CN204807547U - 一种应力渗流耦合真三轴剪切盒 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种应力渗流耦合真三轴剪切盒，包括剪切盒主体(2)，剪切盒主体(2)内含有用于包裹岩石试样(13)的密封胶套(14)，密封胶套(14)与剪切盒主体(2)之间形成环形的密封腔(22)，剪切盒主体(2)的上端设有用于向岩石试样(13)施加向下压力的上垂直加载活塞(1)，剪切盒主体(2)的下端设有用于向岩石试样(13)施加向上压力的下垂直加载活塞(3)，剪切盒主体(2)的左右两端均设有剪切活塞(5)，两个剪切活塞(5)能够向岩石试样(13)施加沿水平方向的剪切力。该应力渗流耦合真三轴剪切盒既能够推动岩石试件上下两部分相对剪切，还能够让岩石试样周边受到恒定压力(围压)。

Description

一种应力渗流耦合真三轴剪切盒

技术领域

本实用新型涉及一种应力渗流耦合真三轴剪切盒。

背景技术

近年来，随着低渗透、特低渗透油气藏，特别是页岩气藏等非常规储层的开发，水力压裂在保证非常规储层经济有效开发方面的作用也越来越重要。页岩气藏常采用滑溜水大规模压裂技术，目的是形成大规模的裂缝网络，增大储层改造体积(SRV)。页岩储层天然裂缝发育，压裂形成的裂缝网络中含有大量的剪切滑移裂缝，缝面发生剪切滑动可促使粗糙裂缝的凸起起到支撑裂缝的作用，缺少支撑剂的裂缝闭合后仍能形成残余缝隙，这种自支撑效应对储层增产改造效果有重要影响。因此，深入研究储层应力条件下剪切裂缝渗流特征对合理评价储层改造效果非常重要。

油气储层埋藏深度大，储层处于三维应力作用下，应力大、流体压力高，因而实验室研究高三维应力和高渗透压力条件下剪切裂缝应力渗流耦合特征更能反应储层条件下剪切裂缝渗流的实际情况。受实验条件的限制，目前已有剪切实验盒在要求的剪切位移条件下，施加的应力低，密封性差，能承受的渗透压力低。针对油气储层对高应力、高渗透压力下裂缝渗流应力耦合问题的实验研究要求，考虑目前相关实验设备存在的不足，急需一种高应力、高渗透压力的应力-渗流耦合真三轴实验系统，为研究储层应力、流体压力条件下岩心力学性质和受力特征对裂缝渗透性质的影响，为揭示储层条件下渗流-应力耦合机理提供实验条件。

中国专利CN201075102Y，公开日期2008年6月18日，公开了一种《岩石节理剪切-渗流耦合试验盒》，主要是设计思路的描述，没有具体描述试验盒完全密封可承受的渗流参数，亦没有考虑真三轴加压问题。

实用新型内容

为了解决现有的试验装置没有解决真三轴加压的问题，本实用新型提供了一种应力渗流耦合真三轴剪切盒，该应力渗流耦合真三轴剪切盒既能够推动岩石试件上下两部分相对剪切，还能够让岩石试样周边受到恒定压力(围压)，更能体现出岩石在地下受到复杂外力断裂时对节理面渗透性影响。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应力渗流耦合真三轴剪切盒，包括剪切盒主体，剪切盒主体内含有用于包裹岩石试样的密封胶套，密封胶套与剪切盒主体之间形成环形的密封腔，剪切盒主体的上端设有用于向岩石试样施加向下压力的上垂直加载活塞，剪切盒主体的下端设有用于向岩石试样施加向上压力的下垂直加载活塞，剪切盒主体的左右两端均设有剪切活塞，两个剪切活塞能够向岩石试样施加沿水平方向的剪切力。

剪切盒主体包括筒壁和端盖，筒壁的轴线沿水平方向设置，端盖设置在筒壁的左右两端，筒壁的外表面呈正四棱柱状，筒壁的内表面呈圆柱状。

密封胶套包括筒形的胶套壁，该胶套壁的轴线与筒壁的轴线重合，该胶套壁的左右两端外均设有圆环形的端面，该端面与端盖的内表面抵接。

该胶套壁中部含有与上垂直加载活塞相对应的上通孔，该上通孔处设有从上向下依次层叠设置的顶套、第一摩擦片和第二摩擦片，顶套为扁圆柱状，顶套、第一摩擦片和第二摩擦片均设置在密封胶套内，上垂直加载活塞的上端设置在剪切盒主体外，上垂直加载活塞的下端与顶套的上端面抵接。

