CN110308046A - 固流耦合相似模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固流耦合技术领域，提供一种固流耦合相似模拟试验装置，包括：底座、竖向压力加载装置、微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置，竖向压力加载装置与底座之间置有待施压的试件，微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置分别置于试件相对侧，试件内预先布置有水力压裂注射管。本发明提供的固流耦合相似模拟试验装置，通过在试件内预置水力压裂注射管，并且在试件的相对两侧分别设置微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置，通过水力压裂的方式能够更真实地模拟实际开采过程中的裂纹扩展，同时利用裂纹的宏观图像和微观图像结合的方式对裂纹的演化过程进行精确的分析，以提高裂纹扩展演化数据分析的准确性，为实际的开采作业提供可靠的分析数据。
Description
技术领域
本发明涉及固流耦合技术领域，更具体地，涉及一种固流耦合相似模拟试验装置。
背景技术
近年来，随着能源需求量的日益增大，油气和煤炭等资源的持续开发对于经济社会的发展显得尤为重要。由于油气和煤层开采后岩层移动具有不可见性，很难对岩层移动变形规律进行直接的观察。目前，研究开采过程中的岩层移动变形规律的主要方法为物理相似模拟实验。
目前物理相似模拟试验广泛应用于开采上覆岩层的移动规律的研究，且固流耦合相似模拟实验技术已日趋成熟。固流耦合是分别描述流体动力学和固体力学的定律之间的多物理相场耦合，这种现象的特点是变形结构或运动介质与周围或内部的流体流动之间的相互作用，这种相互作用既可以是稳定的，也可以是振荡的。当流动的流体与固体介质接触时，固体会受到应力和应变作用，这些力会使结构产生变形。变形的大小取决于流体的压力、流速以及实际结构的材料属性等。利用固流耦合相似模拟试验，能够对岩层结构内部的裂纹进行演化扩展分析，从而为实际的油气开采作业提供相关的数据支撑。
但现在的多数相似模拟实验平台将试件置于注有水的实验舱中进行外部施压，让水自然进入相应的试件裂纹中，然后利用传统的压力传感器和应变传感器等检测元件对试件的裂纹渗透情况进行模拟分析，一方面无法向试件内部施加压力而影响最终的裂纹形成，另一方面通过压力等检测数据很难精确分析微观裂纹的扩展演化过程，其裂纹演化数据模拟的准确性较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例提供一种固流耦合相似模拟试验装置，以提高试件裂纹演化数据模拟的准确性。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种固流耦合相似模拟试验装置，包括：底座、竖向压力加载装置、微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置，所述竖向压力加载装置固定在所述底座上，所述竖向压力加载装置与所述底座之间置有待施压的试件，所述微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置分别置于所述试件的相对侧，所述试件内预先布置有水力压裂注射管，所述水力压裂注射管与外部的水力压裂加载装置相连；
其中，所述微观裂纹获取装置用于获取所述试件在分段水力压裂试验中的微观裂纹图像，所述裂纹图像获取装置用于获取所述试件在分段水力压裂试验中的宏观裂纹图像。
优选地，所述固流耦合相似模拟试验装置还包括图像数据处理装置，所述微观裂纹获取装置与裂纹图像获取装置均与所述图像数据处理装置电连接，所述图像数据处理装置用于根据所述微观裂纹图像和所述宏观裂纹图像生成所述试件的裂纹演化数据。
优选地，所述竖向压力加载装置包括：反力梁、液压加载组件以及加载梁，所述反力梁包括两根竖直设置的支撑柱和水平连接两根所述支撑柱顶部的横梁，所述支撑柱固定在所述底座上，所述液压加载组件固定在所述横梁上，所述加载梁与所述横梁平行且位于所述横梁下方，所述加载梁与所述液压加载组件的输出端相连，所述试件置于所述加载梁的下方。
优选地，所述反力梁的长度方向的两侧均设置有树脂玻璃板，所述树脂玻璃板固定在所述底座上，所述树脂玻璃板、支撑柱以及底座密封连接并形成模拟试验舱，所述试件置于所述模拟试验舱内，所述加载梁的宽度小于所述支撑柱的宽度；
所述支撑柱上穿设有进水管，所述进水管位于所述模拟试验舱内部的一端与所述水力压裂注射管相连，所述进水管位于所述模拟试验舱外部的一端与所述水力压裂加载装置连接。
