CN105628501B - 真三轴水压致裂岩石力学试验系统 - Google Patents
真三轴水压致裂岩石力学试验系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用高压气源、气驱液增压泵、柱塞式伺服泵、数字闭环伺服控制器、蓄能器以及柔性大面积扁千斤顶组成柔性伺服加载部分实现在岩石试样三个方向独立加压来实现大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载；采用数字闭环伺服控制器、电液伺服阀、两台柱塞式伺服泵、蓄能器组成高压水流伺服供液部分来实现高压水流伺服供液；采用桶形整体反力框、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及V形固紧钢板组成系统反力框架部分为岩石试样高地应力模拟提供反力。
Description
技术领域
岩石力学试验技术与设备领域
背景技术
页岩气的开发需要对储层实施压裂改造，在低渗透致密岩层中实施水压裂形成三维裂缝网络，有效提高储层岩石渗透率而达到开发资源的目的。对于如何通过试验模拟作用于大尺度岩样的三维地应力较难实现，而如何通过试验重现大尺度岩石试样在高压水流作用下的破裂效果更是困难，主要在于下面几个方面的问题难以解决：大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载问题；高压水流的伺服供液问题；高地应力模拟的反力框架问题。
发明内容
本发明提供一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用高压气源、气驱液增压泵、柱塞式伺服泵、数字闭环伺服控制器、蓄能器以及柔性大面积扁千斤顶组成柔性伺服加载部分实现在岩石试样三个方向独立加压来实现大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载；采用数字闭环伺服控制器、电液伺服阀、两台柱塞式伺服泵、蓄能器组成高压水流伺服供液部分来实现高压水流伺服供液；采用桶形整体反力框、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及V形固紧钢板组成系统反力框架部分为岩石试样高地应力模拟提供反力。
真三轴水压致裂岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分共三大部分构成，所述岩石试样柔性伺服加载部分和所述高压水流伺服供液部分均与试验系统计算机控制端(35)连接；所述岩石试样柔性伺服加载部分和所述高压水流伺服供液部分分别与所述系统反力框架部分连接。
所述岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源1，气压传感器2，第一水箱3，第一水泵4，蓄能器5，气驱液增压泵6，第一柱塞式伺服泵7，单向阀门8，第一水压传感器9，第一进水阀门10，上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13，出水阀门14和三轴压力伺服数字控制器15组成；
所述高压水流伺服供液部分由第二水箱16，第二水泵17，第二柱塞式伺服泵18，第二水压传感器19，液压自动转换阀20，第二进水阀门21，注入钻孔22和伺服供液数字控制器23组成；
所述系统反力框架部分由上部盖板24，桶形整体反力框25，底部盖板26，桶内垫块27，紧固螺杆28，紧固螺母29，V形固紧钢板30，试样上部压板31，试样托底钢板32，注液管33和岩石试样34组成；试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和高压水流伺服供液部分这两部分的同步协调由试验系统计算机控制端35来完成。
所述高压气源(1)的输出端连接有第一管道，所述第一管道分别与三个所述气驱液增压泵(6)的驱动活塞端连接；
所述气压传感器(2)设置在所述第一管道上；
所述第一水箱(3)与所述第一水泵(4)的输入端通过管道连接；
所述第一水泵(4)的输出端连接有第二管道，所述第二管道分别与三个所述气驱液增压泵(6)的输入端连接；
所述蓄能器(5)设置在所述第二管道上；
三个所述气驱液增压泵(6)的输出端通过三根第三管道分别对应连接至所述上下扁千斤顶(11)、所述前后扁千斤顶(12)和所述左右扁千斤顶(13)；
三个所述第一进水阀门(10)分别对应设置在三根所述第三管道上；
所述第二管道还分别与三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的输入端连接；
三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的输出端分别通过管道与三个所述单向阀门(8)的输入端一一对应连接；
三个所述单向阀门(8)的输出端分别一一对应连接至三个所述第一进水阀门(10)与三个所述气驱液增压泵(6)之间的所述第三管道上；
位于所述单向阀门(8)与所述第一进水阀门(10)之间的三根所述第三管道上，分别对应设置有三个所述第一水压传感器(9)；
