MDS-450和MTS-815伺服液压系统下岩石体积压缩的方法与初步测试

《Applied Sciences》：Methodology and Preliminary Testing of Rocks Under Volumetric Compression Using the MDS-450 and MTS-815 ServoHydraulic Systems

　　

本方法论论文描述了使用MDS-450和MTS-815伺服液压系统测试岩石试样在体积压缩下的实验程序的开发与初步验证。该装置允许同时施加轴向载荷、围压（confining pressure）、孔隙压力（pore pressure）和温度，以模拟对应约10–12 km深度的热压条件（thermobaric conditions）。在本研究中，系统仅在室温条件下使用，以验证加载路径和数据采集方案。该程序逐步再现储层条件，并设计用于记录三轴压缩强度（triaxial compressive strength）、变形模量（deformation moduli）、膨胀性（dilatancy）以及声学和超声响应（acoustic and ultrasonic responses）。在围压为90和120 MPa、室温条件下对沉积岩试样进行的初步测试结果显示了体积压缩的典型阶段，并确认了实验方法的稳定性。为支持该方法的验证，研究人员还在围压为50 MPa的条件下进行了额外测试，结合了温度因素和声发射监测（acoustic emission monitoring）。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
在深层油气田项目实施过程中，岩石（石灰岩、砂岩、白云岩）的变形与破坏过程研究至关重要，以识别结构变化和膨胀区（dilatancy zones）。深层岩体的应力-应变状态受应力、天然温度场和孔隙压力的综合影响。现有岩石测试方法主要包括两种：试样预热后测试与加载过程中加热测试。前者（如Sheng-Qi Yang等对花岗岩在200–800°C热处理后的单轴测试）能识别热损伤阈值，但主要记录已形成的结构热扰动；后者采用伺服控制三轴系统（如Ultra-Deep Drilling Simulator、GCTS RTR-2000）可同时控制温度、围压和孔隙压力，更有效地再现深层条件。然而，现有系统在参数组合上各有局限。为此，俄罗斯圣彼得堡矿业大学（Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University）开发了新型MDS-450伺服液压系统，旨在协同控制轴向载荷、围压、孔隙压力和温度，模拟深度达10–12 km的热压条件。本研究聚焦于该系统的初步验证，仅在室温条件下进行，加热与孔隙压力模块未激活。论文发表在《Applied Sciences》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用实验室物理建模方法，在MDS-450系统上对沉积岩试样进行体积压缩测试。该方法通过逐步再现轴向载荷、围压、孔隙压力和温度的组合作用，记录极限强度、变形模量、横向应变系数、声发射参数、膨胀性和超声参数。MDS-450系统包括：门式加载框架（最大压缩载荷4.5 MN）、液压泵站（57 L/min，21 MPa）和稳定器（stabilometer，由不锈钢制成，配备自动开闭机构、加载活塞和密封馈通，可容纳直径100 mm、高度250 mm的试样，压力范围0–210 MPa，温度范围-15至200°C）。内置力传感器（范围2.5 MN，非线性0.25%）和变形传感器（三个，范围-2.5至2.5 mm，非线性0.25%）记录机械响应。试样制备包括从全尺寸岩心加工圆柱试样，端面研磨，用不透水套密封。加载程序：先施加目标围压，然后以1 mm/min速率进行轴向加载直至破坏，围压保持恒定。补充测试使用MTS-815系统（最大围压80 MPa，温度200°C），结合温度控制和声发射监测。样本队列来源为沉积岩心，未注明具体油田。

**研究结果**
**三轴压缩曲线与围压稳定性**
验证测试在室温下进行，围压分别为90 MPa和120 MPa。轴向应力-时间曲线显示，在约140 s时达到峰值应力，随后承载力显著下降，残余载荷分别为51.8 MPa（90 MPa）和67 MPa（120 MPa）。围压-时间曲线表明围压控制稳定，无显著波动，确认边界条件稳定。

**变形阶段特征**
轴向应力-应变曲线展示了三轴压缩的典型阶段：初始非线性压实、硬化、峰值强度及峰后软化。横向应变曲线显示，峰值应力后横向应变增加，伴随轴向应力下降，表明结构松散和破坏发展。

**MTS-815补充测试**
在MTS-815系统上对试样进行了温度循环（30–50°C）和声发射监测。温度-时间曲线证实加热系统可重复热循环，差应力随加载阶段循环增加。声发射数据显示，初始加载阶段AE活动有限，在高应力水平附近显著增加，最终阶段最活跃，表明微裂纹累积损伤。

**讨论与结论**
讨论部分强调本研究的初步验证性质，而非统计分析。MDS-450系统在90和120 MPa下稳定维持围压，记录完整变形曲线，包括峰前、峰后阶段。但峰值应力差异（120 MPa下更低）不能归因于围压效应，因为试样物理性质不同且无重复测试。横向变形曲线定性证实了从压实到结构松散的转变。MTS-815测试确认了温度控制与声发射监测的可行性。结论部分翻译如下：基于初步实验数据，得出以下结论：MDS-450系统在轴向加载期间维持了预设围压，围压-时间曲线确认了高压水平下围压控制系统的稳定性。系统记录了完整的轴向应力-应变曲线，包括峰前阶段、峰值强度和峰后软化，证实了加载与测量程序可用于记录岩石试样在体积压缩下的完整力学响应。两个试样均展示了三轴压缩的典型变形阶段：初始压实、硬化、峰值应力及后续峰后变形。横向应变曲线也表明峰值状态后从压实主导行为向结构松散的转变。结果不应被解释为在90 MPa和120 MPa围压下岩石强度的统计可靠比较，因为每个压力水平仅测试一个试样，且试样物理性质和制备条件不同。因此，观察到的峰值应力差异不能仅归因于围压效应。使用MTS-815系统进行的补充初步测试确认了在温度控制加载条件下结合声发射监测的适用性。记录的温度循环和AE响应表明该方法可用于捕捉岩石试样热机械加载过程中的热效应和损伤相关声学活动。未来研究将聚焦于高温条件下深层岩石的该方法实验验证。