CN112268818B - 岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力学方式岩石压裂试验设备技术领域，为了研究可控冲击波破岩机理，同时解决岩石压裂动态监测难的问题，提出了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统及方法；其中系统包括设置有用于进行可控冲击波波形测试的第一腔室和基于获取的波形信息对岩石试样进行压裂试验第二腔室的模型箱系统；第一腔室内设有高压水箱、用于激发冲击波的第一高聚能冲击波激发装置、用于进行波形检测的波形检测装置和第一腔室加载装置；第二腔室内部设有加载装置、第二高聚能冲击波激发装置和岩石裂缝检测装置；通过本发明提供的系统既可以测试冲击波二维波形，模拟储层应力环境冲击波致裂岩石，又能对裂缝进行实时定位识别的试验系统。

Description

岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统及方法

技术领域

本发明属于动力学方式岩石压裂试验设备技术领域，具体涉及一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统及方法。

背景技术

页岩油气藏的开发必须以静力学或动力学的方式对致密储集层压裂，形成高导流能力的裂缝网络，才能获得工业产量。目前主要采用水基压裂液、二氧化碳、氮气、液化石油气等高压流体以静力学方式压裂增产，多年来电爆炸产生冲击波技术在不断的改进和创新，从早期的水中电击穿发展到金属丝电爆炸，再到目前的金属丝电爆炸驱动含能材料产生冲击波的新技术，产生足以压裂致密油气储集层的可控强冲击波。相关矿场实践验证了可控冲击波技术增透储层的可行性，相比大规模水力压裂成本低且环境友好，相比高能气体、深孔爆破压裂技术安全可控，因此，系统深入研究可控强冲波压裂技术，在页岩油气开发中具有巨大应用价值。

目前常规的真三轴岩石压裂试验系统存在三个主要问题：一是以静力学方式致裂岩石，常规真三轴岩石压裂试验装置通过水、水基压裂液或者二氧化碳增压的方式以准静态或中低加载速率致裂岩石；二是电脉冲方式产生冲击波压裂岩石真三轴试验系统，受制于空间装置储能有限，冲击波峰值压力低，持续时间短，且冲击波不可控；三是缺少冲击波二维波形测试装置，不能测试自起爆点冲击波衰减二维波形。揭示强冲击波动荷载与地应力联合作用下裂缝疲劳起裂与扩展机理，是研究可控冲击波压裂技术的关键。因此，亟需研制一套可以测试冲击波二维波形，模拟储层应力环境冲击波致裂岩石，并能对裂缝进行实时定位识别的试验系统，研究可控冲击波破岩机理。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了研究可控冲击波破岩机理，同时解决真三轴冲击波实验中岩石压裂动态监测难的问题，本发明提供了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统及方法。

本发明的第一方面提供了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括模型箱系统，所述模型箱系统包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室用于进行可控冲击波的波形测试，所述第二腔室基于所述第一腔室获取的波形信息对岩石试样进行压裂试验；

所述第一腔室内部设置有高压水箱、第一高聚能冲击波激发装置、波形检测装置和第一腔室加载装置；所述波形检测装置与所述第一高聚能冲击波激发装置均设置于所述高压水箱内部；所述第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；所述波形检测装置设置于所述第一高聚能冲击波激发装置周侧以进行可控冲击波的波形检测；

所述第二腔室内部设置有加载装置、第二高聚能冲击波激发装置和岩石裂缝检测装置；所述第二高聚能冲击波激发装置设置于岩石试样内部，并可在激发总控装置的控制下可激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；所述加载装置设置于岩石试样周侧以模拟岩石真三轴的应力加载；所述岩石裂缝检测装置设置于岩石试样周侧以采集岩石试样在不同参数设定下的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状。

在一些优选实施例中，所述波形检测装置包括分布式压力检测装置和检测支撑装置，所述分布式压力检测装置包括第一组压力检测装置和第二组压力检测装置，所述第一组压力检测装置与所述第二组压力检测装置呈十字型垂直设置；

所述第一组压力检测装置包括多排第一压力检测组件，且多排所述第一压力检测组件等距平行设置；所述第二组压力检测装置包括多排第二压力检测组件，且多排所述第二压力检测组件等距平行设置；

所述检测支撑装置包括第一组检测支撑装置和第二组检测支撑装置，所述第一组检测支撑装置与所述第二组检测支撑装置相互垂直设置；所述第一组检测支撑装置用于承载所述第一组压力检测装置，所述第二组检测支撑装置用于承载所述第二组压力检测装置。