优选地，所述模拟试验舱的底部设置有格栅支撑座，所述格栅支撑座上设置有滤网层，所述支撑柱的下部穿设有排水管，所述排水管的一端位于所述格栅支撑座处，所述模拟试验舱的外部设置有集水装置，所述排水管的另一端与所述集水装置相连。
优选地，所述液压加载组件包括：液压缸、液压缸驱动装置和千斤顶，所述液压缸固定在所述横梁上，所述千斤顶的一端与所述液压缸相连，所述千斤顶的另一端与所述加载梁的上端相连。
优选地，所述微观裂纹获取装置为数码体视显微镜，所述数码体视显微镜固定在所述底座上且位于所述树脂玻璃板的外侧。
优选地，所述裂纹图像获取装置为数码相机，所述数码相机的底部安装有三角支撑架。
优选地，所述液压缸为多个，多个所述液压缸沿着所述横梁的长度方向等间距设置。
优选地，所述水力压裂注射管包括：依次密封连接的注水管、第一水力喷管、导流控制管以及第二水力喷管，所述注水管上设有注水口，所述注水口与所述进水管相连，所述导流控制管内设置有导流球，所述导流球选择性地密封所述导流控制管内靠近所述第一水力喷管的一端。
(三)有益效果
本发明实施例提供的固流耦合相似模拟试验装置，通过在试件内预置水力压裂注射管，并且在试件的相对两侧分别设置微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置，通过水力压裂的方式能够更真实地模拟实际开采过程中的裂纹扩展，同时利用裂纹的宏观图像和微观图像结合的方式对裂纹的演化过程进行精确的分析，以提高裂纹扩展演化数据分析的准确性，为实际的开采作业提供更加可靠的分析数据，从而提高资源开采的效率以及开采过程的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图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为本发明实施例的固流耦合相似模拟试验装置的侧视图；
图2为本发明实施例的固流耦合相似模拟试验装置的正视图；
图3为本发明实施例的水力压裂注射管的内部结构示意图；
图中：1、底座；2、竖向压力加载装置；3、微观裂纹获取装置；4、裂纹图像获取装置；5、试件；6、水力压裂注射管；7、水力压裂加载装置；8、图像数据处理装置；9、液压缸；10、液压缸驱动装置；11、千斤顶；12、树脂玻璃板；13、模拟实验舱；14、进水管；15、格栅支撑座；16、滤网层；17、排水管；18、集水装置；21、反力梁；22、加载梁；61、注水管；62、第一水力喷管；63、导流控制管；64、第二水力喷管；65、导流球；211、支撑柱；212、横梁。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，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。
参考图1至图3所示，本发明实施例提供一种固流耦合相似模拟试验装置，按照一定的尺寸比例模拟真实的试验装置，通过对裂纹的图像分析得到相关的裂纹演化数据。所述固流耦合相似模拟试验装置具体包括：底座1、竖向压力加载装置2、微观裂纹获取装置3和裂纹图像获取装置4，竖向压力加载装置2固定在底座1上，用于对待施压的试件5施加竖向的压力。将待施压的试件5置于竖向压力加载装置2与底座3之间，并在试件5的相对的两侧分别设置微观裂纹获取装置3和裂纹图像获取装置4，方便获取其裂纹的微观尺度扩展演化过程。其中，微观裂纹获取装置3用于获取试件5在分段水力压裂试验中的微观裂纹图像，裂纹图像获取装置4用于获取试件5在分段水力压裂试验中的宏观裂纹图像，通过这两种图像的结合分析试件5的裂纹演化情况。
在上述实施例中，试件5内需要预先布置水力压裂注射管6，水力压裂注射管6在试件5受到竖向压力加载装置2向下施加的预设压力后，向试件5中的细小裂纹分段施加预设的水压，从而通过试件的水力压裂过程模拟真实的岩层探测过程中水力压裂的固流耦合过程。水力压裂注射管6的主水口与外部的水力压裂加载装置7相连，通过外部的水力压裂加载装置7为其提供预设压力的分段水压。本实施例中的试件5可以采用混凝土块模拟真实的岩层结构，并且方便制作。
上述实施例提供的固流耦合相似模拟试验装置，通过在试件内预置水力压裂注射管，并且在试件的相对两侧分别设置微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置，通过水力压裂的方式能够更真实地模拟实际开采过程中的裂纹扩展，同时利用裂纹的宏观图像和微观图像结合的方式对裂纹的演化过程进行精确的分析，以提高裂纹扩展演化数据分析的准确性，为实际的开采作业提供更加可靠的分析数据，从而提高资源开采的效率以及开采过程的安全性。
在上述实施例的基础上，固流耦合相似模拟试验装置还包括图像数据处理装置8，微观裂纹获取装置3与裂纹图像获取装置4均与图像数据处理装置8电连接，图像数据处理装置8用于根据微观裂纹获取装置3获取的微观裂纹图像和裂纹图像获取装置4获取的宏观裂纹图像生成试件5的裂纹演化数据。
