一種新型巖石斷裂韌度測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)

王 都，楊 建，彭鈞亮，閔 建

（1.中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300；2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610091）

在全球能源轉(zhuǎn)型的宏觀藍(lán)圖中，頁(yè)巖氣已被廣泛認(rèn)為是最重要的清潔能源。目前在對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行勘探開發(fā)時(shí)，主要涉及水平鉆井及對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的體積壓裂改造兩大關(guān)鍵技術(shù)，而這兩大關(guān)鍵技術(shù)與巖石的斷裂韌度緊密相關(guān)，巖石斷裂韌度是進(jìn)行水平井鉆井設(shè)計(jì)和體積壓裂設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)參數(shù)，目前巖石的斷裂韌度主要由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）針對(duì)巖石斷裂韌度的測(cè)定方法，分別于1995年推薦了人字形切槽巴西圓盤法，于2014 年推薦了三點(diǎn)彎曲半圓盤法[1]，這兩項(xiàng)方法成為了目前巖石斷裂韌性測(cè)試的主流方法，其中三點(diǎn)彎曲半圓盤法近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越為廣泛，該方法中要求實(shí)驗(yàn)夾具的支撐滾軸應(yīng)保證在同一平面，滾軸的直徑要根據(jù)試件直徑來(lái)確定，ISRM 中推薦標(biāo)準(zhǔn)滾軸直徑與試件直徑比值為1:20，加載裝置及空間上必須對(duì)稱，否則會(huì)受到剪應(yīng)力干擾，產(chǎn)生Ⅰ-Ⅱ型符合斷裂。在此背景之下涌現(xiàn)了許多不同構(gòu)型的三點(diǎn)彎曲圓盤法夾具，不同夾具有不同的優(yōu)缺點(diǎn), 目前還未有達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)可的三點(diǎn)彎曲斷裂韌度實(shí)驗(yàn)夾具，因此設(shè)計(jì)出一種可靠的實(shí)驗(yàn)夾具，對(duì)于頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)具有重要意義。

目前，針對(duì)巖石斷裂韌性測(cè)試夾具設(shè)計(jì)方面的研究文獻(xiàn)較少，而關(guān)于巖石斷裂韌性測(cè)試方面的文獻(xiàn)較多，主要集中研究加載速率、試件類型對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響[2-4]，在測(cè)試方面相關(guān)文獻(xiàn)中也出現(xiàn)了多種類型三點(diǎn)彎曲夾具，其中衡帥[5]等人在開展巖石斷裂韌性測(cè)試時(shí)，采用的是獨(dú)立式三點(diǎn)彎曲夾具，該夾具設(shè)計(jì)復(fù)雜，適用于大尺寸圓柱狀巖心；張穎[6]等人在開展巖石斷裂韌性測(cè)試時(shí)，所采用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但跨距結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不易調(diào)節(jié)；張明明[7]等人采用的實(shí)驗(yàn)夾具，滾柱與滑塊為一體式結(jié)構(gòu)，滾柱不易更換；張瑩[8]等人采用實(shí)驗(yàn)夾具與衡帥等人采用的夾具一致；總體來(lái)說(shuō)，上述夾具均存在載荷加載不穩(wěn)定或使用不方便等缺點(diǎn)，不利于獲取可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為解決上述不足，設(shè)計(jì)了新型三點(diǎn)彎曲夾具。

1 設(shè)備改造背景

1.1 常見斷裂韌性測(cè)試夾具介紹

三點(diǎn)彎曲半圓盤法是開展巖石的斷裂韌度測(cè)定的常用方法，日本熊本大學(xué)的Minami Kataoka[9]等人設(shè)計(jì)的三點(diǎn)彎曲夾具見圖1 左，設(shè)計(jì)采用框架結(jié)構(gòu)，分別由底座、滾軸、框架、上座及加載壓頭構(gòu)成，優(yōu)點(diǎn)在于框架結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，試樣受力更均勻，不足在于底部滾軸及跨距不易調(diào)節(jié)和更換；西南石油大學(xué)[4]設(shè)計(jì)的三點(diǎn)彎曲夾具見圖1 右，設(shè)計(jì)采用分塊獨(dú)立結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)型簡(jiǎn)單、跨距易調(diào)節(jié)，不足在于下支撐無(wú)滾軸設(shè)計(jì)，為一體式結(jié)構(gòu)，不能更換，下支撐受壓易磨損且不易更換。