在一些优选实施例中，所述第一压力检测组件包括多个第一压力传感器，多个所述第一压力传感器沿着第一方向水平等距设置；

所述第二压力检测组件包括多个第二压力传感器，多个所述第二压力传感器沿着第二方向水平等距设置；

所述第一方向与所述第二方向垂直设置。

在一些优选实施例中，所述第一高聚能冲击波激发装置竖直设置于所述高压水箱内部；所述第一高聚能冲击波激发装置的外侧套设有套管装置，以模拟固井水泥环；

所述第一组压力检测装置与所述第二组压力检测装置中间开设有孔状通道；所述孔状通道与所述套管装置相适配；

所述第一高聚能冲击波激发装置包括高压直流电源、高聚能储能电容器、能量控制器、能量转换器和金属包裹能量棒，所述高压直流电源与激发总控装置通信连接；直流高压经厄流圈给所述高聚能储能电容器充电；所述能量控制器用于将所述电容器中存储的电能传递至所述能量转换器；所述能量转换器激发金属包裹能量棒，驱动所述金属包裹能量棒内含能材料化学键断裂，释放化学能，以产生高能量冲击波。

在一些优选实施例中，所述第一腔室加载装置设置于所述高压水箱的上部；

所述第一腔室加载装置包括第一反力框架和法向加载油缸，所述第一反力框架设置于所述高压水箱的顶板上部，所述法向加载油缸设置于所述第一反力框架上部，以与所述第一反力框架构成整体反力结构；

所述高压水箱与注水控制系统通信连接，所述高压水箱在所述注水控制系统的控制下进行所述高压水箱内部水的注满。

在一些优选实施例中，该系统还包括第一承压结构、第二承压结构、第三承压结构、第四承压结构、第五承压结构和第六承压结构，所述第一承压结构与所述第二承压结构分别设置于岩石试样的下侧和上侧，所述第三承压结构与所述第四承压结构分别设置于岩石试样的左侧和右侧，所述第五承压结构与所述第六承压结构分别设置于岩石试样的后侧和前侧；相邻承压结构之间通过L型角钢螺栓连接；

所述加载装置包括第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置；所述第一加载装置设置于所述第一承压结构的下方；所述第二承压结构的上部设置有法向反力框架装置，所述第一加载装置与所述法向反力框架装置构成岩石试样的法向加载承载装置；

所述第二加载装置设置于所述第三承压结构的左侧；所述第四承压结构的右侧设置有第一凸起结构，所述第一凸起结构固定设置于所述第二腔室的内壁；所述第二加载装置与所述第一凸起结构构成岩石试样的第一侧向加载承载装置；

所述第三加载装置设置于所述第五承压装置的外侧；所述第六承压结构的外侧设置有第二凸起结构，所述第二凸起结构固定设置于所述第二腔室的内壁；所述第三加载装置与所述第二凸起结构构成岩石试样的第二侧向加载承载装置。

在一些优选实施例中，所述第一加载装置包括第一加载油缸和第一承载装置，所述第一加载油缸通过所述第一承载装置贯穿所述第二腔室的第一侧壁设置；所述第二高聚能冲击波激发装置设置于岩石试样开设的开口向上的深孔中；

所述第二加载装置包括第二加载油缸和第二承载装置，所述第二加载油缸通过所述第二承载装置贯穿所述第二腔室的第二侧壁设置；

所述第三加载装置包括第三加载油缸和第三承载装置，所述第三加载油缸通过所述第三承载装置贯穿所述第二腔室的第三侧壁设置；

所述第一加载油缸、所述第二加载油缸、所述第三加载油缸分别在第一压力伺服控制系统、第二压力伺服控制系统、第三压力伺服控制系统的控制下靠近或远离岩石试样以进行岩石试样真三轴应力调节。

在一些优选实施例中，所述岩石裂缝检测装置包括声发射装置、放大器和采集仪，所述声发射装置设置于所述第二腔室内部，用于采集岩石试样可控冲击波压裂过程中的声信号；所述放大器与所述声发射装置通信连接，以放大采集到的声信号；所述采集仪与所述放大器信号连接，以采集放大后的声信号；

所述声发射装置包括第一组声发射装置、第二组声发射装置、第三组声发射装置和第四组声发射装置，所述第一组声发射装置、所述第二组声发射装置、所述第三组声发射装置与所述第四组声发射装置构成围绕岩石试样的裂缝信息采集装置；

所述第三承压结构、所述第四承压结构、所述第五承压结构、所述第六承压结构上分别开设有用于容纳所述第一组声发射装置、所述第二组声发射装置、所述第三组声发射装置、所述第四组声发射装置的凹槽。

在一些优选实施例中，所述第一组声发射装置包括多排第一声发射探头组件，且多排所述第一声发射探头组件等距平行设置；

第二组声发射装置包括多排第二声发射探头组件，且多排所述第二声发射探头组件等距平行设置；

第三组声发射装置包括多排第三声发射探头组件，且多排所述第三声发射探头组件等距平行设置；

第四组声发射装置包括多排第四声发射探头组件，且多排所述第四声发射探头组件等距平行设置；

所述第一声发射探头组件、所述第二声发射探头组件、所述第三声发射探头组件与所述第四声发射探头组件均包括多个声发射探头，多个所述声发射探头均垂直于岩石试样设置。

本发明的第二方面提供了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验方法，该方法基于上面任一项所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括以下步骤：

