CN111879606B - 大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置 - Google Patents

大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，包括由多块模具板围成的盒型模具以及进行加载的加载板，所述模具板上设置有多个安装孔，每个所述安装孔内设置有一可拆卸的堵头件，所述装置还包括至少一个条形薄片，所述条形薄片的两端分别设置有一弹簧卡紧结构，所述弹簧卡紧结构能卡紧固定于任意的所述安装孔内，使所述条形薄片贴合于所述模具板的内侧壁。本发明实现了应变片在试样不同部位，不同方向的安装，可以在真三轴加载水力压裂条件下，较全面的对应变进行测量。

Description

大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，特别涉及一种大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置。
背景技术
近年来，由于常规能源的大量消耗，使得人们对非常规能源的开采和利用越来越重视，非常规能源开发的主要方式就是通过水力压裂来改造储层，因此对水力压裂过程中的岩石力学性质变化及裂缝扩展的研究是非常有必要的。为了更好的模拟开采现场的岩石应力分布，许多的研究学者采用真三轴加载系统对试样进行加载，以研究在真三轴加载条件下试样的力学性质变化情况。
在水力压裂试验中，为了更好的对裂缝扩展规律进行研究，确保对裂缝扩展及试样力学性质的有效分析，排除一些非决定性因素的干扰，许多学者在研究水力压裂裂缝扩展的基本力学规律时，都采用相似材料制作重塑样进行模拟试验，以期获得裂缝扩展及试样力学变化的规律。另一方面，在研究试样的力学性质时，几乎所有的研究都会对试样在外界作用下的应力、应变变化过程进行记录。但是由于受各种因素的影响，在进行真三轴水力压裂时，全面测量应变的方式仍有不足，如：测量试样在三轴加载水力压裂条件下对应的应变时，只能固定的测定试样的某一点的应变，且应变片的粘贴位置固定，只能竖向贴应变片，测量的应变单一，而试样在变形的过程中不同方向的应变是不同的。因此改进上述不足，实现在三轴加载水力压裂条件下，较全面的对试样受力变形过程中的应变进行监测，是具有实际意义的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，通过对制作页岩试样的模具结构进行改进，实现在三轴加载水力压裂条件下对试样的不同方向应变进行测量，从而更准确地反应水力压裂应变结果。
为了达到上述目的，本发明提供了一种大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，包括由多块模具板围成的盒型模具以及进行加载的加载板，所述模具板上设置有多个安装孔，每个所述安装孔内设置有一可拆卸的堵头件，所述装置还包括至少一个条形薄片，所述条形薄片的两端分别设置有一弹簧卡紧结构，所述弹簧卡紧结构能卡紧固定于任意的所述安装孔内，使所述条形薄片贴合于所述模具板的内侧壁。
进一步地，所述模具板上的安装孔呈多行和多列的矩阵式分布，所述模具板的中部也单独设置一所述安装孔。
进一步地，组成所述盒型模具侧面的模具板上边缘和下边缘均设置有凸块，顶面和底面的模具板加长处对应设置有凹槽，所述凸块与所述凹槽嵌合使顶面和底面的所述模具板与侧面的所述模具板卡合，侧面的所述模具板相互之间通过螺栓固定。
进一步地，所述条形薄片厚度为3-5mm，长度根据试验需求预制，宽度大于测试所用应变片2-3mm。
进一步地，部分所述条形薄片的两端成型有与所述盒型模具角落对应的菱形尖端。
进一步地，所述堵头件的底端也设置有所述弹簧卡紧结构，所述弹簧卡紧结构包括开设有多条缝隙的薄壁筒，所述薄壁筒为金属材料，具有一定的变形能力，所述薄壁筒的内部设置有弹簧，所述弹簧的端部与所述薄壁筒的内侧壁弹性接触。
进一步地，所述薄壁筒设置为工字型，所述安装孔设置为工字型，与所述薄壁筒的尺寸相对应。
进一步地，所述弹簧卡紧结构内部设置两个弹簧，呈十字型交叉分布，所述薄壁筒的底端通过缝隙分为四片，每片所述薄壁筒分别与一所述弹簧的端部弹性接触。
进一步地，所述加载板的侧边设置有过渡槽，所述过渡槽为1/4球形，用于导出应变片的线路。
