深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置与方法

本发明涉及岩石工程力学行为研究，尤其涉及深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置与方法。

背景技术：

1、深部岩体的剪切破裂行为，无论是对于资源开发还是地质灾害预防，都具有重大影响。深部岩体在高应力条件下常呈现剪切破裂，例如，硬岩的剪切破裂可能引发岩爆事件，断层剪切滑动也是引发地震的重要因素。因此，了解岩体在真实三维高应力状态下的剪切破裂行为对于油气勘探、地热开发、地质灾害预防等具有极其重要的意义。在能源开发方面，准确了解岩石在高应力下的破裂行为，将有助于改进油气勘探和开采技术，提高勘探成功率和生产效率。

2、目前，岩石剪切力学行为研究多集中在一维或二维条件下，岩石剪切实验装置通常采用剪切盒下部固定岩石，上部施加不同大小的法向力，然后采用平推法施加剪切力，直至试样破坏，从而得到试样的剪切强度，并根据摩尔库伦准则计算内摩擦角和内聚力。

3、但对于实际岩体工程，储层岩体通常处于真三维应力环境，且储层岩体破裂、失稳大多为剪应力下的剪切破裂或滑移失稳，现有实验装置只能提供二维应力，没有考虑实际地质工程三维应力状态，无法模拟实际工程地层在三维应力下的剪切破裂、滑移失稳行为。因此研究岩体在真三维应力下的剪切破裂失稳意义重大。

技术实现思路

1、为模拟深部岩体在复杂三维应力状态下剪切破裂、滑移失稳特性，解决真三维应力状态加载、任意断层构造剪切加载等难题，本申请提供深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置与方法。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、本申请提供的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，包括6个方向的压头，x、y、z轴方向各一对，其中两对压头为正应力加载压头，另外一对压头为剪切力加载压头；

4、所述剪切力加载压头包括固定压块和活动压块，所述固定压块前端面开有与活动压块适配的安装槽，活动压块活动装于安装槽中，在活动压块的后方安装有弹簧来支撑活动压块；在不受外部压力时，活动压块前端面与固定压块前端面齐平，在受外部压力时活动压块可压缩弹簧向后移动；压头上安装或者不安装声发射探头。

5、可选的，所述固定压块上开有轴向限位引导孔，轴向限位引导孔前端贯穿安装槽，轴向限位引导孔后端贯穿固定压块的后端面；轴向螺杆装在轴向限位引导孔中并与轴向限位引导孔间隙配合，轴向螺杆前端与活动压块后端的螺纹孔连接，轴向限位引导孔为台阶孔，当轴向螺杆后端的螺帽与轴向限位引导孔的内台阶相抵时，活动压块不可继续向前移动。

6、可选的，活动压块侧周安装有磁性构件，可与固定压块的槽壁形成一定的吸力，从而使活动部分压头有一定的固定作用。

7、可选的，每对压头之间分别设有位移传感器来检测岩石试样变形。

8、可选的，深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置还包括减磨连接构件，所述正应力加载压头后端连接有减磨连接构件；减磨连接构件包括前承载部件、后承载部件和多个滑动杆件前承载部件用于与压头对接，后承载部件用于与液压杆件对接；前承载部件与后承载部件滑动连接，二者可在第一方向相对滑动一端距离，所述第一方向与其对应的压头的轴向垂直；滑动杆件设于前承载部件与后承载部件之间。

9、可选的，所述前承载部件包括矩形的前承载板，前承载板前端面的中央有第一连接部，第一连接部用于与压头对接，前承载板后端面的两侧分别设有前扣接部；

10、所述后承载部件包括后承载板，所述后承载板后端面的中央设于第二连接部，第二连接部用于液压杆件对接；后承载板前端面的两侧分别设有后扣接部；

11、所述前扣接部与后扣接部中，其中一者上有沿所述第一方向贯通的凹槽，另一者上有与所述凹槽适配的凸起部，凸起部可操作地从沿第一方向装入所述凹槽中，实现前扣接部与后扣接部的扣接，防止二者在轴向方向分离；同时使后承载板与前承载板之间形成一定高度的空间；

12、所述滑动杆件为圆柱形，多个滑动杆件沿第一方向排列放置于后承载板与前承载板之间的空间中。

13、可选的，所述减磨连接构件还包括限位部件，限位部件所述包括中间的限位平板以及限位平板两端的限位翼板，所述限位平板挡在后承载板与前承载板之间的空间处可防止滑动杆件从后承载板与前承载板之间滚出；限位翼板用于限制后承载部件与前承载部件的相对滑动距离。

14、可选的，4个正应力加载压头的后端通过导向连接套连接减磨连接构件，所述导向连接套前端为圆形平面，圆形平面用于与压头后端对接接触；

15、所述导向连接套的后端为圆环状结构，减磨连接构件的第一连接部为与导向连接套后端适配的圆形凸起结构，所述第一连接部可操作地插装在导向连接套后端的圆环状结构中；

16、所述减磨连接构件的第二连接部为插孔结构，插孔结构上设或者不设螺钉孔；优选地，第二连接部为圆环状。

17、可选的，两个剪切力加载压头的后端分别对接有导向连接套，所述导向连接套前端为用于与压头后端对接接触的圆形平面，所述导向连接套后端为圆环状结构；可选的，y轴、z轴方向的4个压头为正应力加载压头，x轴方向的两个压头为剪切力加载压头。