圖1 三點(diǎn)彎曲夾具

1.2 巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)室的GCTS RTR-2000 巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，見圖2 左，內(nèi)置軸向載荷傳感器，加載速率最小達(dá)0.2 mm/min，靜態(tài)壓縮加載最大可達(dá)2000 KN；采用數(shù)字伺服控制器和采集系統(tǒng)，高速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可開展單軸/三軸試驗(yàn)、斷裂韌性實(shí)驗(yàn)、超聲波試驗(yàn)、水力致裂試驗(yàn)、聲發(fā)射試驗(yàn)、DSA 差應(yīng)變?cè)囼?yàn)、CVA 波速各項(xiàng)異性試驗(yàn)。該系統(tǒng)的斷裂韌度測(cè)定為巴西圓盤法見圖2 右，該夾具結(jié)構(gòu)由底座和上座構(gòu)成，底座與上座之間由立柱連接，圓盤試樣放置于上座與底座之間，實(shí)驗(yàn)巖樣與夾具之間為線接觸，實(shí)驗(yàn)時(shí)，沿巖樣直徑方向垂直施加載荷，直至試樣破裂，即巴西圓盤法斷裂韌度測(cè)定實(shí)驗(yàn)完成，該夾具適用于國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）1995 年推薦的巖石斷裂韌度測(cè)定方法——人字形切槽巴西圓盤法[10]，不適用ISRM 于2014 年推薦的三點(diǎn)彎曲半圓盤法，在此背景之下設(shè)計(jì)了新型三點(diǎn)彎曲夾具。

圖2 GCTS 多功能巖石力學(xué)儀

2 新型三點(diǎn)彎曲夾具設(shè)計(jì)

2.1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸特征

開展三點(diǎn)彎曲半圓盤斷裂韌性實(shí)驗(yàn)測(cè)試的夾具總設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)。①夾具需有2 個(gè)支撐點(diǎn)，1 個(gè)施力點(diǎn)；②樣品與夾具之間的接觸應(yīng)該為線接觸；③夾具應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)螺孔與實(shí)驗(yàn)機(jī)連接；④夾具的2 個(gè)支撐點(diǎn)的間距可調(diào)節(jié)；⑤夾具在滿足上述條件下，能夠做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，節(jié)省材料。為此設(shè)計(jì)的新型斷裂韌度測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)見圖3，主要組成模塊包括1-底座、2- 滑塊、3- 滾柱、4- 加載座及5- 立柱組成，材料選用高鎳合金鋼，新型夾具借鑒了巴西圓盤夾具的立柱及加載小球設(shè)計(jì)，使載荷加載更穩(wěn)定；滾柱采用獨(dú)立式結(jié)構(gòu)，便于更換；滑軌采用無(wú)限設(shè)計(jì)，滑塊調(diào)節(jié)范圍大。

圖3 設(shè)計(jì)的夾具

夾具尺寸特征：夾具總高度120 mm, 總寬度50 mm，總長(zhǎng)度120 mm；滑塊高30 mm，寬50 mm；滾直徑5 mm，可適用于最大直徑100 mm 的半圓盤試樣開展實(shí)驗(yàn)。

2.2 各部件的連接關(guān)系及功能描述

（1）底座設(shè)計(jì)有“⊥”槽，配合螺栓可將滑塊與底座緊固，底座左右有2 個(gè)通孔，通過螺栓可將底座固定在巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上。

（2）滑塊底部開有底座寬度凹槽，起限位作用，避免滑塊在底座上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏移；在滑塊頂部開有滾柱直徑大小的凹槽，用于放置滾柱。

（3）加載座底部中間位置開有滾柱直徑寬度凹槽，用于放置滾柱，加載座頂部中間位置有弧面槽，用于放置加載小球，該設(shè)計(jì)是防止載荷加載時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（4）立柱起到限制加載座傾斜的作用，該設(shè)計(jì)可使施加載荷時(shí)，載荷施加方向與裂紋方向一致。

