CN113701805B - 二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法，该测试系统包括致裂管组件、传感器组件、数据采集系统、数据处理系统、显示终端及多根数据线；致裂管组件包括储液管、充液头和泄能头；充液头和泄能头连接于储液管两端，储液管侧壁上设有多个第一压电式压力传感器、温度传感器以及一压阻式压力传感器，泄能头外侧上设有一安装架，安装架上设有多个第二压电式压力传感器。本发明的有益效果为：测试系统及试验方法可为明晰二氧化碳相变致裂过程中管内二氧化碳相变全过程提供温压数据，为建立二氧化碳致裂管内及管外冲击荷载模型提供可靠的测试数据，从而确定致裂管内压力和管外冲击荷载匹配关系。

Description

二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及爆破破岩技术领域，尤其涉及二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法。

背景技术

二氧化碳相变致裂是一种绿色环保的爆破破岩技术，近年来在能源矿产、水利水电工程、城市基础设施建设领域逐步得到推广应用。时至今日，二氧化碳相变致裂理论研究仍处于初级阶段，二氧化碳相变致裂冲击荷载特征与冲击模式尚未明晰，开展二氧化碳的相变荷载特征研究能为促进二氧化碳相变致裂大规模推广应用提供理论基础。

二氧化碳相变致裂时，二氧化碳致裂管管内活化器通电激发，管内液态二氧化碳相变为超临界相，随着致裂管管内温度升高，管内压力不断增大，直至剪切片破断。剪切片破断后，超临界二氧化碳迅速相变为高压气体，冲击岩石，达到破岩的目的。在此过程中，剪切片厚度、活化器质量、二氧化碳充装量可影响致裂管管内温度与压力分布情况，进而影响致裂总时长。时至今日，仍然缺乏一种能全方位测试二氧化碳致裂管内温度场和管内外压力场的测试系统。同时，二氧化碳相变致裂时致裂管多布置在钻孔内部，致裂时致裂管外的高压气体射流冲击压力曲线难以获取，二氧化碳致裂管内压力变化特征与管外冲击超压的匹配关系尚未明晰。

发明内容

有鉴于此，为明晰二氧化碳相变致裂过程中管内二氧化碳相变全过程，为建立二氧化碳致裂管内及管外冲击荷载模型提供可靠的测试数据，确定二氧化碳致裂管内压力和管外冲击荷载匹配关系，本发明提供一种二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法：包括致裂管组件、传感器组件、数据采集系统、数据处理系统、显示终端及多根数据线；

致裂管组件包括储液管、充液头和泄能头，充液头和泄能头分别连接于储液管两端，充液头上设有导电元件和充液口，储液管内腔与充液口连通，充液头与储液管之间夹持有一活化器，导电元件与活化器相连，泄能头与储液管之间设有一剪切片，泄能头侧壁设有两个泄压孔；

数据采集系统包括多个温度传感器，多个第一压电式压力传感器、多个第二压电式压力传感器以及一压阻式压力传感器，所述第一压电式压力传感器、温度传感器均通过转接头固定于所述储液管侧壁，所述压阻式压力传感器直接固定于所述储液管侧壁，所述泄能头外侧上设有一安装架，所有第二压电式压力传感器均固定于所述安装架上；

所有温度传感器、第一压电式压力传感器、第二压电式压力传感器以及压阻式压力传感器均通过数据线连接于所述数据采集系统上，所述数据采集系统、所述数据处理系统以及显示终端依次相连。

进一步地，该测试系统还包括试验台架，所述试验台架锚定于地面，所述储液管固定于所述试验台架上。

进一步地，所述试验台架包括两支撑架和两压紧条，两支撑架均为矩形框架结构，两支撑架底部均通过膨胀螺栓固定于地面，所述储液管固定支撑于两所述支撑架上方，两压紧条通过压紧螺栓锁紧安装于两支撑架上，从而将所述储液管固定。

进一步地，所述储液管上侧壁设有四列第一安装孔和一第二安装孔，每一列第一安装孔数量为N个，四列第一安装孔分布在储液管的N个径向截面上，且每一储液管的径向截面上的四个第一安装孔均匀分布，所述第一压电式压力传感器设置于四列第一安装孔中其中一列，所述温度传感器设置于其余三列第一安装孔内，所述压阻式压力传感器安装于第二安装孔中，其中N为大于1的整数。