进一步地，所述应变片为矩形应变片，具有连接应变测试系统的两根线路。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明通过对制样模具板改进，增加工字型的安装孔，以及设置具有工字型弹簧卡紧装置的条形薄片和堵头件，可进行普通试样和测试应变试样两者的制作，其应变片的条形安装槽可以灵活调整，实现了应变片在试样不同部位，不同方向的安装，可以在真三轴加载水力压裂条件下，较全面的对应变进行测量；另外本发明通过试样的条形安装槽和加载板的球形过渡相结合，减少了对测试应变线路的干扰，实现了对试样水力压裂时应变的有效监测。
附图说明
图1为本发明的模具板结构示意图；
图2为本发明的条形薄片结构示意图；
图3为本发明的堵头件结构示意图；
图4为本发明的加载板结构示意图；
图5为本发明条形薄片垂直安装的示意图；
图6为本发明条形薄片对角安装的示意图。
【附图标记说明】
1-模具板；2-加载板；3-安装孔；4-堵头件；5-条形薄片；6-弹簧卡紧结构；7-凸块；8-凹槽；9-菱形尖端；10-薄壁筒；11-弹簧；12-过渡槽。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。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做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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
如图1-图4所示，本发明的实施例1提供了一种大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，包括由多块模具板1围成的盒型模具以及进行加载的加载板2。其中，模具板1上设置有多个安装孔3，呈多行和多列对齐的矩阵式分布，另外模具板1的中部也单独设置一安装孔3，每个安装孔3内设置有一可拆卸的堵头件4。装置还包括多个条形薄片5，条形薄片5的两端分别设置有一弹簧卡紧结构6，弹簧卡紧结构6能卡紧固定于任意的安装孔3内，使条形薄片5贴合于模具板1的内侧壁。
将盒型模具组装并放入页岩土体后，贴合于模具板1内侧壁的条形薄片5使页岩土体被盒型模具压缩成型后形成与条形薄片5一致的安装槽，在后续进行水力压裂试验时，可将应变片贴合于安装槽中测量对应方向的页岩试样应变。由于模具板1上设置了较多的安装孔，因此条形薄片5可以选择任意的安装方向，将其两端的弹簧卡紧结构6卡合至对应的安装孔3内固定即可。这些安装孔3的堵头件4需提前拆除，而其他安装孔3的堵头件4在试验过程中保留，使盒型模具密封。
在本实施例中，用于制样模具板1材料为硬塑，模具板1的俯视图为矩形，长度和宽度可根据试样大小确定，厚度为1-1.5cm。组成盒型模具侧面的模具板1上边缘和下边缘均设置有条形的凸块7，顶面和底面的模具板1边角处加长，同时成型有凹槽8，通过凸块7与凹槽8嵌合使顶面和底面的模具板1与侧面的模具板1卡合固定，而侧面的模具板1相互之间通过螺栓固定，形成密封结构，将盒型模具内的页岩土体成型制样。
在本实施例中，条形薄片5的厚度为3-5mm，因此成型于试样侧壁上的安装槽深度也为3-5mm。条形薄片5的长度根据试验需求预制，宽度大于测试应变片2-3mm即可，方便应变片的拆装。另外，部分条形薄片5的两端成型有与盒型模具角落对应的菱形尖端9，当需要斜向贴合应变片时条形薄片5能顺利地斜向安装于模具板1上，从而形成斜向的应变片安装槽。
在本实施例中，堵头件4也是通过其底端的弹簧卡紧结构6可拆卸固定于安装孔3内的。弹簧卡紧结构6具体包括底端开设有多条缝隙的薄壁筒10，薄壁筒10为铝合金薄片材料，具有一定的变形能力。薄壁筒10的内部设置有弹簧11，弹簧11的端部与薄壁筒10的内侧壁弹性接触，进一步提升薄壁筒10的弹性恢复能力。作为优选的实施方式，将安装孔3设置为内径上部>下部>中部、长度中部>上部>下部的工字型，薄壁筒10同样设置为工字型，与安装孔3的尺寸配套。作为更进一步改进，本实施例中每个弹簧卡紧结构6上包括两个呈十字型交叉分布的弹簧11，薄壁筒10的底端由缝隙分为四片，每片薄壁筒10的底端位置分别一弹簧11的端部弹性接触。安装时按压堵头件4侧面，使各片薄壁筒10向内靠拢、间隙减小，让薄壁筒10进入相应的工字型安装孔3，依靠薄壁筒10自身及弹簧11的弹性作用，使薄壁筒10底端工字型的凸出部分卡入安装孔3底端工字型的凹陷部分，从而使堵头件4或条形薄片5固定在安装孔3上。最好将薄壁筒10底端工字型的凸出部分与安装孔3底端工字型的凹陷部分设置呈互相配合的斜面，从而让堵头件4以及条形薄片5的拆装更加方便。