步骤S100，通过注水控制系统的控制进行高压水箱内部水的注满；

步骤S200，第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中进行不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波的激发；

波形检测装置进行可控冲击波的波形检测采集，以获取不同参数设定下对应可控冲击波的波形；

步骤S300，控制加载装置中的第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置分别岩石试样施加法向加载值、第一水平加载值、第二水平加载值并保持恒定，以模拟深部储层条件应力环境；

第二高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下进行设定参数的可控冲击波的激发；其中，设定参数为激发的可控冲击波不破坏第一高聚能冲击波激发装置外侧设置的套管装置完整性的峰值压力、持续时间；

步骤S400，通过设置于岩石试样周侧的岩石裂缝检测装置采集岩石试样在设定参数的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状，并记录对应参数下岩石试样中形成的裂缝空间分布；

步骤S500，基于步骤S400中获得的岩石试样中形成的裂缝空间分布，重复步骤S300、步骤S400，直至得到预期的裂缝效果，记录对应参数。

本发明的有益效果为：

1)通过本发明提供的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统可以测试冲击波二维波形，模拟储层应力环境冲击波致裂岩石，并能对裂缝进行实时定位识别的试验系统，研究可控冲击波破岩机理。

2)通过本发明提出的模型箱系统中的不同腔室的设置，可以在进行岩石压裂试验之前先进行待使用的冲击波的测试效果，通过在第一腔室中先进行在不同峰值压力、不同持续时间的不同参数设定下冲击波生成的二维波形以及对支撑防护装置的作用效果，在保证支撑防护装置完好的前提前选择根据生成的二维波形的形状灵活选取；此外，通过在第一腔室设置的装置进行冲击波的测试试验，通过不同设定参数获得的对应的冲击波二维波形，对研究冲击波的生成变化机理提供可靠试验参数数据。然后，根据在第一腔室中测试的试验结果，选取在保证防护支撑装置完好的前提下的试验数据作为在第二腔室进行试验的基础数据；在第二腔室中，进行不同参数对应冲击波对岩石的压裂试验，根据检测岩石裂缝生成、发育以及扩展的情况，记录对应参数得到的岩石裂缝中的形状，获得多组试验结果，然后在可根据获得裂缝结果，选取有效的冲击波设定参数数据作为实际页岩油气开采中的指导参数；通过本发明可对实际页岩油气开采或者矿井中的油气开采具有重大指导意义，试验数据具有高可靠性。

3)通过本发明的模拟试验不仅仅可以对油层岩石进行造缝，还可贯通已有缝隙，通过本发明可实现冲击波作用结果的可控，设定对应参数获取想要的岩石裂缝效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统的一种具体实施例的立体结构示意图；

图2是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的模型箱系统的一种具体实施例的剖视示意图；

图3是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的模型箱系统的一种具体实施例的俯视示意图；

图4是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的第一腔室的一种具体实施例的透视示意图；

图5是图4中的波形检测装置的一种具体实施例的立体结构示意图；

图6是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的第一高聚能冲击波激发装置的一种具体实施例的结构示意图；

图7是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的声发射装置的一种具体实施例的结构示意图。

附图标记说明：

100、模型箱系统，110、第一腔室，120、第二腔室，130、支撑装置；

210、第一高聚能冲击波激发装置，211、高压直流电源，212、高聚能储能电容器，213、控制器，214、能量转换器，215、金属包裹能量棒；220、高压水箱；230、波形检测装置，231、分布式压力检测装置，2311、第一组压力检测装置，2312、第二组压力检测装置；240、第一腔室加载装置，241、第一反力框架，242、法向加载油缸；250、套管装置；260、注水控制系统；

310、岩石试样；320、第二高聚能冲击波激发装置；331、第一加载装置，332、第二加载装置，333、第三加载装置；341、第一承压结构，342、第二承压结构，343、第三承压结构，344、第四承压结构，345、第五承压结构，346、第六承压结构，347、顶部盖板；350、法向反力框架装置；360、储能机箱；

410、声发射探头；420、采集仪；

500、计算机。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的第一方面提供了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括模型箱系统，模型箱系统包括第一腔室和第二腔室，第一腔室用于进行可控冲击波的波形测试，第二腔室基于第一腔室获取的波形信息对岩石试样进行压裂试验；现有技术中采用冲击波进行岩石压裂或者裂缝的产生、发育、扩展时，冲击波对其结果的不可控造成页岩油气开采中对支撑防护装置造成破坏，无法对冲击波作用后的结果进行精准的把控，因此提出了本发明，通过本发明提出的模型箱系统中的不同腔室的设置，可以在进行岩石压裂试验之前先进行待使用的冲击波的测试效果，通过在第一腔室中先进行在不同峰值压力、不同持续时间的不同参数设定下冲击波生成的二维波形以及对支撑防护装置的作用效果，在保证支撑防护装置完好的前提前选择根据生成的二维波形的形状灵活选取；此外，通过在第一腔室设置的装置进行冲击波的测试试验，通过不同设定参数获得的对应的冲击波二维波形，对研究冲击波的生成变化机理提供可靠试验参数数据。然后，根据在第一腔室中测试的试验结果，选取在保证防护支撑装置完好的前提下的试验数据作为在第二腔室进行试验的基础数据；在第二腔室中，进行不同参数对应冲击波对岩石的压裂试验，根据检测岩石裂缝生成、发育以及扩展的情况，记录对应参数得到的岩石裂缝中的形状，获得多组试验结果，然后再可根据获得裂缝结果，选取有效的冲击波设定参数数据作为实际页岩油气开采中的指导参数；通过本发明可对实际页岩油气开采或者矿井中的油气开采具有重大指导意义，试验数据具有高可靠性。

