CN108871968A - 一种压裂过程应力冻结实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压裂过程应力冻结实验装置，通过温控系统对设置于其温箱中的试件根据光敏曲线按照预设温度梯度进行相应温度控制下的升温和降温处理，以实现对于试件的应力冻结；通过真三轴伺服加载系统对试件进行固定和施加相应的压力；再通过输出端设置于所述温箱中的压裂体泵送系统对试件进行相应的压裂实验；由于试件为通过3D打印机打印得到的透明光敏模型，结合真三轴伺服加载系统的应力加载、温控系统精确温度控制下的应力冻结实验以及压裂体泵送系统的压裂实验，可实现对于压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直观观测和透明显示。

Description

一种压裂过程应力冻结实验装置
技术领域
本发明涉及应力冻结技术领域，特别涉及一种压裂过程应力冻结实验装置。
背景技术
当前，由于非常规储层岩石介质压裂过程中的裂缝演化规律是一个“黑箱”问题。因此，现有实验室对于各种相态压裂介质的压裂过程研究，大多处于对于压裂后形成的缝网展布特征的定性分析上，难以直观显示和准确描述对压裂缝网起裂和扩展起决定性作用的应力场演化过程。
现有技术中也存在采用数值模拟的方法，来定量分析裂缝扩展过程中应力场的分布演化规律的方案，然而，值得关注的是，数值模拟中需要对几何模型、边界条件、网格模型、单元接触与分离、材料参数、本构关系、开裂与破坏准则等一系列问题进行简化，这些简化处理以及计算规模、计算效率等问题都会对压裂应力场的计算精度产生显著影响。特别是，由于实验方法及测试条件的限制，大多数数值模拟结果缺乏实验验证，数值分析的准确性和可靠性存在广泛争议，工程现场难以直接应用。
因此，当前亟需一种实验装置，能够实现对于压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直观观测和透明显示。
发明内容
本发明提供一种压裂过程应力冻结实验装置，以实现对于压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直观观测和透明显示。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种压裂过程应力冻结实验装置，包括：
温控系统，包括温箱，用于对设置于所述温箱中的试件根据光敏曲线按照预设温度梯度进行相应的升温和降温处理，以实现对于所述试件的应力冻结；所述试件为通过3D打印机打印得到的透明光敏模型；所述光敏曲线为所述光敏模型的光敏曲线；
真三轴伺服加载系统，用于对所述试件进行固定和施加相应的压力；
压裂体泵送系统，输出端设置于所述温箱中，用于对所述试件进行相应的压裂实验。
优选的，所述温箱包括：多孔盖板、密封组件及五个开孔温箱壁；其中：
所述多孔盖板和所述五个开孔温箱壁上均设置有活塞杆入口；
所述多孔盖板上设置有两个循环风入口。
优选的，所述温控系统还包括：热源控制系统、直接加热装置、环境加热装置、冷却控制系统、冷却装置及温度检测装置；其中：
所述热源控制系统用于控制所述直接加热装置和所述环境加热装置工作；
所述冷却控制系统用于控制所述冷却装置工作。
优选的，所述直接加热装置包括：六个电加热管和六个加热背板；
所述环境加热装置包括：一个热风机；
所述冷却装置包括：六个冷却管；
所述温度检测装置包括：至少六个温度传感器；
所述电加热管设置于所述加热背板中，用于通过直接加热对所述试件的各个方向进行主要升温处理；
所述热风机用于通过升高环境温度对所述试件进行升温补偿；
所述温度传感器分别设置于所述温箱中和所述真三轴伺服加载系统的压板中；
所述加热背板的一侧与所述真三轴伺服加载系统的活塞杆相连；所述加热背板的另一侧贴装有一块所述压板；
所述冷却控制系统用于控制所述冷却管中的冷却液或冷气注入；
所述冷却管设置于所述压板内侧。
优选的，所述真三轴伺服加载系统包括：梁柱框架、五套伺服作动器、五套伺服分配器、一套伺服油源、一套伺服运动控制系统、液压系统辅料、自适应串联应力传感器、位移传感器、以及试件安装定位装置；其中：
所述试件安装定位装置设置于所述温箱底部；
所述梁柱框架用于支撑并使各个活塞杆和所述多孔盖板及所述试件安装定位装置实现可控移动；