其中，微观裂纹获取装置3可采用数码体视显微镜，数码体视显微镜是将传统的光学显微镜与数码成像系统通过光电转换器有机地结合在一起，不仅可以通过目镜作显微观察，还能在计算机显示屏幕上观察实时动态图像，并能将所需要的图片进行编辑、保存和打印，从而可以对微观领域的研究从传统的普通的双眼观察到通过显示器上再现，从而提高了工作效率。裂纹图像获取装置4可采用一般的数码相机，通过数据相机获取试件外部的裂纹图像，结合数码体视显微镜获取的微裂纹图像，从而能够对试件5在压力载荷和水力压裂过程中产生的裂纹演化数据进行准确且全面地分析。
在上述各实施例的基础上，竖向压力加载装置2具体包括：反力梁21、液压加载组件以及加载梁22，反力梁21包括两根竖直设置的支撑柱211和横梁212，横梁212水平设置并且将两根支撑柱211的顶部连接，从而形成一个类似于倒U型的支撑结构。横梁212与两根支撑柱211可采用焊接或一体化成型，两根支撑柱211均通过连接件或者焊接的方式固定在底座1上，本实施例中支撑柱211分别设置在底座沿长度方向的两端。其中，本实施例中的支撑柱211和横梁212的截面均为长方形，方便各部件的安装，且支撑柱211的长度与横梁212的宽度相同，实现无缝对接。
液压加载组件固定在横梁212上，加载梁22与横梁212平行设置，且加载梁22位于横梁22的下方，加载梁22与液压加载组件的输出端相连，试件5放置于底座1上，并且位于加载梁22的正下方。加载梁22在液压加载组件的带动作用下向下移动，当接触试件5时，液压加载组件继续向下运动，加载梁22对试件5施加一定的压力，当施加的压力达到试验要求时，液压加载组件停止继续施压。然后，水力压裂加载装置7开始向水力压裂注射管6内分段注射一定压力的水，水力压裂注射管6内的喷射孔向试件5内喷水，水流在压力作用下进入试件5内的间隙中，并模拟实际的水力压裂测试，进而形成接近于真实试验过程中的裂纹形成过程。
在上述实施例中，液压加载组件具体包括：液压缸9、液压缸驱动装置10和千斤顶11，液压缸驱动装置10用于驱动液压缸9工作，二者通过管路连接，管路上设置有阀门开关，便于控制液压缸的启停。液压缸9可为多个，并沿着横梁212的长度方向等间距安装，千斤顶11的连接端与液压缸9的输出端相连，千斤顶11的输出端与加载梁22的上端相连，用于带动加载梁22沿竖直方向上下移动。
作为上述各实施例的改进，进一步地，为了防止水力压裂过程中的水流四处喷射，在反力梁21的长度方向的两侧均设置有树脂玻璃板12，树脂玻璃板12的下端固定在底座1上，两块树脂玻璃板12、两根支撑柱211以及底座1密封连接并形成一个模拟试验舱13。模拟实验舱13为顶部开口的容置空间，其中一组相对侧为两块树脂玻璃板12，另一组相对侧为两根支撑柱211，试件5置于模拟试验舱13内。为了方便加载梁22对试件5进行施压，加载梁22的宽度应小于支撑柱的宽度，这样加载梁22就能够在模拟试验舱13内上下移动，不受树脂玻璃板12的干涉。由于树脂玻璃板12不会影响裂纹图像的获取，为方便获取试件5的裂纹，将数码体视显微镜固定在底座1上，并且位于其中一块树脂玻璃板12的外侧，数码相机则位于另一块树脂玻璃板12的外侧。数码相机可通过三角支撑架进行支撑，便于调整位置和固定支撑。
同时，为了方便对模拟试验舱13内的水力压裂注射管6供水，沿着支撑柱211的宽度方向垂直穿设有进水管14，进水管14与支撑柱211之间密封连接。进水管14位于模拟试验舱13内部的一端与水力压裂注射管6的注水口相连，进水管14位于模拟试验舱13外部的一端与水力压裂加载装置7的注水管路连接。预置有水力压裂注射管6的试件5在施压之前首先将其与进水管14连通，以方便后续的注水操作。
在上述实施例的基础上，为了方便对模拟试验舱13内的水进行排放，可在模拟试验舱12的底部设置有格栅支撑座15，格栅支撑座15上设置有滤网层16，试件5置于滤网层16上，滤网层16可过滤少部分砂石杂质。在支撑柱211的下部沿其宽度方向垂直穿设有排水管17，排水管17的一端位于格栅支撑座15处，模拟试验舱13的外部设置有集水装置18，集水装置18用于收集水力压裂试验过程中注入的过量水流，在模拟试验舱13外部的一端与集水装置18相连。
在上述各实施例的基础上，为了实现分段施加预设的水压，将水力压裂注射管6设置成两段喷管结构，具体包括：依次密封连接的注水管61、第一水力喷管62、导流控制管63以及第二水力喷管64，注水管61上设有注水口，注水口与进水管14相连，导流控制管63内设置有导流球65，通过导流球65选择性地密封导流控制管63内靠近第一水力喷管62的一端，实现第一水力喷管62和第二水力喷管64的分段喷水，从而向试件5中分段施加预设的水压。
