一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置及方法.pdf

本发明公开了一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置及方法。该装置主要包括金属底座、液压千斤顶、压力槽、透明钢化玻璃反力板、两个连接杆、数码相机、钢片、环形透水石和两个独立伺服系统等部件。现有测量混凝土、金属等材料的断裂韧度的装置由于无法对试样施加围压，而不能用于测试软黏土的断裂参数。这是因为软黏土的断裂韧度是由围压决定的，而混凝土、金属等材料的断裂参数与围压无关。该发明可为预测在海底不同深度处(即不同围压条件下)用水力劈裂法开采石油、天然气所需的临界启裂条件提供了直接的力学参数(即软黏土海床的断裂韧度)。

1.一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置，其特征在于，包括金属底座(1)、
液压千斤顶(2)、压力槽(3)、透明钢化玻璃反力板(4)、两个连接杆(5)、外压管(6)、内压管
(7)、数码相机(8)、钢片(9)、孔压计(10)、孔压管(11)、环形透水石(12)和两个独立伺服系
统；其中透明钢化玻璃反力板(4)通过连接杆(5)固定安装在底座(1)上；液压千斤顶(2)安
装在底座(1)中心上。压力槽(3)安装在液压千斤顶(2)上，且位于透明钢化玻璃反力板(4)
下方，其顶部与透明钢化玻璃反力板(4)间设有防水密封圈；所述压力槽(3)底面上设置有
两个注水孔和一与压力槽(3)同轴的环形凹槽，其中一注水孔位于底面中心位置，环形凹槽
位于两个注水孔之间，中心处的注水孔连接内压管(7)，另一个注水孔连接外压管(6)；两个
独立伺服系统分别与外压管(6)、内压管(7)相连；环形透水石(12)放置在所述凹槽中；环形
透水石(12)底部通过孔压管(11)与孔压计(10)连接；数码相机(8)安装在透明钢化玻璃反
力板(4)上方；所述钢片(9)用于对待测软黏土进行初始裂缝的设置，钢片(9)的宽度d满足d
＝(R-r)/10，所述R为环形透水石(12)外径，r为环形透水石(12)内径。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，透明钢化玻璃反力板(4)的底面上涂有凡
士林。
3.一种权利要求1所述装置的软黏土断裂韧度的测量方法：其特征在于，该方法包括以
下步骤：
(1)利用液压千斤顶(2)将压力槽(3)降下，在环形透水石(12)上放置好待测试的圆筒
状土样，圆筒状土样上端与压力槽(3)上端平齐，并在圆筒状土样上通过竖向插入钢片(9)
预设径向非贯通的初始裂缝；利用液压千斤顶(2)将压力槽(3)抬升直至与透明钢化玻璃反
力板(4)接触；
(2)调节数码相机(8)的水平位置，使之位于初始裂缝的上方；
(3)用两套独立伺服水压控制系统分别通过外压管(6)、内压管(7)向圆筒状土样内、外
注内注满水，并保证圆筒状土样内外压相等(P内＝P外)，对土样进行一维固结。
(4)通过孔压计(11)的读数判断固结进度，当孔压值达到稳定时，即固结完成；固结完
成后，逐渐增加圆筒状土样内部的压力，并保持其外部压力不变，并通过独立伺服系统实时
采集水压；并通过数码相机(8)实时采集圆筒状土样的裂纹状态；
(5)记录裂纹刚开始扩展时土环试样内外的临界压差，并由下列公式计算土体断裂韧
度：
$K_{IC}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\sqrt{\mathrm{\π}a}$
${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\Δ}P\frac{R+r}{R-r}$
其中:KIC为土体断裂韧度，σθ为土体环向应力，a为裂纹长度，ΔP为裂纹失稳扩展时土
环试样内外的临界压差。

