岩石摩擦实验夹持装置及调平方法与流程

本发明涉及非常规油气和地热开发的实验研究领域，特别涉及一种岩石摩擦实验夹持装置及调平方法。

背景技术：

非常规油气和地热的开发带来了新的挑战。地下岩层在水力压裂过程中激活天然裂隙，并发生剪切滑移促使天然裂隙自支撑而具有一定开度，提高了导流能力。因此，研究天然缝面在压裂液等流体作用下直剪的力学条件很重要。

目前关于直剪的力学条件的试验设备大多具有大尺寸、大尺度的特点。其中，剪切面30*30厘米(cm)居多、剪切位移数十厘米以上。而井底取芯尺寸远小于目前试验设备的要求，因此，目前井底取到的岩心并不能满足大尺寸实验的要求。实际上根据微地震解释结果，对于深至数十千米的地下岩层的剪切，位移量为小于1毫米(mm)的面-面摩擦。因此研发小尺寸、小尺度的液浴环境下的直剪摩擦设备具有较大的意义。

目前，一种典型的摩擦试验机为美国umt-tribolab。该摩擦试验机具有较高的精度和测试适应性。但是针对该摩擦试验机还缺乏一种岩石摩擦实验夹持装置以及实现小尺寸面-面摩擦的实验方法。

因此，有必要研发一套液浴环境下直剪摩擦实验的岩石摩擦实验夹持装置及调平方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液浴环境下直剪摩擦实验的岩石摩擦实验夹持装置及调平方法，能够真实模拟地下岩层的剪切。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

一种岩石摩擦实验夹持装置，包括：

用于固定在直剪实验平台上的下固定座，其顶部具有球面凹槽；

设置在所述球面凹槽内的调平球头；所述调平球头通过调平垫圈和调平螺丝配合定位；所述调平球头上部形成有调平球头内腔；

设置在所述调平球头内腔中的第一锁紧套；所述第一锁紧套包括：用于卡设下岩石样品的第一锥面滑块和用于套设在该第一锥面滑块外的第一旋转套；其中，所述第一旋转套的外侧形成有第一锁紧螺纹，所述调平球头内腔中设置有与所述锁紧螺纹相匹配的内螺纹；

固定所述调平球头顶面上的液浴槽；

设置有上固定座内腔的上固定座，所述上固定座内腔中设置有内螺纹；

设置在所述上固定座内腔中的第二锁紧套，所述第二锁紧套包括：用于卡设上岩石样品的第二锥面滑块和用于套设在所述第二锥面滑块外的第二旋转套；其中，所述第二旋转套的外侧形成有与所述上固定座内腔中的内螺纹相匹配的第二锁紧螺纹。

在一个优选的实施方式中，所述第一锁紧套整体呈中空的回转体型，所述中空部分至少包括孔径逐渐缩小的第一锥形孔，所述第二锁紧套整体呈中空的回转体型，所述中空部分至少包括孔径逐渐缩小的第二锥形孔。

在一个优选的实施方式中，所述第一锁紧套的第一锥形孔所在的锥面与所述第一锁紧套中心线形成的夹角为5度至15度；所述第二锁紧套的第二锥形孔所在的锥面与所述第二锁紧套中心线形成的夹角为5度至15度。

在一个优选的实施方式中，所述调平球头具有顶面和与设置在所述下固定座内的球面，在所述顶面与所述球面交界的位置还设置有调平斜面，

所述调平垫圈整体呈圆环状，其内侧形成有与所述调平斜面相配合的内倾斜面，所述调平垫圈上还设置有与所述内倾斜面相垂直的调平螺孔，所述调平螺丝设置在所述调平螺孔内。

在一个优选的实施方式中，所述调平垫圈上具有整体呈圆环状的固定圈梁，所述调平螺孔的个数为4个以上。

在一个优选的实施方式中，所述下固定座的上部形成有整体呈圆环状的固定圈梁，在所述固定圈梁上还设置有多个与所述固定沉孔相正对固定孔，所述固定沉孔和固定孔内穿设有螺丝。

在一个优选的实施方式中，所述第一旋转套远离所述第一锁紧螺纹的端面设置有扳手插孔，所述扳手插孔用于提供扳手的安装位置。

一种岩石摩擦实验夹持装置的调平方法，包括：

将调平球头放置在下固定座上方的球面凹槽内，利用螺丝穿设过调平垫圈上的固定沉孔和下固定座上的固定孔，将所述调平圈套固定在所述下固定座上的固定圈梁上；

将与调平垫圈上调平螺孔相同个数的调平螺丝安装在所述调平垫圈的调平螺孔中，每个调平螺丝的顶部顶在调平球头上的调平斜面上；

检测两个岩石样品的剪切面之间的面面接触参数，当所述面面接触参数不满足预定要求时，同时调节两个相对的调平螺丝，一个旋进的同时，相对的另一个旋出；

重复所述检测面面接触参数的步骤，直至所述面面接触参数满足预定要求时，完成对岩石样品的调平作业。

在一个优选的实施方式中，所述检测两个岩石样品的剪切面之间的面面接触参数为：在两个岩石样品的接触面之间放入压敏纸后获取所述压敏纸的能够描述所述面面接触参数的检测信息。

