真三轴水压致裂岩石力学试验系统的制作方法
【专利说明】
[0001]技术领域岩石力学试验技术与设备领域
[0002]【背景技术】页岩气的开发需要对储层实施压裂改造，在低渗透致密岩层中实施水压裂形成三维裂缝网络，有效提高储层岩石渗透率而达到开发资源的目的。对于如何通过试验模拟作用于大尺度岩样的三维地应力较难实现，而如何通过试验重现大尺度岩石试样在高压水流作用下的破裂效果更是困难，主要在于下面几个方面的问题难以解决:大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载问题；高压水流的伺服供液问题；高地应力模拟的反力框架问题。
[0003]
【发明内容】
本发明提供一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用高压气源、气驱液增压泵、柱塞式伺服泵、数字闭环伺服控制器、蓄能器以及柔性大面积扁千斤顶组成柔性伺服加载部分实现在岩石试样三个方向独立加压来实现大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载；采用数字闭环伺服控制器、电液伺服阀、两台柱塞式伺服泵、蓄能器组成高压水流伺服供液部分来实现高压水流伺服供液；采用桶形整体反力框、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及V形固紧钢板组成系统反力框架部分为岩石试样高地应力模拟提供反力。
[0004]真三轴水压致裂岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分共三大部分构成，所述岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源I，气压传感器2，水箱3，水泵4，蓄能器5，气驱液增压泵6，柱塞式伺服泵7，单向阀门8，水压传感器9，进水阀门10，上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13，出水阀门14和三轴压力伺服数字控制器15组成；所述高压水流伺服供液部分由水箱16，水泵17，柱塞式伺服泵18，水压传感器19，液压自动转换阀20，进水阀门21，注入钻孔22和伺服供液数字控制器23组成；所述系统反力框架部分由上部盖板24，桶形整体反力框25，底部盖板26，桶内垫块27，紧固螺杆28，紧固螺母29，V形固紧钢板30，试样上部压板31，试样托底钢板32，注液管33和岩石试样34组成；试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和高压水流伺服供液部分这两部分的同步协调由试验系统计算机控制端35来完成。
[0005]基本原理与技术:针对柔性伺服加载模拟真实地应力状态的需求，采用激光焊接大面积柔性钢板形成扁千斤顶对立方体岩石试样在三轴方向上的六个面进行加载，在每个方向上均采用气驱液增压技术配合伺服电机驱动柱塞泵技术对扁千斤顶进行高精度伺服加载，实现岩石在三轴方向的独立加载来模拟真实地应力状态；针对高压水伺服供液实现钻孔内加载并致裂岩石试样的需求，采用伺服电机驱动两台柱塞泵的技术实现高压水流作用于钻孔内壁并压裂岩石试样；针对大尺度岩石试样地应力状态的模拟需求，采用桶形整体浇铸外部反力框架，桶形框架内布置垫块将扁千斤顶产生的水平荷载传递给反力框架，通过紧固螺栓配合上部盖板和底部盖板来为扁千斤顶产生的竖向荷载提供反力。
[0006]真三轴水压致裂岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分构成。