所述伺服运动控制系统的输出通过相应的伺服分配器控制对应伺服作动器动作；
所述五套伺服作动器分别通过相应的活塞杆和压板实现对于所述试件的上方及水平方向的压力施加；
所述伺服油源与所述液压系统辅料用于实现所述五套伺服作动器对相应活塞杆的推动；
所述自适应串联应力传感器用于测量所述试件各个方向的应力；
所述位移传感器用于测量所述试件各个方向的位移。
优选的，所述自适应串联应力传感器包括：大量程压力传感器、小量程压力传感器、安装套、推力板及弹性体；其中：
所述小量程压力传感器设置于所述安装套内；
所述弹性体设置于所述安装套底部与所述小量程压力传感器之间；
所述推力板与所述安装套顶部之间设置有所述弹性体的变形间隙；
所述小量程压力传感器用于检测所述推力板的施加压力；
所述大量程压力传感器用于检测所述安装套的施加压力。
优选的，还包括：
自适应加载装置，设置于所述加热板与活塞杆之间，与活塞杆相连，用于消除所述试件表面的剪切应力。
优选的，所述自适应加载装置包括：四个水平方向组件及两个上下方向组件；其中：
所述水平方向组件包括：固定板、滑动板及滑动模块；滑动模块设置于固定板与滑动板之间，包括对应水平方向位移的多排滚柱带链；
上下方向组件包括：固定板、两个滑动板及两个滑动模块；其中一个滑动模块设置于固定板与一个滑动板之间，另一个滑动模块设置于两个滑动板之间，两个滑动模块分别为水平面上两个正交方向位移的多排滚柱带链。
优选的，所述压裂体泵送系统为超临界CO2的恒温恒压泵送系统。
优选的，所述超临界CO2的恒温恒压泵送系统包括：CO2钢瓶、低温恒温槽、恒速恒压泵、三通进样阀、两个放空阀以及两个压力传感器；其中：
所述CO2钢瓶通过过滤器与所述低温恒温槽相连；
所述低温恒温槽通过所述恒速恒压泵与所述三通进样阀的输入端相连；
所述三通进样阀的输出端接快速接头，作为所述超临界CO2的恒温恒压泵送系统的输出端；
所述两个压力传感器分别设置于所述低温恒温槽与所述恒速恒压泵中；
所述两个放空阀分别设置于所述低温恒温槽与所述恒速恒压泵中。
本发明提供的所述压裂过程应力冻结实验装置，通过温控系统对设置于其温箱中的试件根据光敏曲线按照预设温度梯度进行相应的升温和降温处理，以实现对于试件的应力冻结；通过真三轴伺服加载系统对试件进行固定和施加相应的压力；再通过输出端设置于所述温箱中的压裂体泵送系统对试件进行相应的压裂实验；由于试件为通过3D打印机打印得到的透明光敏模型，结合真三轴伺服加载系统的应力加载、温控系统精确温度控制下的应力冻结实验以及压裂体泵送系统的压裂实验，可实现对压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直观观测和透明显示。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的真三轴伺服加载系统的加载方向示意图；
图2是本发明另一实施例提供的温箱的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的温控系统的部分结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的真三轴伺服加载系统的外形示意图；
图5是本发明另一实施例提供的自适应串联应力传感器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的水平方向组件的结构示意图；
图7是本发明另一实施例提供的滑动模块的结构示意图；
图8是本发明另一实施例提供的自适应加载装置的初始位置示意图；
图9是本发明另一实施例提供的自适应加载装置的最终位置示意图；
图10是本发明另一实施例提供的上下方向组件的结构示意图；
图11是本发明另一实施例提供的超临界CO2的恒温恒压泵送系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种压裂过程应力冻结实验装置，以实现压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直接观测和透明显示。
具体的，该压裂过程应力冻结实验装置，包括：
