CN105628526B - 动态加载水压致裂岩石力学试验系统 - Google Patents
动态加载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动态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、全数字闭环伺服控制器、增压器、高压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；采用高频响全数字闭环伺服控制器、动态电液伺服阀、增压器、油水分离器、大流量增压泵、高压蓄能器组成高频响伺服供液部分来实现高压水流的高频响伺服供液；采用桶形整体外部框架、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及楔形锁紧钢板组成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力压裂形成复杂三维裂缝网络，有效提高储层岩石渗透率而达到开发资源的目的，如果将高压水流通过高频响伺服供液系统形成动态荷载作用，就可以有效提高储层岩石的破碎程度，从而提升储层岩石的渗透率。如何通过试验重现储层岩石在高压水流形成的动态载荷作用下的破裂效果非常困难，另外对于如何通过试验模拟作用于大尺度岩样的三维地应力也较难实现，所以试验系统需要解决以下几个方面的难题：大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载问题；高压水流的高频响伺服供液问题；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动态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、全数字闭环伺服控制器、增压器、高压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；采用高频响全数字闭环伺服控制器、动态电液伺服阀、增压器、油水分离器、大流量增压泵、高压蓄能器组成高频响伺服供液部分来实现高压水流的高频响伺服供液；采用桶形整体外部框架、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及楔形锁紧钢板组成反力框架部分为岩石试样高地应力模拟提供反力。
动态加载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，动态加载高频响伺服供液部分，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由高压气源1，气压传感器2，水箱3，水泵4，蓄能器5，气驱液增压泵6，柱塞式伺服泵7，单向阀门8，水压传感器9，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和三轴压力伺服控制系统15组成；所述动态加载高频响伺服供液部分由大容量油源16，水箱17，大功率油泵18，水泵19，高压蓄能器20，动态电液伺服阀21，增压器22，单向阀23，油压传感器24，油水分离器25，进水阀门26，注入钻孔27和伺服供液控制系统28组成；所述系统反力框架部分由上部盖板29，桶形反力框30，底部盖板31，桶内垫块32，紧固螺杆33，紧固螺母34，V形固紧钢板35，试样上部压板36，试样托底钢板37，注液管38和岩石试样39组成；试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和动态加载高频响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40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第一单向阀门(8)的输入端一一对应连接；
三个所述第一单向阀门(8)的输出端分别一一对应连接至三个所述进水阀门(10)与三个所述气驱液增压泵(6)之间的所述第三管道上；
位于所述第一单向阀门(8)与所述进水阀门(10)之间的三根所述第三管道上，分别对应设置有三个所述水压传感器(9)；
所述上下扁千斤顶(11)设置在所述岩石试样(39)上下面，所述前后扁千斤顶(12)设置在所述岩石试样(39)的前后面，所述左右扁千斤顶(13)设置在所述岩石试样(39)的左右两侧面；
六个所述出水阀门(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)；
所述三轴压力伺服控制系统(15)分别与所述气压传感器(2)、三个所述水压传感器(9)和三个所述柱塞式伺服泵(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水压传感器(9)采集到的水压，并控制三个所述柱塞式伺服泵(7)的打开与关闭；
所述第二水箱(17)与所述第二水泵(19)的输入端通过管道连接；
所述第二水泵(19)的输出端与油水分离器(25)的输入端通过管道连接；
所述油水分离器(25)的第一输出端与进水阀门(26)通过管道连接；所述油水分离器(25)的第二输出端与所述增压器(22)的第一端口通过管道连接；
所述第二单向阀门(23)安装在所述油水分离器(25)和所述增压器(22)之间的管道上；
所述大容量油源(16)与所述大功率油泵(18)的输入端通过管道连接；
所述大功率油泵(18)的输出端与所述动态电液伺服阀(21)的P端口连接；
所述高压蓄能器(20)安装在所述大功率油泵(18)与所述动态电液伺服阀之间的管道上；
所述伺服供液控制系统(28)的第一输出端与所述油压传感器(24)的输入端连接；
所述油压传感器(24)的输出端连接在所述油水分离器(25)和所述第二单向阀门(23)之间的管道上；
所述伺服供液控制系统(28)的第二输出端与所述动态电液伺服阀(21)的Y端口连接；
所述动态电液伺服阀(21)的A端口与所述增压器(22)的第二端口连接；
所述动态电液伺服阀(21)的B端口与所述增压器(22)的第三端口连接；
