大尺寸干热岩原位压裂试验装置的制作方法

本发明涉及压裂技术设备领域，尤其涉及一种大尺寸干热岩原位压裂实验装置。

背景技术：

地壳中干热岩所藴含的地热能量巨大，已成为世界各国重点研究开发的新能源，干热岩资源开发的增强型地热工程的场地试验研究投资大、周期长、风险大，在现场压裂和人工热储层建造师范工程前，实施干热岩水力压裂实验室研究很有必要，为了减少直接现场施工的风险投资，就必须建立这样一套模拟现场的实验室小型大尺度的干热岩增强型水力压裂模拟装置，为现场压裂工艺设计和储层改造提供参数和技术支持。

目前，国内研究干热岩裂缝起裂以及延伸的装置均为小尺寸模型研究，真三轴水力致裂装置，就目前而言常见的有两种形式：三轴液压缸外置式、短程液压缸式，但是在这套系统中采用这两种常见的加载方式均存在相应的弊端。

三轴液压缸外置式（体积和重量过于庞大）：采用外置式液压缸方式加载：以600mm×600mm×600mm岩石上加载应力40mpa为例：需要液压缸上的推力为1440000kgf，相当。由于液压缸正常液压流体加载不会超过50mpa，我们就以50mpa为例，当液压油流体压力为50mpa时，液压缸要产生1440吨的力，液压缸面积为：1440000kgf÷500÷0.785=3669cm2，再求出液压缸内径为61cm，内径为610mm，再根据压力容器厚壁公式计算壁厚在140mm，所以液压缸外径在890mm，由于液压缸是外置式的，还必须加上法兰固定，法兰外径需要在1140mm左右，这样就造成了模型本身由于外置式液压缸体积庞大，造成整体体积太大。

短程液压缸加载式（压力低）：该方式大大减少了体积，实用性较好，但是加载工作压力低，不能满足最大压力0-40mpa（600×600×600mm）的要求。

除此之外，常规外置式真三轴加载系统无法实现高温高压条件下的三轴加载，由于该加载形式采用油缸加载，油缸在高压条件下推送活塞杆施加应力，单该种油缸在高温条件无法保证相应的密封性，通常在模拟的地层温度条件下密封圈失效，导致油缸ab两缸串流，或活塞杆漏油，不能很好的实现原位模拟地层条件下的真三轴模拟。

模型所需岩样规格600×600×600mm，在该规格岩样加工时无法保证岩石的垂直度，难免会造成岩石不上严格意义上的正方体，传统外置式三轴加载机构对岩样施加应力时难免会造成油缸倾斜，从而造成油缸活塞杆拉毛或油缸腔体拉毛现象；

常规正方形压力容器计算需采用gb150-2011第220页，对称矩形截面容器计算公式，按照50mpa施加应力，同时模型净内腔700×700mm，按高强度材料需用应力值300mpa计算模型所需厚度为240mm，同时方形压力容器直角端容易形成应力集中，尤其是在高压条件下容易从该直角部位形成裂缝。

设备需检测岩石裂缝走向，采用被动声波检测，常规被动声波安装在外部加载板上，再通过该加载板对使得声波探头与岩心紧密接触，该结构需在岩心6面增加50mm左右加载传递板，同时模型壁厚增加约65mm。

有鉴于现有技术中存有上述诸多问题，以及随着实验技术的发展，提供一种大尺寸干热岩原位压裂实验装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提供一种大尺寸干热岩原位压裂实验装置，可以有效解决干热岩大尺寸真三轴模拟体积庞大、加载压力低及不能实现高温加载等问题。

实现上述目的的技术方案是：大尺寸干热岩原位压裂实验装置，其特征在于：包括用于放置岩石的方形压裂箱，压裂箱的底部设置有下固定板，所述岩石置于下固定板上，压裂箱的四周与岩石之间分别设置有薄体重载荷加压板，薄体重载荷加压板连接有加压系统；

岩石的中心预埋有注入井，岩石上方设置有上固定板，上固定板内设置有用于连接注入井的管路，上固定板上安装有液压加载缸，液压加载缸的上方设置有与压裂箱连接的上支撑座，上支座与上固定板之间设置有推动上固定板下压岩石的液压加载缸。

本发明的有益效果：本发明采用柔性加载板，具有体积小、加载压力大的优点，最大压力≥50mpa，同时还具有加载面大、承压压力高、加载迅速、占用体积小、重量轻的特点。柔性板里面充满流体，在实验样品和加载框架之间装有这种平面板，由于平面板里面的流体可以加压，所以载荷均匀地加载到样品上。

