CN108020469A - 一种基于流体压致裂法的三轴实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流体压致裂法的三轴实验装置及其实验方法，三轴实验装置包括外围压室和内围压室，外围压室为由顶盖、底盖和缸筒固定相连组成的密闭空间，底盖和顶盖上分别设有承压头和加压头，加压头包括设于顶盖上的活塞杆和设于活塞杆下方的压头，将试样置于承压头和压头之间，试样内部的空心圆柱孔内设有构成内围压室的软质筒体，承压头和压头内分别设有将内围压室与外界连通的管道，试样四周通过软质套与外围压室隔离，底盖和顶盖上分别设有与外围压室的管道；通过外界加压设备给外围压室和内围压室施加压力，通过压头施加轴向的压力，本发明能够很好的模拟实际的工程地质条件，提供最佳的实验室环境，拓展了实验室页岩研究范围。

Description

一种基于流体压致裂法的三轴实验装置及其实验方法

技术领域

本发明属于载荷试验设备领域，涉及一种三轴压裂试验装置，具体涉及一种基于流体压致裂法的三轴实验装置及其实验方法。

背景技术

一方面随着我国经济的发展，使得城市高层建筑、地铁工程建设迅速加快。无论是高层建筑还是地铁工程都涉及基坑的开挖，由于基坑的开挖都是在城市中进行开挖，基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物，要保护其周边构筑物的安全使用。铁路、公路等建设过程中隧道的开挖，其中涉及到隧道支护一个很重要内容，要保证其建设过程中隧道内部的安全性。而一般的基坑支护和隧道支护多又是临时结构、投资大也易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程和隧道工程的特点进行科学的设计是基坑工程和隧道工程要解决的主要内容。另一方面在我国快速发展的今天能源短缺问题已成为制约我国经济发展重要的因素，所以迫切需要找到一种新的能源。页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，经过初步统计我国页岩气首次探明地质储量1068亿立方米，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，然而大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大，如何找到一种可行的开采方法是我们现在迫切需要解决的问题，目前还缺乏进行相关研究的模拟试验设备和技术。

发明内容

本发明的目的是解决基坑工程和隧道工程中支护结构的不安全、不合理问题，同时为页岩气开采提供技术、数据支持。本发明操作简单，测量精确，经济安全。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：该三轴实验装置由两个独立密封的外围压室和内围压室组成，所述外围压室为由顶盖、底盖和缸筒固定相连组成的密闭空间，所述底盖上设有承压头，所述顶盖上设有加压头，所述加压头包括穿过顶盖上下的活塞杆和设于活塞杆下方的压头，待测试的试样置于承压头和压头之间，待测试的试样内部设有上下贯穿的空心圆柱孔，空心圆柱孔内设有与待测试的试样的内壁隔离的软质筒体，空心圆柱孔内的软质筒体构成内围压室，承压头内设有将内围压室与外界连通的第二入口管道，压头内设有将内围压室与外界连通的第二排气管道，待测试的试样四周通过软质套与外围压室隔离，底盖和顶盖上分别设有将外围压室于外界连通的第一入口管道和第一排气管道。

作为改进，所述待测试的试样四周设有压力传感器。

作为改进，所述顶盖、底盖和缸筒通过多根螺杆相连，具体为：通过多根螺杆连接顶盖和底盖并将缸筒夹在中间组成密闭空间。

作为改进，所述软质筒体为双头螺纹橡胶筒，双头螺纹橡胶筒上下两端分别设有与第二排气管道和第二入口管道相连的螺纹接头。

作为改进，所述软质套为橡皮套，橡皮套上下两端通过卡箍固定。

作为改进，所述橡皮套向上下两端延伸将压头底部区域和承压头顶部区域包裹在内。

作为改进，所述待测试的试样上下两端与顶部的压头和底部的承压头之间均设有透水垫板。

一种三轴实验装置实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取待测试的试样，将其加工成标准空心圆柱体，使其端面平整度、平行度和垂直度满足规范要求；