此外，通过本发明的模拟试验不仅仅可以对油层岩石进行造缝，还可贯通已有缝隙，通过本发明，可实现冲击波作用结果的可控，设定对应参数获取想要的岩石裂缝效果。

进一步地，第一腔室内部设置有高压水箱、第一高聚能冲击波激发装置、波形检测装置和第一腔室加载装置；波形检测装置与第一高聚能冲击波激发装置均设置于高压水箱内部，波形检测装置包括分布式压力传感器，可获得精准的冲击波二维波形结果；第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；波形检测装置设置于第一高聚能冲击波激发装置周侧以进行可控冲击波的波形检测。

进一步地，第二腔室内部设置有加载装置、第二高聚能冲击波激发装置和岩石裂缝检测装置；第二高聚能冲击波激发装置设置于岩石试样内部，并可在激发总控装置的控制下可激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；加载装置设置于岩石试样周侧以模拟岩石真三轴的应力加载；岩石裂缝检测装置设置于岩石试样周侧以采集岩石试样在不同参数设定下的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状；通过本发明中的系统可模拟储层应力环境冲击波致裂岩石，并能对裂缝进行实时定位识别的试验系统，研究可控冲击波破岩机理。

本发明的第二方面提供了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验方法，该方法基于岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括以下步骤：

步骤S100，通过注水控制系统的控制进行高压水箱内部水的注满；步骤S200，第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中进行不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波的激发；波形检测装置进行可控冲击波的波形检测采集，以获取不同参数设定下对应可控冲击波的波形；步骤S300，控制加载装置中的第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置分别岩石试样施加法向加载值、第一水平加载值、第二水平加载值并保持恒定，以模拟深部储层条件应力环境；第二高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下进行设定参数的可控冲击波的激发；其中，设定参数为激发的可控冲击波不破坏第一高聚能冲击波激发装置外侧设置的套管装置完整性的峰值压力、持续时间；步骤S400，通过设置于岩石试样周侧的岩石裂缝检测装置采集岩石试样在设定参数的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状，并记录对应参数下岩石试样中形成的裂缝空间分布；步骤S500，基于步骤S400中获得的岩石试样中形成的裂缝空间分布，重复步骤S300、步骤S400，直至得到预期的裂缝效果，记录对应参数。本发明首次提出先进行冲击波的结果检测，进行在保证防护支撑装置完善的前提下利用冲击波进行岩石的压裂，既能保证开采中防护装置的完善，又能进行想要裂缝效果的岩石压裂。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1和附图2，图1是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统的一种具体实施例的立体结构示意图，图2是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的模型箱系统的一种具体实施例的剖视示意图；本发明提供的一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括用于进行冲击波波形测试以及根据测试的冲击波结果进行岩石压裂试验的模型箱系统100；模型箱系统包括第一腔室110和第二腔室120，其中，第一腔室用于进行可控冲击波的波形测试，第二腔室基于第一腔室获取的波形信息对岩石试样进行压裂试验。其中，第一腔室120内部设置有高压水箱220、第一高聚能冲击波激发装置、波形检测装置和第一腔室加载装置240；波形检测装置230与第一高聚能冲击波激发装置210均设置于高压水箱220内部，高压水箱与注水控制系统260通信连接，高压水箱在注水控制系统的控制下进行高压水箱内部水的注满；第一高聚能冲击波激发装置210在激发总控装置的控制下在水中激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；波形检测装置设置于第一高聚能冲击波激发装置周侧以进行可控冲击波的波形检测；模型箱系统通过支撑装置130设置于地面，通过将不同试验设置于一个试验系统中，既能节约实验室占地面积，实现整体试验系统的轻量化、小型化，又能满足试验要求，通过一套总控系统进行不同阶段的试验操作。

进一步地，第二腔室120内部设置有加载装置、第二高聚能冲击波激发装置320和岩石裂缝检测装置；第二高聚能冲击波激发装置设置于岩石试样310内部，并可在激发总控装置的控制下可激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；加载装置设置于岩石试样周侧以模拟岩石真三轴的应力加载；岩石裂缝检测装置设置于岩石试样周侧以采集岩石试样在不同参数设定下的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状；岩石裂缝检测装置包括声发射装置、放大器和采集仪420，声发射装置设置于第二腔室内部，用于采集岩石试样可控冲击波压裂过程中的声信号；放大器与声发射装置通信连接，以放大采集到的声信号；采集仪与放大器信号连接，以采集放大后的声信号。