本发明的特点和优点是：本申请提供的岩石摩擦实验夹持装置通过设置下固定座、调平球头、调平垫圈、锁紧套、上固定座、液浴槽，实现了下述技术效果：

首先，具有高度的便携性。由于本装置高度集成化，对样品尺寸要求小，整体装置尺寸交小，可移动性强。

其次，对样品加工要求简单。现场取样多为圆柱形样品，样品断面只需要磨平即可。

再次，操作简单。使用本装置时通过简单的旋拧就能实现样品的夹持锁紧和调平。

最后，利用本申请提供的岩石摩擦实验夹持装置实现了压裂液等液浴环境下的直剪摩擦测试。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1是本申请实施方式中一种岩石摩擦实验夹持装置的结构示意图；

图2是图1中下固定座的俯视图；

图3是图1中调平球头的结构示意图；

图4是图1中调平垫圈的俯视图；

图5a是图1中锁紧套的结构示意图；

图5b是图1中锁紧套的仰视图；

图6a是图1中是上固定座的结构示意图；

图6b是图1中是上固定座的俯视图；

图7是本申请实施方式中一种岩石摩擦实验夹持装置的调平方法步骤图。

附图标记说明：

1下固定座，2调平球头，3调平圈套，4调平螺丝，5锁紧套，6上固定座，7岩石样品，8液浴槽，9固定孔，10球面凹槽，11固定圈梁，12调平螺孔，13固定沉孔，14调平斜面，15调平球头内腔，16扳手插孔，17旋转套，18锥面滑块，19锁紧螺纹。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

目前，可通过直剪的方法测定抗剪强度。将岩石样品加工后，剪切滑动的摩擦面经过人工打磨，至光滑平整后置入上、下试验盒中，保证对磨面出露。然后将上、下试验盒出露部分完全对齐，并对其固定。实验开始时，上试验盒正上方施加正压力，侧向施加切向力。通过改变正压力，记录该过程中的切向力和横向位移，即可得出不同正压力时的抗剪强度。

目前实验中所使用的加持装置岩石样品为大尺寸的样品，而从井底采集大尺寸的样品非常困难。其次，大尺度的直剪试验针对较大尺度的剪切试验，针对深部岩层的微米级的滑移，该测试方法精度不够。再次，实验条件并不能够在压裂液等液浴环境测试。最关键的是：由于样品并不像金属等易加工材料，上下两个试样摩擦面很难形成面-面摩擦。现有技术，实验时并没有关注如何能够真实模拟实际岩层的剪切(对于深至数十千米的地下岩层的剪切，位移量为小于1mm的面-面摩擦)，对此更没有改进的方案。

本发明提供一种岩石摩擦实验夹持装置为一种实现可调平的岩石摩擦实验夹持装置，该装置可以夹持目前井底通常采集的小尺寸岩石并调节岩石摩擦面的水平度，实现面-面摩擦，真实模拟地下岩层的剪切，研究岩石在液浴环境下摩擦系数以及摩擦强度。并且考虑到压裂施工现场的复杂性等条件，该装置使用时简单精准，方便现场测量分析。

请参阅图1至图6b，本申请实施方式中提供的一种岩石摩擦实验夹持装置可以包括：用于固定在直剪实验平台上的下固定座1，其顶部具有球面凹槽10；设置在所述球面凹槽10内的调平球头2；所述调平球头2通过调平垫圈和调平螺丝4配合定位；所述调平球头2上部形成有调平球头内腔15；设置在所述调平球头内腔15中的第一锁紧套；所述第一锁紧套包括：用于卡设下岩石样品7的第一锥面滑块18和用于套设在该第一锥面滑块18外的第一旋转套17；其中，所述第一旋转套17的外侧形成有第一锁紧螺纹19，所述调平球头内腔15中设置有与所述锁紧螺纹19相匹配的内螺纹；固定所述调平球头2顶面上的液浴槽8，设置有上固定座6内腔的上固定座6，所述上固定座6内腔中设置有内螺纹；设置在所述上固定座6内腔中的第二锁紧套，所述第二锁紧套包括：用于卡设上岩石样品7的第二锥面滑块和用于套设在所述第二锥面滑块外的第二旋转套；其中，所述第二旋转套的外侧形成有与所述上固定座6内腔中的内螺纹相匹配的第二锁紧螺纹。