当导流球6未将导流控制管3内靠近第一水力喷管62的一端密封时，从注水口进入的水优先填充至第二水力喷管64内并喷出；当第二水力喷管64达到一定的压力时，导流球6被顶在导流控制管3内靠近第一水力喷管62的一端并将其密封，继续通入的水从第一水力喷管62喷出，从而实现分段的压力注水。
在上述实施例中，通过将注水管61、第一水力喷管62、导流控制管63以及第二水力喷管64密封连接形成分段压力测试件，并利用导流控制管3中的导流球6实现分段压力测试，从而模拟真实试验环境中的分段水力，进而提高水力压裂测试的精度，有利于更加精确地获取真实测量混凝土或者岩石中的裂纹信息。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种固流耦合相似模拟试验装置，包括底座和竖向压力加载装置，所述竖向压力加载装置固定在所述底座上，其特征在于，还包括：微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置，所述竖向压力加载装置与所述底座之间置有待施压的试件，所述微观裂纹获取装置和裂纹图像获取装置分别置于所述试件的相对侧，所述试件内预先布置有水力压裂注射管，所述水力压裂注射管与外部的水力压裂加载装置相连；
其中，所述微观裂纹获取装置用于获取所述试件在分段水力压裂试验中的微观裂纹图像，所述裂纹图像获取装置用于获取所述试件在分段水力压裂试验中的宏观裂纹图像。
2.根据权利要求1所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，还包括图像数据处理装置，所述微观裂纹获取装置与裂纹图像获取装置均与所述图像数据处理装置电连接，所述图像数据处理装置用于根据所述微观裂纹图像和所述宏观裂纹图像生成所述试件的裂纹演化数据。
3.根据权利要求1或2所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述竖向压力加载装置包括：反力梁、液压加载组件以及加载梁，所述反力梁包括两根竖直设置的支撑柱和水平连接两根所述支撑柱顶部的横梁，所述支撑柱固定在所述底座上，所述液压加载组件固定在所述横梁上，所述加载梁与所述横梁平行且位于所述横梁下方，所述加载梁与所述液压加载组件的输出端相连，所述试件置于所述加载梁的下方。
4.根据权利要求3所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述反力梁的长度方向的两侧均设置有树脂玻璃板，所述树脂玻璃板固定在所述底座上，所述树脂玻璃板、支撑柱以及底座密封连接并形成模拟试验舱，所述试件置于所述模拟试验舱内，所述加载梁的宽度小于所述支撑柱的宽度；
所述支撑柱上穿设有进水管，所述进水管位于所述模拟试验舱内部的一端与所述水力压裂注射管相连，所述进水管位于所述模拟试验舱外部的一端与所述水力压裂加载装置连接。
5.根据权利要求4所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述模拟试验舱的底部设置有格栅支撑座，所述格栅支撑座上设置有滤网层，所述支撑柱的下部穿设有排水管，所述排水管的一端位于所述格栅支撑座处，所述模拟试验舱的外部设置有集水装置，所述排水管的另一端与所述集水装置相连。
6.根据权利要求3所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述液压加载组件包括：液压缸、液压缸驱动装置和千斤顶，所述液压缸固定在所述横梁上，所述千斤顶的一端与所述液压缸相连，所述千斤顶的另一端与所述加载梁的上端相连。
7.根据权利要求4所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述微观裂纹获取装置为数码体视显微镜，所述数码体视显微镜固定在所述底座上且位于所述树脂玻璃板的外侧。
8.根据权利要求7所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述裂纹图像获取装置为数码相机，所述数码相机的底部安装有三角支撑架。
9.根据权利要求6所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述液压缸为多个，多个所述液压缸沿着所述横梁的长度方向等间距设置。
10.根据权利要求4所述的固流耦合相似模拟试验装置，其特征在于，所述水力压裂注射管包括：依次密封连接的注水管、第一水力喷管、导流控制管以及第二水力喷管，所述注水管上设有注水口，所述注水口与所述进水管相连，所述导流控制管内设置有导流球，所述导流球选择性地密封所述导流控制管内靠近所述第一水力喷管的一端。
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