该系统还包括计算机500，计算机与控制器、采集仪等通信连接，可用于显示被放大器放大后的声信号，可以直观获得相关数据结果；计算机还可以控制三轴压力高频响伺服加载、冲击波激发放电电压及工作频率控制、冲击波波形采集、水压加载等其它操作控制。

参照附图1至附图3，该系统还包括第一承压结构341、第二承压结构342、第三承压结构343、第四承压结构344、第五承压结构345和第六承压结构346，第一承压结构与第二承压结构分别设置于岩石试样310的下侧和上侧，第三承压结构343与第四承压结构344分别设置于岩石试样310的左侧和右侧，第五承压结构345与第六承压结构346分别设置于岩石试样310的后侧和前侧；相邻承压结构之间通过L型角钢螺栓连接；加载装置包括第一加载装置331、第二加载装置332和第三加载装置333；第一加载装置331设置于第一承压结构341的下方；第二承压结构342的上部设置有法向反力框架装置350，第一加载装置331与法向反力框架装置350构成岩石试样的法向加载承载装置；第二加载装置332设置于第三承压结构343的左侧；第四承压结构344的右侧设置有第一凸起结构，第一凸起结构固定设置于第二腔室120的内壁；第二加载装置332与第一凸起结构构成岩石试样的第一侧向加载承载装置；第三加载装置333设置于第五承压装置345的外侧；第六承压结构346的外侧设置有第二凸起结构140，第二凸起结构140固定设置于第二腔室120的内壁；第三加载装置333与第二凸起结构140构成岩石试样的第二侧向加载承载装置。

进一步地，第一加载装置331包括第一加载油缸和第一承载装置，第一加载油缸通过第一承载装置贯穿第二腔室的第一侧壁设置；第二高聚能冲击波激发装置320设置于岩石试样310开设的开口向上的深孔中；第二加载装置332包括第二加载油缸和第二承载装置，第二加载油缸通过第二承载装置贯穿第二腔室的第二侧壁设置；第三加载装置333包括第三加载油缸和第三承载装置，第三加载油缸通过第三承载装置贯穿第二腔室的第三侧壁设置；第一加载油缸、第二加载油缸、第三加载油缸分别在第一压力伺服控制系统、第二压力伺服控制系统、第三压力伺服控制系统的控制下靠近或远离岩石试样以进行岩石试样真三轴应力调节。

需要说明的是，在本实施例中，岩石试样的真三轴加载分别设置在岩石试样的下侧、左侧和后侧，既能满足岩石试样的不同方向的加载，又能便于试验操作，为本领域技术人员所知晓的是，本实施例并不限制于这一种设置方案，加载装置还可设置在其它方向，故在此不再一一赘述。

进一步地，在岩石试样的上部还设置有法向反力框架装置350，为岩石试样提供加载装置作用下的反力；法向反力框架装置的上部还设置有顶部盖板347，通过设置在顶部盖板上的紧固压帽紧固顶部盖板，以封闭第二腔室。

进一步地，第一腔室加载装置240设置于高压水箱的上部；第一腔室加载装置包括第一反力框架241和法向加载油缸242，第一反力框架241设置于高压水箱220的顶板上部，法向加载油缸242设置于第一反力框架241上部，以与第一反力框架构成整体反力结构；高压水箱与注水控制系统260通信连接，高压水箱在注水控制系统的控制下以进行高压水箱内部水的注满，为冲击波的波形测试提供液体环境。

在本实施例中，由于冲击波是一个包含许多频率的宽带脉冲波，其能量密度很高，高频部分形成陡峭的波阵面初次膨胀的气腔辐射出冲击波后，气腔的空化作用和压次腾服会向地层发射“二次脉冲”低频声波，故在在第一腔室的顶部采用第一反力框架与法向加载油缸结合设置，保证试验效果。

参照附图4和附图5，图4是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的第一腔室的一种具体实施例的透视示意图，图5是图4中的波形检测装置的一种具体实施例的立体结构示意图；波形检测装置包括分布式压力检测装置231和检测支撑装置232，分布式压力检测装置包括第一组压力检测装置2311和第二组压力检测装置2312，第一组压力检测装置与第二组压力检测装置呈十字型垂直设置；第一组压力检测装置包括多排第一压力检测组件，且多排第一压力检测组件等距平行设置；第二组压力检测装置包括多排第二压力检测组件，且多排第二压力检测组件等距平行设置；检测支撑装置包括第一组检测支撑装置和第二组检测支撑装置，第一组检测支撑装置与第二组检测支撑装置相互垂直设置；第一组检测支撑装置用于承载所述第一组压力检测装置，第二组检测支撑装置用于承载第二组压力检测装置。第一高聚能冲击波激发装置竖直设置于高压水箱内部；第一高聚能冲击波激发装置的外侧套设有套管装置250，以模拟固井水泥环；第一组压力检测装置与第二组压力检测装置中间开设有孔状通道2313；孔状通道与套管装置250相适配，以设置该套管装置。在本实施例中，在第一腔室的内部设置套管装置，套管装置包括水泥环和套管射孔，模拟冲击波致裂过程中对水泥环、套管完整性影响，以获得在实际的开采中，在岩石试样中钻孔，插入带有孔眼的套管，在套管与钻孔之间注入水泥形成的固井水泥环的在冲击波作用下的完善效果。