进一步地，所有第一压电式压力传感器和所述压阻式压力传感器均位于同一条直线上。

进一步地，所述储液管靠近泄能头的端部设有一段加厚段，加厚段的内径缩小且侧壁加厚，所述第二安装孔设置于所述加厚段上。

进一步地，所述安装架为圆环形，所述安装架通过紧固螺杆固定于所述泄能头上，所述安装架上安装的第二压电式压力传感器的数量为五个，五个第二压电式压力传感器分别与两泄压孔中心连线成0°、30°、45°、60°、90°夹角。

本发明还提供一种基于上述二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法的测试方法，包括如下步骤：包括如下步骤：

S1：安装支撑架；将支撑架通过膨胀螺栓固定于试验场地地面；

S2：组装传感器组件；将所有第一压电式压力传感器、压阻式压力传感器以及温度传感器安装在在储液管上；将第二压电式压力传感器安装于安装架上；

S3：组装致裂管组件；将充液头、活化器、泄能头和剪切片组装于储液管上，使其形成一完整的致裂管组件；

S4:充装液态二氧化碳；将液态二氧化碳通过充液口充装至储液管内腔，并检查二氧化碳致裂管的整体气密性；

S5:固定致裂管组件；将步骤S3中组装好的致裂管组件安装于步骤S1中的支撑架上，并将致裂管组件通过压紧条固定于支撑架上，安装时保证储液管同一横截面上不相邻的两个温度传感器的连线垂直于试验场地地面；

S6:固定安装架；将安装架通过紧固螺杆安装于泄能头上；

S7:连接数据采集、处理系统及显示组件；将所有第一压电式压力传感器、第二压电式压力传感器、压阻式压力传感器以及温度传感器通过数据线连接于数据采集系统上，并将数据采集系统、数据处理系统和显示终端依次连接，显示终端显示所有传感器的初始参数；

S8:致裂管起爆；对充液头上的导电元件通电，利用电激发的方式激发储液管中的活化器，使其快速释放热量，促使液态二氧化碳相变为超临界态，并冲破剪切片，超临界态二氧化碳迅速相变为气态，并从泄压孔快速释放，到达起爆的效果；

S9：数据收集；二氧化碳致裂管起爆过程中，压电式压力传感器、压阻式压力传感器、温度传感器感测储液管内的温度、压力和储液管外的压力数据并发生响应，数据采集系统自动采集储液管内的温度、压力和储液管外的压力数据并自动将数据传输至数据处理系统；

S10：数据处理及显示；数据处理系统记录压阻式压力传感器感应到的初始压力P0以及各个第一压电式压力传感器感应到的相对压力曲线P1，并计算出储液管内不同位置处的绝对压力曲线P2；同时数据处理系统记录五个第二压电式压力传感器采集到的压力曲线Pa、Pb、Pc、Pd、Pe，并计算Pa、Pb、Pc、Pd、Pe曲线峰值分别与最接近泄能头的一第一压电式压力传感器感测计算出的P2曲线峰值之间的比值得到不同方向上的压力冲击系数λa、λb、λc、λd、λe，并将压力曲线P2、Pa、Pb、Pc、Pd、Pe及压力冲击系数λa、λb、λc、λd、λe传输至显示终端上进行显示。

本发明二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统及测试方法的有益效果为：

(1)该测试系统能同时有效测试二氧化碳致裂管内外压力和储液管管内温度，获取的储液管内压力和温度数据有助于探究二氧化碳致裂管内液态二氧化碳受热转变为超临界态、剪切片破断后超临界相二氧化碳泄压转换为气相二氧化碳这一物理过程的温压特征。

(2)该测试系统同时采集二氧化碳致裂管内外压力，对比二氧化碳致裂管内压力与管外压力，有助于分析不同方向上二氧化碳相变致裂时钻孔冲击荷载大小和二氧化碳相变致裂时钻孔冲击荷载模式。

(3)改变各次试验中二氧化碳致裂管内二氧化碳充装量大小、剪切片厚度和活化器质量，利用本发明提供的二氧化碳致裂管内温压及管外超压测试系统及测试方法，可明晰不同爆源参数下二氧化碳致裂管内温度、压力和管外压力变化特点，进而可得到二氧化碳相变致裂爆源参数(二氧化碳充装量、剪切片厚度、活化器质量)最优匹配模式。