所述三轴压力伺服控制系统(15)与所述计算机控制端(40)连接；所述计算机控制端(40)还与所述伺服供液控制系统(28)连接；
所述上部盖板(29)与所述底部盖板(31)平行设置；所述上部盖板(29)下表面设置有所述V形固紧钢板(35)；所述桶形反力框(30)，设置在所述底部盖板(31)的上面，并与所述底部盖板(31)垂直；所述上部盖板(29)与所述桶形反力框(30)之间留有缝隙；所述上部盖板(29)和所述底部盖板(31)通过两根所述紧固螺杆(33)固定，所述紧固螺杆(33)两端拧入所述紧固螺母(34)；所述桶形反力框(30)的内侧面设置有所述桶内垫块(32)；所述底部盖板(31)上表面设置有试样托底钢板(37)；所述上下扁千斤顶(11)置于所述试样托底钢板(37)上，所述岩石试样(39)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(36)；所述注液管(38)通过所述缝隙插入至所述岩石试样(39)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；针对高压水流伺服供液实现高频响动态加载作用的需求，采用高频响全数字闭环伺服控制器与动态电液伺服阀完成油压伺服控制，采用油水分离器驱动水流，最终实现高压水流以动态载荷作用于钻孔内部并压裂岩石试样；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。
动态加载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，动态加载高频响伺服供液部分，系统反力框架部分构成。
石试样柔性伺服加载部分由高压气源1，气压传感器2，水箱3，水泵4，蓄能器5，气驱液增压泵6，柱塞式伺服泵7，单向阀门8，水压传感器9，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和三轴压力伺服控制系统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能够配合水泵4为气驱液增压泵6提供一定压力的稳定水流，气驱液增压泵6可以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，柱塞式伺服泵7可以配合气驱液增压泵6可以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。
动态加载高频响伺服供液部分由大容量油源16，水箱17，大功率油泵18，水泵19，高压蓄能器20，动态电液伺服阀21，增压器22，单向阀23，油压传感器24，油水分离器25，进水阀门26，注入钻孔27和伺服供液控制系统28组成。动态加载水压致裂岩石的动态荷载可以通过动态电液伺服阀21控制液压油的压力和流量，通过增压器22增压后驱动油水分离器25来实现大流量高压水的伺服供液，高压蓄能器20可以保证大功率油泵18进行动态加载时液压的稳定性，大功率油泵18需满足动态加载的压力要求。
系统反力框架部分由上部盖板36，桶形反力框30，底部盖板31，桶内垫块32，紧固螺杆33，紧固螺母34，V形固紧钢板35，试样上部压板36，试样托底钢板37，注液管38和岩石试样39组成。桶形反力框30的整体刚度大于10GN/m，上部盖板36与底部盖板31为硬化处理钢，上部盖板36与底部盖板31的反力由紧固螺杆33和紧固螺母34来提供，通过V形固紧钢板35便于在岩石试样39的侧面实现预紧固，注液管38的直径可根据高压水的流速要求进行调整。
附图说明
图1是动态加载水压致裂岩石力学试验系统促成图；图2是动态加载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；15：三轴压力伺服控制系统；16：大容量油源；17：水箱；18：大功率油泵；19：水泵；20：高压蓄能器；21：动态电液伺服阀；22：增压器；23：单向阀，24：油压传感器，25：油水分离器，26：进水阀门，27：注入钻孔；28：伺服供液控制系统；29：上部盖板；30：桶形反力框；31：底部盖板；32：桶内垫块；33：紧固螺杆；34：紧固螺母；35：V形固紧钢板；36：试样上部压板；37：试样托底钢板；38：注液管；39：岩石试样；40：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37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37，将岩石试样39吊装放入桶形反力框30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35紧固岩石试样，在岩石试样39顶部安装试样上部压板36和注液管38，在上部压板36上部布置上下扁千斤顶11的上侧扁千斤顶，最后安装上部盖板29并使用紧固螺杆33和紧固螺母34进行固紧。
2.试验系统计算机控制端40控制并启动三轴压力伺服控制系统15，开启高压气源1和水泵4，打开进水阀门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将水泵4泵入的水经增压后经过进水阀门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，之后通过水压传感器9获取岩石试样39在三轴方向上的压力值并反馈给三轴压力伺服控制系统15，三轴压力伺服控制系统15对当前三轴压力值与目标值进行比较后启动柱塞式伺服泵7并经过单向阀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。
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40控制并启动伺服供液控制系统28，启动大功率油泵18以驱动大容量油源11内的液压油，伺服供液控制系统28通过控制动态电液伺服阀21将液压油伺服调控后进入增压器22进行增压，增压后的液压油驱动油水分离器25将高压水流通过进水阀门26进入注入钻孔27对岩石试样39实施压裂。