一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置及方法

技术领域

本发明属于与海床软黏土力学特性测量相关的技术领域，涉及一种测量任意围压
作用下软黏土断裂韧度的装置及方法。

背景技术

全球超过一半以上的石油、天然气资源埋在海底。获取海底油气资源的主要途径
之一是通过导管向软黏土海床注入高压水，制造通往含油气地层的裂隙(水力劈裂法)，使
得深海油气沿着裂隙向上运移至油气开采导管。海底油气资源能否开采安全、高效的开采，
取决于水力劈裂的控制好坏。具体的说，假如劈裂压力施加过大而在含油气地层瞬间产生
大面积裂纹扩展，深海油气可能会大量喷发释放到海水里；如果劈裂压力施加过小，则无法
在油气地层产生裂纹，或仅产生少量裂纹，而使得油气开采效率低下。

水力劈裂优化设计的前提在于准确获取软黏土海床的临界启裂条件(用断裂韧度
来表征)，而目前还缺乏用于测量软黏土断裂韧度的装置。软黏土的断裂韧度是由围压决定
的(断裂韧度沿着地层深度增加)，而现有测量断裂韧度的装置(主要针对混凝土、金属等断
裂韧度与围压无关的材料研制)都无法对试样施加围压。这真是本发明的主要出发点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种测量任意围压作用下软黏土断
裂韧度的装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种测量任意围压作用下软黏土断裂
韧度的装置，包括金属底座、液压千斤顶、压力槽、透明钢化玻璃反力板、两个连接杆、外压
管、内压管、数码相机、钢片、孔压计、孔压管、环形透水石和两个独立伺服系统；其中透明钢
化玻璃反力板通过连接杆固定安装在底座上；液压千斤顶安装在底座中心上；压力槽安装
在液压千斤顶上，且位于透明钢化玻璃反力板下方，其顶部与透明钢化玻璃反力板间设有
防水密封圈；所述压力槽底面上设置有两个注水孔和一与压力槽同轴的环形凹槽，其中一
注水孔位于底面中心位置，环形凹槽位于两个注水孔之间，中心处的注水孔连接内压管，另
一个注水孔连接外压管；两个独立伺服系统分别与外压管、内压管相连；环形透水石放置在
所述凹槽中；环形透水石底部通过孔压管与孔压计连接；数码相机安装在透明钢化玻璃反
力板上方；所述钢片用于对待测软黏土进行初始裂缝的设置，钢片的宽度d满足d＝(R-r)/
10，所述R为环形透水石外径，r为环形透水石内径。

进一步地，透明钢化玻璃反力板的底面上涂有凡士林，以尽量消除界面摩擦力。

一种围压作用下软黏土断裂韧度的测量方法：该方法包括以下步骤：

(1)利用液压千斤顶将压力槽降下，在环形透水石上放置好待测试的圆筒状土样，
圆筒状土样上端与压力槽上端平齐，并在圆筒状土样上通过竖向插入钢片预设径向非贯通
的初始裂缝；利用液压千斤顶将压力槽抬升直至与透明钢化玻璃反力板接触；

(2)调节数码相机的水平位置，使之位于初始裂缝的正上方；

(3)用两套独立伺服水压控制系统分别通过外压管、内压管向圆筒状土样内、外注
内注满水，并保证圆筒状土样内外压相等(P内＝P外)，对土样进行一维固结。

(4)通过孔压计的读数判断固结进度，当孔压值达到稳定时，即固结完成；固结完
成后，逐渐增加圆筒状土样内部的压力，并保持其外部压力不变，并通过独立伺服系统实时
采集水压；并通过数码相机实时采集圆筒状土样的裂纹状态；

(5)记录裂纹刚开始扩展时土环试样内外的临界压差，并由下列公式计算土体断
裂韧度：

$K_{IC}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\sqrt{\mathrm{\π}a}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\Δ}P\frac{R+r}{R-r}$

其中:KIC为土体断裂韧度，σθ为土体环向应力，a为裂纹长度，ΔP为裂纹失稳扩展
时土环试样内外的临界压差。

本发明的有益效果在于：克服了现有测量断裂韧度装置不能对试样施加围压的问
题，可以测量软黏土在任意围压作用下(对应任意深度的含油气地层)的断裂韧度，为预测
在海底不同深度处用水力劈裂法开采石油、天然气所需的临界启裂条件提供关键的断裂力
学参数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为钢片的位置示意图；

