CN106556616B - 一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法 - Google Patents

一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，该方法包括如下步骤：S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通圆孔；S2、对开有预定直径贯通圆孔的煤样或岩样进行高压水作用；S3、将水压作用后的煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件，放入水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置内，连接好收集相应参数的数据线接头并密封固定；S4、设定装置中相应的试验参数；S5、从装置中的液氮管入口注入液氮，同时利用液氮位置控制活塞控制液氮作用位置，通过计算机记录相应的数据和图像，在达到设定液氮注入时间后停止注入液氮，对记录的数据和图像进行处理。本发明能通过低场核磁共振成像技术观测岩石冻裂过程裂隙扩展分布情况。

Description

一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法
技术领域
本发明涉及水力压裂技术领域，具体涉及一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法。
背景技术
岩石水力压裂增透工程实例表明，纯水力压裂过程中岩石的破裂程度基本不能实现岩体整理破裂，最终形成的裂隙网络密集度实现的增透效果较差，而增加压裂液的水力压裂技术会带来相应的环境污染问题。岩石材料存在大小不同分布各异的微观孔隙和裂纹，因而岩石的物理力学特性通常表现出各向异性。本发明的发明人经过研究发现，由于在水压作用下岩石的破坏特性很复杂，传统力学实验方法中的一些基本参数很难较好地描述水压岩石的强度特性以及裂纹扩展规律，从细观甚至是微观的角度描述岩石的内部结构以及受载后的结构变化的三维形态分析变得更加困难。因而，如何更好的获得微裂纹与微孔洞的分布规律，一直是目前所面临的一个难题。
发明内容
针对现有技术存在的传统力学实验方法中的一些基本参数很难较好地描述水压岩石的强度特性以及裂纹扩展规律，从细观甚至是微观的角度描述岩石的内部结构以及受载后的结构变化的三维形态分析变得更加困难的技术问题，本发明提供一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，该方法利用在三维应力下对水压作用后的岩石注入液氮，通过低场核磁共振成像技术观测岩石冻裂过程裂隙扩展分布情况。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，在该方法中采用了一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置，所述水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置包括：
中空的环形夹持器本体，所述夹持器本体的侧表面围设有保温层，所述保温层的部分侧表面围设有核磁共振线圈；
所述夹持器本体的空腔内设有中空的环形胶套，所述环形胶套的空腔上部设有与空腔内壁紧密配合的上顶头，所述环形胶套的空腔下部设有与空腔内壁紧密配合的下顶头，所述环形胶套的内壁、上顶头和下顶头共同围成有可放置待测煤样或岩样试件的空间；
所述环形胶套的空腔上部设有与上顶头接触的加载压头，所述环形胶套的空腔下部设有与下顶头接触的下堵头，所述环形胶套的上端还设有将环形胶套与加载压头紧密卡接的上密封卡套，所述环形胶套的下端还设有将环形胶套与下堵头紧密卡接的下密封卡套，所述下堵头上设有将下堵头下端部罩设在夹持器本体下表面的下堵头固定端，所述加载压头的上部侧表面围设有将加载压头固定在夹持器本体上部的加载压头密封端，所述加载压头、上顶头、下顶头、下堵头和下堵头固定端上贯通设有液氮管，所述液氮管的内壁紧密配设有液氮位置控制活塞，所述液氮位置控制活塞上连接有活塞控制杆，所述活塞控制杆的一端从下堵头固定端一侧的液氮管伸出，所述夹持器本体的空腔内壁上嵌设有加热层，所述加热层、夹持器本体的空腔内壁及加载压头密封端与所述加载压头、环形胶套及下堵头之间共同构成一个环形的围压腔室；
所述夹持器本体的上部设有与围压腔室连通的进油管和与加热层连通的加热层出油管，所述夹持器本体的下部设有与围压腔室连通的卸油管和与加热层连通的加热层进油管，且所述夹持器本体的下部还设有数据线接头和用于检测围压腔室内温度的温度传感器；
该方法包括如下步骤：