该胶套壁中部含有与下垂直加载活塞相对应的下通孔，该下通孔处设有从下向上依次层叠设置的顶套、第一摩擦片和第二摩擦片，顶套为扁圆柱状，顶套、第一摩擦片和第二摩擦片均设置在密封胶套内，下垂直加载活塞的下端设置在剪切盒主体外，下垂直加载活塞的上端与顶套的下端面抵接。

位于剪切盒主体左端的剪切活塞的轴线与筒壁的轴线重合，剪切活塞内含沿轴向贯通的渗流孔，剪切活塞包括套设于端盖内活塞杆，活塞杆的头部设有顶块，顶块与活塞杆通过弹簧和圆柱销连接，顶块能够相对于活塞杆沿剪切活塞的轴向往复移动，顶块位于活塞杆的头部的上方，活塞杆的头部的上表面平行于水平面且筒壁的轴线位于活塞杆的头部的上表面，当剪切活塞顶紧岩石试样时，顶块的右端面和活塞杆的头部的右端面均贴合于岩石试样的左端面。

位于剪切盒主体右端的剪切活塞的轴线与筒壁的轴线重合，剪切活塞内含沿轴向贯通的渗流孔，剪切活塞包括套设于端盖内活塞杆，活塞杆的头部设有顶块，顶块与活塞杆通过弹簧和圆柱销连接，顶块能够相对于活塞杆沿剪切活塞的轴向往复移动，顶块位于活塞杆的头部的下方，活塞杆的头部的下表面平行于水平面且筒壁的轴线位于活塞杆的头部的下表面，当剪切活塞顶紧岩石试样时，顶块的左端面和活塞杆的头部的左端面均贴合于岩石试样的右端面。

剪切盒主体外还设有压盖，压盖包括环形的压帽，压帽套设于剪切活塞外，压帽的轴线与端盖的轴线重合，压帽与端盖固定连接。

压盖包括柱状的压块，压块与活塞杆的外端固定连接，剪切活塞内含沿轴向贯通的渗流孔，压块内含有与该渗流孔连通的渗流流体通道，压块的外径小于压帽的内径。

筒壁上设有与密封腔连通的液压油进出口和液压油排气口。

本实用新型的有益效果是，

1、采用抗压强度高、耐水蚀性好的高密度钢材制造的剪切盒主体，能够实现模拟储层高应力下进行的真三轴应力-渗流耦合试验，侧向油压可施加50MPa，轴向压力可施加2000kN；

2、采用分体式的顶块、挡块组合剪切活塞，可以实现10mm以内的剪切位移,能够充分研究岩石试样剪缩、剪胀及峰后变形全过程的渗透特性变化规律，同时不破坏剪切裂缝的完整性；

3、采用弹性及硬度适中的一体式聚氨酯密封胶套，具有耐磨、耐油、耐老化的特点，与剪切盒主体完全适配，能够在承受40MPa的高渗流压力条件下保持良好的密封。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。

图1为应力渗流耦合真三轴剪切盒的主视示意图。

图2为应力渗流耦合真三轴剪切盒的左视示意图。

图3为应力渗流耦合真三轴剪切盒的俯视示意图。

图4为图2中沿A-A方向的剖视示意图。

图5为密封胶套包裹岩石试样时的主视示意图。

图6为密封胶套包裹岩石试样时的左视示意图。

其中1.上垂直加载活塞，2.剪切盒主体，3.下垂直加载活塞，4.压盖，5.剪切活塞，6.活塞杆，7.顶块，8.弹簧，9.渗流流体进出口，10.渗流流体通道，11.液压油进出口，12.液压油排气口，13.岩石试样，14.密封胶套，15.顶套，16.第一摩擦片，17.第二摩擦片，18.O型密封圈，19.固定螺钉，20.顶起螺钉，21.头部，22.密封腔，23.筒壁，24.端盖，25.压帽，26.压块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