步骤二、将双头螺纹橡胶筒装入试样中心位置的空心圆柱孔内；

步骤三、将中心位置装有双头螺纹橡胶筒的试样装进橡皮套中，在橡皮套内的上下两端分别放入透水垫板；

步骤四、将双头螺纹橡胶筒两端分别与压头内的第二排气管道和承压头内的第二入口管道连接；

步骤五、用卡箍将装有试样、双头螺纹橡胶筒以及透水垫板的橡皮套固定在底盖上的承压头和顶盖下方的压头之间；

步骤六、将缸筒安装到底盖上，将顶盖安装到缸筒的上方，用螺杆将顶盖、缸筒以及底盖固定；

步骤七、通过第一入口管道和第一排气管道给外围压室加压力；

步骤八、通过第二入口管道和第二排气管道给内围压室加压力；

步骤九、利用外部加压设备通过加压头给试样加轴压，观察并记录试样各项压力参数。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，能够有效根据基坑工程和隧道工程的特点为支护结构进行科学的设计，能够很好的结合实际的工程地质条件，模拟最佳的实验室环境，达到节约资源保障安全的目的。另外，本发明可以为页岩气能源的开采提供可行性的研究，以解决我国能源短缺问题。

附图说明

图1为本发明三轴实验装置结构示意图。

图2为本发明双头螺纹橡胶筒意图。

图3为本发明使用的试样俯视图。

图4为透水垫板结构示意图。

附图标记：1-顶盖，2-底盖，3-缸筒，4-螺杆，5-第一入口管道，6-第一排气管道，7-外围压室，8-双头螺纹橡胶筒，9-试样，10-橡皮套，11-透水垫板，12-卡箍，13-压头，14-第二排气管道，15-第二入口管道，16-承压头，17-内围压室，18-活塞杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图4所示，一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，该三轴实验装置由两个独立密封的外围压室7和内围压室17组成，外围压室7包括顶盖1、底盖2和缸筒3，首先将缸筒3套在底盖2上，然后安装顶盖1，最后用多根螺杆4从顶盖1穿过连接到底盖2，将顶盖1、缸筒3、底盖2连接成一个整体，顶盖1、底盖2和缸筒3内部形成一个封闭试的空间，即为外围压室7。

测试室位于外围压室7中部，由试样9、双头螺纹橡胶筒8、橡皮套10、透水垫板11、卡箍12、加压头组成，所述加压头包括穿过顶盖上下的活塞杆18和设于活塞杆18下方的压头13。将双头螺纹橡胶筒8装入试样9空心圆柱孔内，之后将组装好的试样9装入橡皮套10内，在试样9的上下两端分别放入一个透水垫板11，将两端带有螺纹的双头螺纹橡胶筒8底部螺纹口与承压头16上的第二入口管道15相连，将双头螺纹橡胶筒8顶部螺纹口与压头13上的第二排气管道14相连接，最后用两个卡箍12将橡皮套10上下两端分别固定到压头13的底部和承压头16的顶部，使橡皮套10、承压头16和压头13成为一个整体，橡皮套10内部形成一个封闭的测试环境。

内围压室17位于测试室内试样9的空心圆柱孔内，由双头螺纹橡胶筒8、承压头16和压头13组成。将双头螺纹橡胶筒8的下端通过螺纹连接到承压头16内的第二入口管道15，上端通过螺纹连接到上方压头13内的第二排气管道14相，这样双头螺纹橡胶筒8的内部形成了一个封闭的空间，即为内围压室17。