S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通圆孔；
S2、对开有预定直径贯通圆孔的圆柱型煤样或岩样进行高压水作用；
S3、将水压作用后的圆柱型煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件，放入所述环形胶套的内壁、上顶头和下顶头共同围成的空间内，让所述待测煤样或岩样试件的贯通圆孔套设在液氮管上，连接好收集相应参数的数据线接头，并密封和固定好所述水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置；
S4、设定所述围压腔室内的围压为0～25MPa，温度为0～100℃，所述上顶头的轴压为0～60KN；
S5、从所述液氮管的入口注入液氮，同时利用所述液氮位置控制活塞控制液氮作用位置，并通过计算机记录NMR T2谱图和MRI图像；在达到设定液氮注入时间后停止注入液氮，对记录的数据和图像进行处理，得到液氮冻胀过程中岩石内部裂纹分布特征。
与现有技术相比，本发明提供的水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，首先制作好待测煤样或岩样试件；其次将待测煤样或岩样试件放入水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置，并进行密封和固定；接着设定好围压腔室内的围压和温度，以及上顶头的轴压；然后从液氮管的入口注入液氮，利用液氮位置控制活塞控制液氮作用位置，并记录相应的数据和图像，经过一段时间后停止注入液氮，对记录的数据和图像进行处理，得到液氮冻胀过程中岩石内部裂纹分布特征。本发明在模拟地层高压作用下，将水压作用后的岩石进行液氮冻胀作用，利用低场核磁共振成像技术，对原有裂隙扩展演化进行可视化分析，得到冻胀裂隙区三维分布规律，因而能全面观察分析岩石纯水压裂后岩石在液氮冻胀作用下的裂隙网络发展三维空间结构。
进一步，所述步骤S1中，所述沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个直径为5-7毫米的贯通圆孔。
进一步，所述步骤S4中，所述围压腔室内的围压为20MPa，温度为80℃，所述上顶头的轴压为50KN。
进一步，所述步骤S5中，所述通过计算机记录NMR T2谱图和MRI图像，其包括利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，绘制成物体内部的结构图像得到高分辨NMR谱和高质量MRI图像，冻裂过程中裂隙的增加导致T2谱信号增强，通过NMR谱表征冻裂过程中岩石损伤过程，MRI图像观察冻裂的动态变化。
附图说明
图1是本发明提供的水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置结构示意图。
图中，1、夹持器本体；2、保温层；3、核磁共振线圈；4、环形胶套；5、上顶头；6、下顶头；7、加载压头；8、下堵头；9、上密封卡套；10、下密封卡套；11、下堵头固定端；12、加载压头密封端；13、液氮管；14、液氮位置控制活塞；141、活塞控制杆；15、加热层；16、围压腔室；17、进油管；18、加热层出油管；19、卸油管；20、加热层进油管；21、数据线接头；22、温度传感器；100、待测煤样或岩样试件。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1所示，本发明提供一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，在该方法中采用了一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置，所述水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置包括：
中空的环形夹持器本体1，所述夹持器本体1的侧表面围设有保温层2，所述保温层2的部分侧表面围设有核磁共振线圈3；
所述夹持器本体1的空腔内设有中空的环形胶套4，所述环形胶套4的空腔上部设有与空腔内壁紧密配合的上顶头5，所述环形胶套4的空腔下部设有与空腔内壁紧密配合的下顶头6，所述环形胶套4的内壁、上顶头5和下顶头6共同围成有可放置待测煤样或岩样试件100的空间；