如图4所示，在本实施方式中，下固定座1用于固定在直剪实验平台上，其具有相对的底面和顶面，其中所述顶面所在的顶部向内形成有球面凹槽10，该球面凹槽10用于和调平球头2进行配合。所述底面可以固定在直剪实验平台上，随着平台一起移动。所述下固定座1的上部形成有整体呈圆环状的固定圈梁11，在所述固定圈梁11上还设置有多个用于穿设螺丝的固定孔9。

如图3所示，在本实施方式中，所述调平球头2具有顶面和与设置在所述下固定座1内的球面，所述调平球头2通过调平垫圈和调平螺丝4配合定位，所述调平球头2上部形成有用于设置第一锁紧套的调平球头内腔15。具体的，在所述顶面与所述球面交界的位置还设置有调平斜面14，所述调平垫圈整体呈圆环状，其内侧形成有与所述调平斜面14相配合的内倾斜面，所述调平垫圈上还设置有与所述内倾斜面相垂直的调平螺孔12，所述调平螺丝4设置在所述调平螺孔12内。

如图2所示，在本实施方式中，所述调平垫圈上具有整体呈圆环状的固定圈梁11，在所述固定圈梁11上还设置有多个固定孔9，所述下固定座1上设置有与所述固定孔9相正对的固定沉孔13。所述下固定座1上设置有调平螺孔12，所述调平螺孔12与所述固定沉孔13间隔排布。所述调平螺孔12可以为椭圆孔，所述椭圆孔的长轴方向指向所述下固定座1的中心。其中，所述下固定座1上的固定沉孔13的个数可以为4个，所述调平螺孔12个数可以为大于等于4个。当然，所述固定沉孔13的个数和调平螺孔12的个数并不限于上述举例，本申请在此并不作具体的限定。

在一个实施方式中，当所述调平螺孔12的个数为4个时，其可以沿着圆周方向均匀布置，形成两两相对的调平螺孔对。相应的，在该调平螺孔对中两两设置的调平螺丝4形成调平螺丝对，结合调平球头2可以形成三维立体调节。

在本实施方式中，由于需要将两个岩石样品7进行对磨，因此用于固定岩石样品7的锁紧套5有两个，分别为第一锁紧套和第二锁紧套，所述第一锁紧套和第二锁紧套的结构相同，可以互相参照。

其中，第一锁紧套设置在所述调平球头内腔15中的；所述第一锁紧套包括：用于卡设下岩石样品7的第一锥面滑块18和用于套设在该第一锥面滑块18外的第一旋转套17。其中，所述第一旋转套17的外侧形成有第一锁紧螺纹19，所述调平球头内腔15中设置有与所述锁紧螺纹19相匹配的内螺纹。当所述第一旋转套17相对所述调平球头2旋转时可以夹紧或放松所述岩石样品7。

请结合参阅图5a和图5b，所述第一锥面滑块18具体可以包括两个对接的拼接体，两个拼接体之间形成用于和岩石样品7配合，夹紧定位岩石样品7的容纳位置。所述第一锁紧套整体呈中空的回转体型，所述中空部分至少包括孔径逐渐缩小的第一锥形孔。具体的，所述第一锁紧套的第一锥形孔所在的锥面与所述第一锁紧套中心线形成的夹角可以为5度至15度。当第一锁紧套形成有上述具有锥度的配合机构后与螺纹机构相配合，可以将第一锥面滑块18与下固定座1之间螺纹机构的转动转换为所述旋转套17的两个拼接体之间的径向移动，从而实现了对岩石样品7的夹紧和放松。其中，所述夹角的角度范围为5度至15度时，一方面可以满足

在一个实施方式中，所述第一旋转套17远离所述第一锁紧螺纹19的端面设置有扳手插孔16，所述扳手插孔16用于提供扳手的安装位置。使用时，可以借助扳手插入所述扳手插孔16后实现带动旋转套17转动，便于操作，省时省力。

在本实施方式中，所述第二锁紧套整体呈中空的回转体型，所述中空部分至少包括孔径逐渐缩小的第二锥形孔。所述第二锁紧套的第二锥形孔所在的锥面与所述第二锁紧套中心线形成的夹角为5度至15度。其他具体细节结构可以参照所述第一锁紧套，具体的，本申请在此不再赘述。

