CN212658548U - 一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，包括三轴应力加载系统、试验盒、高温加热系统，三轴应力加载系统对试验盒内的岩石试样进行应力加载，高温加热系统对试验盒内的岩石试样进行加热，所述三轴应力加载系统包括固定框架、位于固定框架下方的固定平台、移动框架、X向加载液压缸、Y向加载液压缸及Z向加载液压缸，所示试验盒包括外部隔热盒及内部保温盒，所述高温加热系统包括加热管及加热管镶嵌板。该装置通过高温加热系统、三轴应力加载系统及水压致裂装置，实现对高温岩石压裂试验的模拟。

Description

一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置

技术领域

本实用新型涉及高温岩石压裂设备技术领域，具体涉及一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置。

背景技术

地热能是来自地球内部的可再生层地热资源，是"热、矿、水"三位一体的资源，同时也是洁净的环保型能源，具有高效环保、安全稳定、且不受季节、气候制约的特点，通常分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能，其中干热岩型地热能已成为世界重点研究开发的新能源，干热岩中所蕴含的地热能量巨大。开发干热岩资源的原理是从地表往干热岩中打一眼井(注入井)，封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水，产生了非常高的压力，使岩体内产生裂隙，随着低温水的不断注入，裂缝不断增加、扩大并相互连通，最终形成一个大致呈面状的人工干热岩热储层。由于现场开采情况复杂、风险大，在现场开采前，通过试验模拟干热岩压裂过程非常有必要，可以为现场压裂工艺设计及人工储层改造提供参数支持，可减少现场施工的风险。

目前，国内研究的岩石真三轴压裂模拟试验设备，均在室温条件下进行加载试验，无法实现高温高压条件下的三轴加载，不能模拟温度较高的干热岩压裂试验。

实用新型内容

为了克服现有技术领域存在的上述技术问题，本实用新型的目的在于，提供一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，通过高温加热系统、三轴应力加载系统及水压致裂装置，实现对高温岩石压裂试验的模拟。

本实用新型提供的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，包括三轴应力加载系统、试验盒、高温加热系统，所述三轴应力加载系统包括固定框架、位于固定框架下方的固定平台、移动框架、X向加载液压缸、Y向加载液压缸及Z向加载液压缸，所述移动框架滑动连接在固定平台上，所述Z向加载液压缸设置在固定框架的顶部横梁上，所述X向加载液压缸设置在固定框架的一侧侧面横梁上，所述Y向加载液压缸设置在移动框架内的一端，所述X向加载液压缸、Y向加载液压缸及Z向加载液压缸的活塞杆端部设置有加载压头；

所述试验盒设置在移动框架内的另一端，所述试验盒包括外部隔热盒及内部保温盒，岩石试样位于内部保温盒内，所述内部保温盒的左右两侧、前后两侧及顶部分别设置有X向承载压头、Y向承载压头、Z向承载压头，X、Y、Z向承载压头的内端部均固定有承载板，所述内部保温盒底部设置有底部承载板；

所述高温加热系统设置内部保温盒内，所述高温加热系统包括加热管、加热管镶嵌板，所述加热管镶嵌在加热管镶嵌板内，所述加热管镶嵌板与内部保温盒的Y向承载压头的内端部的承载板及底部承载板固定，所述加热管镶嵌板与岩石试样接触。

进一步地，所述外部隔热盒的左右两侧、前后两侧及顶部均设置有水浴压头，且水浴压头与内部保温盒内对应的X、Y、Z向承载压头固定。

进一步地，所述水浴压头内设置有水浴管，所述水浴管通过水管连接冷却水箱。

进一步地，所述内部保温盒的X、Y、Z向承载压头内端部的承载板为双层承载板，所述双层承载板的2个承载板之间设置有隔热板，所述内部保温盒底部的底部承载板下方也设置有隔热板。

进一步地，所述内部保温盒的X向两侧设置有声发射装置，所述声发射装置通过定位盘分别固定在X向承载压头的上下两侧，所述声发射装置包括声发射壳体、弹簧、声发射传感器、波导管，所述声发射壳体与定位盘固定，所述声发射传感器一端与弹簧连接且设置在声发射壳体内，所述声发射传感器的另一端连接波导管，所述波导管贯穿内部保温盒的侧壁及X向承载压头内端部的双层承载板及隔热板。