附图说明

图1是本发明实施例二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统的致裂管组件的第一剖面示意图。

图2是本发明实施例二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统的致裂管组件的第二剖面示意图。

图3是图1中A-A截面的结构示意图。

图4是图1中B-B截面的结构示意图。

图5是本发明实施例二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统的试验台架的结构示意图。

图6是本发明实施例二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统的试验台架的俯视图。

图7是本发明实施例二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统的传感器组件连接结构图。

图中：1-储液管，2-充液头，21-充液口，22-导电元件，3-泄能头，31-泄压孔，32-安装架，33-紧固螺杆，4-活化器，5-剪切片，6-转接头，61-第一压电式压力传感器，62-温度传感器，63-压阻式压力传感器，64-第二压电式压力传感器，7-支撑架，71-膨胀螺栓，72-压紧条，73-压紧螺栓，8-数据线，81-数据采集系统，82-数据处理系统，83-显示终端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图7，本发明的本发明提供二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统：包括致裂管组件、传感器组件、试验台架、数据采集系统81、数据收集系统82、显示终端83及多根数据线8。

致裂管组件包括储液管1、充液头2和泄能头3，储液管1为中空圆管体，充液头2和泄能头3分别通过螺纹连接的方式固定于储液管1两端，充液头2上设有导电元件22和充液口21，储液管1内腔通过充液口21与外界连通，充液头2与储液管1之间夹持有一活化器4，活化器4延伸至储液管1内腔中，导电元件22与所述活化器4接通，泄能头3与储液管1之间设有一剪切片5，剪切片5被泄能头3压紧于储液管1的端部，且剪切片5封闭储液管1的该端部，泄能头3侧壁设有两个泄压孔31。充液口21用于向储液管1内填充液态二氧化碳，导电元件22用于对活化器4通电，使活化器4快速产生大量热量，促使储液管1内液态二氧化碳迅速转换为超临界态，随着致裂管内温度升高，管内压力不断增大，管内压力超出剪切片5的破断压力后，剪切片5破坏，超临界态二氧化碳迅速相变为气态二氧化碳，从泄压孔31泄出，达到爆炸的效果。

所述传感器组件包括多个第一压电式压力传感器61、多个温度传感62、多个第二压电式压力传感器64以及一压阻式压力传感器63，所述传感器组件安装结构如下：所述储液管1靠近所述泄能头3的端部设有一段加厚段，加厚段的内径缩小且侧壁加厚，储液管1侧壁上设有多个第一安装孔和一第二安装孔，本实施例中所述第一安装孔的数量为十六个，十六个第一安装孔分四列设置，每列四个第一安装孔，每列第一安装孔中的相邻的第一安装孔的间距均相等，且四列第一安装孔中相邻的两列第一安装孔之间的周向夹角均为90°(即十六个第一安装孔分布在储液管1的四个径向截面上，且每一储液管1的径向截面上的四个第一安装孔均匀分布)，每一第一安装孔内设有一第一压电式压力传感器61或一温度传感器62，所有第一压电式压力传感器61和温度传感器62均通过转接头6固定于所述第一安装孔中，且转接头6通过螺纹连接的方式固定于第一安装孔中，第一压电式压力传感器61和温度传感器62也通过螺纹连接的方式安装于转接头6内，十六个第一安装孔中安装有四个第一压电式压力传感器61和十二个温度传感器62，且四个第一压电式压力传感器61安装于同一列第一安装孔中，所述加厚段上还设有一第二安装孔，所述第二安装孔内安装有压阻式压力传感器63，且所述压阻式压力传感器63与四个第一压电式压力传感器61排列在同一条直线上。

所述泄能头3外壁还设有三个未贯穿所述泄能头3的连接孔，泄能头3外侧设有一与泄能头3同轴设有的安装架32，安装架32为圆环形，安装架32上设有三个紧固螺杆33，三个紧固螺杆33穿过安装架32且分别通过螺纹连接于三个所述连接孔，从而将所述安装架32固定于所述泄能头3外侧，所述泄能头3上还设有五个第三安装孔，每一第三安装孔内安装有一第二压电式压力传感器64，五个第二压电式压力传感器64分别与两泄压孔中心连线成0°、30°、45°、60°、90°夹角，五个第二压电式压力传感器64以上述方式排布，可测试致裂管组件在实际致裂过程中的多个方向上的射流冲击压力。

所述试验台架包括两并列设置的支撑架7，两支撑架7均为矩形框架，两支撑架7之间通过连接条焊接为一整体，两支撑架7底部均通过膨胀螺栓71锚定于地面，且每一支撑架7上方设有一压紧条72，所述储液管1两端分别支撑于两支撑架7上，两压紧条72分别设置于储液管1两端上方，且每一压紧条7通过两压紧螺栓73固定于两支撑架7上，从而使储液管1固定于支撑架7上。