所述环形胶套4的空腔上部设有与上顶头5接触的加载压头7，所述环形胶套4的空腔下部设有与下顶头6接触的下堵头8，所述环形胶套4的上端还设有将环形胶套4与加载压头7紧密卡接的上密封卡套9，所述环形胶套4的下端还设有将环形胶套4与下堵头8紧密卡接的下密封卡套10，所述下堵头8上设有将下堵头8下端部罩设在夹持器本体1下表面的下堵头固定端11，所述加载压头7的上部侧表面围设有将加载压头7固定在夹持器本体1上部的加载压头密封端12，所述加载压头7、上顶头5、下顶头6、下堵头8和下堵头固定端11上贯通设有液氮管13，所述液氮管13的内壁紧密配设有液氮位置控制活塞14，所述液氮位置控制活塞14上连接有活塞控制杆141，所述活塞控制杆141的一端从下堵头固定端11一侧的液氮管13伸出，所述夹持器本体1的空腔内壁上嵌设有加热层15，所述加热层15、夹持器本体1的空腔内壁及加载压头密封端12与所述加载压头7、环形胶套4及下堵头8之间共同构成一个环形的围压腔室16；
所述夹持器本体1的上部设有与围压腔室16连通的进油管17和与加热层15连通的加热层出油管18，所述夹持器本体1的下部设有与围压腔室16连通的卸油管19和与加热层15连通的加热层进油管20，且所述夹持器本体1的下部还设有数据线接头21和用于检测围压腔室16内温度的温度传感器22；
该方法包括如下步骤：
S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通圆孔；
S2、对开有预定直径贯通圆孔的圆柱型煤样或岩样进行高压水作用；
S3、将水压作用后的圆柱型煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件100，放入所述环形胶套4的内壁、上顶头5和下顶头6共同围成的空间内，让所述待测煤样或岩样试件100的贯通圆孔套设在液氮管13上，连接好收集相应参数的数据线接头21，并密封和固定好所述水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置；
S4、设定所述围压腔室16内的围压为0～25MPa，温度为0～100℃，所述上顶头5的轴压为0～60KN；
S5、从所述液氮管13的入口注入液氮，同时利用所述液氮位置控制活塞14控制液氮作用位置，并通过计算机记录NMR T2谱图和MRI图像；在达到设定液氮注入时间后停止注入液氮，对记录的数据和图像进行处理，得到液氮冻胀过程中岩石内部裂纹分布特征。
与现有技术相比，本发明提供的水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，首先制作好待测煤样或岩样试件；其次将待测煤样或岩样试件放入水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置，并进行密封和固定；接着设定好围压腔室内的围压和温度，以及上顶头的轴压；然后从液氮管的入口注入液氮，利用液氮位置控制活塞控制液氮作用位置，并记录相应的数据和图像，经过一段时间后停止注入液氮，对记录的数据和图像进行处理，得到液氮冻胀过程中岩石内部裂纹分布特征。本发明在模拟地层高压作用下，将水压作用后的岩石进行液氮冻胀作用，利用低场核磁共振成像技术，对原有裂隙扩展演化进行可视化分析，得到冻胀裂隙区三维分布规律，因而能全面观察分析岩石纯水压裂后岩石在液氮冻胀作用下的裂隙网络发展三维空间结构。
作为具体实施例，所述步骤S1中，所述沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个直径为5-7毫米的贯通圆孔，由此可更好地按照岩样的直径比例完成开孔。
作为具体实施例，所述步骤S4中，所述围压腔室16内的围压为20MPa，温度为80℃，所述上顶头5的轴压为50KN，由此可以更好地模拟岩石在应力、温度、压强等多场耦合的真实地层状态下液氮冻裂效果，给工程上的应用提供理论依据。
作为具体实施例，所述步骤S5中，所述液氮注入的时间可以根据煤样或岩样的不同而选择不同的注入时间，这对于本领域的技术人员来说是比较容易理解和实现的，在此不再细述。
作为具体实施例，所述步骤S5中，所述通过计算机记录NMR T2谱图和MRI图像，其包括利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，绘制成物体内部的结构图像得到高分辨NMR(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，核磁共振谱)和高质量MRI(Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像)图像，冻裂过程中裂隙的增加导致T2谱信号增强，通过NMR谱表征冻裂过程中岩石损伤过程，MRI图像观察冻裂的动态变化。另外，所述对记录的数据和图像进行处理，具体可以采用现有的核磁共振成像图像数据处理方法进行，其具体的分析处理方法已为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，其特征在于，在该方法中采用了一种水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置，所述水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置包括：