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动载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，动态加载高频响伺服供液部分，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)，柱塞式伺服泵(7)，第一单向阀门(8)，水压传感器(9)，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)和三轴压力伺服控制系统(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)能够配合水泵(4)为气驱液增压泵(6)提供一定压力的稳定水流，气驱液增压泵(6)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)所需要的压力，柱塞式伺服泵(7)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；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；所述动态加载高频响伺服供液部分由大容量油源(16)，第二水箱(17)，大功率油泵(18)，第二水泵(19)，高压蓄能器(20)，动态电液伺服阀(21)，增压器(22)，第二单向阀门(23)，油压传感器(24)，油水分离器(25)，进水阀门(26)，注入钻孔(27)和伺服供液控制系统(28)组成，动态加载水压致裂岩石的动态荷载通过动态电液伺服阀(21)控制液压油的压力和流量，通过增压器(22)增压后驱动油水分离器(25)来实现大流量高压水的伺服供液，高压蓄能器(20)保证大功率油泵(18)进行动态加载时液压的稳定性，大功率油泵(18)需满足动态加载的压力要求；所述系统反力框架部分由上部盖板(29)，桶形反力框(30)，底部盖板(31)，桶内垫块(32)，紧固螺杆(33)，紧固螺母(34)，V形固紧钢板(35)，试样上部压板(36)，试样托底钢板(37)，注液管(38)和岩石试样(39)组成，试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和动态加载高频响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(40)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柱塞式伺服泵(7)的输入端连接；
三个所述柱塞式伺服泵(7)的输出端分别通过管道与三个所述第一单向阀门(8)的输入端一一对应连接；
三个所述第一单向阀门(8)的输出端分别一一对应连接至三个所述进水阀门(10)与三个所述气驱液增压泵(6)之间的所述第三管道上；
位于所述第一单向阀门(8)与所述进水阀门(10)之间的三根所述第三管道上，分别对应设置有三个所述水压传感器(9)；
所述上下扁千斤顶(11)设置在所述岩石试样(39)上下面，所述前后扁千斤顶(12)设置在所述岩石试样(39)的前后面，所述左右扁千斤顶(13)设置在所述岩石试样(39)的左右两侧面；
六个所述出水阀门(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)；
所述三轴压力伺服控制系统(15)分别与所述气压传感器(2)、三个所述水压传感器(9)和三个所述柱塞式伺服泵(7)的控制端连接，用于获取所述气压传感器(2)采集到的气压和三个所述水压传感器(9)采集到的水压，并控制三个所述柱塞式伺服泵(7)的打开与关闭；
所述第二水箱(17)与所述第二水泵(19)的输入端通过管道连接；
所述第二水泵(19)的输出端与油水分离器(25)的输入端通过管道连接；
所述油水分离器(25)的第一输出端与进水阀门(26)通过管道连接；所述油水分离器(25)的第二输出端与所述增压器(22)的第一端口通过管道连接；
所述第二单向阀门(23)安装在所述油水分离器(25)和所述增压器(22)之间的管道上；
所述大容量油源(16)与所述大功率油泵(18)的输入端通过管道连接；
所述大功率油泵(18)的输出端与所述动态电液伺服阀(21)的P端口连接；
所述高压蓄能器(20)安装在所述大功率油泵(18)与所述动态电液伺服阀之间的管道上；
所述伺服供液控制系统(28)的第一输出端与所述油压传感器(24)的输入端连接；
所述油压传感器(24)的输出端连接在所述油水分离器(25)和所述第二单向阀门(23)之间的管道上；
所述伺服供液控制系统(28)的第二输出端与所述动态电液伺服阀(21)的Y端口连接；
所述动态电液伺服阀(21)的A端口与所述增压器(22)的第二端口连接；
所述动态电液伺服阀(21)的B端口与所述增压器(22)的第三端口连接；
所述三轴压力伺服控制系统(15)与所述计算机控制端(40)连接；所述计算机控制端(40)还与所述伺服供液控制系统(28)连接；
所述上部盖板(29)与所述底部盖板(31)平行设置；所述上部盖板(29)下表面设置有所述V形固紧钢板(35)；所述桶形反力框(30)，设置在所述底部盖板(31)的上面，并与所述底部盖板(31)垂直；所述上部盖板(29)与所述桶形反力框(30)之间留有缝隙；所述上部盖板(29)和所述底部盖板(31)通过两根所述紧固螺杆(33)固定，所述紧固螺杆(33)两端拧入所述紧固螺母(34)；所述桶形反力框(30)的内侧面设置有所述桶内垫块(32)；所述底部盖板(31)上表面设置有试样托底钢板(37)；所述上下扁千斤顶(11)置于所述试样托底钢板(37)上，所述岩石试样(39)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(36)；所述注液管(38)通过所述缝隙插入至所述岩石试样(39)表面。
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