CN106525686B - 一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法。定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方。本发明所述定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，操作简单、容易安装且模拟效果好；可模拟井筒内高能气体压裂的动态过程的一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法，属于石油开发实验装置的技术领域。
背景技术
随着我国经济的不断发展，以及石油工业的不断壮大，我国陆上的石油开发已进入深层和低渗透，乃至超低渗透等难以开采的原油开发时期。近期已探明的油气田，大多数储层类型丰富多样、埋藏深度大、开发技术要求高、开发成本较大。对于此类油气藏，高能气体压裂技术具有其他压裂技术无法比拟的优点：可在瞬间压开多条裂缝、污染小、不受地层水敏酸敏性质的影响、操作过程简单、成本较低。因此，在今后的油气田开发中，高能气体压裂技术将具有较广泛的应用前景。
高能气体压裂技术(简称为HEGF)又称为爆燃压裂技术，它是以爆炸压裂的技术作为基础又与爆炸压裂技术有所区别的一项新技术，经过逐步的发展，该技术在上世纪90年代开始流行起来并逐渐应用于现场。它的基本原理是把火药或者推进剂通过设备安放在井底点燃使其爆燃，火药或推进剂燃爆过程中会产生大量的高温高压气体，这些气体将沿着射孔进入油气层，在压开了多条径向裂缝的同时沟通了天然存在的裂缝。在高能气体压裂过程中，会产生酸化作用、热化学作用等多种作用，这些作用可以清除近井带由于钻井、射孔等所造成堵塞和污染带，从而提高近井带的渗透率并且达到使油气田增产的目的。
虽然高能气体压裂以及复合压裂技术在一定范围内有应用，但由于储层的情况复杂和必要的测试手段的欠缺等方方面面存在的限制，虽然高能气体压裂技术在现场工艺方面发展很快，但是，在相关机理研究方面，尤其在既能有效的在油气层压开多条裂缝又不会对套管产生破坏的合理装药量的定量计算以及相关工艺参数设计上还比较欠缺，已成为制约该技术大面积现场推广的关键因素。
目前，研究岩石在受到强动载冲击作用下的破裂压力，目前主要应用的方法为霍普金森压杆(SHPB)实验和通过岩石动态损伤装置进行实验，但是前者不能直接模拟圆形孔眼内部的加载破坏，后者实验的加载速率及其冲击能量受到支架高度和重力加速度的限制，并且在实验的过程中由于重物与柱塞的反复运动造成了多次加载冲击，增加了实验误差，由此可见，对于强动载冲击破岩模拟实验装置还需进一步的改进和提高。
由此，本发明将提供一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法，可实现10～110kg(间隔为10kg)的重物做距离为0～2.0m的下落运动。通过选择劲度系数不同的弹簧进行组合，同时调节重物的高度及其质量，实现加载速率及冲击能量的定量化。在实验过程中，重物下落撞击内活动柱塞向中心孔眼内的流体加压，外活动柱塞在轴向方向向实验岩样施加压力，通过安装在不同位置的3个压力传感器测试实验岩样中心孔眼内流体压力和岩芯围压的变化规律，以及计算岩芯渗透率变化时所需的径向流体压差，从而探究强动载冲击过程压力和岩石在定制脉冲冲击作用前后的物性变化规律。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置。
本发明还提供一种利用上述装置进行定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法。
发明概述：
一种室内模拟高能气体压裂过程的实验系统及其应用方法，具体涉及到定量设计不同的加载速率和冲击能量，对不同尺寸的模拟岩芯进行冲击破岩室内模拟实验，近似模拟地层中的高能气体压裂的动态加载过程，并依此分析岩石在动载冲击作用下的应变量，研究岩石性质、加载参数、应力水平等对岩石冲击的应变量、破裂压力、裂缝条数的影响规律，从而对高能气体压裂的动态加载过程的研究提供支撑。
术语说明：
柱塞压力倍增容器：采用上下两个直径不同的柱塞，基于压强＝压力/面积的原理，将大直径柱塞外的液压，扩大为小柱塞外的高压。(例如，当大柱塞面积为小柱塞面积两倍时，压力也能相应增加一倍。)
中间过渡容器：采用一个大直径长圆筒，中间为密封的活动柱塞，利用该柱塞的移动，可以传递压力的同时，分割柱塞上下的液体。
本发明的技术方案：
一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方；
冲击岩样夹持模块包括，自上而下依次连接的柱塞盖、中间夹持体和底座；
