基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置制造方法
【专利摘要】一种基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置，包括封孔螺母、金属水管、锁紧螺母、金属垫圈和楔形密封紫铜圈。其中楔形密封紫铜圈套装于伸入岩石试样内部钻孔的金属水管上，楔形密封紫铜圈之间通过金属垫圈隔开，楔形密封紫铜圈由两片有斜面的铜封对扣构成，楔形密封紫铜圈的内外面均为竖直面。在试验机内最高可达600℃高温条件下，楔形密封紫铜圈膨胀，内外竖直面分别压紧金属水管和岩石孔壁，实现初期封孔。在实验机对岩石试样施加载荷过程中，楔形密封紫铜圈受压变形膨胀，外竖直面与岩石试样孔壁紧密接触，内竖直面与金属水管紧密接触，实现实验过程中的高压水密封。本发明通过在金属水管外增设楔形密封紫铜圈来实现高温、高载荷压力条件下的水密封。其装置结构简单、性能可靠、稳定性好，适用于高温高压条件下的岩石的水压致裂实验。
【专利说明】基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水压致裂实验的水密封装置，尤其是一种适用于岩石试样在高温 高压条件下水压致裂实验的水密封装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，在开采地热的过程中，人工循环储留层的建造是整个工程的关键也是难 点，其建造方法为巨型水压致裂。目前尚有众多问题如起裂压力、理裂隙扩规律等值得进一 步研究。研究手段主要采用理论研究和数值计算的方法。而这两种研究手段都无法真实的 反应现场工程的实际环境，由于边界条件的复杂性，目前仍然没有一种有效的设备和方法 开展实验室实验。因此，设计了一种在高温高压下，对花岗岩进行水压致裂实验室研究的装 置和方法。
[0003] 在装置的研制过程中，使用高压水射流设备提供最高400MPa的高压水，作为水压 致裂的压力源。岩石内高压水的密封为岩石水压致裂实验设计需要解决的关键技术，也是 相关实验能否成功开展的决定性因素。
[0004] 目前的水压致裂实验采用的水密封技术较为落后，多采用钻孔密封材料进行密 封，主要采用水泥沙浆和聚氨脂作为压裂钻孔的密封材料。前者封孔后容易产生收缩，导致 材料与孔壁结合处出现漏水现象，直接影响卸压增透措施的效果；后者不仅材料价格过高， 而且抗压性能较差，只能满足一般水力压裂技术的抗压要求。综上所述，在高温高压下，常 规的水密封方法都不能使用。在400MPa水压下，微小的缝隙也能出现大流量的泄漏，使水 压加载不到目标压力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单、耐高温、价格低 廉、密封效果好的基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的基于高温高压环境下岩石 试样水压致裂实验的水密封装置，包括开有一盲孔的岩石试样，岩石试样的盲孔内插装有 金属水管，盲孔内的金属水管上间隔套装有多个金属垫圈和楔形密封紫铜圈，多个金属垫 圈和楔形密封紫铜圈之上设有与金属水管相匹配的锁紧螺母，金属水管的外露端上设有封 住岩石试样孔口的封孔螺母。
[0007] 所述的楔形密封紫铜圈包括楔形上方紫铜封、与上方紫铜封契合在一起的楔形下 方紫铜封。
[0008] 所述的金属垫圈为圆柱环体，金属垫圈的内环直径略大于金属水管的外径，金属 垫圈的外环直径略小于岩石试样的盲孔孔径。
[0009] 所述的金属水管为阶梯形的钢制铸件，金属水管中部的第一个阶梯处加工有螺纹 一，金属水管上部第二阶梯处设有螺纹二，螺纹一的外径等于金属水管下部的水管外径，螺 纹二的外径等于金属水管中部的水管外径；锁紧螺母与金属水管的金属水管中部螺纹配 套，封孔螺母与金属水管顶部螺纹的螺纹配套。
[0010] 所述间隔套装的多个金属垫圈和楔形密封紫铜圈为2?4组。
[0011] 有益效果：本发明通过增设楔形密封紫铜圈，在预装楔形密封紫铜圈时，对楔形密 封紫铜圈施加压力，使其贴紧岩石孔壁。随着实验压力室温度的升高，楔形密封紫铜圈和岩 石在受热膨胀时，由于紫铜的膨胀系数大于岩石的膨胀系数，使两者进一步贴紧。当注入高 压水时，水压从楔形密封紫铜圈下方挤压楔形密封紫铜圈下方铜封，使其向上运动并与上 方铜封沿铜封接触斜面产生挫动，在试验机内最高可达600°C高温的条件下，紫铜变软更容 易变形，从而使楔形密封紫铜圈膨胀并起到封孔作用，克服了传统水密封材料或方法在高 温高压环境下失效的缺点，特别适用于高温高压的工作环境，具有密封效果好、材料延展性 好、抗腐蚀的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的结构示意图； 图2是本发明楔形密封紫铜圈的结构示意图； 图3是本发明金属水管的结构示意图； 图4是本发明金属水管结构示意图。
[0013]
[0014]
