一種新型巖石斷裂韌度測試夾具的設計

王 都，楊 建，彭鈞亮，閔 建

（1.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院，四川 廣漢 618300；2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，四川 成都 610091）

在全球能源轉型的宏觀藍圖中，頁巖氣已被廣泛認為是最重要的清潔能源。目前在對頁巖氣進行勘探開發時，主要涉及水平鉆井及對頁巖氣儲層的體積壓裂改造兩大關鍵技術，而這兩大關鍵技術與巖石的斷裂韌度緊密相關，巖石斷裂韌度是進行水平井鉆井設計和體積壓裂設計中的一項重要基礎參數，目前巖石的斷裂韌度主要由室內實驗得到，國際巖石力學學會（ISRM）針對巖石斷裂韌度的測定方法，分別于1995年推薦了人字形切槽巴西圓盤法，于2014 年推薦了三點彎曲半圓盤法[1]，這兩項方法成為了目前巖石斷裂韌性測試的主流方法，其中三點彎曲半圓盤法近年來應用越來越為廣泛，該方法中要求實驗夾具的支撐滾軸應保證在同一平面，滾軸的直徑要根據試件直徑來確定，ISRM 中推薦標準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稱，否則會受到剪應力干擾，產生Ⅰ-Ⅱ型符合斷裂。在此背景之下涌現了許多不同構型的三點彎曲圓盤法夾具，不同夾具有不同的優缺點, 目前還未有達成統一認可的三點彎曲斷裂韌度實驗夾具，因此設計出一種可靠的實驗夾具，對于頁巖氣的勘探開發具有重要意義。

目前，針對巖石斷裂韌性測試夾具設計方面的研究文獻較少，而關于巖石斷裂韌性測試方面的文獻較多，主要集中研究加載速率、試件類型對測試結果的影響[2-4]，在測試方面相關文獻中也出現了多種類型三點彎曲夾具，其中衡帥[5]等人在開展巖石斷裂韌性測試時，采用的是獨立式三點彎曲夾具，該夾具設計復雜，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試時，所采用三點彎曲實驗夾具結構設計簡單，但跨距結構復雜，且不易調節；張明明[7]等人采用的實驗夾具，滾柱與滑塊為一體式結構，滾柱不易更換；張瑩[8]等人采用實驗夾具與衡帥等人采用的夾具一致；總體來說，上述夾具均存在載荷加載不穩定或使用不方便等缺點，不利于獲取可靠的實驗結果，為解決上述不足，設計了新型三點彎曲夾具。

1 設備改造背景

1.1 常見斷裂韌性測試夾具介紹

三點彎曲半圓盤法是開展巖石的斷裂韌度測定的常用方法，日本熊本大學的Minami Kataoka[9]等人設計的三點彎曲夾具見圖1 左，設計采用框架結構，分別由底座、滾軸、框架、上座及加載壓頭構成，優點在于框架結構具有良好的穩定性，試樣受力更均勻，不足在于底部滾軸及跨距不易調節和更換；西南石油大學[4]設計的三點彎曲夾具見圖1 右，設計采用分塊獨立結構，優點在于構型簡單、跨距易調節，不足在于下支撐無滾軸設計，為一體式結構，不能更換，下支撐受壓易磨損且不易更換。

圖1 三點彎曲夾具

1.2 巖石力學測試系統簡介

實驗室的GCTS RTR-2000 巖石力學測試系統，見圖2 左，內置軸向載荷傳感器，加載速率最小達0.2 mm/min，靜態壓縮加載最大可達2000 KN；采用數字伺服控制器和采集系統，高速動態數據采集系統，可開展單軸/三軸試驗、斷裂韌性實驗、超聲波試驗、水力致裂試驗、聲發射試驗、DSA 差應變試驗、CVA 波速各項異性試驗。該系統的斷裂韌度測定為巴西圓盤法見圖2 右，該夾具結構由底座和上座構成，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，實驗巖樣與夾具之間為線接觸，實驗時，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定實驗完成，該夾具適用于國際巖石力學學會（ISRM）1995 年推薦的巖石斷裂韌度測定方法——人字形切槽巴西圓盤法[10]，不適用ISRM 于2014 年推薦的三點彎曲半圓盤法，在此背景之下設計了新型三點彎曲夾具。