柱塞盖和中间夹持体均为圆筒形结构；柱塞盖包括柱塞盖顶部开口和柱塞盖底部开口；柱塞盖的侧壁上设置有外活动柱塞加压孔；柱塞盖底部开口与中间夹持体构成环形凸缘滑动腔；
中间夹持体包括自上而下依次设置的中间夹持体顶部开口、岩芯塞空腔和中间夹持体底部开口；
柱塞盖顶部开口和中间夹持体顶部开口内滑动设置有柱塞；所述柱塞包括套接的内活动柱塞和外活动柱塞，内活动柱塞滑动设置在外活动柱塞内；外活动柱塞的外侧壁上水平设置有环形凸缘，环形凸缘环绕外活动柱塞的外侧壁一周；环形凸缘滑动设置在环形凸缘滑动腔内；内活动柱塞和外活动柱塞密封连接；通过外活动柱塞加压孔向环形凸缘滑动腔内输入设计液压，从而通过外活动柱塞的传递，给岩芯施加一定的轴向的静态压力，用于模拟岩石上覆压力。
岩芯塞空腔内设置有上岩芯塞和下岩芯塞，上岩芯塞和下岩芯塞均为圆筒形结构；上岩芯塞包括上岩芯塞上开口和上岩芯塞下开口，上岩芯塞上开口的内径大于上岩芯塞下开口的内径；上岩芯塞上开口的内径与内活动柱塞的外径相应；内活动柱塞与上岩芯塞上开口的内壁滑动连接；上岩芯塞和下岩芯塞围成岩芯腔；岩芯腔的四周设置有热收缩套管；热收缩套管与上岩芯塞和下岩芯塞套接；热收缩套管起到隔绝的作用，防止用于给岩芯施加围压的水等液体与岩芯接触后对岩芯的物性产生影响，进而影响实验结果。
岩芯塞空腔通过管道连接有第一压力传感器；下岩芯塞的底部开口通过管道连接有第二压力传感器；下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙通过管道连接有第三压力传感器；第一压力传感器通过管路连接有第一加压系统；第二压力传感器和第三压力传感器通过互通连接有第二加压系统；第一加压系统包括分别与第一压力表连接的第一加压手摇泵和第一充液泵；第二加压系统包括第二加压手摇泵、第二充液泵、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器；第二加压手摇泵和第二充液泵分别与第二压力表连接；压力表依次通过柱塞压力倍增通道和中间过渡容器与互通连接；柱塞压力倍增通道包括依次连接的第一柱塞阀门、柱塞压力倍增容器和第二柱塞阀门；第一柱塞阀门与第二压力表连接，第二柱塞阀门与中间过渡容器连接。压力传感器用于测试实验过程冲击压力和岩石在受到定制脉冲冲击作用前后的渗透率变化规律。
定制脉冲发生装置包括，下落架和支架；所述支架包括上横梁、中间竖梁和底座横梁；下落架滑动设置在中间竖梁上；下落架与上横梁通过压缩弹簧连接，下落架与下横梁通过拉伸弹簧连接；下落架上设置有电磁离合器、重物和撞击头；电磁离合器、重物和撞击头自上而下依次设置。将下落架置于实验设计高度时，下部弹簧被拉伸，弹力向下，上部弹簧被压缩，弹力向下，共同产生方向向下的弹性势能。
定制脉冲发生装置可以根据所设计的实验加载速率和冲击能量选择不同劲度系数的压缩弹簧和拉伸弹簧进行组合，同时，通过重物质量及下落高度的配合，实现大范围的加载速率和冲击能量的定量可控，从而实现定制脉冲的设计目的。
电磁离合器用于控制下落架的释放，使撞击头向下运动撞击内活动柱塞；从而使柱塞压缩中心孔眼内的流体，制作撞击头的材料的强度足够大，能够满足多次撞击不变形。
优选的，中间过渡容器还连接有氮气瓶。氮气瓶有两个作用：1)当柱塞压力倍增容器内的柱塞运行到最下端的时候，反向推动柱塞压力倍增容器内的柱塞，使其恢复原来位置；2)当实验完成后，将岩芯取出，关闭其他所有阀门，打开第八阀门、中间过渡容器、第五阀门，然后缓慢打开第六阀门，利用高压氮气反向冲出实验后岩芯夹持模块底部管线中的岩石碎屑。
充液泵用于给岩芯加载内压、给热收缩套管外侧加载围压。通过柱塞压力倍增容器倍增交换压力，并将充液泵内液体与实验中心孔眼内的液体分隔，防止污染岩芯。中间过渡容器为多通阀门，用于交换连接上流的动力液、高压氮气、上流压力(即岩芯中心孔眼压力)和围压；
优选的，所述互通还连接有抽真空系统；所述抽真空系统包括回压阀、抽真空泵和流体计量承接板，互通通过回压阀与流体计量承接板连接，抽真空泵通过第九阀门与互通连接。岩芯安装完成后，关闭所有阀门，依次打开第八阀门、第九阀门，并打开抽真空泵，将中心孔眼抽真空；利用抽真空泵，对实验设备及岩芯进行抽真空处理，以促进设备进液与充分饱和。
上岩芯塞和下岩芯塞之间设置实验岩芯。内活动柱塞可以向中心孔眼施加内压，外活动柱塞在岩样的轴向方向施加压力；岩芯腔加压孔用以向岩芯外围施加围压，模拟地层的压力条件；
进一步优选的，第二压力传感器和第三压力传感器分别通过第八阀门和第七阀门与互通连接。
优选的，上岩芯塞与中间夹持体之间设置有金属环。由于岩芯切割过程的误差、岩芯的收缩性等，上岩芯塞与中间夹持体的顶部存在接触误差，通过设置多个不同厚度的金属环，平衡上述接触误差，使上岩芯塞与中间夹持体的顶部压紧。
优选的，柱塞盖与中间夹持体之间；中间夹持体与夹持器底座之间均通过吊紧螺钉连接。