温控系统，包括温箱101，用于对设置于温箱101中的试件根据光敏曲线按照预设温度梯度进行相应的升温和降温处理，以实现对于试件的应力冻结；该试件为通过3D打印机打印得到的透明光敏模型；
真三轴伺服加载系统，用于对试件进行固定和施加相应的压力；能够为试件提供三个方向互不相等的压应力，模拟深部低渗透储层岩石的真实受力状态。
压裂体泵送系统，输出端设置于温箱101中，用于对试件进行相应的压裂实验。
具体的工作原理为：
为模拟深部低渗透储层的三向应力条件，实现对真三轴应力状态的模拟，确保压裂实验的准确性，真三轴伺服加载系统，比如三轴液压伺服加载系统，需将其设计在一个可以进行高精度温度控制的温箱101内。
为了实现压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直观观测和透明显示，申请人提出可以对3D打印得到的光敏模型在压裂装置上进行压裂过程的应力冻结实验。
然而，应力冻结实验对冻结温度和应力条件均十分敏感，现有的压裂装置无论是控温手段和三轴加载精度都无法满足应力冻结实验的要求。
为了完成应力冻结实验，要实现精确升温和降温控制。因为3D打印得到的光敏模型与常规岩石材料不同，对温度的敏感性更强。因此，为实现应力冻结实验，对升温和将降温的控制精度也应更高。在具体的实际应用中，可以通过温控系统对设置于温箱101中的试件根据光敏模型的光敏曲线按照预设温度梯度进行相应的升温和降温处理，以实现对于试件的应力冻结。
具体的，加热过程中，可以采用对试件直接加热和环境温度控制相结合的方式，保证试件的温度条件得到准确的控制；通过均匀的热风循环系统，为尺寸为100×100×100mm的立方体试件提供环境温度，使温箱101内的温度均匀度为±3％。
真三轴伺服加载系统在实验中的真三轴加载过程，具体可以通过对如图1所示的+x、-x、+y、-y、+z五个方向对试件实施高精度的伺服加载，各个方向的加载系统可以独立操控工作，也可以通过程序控制，进行多通道的协同连续工作。具体的，三轴作用压强范围：x、y方向0～30MPa(双向加载)，行程50mm；Z方向0～50MPa(单向加载)，行程300mm；荷载加载精度≤±0.05％F.S；位移控制精度±0.02。同时，可以在+x、-x、+y、-y、+z、-z六个方向上设置高精度的应力和位移测量装置，精确的测量和反馈三个方向上的应力和位移的大小，并通过程序自动计算出试件的变形量。在x、y、z方向不同量程下的测量精度均可达±0.1％F.S。
本实施例提供的该压裂过程应力冻结实验装置，由于试件为通过3D打印机打印得到的透明光敏模型，通过3D打印技术，实现带有真实裂缝结构的应力冻结模型的制作，结合真三轴伺服加载系统的应力加载、温控系统精确温度控制下的应力冻结实验以及压裂体泵送系统的压裂实验，可实现压裂过程中复杂缝网起裂扩展时裂缝尖端应力场演化规律的直观观测和透明显示。
本发明另一实施例提供了一种具体的压裂过程应力冻结实验装置，在上述实施例及图1的基础之上，优选的，温箱101如图2所示，包括：多孔盖板111、密封组件及五个开孔温箱壁112；其中：
多孔盖板111和五个开孔温箱壁112上均设置有活塞杆入口121；
多孔盖板111上设置有两个循环风入口122。
优选的，温控系统如图3所示，包括：温箱、一个热源控制系统、六个电加热管102、一个热风机、六个压板103、六个加热背板104、至少六个温度传感器105、一个冷却控制系统及六个冷却管；其中：
六个电加热管102与六个加热背板104属于直接加热装置；
热风机属于环境加热装置；
六个冷却管属于冷却装置；
至少六个温度传感器105属于温度检测装置；
热源控制系统用于控制电加热管102和热风机工作；
电加热管102设置于加热背板104中，用于通过直接加热对试件的各个方向进行主要升温处理；
温度传感器分别设置于温箱101中和真三轴伺服加载系统压板103中；
热风机用于通过升高环境温度对试件进行升温补偿；
加热背板104的一侧与真三轴伺服加载系统的活塞杆相连；加热背板104的另一侧贴装有一块压板103；
冷却控制系统用于控制冷却管中的冷却液或冷气注入；
冷却管设置于压板103内侧，如图2中的106。
优选的，压板103与加热背板104均为100mm的正方形。
具体的，电加热管102的控制精度控制在0.1℃，而温度传感器精度可达±0.1℃。