优选地，第一压力检测组件包括多个第一压力传感器，多个第一压力传感器沿着第一方向水平等距设置；第二压力检测组件包括多个第二压力传感器，多个第二压力传感器沿着第二方向水平等距设置；第一方向与第二方向垂直设置；在本实施例中，压力传感器在沿着冲击波激发装置出波方向和垂直于出波方向间隔布置，采集间隔的压力点，结合插值的方式，获得冲击波的二维波形。

进一步地，参照附图6，图示是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的第一高聚能冲击波激发装置的一种具体实施例的结构示意图，第一高聚能冲击波激发装置包括高压直流电源211、高聚能储能电容器212、能量控制器213、能量转换器214和金属包裹能量棒215，高压直流电源与激发总控装置通信连接；直流高压经厄流圈给高聚能储能电容器充电；能量控制器用于将电容器中存储的电能传递至能量转换器；能量转换器激发金属包裹能量棒，驱动金属包裹能量棒内含能材料化学键断裂，释放化学能，以产生高能量冲击波，即能量转换器以液电效应将电能转换成液体中的机械能(冲击波能量)。

优选地，第二高聚能冲击波激发装置与第一高聚能冲击波激发装置结构相同设置。

进一步地，参照附图7，图示是本发明中的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统中的声发射装置的一种具体实施例的结构示意图，岩石裂缝检测装置包括声发射装置410、放大器和采集仪，声发射装置设置于第二腔室内部，用于采集岩石试样可控冲击波压裂过程中的声信号；放大器与声发射装置通信连接，以放大采集到的声信号；采集仪与放大器信号连接，以采集放大后的声信号；声发射装置包括第一组声发射装置、第二组声发射装置、第三组声发射装置和第四组声发射装置，第一组声发射装置、第二组声发射装置、第三组声发射装置与第四组声发射装置构成围绕岩石试样的裂缝信息采集装置；第三承压结构343、第四承压结构344、第五承压结构345、第六承压结构(图中未示出)上分别开设有用于容纳第一组声发射装置、第二组声发射装置、第三组声发射装置、第四组声发射装置的凹槽。

进一步地，第一组声发射装置包括多排第一声发射探头组件，且多排第一声发射探头组件等距平行设置；第二组声发射装置包括多排第二声发射探头组件，且多排第二声发射探头组件等距平行设置；第三组声发射装置包括多排第三声发射探头组件，且多排第三声发射探头组件等距平行设置；第四组声发射装置包括多排第四声发射探头组件，且多排第四声发射探头组件等距平行设置；第一声发射探头组件、第二声发射探头组件、第三声发射探头组件与第四声发射探头组件均包括多个声发射探头，多个声发射探头均垂直于岩石试样设置。

本发明的第二方面提供了一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验方法，该方法基于岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括以下步骤：

步骤S100，打开计算机，打开伺服控制器，打开加载水泵，联结计算机与伺服控制器、加载水泵、储能机箱控制器通讯；将第一高聚能冲击波激发装置安装好金属包裹能量棒，设置好放电参数，放入冲击波波形测试的高压水箱中；计算机可控制法向加载油缸向下作动压紧高压水箱，第一反力框架及法向加载油缸为高压水箱提供反力；通过注水控制系统的控制进行高压水箱内部水的注满。

步骤S200，第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中进行不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波的激发；通过布置在水箱中的波形检测装置进行可控冲击波的波形检测采集，以获取不同参数设定下对应可控冲击波的波形；计算机可实时记录冲击波二维波形。

步骤S300，将岩石试样底面及四个侧面安装压板，五个压板拐角处用L型角钢螺栓连接，声发射探头通过四个侧面压板预留孔粘贴于岩石试样表面；将与第一高聚能冲击波激发装置相同的第二高聚能冲击波激发装置通过第二承压结构置于岩石试样钻孔中，安装顶部盖板，使用紧固压帽紧固顶部盖板；控制加载装置中的第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置分别岩石试样施加法向加载值、第一水平加载值、第二水平加载值并保持恒定，以模拟深部储层条件应力环境；第二高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下进行设定参数的可控冲击波的激发；其中，设定参数为激发的可控冲击波不破坏第一高聚能冲击波激发装置外侧设置的套管装置完整性的峰值压力、持续时间。

步骤S400，通过设置于岩石试样周侧的岩石裂缝检测装置采集岩石试样在设定参数的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状，并记录对应参数下岩石试样中形成的裂缝空间分布。