优选的，内活动柱塞与上岩芯塞通过密封橡胶圈密封连接。
优选的，所述中间竖梁上设置有单向止回装置。所述单向止回装置可以使撞击头在冲击柱塞后停止运动，避免了多次弹性加载。
进一步优选的，所述单向止回装置包括，刺齿轨道和滑杆，刺齿轨道上设置有刺齿；所述滑杆上设置有与刺齿轨道配合的弹片；弹片的自由端嵌入设置在所述刺齿内；滑杆固定设置在下落架上，刺齿轨道固定设置在中间竖梁上。下落过程中所述弹片向上弹起，滑杆与下落架下落，撞击头撞击内活动柱塞后无法再向上运动，防止撞击头多次撞击。
优选的，所述中间竖梁上设置有下落架导轨；所述下落架滑动设置在下落架导轨内。下落架导轨保证了下落重物的运行轨迹竖直向下。
优选的，所述中间竖梁上设置有刻度线。所述刻度线用于参照重物下落高度的调节。
优选的，所述重物包括多个重物块；中间竖梁的高度为2.5m，重物块的质量为10kg，共15块；下落架的质量为10kg。
进一步优选的，所述重物包括15个重物块。
优选的，第一压力传感器通过电线连接第一压力信号转换读取板、第二压力传感器通过电线连接第二压力信号转换读取板、第三压力传感器通过电线连接第三压力信号转换读取板；第一压力信号转换读取板、第二压力信号转换读取板和第三压力信号转换读取板分别与程控计算机连接；电磁离合器通过电磁吸合释放控制板与程控计算机连接。
程控计算机中安装有实时监控软件，可以监测撞击过程中岩样内压以及围压的变化过程，还可实现对电磁离合器的控制，实现对于重物吸合、释放的控制；压力信号转换读取板用于将压力传感器受到的压力转换为电信号传递到程控计算机中；
可通过加压手摇泵、充液泵、柱塞压力倍增容器、中间过渡容器相互组合，实现0.1MPa～160MPa可控的液体施压环境，液体为纯净水或不同含盐量的盐水。
优选的，第二压力表与中间过渡容器之间设置有两条并联的柱塞压力倍增通道。两个柱塞压力倍增容器内为两种不同的液体，可方便对中孔内注入不同类型液体。
一种利用上述装置进行定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，包括步骤如下：
1)根据设计的实验加载速率和冲击能量选择不同数量和规格的弹簧；
2)制作岩样模型，钻取岩芯；所述岩芯为设置有中心孔的圆柱形结构，中心孔与上岩芯塞的开口、下岩芯塞的开口贯通，构成中心孔眼。
3)将钻取的岩芯安装在岩芯腔中，利用抽真空泵将实验设备抽真空，抽真空的具体过程如下：岩芯安装完成后，关闭所有阀门，依次打开第八阀门和第九阀门，并打开抽真空泵，将中心孔眼抽真空；然后进行岩芯的饱和处理；
4)通过外活动柱塞加压孔输入加压液，外活动柱塞在岩芯的轴向施加轴向应力；
5)通过第一加压系统向岩芯塞空腔内加入加压液；给岩芯施加围压，并保持围压不变；
6)通过第二加压系统向中心孔眼内加入加压液；给岩芯施加内压，并保持内压不变；
7)在下落架上添加重物块，并设置下落架距离内活动柱塞的距离；
8)通过程控计算机读取实验前的岩芯压差和流量，做定制脉冲作用前岩芯径向渗流能力的测试；具体过程为，当压力波动稳定后，记录上流压力与下流压力差，及连接下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙与第三压力传感器的管线内的流量，计算渗透率；A3管线内的流量是通过记录时间和承接器内液体量变化计算得到。
9)程控计算机控制电磁离合器打开，下落架下落，撞击头正向撞击岩芯夹持器内活动柱塞；
10)通过程控计算机读取实验后的岩芯压差和流量，做定制脉冲作用后岩芯径向渗流能力的测试；
优选的，将冲击岩样夹持装置卸压，取出实验岩芯，观察并记录岩芯开裂状况。整理实验装置。分析实验数据，书写实验报告。
优选的，打开程控计算机之前还包括，通过软件对实验仪表进行零点检测的步骤。
优选的，所述步骤2)中制作岩样模型的具体方法为，将水泥、河砂或石英砂以及水按照比例混合后进行实验岩样浇铸，待岩样晾干后，利用岩芯钻取机钻取岩芯，最后将钻取的岩芯钻孔并进行切磨处理。
岩芯腔为圆筒状，可以放置外径40～100mm、长20～60mm、中心孔眼直径为4～10mm的实验岩芯，同时与加压手摇泵相连，以向岩芯中心孔眼施加内压以及岩芯外围施加围压，从而地层的压力条件；
优选的，所述步骤3)中饱和处理的具体过程为，保持中孔压力与下流压力不变，保持向岩芯中孔内注液的流量不变，观察中孔压力与下流压力变化，在2小时内，当两个压力差波动小于0.5MPa/2h时，即为饱和完成；其中，中孔压力是岩芯中孔内的压力，下流压力是岩芯外侧液体压力，即第三压力传感器测试的压力。