考虑到传统的温箱101受到箱内进风口、出风口、格栅、箱内空间尖角等多种因素的影响，箱内温度很难保持均匀，为了解决这个问题，本实施例采用了厚钢板，即压板103，直接接触试件进行加热的方式，以确保热量均匀扩散和传导到样件内部。六面的厚钢板内内置了温度传感器，能够及时感知压板103温度的变化，再通过多通道的热源控制系统，每通道16组独立PID的控制方式，能够将温度差值变化控制在1℃以内。
为了保证温度控制稳定可靠，试件、试件表面接触的压头(包括加热背板104和压板103)、伺服缸部分活塞杆被安置在一个具有恒温控制的温箱101内；温箱101侧壁、底板以及顶部盖板独立加工，最后采用刚性骨架支撑连接。
为实现升温处理，在与试件六个表面直接接触的压头中设计独立的加热系统，对试件直接加热。热源产生的温度会略低于试件的目标温度，这个温差通过控制热风机使温箱101内的环境温度升高进行补偿。同时，在六个压头内，具体为压板103内，均布置有温度传感器，对试件表面的温度进行直接监测和综合评定，保证高效精确的反馈试件表面的温度数据来控制加温系统工作；基于温箱101内循环风流动的原理，在恒温箱顶部的多孔盖板111上，设置两个循环风入口122，在箱内形成循环流动的热风系统，保证温箱内环境温度的均匀性。箱体内应该同样设有温度传感器，对温箱101内的环境温度进同步监测，配合压头内的温度数据，来对试件的升温和降温过程进行控制。
为实现降温处理，温箱101侧壁内均匀的分布不锈钢管，即图2所示的冷却管106，通过向管内均匀的注入冷却液或者吹入可循环流动的冷空气，结合温箱101内的循环风系统，实现温箱101内均匀的降温过程。由于冷风的温度和吹入速度精确可控，利用压头和温箱101内温度传感器的温度数据，可以精确控制试件的降温过程。
其余工作原理与上述实施例相同，此处不再赘述。
本发明另一实施例还提供了另外一种具体的压裂过程应力冻结实验装置，在上述实施例及图1至图3的基础之上，优选的，真三轴伺服加载系统包括：梁柱框架、五套伺服作动器、五套伺服分配器、一套伺服油源、一套伺服运动控制系统、液压系统辅料、自适应串联应力传感器、位移传感器、以及试件安装定位装置；其中：
试件安装定位装置设置于温箱底部；
梁柱框架用于支撑并使各个活塞杆和多孔盖板及试件安装定位装置实现可控移动；
伺服运动控制系统的输出通过相应的伺服分配器控制对应伺服作动器动作；
五套伺服作动器分别通过相应的活塞杆和压板实现对于试件的上方及水平方向的压力施加；
伺服油源与液压系统辅料用于实现五套伺服作动器对相应活塞杆的推动；
自适应串联应力传感器用于测量试件各个方向的应力；
位移传感器用于测量试件各个方向的位移。
最终实现的真三轴伺服加载系统外形如图4所示。
优选的，自适应串联应力传感器，参见图5，包括：大量程压力传感器211、小量程压力传感器212、安装套213、推力板214及弹性体215；其中：
小量程压力传感器212设置于安装套213内；
弹性体215设置于安装套213底部与小量程压力传感器212之间；
推力板214与安装套213顶部之间设置有弹性体215的变形间隙216；
小量程压力传感器212用于检测推力板214的施加压力；
大量程压力传感器211用于检测安装套213的施加压力。
本设备的液压伺服加载装置在水平两个方向上的设计压力能力为300KN，在一个加载方向上设置两个相对的液压缸。竖直方向的设计压力能力为500KN，采用底部固定，上部伺服加载的方案，加载的精度≤±0.05％F.S。施加在试件上的应力值通过压力传感器进行采集和反馈。为了实现试件在温箱101内的准确定位，温箱101的顶板可以随竖直方向的压杆整体提升和下降，实现温箱的开合。而在竖直压杆下方设有刚度良好的可升降平台，用于试件的安装。试件随平台降下，准确定位到水平方向四个液压伺服加载杆的中心位置，在三轴加载系统中就位，通过试件安装定位装置实现试件的安装。