所述上下扁千斤顶(11)设置在所述岩石试样(34)上下面，所述前后扁千斤顶(12)设置在所述岩石试样(34)的前后面，所述左右扁千斤顶(13)设置在所述岩石试样(34)的左右两侧面；
三个所述出水阀门(14)分别连接至所述上下扁千斤顶(11)、所述前后扁千斤顶(12)、所述左右扁千斤顶(13)；
所述三轴压力伺服数字控制器(15)分别与所述气压传感器(2)、三个所述第一水压传感器(9)和三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的控制端连接，用于获取所述气压传感器(2)集到的气压和三个所述第一水压传感器(9)采集到的水压，并控制三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的打开与关闭；
所述第二水箱(16)与所述第二水泵(17)的输入端通过管道连接；
所述第二水泵(17)的输出端分别与两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的输入端通过管道连接；
两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的输出端分别通过第四管道和第五管道与所述液压自动转换阀(20)连接；
所述液压自动转换阀(20)还通过管道与所述第二进水阀门(21)的输入端连接，所述第二进水阀门(21)的输出端通过管道连接至所述注入钻孔(22)；
两个所述第二水压传感器(19)分别设置在所述第四管道上和所述液压自动转换阀(20)上；
所述伺服供液数字控制器(23)分别与两个所述第二水压传感器(19)和两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的控制端连接；
所述伺服供液数字控制器(23)还与所述试验系统计算机控制端(35)连接；
所述上部盖板(24)与所述底部盖板(26)平行设置；所述上部盖板(24)下表面设置有所述V形固紧钢板(30)；所述桶形反力框(25)，设置在所述底部盖板(26)的上面，并与所述底部盖板(26)垂直；所述上部盖板(24)与所述桶形反力框(25)之间留有缝隙；所述上部盖板(24)和所述底部盖板(26)通过两根所述紧固螺杆(28)固定，所述紧固螺杆(28)两端拧入所述紧固螺母(29)；所述桶形反力框(25)的内侧面设置有所述桶内垫块(27)；所述底部盖板(26)上表面设置有试样托底钢板(32)；所述上下扁千斤顶(11)置于所述试样托底钢板(32)上，所述岩石试样(34)位于所述上下扁千斤顶(11)中间，所述上下扁千斤顶(11)上面设置有所述试样上部压板(31)；所述注液管(33)通过所述缝隙插入至所述岩石试样(34)表面。
基本原理与技术：针对柔性伺服加载模拟真实地应力状态的需求，采用激光焊接大面积柔性钢板形成扁千斤顶对立方体岩石试样在三轴方向上的六个面进行加载，在每个方向上均采用气驱液增压技术配合伺服电机驱动柱塞泵技术对扁千斤顶进行高精度伺服加载，实现岩石在三轴方向的独立加载来模拟真实地应力状态；针对高压水伺服供液实现钻孔内加载并致裂岩石试样的需求，采用伺服电机驱动两台柱塞泵的技术实现高压水流作用于钻孔内壁并压裂岩石试样；针对大尺度岩石试样地应力状态的模拟需求，采用桶形整体浇铸外部反力框架，桶形框架内布置垫块将扁千斤顶产生的水平荷载传递给反力框架，通过紧固螺栓配合上部盖板和底部盖板来为扁千斤顶产生的竖向荷载提供反力。
真三轴水压致裂岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分构成。
岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源1，气压传感器2，第一水箱3，第一水泵4，蓄能器5，气驱液增压泵6，第一柱塞式伺服泵7，单向阀门8，第一水压传感器9，第一进水阀门10，上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13，出水阀门14和三轴压力伺服数字控制器15组成。高压气源1的供气压力可调节且必须满足气驱液增压泵6的进气端压力要求，蓄能器5能够配合第一水泵4为气驱液增压泵6提供恒定压力的稳定水流，气驱液增压泵6能使用高压气体驱动水流并实现高效增压，最终水压可满足上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13压力所需要的压力，第一柱塞式伺服泵7能配合气驱液增压泵6实现水压力的精准伺服，所有的扁千斤顶均采用激光焊接技术成形以避免千斤顶在高压情况下发生侧漏。
高压水流伺服供液部分由第二水箱16，第二水泵17，第二柱塞式伺服泵18，第二水压传感器19，液压自动转换阀20，第二进水阀门21，注入钻孔22和伺服供液数字控制器23组成。
水压致裂岩石的伺服供液可以通过两台第二柱塞式伺服泵18的活塞交替往复驱动实现高压水流的伺服供液，两台第二柱塞式伺服泵18进行交替往复驱动时通过液压自动转换阀20来控制水流及压力，保证输出稳定流速的高压水流，液压最终可以恒定在预定应力值上。