一种应力渗流耦合真三轴剪切盒，包括剪切盒主体2，剪切盒主体2内含有用于包裹岩石试样13的密封胶套14，密封胶套14与剪切盒主体2之间形成环形的密封腔22，剪切盒主体2的上端设有用于向岩石试样13施加向下压力的上垂直加载活塞1，剪切盒主体2的下端设有用于向岩石试样13施加向上压力的下垂直加载活塞3，剪切盒主体2的左右两端均设有剪切活塞5，两个剪切活塞5能够向岩石试样13施加沿水平方向的剪切力，如图1至图4所示。

上垂直加载活塞1能够向下移动，下垂直加载活塞3能够向上移动，用于向岩石试样13施加轴向压力，使用时密封腔22内灌入高压液体使密封胶套14给岩石试样13提供围压；两个剪切活塞5能够相向移动对岩石试样13施加沿水平方向的剪切力，从而实现了模拟储层高应力下进行的真三轴应力-渗流耦合试验，在本实施例中，岩石试样13为立方体结构。

在本实施例中，剪切盒主体2为外方内圆结构，如图1至图4所示，剪切盒主体2包括筒壁23和端盖24，筒壁23和端盖24通过固定螺钉19和顶起螺钉20连接固定，筒壁23的轴线沿水平方向设置，筒壁23的一端朝左另一端朝右，端盖24设置在筒壁23的左右两端，筒壁23的外表面呈正四棱柱状，筒壁23的内表面呈圆柱状，端盖24为圆环形。筒壁23上设有与密封腔22连通的液压油进出口11和液压油排气口12。可以判断液压油是否充满整个剪切盒内部腔体。围压的加载通过伺服控制的增压泵进行实现。

密封胶套14的材质为聚氨酯，密封胶套14包括筒形的胶套壁，该胶套壁的轴线与筒壁23的轴线重合，该胶套壁的左右两端外均设有圆环形的端面，该端面与端盖24的内表面密封抵接，保证了不会因为高应力液压油的高应力作用导致密封胶套14鼓起而破坏其密封性。该胶套壁中部含有与上垂直加载活塞1相对应的上通孔，该上通孔处设有从上向下依次层叠设置的顶套15、第一摩擦片16和第二摩擦片17，顶套15为扁圆柱状，第一摩擦片16和第二摩擦片17为矩形，顶套15、第一摩擦片16和第二摩擦片17均设置在密封胶套14内，上垂直加载活塞1的上端设置在剪切盒主体2外，上垂直加载活塞1的下端与顶套15的上端面抵接，上垂直加载活塞1通过O型密封圈18与剪切盒主体2密封连接，如图4所示。该胶套壁中部含有与下垂直加载活塞3相对应的下通孔，该下通孔处设有从下向上依次层叠设置的顶套15、第一摩擦片16和第二摩擦片17，顶套15为扁圆柱状，顶套15、第一摩擦片16和第二摩擦片17均设置在密封胶套14内，下垂直加载活塞3的下端设置在剪切盒主体2外，下垂直加载活塞3的上端与顶套15的下端面抵接，下垂直加载活塞3通过O型密封圈18与剪切盒主体2密封连接。

使用时，将岩石试样13按照图5和图6所示装入密封胶套14内，图5和图6中虚线表示密封胶套14的厚度，整体放入剪切盒主体2内腔，如图4所示。密封胶套14的上下顶套卡入剪切盒主体1上下侧孔，使上垂直加载活塞1的下端与上部顶套15的上端面抵接，下垂直加载活塞3的上端与下部的顶套15的下端面抵接；密封胶套14左右侧边的圆环形的端面完全置入剪切盒主体2的内腔，与腔壁贴合形成密封腔22。外接的伺服控制油源通过液压油进出口11将液压油充满所述密封腔22，并进行侧向油压的加载。上垂直加载活塞1与下垂直加载活塞3通过外部轴向加载装置，可以实现对岩石试样13的应力和位移两种控制方式下轴向力加载。使用时，剪切活塞5通过外部水平加载装置对岩石试样13进行剪切力的加载。

