(xiàn)承載本與溶液槽30之間的快速分離，使其使用更加方便快捷。作為本發(fā)明的另一替代方案為，本發(fā)明還可以在承載板40與溶液槽30貼合的底面設置一個銷孔401，配合在溶液槽30的內側底端面設置一個銷釘，溶液槽30利用銷釘與銷孔401之間的配合從而實現(xiàn)了溶液槽30與承載板40之間的固定相連，如圖6所示。

優(yōu)選的是，本發(fā)明的溶液槽30的底板為不銹鋼板，利用不銹鋼板以防止溶液槽30生銹影響其實驗結果。值得說明的是，本發(fā)明的溶液槽30的側板還可以是透明有機玻璃槽或鋼化玻璃，即溶液槽30采用透明的透明有機玻璃槽或鋼化玻璃作而成，利用玻璃的透明特性，方便在實驗過程中可直觀看到實驗整個過程。

在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的溶液槽30底部設有鎖緊槽，工作臺20上裝設有一鎖緊凸起33，鎖緊凸起33與鎖緊槽相適配。該鎖緊槽可以是長方形的，也可以是楔形的，鎖緊凸起33與該鎖緊槽適配，利用鎖緊凸起33與鎖緊槽之間的過盈配合，從而實現(xiàn)工作臺20與溶液槽30之間的可拆卸式相連。

優(yōu)選的是，本發(fā)明的鎖緊槽可以是銷孔，工作臺20上的鎖緊凸起33可以是銷釘，利用銷釘穿插在銷孔內，以實現(xiàn)工作臺20與溶液槽30的可拆卸式相連。

在本發(fā)明的另一實施例中，本發(fā)明還包括一控制器46及顯示屏47，顯示屏47和ccd攝像機45與控制器46電性相連。使用過程中，利用ccd攝像機45以獲取巖石50在受到壓頭11作用力后，產(chǎn)生裂縫及裂縫動態(tài)擴展變化的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器46，通過控制器46將其傳遞至顯示屏47，利用顯示屏47以顯示出結果，以方便直觀獲取其實驗圖像。

進一步的，本發(fā)明還可以在溶液槽30內設置光源48，利用光源48為ccd攝像頭提供光線補償，從而使得ccd攝像頭準確獲取圖像數(shù)據(jù)。值得說明的是，該光源48最好是強光源，并與ccd攝像頭相對設置。優(yōu)選的，本發(fā)明還包括防水漫射屏，所述防水漫射屏裝設在所述承載板上。

本發(fā)明提供了一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，在壓力機1的沖頭10上設置壓頭11，配合在工作臺20上設置可拆卸的溶液槽30，并在溶液槽30內設置承載板40，利用溶液槽30裝設飽和流體提供巖石50研究的工作狀態(tài)，通過承載板40上的支撐體44，利用四個支撐體44形成一個端面以支撐巖石50，通過控制壓力機1的沖頭10帶動壓頭11作用在支撐體44上的巖石50表面，配合防水ccd攝像機45，以清楚方便觀察巖石50上裂縫的變化。

本發(fā)明的一種巖石亞臨界裂縫擴展可視化實驗裝置，在使用過程中，可通過控制壓力機1以改變壓頭11的位移或施加載荷，以完成不同載荷條件下的飽水巖石裂紋擴展實驗，使用方便快捷，且采用防水ccd攝像機45，可實現(xiàn)全程記錄巖石50的裂縫動態(tài)擴展狀態(tài)，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，便于后續(xù)測量和分析。

本發(fā)明的實驗裝置，在使用過程中，可根據(jù)實驗需要，通過控制主機以控制驅動裝置，調整壓頭11在實驗過程中的載荷、位移等速率控制及恒試驗力、恒變形、恒位移控制，來完成不同實驗參數(shù)。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。