[0015] 图中：1、封孔螺母；2、金属水管；3、锁紧螺母；4、岩石试样；5、金属垫圈；6、楔形 密封紫铜圈；2-1、金属水管中部螺纹；2-2、金属水管顶部螺纹；6-1、楔形密封紫铜圈上方 铜封；6-2、楔形密封紫铜圈下方铜封。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0017] 如图1所示，本发明基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置， 主要由封孔螺母1、金属水管2、锁紧螺母3、岩石试样4、金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6组 成。在岩石试样4上开有一盲孔，向岩石试样4的盲孔内插装有金属水管2,盲孔内的金属 水管2上间隔套装有多个金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6,多个金属垫圈5和楔形密封紫铜 圈6之上设有与金属水管2相配合的锁紧螺母3,金属水管2的外露端上设有封住岩石试样 4孔口的封孔螺母1 ;所述间隔套装的多个金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6为2?4组，图 1所示为3组。
[0018] 图2为楔形密封紫铜圈6的结构原理图。所述的楔形密封紫铜圈6包括楔形上方 紫铜封6-1、与上方紫铜封6-1契合在一起的楔形下方紫铜封6-2。楔形密封紫铜圈6的结 构为两片有斜面的铜封对扣，包括上方铜封6-1和下方铜封6-2。下方铜封6-2的外边面 为坚直面，紧贴岩石试样4的钻孔孔壁，内边面为斜面。上方铜封6-1的外边面为斜面，斜 率与下方铜封6-2的斜面相同，对扣时两个铜封的斜面可紧密接触，内边面坚直，可与金属 水管2紧密接触。所述的金属垫圈5为圆柱环体，金属垫圈5的内环直径略大于金属水管 2的外径，金属垫圈5的外环直径略小于岩石试样4的钻孔孔径。楔形密封紫铜圈上、下方 为金属垫圈5,可分别抵住上方铜封6-1和下方铜封6-2,安装时，按压上面的金属垫圈5使 上、下铜封沿斜面相对挫动，上方铜封6-1向内膨胀压紧金属水管2,下方铜封6-2向外膨胀 压紧岩石试样4的钻孔孔壁。
[0019] 所述的金属水管2为阶梯形的钢制铸件，金属水管2中部的第一个阶梯处加工有 螺纹一 2-1，金属水管2上部第二阶梯处设有螺纹二2-2,螺纹一 2-1的外径等于金属水管 2下部的水管外径，螺纹二2-2的外径等于金属水管2中部的水管外径；锁紧螺母3与金属 水管2的金属水管中部螺纹2-1配套，封孔螺母1与金属水管顶部螺纹2-3的螺纹配套。
[0020] 使用时，首先在尺寸为(p200mmx400mm的岩石试样4的端面中心，钻进直径 25mm、深210mm的孔，将金属垫圈5放入孔中，再将金属水管2插入孔中。将楔形密封紫铜 圈6按顺序穿过金属水管2放入孔中，上面再放置金属垫圈5,使用工具按压金属垫圈5,使 楔形密封紫铜圈6膨胀压紧金属水管2和岩石试样4孔壁。按以上方法依次装入第二、第 三个楔形密封紫铜圈6,三个楔形密封紫铜圈6装完后，将锁紧螺母3和封孔螺母1旋紧于 金属水管2面，并压住岩石试样4。实验时，把装有水密封装置的岩石试样4装入压力室，然 后从金属水管2的顶部开始注入高压水，高压水沿金属水管2渗入岩石试样4的裂隙中， 随着温度的升高，楔形密封紫铜圈6和岩石试样4都产生膨胀，而楔形密封紫铜圈6的膨胀 系数大于岩石试样4使得两者进一步贴紧。再经过金属水管2注入的高压水，水压从楔形 密封紫铜圈6下方挤压下方铜封6-2,使其向上运动并与上方铜封6-1沿着斜面产生相对挫 动。而在高温下，紫铜变软更容易变形，从而使楔形密封紫铜圈6膨胀并起到封孔作用，从 而使高压水集中作用于岩石试样4的裂隙，使岩石试样4破裂。
【权利要求】
1. 一种基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，其特征在于：它包 括开有一盲孔的岩石试样（4)，岩石试样（4)的盲孔内插装有金属水管（2)，盲孔内的金属 水管（2)上间隔套装有多个金属垫圈（5)和楔形密封紫铜圈（6)，多个金属垫圈（5)和楔形 密封紫铜圈（6)之上设有与金属水管（2)相配合的锁紧螺母（3)，金属水管（2)的外露端上 设有封住岩石试样（4 )孔口的封孔螺母（1)。
2. 根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装 置，其特征在于：所述的楔形密封紫铜圈（6)包括楔形上方紫铜封（6-1)、可与上方紫铜封 (6-1)契合在一起的楔形下方紫铜封（6-2)。
3. 根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置， 其特征在于：所述的金属垫圈（5)为圆柱环体，金属垫圈（5)的内环直径略大于金属水管 (2)的外径，金属垫圈（5)的外环直径略小于岩石试样（4)的钻孔孔径。
4. 根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置， 其特征在于：所述的金属水管（2)为阶梯形的钢制铸件，金属水管（2)中部的第一个阶梯处 加工有螺纹一（2-1)，金属水管（2)上部第二阶梯处设有螺纹二（2-2)，螺纹一（2-1)的外径 等于金属水管（2)下部的水管外径，螺纹二（2-2)的外径等于金属水管（2)中部的水管外 径；锁紧螺母（3)与金属水管（2)的金属水管中部螺纹（2-1)配套，封孔螺母（1)与金属水 管顶部螺纹（2-3)的螺纹配套。
5. 根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置， 其特征在于：所述间隔套装的多个金属垫圈（5)和楔形密封紫铜圈（6)为2?4组。
【文档编号】G01N3/02GK104374637SQ201410610735
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】万志军, 周鹏, 周长冰, 王志民, 张源, 程敬义 申请人:中国矿业大学