CN110243689B - 一种硬岩真三轴co2爆燃压裂实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，包括：硬岩真三轴加载单元：用于对岩体表面施加预应力；CO2爆燃冲压单元：用于在岩体内激发CO2聚能剂在二氧化碳中的燃烧放热反应，产生瞬态高压气体冲击波；高速摄像量测单元：用于采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的动态应变、瞬态压力参数，及岩体表面形变图像信息；数据传输单元：用于传输动荷载变形与高速摄像量测单元采集的参数。能够模拟深部地层环境，实现一种安全、环保，冲击波可控的动态破岩方法。采集动态应变、瞬态压力参数，及岩体表面形变图像信息，用于开展硬岩气动耦合荷载作用下预应力岩体的动态破碎机制及破裂形态研究。
Description
技术领域
本发明属于高压气体膨胀破岩技术领域，具体涉及一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置及其方法。
背景技术
随着非常规油气资源开采深度增加，深部岩体地层应力严重制约了传统水力压裂破岩增渗的效果，应力主导型裂缝限制了裂缝网络的产生。利用高能气体动态破裂岩石是有效改善水力压裂效果，提高体积裂缝形成的关键技术。
和传统水力压裂实验不同，爆破冲击荷载作用下硬岩（例如花岗岩）的真三轴气动压裂实验装置及方法还存在难点问题。首先，是爆破冲击荷载的施加问题，传统炸药采购、使用和存储十分不便，此外，炸药在实用过程中也具有爆炸危险性，给实验操作带来安全隐患。其次，在真三轴条件下爆破冲击破岩过程中岩石动态应变采集和高速摄像问题。
为此，本发明提出采用液态二氧化碳气体的相变膨胀作用破裂岩石，并利用发明人研发的二氧化碳聚能剂作为发热药，安全、环保、无爆炸危险性。利用专利干冰粉CO2爆燃压裂破岩系统的思路，在传统真三轴水力压裂方法的基础上，增加二氧化碳爆燃冲压模块，并利用“两硬一软”相结合的预应力施加方案，解决真三轴实验方案岩石破裂动态应变监测难的问题。
因此，本发明针对上述问题，提出了一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置及其方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，包括：
硬岩真三轴加载单元：设于岩体外部，用于模拟地下环境，对岩体表面施加预应力；
CO2爆燃冲压单元：设于岩体内，用于在岩体内激发CO2聚能剂在二氧化碳中的燃烧放热反应，产生瞬态高压气体冲击波；
高速摄像量测单元：设于岩体外部，用于采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的动态应变、瞬态压力参数，及岩体表面形变图像信息；
数据传输单元：设于岩体外部，用于传输高速摄像量测单元采集的参数及图像信息。
进一步地，所述硬岩真三轴加载单元包括一对强预应力加载单元和一弱预应力加载单元，一对强预应力加载单元分别设于岩体的顶部和底部，弱预应力加载单元设于岩体的四周。
进一步地，所述一对强预应力加载单元包括顶部液压油缸和底部液压油缸，底部液压油缸的推杆处设有底部加载块，顶部液压油缸的推杆处依次设有顶部加载板。
进一步地，所述弱预应力加载单元包括高压液压油腔室、液压油注入管和液压油腔室，高压液压油腔室和液压油腔室通过液压油注入管连接。
进一步地，还包括推送液压油缸和定向推杆，推送液压油缸连接定向推杆，定向推杆连接岩体，推送液压油缸用于通过定向推杆调整岩体位置。
进一步地，所述CO2爆燃冲压单元包括充气口管线、点火线、致裂管、CO2聚能剂和加热温控器，致裂管设于岩体内，充气口管线一端设于岩体外部，另一端连接致裂管，点火线、CO2聚能剂和加热温控器均设于致裂管内。
进一步地，所述高速摄像量测单元包括动态应变片、高速摄像标记点、声波传感器、高压透视窗和高速摄像机，动态应变片、高速摄像标记点和声波传感器均设于岩体表面，高压透视窗设于高压液压油腔室内靠近岩体的一侧，高速摄像机连接高压透视窗。
进一步地，所述数据传输单元包括：一对高压密封接线端子和数据获取系统，高压密封接线端子设于高压液压油腔室内，一对高压密封接线端子的一端分别连接动态应变片和声波传感器，另一端连接数据获取系统。
进一步地，所述岩体表面设有密封胶套，密封胶套用于套装动态应变片和声波传感器。
进一步地，一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验方法，包括以下步骤：