进一步地，Z向承载压头内端部的承载板底部设置有水压致裂压板，所述水压致裂压板与岩石试样接触，所述水压致裂压板内设置有注液孔，岩体试样预先钻孔，所述钻孔内套入密封套，所述水压致裂压板的注液孔内及密封套内均套入注液管，所述水压致裂压板内的注液管与密封套内的注液管相连通。

进一步地，所述水压致裂压板与岩石试样之间设置有平垫，所述密封套端部高于平垫，所述水压致裂压板与密封套采用锥度密封。

本实用新型提供的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其有益效果为：（1）通过高温加热系统、三轴应力加载系统及水压致裂装置，实现对高温岩石压裂试验的模拟，其最高加热温度可达400℃，精度±1%；（2）通过压力传感器、位移传感器、温度传感器及声发射传感器采集试验过程中的实时数据，分析压裂过程中起裂及裂缝扩展规律，为现场施工提供理论指导；（3）水浴压头可对外部隔热盒进行降温，可防止烫伤等现象，并且可防止靠近外部隔热盒的声发射传感器温度过高而产生损坏。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的整体结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是加载液压缸的结构示意图；

图4是试验盒的结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是图4的B-B剖视图；

图7是高温加热系统的结构示意图；

图8是水浴压头的结构示意图；

图9是水压致裂装置的结构示意图；

图10是声发射装置的结构示意图；

图11是内部试验盒内的温度传感器的安装位置示意图。

图中标注：1.三轴应力加载系统；11.固定框架；12.固定平台；13.移动框架；14.X向加载液压缸；15.Y向加载液压缸；16.Z向加载液压缸；17.加载压头；18.承载工作台；19.刚性定位块；110.滑动轨道；111.推动液压缸；112.移动轮；2.试验盒；21.X向承载压头；22.Y向承载压头；23.Z向承载压头；24.X向承载板；25.Y向承载板；26.Z向承载板；27.底部承载板；28.隔热板；29.水浴压头；210.水浴管；3.外部隔热盒；31.隔热框架；32.隔热盒上盖板；33.隔热盒下盖板；34.导向套；4.内部保温盒；41.保温框架；42.保温盒上盖板；43.保温盒下盖板；44.保温盒底座；45.保温盒固定板；46.锁紧螺杆；47.锁紧螺母；48.支撑座；5.高温加热系统；51.加热管；52.加热管镶嵌板；6.水压致裂装置；61.水压致裂压板；62.密封套；63.注液管；64.平垫；7.压力传感器；8.位移传感器；9.温度传感器；10.声发射装置；101.定位盘；102.声发射壳体；103.弹簧；104.声发射传感器；105.波导管；106.航空插头；107.岩石试样。

具体实施方式

下面参照附图，结合一个实施例，对本实用新型提供的一种高温高压真三轴岩石试验装置进行详细的说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的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实用新型的限制。

实施例

参照图1-11，本实施例的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，包括三轴应力加载系统1、试验盒2、高温加热系统5，三轴应力加载系统1对试验盒2内的岩石试样107进行应力加载，高温加热系统5对试验盒2内的岩石试样107进行加热，以模拟高温干热岩的温度。

参照图1-3，本实施例中，三轴应力加载系统1包括固定框架11、位于固定框架11下方的固定平台12、移动框架13、X向加载液压缸14、Y向加载液压缸15及Z向加载液压缸16， Z向加载液压缸16设置在固定框架11的顶部横梁上，X向加载液压缸14设置在固定框架13的一侧侧面横梁上，Y向加载液压缸15设置在移动框架13内的一端，且X、Y、Z向加载液压缸（14、15、16）的活塞杆端部固定有加载压头17，每个加载液压缸均采用独立伺服系统，即可实现同步加载也可实现异步加载；另外，固定平台12上设置有承载工作台18，承载工作台18位于固定框架11内，且承载工作台18尾端设置有刚性定位块19，固定平台12上还设置有2条滑动轨道110及推动液压缸111，推动液压缸111的缸体一端固定在固定平台12上，推动液压缸111的活塞杆一端与移动框架13连接，且移动框架13底部设置有移动轮112，移动轮112固定在移动框架13底部，当试验开始前，利用推动液压缸111将移动框架13沿滑动轨道110运动，将移动框架13推至承载工作台18上且刚性定位块19对其进行阻挡定位。