上述所有第一压电式压力传感器61、第二压电式压力传感器64、压阻式压力传感器63以及温度传感器62均通过数据线8与数据采集系统81相连，数据采集系统81、数据处理系统82以及显示终端83依次相连，所述数据采集系统81用于收集所有传感器感测的压力及温度数据，所述数据处理系统82用于处理所述数据采集系统81收集到的压力及温度数据，并将经过处理的数据传输至显示终端83显示。

上述的二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统的测试方法包括如下步骤：

S1：安装支撑架7；将支撑架7通过膨胀螺栓71固定于试验场地地面；

S2：组装传感器组件；将所有第一压电式压力传感器61、压阻式压力传感器63以及温度传感器62安装于储液管1上；将第二压电式压力传感器64安装于安装架32上；

S3：组装致裂管组件；将充液头2、泄能头3、活化器4、剪切片5、组装于储液管1上，使其形成一完整的致裂管组件；

S4:充装液态二氧化碳；将液态二氧化碳通过充液口21充装至储液管1内腔，封闭充液口21，并检查组装后的储液管1的整体气密性；

S5:固定致裂管组件，将步骤S3中组装好的致裂管组件横向安装于步骤S1中的支撑架7上，并将致裂管组件通过压紧条72固定于支撑架7上，安装时保证储液管1同一横截面上不相邻的两个温度传感器62的连线垂直于试验场地地面；

S6:固定安装架32，将安装架32通过紧固螺杆33安装在泄能头3上；

S7:连接数据采集、处理及显示组件；将所有第一压电式压力传感器61、第二压电式压力传感器64、压阻式压力传感器63以及温度传感器62通过数据线8连接于数据采集系统81上，并将数据采集系统81、数据处理系统82和显示终端83依次相连，显示终端83显示上述所有传感器的初始参数；

S8:致裂管起爆；对充液头2上的导电元件22导电，利用电激发的方式激发储液管1中的活化器4，使其快速释放热量，从而使液态二氧化碳转化为超临界态，超临界态二氧化碳压力不断升高，进而冲破剪切片5，超临界态二氧化碳迅速相变为气态，并从泄压孔31快速释放，到达起爆的效果；

S9：数据收集；二氧化碳致裂管起爆过程中，第一压电式压力传感器61、第二压电式压力传感器64、压阻式压力传感器63、温度传感器62感测储液管1内的温度、压力和储液管1外的压力数据并发生响应，数据采集系统81自动采集储液管1内的温度、压力和储液管1外的压力数据并自动将数据传输至数据处理系统82；

S10：数据处理及显示；数据处理系统82记录压阻式压力传感器63感应到的初始压力P0以及各个第一压电式压力传感器61感应到的相对压力曲线P1，并计算出储液管内不同位置处的绝对压力曲线P2(本实施例中，第一压电式压力传感器61数量为四个，绝对压力曲线P2为四条)；同时数据处理系统82记录五个第二压电式压力传感器64采集到的压力曲线Pa、Pb、Pc、Pd、Pe，并计算Pa、Pb、Pc、Pd、Pe曲线峰值分别与最接近泄能头3处的一第一压电式压力传感器61的压力曲线P2曲线峰值之间的比值，得到不同方向上的压力冲击系数λa、λb、λc、λd、λe，并将压力曲线P2、Pa、Pb、Pc、Pd、Pe及压力冲击系数λa、λb、λc、λd、λe传输显示终端83上进行显示。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试方法：其特征在于：该测试方法用于二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试系统，该测试系统包括致裂管组件、传感器组件、数据采集系统、数据处理系统、显示终端、试验台架及多根数据线；

致裂管组件包括储液管、充液头和泄能头，充液头和泄能头分别连接于储液管两端，充液头上设有导电元件和充液口，储液管内腔与充液口连通，充液头与储液管之间夹持有一活化器，导电元件与活化器相连，泄能头与储液管之间设有一剪切片，泄能头侧壁设有两个泄压孔；

数据采集系统包括多个温度传感器、多个第一压电式压力传感器、多个第二压电式压力传感器以及一压阻式压力传感器，所述第一压电式压力传感器、温度传感器均通过转接头固定于所述储液管侧壁，所述压阻式压力传感器直接固定于所述储液管侧壁，所述泄能头外侧上设有一安装架，所有第二压电式压力传感器均固定于所述安装架上；