S1: 岩体实验部件安装，筛选符合实验条件的岩体，并将动态应变片、高速摄像标记点、声波传感器固定在岩体表面,致裂管固定在岩体内，CO2聚能剂、加热温控器放置在致裂管内；
S2：预应力加载，将安装好实验部件的岩体通过液压油缸推送至液压油腔室，并通过液压油注入管注入高压液压油从岩体四周施加弱预应力，通过顶部液压油缸和底部液压油缸分别从岩体顶部和底部施加强预应力；
S3：低温液态CO2注入，低温液态CO2通过充气口管线注入致裂管内至预置初始压力；
S4：电加热棒加热控温，接通加热控温器，加热10-20分钟，使液态CO2温度至指定初始温度；
S5：电火花激发CO2聚能混相流体爆燃，接通点火线产生电火花，激发CO2聚能剂在二氧化碳中的燃烧放热反应；
S6：瞬态压力、应变动态测量及岩体形变图像拍摄，通过动态应变片采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的动态应变参数，通过声波传感器采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的瞬态压力参数，通过高速摄像机透过高压透视窗拍摄岩体高速摄像标记点处形变图像。
S7:数据获取，动态应变片和声波传感器分别连接高压密封接线端子，高压密封接线端子连接数据获取系统，获取动态应变参数和瞬态压力参数；
S8：实验完成，更改岩体样本，重复实验步骤S1- S7。
本发明具有的有益效果：
1. 通过设置硬岩真三轴加载单元，从岩体顶部与底部施加强预应力，从岩体四周施加弱预应力，能够模拟深部地层环境。
2. 通过设置CO2爆燃冲压单元，在岩体内激发CO2聚能剂在二氧化碳中的燃烧放热反应，实现一种安全、环保，冲击波可控的动态破岩方法。
3. 通过设置高速摄像量测单元来采集动态应变、瞬态压力参数，及岩体表面形变图像信息，用于开展硬岩气动耦合荷载作用下预应力岩体的动态破碎机制及破裂形态研究。
附图说明
图1是本发明一个优选实施例的结构示意图。
附图标记：
推送液压油缸1-1、高压液压油腔室1-2、底部液压油缸1-3、定向推杆1-4、顶部液压油缸1-5、顶部加载板1-6、减摩滚珠1-7、密封胶套1-8、岩体1-9、液压油注入管1-10、底部加载块1-11、高压密封接线端子1-12、液压油腔室1-13、充气口管线2-1、点火线2-2、致裂管2-3、CO2聚能剂2-4、加热温控器2-5、动态应变片3-1、高速摄像标记点3-2、声波传感器3-3、高压透视窗3-4、高速摄像机3-5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，包括：
硬岩真三轴加载单元：设于岩体1-9外部，用于模拟地下环境，对岩体1-9表面施加预应力；
CO2爆燃冲压单元：设于岩体1-9内，用于在岩体1-9内激发CO2聚能剂在二氧化碳中的燃烧放热反应，产生瞬态高压气体冲击波；
高速摄像量测单元：设于岩体1-9外部，用于采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体1-9的动态应变、瞬态压力参数，及岩体1-9表面形变图像信息；
数据传输单元：设于岩体1-9外部，用于传输高速摄像量测单元采集的参数及图像信息。
硬岩真三轴加载单元包括一对强预应力加载单元和一弱预应力加载单元，一对强预应力加载单元分别设于岩体1-9的顶部和底部，弱预应力加载单元设于岩体1-9的四周。一对强预应力加载单元包括顶部液压油缸1-5和底部液压油缸1-3，底部液压油缸1-3的推杆处设有底部加载块1-11，通过底部液压油缸1-3推动底部加载块1-11对岩体1-9底部施加强预应力，同时，顶部液压油缸1-5的推杆处设有顶部加载板1-6, 通过顶部液压油缸1-5推动顶部加载板1-6对岩体1-9顶部施加强预应力。顶部加载板1-6的底端还设有减摩滚珠1-7，用于降低加载过程中表面摩擦阻力。
弱预应力加载单元包括高压液压油腔室1-2、液压油注入管1-10和液压油腔室1-13，高压液压油腔室1-2和液压油腔室1-13通过液压油注入管1-10连接，高压液压油腔室1-2设有注入口，通过注入口向高压液压油腔室1-2注入液压油，在通过液压油注入管1-10注入液压油腔室1-13，液压油腔室1-13注满后岩体1-9浸在液压油中，油压对岩体1-9四周形成弱预应力。
本申请的实验装置还包括推送液压油缸1-1和定向推杆1-4，推送液压油缸1-1连接定向推杆1-4，定向推杆1-4连接岩体1-9，推送液压油缸1-1用于通过定向推杆1-4将岩体1-9推送至液压油腔室1-13内，并调整位置。