参照图4-6，本实施例中，试验盒2设置在移动框架13内的另一端，试验盒2包括外部隔热盒3及内部保温盒4，外部隔热盒3固定在移动框架13内，内部保温盒4通过保温盒底座44及保温盒固定板45固定在外部隔热盒3的内底部，岩石试样107位于内部保温盒4内，高温加热系统位于内部保温盒4内，外部隔热盒3包括回字型隔热框架31及隔热盒上盖板32、隔热盒下盖板33，隔热盒上盖板32、隔热盒下盖板33通过螺栓及密封垫与回字型隔热框架31固定，内部保温盒4包括回字型保温框架41及保温盒上盖板42、保温盒下盖板43，保温盒上盖板42、保温盒下盖板43通过螺栓及密封垫与回字型保温框架41固定，且内部保温盒4外表面设置纳米气凝胶保温毛毡，提高保温性。

在内部保温盒4的保温框架41左右两侧、前后两侧及保温盒上盖板42上分别设置有X向承载压头21、Y向承载压头22、Z向承载压头23，X、Y、Z向承载压头（21、22、23）贯穿外部隔热盒3及内部保温盒4并通过隔热定位盘固定在内部保温盒4上，X、Y、Z向承载压头（21、22、23）的内端部分别固定有X向承载板24、Y向承载板25、Z向承载板26，内部保温盒4的底部设置有底部承载板27，X、Y、Z向承载板（24、25、26）为双层承载板，双层承载板包括外侧承载板、内侧承载板，内侧承载板与岩石试样107接触，外侧承载板与内侧承载板之间设置有隔热板28，内部保温盒4底部的底部承载板27下方也设置有隔热板28，外侧承载板、内侧承载板与隔热板28通过耐高温高压密封胶固定，且隔热板28由中间层的不锈钢板与不锈钢板两侧的陶瓷氧化锆板采用钎焊叠加组合，不仅保证隔热效果且抗压承载能力性好；另外，X向承载板24及Y向承载板25顶部与内部保温盒4顶部设置有锁紧螺杆46，锁紧螺杆46通过锁紧螺母47固定，X向承载板24及Y向承载板25底部与内部保温盒4底部的保温盒下盖板43之间设置有支撑座48，通过锁紧螺杆46、锁紧螺母47及支撑座48使X向承载板24及Y向承载板25在内部保温盒4内固定更加牢固。

参照图7，为便于对内部保温盒4的岩石试样107加热，在Y向承载板25的内侧承载板及底部承载板27内侧固定高温加热系统5，高温加热系统5包括加热管51、加热管镶嵌板52，加热管51镶嵌在加热管镶嵌板52内，加热管镶嵌板52与内部保温盒4的Y向承载板25的及底部承载板27固定，加热管镶嵌板52与岩石试样107接触。本实施例中，最高加热温度可达400℃，精度±1%，满足试验需求。

参照图5、图6、图8，上述高温加热系统5长时间工作后，外部隔热盒3的温度也会逐渐升高，为防止烫伤等现象，在外部隔热盒3的回字型隔热框架31左右两侧、前后两侧及顶部通过导向套34套有水浴压头29，水浴压头29与内部保温盒4内对应的X、Y、Z向承载压头（21、22、23）通过承载定位盘及螺栓固定，且水浴压头29内部设置有水浴管210，水浴管210设置多个且相互连通，水浴管210的进水口通过水管连接冷却水箱，水浴管210的出水口通过水管连接回收水箱，且冷却水箱的出水端设置电磁阀，并通过水泵提供抽水动力；另外，水浴压头29的温度需实时监测，防止超过65℃，当水浴压头29的温度低于45℃时，电磁阀及水泵自动关闭，当温度超过45℃时，电磁阀及水泵自动开启进行降温，保证水浴压头29温度不超过65℃，且为减少水资源浪费及减少热量损失过快影响内部保温盒温度，在保证水浴压头29温度不超过65℃的前提下，控制水流量越小越好。