薄体重载荷加压板内可以采用热流体，直接与岩石进行热交换，这样保证了干热岩真三轴加载情况下的高温加载。

压裂箱包括下支撑座，下支撑座的四周设置有承压板，所下支撑座沿周向连接有多根向上依次穿过承压板和上支座的立柱，立柱穿过上支座的一端通过固定帽固定。

本发明的下支撑座、承压板、上支座之间通过立柱连接为整体，具有结构简单、连接稳固的优点。

进一步地，所述压裂箱与薄体重载荷加压板之间设置有两块楔形面相互吻合的第一楔形板和第二楔形板。

第一楔形板和第二楔形板的设置能够将柔性加载板与岩石紧密贴合，通过第一楔形板和第二楔形板之间的锥度相互耦合补偿岩石的垂直度误差，结合柔性加载板，避免了外置液压缸加载过程中损坏油缸和活塞杆的现象。

进一步地，所述承压板包括内承压板以及套装在内承压板外、并支撑在下支撑座上的外承压板，外承压板的内壁和内承压板的外壁为相互配合的圆形，所述立柱依次穿过内承压板和上支座后通过固定帽固定。

进一步地，所述内承压板的内腔呈方形、外壁呈圆形、并由四块弧形传导板拼合为整体。

通过四块弧形传导板将模型中心所受轴向力传递为传导板外周的圆周力，通过f=p.s反推计算可知传导板的圆周力大小较方形结构大大减小，由此可知圆弧形结构的承载板整体壁厚小于方形结构，同时还避免了直角端应力集中现象，更提高了试验安全性。

进一步地，所述外承压板由多块上下叠放的环形板组成，环形板之间设置有设置有相互配合的止口，多层结构的外承压板可以增加受压的变形量，提高试验安全性。

所述加压系统包括加载泵、加热器、单向阀、循环泵，循环泵通过依次连接的单向阀、加热器与薄体重载荷加压板的介质进口连接，薄体重载荷加压板的介质出口分别通过连接阀门与循环泵的进出端连接，所述加载泵旁接在单向阀的出口端。

加压系统工作时，将加热器的加热打开，加热至适合温度后，将加载泵开启，通过加载泵中对流程中的流体进行加压，达到压力值后，打开连接阀门，通过循环泵将流程中的流体不断循环，这样保证了薄体重载荷加压板的高温高压加载。附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为内承压板的结构示意图；

图3为加压系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括用于放置岩石3的方形压裂箱1，压裂箱1的底部设置有下固定板2，岩石3置于下固定板2上，岩石3的中心预埋有注入井4，岩石3上方设置有上固定板5，上固定板5内设置有用于连接注入井4的管路6，上固定板5上安装有液压加载缸7，液压加载缸7的上方设置有上支撑座8，上支座8与上固定板5之间设置有推动上固定板5下压岩石3的多个液压加载缸9，液压加载缸9安装在上固定板5上。

压裂箱1包括下支撑座1.1，下支撑座1.1的四周设置有承压板1.2，承压板1.2包括内承压板1.3以及套装在内承压板1.3外、并支撑在下支撑座1.1上的外承压板1.4，下支撑座1.1沿周向连接有多根向上依次穿过内承压板1.3和上支座8的立柱10，立柱10穿过上支座8的一端通过固定帽11固定。

内承压板1.3的内腔呈方形、外壁呈圆形、并由四块弧形传导板1.5拼合为整体，外承压板1.4由多块上下叠放的环形板1.6组成，环形板1.6之间设置有相互配合的止口1.7。

压裂箱1的四周与岩石3之间分别设置有薄体重载荷加压板12，薄体重载荷加压板12连接有加压系统，压裂箱1与薄体重载荷加压板12之间设置有两块楔形面相互吻合的第一楔形板13和第二楔形板14。

本实施例中所述的薄体重载荷加压板12采用申请号为：201810198925.x所公开的一种薄体重载荷加压板，其结构在此不再赘述。

如图3所示，加压系统包括加载泵15、加热器16、单向阀17、循环泵18，循环泵18通过依次连接的单向阀17、加热器16与薄体重载荷加压板12的介质进口连接，薄体重载荷加压板12的介质出口分别通过连接阀门19与循环泵18的进出端连接，加载泵15旁接在单向阀17的出口端。

加压系统工作时，将加热器16的加热打开，加热至适合温度后，将加载泵15开启，通过加载泵15中对流程中的流体进行加压，达到压力值后，打开连接阀门19，通过循环泵18将流程中的流体不断循环，这样保证了薄体重载荷加压板12的高温高压加载。

本实施例中共有四块薄体重载荷加压板12，每两块对应一套加压系统，本领域技术人员也可以根据实际公开自行调整。

本实施例中所述的压裂箱1、第一楔形板13、第二楔形板14均采用不锈钢、钢铁等金属材料制成。