CO2爆燃冲压单元包括充气口管线2-1、点火线2-2、致裂管2-3、CO2聚能剂2-4和加热温控器2-5，致裂管2-3设于岩体1-9内，充气口管线2-1一端设于岩体1-9外部，另一端连接致裂管2-3，点火线2-2、CO2聚能剂2-4和加热温控器2-5设于致裂管2-3内，点火线2-2和加热温控器2-5分别通过电线连接外部电源。低温液态CO2通过充气口管线2-1注入致裂管2-3，接通加热控温器2-5，加热10-20分钟，使液态CO2温度至指定初始温度，接通点火线2-2产生电火花，激发CO2聚能剂2-4在二氧化碳中的燃烧放热反应。为保证致裂管2-3的气密性，致裂管2-3接线处均设有密封结构。
高速摄像量测单元包括动态应变片3-1、高速摄像标记点3-2、声波传感器3-3、高压透视窗3-4和高速摄像机3-5，动态应变片3-1、高速摄像标记点3-2和声波传感器3-3均设于岩体1-9表面，岩体1-9表面还设有密封胶套1-8，密封胶套1-8用于套装动态应变片3-1和声波传感器3-3，高压透视窗3-4设于高压液压油腔室1-2内靠近岩体1-9的一侧，高速摄像机3-5连接高压透视窗3-4。通过动态应变片3-1采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的动态应变参数，通过声波传感器3-3采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的瞬态压力参数，通过高速摄像机3-5透过高压透视窗3-4拍摄岩体1-9高速摄像标记点3-2处形变图像。
数据传输单元包括：一对高压密封接线端子1-12和数据获取系统，高压密封接线端子1-12设于高压液压油腔室1-2内，一对高压密封接线端子1-12的一端分别连接动态应变片3-1和声波传感器3-3，另一端连接数据获取系统，从而获取动态应变参数和瞬态压力参数。
一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验方法，包括以下步骤：
S1: 岩体实验部件安装，筛选符合实验条件的岩体1-9，并将动态应变片3-1、高速摄像标记点3-2、声波传感器3-3固定在岩体1-9表面,致裂管2-3固定在岩体1-9内，CO2聚能剂2-4、加热温控器2-5放置在致裂管2-3内；
S2：预应力加载，将安装好实验部件的岩体1-9通过液压油缸1-1推送至液压油腔室1-13，并通过液压油注入管1-10注入高压液压油从岩体1-9四周施加弱预应力，通过顶部液压油缸1-5和底部液压油缸1-3分别从岩体1-9顶部和底部施加强预应力；
S3：低温液态CO2注入，低温液态CO2通过充气口管线2-1注入致裂管2-3内至预置初始压力；
S4：电加热棒加热控温，接通加热控温器2-5，加热10-20分钟，使液态CO2温度至指定初始温度；
S5：电火花激发CO2聚能混相流体爆燃，接通点火线2-2产生电火花，激发CO2聚能剂2-4在二氧化碳中的燃烧放热反应；
S6：瞬态压力、应变动态测量及岩体形变图像拍摄，通过动态应变片3-1采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的动态应变参数，通过声波传感器3-3采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的瞬态压力参数，通过高速摄像机3-5透过高压透视窗3-4拍摄岩体1-9高速摄像标记点3-2处形变图像。
S7:数据获取，动态应变片3-1和声波传感器3-3分别连接高压密封接线端子1-12，高压密封接线端子1-12连接数据获取系统，获取动态应变参数和瞬态压力参数；
S8：实验完成，更改岩体样本，重复实验步骤S1-S7。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，其特征在于，包括：
硬岩真三轴加载单元：设于岩体（1-9）外部，用于模拟地下环境，对岩体（1-9）表面施加预应力；所述硬岩真三轴加载单元包括一对强预应力加载单元和一弱预应力加载单元，一对强预应力加载单元分别设于岩体（1-9）的顶部和底部，弱预应力加载单元设于岩体（1-9）的四周; 所述一对强预应力加载单元包括顶部液压油缸（1-5）和底部液压油缸（1-3），底部液压油缸（1-3）的推杆处设有底部加载块（1-11），顶部液压油缸（1-5）的推杆处设有顶部加载板（1-6）; 所述弱预应力加载单元包括高压液压油腔室（1-2）、液压油注入管（1-10）和液压油腔室（1-13），高压液压油腔室（1-2）和液压油腔室（1-13）通过液压油注入管（1-10）连接, 还包括推送液压油缸（1-1）和定向推杆（1-4），推送液压油缸（1-1）连接定向推杆（1-4），定向推杆（1-4）连接岩体（1-9），推送液压油缸（1-1）用于通过定向推杆（1-4）调整岩体（1-9）位置;