由于在不同的量程下，压力传感器会产生一定的线性误差，因此，本实施例选用多段式压力传感器，最大限度的减小线性误差。传统三轴加载实验中，为了使压板102和试件紧密贴合，并且使试件就位，在施加目标压强之前会对试件一定的预应力。但是在压裂实验和应力冻结实验中所用的3D打印模型的力学性质，与真实的岩石材料之间具有一定的差异性，尤其在应力冻结实验中可能会选用10KN甚至更低的目标压强，如果施加过大的初始预应力会对实验结果产生较大的影响。因此，为提高实验的精度，必须保证每次实验过程中施加的初始预应力极小。根据多次反复开展的应力冻结实验结果，得到较佳的初始施加的压力应控制在2KN以内。然后，对于依据极限压力值选取的压力传感器，其本身是一个刚性很强的弹性体，2KN的力在这个量程的传感器上是识别精度较低，这给试件初始加载精度的控制带来了困难。因此，为了解决这一问题，本实施例在大量程的应力传感器上串联一个小量程的压力传感器，并通过机械结构对小量程传感器进行过载保护，然后利用控制程序对大、小量程的传感器的数据采集进行自动切换。
具体的，当施加2KN以下的载荷时，力通过小量程压力传感器212和弹性体215、安装套213，传递到大量程压力传感器211上，但程序从2KN的小量程压力传感器212读取数据；当载荷逐渐加大，弹性体215开始变形，当达到2KN时，弹性体215的变形间隙216消失，小量程压力传感器212不再被压缩变形，以避免小量程压力传感器212的损坏；此时作用的载荷通过安装套213，直接将力传导到大量程压力传感器211上，此时，程序自动切换，读取大量程压力传感器211的数据。也即，本实施例通过自适应串联应力传感器，既解决了小载荷无法分辨的问题，也实现了试件的自动对中。
本发明另一实施例还提供了另外一种压裂过程应力冻结实验装置，在上述实施例及图1至图5的基础之上，还包括：
自适应加载装置，设置于加热板与活塞杆之间，与活塞杆相连，用于消除试件表面的剪切应力。
优选的，该自适应加载装置包括：四个水平方向组件及两个上下方向组件；其中：
水平方向组件如图6所示，包括：固定板401、滑动板402及滑动模块403；滑动模块403设置于固定板401与滑动板402之间，包括对应水平方向位移的多排滚柱带链；
上下方向组件包括：固定板、两个滑动板及两个滑动模块；其中一个滑动模块设置于固定板与一个滑动板之间，另一个滑动模块设置于两个滑动板之间，两个滑动模块分别为水平面上两个正交方向位移的多排滚柱带链。
对立方体试件的三向加载可以分为水平和竖直两个方向，因此，该自适应加载装置由水平自适应加载装置和高承载浮动平台组成。
为了消除水平两个方向的剪切应力，设计水平方向组件，使其可以随试件变形一起运动。在试件被压紧的过程中，保证压头可以沿试件可能发生形变的方向一起滑动，在整个过程中都能与试件表面紧密贴合，不会产生相对运动，同时又能准确的传递伺服缸压杆提供的作用于试件表的正应力。这就要求压头本身可以沿与试件表面平行的方向自由滑动。因此，压头由可相对滑动的两部分(固定板401和滑动板402)组成，中间设置摩擦系数极小的滑动模块(主承载液柱链带403)进行连接。这样的机构需要克服两个主要的问题：第一，滑动模块需要具有300KN以上的承载能力，保证在300KN的载荷下，不会发生变形甚至破坏；第二，能够将摩擦系数降到极小值，保证在较大的正应力条件下，仍然能够随试件自由滑动。如图7所示，单个滑动模块由多排滚柱带链431组成。为了将摩擦系数减小到最大，拟并排设计5排长度150毫米的带链，每套滚柱带链可以承载65.2KN的动态载荷，静态载荷可以达到212KN，将5套并联使用后，可以承受的动态载荷不小于300KN。同时，这也导致仅100×100mm的截面积不能满足要求；因此滑动模块403的两部分被设计成变截面的形式，如图6所示。与试件紧密贴合的为100×100mm标准平面压板，其中布置有上述实施例中所述的加热背板和压板。在与水平方向组件的连接处，固定板401的截面积将变为150×150mm。同时，在固定板401和滑动板402的两端设有复位弹簧片404，在外载卸掉后推动两侧的固定板401和滑动板402回到初始状态。
在立方体试件安装到位后，自适应加载装置会在试件水平方向的四个面上紧密贴合，形成图8所示的结构形式。紧贴试件的固定板401其一侧伸出，作用到与其相邻的垂直方向的固定板401上，形成一个完整的闭环。当有正应力传来时，四块固定板401会相互作用，沿各自的滑动模块403开始平行滑动，并不断挤压试件，形成图9所示的最终状态，使试件达到目标压力。整个过程中压板表面和试件表面没有相对运动，与试件表面平行的剪应力由于压头的相对滑动而被最大程度的消减。