优选的，所述步骤8)中计算渗透率的具体方法为，采用圆形模型中心一孔眼的径向达西渗流模型，反推计算渗透率；q-井产量，K-渗透率，μ-液体黏度，B-液体体积系数，r2-岩石外径，r1-岩石内径，h-岩石厚度，P1-中孔压力，P2-回压阀内的压力。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，可通过调整重物质量、重物高度、弹簧弹性系数等，来定量化设计重物冲击柱塞时刻的下行速度、加速度，从而实现岩芯中孔加载速率、冲击能量的定量化精确设计；
2、本发明所述定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置的岩芯加持器，可实水平围压应力、垂向上覆应力、岩芯外围流体压力及中孔初始流体压力的定量化设置与动态控制，并可实施岩芯渗透率实时测试；
3、本发明所述定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，操作简单、容易安装，模拟冲击加载速率跨度大，并可精确可调；既可模拟井筒内水力准静态压裂，又可模拟高能气体动态压裂、爆燃动态压裂等高能的动态过程的一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置及其实验方法。
附图说明
图1为本发明所述冲击岩样夹持模块的结构示意图；
图2为冲击岩样夹持模块与定制脉冲发生模块的结构示意图；
图3为本发明所述定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置的结构示意图；
图4为本发明所述柱塞盖的结构示意图；
图5为本发明所述上岩芯塞的结构示意图；
图6为本发明所述下岩芯塞的结构示意图；
图7为本发明所述夹持器底座的结构示意图；
图8为本发明所述中间夹持体的结构示意图；
图9为本发明所述柱塞压力倍增容器的结构示意图；
图10为本发明所述中间过度容器的结构示意图；
图11为实施例8所述的单向止回装置的结构示意图；
其中，1、内活动柱塞；2、外活动柱塞；3、柱塞盖；4、中间夹持体；5、金属环；6、上岩心塞；7、岩芯腔；8、吊紧螺钉；8-3、回压阀；9、下岩心塞；10、环形凸缘；11、夹持器底座；12、热收缩套管；13、外活动柱塞加压孔；14、环形凸缘滑动腔；15、岩芯塞空腔；2-1、压缩弹簧；2-2、拉伸弹簧；2-3、单向止回装置；2-4、中间竖梁；2-5、重物；2-6、下落架；2-7、电磁离合器；2-8、撞击头；2-9、上横梁；2-10、底座横梁；3-1、岩芯；3-2、互通；3-3、柱塞；3-4、第一压力表；3-5、第二压力表；3-6、程控计算机；3-7、电磁吸合释放控制板；3-8、第三压力信号转换读取板；3-9、第一压力信号转换读取板；3-10、第二压力信号转换读取板；3-11、第一压力传感器；3-12、第三压力传感器；3-13、第二压力传感器；3-14A、第二加压手摇泵；3-14B、第一加压手摇泵；3-15A、第一充液泵；3-15B、第二充液泵；3-16B、柱塞压力倍增容器；3-17、中间过渡容器；3-18、氮气瓶；3-19、抽真空泵；3-20、流体计量承接板；11-1、刺齿轨道；9-1、第一柱塞阀门；9-3、第二柱塞阀门；9-5、第五阀门；9-6、第六阀门；9-7、第七阀门；9-8、第八阀门；9-9、第九阀门；11-2、滑杆；11-3、弹片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明，但本发明不限于下列的实施例。
实施例1
如图1-10所示。
一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方；
冲击岩样夹持模块包括，自上而下依次连接的柱塞盖3、中间夹持体4和夹持器底座11；
柱塞盖3和中间夹持体4均为圆筒形结构；柱塞盖3包括柱塞盖顶部开口和柱塞盖底部开口；柱塞盖3的侧壁上设置有外活动柱塞加压孔13；柱塞盖底部开口与中间夹持体4构成环形凸缘滑动腔14；
中间夹持体4包括自上而下依次设置的中间夹持体顶部开口、岩芯塞空腔15和中间夹持体底部开口；
柱塞盖顶部开口和中间夹持体顶部开口内滑动设置有柱塞3-3；所述柱塞3-3包括套接的内活动柱塞1和外活动柱塞2，内活动柱塞1滑动设置在外活动柱塞2内；外活动柱塞2的外侧壁上水平设置有环形凸缘10，环形凸缘15环绕外活动柱塞2的外侧壁一周；环形凸缘10滑动设置在环形凸缘滑动腔14内；内活动柱塞1和外活动柱塞2密封连接；通过外活动柱塞加压孔13向环形凸缘滑动腔14内输入设计液压，从而通过外活动柱塞2的传递，给岩芯施加一定的轴向的静态压力，用于模拟岩石上覆压力。
岩芯塞空腔15内设置有上岩芯塞6和下岩芯塞9，上岩芯塞6和下岩芯塞9均为圆筒形结构；上岩芯塞6包括上岩芯塞上开口和上岩芯塞下开口，上岩芯塞上开口的内径大于上岩芯塞下开口的内径；上岩芯塞上开口的内径与内活动柱塞1的外径相应；内活动柱塞1与上岩芯塞上开口的内壁滑动连接；上岩芯塞6和下岩芯塞9围成岩芯腔7；岩芯腔7的四周设置有热收缩套管12，热收缩套管12与上岩芯塞6和下岩芯塞9套接；热收缩套管12起到隔绝的作用，防止用于给岩芯施加围压的水等液体与岩芯接触后对岩芯的物性产生影响，进而影响实验结果。