下面介绍位于剪切盒主体2左端的剪切活塞5，如图4所示，剪切活塞5的轴线与筒壁23的轴线重合，剪切活塞5内含沿轴线贯通的渗流孔，剪切活塞5包括套设于端盖24内活塞杆6，活塞杆6右端的头部21设有顶块7，顶块7与活塞杆6通过弹簧8和圆柱销连接(即剪切活塞5包括高密度钢制成的活塞杆6、顶块7、弹簧8和圆柱销)，顶块7能够相对于活塞杆6沿剪切活塞5的轴向往复移动，顶块7位于活塞杆6的头部21的上方，活塞杆6的头部21的上表面平行于水平面且筒壁23的轴线位于活塞杆6的头部21的上表面，当剪切活塞5顶紧岩石试样13时，顶块7的右端面和活塞杆6的头部21的右端面均贴合于岩石试样13的左端面。顶块7的右端面和活塞杆6的头部21的右端面均为沿竖直方向设置且垂直于图4纸面的平面，顶块7和头部21均为立方体结构，沿垂直于图4纸面的方向，顶块7的宽度和头部21的宽度均等于筒壁23在水平方向的宽度L(如图6所示)。

下面介绍位于剪切盒主体2右端的剪切活塞5，如图4所示，剪切活塞5的轴线与筒壁23的轴线重合，剪切活塞5内含沿轴线贯通的渗流孔，剪切活塞5包括套设于端盖24内活塞杆6，活塞杆6左端的头部21设有顶块7，顶块7与活塞杆6通过弹簧8和圆柱销连接(即剪切活塞5包括高密度钢制成的活塞杆6、顶块7、弹簧8和圆柱销)，顶块7能够相对于活塞杆6沿剪切活塞5的轴向往复移动，顶块7位于活塞杆6的头部21的下方，活塞杆6的头部21的下表面平行于水平面且筒壁23的轴线位于活塞杆6的头部21的下表面，即位于剪切盒主体2左端的活塞杆6头部21的上表面和位于剪切盒主体2右端的活塞杆6头部21的下表面位于同一水平面。当剪切活塞5顶紧岩石试样13时，顶块7的左端面和活塞杆6的头部21的左端面均贴合于岩石试样13的右端面。顶块7的左端面和活塞杆6的头部21的左端面均为沿竖直方向设置且垂直于图4纸面的平面，顶块7和头部21均为立方体结构，沿垂直于图4纸面的方向，顶块7的宽度和头部21的宽度均等于筒壁23在水平方向的宽度L(如图6所示)。在本实施例中，两个剪切活塞5均与端盖24密封连接，位于剪切盒主体2左端的剪切活塞5不动，剪切盒主体2右端的剪切活塞5可以左右往复移动，从而向岩石试样13施加沿水平方向的剪切力。

在本实施例中，剪切盒主体2外还设有压盖4，压盖4包括环形的压帽25，压帽25密封套设于剪切活塞5外，压帽25的轴线与端盖24的轴线重合，压帽25与端盖24通过固定螺钉19固定连接。压盖4包括柱状的压块26，压块26与活塞杆6的外端固定连接，剪切活塞5内含沿轴线贯通的渗流孔，压块26内含有与该渗流孔连通的渗流流体通道10，压块26的外径小于压帽25的内径，压块26外还设有与渗流流体通道10连通的渗流流体进出口9，使用时，渗流流通可以依次通过渗流流体进出口9、渗流流体通道10和该渗流孔流向岩石试样13，实现对剪切后岩石试样13的渗流测试。渗流流体压力一定低于侧向油压的大小，最大可加载40MPa。

另外，剪切盒主体2的上侧板钻有2个螺孔，用于安装提拉环，方便剪切盒的搬运安装。用定位销钉连接剪切活塞5与压块26，保证渗流流体通道的对中。密封胶套14采用弹性及硬度适中的聚氨酯材料制成，具有耐磨、耐油、耐老化的特点。聚氨酯密封胶套为一体式结构，俯视呈翻转90°的“工”字。岩石试样经过顶套和两对摩擦片实现与聚氨酯密封胶套上下紧密接触，左右侧的矩形凹槽与剪切活塞大小相适配，前后侧的胶套与岩石试样大小相适配。聚氨酯密封胶套装入剪切盒主体后，左右侧边的圆形边界与主体内腔紧密接触，形成良好的密封。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施实例，不能以其限定实用新型实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本实用新型中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，所述应力渗流耦合真三轴剪切盒包括剪切盒主体(2)，剪切盒主体(2)内含有用于包裹岩石试样(13)的密封胶套(14)，密封胶套(14)与剪切盒主体(2)之间形成环形的密封腔(22)，剪切盒主体(2)的上端设有用于向岩石试样(13)施加向下压力的上垂直加载活塞(1)，剪切盒主体(2)的下端设有用于向岩石试样(13)施加向上压力的下垂直加载活塞(3)，剪切盒主体(2)的左右两端均设有剪切活塞(5)，两个剪切活塞(5)能够向岩石试样(13)施加沿水平方向的剪切力。