步骤S500，基于步骤S400中获得的岩石试样中形成的裂缝空间分布，重复步骤S300、步骤S400，直至得到预期的裂缝效果，记录对应参数。

由于长期的地质力学作用和成井时的射孔、压裂作用，存在着断层、裂缝、层理和微裂隙，是非连续介质；在冲击声波的作用下，岩石及液体这些非连续介质各自的质点以大于重力加速度3000多倍的加速度作激烈的振动；在高加速冲击条件下，材料的断裂强度和疲劳强度都远小于静态，当冲击力超过岩石的疲劳强度时，就会造成新的微裂缝或宏规裂缝；但是用于采集时设置的有支撑防护装置，利用冲击波进行裂缝扩展或者贯通时，要保证支撑防护装置的完善，故要保证所施加的参数具有一定要求，但是现有技术中并没有在岩石压裂之间先进行冲击波的可控试验，再根据试验的结果进行岩石压裂试验，本发明提出了一种新方案，先进行第一腔室中的冲击波波形测试模拟，后进行第二腔室中岩石试样的压裂试验，通过本发明既能保证开采过程中支撑防护装置的完善，又能通过施加的可控冲击波获得想要的岩石裂缝效果。

通过本发明得到的可控冲击波设定参数与得到的岩石裂缝空间分布等之间的对应关系，既可以对岩石进行造缝操作，又可以用于贯通已有缝隙，获得预期的裂缝效果。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，该系统包括模型箱系统，所述模型箱系统包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室用于进行可控冲击波的波形测试，所述第二腔室基于所述第一腔室获取的波形信息对岩石试样进行压裂试验；

所述第一腔室内部设置有高压水箱、第一高聚能冲击波激发装置、波形检测装置和第一腔室加载装置；所述波形检测装置与所述第一高聚能冲击波激发装置均设置于所述高压水箱内部；所述第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；所述波形检测装置设置于所述第一高聚能冲击波激发装置周侧以进行可控冲击波的波形检测；

所述第二腔室内部设置有加载装置、第二高聚能冲击波激发装置和岩石裂缝检测装置；所述第二高聚能冲击波激发装置设置于岩石试样内部，并在激发总控装置的控制下激发不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波；所述加载装置设置于岩石试样周侧以模拟岩石真三轴的应力加载；所述岩石裂缝检测装置设置于岩石试样周侧以采集岩石试样在不同参数设定下的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状。

2.根据权利要求1所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述波形检测装置包括分布式压力检测装置和检测支撑装置，所述分布式压力检测装置包括第一组压力检测装置和第二组压力检测装置，所述第一组压力检测装置与所述第二组压力检测装置呈十字型垂直设置；

所述第一组压力检测装置包括多排第一压力检测组件，且多排所述第一压力检测组件等距平行设置；所述第二组压力检测装置包括多排第二压力检测组件，且多排所述第二压力检测组件等距平行设置；

所述检测支撑装置包括第一组检测支撑装置和第二组检测支撑装置，所述第一组检测支撑装置与所述第二组检测支撑装置相互垂直设置；所述第一组检测支撑装置用于承载所述第一组压力检测装置，所述第二组检测支撑装置用于承载所述第二组压力检测装置。

3.根据权利要求2所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述第一压力检测组件包括多个第一压力传感器，多个所述第一压力传感器沿着第一方向水平等距设置；

所述第二压力检测组件包括多个第二压力传感器，多个所述第二压力传感器沿着第二方向水平等距设置；

所述第一方向与所述第二方向垂直设置。

4.根据权利要求2所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述第一高聚能冲击波激发装置竖直设置于所述高压水箱内部；所述第一高聚能冲击波激发装置的外侧套设有套管装置，以模拟固井水泥环；

所述第一组压力检测装置与所述第二组压力检测装置中间开设有孔状通道；所述孔状通道与所述套管装置相适配；

所述第一高聚能冲击波激发装置包括高压直流电源、高聚能储能电容器、能量控制器、能量转换器和金属包裹能量棒，所述高压直流电源与激发总控装置通信连接；直流高压经厄流圈给所述高聚能储能电容器充电；所述能量控制器用于将所述电容器中存储的电能传递至所述能量转换器；所述能量转换器激发金属包裹能量棒，驱动所述金属包裹能量棒内含能材料化学键断裂，释放化学能，以产生高能量冲击波。

5.根据权利要求1所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述第一腔室加载装置设置于所述高压水箱的上部；

所述第一腔室加载装置包括第一反力框架和法向加载油缸，所述第一反力框架设置于所述高压水箱的顶板上部，所述法向加载油缸设置于所述第一反力框架上部，以与所述第一反力框架构成整体反力结构；