请结合参阅图6a和图6b，在本实施方式中，所述上固定座6整体可以呈回转体型，其内部设置有用于设置第二锁紧套的上固定座6内腔，所述上固定座6内腔中设置有内螺纹。所述上固定座6的外边缘设置有固定穿孔。

具体装配时，下固定座1用于固定在直剪实验平台上，其上方的球面凹槽10内放置调平球头2，用螺丝通过调平圈套3上的固定沉孔13旋拧在下固定座1上的固定孔9内，使调平圈套3固定在固定圈梁11上，调平螺丝4旋拧通过调平圈套3上的调平螺孔12，顶在调平球头2上的调平斜面14上，调平球头2上部含有调平球头内腔15，调平球头内腔15与锁紧套5连接，任意一个锁紧套5主要包括旋转套17和锥面滑块18两个部件，调平球头内腔15内侧为与旋转套17外侧的锁紧螺纹19相匹配的螺纹，岩石样品7夹持在锥面滑块18内部，调平球头2顶面固定液浴槽8，上固定座6含有上固定座6内腔，其内部的螺纹与旋转套17外侧的锁紧螺纹19相匹配，岩石样品7夹持在锥面滑块18内部。

本申请实施方式中提供的岩石摩擦实验夹持装置为一种可调平的岩石摩擦实验夹持装置。具体调平时，下固定座1上方的球面凹槽10内放置调平球头2，用螺丝通过调平圈套3上的固定沉孔13旋拧在下固定座1上的固定孔9内，使调平圈套3固定在固定圈梁11上，调平螺丝4旋拧通过调平圈套3上的调平螺孔12，顶在调平球头2上的调平斜面14上，即可以实现对岩石样品7的水平面的调整。

本申请实施方式中基于上述提供岩石摩擦实验夹持装置在进行岩石摩擦实验方法时，可以采用下述步骤：

第一步：将岩石样品7钻取常用的圆柱形样品，并将断面磨平。

第二步：将岩石样品7装入锥面滑块18的内部，通过旋拧旋转套17将样品固定好。

第三步：旋拧调平螺丝4，旋拧时要保持相对的两个调平螺丝4一个旋紧则另一个旋松，直至达到调平的要求，然后拧紧即可。

第四步：在液浴槽8内添加实验所需的流体，直至没过两样品摩擦面。

第五步：施加正应力开始直剪实验。

当实验完成后与安装过程相反操作即可完成拆卸工作。

本申请实施方式中提供的岩石摩擦实验夹持装置具有如下优点：

首先，具有高度的便携性。由于本装置高度集成化，对样品尺寸要求小，整体装置尺寸交小，可移动性强。

其次，对样品加工要求简单。现场取样多为圆柱形样品，样品断面只需要磨平即可。

再次，操作简单。使用本装置时通过简单的旋拧就能实现样品的夹持锁紧和调平。

最后，利用本申请提供的岩石摩擦实验夹持装置实现了压裂液等液浴环境下的直剪摩擦测试。

请参阅图7，本申请实施方式中，基于上述的岩石摩擦实验夹持装置还提供了一种调平方法，该调平方法可以包括如下步骤：

步骤s10：将调平球头放置在下固定座上方的球面凹槽内，利用螺丝穿设过调平垫圈上的固定沉孔和下固定座上的固定孔，将所述调平圈套固定在所述下固定座上的固定圈梁上；

步骤s12：将与调平垫圈上调平螺孔相同个数的调平螺丝安装在所述调平垫圈的调平螺孔中，每个调平螺丝的顶部顶在调平球头上的调平斜面上；

步骤s14：检测两个岩石样品的剪切面之间的面面接触参数，当所述面面接触参数不满足预定要求时，同时调节两个相对的调平螺丝，一个旋进的同时，相对的另一个旋出；

步骤s16：重复所述检测面面接触参数的步骤，直至所述面面接触参数满足预定要求时，完成对岩石样品的调平作业。

在本实施方式中，所述检测两个岩石样品的剪切面之间的面面接触参数可以为：在两个岩石样品的接触面之间放入压敏纸后获取所述压敏纸的能够描述所述面面接触参数的检测信息。当然，获取两个岩石样品之间接触面的方式还可以通过其他方式实现，具体的本申请在此并不作具体的限定。

本发明提供一种实现可调平的岩石摩擦实验夹持装置以及对应的调平方法，通过该装置实现夹持目前井底通常采集的小尺寸岩石并调节岩石摩擦面的水平度，结合调平方法，可以实现面-面摩擦，真实模拟地下岩层的剪切，研究岩石在液浴环境下摩擦系数以及摩擦强度。并且考虑到压裂施工现场的复杂性等条件，该基于该装置的调平方法和使用方法操作简单精准，方便现场测量分析。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。