参照图9，本实施例中，为实现压裂试验，在Z向承载压头23内端部的Z向承载板26底部设置有水压致裂装置6，水压致裂装置6包括水压致裂压板61，水压致裂压板61与岩石试样107接触，水压致裂压板61内设置有注液孔，岩体试样预先钻孔，钻孔内套入密封套62，水压致裂压板61的注液孔内及密封套62内均套入注液管63，这两个注液管63端部相连通，且密封套62与注液管63通过耐高温高压密封胶固定，水压致裂压板61内的注液管63的进液端通过高压胶管与压裂泵及压裂液罐体连接，且内部保温盒4及外部隔热盒3上设置有预留孔，便于高压胶管通过预留孔穿出与压裂液罐体连接，且预留孔内通过法兰及密封垫设置有连接接头，便于高温胶管的连接，可保证试验盒的密封性；另外，在水压致裂压板61与岩石试样107之间设置有平垫64，密封套62端部高于平垫64，水压致裂压板61与密封套62采用锥度密封，水压致裂压板61的注液孔与密封套62连接位置处呈锥形凸出，该位置处的密封套62设有与锥形凸出相配合的锥形凹槽，使水压致裂压板61与密封套62挤压密封使更加紧密。

参照图3及图11，本实施例中，为便于获取试验数据分析岩石试样107的特性，利用压力传感器7、位移传感器8、温度传感器9及声发射传感器监测试验过程数据，并将各传感器通过信号线与相应的数据采集仪连接，各数据采集仪与计算机连接，具体的，各传感器的数量及安装位置如下：

（1）压力传感器7设置3个，3个压力传感器7分别设置在X向加载液压缸14、Y向加载液压缸15、Z向加载液压缸16的加载压头17上；

（2）位移传感器8设置3个，3个位移传感器8分别设置在X向加载液压缸14、Y向加载液压缸15、Z向加载液压缸16的活塞杆内部，可通过压力传感器7及位移传感器8监测三轴应力加载系统1的压力及位移变化；

（3）温度传感器9设置14个，其中5个温度传感器9设置岩石试样107内部不同位置，监测岩石试样107内部不同位置升温情况；1个温度传感器9安装于岩石试样107与加热管镶嵌板52之间，可直接监测岩石试样107加热面的实时温度；3个温度传感器9安装于加热管51表面可用于温度控制，便于调节加热速度及加热时间；剩余5个温度传感器9设置在水浴压头29的内端部，即靠近承载压头的一端，便于监测水浴压头29的温度，且将水浴压头29上的温度传感器9、冷却水箱管路上的电磁阀、水泵与计算机控制端连接，可对水浴压头29温度实时监测，防止其超过65℃，当水浴压头29的温度低于45℃时，电磁阀及水泵自动关闭，当温度超过45℃时，电磁阀及水泵自动开启进行降温，保证水浴压头29温度不超过65℃；

（4）声发射传感器104安装在内部保温盒4内，具体的，内部保温盒4的X向两侧设置有声发射装置10，且每侧设置至少4组，声发射装置10通过定位盘101分别固定在X向承载压头21的上下两侧，声发射装置10包括声发射壳体102、弹簧103、声发射传感器104、波导管105，声发射壳体102与定位盘101固定，声发射传感器104一端与弹簧103连接且设置在声发射壳体102内，声发射传感器104的另一端连接波导管105，波导管105贯穿内部保温盒4的侧壁及X向承载压头21内端部的双层承载板及隔热板28，通过声发射装置10可对煤岩破裂过程中的声发射信号进行定位，并分析声发射信号特征与影响岩石破裂的各因素之间的关系及声发射信号在试验过程中的传播规律、衰减特征等，以便于分析真实环境下高围压、高温下岩石破裂的起裂及扩展规律，为现场施工提供理论基础。

本实施例中，为便于将上述外部隔热盒3及内部保温盒4内部的温度传感器9及声发射传感器104的信号线引出与数据采集仪连接，在外部隔热盒3及内部保温盒4的X轴方向的隔热框架31及保温框架41侧面预留电子通讯插口，保证外部隔热盒3及内部保温盒4内的温度传感器9、声学传感器104的信号引出，并在高压密封状态下可以正常通讯。电子通讯接口内设置有航空插头106，航空插头106与外部隔热盒3及内部保温盒4上的连接处采用垫圈压紧密封，航空插头106一端与传感器相连，航空插头106另外一端可将信号线引出为常压后，与数据采集仪相连，收集试验监测数据，且整个信号线采用密封设计，保证试验盒的密封性。