岩芯塞空腔15通过管道连接有第一压力传感器3-11(广州森纳士压力仪器有限公司生产的DG1300-BZ-A-2-150传感器)；下岩芯塞的底部开口通过管道连接有第二压力传感器3-13(北京威斯特中航科技股份公司生产的CYB-20S传感器)；下岩芯塞9和热收缩套管12之间的缝隙通过管道连接有第三压力传感器3-12；第一压力传感器3-11通过管路连接有第一加压系统；第二压力传感器3-13和第三压力传感器3-12通过互通3-2连接有第二加压系统；第一加压系统包括分别与第一压力表3-4连接的第一加压手摇泵3-14B和第一充液泵3-15A；第二加压系统包括第二加压手摇泵3-14A、第二充液泵3-15B、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器3-17；第二加压手摇泵和第二充液泵分别与第二压力表3-5连接；第一加压系统包括分别与第一压力表3-4连接的第一加压手摇泵和流体计量承接器3-20；第二加压系统包括第二压力表3-5、第二加压手摇泵、充液泵、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器；第二加压手摇泵3-14A和第二充液泵3-15B分别与第二压力表3-5连接；第二压力表3-5依次通过柱塞压力倍增通道和中间过渡容器3-17与互通3-2连接；柱塞压力倍增通道包括依次连接的第一柱塞阀门9-1、柱塞压力倍增容器3-16B和第二柱塞阀门9-3；第一柱塞阀门与第二压力表3-5连接，第二柱塞阀门9-3与中间过渡容器3-17连接。压力传感器用于测试实验过程冲击压力和岩石在受到定制脉冲冲击作用前后的渗透率变化规律。
定制脉冲发生装置包括，下落架2-6和支架；所述支架包括上横梁2-9、中间竖梁2-4和底座横梁2-10；下落架滑动设置在中间竖梁2-4上；下落架2-6与上横梁通过压缩弹簧2-1连接，下落架与下横梁通过拉伸弹簧2-2连接；下落架2-6上设置有电磁离合器2-7、重物2-5和撞击头2-8；电磁离合器2-7、重物2-5和撞击头2-8自上而下依次设置。将下落架置于实验设计高度时，下部弹簧被拉伸，弹力向下，上部弹簧被压缩，弹力向下，共同产生方向向下的弹性势能。
定制脉冲发生装置可以根据所设计的实验加载速率和冲击能量选择不同劲度系数的压缩弹簧和拉伸弹簧进行组合，同时，通过重物质量及下落高度的配合，实现大范围的加载速率和冲击能量的定量可控，从而实现定制脉冲的设计目的。
电磁离合器用于控制下落架的释放，使撞击头向下运动撞击内活动柱塞；从而使柱塞压缩中心孔眼内的流体，制作撞击头的材料的强度足够大，能够满足多次撞击不变形。
实施例2
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，中间过渡容器3-17还连接有氮气瓶3-18。氮气瓶3-18有两个作用：1)当柱塞压力倍增容器3-16B内的柱塞运行到最下端的时候，反向推动柱塞压力倍增容器3-16B内的柱塞，使其恢复原来位置；2)当实验完成后，将岩芯取出，关闭其他所有阀门，打开第八阀门9-8、中间过渡容器3-17、第五阀门9-5，然后缓慢打开第六阀门9-6，利用高压氮气反向冲出实验后岩芯夹持模块底部管线中的岩石碎屑。
充液泵用于给岩芯加载内压、给热收缩套管外侧加载围压。通过柱塞压力倍增容器3-16B倍增交换压力，并将充液泵内液体与实验中心孔眼内的液体分隔，防止污染岩芯。中间过渡容器3-17为多通阀门，用于交换连接上流的动力液、高压氮气、上流压力(即岩芯中心孔眼压力)和围压；
实施例3
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，所述互通3-2还连接有抽真空系统；所述抽真空系统包括回压阀8-3、抽真空泵3-19和流体计量承接板3-20，互通3-2通过回压阀8-3与流体计量承接板3-20连接，抽真空泵通过第九阀门9-9与互通3-2连接。岩芯安装完成后，关闭所有阀门，依次打开第八阀门9-8、第九阀门9-9，并打开抽真空泵3-19，将中心孔眼抽真空；利用抽真空泵3-19，对实验设备及岩芯进行抽真空处理，以促进设备进液与充分饱和。
上岩芯塞6和下岩芯塞9之间设置实验岩芯。内活动柱塞1可以向中心孔眼施加内压，外活动柱塞2在岩样的轴向方向施加压力；岩芯腔加压孔A1用以向岩芯外围施加围压，模拟地层的压力条件；
实施例4
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，第二压力传感器3-13和第三压力传感器3-12分别通过第八阀门9-8和第七阀门9-7与互通3-2连接。