CO2爆燃冲压单元：设于岩体（1-9）内，用于在岩体（1-9）内激发CO2聚能剂在二氧化碳中的燃烧放热反应，产生瞬态高压气体冲击波；所述CO2爆燃冲压单元包括充气口管线（2-1）、点火线（2-2）、致裂管（2-3）、CO2聚能剂（2-4）和加热温控器（2-5），致裂管（2-3）设于岩体（1-9）内，充气口管线（2-1）一端设于岩体（1-9）外部，另一端连接致裂管（2-3），点火线（2-2）、CO2聚能剂（2-4）和加热温控器（2-5）均设于致裂管（2-3）内；
高速摄像量测单元：设于岩体（1-9）外部，用于采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体（1-9）的动态应变、瞬态压力参数，及岩体（1-9）表面形变图像信息；
数据传输单元：设于岩体（1-9）外部，用于传输高速摄像量测单元采集的参数及图像信息。
2.根据权利要求1所述的一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述高速摄像量测单元包括动态应变片（3-1）、高速摄像标记点（3-2）、声波传感器（3-3）、高压透视窗（3-4）和高速摄像机（3-5），动态应变片（3-1）、高速摄像标记点（3-2）和声波传感器（3-3）均设于岩体（1-9）表面，高压透视窗（3-4）设于高压液压油腔室（1-2）内靠近岩体（1-9）的一侧，高速摄像机（3-5）连接高压透视窗（3-4）。
3.根据权利要求2所述的一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述数据传输单元包括：一对高压密封接线端子（1-12）和数据获取系统，高压密封接线端子（1-12）设于高压液压油腔室（1-2）内，一对高压密封接线端子（1-12）的一端分别连接动态应变片（3-1）和声波传感器（3-3），另一端连接数据获取系统。
4.根据权利要求3所述的一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置，其特征在于，所述岩体（1-9）表面设有密封胶套（1-8），密封胶套（1-8）用于套装动态应变片（3-1）和声波传感器（3-3）。
5.根据权利要求4所述的一种硬岩真三轴CO2爆燃压裂实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1: 岩体实验部件安装，筛选符合实验条件的岩体（1-9），并将动态应变片（3-1）、高速摄像标记点（3-2）、声波传感器（3-3）固定在岩体（1-9）表面,致裂管（2-3）固定在岩体（1-9）内，CO2聚能剂（2-4）、加热温控器（2-5）放置在致裂管（2-3）内；
S2：预应力加载，将安装好实验部件的岩体（1-9）通过推送液压油缸（1-1）推送至液压油腔室（1-13），并通过液压油注入管（1-10）注入高压液压油从岩体（1-9）四周施加弱预应力，通过顶部液压油缸（1-5）和底部液压油缸（1-3）分别从岩体（1-9）顶部和底部施加强预应力；
S3：低温液态CO2注入，低温液态CO2通过充气口管线（2-1）注入致裂管（2-3）内至预置初始压力；
S4：电加热棒加热控温，接通加热控温器（2-5），加热10-20分钟，使液态CO2温度至指定初始温度；
S5：电火花激发CO2聚能混相流体爆燃，接通点火线（2-2）产生电火花，激发CO2聚能剂（2-4）在二氧化碳中的燃烧放热反应；
S6：瞬态压力、应变动态测量及岩体形变图像拍摄，通过动态应变片（3-1）采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的动态应变参数，通过声波传感器（3-3）采集CO2爆燃冲压过程中气动荷载耦合作用下预应力岩体的瞬态压力参数，通过高速摄像机（3-5）透过高压透视窗（3-4）拍摄岩体（1-9）高速摄像标记点（3-2）处形变图像;
S7:数据获取，动态应变片（3-1）和声波传感器（3-3）分别连接高压密封接线端子（1-12），高压密封接线端子（1-12）连接数据获取系统，获取动态应变参数和瞬态压力参数；
S8：实验完成，更改岩体（1-9）样本，重复实验步骤S1- S7。
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