为了消减试件竖直方向剪应力的影响，考虑到水平方向加载过程中，试件两侧的变形可能会有所不同，因此导致试件偏离原有的轴心，超出上下压板的作用范围，为了消除试件上下表面的剪切力，同时保证上下压板能准确的作用到试件表面，在底部支撑结构和上部压头上设置水平双向的浮动平台，即上下方向组件。核心关键是在确保平台承受500KN的载荷条件下，能够自如的沿水平两个方向自由移动。
上下方向组件同样采用设置滑动模块的方法，将上述单侧设置的滑动模块的数量变为两个，两个滑动模块滚动链带的运动方向正好正交，保证上下方向组件具有水平两个方向的自由度。图10展示了底座上设置的浮动平台的示意图。上部突出的部分为试件的载物台，其下部的平台部分设有两个正交的滑动模块(图10中的X向滚柱带链和Y向滚柱带链)，并且每个滑动模块的边缘同样设置有复位弹簧片，当外力卸载之后，复位弹簧片会将上层的滑动板(图10中的X向滑动板或者Y向滑动板)拨回到与固定板(图10中的固定基座)初始状态。而在上部压头上设置有同样的具有双向自由度的平台，保证和底部平台协同运动。
因此，本发明另一实施例还提供了另外一种压裂过程应力冻结实验装置，在上述实施例及图1至图10的基础之上，压裂体泵送系统可以为各种介质多相态的压裂泵送系统，比如多种气体、高温高压蒸汽、水力及超临界态的压裂泵送系统。
优选的，压裂体泵送系统为超临界CO2的恒温恒压泵送系统。
并且，优选的，超临界CO2的恒温恒压泵送系统参见图11，包括：CO2钢瓶、低温恒温槽、恒速恒压泵、三通进样阀、两个放空阀以及两个压力传感器；其中：
CO2钢瓶通过过滤器与低温恒温槽相连；
低温恒温槽通过恒速恒压泵与三通进样阀的输入端相连；
三通进样阀的输出端接快速接头，作为超临界CO2的恒温恒压泵送系统的输出端；
两个压力传感器分别设置于低温恒温槽与恒速恒压泵中；
两个放空阀分别设置于低温恒温槽与恒速恒压泵中。
该超临界CO2的恒温恒压泵送系统配合真三轴加载系统完成三维压裂实验。具体的，泵体设置储气罐和外置CO2钢瓶相连，每次实验前都将储气罐中的提起填满。泵体设计容积为250mL。拟采用伺服电机配合可编程控制器对泵的进、退、调速、调压等进行精确控制，实现0～70MPa的工作压力，并且借助输出压力曲线的方式显示液体流速、流量以及压力的实时变化。另一方面，考虑到要实现超临界CO2的注入，而CO2只有在温度达到31.06℃，压力达到7.38MPa时才会进入超临界状态。压力条件可以通过推动活塞使腔体内的CO2气体压力上升达到。而为了达到相应的温度条件，为泵体配备一个低温恒温系统，保证温度可以在－5～100℃的范围内变化，同时设置超温保护，当超出限定温度之后，会自动切断电加热系统，确保仪器安全。
与水力压裂技术相比，相关研究表明：超临界CO2压裂会提高压裂缝网的复杂程度。因此，为了揭示压裂缝网的起裂扩展机理，需要准确的掌握和认识复杂缝网起裂扩展过程中裂缝尖端应力场的演化规律。
申请人通过研究将3D打印与应力冻结技术、超临界CO2恒温恒压输出相结合，应用于复杂裂隙岩石内部三维应力场的定量与可视化表征，即可准确的掌握和定量化表征超临界CO2压裂过程中的应力场演化规律；为利用物理模型实验方法直观观测和透明显示复杂固体结构内部三维应力场分布与演化规律开辟了新的途径，也为验证复杂固体结构内部三维应力场数值模拟分析的准确性提供了新的手段。
具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，包括：
温控系统，包括温箱，用于对设置于所述温箱中的试件根据光敏曲线按照预设温度梯度进行相应的升温和降温处理，以实现对于所述试件的应力冻结；所述试件为通过3D打印机打印得到的透明光敏模型；所述光敏曲线为所述光敏模型的光敏曲线；
真三轴伺服加载系统，用于对所述试件进行固定和施加相应的压力；
压裂体泵送系统，输出端设置于所述温箱中，用于对所述试件进行相应的压裂实验。
2.根据权利要求1所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述温箱包括：多孔盖板、密封组件及五个开孔温箱壁；其中：
所述多孔盖板和所述五个开孔温箱壁上均设置有活塞杆入口；
所述多孔盖板上设置有两个循环风入口。
3.根据权利要求1所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述温控系统还包括：热源控制系统、直接加热装置、环境加热装置、冷却控制系统、冷却装置及温度检测装置；其中：