实施例5
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，上岩芯塞6与中间夹持体4之间设置有金属环5。由于岩芯切割过程的误差、岩芯的收缩性等，上岩芯塞6与中间夹持体4的顶部存在接触误差，通过设置多个不同厚度的金属环，平衡上述接触误差，使上岩芯塞与中间夹持体的顶部压紧。
实施例6
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，柱塞盖3与中间夹持体4之间；中间夹持体4与夹持器底座11之间均通过吊紧螺钉8连接。
实施例7
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，内活动柱塞1与上岩芯塞6通过密封橡胶圈密封连接。
实施例8
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，所述中间竖梁上设置有单向止回装置2-3。所述单向止回装置2-3可以使撞击头2-8在冲击柱塞后停止运动，避免了多次弹性加载。
如图11所示，所述单向止回装置2-3包括，刺齿轨道11-1和滑杆11-2，刺齿轨道11-1上设置有刺齿；所述滑杆11-2上设置有与刺齿轨道11-1配合的弹片11-3；弹片11-3的自由端嵌入设置在所述刺齿内；滑杆11-2固定设置在下落架上，刺齿轨道11-1固定设置在中间竖梁2-4上。下落过程中所述弹片11-3向上弹起，滑杆11-2与下落架下落，撞击头2-8撞击内活动柱塞1后无法再向上运动，防止撞击头多次撞击。
实施例9
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，所述中间竖梁2-4上设置有下落架导轨；所述下落架滑动设置在下落架导轨内。下落架导轨保证了下落重物的运行轨迹竖直向下。所述中间竖梁上设置有刻度线。所述刻度线用于参照重物下落高度的调节；所述重物包括多个重物块；中间竖梁的高度为2.5m，重物块的质量为10kg，共15块；下落架2-6的质量为10kg。
实施例10
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，第一压力传感器3-11通过电线连接第一压力信号转换读取板3-9、第二压力传感器3-13通过电线连接第二压力信号转换读取板3-10、第三压力传感器3-12通过电线连接第三压力信号转换读取板3-8；第一压力信号转换读取板3-9、第二压力信号转换读取板3-10和第三压力信号转换读取板3-8分别与程控计算机3-6连接；电磁离合器2-7通过电磁吸合释放控制板3-7与程控计算机3-6连接。通过读取板将显示功能独立出来，方便观测实验过程中，尤其在评价压力稳定时的压力变化；电磁吸合释放控制板3-7为程序指令工控卡(三菱FX1S-10MT-001)；
压力测试读取：包含传感器+变送器+电脑内的数据采集卡。原理：传感器读取压力信息，变送器将压力转换放大成电讯号，读取卡读取记录压力数据，测试软件自动绘制压力-时间曲线。电脑内信息读取卡为：泓格PCI-1002系列32通道多功能采集卡。
程控计算机中安装有实时监控软件，可以监测撞击过程中岩样内压以及围压的变化过程，还可实现对电磁离合器的控制，实现对于重物吸合、释放的控制；压力信号转换读取板用于将压力传感器受到的压力转换为电信号传递到程控计算机中；
可通过加压手摇泵、充液泵、柱塞压力倍增容器3-16B、中间过渡容器3-17相互组合，实现0.1MPa～160MPa可控的液体施压环境，液体为纯净水或不同含盐量的盐水。
实施例11
如实施例1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，所不同的是，第二压力表3-5与中间过渡容器3-17之间设置有两条并联的柱塞压力倍增通道。两个柱塞压力倍增容器3-16B内为两种不同的液体，可方便对中孔内注入不同类型液体。
实施例12
一种利用实施例1-11所述装置进行定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，包括步骤如下：
1)下落高度为1m的情况下，设计增压值为970.00MPa,设计加压速率为169.57MPa/ms的情况下，研究岩石受到单向定制脉冲的冲击作用下的应变量以及开裂情况；压缩弹簧为17093.6N/m劲度系数的圆柱弹簧(材料为钢丝,弹簧直径为18mm，弹簧中径为170mm,自由高度为720mm,有效圈数为12.5)，拉伸弹簧为4800N/m劲度系数的圆柱弹簧(材料为钢丝，材料直径为6mm，弹簧中径为60mm,自由高度为280mm,有效圈数为12.5)；
2)制作岩样模型，钻取岩芯3-1；所述岩芯3-1为设置有中心孔的圆柱形结构，中心孔与上岩芯塞的开口、下岩芯塞的开口贯通，构成中心孔眼。
