CN101718660A - 爆炸动载压裂模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种爆炸动载压裂模拟试验装置，主要用于模拟炸药在地下岩石中的爆炸压裂过程，由高压釜、液压控制系统、点火控制系统、数据采集系统组成。高压釜是整个试验系统的主体部分，主要由底座、压力室筒体、压垫、压板、压力室上盖、卡套、卡环、双向活塞等部件组成。压力室上盖中心安装油缸及双向活塞，能够在围压基础上给试样施加轴向载荷；底座和双向活塞上开有进油口并通过高压管线与液压控制系统连接，压力室筒体壁上开有炸药引线孔和数据线引线孔，分别通过导线连接点火控制系统和数据采集系统。在压力室筒体的上下端分别装压力室上盖和底座，并用卡套及卡环连接固定，使釜体具有良好的抗高压特性，可对大尺寸试样(Φ800×800mm)进行动载压裂试验。

Description

爆炸动载压裂模拟试验装置

技术领域：

本发明涉及一种岩石力学室内试验设备，具体是用于模拟井眼内爆炸动载压裂的试验装置。

背景技术：

研究井眼内爆炸动载压裂技术对低渗低丰度油气藏开发具有重要意义。爆炸动载压裂对井眼周围地层岩石的作用是一个十分复杂的过程，目前对该方面的研究主要从理论分析、数值模拟和试验研究三个方面进行。其中，试验研究又占有重要地位，这不仅因为它可以提供第一手资料，而且还可用来证实理论分析和数值模拟的结果。

当前，岩石的动力试验主要是利用SHPB试验装置进行的。SHPB装置的试验原理是：将受冲击的杆分为两个部分，试件放在两杆之间，输入杆在冲击载荷的作用下将脉冲波传给试件，通过试件端部波的入射和反射，在极短的时间内使试件整个长度内受到较均匀的波动作用，通过一维波动理论和能量平衡可以得到试件的动应力和动应变关系。然而，爆炸压裂状态下，爆炸载荷对井壁围岩的冲击是多方位、多角度的，所以，SHPB装置动态载荷的加载方式，注定不能用于模拟爆炸压裂条件下动态载荷对井壁围岩的冲击效果。故此，SHPB装置不能用于爆炸压裂试验。

考虑到井壁围岩受力情况复杂，为了充分模拟真实地下井眼周围岩石的应力状态，所用试验装置需具备施加轴向应力和围压的功能。然而，常规岩石力学三轴实验机虽具备该项功能，但其只能用于岩石静力实验。同时，要观察、研究井壁围岩的裂纹生成、扩展及其分布情况，必须使用大尺寸岩样，而常规岩石力学三轴实验机由于受其框架式加载结构的限制，根本无法容纳大尺寸岩样。所以，岩石力学三轴实验机亦无法用于爆炸压裂试验。

到目前为止，从公开的文献报道和实际应用来看，还没有同时具备以下基本特点的动载压裂试验装置：可容纳大尺寸岩样，以便于观察、研究裂纹的生成、扩展及分布情况；能够向岩样施加轴压和围压，以模拟地下井壁围岩的受力状态；可将炸药直接布置于岩样内并引爆，以使爆炸压裂过程更为真实。

发明内容：

本发明的目的是提供一种爆炸动载压裂模拟试验装置，对岩石施加围压与轴压，充分模拟爆炸压裂条件下井壁围岩复杂的应力状态，对该状态下井壁围岩的成缝机理及其影响因素进行研究，为爆炸压裂条件下井壁围岩动态本构方程的建立提供依据，并为该技术理论研究奠定基础。

本发明为达到上述目的，具体设计如下。模拟井眼内爆炸动载压裂的试验装置主要由高压釜、液压控制系统、点火控制系统以及数据采集系统四部分组成。高压釜是整个试验系统的主体部分，主要由底座、压力室筒体、压垫、压板、压力室上盖、卡套、卡环、双向活塞等组成。底座是带有凹槽的圆柱体，其上装有下压垫，压力室筒体是两端壁上开有凹槽的圆管状体，压力室筒体和底座之间用下卡套和卡环进行连接并固定。下压垫的上方设计有上压垫和上压板，并用定位环和定位垫来固定，确保上压板与其上的双向活塞之间紧密接触，在下压垫和上压板之间放置试样。在压力室筒体的顶端安装压力室上盖，压力室上盖为中间空心外壁带凸台的圆柱体，压力室上盖与压力室筒体之间用上卡套及卡环固定，压力室上盖的中心安装油缸及双向活塞。双向活塞上和压力室底座上各开有一个进油口，分别通过管线连接液压控制系统。双向活塞上和压力室筒体壁上部还各开有一个出气口，当向油缸和釜体内注入液压油时，气体可经出气口排出。同时，在压力室筒体壁上还开有炸药引线孔和数据线孔，分别通过导线连接点火控制系统和数据采集系统。高压釜各组成部分均由优质合金钢锻压成型后再经加工制成，并且进行了镀硬铬处理。可容纳大尺寸试样并为其提供地下爆炸压裂环境；液压控制系统包括轴压控制系统与围压控制系统，通过该液压系统可向高压釜内的试样施加轴压与围压，模拟井眼周围地层岩石的应力状态；点火控制系统主要用于控制布置于试样内的炸药的引爆；数据采集系统主要是采集试验数据，并利用计算机对采集到的数据进行实时存储、处理，绘制试验数据曲线。