所述高压水箱与注水控制系统通信连接，所述高压水箱在所述注水控制系统的控制下进行所述高压水箱内部水的注满。

6.根据权利要求1所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，该系统还包括第一承压结构、第二承压结构、第三承压结构、第四承压结构、第五承压结构和第六承压结构，所述第一承压结构与所述第二承压结构分别设置于岩石试样的下侧和上侧，所述第三承压结构与所述第四承压结构分别设置于岩石试样的左侧和右侧，所述第五承压结构与所述第六承压结构分别设置于岩石试样的后侧和前侧；相邻承压结构之间通过L型角钢螺栓连接；

所述加载装置包括第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置；所述第一加载装置设置于所述第一承压结构的下方；所述第二承压结构的上部设置有法向反力框架装置，所述第一加载装置与所述法向反力框架装置构成岩石试样的法向加载承载装置；

所述第二加载装置设置于所述第三承压结构的左侧；所述第四承压结构的右侧设置有第一凸起结构，所述第一凸起结构固定设置于所述第二腔室的内壁；所述第二加载装置与所述第一凸起结构构成岩石试样的第一侧向加载承载装置；

所述第三加载装置设置于所述第五承压装置的外侧；所述第六承压结构的外侧设置有第二凸起结构，所述第二凸起结构固定设置于所述第二腔室的内壁；所述第三加载装置与所述第二凸起结构构成岩石试样的第二侧向加载承载装置。

7.根据权利要求6所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述第一加载装置包括第一加载油缸和第一承载装置，所述第一加载油缸通过所述第一承载装置贯穿所述第二腔室的第一侧壁设置；所述第二高聚能冲击波激发装置设置于岩石试样开设的开口向上的深孔中；

所述第二加载装置包括第二加载油缸和第二承载装置，所述第二加载油缸通过所述第二承载装置贯穿所述第二腔室的第二侧壁设置；

所述第三加载装置包括第三加载油缸和第三承载装置，所述第三加载油缸通过所述第三承载装置贯穿所述第二腔室的第三侧壁设置；

所述第一加载油缸、所述第二加载油缸、所述第三加载油缸分别在第一压力伺服控制系统、第二压力伺服控制系统、第三压力伺服控制系统的控制下靠近或远离岩石试样以进行岩石试样真三轴应力调节。

8.根据权利要求6所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述岩石裂缝检测装置包括声发射装置、放大器和采集仪，所述声发射装置设置于所述第二腔室内部，用于采集岩石试样可控冲击波压裂过程中的声信号；所述放大器与所述声发射装置通信连接，以放大采集到的声信号；所述采集仪与所述放大器信号连接，以采集放大后的声信号；

所述声发射装置包括第一组声发射装置、第二组声发射装置、第三组声发射装置和第四组声发射装置，所述第一组声发射装置、所述第二组声发射装置、所述第三组声发射装置与所述第四组声发射装置构成围绕岩石试样的裂缝信息采集装置；

所述第三承压结构、所述第四承压结构、所述第五承压结构、所述第六承压结构上分别开设有用于容纳所述第一组声发射装置、所述第二组声发射装置、所述第三组声发射装置、所述第四组声发射装置的凹槽。

9.根据权利要求8所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，其特征在于，所述第一组声发射装置包括多排第一声发射探头组件，且多排所述第一声发射探头组件等距平行设置；

第二组声发射装置包括多排第二声发射探头组件，且多排所述第二声发射探头组件等距平行设置；

第三组声发射装置包括多排第三声发射探头组件，且多排所述第三声发射探头组件等距平行设置；

第四组声发射装置包括多排第四声发射探头组件，且多排所述第四声发射探头组件等距平行设置；

所述第一声发射探头组件、所述第二声发射探头组件、所述第三声发射探头组件与所述第四声发射探头组件均包括多个声发射探头，多个所述声发射探头均垂直于岩石试样设置。

10.一种岩石真三轴可控冲击波压裂试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-9中任一项所述的岩石真三轴可控冲击波压裂试验系统，包括以下步骤：

步骤S100，通过注水控制系统的控制进行高压水箱内部水的注满；

步骤S200，第一高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下在水中进行不同峰值压力、不同持续时间的可控冲击波的激发；

波形检测装置进行可控冲击波的波形检测采集，以获取不同参数设定下对应可控冲击波的波形；

步骤S300，控制加载装置中的第一加载装置、第二加载装置和第三加载装置分别岩石试样施加法向加载值、第一水平加载值、第二水平加载值并保持恒定，以模拟深部储层条件应力环境；

第二高聚能冲击波激发装置在激发总控装置的控制下进行设定参数的可控冲击波的激发；其中，设定参数为激发的可控冲击波不破坏第一高聚能冲击波激发装置外侧设置的套管装置完整性的峰值压力、持续时间；

步骤S400，通过设置于岩石试样周侧的岩石裂缝检测装置采集岩石试样在设定参数的可控冲击波压裂作用下形成的缝网形状，并记录对应参数下岩石试样中形成的裂缝空间分布；

步骤S500，基于步骤S400中获得的岩石试样中形成的裂缝空间分布，重复步骤S300、步骤S400，直至得到预期的裂缝效果，记录对应参数。

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