所有温度传感器、第一压电式压力传感器、第二压电式压力传感器以及压阻式压力传感器均通过数据线连接于所述数据采集系统上，所述数据采集系统、所述数据处理系统以及显示终端依次相连；

所述试验台架锚定于地面，所述储液管固定于所述试验台架上； 所述试验台架包括两支撑架和两压紧条，两支撑架均为矩形框架结构，两支撑架底部均通过膨胀螺栓固定于地面，所述储液管固定支撑于两所述支撑架上方，两压紧条通过压紧螺栓锁紧安装于两支撑架上，从而将所述储液管固定；

所述安装架为圆环形，所述安装架通过紧固螺杆固定于所述泄能头上，所述安装架上安装的第二压电式压力传感器的数量为五个，五个第二压电式压力传感器分别与两泄压孔中心连线成0°、30°、45°、60°、90°夹角；

该方法包括如下步骤：

S1：安装支撑架；将支撑架通过膨胀螺栓固定于试验场地地面；

S2：组装传感器组件；将所有第一压电式压力传感器、压阻式压力传感器以及温度传感器安装在在储液管上；将第二压电式压力传感器安装于安装架上；

S3：组装致裂管组件；将充液头、活化器、泄能头和剪切片组装于储液管上，使其形成一完整的致裂管组件；

S4:充装液态二氧化碳；将液态二氧化碳通过充液口充装至储液管内腔，并检查二氧化碳致裂管的整体气密性；

S5:固定致裂管组件；将步骤S3中组装好的致裂管组件安装于步骤S1中的支撑架上，并将致裂管组件通过压紧条固定于支撑架上，安装时保证储液管同一横截面上不相邻的两个温度传感器的连线垂直于试验场地地面；

S6:固定安装架；将安装架通过紧固螺杆安装于泄能头上；

S7:连接数据采集、处理系统及显示组件；将所有第一压电式压力传感器、第二压电式压力传感器、压阻式压力传感器以及温度传感器通过数据线连接于数据采集系统上，并将数据采集系统、数据处理系统和显示终端依次连接，显示终端显示所有传感器的初始参数；

S8:致裂管起爆；对充液头上的导电元件通电，利用电激发的方式激发储液管中的活化器，使其快速释放热量，促使液态二氧化碳相变为超临界态，并冲破剪切片，超临界态二氧化碳迅速相变为气态，并从泄压孔快速释放，到达起爆的效果；

S9：数据收集；二氧化碳致裂管起爆过程中，压电式压力传感器、压阻式压力传感器、温度传感器感测储液管内的温度、压力和储液管外的压力数据并发生响应，数据采集系统自动采集储液管内的温度、压力和储液管外的压力数据并自动将数据传输至数据处理系统；

S10：数据处理及显示；数据处理系统记录压阻式压力传感器感应到的初始压力P0以及各个第一压电式压力传感器感应到的相对压力曲线P1，并计算出储液管内不同位置处的绝对压力曲线P2；同时数据处理系统记录五个第二压电式压力传感器采集到的压力曲线Pa、Pb、Pc、Pd、Pe，并计算Pa、Pb、Pc、Pd、Pe曲线峰值分别与最接近泄能头的一第一压电式压力传感器的P2曲线峰值之间的比值，得到不同方向上的压力冲击系数λa、λb、λc、λd、λe，并将压力曲线P2、Pa、Pb、Pc、Pd、Pe及压力冲击系数λa、λb、λc、λd、λe传输至显示终端上进行显示。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试方法：其特征在于：所述储液管上侧壁设有四列第一安装孔和一第二安装孔，每一列第一安装孔数量为N个，四列第一安装孔分布在储液管的N个径向截面上，且每一储液管的径向截面上的四个第一安装孔均匀分布，所述第一压电式压力传感器设置于四列第一安装孔中其中一列，所述温度传感器设置于其余三列第一安装孔内，所述压阻式压力传感器安装于第二安装孔中，其中N为大于1的整数。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试方法：其特征在于：所有第一压电式压力传感器和所述压阻式压力传感器均位于同一条直线上。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳致裂管管内温压及管外超压测试方法：其特征在于：所述储液管靠近泄能头的端部设有一段加厚段，加厚段的内径缩小且侧壁加厚，所述第二安装孔设置于所述加厚段上。

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