2.根据权利要求1所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，剪切盒主体(2)包括筒壁(23)和端盖(24)，筒壁(23)的轴线沿水平方向设置，端盖(24)设置在筒壁(23)的左右两端，筒壁(23)的外表面呈正四棱柱状，筒壁(23)的内表面呈圆柱状。

3.根据权利要求2所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，密封胶套(14)包括筒形的胶套壁，该胶套壁的轴线与筒壁(23)的轴线重合，该胶套壁的左右两端外均设有圆环形的端面，该端面与端盖(24)的内表面抵接。

4.根据权利要求3所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，该胶套壁中部含有与上垂直加载活塞(1)相对应的上通孔，该上通孔处设有从上向下依次层叠设置的顶套(15)、第一摩擦片(16)和第二摩擦片(17)，顶套(15)为扁圆柱状，顶套(15)、第一摩擦片(16)和第二摩擦片(17)均设置在密封胶套(14)内，上垂直加载活塞(1)的上端设置在剪切盒主体(2)外，上垂直加载活塞(1)的下端与顶套(15)的上端面抵接。

5.根据权利要求3所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，该胶套壁中部含有与下垂直加载活塞(3)相对应的下通孔，该下通孔处设有从下向上依次层叠设置的顶套(15)、第一摩擦片(16)和第二摩擦片(17)，顶套(15)为扁圆柱状，顶套(15)、第一摩擦片(16)和第二摩擦片(17)均设置在密封胶套(14)内，下垂直加载活塞(3)的下端设置在剪切盒主体(2)外，下垂直加载活塞(3)的上端与顶套(15)的下端面抵接。

6.根据权利要求2所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，位于剪切盒主体(2)左端的剪切活塞(5)的轴线与筒壁(23)的轴线重合，剪切活塞(5)内含沿轴向贯通的渗流孔，剪切活塞(5)包括套设于端盖(24)内活塞杆(6)，活塞杆(6)的头部(21)设有顶块(7)，顶块(7)与活塞杆(6)通过弹簧(8)和圆柱销连接，顶块(7)能够相对于活塞杆(6)沿剪切活塞(5)的轴向往复移动，顶块(7)位于活塞杆(6)的头部(21)的上方，活塞杆(6)的头部(21)的上表面平行于水平面且筒壁(23)的轴线位于活塞杆(6)的头部(21)的上表面，当剪切活塞(5)顶紧岩石试样(13)时，顶块(7)的右端面和活塞杆(6)的头部(21)的右端面均贴合于岩石试样(13)的左端面。

7.根据权利要求2所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，位于剪切盒主体(2)右端的剪切活塞(5)的轴线与筒壁(23)的轴线重合，剪切活塞(5)内含沿轴向贯通的渗流孔，剪切活塞(5)包括套设于端盖(24)内活塞杆(6)，活塞杆(6)的头部(21)设有顶块(7)，顶块(7)与活塞杆(6)通过弹簧(8)和圆柱销连接，顶块(7)能够相对于活塞杆(6)沿剪切活塞(5)的轴向往复移动，顶块(7)位于活塞杆(6)的头部(21)的下方，活塞杆(6)的头部(21)的下表面平行于水平面且筒壁(23)的轴线位于活塞杆(6)的头部(21)的下表面，当剪切活塞(5)顶紧岩石试样(13)时，顶块(7)的左端面和活塞杆(6)的头部(21)的左端面均贴合于岩石试样(13)的右端面。

8.根据权利要求2所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，剪切盒主体(2)外还设有压盖(4)，压盖(4)包括环形的压帽(25)，压帽(25)套设于剪切活塞(5)外，压帽(25)的轴线与端盖(24)的轴线重合，压帽(25)与端盖(24)固定连接。

9.根据权利要求8所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，压盖(4)包括柱状的压块(26)，压块(26)与活塞杆(6)的外端固定连接，剪切活塞(5)内含沿轴向贯通的渗流孔，压块(26)内含有与该渗流孔连通的渗流流体通道(10)，压块(26)的外径小于压帽(25)的内径。

10.根据权利要求1所述的应力渗流耦合真三轴剪切盒，其特征在于，筒壁(23)上设有与密封腔(22)连通的液压油进出口(11)和液压油排气口(12)。