图3a和b分别为裂纹的初始状态和失稳扩展状态的示意图；

图中，金属底座1、液压千斤顶2、压力槽3、透明钢化玻璃反力板4、连接杆5、外压管
6、内压管7、数码相机8、钢片9、孔压计10、孔压管11、环形透水石12。

具体实施方式

如图1所示，一种测量任意围压作用下软黏土断裂韧度的装置，包括金属底座1、液
压千斤顶2、压力槽3、透明钢化玻璃反力板4、两个连接杆5、外压管6、内压管7、数码相机8、
钢片9、孔压计10、孔压管11、环形透水石12和两个独立伺服系统；其中透明钢化玻璃反力板
4通过连接杆5固定安装在底座1上；液压千斤顶2安装在底座1中心上；压力槽3安装在液压
千斤顶2上，且位于透明钢化玻璃反力板4下方，其顶部与透明钢化玻璃反力板4间设有防水
密封圈；所述压力槽3底面上设置有两个注水孔和一与压力槽3同轴的环形凹槽，其中一注
水孔位于底面中心位置，环形凹槽位于两个注水孔之间，中心处的注水孔连接内压管7，另
一个注水孔连接外压管6；一个独立伺服系统与外压管6相连，另一个独立伺服系统与内压
管7相连；独立伺服系统一方面控制注水速度，另一方面实时监测水压。环形透水石12放置
在所述凹槽中；环形透水石12底部通过孔压管11与孔压计10连接，通过孔压计的读数，可以
判断土样是否固结完成；数码相机8安装在透明钢化玻璃反力板4上方，用于对土样状态进
行采集。所述钢片9用于对待测软黏土进行初始裂缝的设置，钢片9的宽度d满足d＝(R-r)/
10，所述R为环形透水石12外径，r为环形透水石12内径。

上述装置测量围压作用下软黏土断裂韧度的方法如下：

1.利用液压千斤顶2将压力槽3降下，在环形透水石12上放置好待测试的圆筒状土
样，圆筒状土样的高度为50毫米，与压力槽3内部高度相等，上端与透明钢化玻璃反力板4接
触，其内径是390毫米，外径是410毫米；且圆筒状土样中心与压力槽3中心重合，一个注水孔
位于圆筒状土样中心，另一个注水孔位于圆筒状土样外，并在圆筒状土样内侧竖向插入钢
片9，以预设径向非贯通的初始裂缝；透明钢化玻璃反力板底面上可以涂抹凡士林，以尽量
消除其与圆筒状土样、压力槽的接触面上的摩擦力；利用液压千斤顶2将压力槽3抬升直至
与透明钢化玻璃反力板4接触；

2.调节数码相机8的水平位置，使之位于初始裂缝的正上方；

3.通过内压管7和外压管6向压力槽3内注满水，并通过独立伺服系统控制控制注
水速度，保证圆筒状土样内外压(P内＝P外)相等，对土样进行一维固结。

4.通过孔压计的度数判断固结进度，当孔压达到稳定时，即固结完成。然后以5千
帕/分钟的速度逐渐增加圆筒状土样的压力，并保持其外部压力不变，由于圆筒土样内外的
压差，土样沿着环向受拉；在不断增加内压的过程中，圆筒状土样裂纹失稳扩展。并通过独
立伺服系统实时采集水压；并通过数码相机8实时采集圆筒状土样的裂纹状态；

5记录裂纹失稳扩展时(如图3b)的临界压差，并由下列公式计算土体断裂韧度：

$K_{IC}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\sqrt{\mathrm{\π}a}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{\Δ}P\frac{R+r}{R-r}$

其中:KIC为土体断裂韧度，σθ为土体环向应力，a为裂纹长度，ΔP为裂纹失稳扩展
时土环试样内外的临界压差。