系统反力框架部分由上部盖板24，桶形反力框25，底部盖板26，桶内垫块27，紧固螺杆28，紧固螺母29，V形固紧钢板30，试样上部压板31，试样托底钢板32，注液管33和岩石试样34组成。桶形反力框25的整体刚度大于10GN/m，上部盖板24与底部盖板26为硬化处理钢，上部盖板24与底部盖板26的反力由紧固螺杆28和紧固螺母29来提供，通过V形固紧钢板30便于在岩石试样34的侧面实现预紧固，注液管33的直径可根据高压水的流速要求进行调整。
附图说明
图1是真三轴水压致裂岩石力学试验系统组成图；图2是真三轴水压致裂岩石力学试验系统反力框架部分A-A剖面图。
1：高压气源；2：气压传感器；3：水箱；4：水泵；5：高压蓄能器；6：气驱液增压泵；7：柱塞式伺服泵；8：单向阀门；9：水压传感器；10：进水阀门；11：上下扁千斤顶；12：前后扁千斤顶；13：左右扁千斤顶；14：出水阀门；15：三轴压力伺服数字控制器；16：水箱；17：水泵；18：柱塞式伺服泵；19：水压传感器；20：液压自动转换阀；21：进水阀门；22：注入钻孔；23：伺服供液数字控制器；24：上部盖板；25：桶形反力框；26：底部盖板；27：桶内垫块；28：紧固螺杆；29：紧固螺母；30：V形固紧钢板；31：试样上部压板；32：试样托底钢板；33：注液管；34：岩石试样；35：试验系统计算机控制端。
具体实施方式1.将岩石试样放置于试样托底钢板32和上下扁千斤顶11的下侧扁千斤顶之上并准确定位，采用钢丝绳连接试样托底钢板32，将岩石试样34吊装放入桶形反力框25中，将前后扁千斤顶12和左右扁千斤顶13布置在试样侧面，使用V形固紧钢板30紧固岩石试样，在岩石试样34顶部安装试样上部压板31和注液管33，在试样上部压板31的上部再布置上下扁千斤顶11的上侧扁千斤顶，最后安装上部盖板24并使用紧固螺杆28和紧固螺母29进行固紧。
2.通过试验系统计算机控制端35控制并启动三轴压力伺服数字控制器15，开启高压气源1和第一水泵4，打开第一进水阀门10和出水阀门14，高压气源1产生的高压气驱动气驱液增压泵6将第一水泵4泵入的水经增压后经过第一进水阀门10注入上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13，待出水阀门14有水溢出时关闭，关闭后扁千斤顶内部压力开始增高，当驱动部分和输出液体部分之间的压力达到平衡时，气驱液增压泵6停止工作，之后通过第一水压传感器9获取岩石试样34在三轴方向上的压力值并反馈给三轴压力伺服数字控制器15，三轴压力伺服数字控制器15对当前三轴压力值与目标值进行比较后启动第一柱塞式伺服泵7并经过单向阀门8对上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13的压力进行实时精准伺服，最终实现对岩石试样34的预定三轴应力状态。
3.岩石试样39的三轴应力状态达到预定应力值后，试验系统计算机控制端35控制并启动伺服供液数字控制器23，通过两台第二柱塞式伺服泵18的交替往复来驱动高压水流，高压水流经过液压自动转换阀20后成为稳定流速的高压水流，高压水流经过第二进水阀门21进入注入钻孔22对岩石试样34实施压裂，最终岩石试样34在预定三轴应力状态下被高压水流致裂。
Claims (1)
1.一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分共三大部分构成，所述岩石试样柔性伺服加载部分和所述高压水流伺服供液部分均与试验系统计算机控制端(35)连接；所述岩石试样柔性伺服加载部分和所述高压水流伺服供液部分分别与所述系统反力框架部分连接；
所述岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源(1)，气压传感器(2)，第一水箱(3)，第一水泵(4)，蓄能器(5)，气驱液增压泵(6)，第一柱塞式伺服泵(7)，单向阀门(8)，第一水压传感器(9)，第一进水阀门(10)，上下扁千斤顶(11)，前后扁千斤顶(12)，左右扁千斤顶(13)，出水阀门(14)和三轴压力伺服数字控制器(15)组成，高压气源(1)的供气压力可调节且满足气驱液增压泵(6)的进气端压力要求，蓄能器(5)能够配合第一水泵(4)为气驱液增压泵(6)提供恒定压力的稳定水流，气驱液增压泵(6)能使用高压气体驱动水流并实现高效增压，最终水压能满足上下扁千斤顶(11)，前后扁千斤顶(12)，左右扁千斤顶(13)所需要的压力，第一柱塞式伺服泵(7)能配合气驱液增压泵(6)实现水压力的精准伺服，所有的扁千斤顶均采用激光焊接技术成形以避免千斤顶在压力的情况下发生侧漏；所述高压水流伺服供液部分由第二水箱(16)，第二水泵(17)，第二柱塞式伺服泵(18)，第二水压传感器(19)，液压自动转换阀(20)，第二进水阀门(21)，注入钻孔(22)和伺服供液数字控制器(23)组成，针对高压水伺服供液实现钻孔内加载并致裂岩石试样的需求，采用伺服电机驱动两台第二柱塞式伺服泵(18)的技术实现高压水流作用于钻孔内壁并压裂岩石试样；水压致裂岩石的伺服供液能通过两台第二柱塞式伺服泵(18)的活塞交替往复驱动实现高压水流的伺服供液，两台第二柱塞式伺服泵(18)进行交替往复驱动时通过液压自动转换阀(20)来控制水流及压力，保证输出稳定流速的高压水流，液压最终能恒定在预定应力值上；所述系统反力框架部分由上