[发明专利]一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置及方法，属于岩石力学和油藏工程技术领域。

背景技术

岩石力学与油藏工程中需要对岩石破裂机理及规律进行大量的力学特性研究。实际地层中的应力情况十分复杂，岩石的破裂受到了很多的因素影响，如外加载荷、岩石孔隙压力、地热因素等都起到了不可忽视的作用。值的注意的是，不同的影响因素会同时发生，他们之间可能会发生相互耦合，因此需要对其综合影响进行针对性的研究。

对于岩石而言，尤其是致密介质岩石，具有明确的微观结构，即基质颗粒之间通过胶结物粘连。由于岩石存在这种非连续性质，在相关的工程研究中，多采用离散单元法进行技术分析。离散单元法是以不连续介质力学为基础的数值模拟技术，因此在使用离散单元法进行模拟之前，需要先进行物理模型试验并解析颗粒间的接触本构关系。

相关领域的学者曾经利用圆柱体和半球体等形状的理想化胶结颗粒试样(8)，研究了常温常压下外加载荷(剪切、拉压、弯转、扭转等)对胶结颗粒的影响。然而实际地层岩石处于高温高压的环境下，发生破裂的诱因也多种多样、十分复杂，因此前人的试验条件和模型选择过于理想化和简单化，不能直接真实的反应出地层条件下岩石球形胶结颗粒的力学行为。

中国专利文件(申请号201710057913.0)公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统。转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机；胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板；所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。该方案尚不能模拟高温环境，所测试的力学性质种类也稍有限制。

为解决上述存在的问题及技术不足，进一步研究高温环境下球形颗粒的接触力学特性，本发明设计了一种新型的测试胶结颗粒接触力学特性的装置系统，所述的装置系统能够提供高温环境条件，通过加载设备对球体胶结颗粒进行多种形式的力学加载，并测定胶结颗粒在不同垂向载荷下的剪切、抗弯、抗扭强度，为岩石力学与油藏工程等相关领域中进行地层岩石破裂的离散元分析研究提供物理模型的试验基础。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高温环境中不同载荷下胶结颗粒强度测试装置。

本发明还提供上述装置的工作使用方法。

本发明的技术方案如下：

为对胶结颗粒间的接触力学特性进行研究，首先构建理想双球体颗粒胶结模型，简化胶结物(13)上下胶结面为点接触。对其中的胶结物(13)进行受力分析如下：

1、在压缩试验过程中，胶结物(13)仅受到垂向载荷，如图1所示，假设垂向载荷大小为F，那么胶结物(13)受到的总应力大小为2倍垂向载荷，即：

F_合＝2F

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下的力，下表面受到大小为F垂直向上的力。

2、在压缩—旋扭试验过程中，胶结物(13)受到了垂向载荷和旋扭载荷，如图2所示，假设垂向载荷大小为F、旋扭载荷大小为f，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力，大小为f俯视为逆时针的旋扭力；下表面受到大小为F垂直向上的垂向力。

3、在压缩—剪切试验过程中，胶结物(13)受到了垂向载荷和剪切载荷，如图3所示，假设垂向载荷大小为F、剪切载荷大小为f，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力，大小为f水平向右的切向力；下表面受到大小为F垂直向上的垂向力，大小为f水平向左的切向力。

4、在压缩—弯扭试验过程中，胶结物(13)受到了垂向载荷和弯扭载荷，如图4所示，假设垂向载荷大小为F，弯扭载荷大小为f'h，那么胶结物(13)受力情况为：

胶结物(13)上表面受到大小为F垂直向下垂向力；下表面大小为F垂直向上的垂向力，受到大小为f'h的顺时针扭矩。

5、在压缩—弯扭—旋扭试验中，胶结物(13)受到了垂向载荷、旋扭载荷和弯扭载荷，如图5所示，假设垂向载荷大小为F，旋扭载荷大小为f，弯扭载荷大小为f'h，那么胶结物(13)受力情况为：