[0007]岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源1，气压传感器2，水箱3，水泵4，蓄能器5，气驱液增压泵6，柱塞式伺服泵7，单向阀门8，水压传感器9，进水阀门10，上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13，出水阀门14和三轴压力伺服数字控制器15组成。高压气源I的供气压力可调节且必须满足气驱液增压泵6的进气端压力要求，蓄能器5能够配合水泵4为气驱液增压泵6提供恒定压力的稳定水流，气驱液增压泵6可以使用高压气体驱动水流并实现高效增压，最终水压可满足上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13压力所需要的压力，柱塞式伺服泵7可以配合气驱液增压泵6实现水压力的精准伺服，所有的扁千斤顶均采用激光焊接技术成形以避免千斤顶在高压情况下发生侧漏。
[0008]高压水流伺服供液部分由水箱16，水泵17，柱塞式伺服泵18，水压传感器19，液压自动转换阀20，进水阀门21，注入钻孔22和伺服供液数字控制器23组成。水压致裂岩石的伺服供液可以通过两台柱塞式伺服泵18的活塞交替往复驱动实现高压水流的伺服供液，两台柱塞式伺服泵18进行交替往复驱动时通过液压自动转换阀20来控制水流及压力，保证输出稳定流速的高压水流，液压最终可以恒定在预定应力值上。
[0009]系统反力框架部分由上部盖板24，桶形反力框25，底部盖板26，桶内垫块27，紧固螺杆28，紧固螺母29，V形固紧钢板30，试样上部压板31，试样托底钢板32，注液管33和岩石试样34组成。桶形反力框25的整体刚度大于10GN/m，上部盖板24与底部盖板26为硬化处理钢，上部盖板24与底部盖板26的反力由紧固螺杆28和紧固螺母29来提供，通过V形固紧钢板30便于在岩石试样34的侧面实现预紧固，注液管33的直径可根据高压水的流速要求进行调整。
【附图说明】
[0010]图1是真三轴水压致裂岩石力学试验系统组成图；图2是真三轴水压致裂岩石力学试验系统反力框架部分A-A剖面图。
[0011]1:高压气源；2:气压传感器；3:水箱；4:水泵；5:高压蓄能器；6:气驱液增压泵；7:柱塞式伺服泵；8:单向阀门；9:水压传感器；10:进水阀门；11:上下扁千斤顶；12:前后扁千斤顶；13:左右扁千斤顶；14:出水阀门；15:三轴压力伺服数字控制器；16:水箱；17:水泵；18:柱塞式伺服泵；19:水压传感器；20:液压自动转换阀；21:进水阀门；22:注入钻孔；23:伺服供液数字控制器；24:上部盖板；25:桶形反力框；26:底部盖板；27:桶内垫块；28:紧固螺杆；29:紧固螺母；30:V形固紧钢板；31:试样上部压板；32:试样托底钢板；33:注液管；34:岩石试样；35:计算机控制端。
[0012]【具体实施方式】1.将岩石试样放置于试样托底钢板32和上下扁千斤顶11的下侧扁千斤顶之上并准确定位，采用钢丝绳连接试样托底钢板32，将岩石试样34吊装放入桶形反力框25中，将前后扁千斤顶12和左右扁千斤顶13布置在试样侧面，使用V形固紧钢板30紧固岩石试样，在岩石试样34顶部安装试样上部压板31和注液管33，在试样上部压板31的上部再布置上下扁千斤顶11的上侧扁千斤顶，最后安装上部盖板24并使用紧固螺杆28和紧固螺母29进行固紧。
[0013]2.通过计算机控制端35控制并启动三轴压力伺服数字控制器15，开启高压气源I和水泵4，打开进水阀门10和出水阀门14，高压气源I产生的高压气驱动气驱液增压泵6将水泵4泵入的水经增压后经过进水阀门10注入上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13，待出水阀门14有水溢出时关闭，关闭后扁千斤顶内部压力开始增高，当驱动部分和输出液体部分之间的压力达到平衡时，气驱液增压泵6停止工作，之后通过水压传感器9获取岩石试样34在三轴方向上的压力值并反馈给三轴压力伺服数字控制器15，三轴压力伺服数字控制器15对当前三轴压力值与目标值进行比较后启动柱塞式伺服泵7并经过单向阀8对上下扁千斤顶11，前后扁千斤顶12，左右扁千斤顶13的压力进行实时精准伺月艮，最终实现对岩石试样34的预定三轴应力状态。