圖2 GCTS 多功能巖石力學儀

2 新型三點彎曲夾具設計

2.1 夾具結構設計及尺寸特征

開展三點彎曲半圓盤斷裂韌性實驗測試的夾具總設計要求有以下幾點。①夾具需有2 個支撐點，1 個施力點；②樣品與夾具之間的接觸應該為線接觸；③夾具應設計相應螺孔與實驗機連接；④夾具的2 個支撐點的間距可調節；⑤夾具在滿足上述條件下，能夠做到結構簡單，使用方便，節省材料。為此設計的新型斷裂韌度測試夾具結構見圖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計，使載荷加載更穩定；滾柱采用獨立式結構，便于更換；滑軌采用無限設計，滑塊調節范圍大。

圖3 設計的夾具

夾具尺寸特征：夾具總高度120 mm, 總寬度50 mm，總長度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驗。

2.2 各部件的連接關系及功能描述

（1）底座設計有“⊥”槽，配合螺栓可將滑塊與底座緊固，底座左右有2 個通孔，通過螺栓可將底座固定在巖石力學試驗機上。

（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時產生偏移；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，該設計是防止載荷加載時產生應力集中。

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

2.3 新型夾具試驗方法

該夾具開展三點彎曲半圓盤測試，包括以下幾個步驟。

（1）樣品準備，按照實驗方案制備好樣品。

（2）樣品安裝，將樣品放置于夾具2 支撐點上，按照實驗方案要求調節兩支撐點之間間距，并確保樣品預制裂紋與加載滾柱在一條軸線上。

（3）啟動實驗，設置實驗參數并開始測試，實時觀察測試曲線變化。

（4）結束實驗，待測試曲線出現明顯力值減小后，停止實驗程序，取出樣品，觀察樣品斷裂形態是否按照預制裂紋方向斷裂。

（5）數據處理，導出測試數據并計算斷裂韌度值。

3 夾具性能評測

3.1 巖心斷裂韌度測試

使用設計的新型三點彎曲夾具開展巖石的斷裂韌度測試，評測夾具的可靠性。首先制備半圓盤試件，試樣制備參照國際巖石力學學會推薦方法中標準半圓盤試樣的尺寸要求，試樣YZ2 尺寸：直徑50 mm，厚度25 mm，預制裂紋長14 mm;試樣YZ11 尺寸：直徑50 mm，厚度25 mm，預制裂紋長13 mm，試樣見圖4。

圖4 半圓盤標準試樣

巖心的斷裂韌度測試在GCTS 多功能巖石力學儀上安裝新型三點彎曲夾具進行實驗（見圖3 上），調節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正對試樣裂紋方向，巖石力學儀設置位移加載控制，加載速率設置為0.02 mm/min，運行實驗程序，直至巖樣破裂即實驗完成。

3.2 評測結果

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

表1 頁巖斷裂韌度值

斷裂韌度KIC由下式計算得出：

式中：P 為試樣破壞時的載荷，Y'為量綱一的應力強度因子，B 為半圓盤試樣的厚度，a 為預制裂縫長度，R為試樣半徑，上述計算公式來源于國際巖石力學學會建議方法。

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，符合頁巖斷裂韌度經驗值1.0±0.3 MPa·m0.5，觀察實驗后巖心裂縫均為沿預期裂縫面斷裂（見圖5 右），避免了重復實驗，極大提高了實驗效率，驗證了新型三點彎曲夾具開展巖石斷裂韌度測試的可行性。

圖5 斷裂韌度測試后實驗巖心

4 結論

在采用三點彎曲半圓盤法測定巖石的斷裂韌度的實驗過程中，由于載荷加載不穩定極易導致巖石的斷裂韌度測試結果離散程度大，這樣不利于獲取真實的巖石斷裂韌度值，為頁巖氣的鉆完井及水力壓裂設計提供可靠的基礎參數，本研究中設計的新型巖石斷裂韌度測試夾具，采取了框架結構及加載小球的設計，可有效避免載荷加載過程中出現應力集中的問題，載荷施加更加穩定；此外，該夾具結構簡單、操作方便，制作成本低，經測試實驗效率高、實驗結果可靠性高，值得推廣使用。