在试样9两端加透水垫板11一个作用是使得试样9受力均匀，另一个是防止压头13和承压头16因受力不均而损坏。

所述待测试的试样四周设有压力传感器，压力传感器可以分布在试样上下端部，外部四周，以及内部空心圆柱孔内壁，根据实验项目需要选择数量和位置。

上述所说的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其技术操作包括以下步骤：

步骤一、选取试样9，将其加工成标准空心圆柱体，使其端面平整度、平行度和垂直度满足规范要求；

步骤二、将双头螺纹橡胶筒8装入试样9中心位置的空心圆柱孔内；

步骤三、将中心位置装有双头螺纹橡胶筒8的试样9装进橡皮套10中，在橡皮套10内的上下两端分别放入透水垫板11；

步骤四、将双头螺纹橡胶筒8两端分别与压头13内的第二排气管道14和承压头16内的第二入口管道15连接；

步骤五、用卡箍12将装有试样9、双头螺纹橡胶筒8以及透水垫板11的橡皮套10固定在底盖2上的承压头16和顶盖1下方的压头13之间；

步骤六、将缸筒3安装到底盖2上，将顶盖1安装到缸筒3的上方，用螺杆4将顶盖1、缸筒3以及底盖2固定；

步骤七、通过第一入口管道5和第一排气管道6给外围压室7加压力；

步骤八、通过第二入口管道15和第二排气管道14给内围压室17加压力；

步骤九、利用外部加压设备通过加压头给试样9加轴压，观察并记录试样9各项压力参数。

步骤七中给外围压室7加压力的具体操作为：先打开第一入口管道5，通过加压设备往外围压室7加内充入液相流体介质。同时打开第一排气管道6排气，排气完毕后关闭第一排气管道6，通过加压设备将外围压室7内充至设定压力。

步骤八中给内围压室17加压力的具体操作为：先打开第二入口管道15，通过加压设备往内围压室17加内充入液相流体介质。同时打开第二排气管道14排气，排气完毕后关闭第二排气管道14，通过加压设备将内围压室17充至设定压力。

步骤九、利用外部加压设备通过加压头的活塞杆18施压，通过活塞杆18传递给压头13，作用在试样9上，给试样9加轴压，观察并记录试样9各项压力参数。

以上所述的实例，仅仅是对本发明的解释说明，并不能限定发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则内所作的任何替换和更改，均应在本发明包括范围之内。

Claims (8)

1.一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：该三轴实验装置由两个独立密封的外围压室和内围压室组成，所述外围压室为由顶盖、底盖和缸筒固定相连组成的密闭空间，所述底盖上设有承压头，所述顶盖上设有加压头，所述加压头包括穿过顶盖上下的活塞杆和设于活塞杆下方的压头，待测试的试样置于承压头和压头之间，待测试的试样内部设有上下贯穿的空心圆柱孔，空心圆柱孔内设有与待测试的试样的内壁隔离的软质筒体，空心圆柱孔内的软质筒体构成内围压室，承压头内设有将内围压室与外界连通的第二入口管道，压头内设有将内围压室与外界连通的第二排气管道，待测试的试样四周通过软质套与外围压室隔离，底盖和顶盖上分别设有将外围压室于外界连通的第一入口管道和第一排气管道。

2.如权利要求1所述的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：所述待测试的试样四周设有压力传感器。

3.如权利要求1所述的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：所述顶盖、底盖和缸筒通过多根螺杆相连，具体为：通过多根螺杆连接顶盖和底盖并将缸筒夹在中间组成密闭空间。

4.如权利要求1所述的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：所述软质筒体为双头螺纹橡胶筒，双头螺纹橡胶筒上下两端分别设有与第二排气管道和第二入口管道相连的螺纹接头。

5.如权利要求1所述的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：所述软质套为橡皮套，橡皮套上下两端通过卡箍固定。

6.如权利要求5所述的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：所述橡皮套向上下两端延伸将压头底部区域和承压头顶部区域包裹在内。

7.如权利要求1至6任意一项所述的一种基于流体压致裂法的三轴实验装置，其特征在于：所述待测试的试样上下两端与顶部的压头和底部的承压头之间均设有透水垫板。

8.一种三轴实验装置实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取待测试的试样，将其加工成标准空心圆柱体，使其端面平整度、平行度和垂直度满足规范要求；

步骤二、将双头螺纹橡胶筒装入试样中心位置的空心圆柱孔内；

步骤三、将中心位置装有双头螺纹橡胶筒的试样装进橡皮套中，在橡皮套内的上下两端分别放入透水垫板；

步骤四、将双头螺纹橡胶筒两端分别与压头内的第二排气管道和承压头内的第二入口管道连接；

步骤五、用卡箍将装有试样、双头螺纹橡胶筒以及透水垫板的橡皮套固定在底盖上的承压头和顶盖下方的压头之间；

步骤六、将缸筒安装到底盖上，将顶盖安装到缸筒的上方，用螺杆将顶盖、缸筒以及底盖固定；

步骤七、通过第一入口管道和第一排气管道给外围压室加压力；

步骤八、通过第二入口管道和第二排气管道给内围压室加压力；

步骤九、利用外部加压设备通过加压头给试样加轴压，观察并记录试样各项压力参数。