中空的环形夹持器本体(1)，所述夹持器本体(1)的侧表面围设有保温层(2)，所述保温层(2)的部分侧表面围设有核磁共振线圈(3)；
所述夹持器本体(1)的空腔内设有中空的环形胶套(4)，所述环形胶套(4)的空腔上部设有与空腔内壁紧密配合的上顶头(5)，所述环形胶套(4)的空腔下部设有与空腔内壁紧密配合的下顶头(6)，所述环形胶套(4)的内壁、上顶头(5)和下顶头(6)共同围成有可放置待测煤样或岩样试件(100)的空间；
所述环形胶套(4)的空腔上部设有与上顶头(5)接触的加载压头(7)，所述环形胶套(4)的空腔下部设有与下顶头(6)接触的下堵头(8)，所述环形胶套(4)的上端还设有将环形胶套(4)与加载压头(7)紧密卡接的上密封卡套(9)，所述环形胶套(4)的下端还设有将环形胶套(4)与下堵头(8)紧密卡接的下密封卡套(10)，所述下堵头(8)上设有将下堵头(8)下端部罩设在夹持器本体(1)下表面的下堵头固定端(11)，所述加载压头(7)的上部侧表面围设有将加载压头(7)固定在夹持器本体(1)上部的加载压头密封端(12)，所述加载压头(7)、上顶头(5)、下顶头(6)、下堵头(8)和下堵头固定端(11)上贯通设有液氮管(13)，所述液氮管(13)的内壁紧密配设有液氮位置控制活塞(14)，所述液氮位置控制活塞(14)上连接有活塞控制杆(141)，所述活塞控制杆(141)的一端从下堵头固定端(11)一侧的液氮管(13)伸出，所述夹持器本体(1)的空腔内壁上嵌设有加热层(15)，所述加热层(15)、夹持器本体(1)的空腔内壁及加载压头密封端(12)与所述加载压头(7)、环形胶套(4)及下堵头(8)之间共同构成一个环形的围压腔室(16)；
所述夹持器本体(1)的上部设有与围压腔室(16)连通的进油管(17)和与加热层(15)连通的加热层出油管(18)，所述夹持器本体(1)的下部设有与围压腔室(16)连通的卸油管(19)和与加热层(15)连通的加热层进油管(20)，且所述夹持器本体(1)的下部还设有数据线接头(21)和用于检测围压腔室(16)内温度的温度传感器(22)；
该方法包括如下步骤：
S1、沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个预定直径的贯通圆孔；
S2、对开有预定直径贯通圆孔的圆柱型煤样或岩样进行高压水作用；
S3、将水压作用后的圆柱型煤样或岩样作为待测煤样或岩样试件(100)，放入所述环形胶套(4)的内壁、上顶头(5)和下顶头(6)共同围成的空间内，让所述待测煤样或岩样试件(100)的贯通圆孔套设在液氮管(13)上，连接好收集相应参数的数据线接头(21)，并密封和固定好所述水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验装置；
S4、设定所述围压腔室(16)内的围压为0～25MPa，温度为0～100℃，所述上顶头(5)的轴压为0～60KN；
S5、从所述液氮管(13)的入口注入液氮，同时利用所述液氮位置控制活塞(14)控制液氮作用位置，并通过计算机记录NMR T2谱图和MRI图像；在达到设定液氮注入时间后停止注入液氮，对记录的数据和图像进行处理，得到液氮冻胀过程中岩石内部裂纹分布特征。
2.根据权利要求1所述的水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述沿圆柱型煤样或岩样的中心开一个直径为5-7毫米的贯通圆孔。
3.根据权利要求1所述的水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述围压腔室(16)内的围压为20MPa，温度为80℃，所述上顶头(5)的轴压为50KN。
4.根据权利要求1所述的水压作用下岩石液氮冻裂裂纹可视化试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述通过计算机记录NMR T2谱图和MRI图像，其包括利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，绘制成物体内部的结构图像得到高分辨NMR谱和高质量MRI图像，冻裂过程中裂隙的增加导致T2谱信号增强，通过NMR谱表征冻裂过程中岩石损伤过程，MRI图像观察冻裂的动态变化。
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