所述热源控制系统用于控制所述直接加热装置和所述环境加热装置工作；
所述冷却控制系统用于控制所述冷却装置工作。
4.根据权利要求3所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述直接加热装置包括：六个电加热管和六个加热背板；
所述环境加热装置包括：一个热风机；
所述冷却装置包括：六个冷却管；
所述温度检测装置包括：至少六个温度传感器；
所述电加热管设置于所述加热背板中，用于通过直接加热对所述试件的各个方向进行主要升温处理；
所述热风机用于通过升高环境温度对所述试件进行升温补偿；
所述温度传感器分别设置于所述温箱中和所述真三轴伺服加载系统的压板中；
所述加热背板的一侧与所述真三轴伺服加载系统的活塞杆相连；所述加热背板的另一侧贴装有一块所述压板；
所述冷却控制系统用于控制所述冷却管中的冷却液或冷气注入；
所述冷却管设置于所述压板内侧。
5.根据权利要求2所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述真三轴伺服加载系统包括：梁柱框架、五套伺服作动器、五套伺服分配器、一套伺服油源、一套伺服运动控制系统、液压系统辅料、自适应串联应力传感器、位移传感器、以及试件安装定位装置；其中：
所述试件安装定位装置设置于所述温箱底部；
所述梁柱框架用于支撑并使各个活塞杆和所述多孔盖板及所述试件安装定位装置实现可控移动；
所述伺服运动控制系统的输出通过相应的伺服分配器控制对应伺服作动器动作；
所述五套伺服作动器分别通过相应的活塞杆和压板实现对于所述试件的上方及水平方向的压力施加；
所述伺服油源与所述液压系统辅料用于实现所述五套伺服作动器对相应活塞杆的推动；
所述自适应串联应力传感器用于测量所述试件各个方向的应力；
所述位移传感器用于测量所述试件各个方向的位移。
6.根据权利要求5所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述自适应串联应力传感器包括：大量程压力传感器、小量程压力传感器、安装套、推力板及弹性体；其中：
所述小量程压力传感器设置于所述安装套内；
所述弹性体设置于所述安装套底部与所述小量程压力传感器之间；
所述推力板与所述安装套顶部之间设置有所述弹性体的变形间隙；
所述小量程压力传感器用于检测所述推力板的施加压力；
所述大量程压力传感器用于检测所述安装套的施加压力。
7.根据权利要求2所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，还包括：
自适应加载装置，设置于所述加热板与活塞杆之间，与活塞杆相连，用于消除所述试件表面的剪切应力。
8.根据权利要求7所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述自适应加载装置包括：四个水平方向组件及两个上下方向组件；其中：
所述水平方向组件包括：固定板、滑动板及滑动模块；滑动模块设置于固定板与滑动板之间，包括对应水平方向位移的多排滚柱带链；
上下方向组件包括：固定板、两个滑动板及两个滑动模块；其中一个滑动模块设置于固定板与一个滑动板之间，另一个滑动模块设置于两个滑动板之间，两个滑动模块分别为水平面上两个正交方向位移的多排滚柱带链。
9.根据权利要求1所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述压裂体泵送系统为超临界CO2的恒温恒压泵送系统。
10.根据权利要求1所述的压裂过程应力冻结实验装置，其特征在于，所述超临界CO2的恒温恒压泵送系统包括：CO2钢瓶、低温恒温槽、恒速恒压泵、三通进样阀、两个放空阀以及两个压力传感器；其中：
所述CO2钢瓶通过过滤器与所述低温恒温槽相连；
所述低温恒温槽通过所述恒速恒压泵与所述三通进样阀的输入端相连；
所述三通进样阀的输出端接快速接头，作为所述超临界CO2的恒温恒压泵送系统的输出端；
所述两个压力传感器分别设置于所述低温恒温槽与所述恒速恒压泵中；
所述两个放空阀分别设置于所述低温恒温槽与所述恒速恒压泵中。
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