本发明的有益效果是：在高围压下，大尺寸活塞(Ф800mm)会产生非常高的轴向反力(如30MPa围压会产生1507.2吨反力)，一般结构很难抵抗此作用力，本发明采用双向活塞结构，通过控制反向活塞台面的压力P₂不仅可以用于平衡活塞底面的反力P₁，而且能够在围压基础上进一步给岩样施加轴向载荷(P₂-P₁)，替代了常规的框架式轴向加载结构。同时，在高围压情况下，大尺寸高压釜会产生非常高的轴向力，采用法兰结构连接已无法满足要求，故本发明采用了卡套结构克服该轴向力。在向试样施加轴压与围压的同时，采用直接引爆试样内炸药的动载加载方式，使其无限接近于真实地层中的爆炸压裂过程；所用的试样尺寸大，是普通三轴实验机试样体积的上千倍。

附图说明：

图1为本发明所提出的爆炸动载压裂模拟试验装置的结构示意图。

图中：1.底座，2.下卡套，3.卡环，4.下压垫，5.定位销6.压力室筒体，7.上压垫，8.上压板，9.定位环，10.定位垫，11.上卡套，12.压力室上盖，13.油缸，14.双向活塞，15.活塞上的进油口，16.活塞上的出气口，17.筒壁上的出气口，18.炸药引线孔，19.数据线孔，20.底座上的进油孔，21.液压控制系统，22.数据采集系统，23.点火控制系统。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例来详细描述本发明。

如图所示，带有凹槽的底座1上装有下压垫4，底座1上还开有进油孔20，该进油孔用高压管线连接液压控制系统21，底座1与压力室筒体6通过下卡套2和卡环3连接固定，试验时将试样置于下压垫4上，并通过定位销5进行定位。试样安置好后，将炸药引线从压力室筒体6上的引线孔18引出，连接于点火控制系统23，同时，将数据采集线从压力室筒体6上的数据线孔19引出，并接于数据采集系统22。试样上面依次放置上压垫7、上压板8。设置在上压板8上的定位环9和定位垫10可确保上压板8与其上的双向活塞14之间紧密接触。压力室上盖12为外壁带凸台的环状圆柱体，其中心安装油缸13，油缸13内安装双向活塞14。压力室上盖12与压力室筒体6之间通过上卡套11连接并固定。加压操作时，液压控制系统21通过底座上的进油孔20向高压釜内注入液压油，直至筒体上部出气口17处有油溢出。此后，把出气口阀门关闭并继续加压，直至达到试验所需围压。围压施加完毕后，利用液压控制系统21再经活塞上的进油口15向油缸13内注入液压油，液压油推动双向活塞14下行，并将油缸13内的气体经活塞上的出气口16排出，当发现出气口16有油溢出后，将出气口16的阀门关闭，继续向油缸13内注入液压油，轴向压力经双向活塞14传至上压板8，并最终施加于试样上。轴向压力和围压施加完毕后，即可通过点火控制系统23引爆试样中布置的炸药，进行爆炸动载压裂试验。

试验完毕后，需进行卸压操作，将压力室内的液压油放出，直到回油管内没有油为止。然后，打开压力室上盖，取出试样并观察、记录试验结果。

采用本发明所提出的爆炸动载压裂模拟试验装置，具有以下显著特点：

(1)试样大，是普通三轴实验机试样体积的上千倍；

(2)在向试样施加轴压与围压的同时，采用直接引爆试样内炸药的动载加载方式，使其无限接近于真实地层中的爆炸压裂过程；

(3)高压釜体由多个部件组成，可根据实际需要进行组装、拆卸，可移动性强。

Claims (3)

1.一种爆炸动载压裂模拟试验装置，主要由高压釜、液压控制系统、点火控制系统以及数据采集系统组成，其特征是：高压釜由底座、压力室筒体、压垫、压板、压力室上盖、卡套、卡环和双向活塞组成，底座是带有凹槽的圆柱体，其上装有下压垫，压力室筒体是两端壁上开有凹槽的圆管状体，压力室筒体和底座之间用下卡套和卡环进行连接并固定；下压垫的上方设计有上压垫和上压板，并用定位环和定位垫来固定，确保上压板与其上的双向活塞之间紧密接触，在下压垫和上压板之间放置试样，在压力室筒体的顶端安装压力室上盖，压力室上盖为中间空心外壁带凸台的圆柱体，压力室上盖与压力室筒体之间用上卡套及卡环固定，压力室上盖的中间空心处安装油缸及双向活塞，在压力室筒体壁上开有炸药引线孔和数据线孔，分别通过导线连接点火控制系统和数据采集系统，在底座和双向活塞上开有进油口并通过高压管线连接液压控制系统。

2.根据权利要求1所述的爆炸动载压裂模拟试验装置，其特征是在压力室筒体壁上部开有出气口。

3.根据权利要求1所述的爆炸动载压裂模拟试验装置，其特征是在双向活塞上还开有出气口。

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