部盖板(24)，桶形反力框(25)，底部盖板(26)，桶内垫块(27)，紧固螺杆(28)，紧固螺母(29)，V形固紧钢板(30)，试样上部压板(31)，试样托底钢板(32)，注液管(33)和岩石试样(34)组成，桶形反力框(25)的整体刚度大于10GN/m，上部盖板(24)与底部盖板(26)为硬化处理钢，上部盖板(24)与底部盖板(26)的反力由紧固螺杆(28)和紧固螺母(29)来提供，通过V形固紧钢板(30)便于在岩石试样(34)的侧面实现预紧固，注液管(33)的直径能根据高压水的流速要求进行调整，试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和高压水流伺服供液部分这两部分的同步协调由试验系统计算机控制端(35)来完成；
所述高压气源(1)的输出端连接有第一管道，所述第一管道分别与三个所述气驱液增压泵(6)的驱动活塞端连接；
所述气压传感器(2)设置在所述第一管道上；
所述第一水箱(3)与所述第一水泵(4)的输入端通过管道连接；
所述第一水泵(4)的输出端连接有第二管道，所述第二管道分别与三个所述气驱液增压泵(6)的输入端连接；
所述蓄能器(5)设置在所述第二管道上；
三个所述气驱液增压泵(6)的输出端通过三根第三管道分别对应连接至所述上下扁千斤顶(11)、所述前后扁千斤顶(12)和所述左右扁千斤顶(13)；
三个所述第一进水阀门(10)分别对应设置在三根所述第三管道上；
所述第二管道还分别与三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的输入端连接；
三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的输出端分别通过管道与三个所述单向阀门(8)的输入端一一对应连接；
三个所述单向阀门(8)的输出端分别一一对应连接至三个所述第一进水阀门(10)与三个所述气驱液增压泵(6)之间的所述第三管道上；
位于所述单向阀门(8)与所述第一进水阀门(10)之间的三根所述第三管道上，分别对应设置有三个所述第一水压传感器(9)；
所述上下扁千斤顶(11)设置在所述岩石试样(34)上下面，所述前后扁千斤顶(12)设置在所述岩石试样(34)的前后面，所述左右扁千斤顶(13)设置在所述岩石试样(34)的左右两侧面；
三个所述出水阀门(14)分别连接至所述上下扁千斤顶(11)、所述前后扁千斤顶(12)、所述左右扁千斤顶(13)；
所述三轴压力伺服数字控制器(15)分别与所述气压传感器(2)、三个所述第一水压传感器(9)和三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的控制端连接，用于获取所述气压传感器(2)集到的气压和三个所述第一水压传感器(9)采集到的水压，并控制三个所述第一柱塞式伺服泵(7)的打开与关闭；
所述第二水箱(16)与所述第二水泵(17)的输入端通过管道连接；
所述第二水泵(17)的输出端分别与两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的输入端通过管道连接；
两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的输出端分别通过第四管道和第五管道与所述液压自动转换阀(20)连接；
所述液压自动转换阀(20)还通过管道与所述第二进水阀门(21)的输入端连接，所述第二进水阀门(21)的输出端通过管道连接至所述注入钻孔(22)；
两个所述第二水压传感器(19)分别设置在所述第四管道上和所述液压自动转换阀(20)上；
所述伺服供液数字控制器(23)分别与两个所述第二水压传感器(19)和两个所述第二柱塞式伺服泵(18)的控制端连接；
所述伺服供液数字控制器(23)还与所述试验系统计算机控制端(35)连接；
所述上部盖板(24)与所述底部盖板(26)平行设置；所述上部盖板(24)下表面设置有所述V形固紧钢板(30)；所述桶形反力框(25)，设置在所述底部盖板(26)的上面，并与所述底部盖板(26)垂直；所述上部盖板(24)与所述桶形反力框(25)之间留有缝隙；所述上部盖板(24)和所述底部盖板(26)通过两根所述紧固螺杆(28)固定，所述紧固螺杆(28)两端拧入所述紧固螺母(29)；所述桶形反力框(25)的内侧面设置有所述桶内垫块(27)；所述底部盖板(26)上表面设置有试样托底钢板(32)；所述上下扁千斤顶(11)置于所述试样托底钢板(32)上，所述岩石试样(34)位于所述上下扁千斤顶(11)中间，所述上下扁千斤顶(11)上面设置有所述试样上部压板(31)；所述注液管(33)通过所述缝隙插入至所述岩石试样(34)表面。
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2014
- 2014-10-09 CN CN201410528058.3A patent/CN105628501B/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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