另外，在加载板2上还设置有过渡槽12，其具体形状为1/4球形，位于加载板2的内侧边缘处，轴向加载试验过程中通过过渡槽12导出应变片的线路，使应变片与应变测试仪连接而获得应变数据。本实施例中所述的应变片为现有技术中常用的简易矩形应变片，具有连接应变测试系统的两根线路，与应变测试仪连接，在试验过程中实时获取应变数据。
实施例2：
参阅图5，以测量300*300*300mm试样的四个侧面应变为例：
制样：将条形薄片5通过自身的弹簧卡紧结构6贴合到侧面的四个模具板1上，均以十字交叉的形式，先沿竖向安装卡紧长为300mm、，宽为15mm，厚度2mm的条形薄片5，然后垂直于该条形薄片5安装卡紧长为142.5mm，宽为15mm，厚度为2mm的两段条形薄片5，最后将底面和底面的模具板1与侧面模具板1卡合，将侧面模具板1相邻的螺栓旋紧，预先准备的页岩材料倒入组装的盒型模具中，一段时间后进行脱模、养护等处理，获得测试应变所需的试样。
加载：按照一定的距离并以半桥的连接方式，将应变片粘贴于试样表面通过条形薄片5形成的条形安装槽中，将有关线路沿着条形安装槽引出，加载板2与试样贴合进行三轴加载水力压裂，线路最终从加载板2的过渡槽12引出后与应变测试仪连接，获得各应变片的应变数据。
实施例3：
参阅图5和图6，以测量200*200*200mm试样的上、下面以及其中两个侧面为例：
制样：将有菱形尖端9的条形薄片5通过自身的弹簧卡紧结构6贴合到侧面的模具板1上，均斜向垂直交叉，顶面和底面的模具板1与实施例2类似处理，最后将模具板1组装，预先准备的页岩材料倒入组装的盒型模具中，一段时间后进行脱模、养护等处理，获得测试应变所需的试样。
加载：按照一定的距离并以半桥的连接方式，将应变片粘贴于试样的条形安装槽之中，将有关线路沿着条形安装槽引出，加载板2与试样贴合进行三轴加载水力压裂，线路最终从加载板2的过渡槽12引出后与应变测试仪连接，获得各应变片的应变数据。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，包括由多块模具板围成的盒型模具以及进行加载的加载板，所述模具板上设置有多个安装孔，每个所述安装孔内设置有一可拆卸的堵头件，所述装置还包括至少一个条形薄片，所述条形薄片的两端分别设置有一弹簧卡紧结构，所述弹簧卡紧结构能卡紧固定于任意的所述安装孔内，使所述条形薄片贴合于所述模具板的内侧壁；
所述堵头件的底端也设置有所述弹簧卡紧结构，所述弹簧卡紧结构包括开设有多条缝隙的薄壁筒，所述薄壁筒为金属材料，具有一定的变形能力，所述薄壁筒的内部设置有弹簧，所述弹簧的端部与所述薄壁筒的内侧壁弹性接触。
2.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，所述模具板上的安装孔呈多行和多列的矩阵式分布，所述模具板的中部也单独设置一所述安装孔。
3.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，组成所述盒型模具侧面的模具板上边缘和下边缘均设置有凸块，顶面和底面的模具板加长处对应设置有凹槽，所述凸块与所述凹槽嵌合使顶面和底面的所述模具板与侧面的所述模具板卡合，侧面的所述模具板相互之间通过螺栓固定。
4.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，所述条形薄片厚度为3-5mm，长度根据试验需求预制，宽度大于测试所用应变片2-3mm。
5.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，部分所述条形薄片的两端成型有与所述盒型模具角落对应的菱形尖端。
6.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，所述薄壁筒设置为工字型，所述安装孔设置为工字型，与所述薄壁筒的尺寸相对应。
7.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，所述弹簧卡紧结构内部设置两个弹簧，呈十字型交叉分布，所述薄壁筒的底端通过缝隙分为四片，每片所述薄壁筒分别与一所述弹簧的端部弹性接触。
8.根据权利要求1所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，所述加载板的侧边设置有过渡槽，所述过渡槽为1/4球形，用于导出应变片的线路。
9.根据权利要求8所述的大尺寸类页岩试样真三轴加载水力压裂应变测量装置，其特征在于，所述应变片为矩形应变片，具有连接应变测试系统的两根线路。
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