2.3 新型夾具試驗(yàn)方法

該夾具開展三點(diǎn)彎曲半圓盤測(cè)試，包括以下幾個(gè)步驟。

（1）樣品準(zhǔn)備，按照實(shí)驗(yàn)方案制備好樣品。

（2）樣品安裝，將樣品放置于夾具2 支撐點(diǎn)上，按照實(shí)驗(yàn)方案要求調(diào)節(jié)兩支撐點(diǎn)之間間距，并確保樣品預(yù)制裂紋與加載滾柱在一條軸線上。

（3）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)并開始測(cè)試，實(shí)時(shí)觀察測(cè)試曲線變化。

（4）結(jié)束實(shí)驗(yàn)，待測(cè)試曲線出現(xiàn)明顯力值減小后，停止實(shí)驗(yàn)程序，取出樣品，觀察樣品斷裂形態(tài)是否按照預(yù)制裂紋方向斷裂。

（5）數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)并計(jì)算斷裂韌度值。

3 夾具性能評(píng)測(cè)

3.1 巖心斷裂韌度測(cè)試

使用設(shè)計(jì)的新型三點(diǎn)彎曲夾具開展巖石的斷裂韌度測(cè)試，評(píng)測(cè)夾具的可靠性。首先制備半圓盤試件，試樣制備參照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦方法中標(biāo)準(zhǔn)半圓盤試樣的尺寸要求，試樣YZ2 尺寸：直徑50 mm，厚度25 mm，預(yù)制裂紋長(zhǎng)14 mm;試樣YZ11 尺寸：直徑50 mm，厚度25 mm，預(yù)制裂紋長(zhǎng)13 mm，試樣見圖4。

圖4 半圓盤標(biāo)準(zhǔn)試樣

巖心的斷裂韌度測(cè)試在GCTS 多功能巖石力學(xué)儀上安裝新型三點(diǎn)彎曲夾具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見圖3 上），調(diào)節(jié)滑塊使兩端加載距離為40 mm，將試樣放置于夾具中間，保證滾軸與試樣的接觸點(diǎn)正對(duì)試樣裂紋方向，巖石力學(xué)儀設(shè)置位移加載控制，加載速率設(shè)置為0.02 mm/min，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)程序，直至巖樣破裂即實(shí)驗(yàn)完成。

3.2 評(píng)測(cè)結(jié)果

將試樣的尺寸作為計(jì)算值，帶入斷裂韌度計(jì)算公式（1），分別得到頁(yè)巖的斷裂韌度值，見表1。

表1 頁(yè)巖斷裂韌度值

斷裂韌度KIC由下式計(jì)算得出：

式中：P 為試樣破壞時(shí)的載荷，Y'為量綱一的應(yīng)力強(qiáng)度因子，B 為半圓盤試樣的厚度，a 為預(yù)制裂縫長(zhǎng)度，R為試樣半徑，上述計(jì)算公式來(lái)源于國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議方法。

試樣YZ2 斷裂韌度值為1.23 MPa·m0.5，試樣YZ11 的斷裂韌度值為0.93 MPa·m0.5，符合頁(yè)巖斷裂韌度經(jīng)驗(yàn)值1.0±0.3 MPa·m0.5，觀察實(shí)驗(yàn)后巖心裂縫均為沿預(yù)期裂縫面斷裂（見圖5 右），避免了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，極大提高了實(shí)驗(yàn)效率，驗(yàn)證了新型三點(diǎn)彎曲夾具開展巖石斷裂韌度測(cè)試的可行性。

圖5 斷裂韌度測(cè)試后實(shí)驗(yàn)巖心

4 結(jié)論

在采用三點(diǎn)彎曲半圓盤法測(cè)定巖石的斷裂韌度的實(shí)驗(yàn)過程中，由于載荷加載不穩(wěn)定極易導(dǎo)致巖石的斷裂韌度測(cè)試結(jié)果離散程度大，這樣不利于獲取真實(shí)的巖石斷裂韌度值，為頁(yè)巖氣的鉆完井及水力壓裂設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)參數(shù)，本研究中設(shè)計(jì)的新型巖石斷裂韌度測(cè)試夾具，采取了框架結(jié)構(gòu)及加載小球的設(shè)計(jì)，可有效避免載荷加載過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，載荷施加更加穩(wěn)定；此外，該夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，制作成本低，經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)效率高、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性高，值得推廣使用。