18、本申请提供的深部储层岩体真三维应力下剪切试验方法，采用了所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，包括以下步骤：6个方向的压头的后端分别与6个液压缸中的其中一个对接，利用液压缸，通过4个正应力加载压头对立方体试样的其中四个面施加正应力，通过两个剪切力加载压头对立方体试样的另外两个面施加剪切力；在保持4个正应力加载压头正应力固定的情况，通过剪切力加载压头按一定位移/应力加载速率使立方体试样发生剪切破坏。

19、相对于现有技术，本申请至少具有如下有益效果：

20、本申请可以在实验室环境中模拟深部地层的高应力环境，实现真三维应力状态加载、任意断层构造剪切加载，使岩石在类似真实条件下的三维剪切状态下进行测试；通过模拟深部岩体在复杂三维应力状态下剪切破裂、滑移失稳特性，利于准确观察岩石在高应力状态下的剪切破坏过程，分析其力学响应、破裂机制以及可能导致岩石破裂的因素，不仅能够推动能源领域的技术创新和资源开发，还有助于提高地质灾害预测与防范水平。

技术特征：

1.深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，包括6个方向的压头(4)，x、y、z轴方向各一对，其中两对压头(4)为正应力加载压头，另外一对压头(4)为剪切力加载压头；

2.根据权利要求1所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，所述固定压块(41)上开有轴向限位引导孔(46)，轴向限位引导孔(46)前端贯穿安装槽(411)，轴向限位引导孔(46)后端贯穿固定压块(41)的后端面；轴向螺杆(45)装在轴向限位引导孔(46)中并与轴向限位引导孔(46)间隙配合，轴向螺杆(45)前端与活动压块(42)后端的螺纹孔连接，轴向限位引导孔(46)为台阶孔，当轴向螺杆(45)后端的螺帽与轴向限位引导孔(46)的内台阶(47)相抵时，活动压块(42)不可继续向前移动。

3.根据权利要求1所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，活动压块(42)侧周安装有磁性构件。

4.根据权利要求1所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，每对压头(4)之间分别设有位移传感器(7)来检测岩石试样变形。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，还包括减磨连接构件(5)，所述正应力加载压头后端可操作地连接有减磨连接构件(5)；

6.根据权利要求5所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，所述前承载部件(51)包括矩形的前承载板(512)，前承载板(512)前端面的中央有第一连接部(511)，第一连接部(511)用于与压头(4)对接，前承载板(512)后端面的两侧分别设有前扣接部(513)；

7.根据权利要求6所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，所述减磨连接构件(5)还包括限位部件(54)，限位部件(54)所述包括中间的限位平板(541)以及限位平板(541)两端的限位翼板(542)，所述限位平板(541)挡在后承载板(522)与前承载板(512)之间的空间处可防止滑动杆件(53)从后承载板(522)与前承载板(512)之间滚出；限位翼板(542)用于限制后承载部件(52)与前承载部件(51)的相对滑动距离。

8.根据权利要求6所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，4个正应力加载压头的后端通过导向连接套(6)连接减磨连接构件(5)，所述导向连接套(6)前端为圆形平面，圆形平面用于与压头(4)后端对接接触；

9.根据权利要求1-4、8中任一项所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，其特征在于，两个剪切力加载压头的后端分别对接有导向连接套(6)，所述导向连接套(6)前端为用于与压头(4)后端对接接触的圆形平面，所述导向连接套(6)后端为圆环状结构；可选的，y轴、z轴方向的4个压头(4)为正应力加载压头，x轴方向的两个压头(4)为剪切力加载压头。

10.深部储层岩体真三维应力下剪切试验方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9中任一项所述的深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置，包括以下步骤：6个方向的压头(4)的后端分别与6个液压缸(2)中的其中一个对接，利用液压缸(2)，通过4个正应力加载压头对立方体试样(10)的其中四个面施加正应力，通过两个剪切力加载压头对立方体试样(10)的另外两个面施加剪切力；在保持4个正应力加载压头正应力固定的情况，通过剪切力加载压头按一定位移/应力加载速率使立方体试样(10)发生剪切破坏。

技术总结
本发明涉及深部储层岩体真三维应力下剪切试验装置与方法，包括6个方向的压头，其中两对为正应力加载压头，另外一对为剪切力加载压头，每个压头上安装有声发射探头，正应力加载压头后端连接有减磨连接构件；剪切力加载压头包括固定压块和活动压块，活动压块装于固定压块前端的安装槽中，在活动压块的后方设有弹簧；在不受压时，活动压块前端面与固定压块前端面齐平。本申请可在类似真实条件下的三维剪切状态下进行测试，通过模拟深部岩体在复杂三维应力状态下剪切破裂、滑移失稳特性，可准确观察岩石在高应力状态下的剪切破坏过程，分析其力学响应、破裂机制等，不仅能够推动能源领域的技术创新和资源开发，还有助于提高地质灾害预测与防范水平。

技术研发人员：鲁俊,谢和平,高明忠,李铭辉,李存宝,高恒
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21