制作岩样模型的具体方法为，将水泥、河砂和水混合后进行实验岩样浇铸，待岩样晾干后，利用岩芯钻取机钻取岩芯，最后将钻取的岩芯钻孔并进行切磨处理。
岩芯的外径为50mm、长30mm、中心孔眼直径为5mm，同时中心孔眼与加压手摇泵3-14A相连，以向岩芯中心孔眼施加内压以及岩芯外围施加围压，从而地层的压力条件；
3)将钻取的岩芯安装在岩芯腔7中，利用抽真空泵3-19将实验设备抽真空，抽真空的具体过程如下：岩芯安装完成后，关闭所有阀门，依次打开第八阀门9-8和第九阀门9-9，并打开抽真空泵3-19，将中心孔眼抽真空；然后进行岩芯的饱和处理；
4)通过外活动柱塞加压孔13输入加压液，外活动柱塞2在岩芯的轴向施加轴向应力；
5)通过第一加压系统向岩芯塞空腔15内加入加压液；给岩芯施加围压，并保持围压不变；
6)通过第二加压系统向中心孔眼内加入加压液；给岩芯施加内压，并保持内压不变；
7)在下落架上添加110kg的重物块，并将下落架2-6置于距离内活动柱塞1一米处；
8)通过程控计算机3-6读取实验前的岩芯压差和流量，做定制脉冲作用前岩芯径向渗流能力的测试；具体过程为，当压力波动稳定后，记录上流压力与下流压力差，及连接下岩芯塞9和热收缩套管19之间的缝隙与第三压力传感器3-12的管线内的流量，计算渗透率；A3管线内的流量是通过记录时间和承接器3-20内液体量变化计算得到。
9)程控计算机3-6控制电磁离合器2-7打开，下落架2-6下落，撞击头2-8正向撞击岩芯夹持器内活动柱塞1；
10)通过程控计算机3-6读取实验后的岩芯压差和流量，做定制脉冲作用后岩芯径向渗流能力的测试。
实施例13
如实施例12所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，所不同的是，打开程控计算机3-6之前还包括，通过软件对实验仪表进行零点检测的步骤。
实施例14
如实施例12所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，所不同的是，所述步骤3)中饱和处理的具体过程为，保持中孔压力与下流压力不变，保持A2管线向岩芯中孔内注液的流量不变(10ml/min)，观察中孔压力与下流压力变化，在2小时内，当两个压力差波动小于0.5MPa/2h时，即为饱和完成；其中，中孔压力是岩芯中孔内的压力，下流压力是岩芯外侧液体压力，即第三压力传感器3-12测试的压力。
实施例15
如实施例12所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，所不同的是，所述步骤8)中计算渗透率的具体方法为，采用圆形模型中心一孔眼的径向达西渗流模型，反推计算渗透率；q-井产量，K-渗透率，μ-液体黏度，B-液体体积系数，r2-岩石外径，r1-岩石内径，h-岩石厚度，P1-中孔压力，P2-回压阀8-3内的压力。回压阀：只有当来水压力达到控制阀门的额定压力后才能自动打开阀门，当来水压力小于额定压力后，阀门又关闭。
Claims (10)
1.一种定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，包括冲击岩样夹持模块和定制脉冲发生模块；冲击岩样夹持模块设置在定制脉冲发生模块的下方；
冲击岩样夹持模块包括自上而下依次连接的柱塞盖、中间夹持体和底座；
柱塞盖和中间夹持体均为圆筒形结构；柱塞盖包括柱塞盖顶部开口和柱塞盖底部开口；柱塞盖的侧壁上设置有外活动柱塞加压孔；柱塞盖底部开口与中间夹持体构成环形凸缘滑动腔；
中间夹持体包括自上而下依次设置的中间夹持体顶部开口、岩芯塞空腔和中间夹持体底部开口；
柱塞盖顶部开口和中间夹持体顶部开口内滑动设置有柱塞；所述柱塞包括套接的内活动柱塞和外活动柱塞，内活动柱塞滑动设置在外活动柱塞内；外活动柱塞的外侧壁上水平设置有环形凸缘，环形凸缘环绕外活动柱塞的外侧壁一周；环形凸缘滑动设置在环形凸缘滑动腔内；内活动柱塞和外活动柱塞密封连接；
岩芯塞空腔内设置有上岩芯塞和下岩芯塞，上岩芯塞和下岩芯塞均为圆筒形结构；上岩芯塞包括上岩芯塞上开口和上岩芯塞下开口，上岩芯塞上开口的内径大于上岩芯塞下开口的内径；上岩芯塞上开口的内径与内活动柱塞的外径相应；内活动柱塞与上岩芯塞上开口的内壁滑动连接；上岩芯塞和下岩芯塞围成岩芯腔；岩芯腔的四周设置有热收缩套管；热收缩套管与上岩芯塞和下岩芯塞套接；