本实施例的工作过程为：（1）试验前，推动液压缸111的活塞杆收缩，将移动框架13移出固定框架11，然后将试样放置在内部保温盒4内，将内部保温盒4、外部隔热盒3、各传感器及其传感器信号线以及其他结构进行安装固定；（2）安装完毕后，推动液压缸111将移动框架13推至固定框架11的承载工作台18上且刚性定位块19对其进行阻挡定位；（3）按照试验需求调整X、Y、Z方向加载液压缸（14、15、16）的位置，并在计算机上设置加载程序及加热程序，启动试验装置，按照设定程序对岩石试样107进行加热及应力加载，当需要水力压裂试验时启动压裂泵，压裂液通过高压胶管进入岩石试样107注液管63内，各数据采集仪全程采集压力传感器7、位移传感器8、温度传感器9及声发射传感器104的监测数据；（4）试验完成后，先关闭高温加热系统5及三轴应力加载系统1，最后关闭数据采集仪。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：包括三轴应力加载系统、试验盒、高温加热系统，所述三轴应力加载系统包括固定框架、位于固定框架下方的固定平台、移动框架、X向加载液压缸、Y向加载液压缸及Z向加载液压缸，所述移动框架滑动连接在固定平台上，所述Z向加载液压缸设置在固定框架的顶部横梁上，所述X向加载液压缸设置在固定框架的一侧侧面横梁上，所述Y向加载液压缸设置在移动框架内的一端，所述X向加载液压缸、Y向加载液压缸及Z向加载液压缸的活塞杆端部设置有加载压头；

所述试验盒设置在移动框架内的另一端，所述试验盒包括外部隔热盒及内部保温盒，岩石试样位于内部保温盒内，所述内部保温盒的左右两侧、前后两侧及顶部分别设置有X向承载压头、Y向承载压头、Z向承载压头，X、Y、Z向承载压头的内端部均固定有承载板，所述内部保温盒底部设置有底部承载板；

所述高温加热系统设置内部保温盒内，所述高温加热系统包括加热管、加热管镶嵌板，所述加热管镶嵌在加热管镶嵌板内，所述加热管镶嵌板与内部保温盒的Y向承载压头的内端部的承载板及底部承载板固定，所述加热管镶嵌板与岩石试样接触。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：所述外部隔热盒的左右两侧、前后两侧及顶部均设置有水浴压头，且水浴压头与内部保温盒内对应的X、Y、Z向承载压头固定。

3.根据权利要求2所述的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：所述水浴压头内设置有水浴管，所述水浴管通过水管连接冷却水箱。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：所述内部保温盒的X、Y、Z向承载压头内端部的承载板为双层承载板，所述双层承载板的2个承载板之间设置有隔热板，所述内部保温盒底部的底部承载板下方也设置有隔热板。

5.根据权利要求4所述的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：所述内部保温盒的X向两侧设置有声发射装置，所述声发射装置通过定位盘分别固定在X向承载压头的上下两侧，所述声发射装置包括声发射壳体、弹簧、声发射传感器、波导管，所述声发射壳体与定位盘固定，所述声发射传感器一端与弹簧连接且设置在声发射壳体内，所述声发射传感器的另一端连接波导管，所述波导管贯穿内部保温盒的侧壁及X向承载压头内端部的双层承载板及隔热板。

6.根据权利要求1所述的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：Z向承载压头内端部的承载板底部设置有水压致裂压板，所述水压致裂压板与岩石试样接触，所述水压致裂压板内设置有注液孔，岩体试样预先钻孔，所述钻孔内套入密封套，所述水压致裂压板的注液孔内及密封套内均套入注液管，所述水压致裂压板内的注液管与密封套内的注液管相连通。

7.根据权利要求6所述的一种高温高压真三轴岩石压裂试验装置，其特征在于：所述水压致裂压板与岩石试样之间设置有平垫，所述密封套端部高于平垫，所述水压致裂压板与密封套采用锥度密封。

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