[0014]3.岩石试样39的三轴应力状态达到预定应力值后，试验系统计算机控制端35控制并启动伺服供液数字控制器23，通过两台柱塞式伺服泵18的交替往复来驱动高压水流，高压水流经过液压自动转换阀20后成为稳定流速的高压水流，高压水流经过进水阀门21进入注入钻孔22对岩石试样34实施压裂，最终岩石试样34在预定三轴应力状态下被高压水流致裂。
【主权项】
1.一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统，由岩石试样柔性伺服加载部分，高压水流伺服供液部分，系统反力框架部分共三大部分构成，所述岩石试样柔性伺服加载部分由高压气源(I)，气压传感器(2)，水箱(3)，水泵(4)，蓄能器(5)，气驱液增压泵(6)，柱塞式伺服泵(7)，单向阀门(8)，水压传感器(9)，进水阀门(10)，上下扁千斤顶(11)，前后扁千斤顶(12)，左右扁千斤顶(13)，出水阀门(14)和三轴压力伺服数字控制器(15)组成，高压气源(I)的供气压力可调节且必须满足气驱液增压泵(6)的进气端压力要求，蓄能器(5)能够配合水泵⑷为气驱液增压泵(6)提供恒定压力的稳定水流，气驱液增压泵(6)可以使用高压气体驱动水流并实现高效增压，最终水压可满足上下扁千斤顶(11)，前后扁千斤顶(12)，左右扁千斤顶(13)压力所需要的压力，柱塞式伺服泵(7)可以配合气驱液增压泵(6)实现水压力的精准伺服，所有的扁千斤顶均采用激光焊接技术成形以避免千斤顶在压力的情况下发生侧漏；所述高压水流伺服供液部分由水箱(16)，水泵(17)，柱塞式伺服泵(18)，水压传感器(19)，液压自动转换阀(20)，进水阀门(21)，注入钻孔(22)和伺服供液数字控制器(23)组成，水压致裂岩石的伺服供液可以通过两台柱塞式伺服泵(18)的活塞交替往复驱动实现高压水流的伺服供液，两台柱塞式伺服泵(18)进行交替往复驱动时通过液压自动转换阀(20)来控制水流及压力，保证输出稳定流速的高压水流，液压最终可以恒定在预定应力值上；所述系统反力框架部分由上部盖板(24)，桶形反力框(25)，底部盖板(26)，桶内垫块(27)，紧固螺杆(28)，紧固螺母(29)，V形固紧钢板(30)，试样上部压板(31)，试样托底钢板(32)，注液管(33)和岩石试样(34)组成，桶形反力框(25)的整体刚度大于10GN/m，上部盖板(24)与底部盖板(26)为硬化处理钢，上部盖板(24)与底部盖板(26)的反力由紧固螺杆(28)和紧固螺母(29)来提供，通过V形固紧钢板(30)便于在岩石试样(34)的侧面实现预紧固，注液管(33)的直径可根据高压水的流速要求进行调整，试验系统中的岩石试样柔性伺服加载部分和高压水流伺服供液部分这两部分的同步协调由试验系统计算机控制端(35)来完成。
【专利摘要】本发明提供一种能够实现大尺度岩石样品在高地应力条件下被高压水流致裂的岩石力学试验系统。其特征是采用高压气源、气驱液增压泵、柱塞式伺服泵、数字闭环伺服控制器、蓄能器以及柔性大面积扁千斤顶组成柔性伺服加载部分实现在岩石试样三个方向独立加压来实现大尺度岩石试样的真三轴柔性伺服加载；采用数字闭环伺服控制器、电液伺服阀、两台柱塞式伺服泵、蓄能器组成高压水流伺服供液部分来实现高压水流伺服供液；采用桶形整体反力框、顶底部压力厚板、多立柱抗拉机构以及V形固紧钢板组成系统反力框架部分为岩石试样高地应力模拟提供反力。
【IPC分类】G01N3/12
【公开号】CN105628501
【申请号】CN201410528058
【发明人】赫建明, 李晓, 李守定
【申请人】中国科学院地质与地球物理研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年10月9日