岩芯塞空腔通过管道连接有第一压力传感器；下岩芯塞的底部开口通过管道连接有第二压力传感器；下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙通过管道连接有第三压力传感器；第一压力传感器通过管路连接有第一加压系统；第二压力传感器和第三压力传感器通过互通连接有第二加压系统；第一加压系统包括分别与第一压力表连接的第一加压手摇泵和第一充液泵；第二加压系统包括第二加压手摇泵、第二充液泵、柱塞压力倍增通道和中间过渡容器；第二加压手摇泵和第二充液泵分别与第二压力表连接；第二压力表依次通过柱塞压力倍增通道和中间过渡容器与互通连接；柱塞压力倍增通道包括依次连接的第一柱塞阀门、柱塞压力倍增容器和第二柱塞阀门；第一柱塞阀门与第二压力表连接，第二柱塞阀门与中间过渡容器连接；
定制脉冲发生模块包括下落架和支架；所述支架包括上横梁、中间竖梁和底座横梁；下落架滑动设置在中间竖梁上；下落架与上横梁通过压缩弹簧连接，下落架与底座横梁通过拉伸弹簧连接；下落架上设置有电磁离合器、重物和撞击头；电磁离合器、重物和撞击头自上而下依次设置。
2.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，中间过渡容器还连接有氮气瓶。
3.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，所述互通还连接有抽真空系统；所述抽真空系统包括回压阀、抽真空泵和流体计量承接板，互通通过回压阀与流体计量承接板连接，抽真空泵通过第九阀门与互通连接；第二压力传感器和第三压力传感器分别通过第八阀门和第七阀门与互通连接。
4.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，上岩芯塞与中间夹持体之间设置有金属环。
5.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，所述中间竖梁上设置有单向止回装置；所述单向止回装置包括刺齿轨道和滑杆，刺齿轨道上设置有刺齿；所述滑杆上设置有与刺齿轨道配合的弹片；弹片的自由端嵌入设置在所述刺齿内；滑杆固定设置在下落架上，刺齿轨道固定设置在中间竖梁上。
6.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，第一压力传感器通过电线连接第一压力信号转换读取板、第二压力传感器通过电线连接第二压力信号转换读取板、第三压力传感器通过电线连接第三压力信号转换读取板；第一压力信号转换读取板、第二压力信号转换读取板和第三压力信号转换读取板分别与程控计算机连接；电磁离合器通过电磁吸合释放控制板与程控计算机连接。
7.根据权利要求1所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验装置，其特征在于，第二压力表与中间过渡容器之间设置有两条并联的柱塞压力倍增通道。
8.一种利用权利要求1-7任意一项所述装置进行定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1）根据设计的实验加载速率和冲击能量选择不同数量和规格的弹簧；
2）制作岩样模型，钻取岩芯；
3）将钻取的岩芯安装在岩芯腔中，利用抽真空泵将实验设备抽真空，抽真空的具体过程如下：岩芯安装完成后，关闭所有阀门，依次打开第八阀门和第九阀门，并打开抽真空泵，将中心孔眼抽真空；然后进行岩芯的饱和处理；
4）通过外活动柱塞加压孔输入加压液，外活动柱塞在岩芯的轴向施加轴向应力；
5）通过第一加压系统向岩芯塞空腔内加入加压液；给岩芯施加围压，并保持围压不变；
6）通过第二加压系统向中心孔眼内加入加压液；给岩芯施加内压，并保持内压不变；
7）在下落架上添加重物块，并设置下落架距离内活动柱塞的距离；
8）通过程控计算机读取实验前的岩芯压差和流量，做定制脉冲作用前岩芯径向渗流能力的测试；具体过程为，当压力波动稳定后，记录上流压力与下流压力差，及连接下岩芯塞和热收缩套管之间的缝隙与第三压力传感器的管线内的流量，计算渗透率；
9）程控计算机控制电磁离合器打开，下落架下落，撞击头正向撞击岩芯夹持器内活动柱塞；
10）通过程控计算机读取实验后的岩芯压差和流量，做定制脉冲作用后岩芯径向渗流能力的测试。
9.根据权利要求8所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，其特征在于，所述步骤3）中饱和处理的具体过程为，保持中孔压力与下流压力不变，保持向岩芯中孔内注液的流量不变，观察中孔压力与下流压力变化，在2小时内，当两个压力差波动小于0.5MPa/2h时，即为饱和完成。
10.根据权利要求8所述的定制脉冲式冲击破岩模拟实验的方法，其特征在于，所述步骤8）中计算渗透率的具体方法为，采用圆形模型中心一孔眼的径向达西渗流模型，反推计算渗透率；, q-井产量，K-渗透率，-液体黏度，B-液体体积系数，r2-岩石外径，r1-岩石内径，h-岩石厚度，P1-中孔压力，P2-回压阀内的压力。
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