一种可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置及方法与流程

本发明涉及一种可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置及方法。

背景技术：

干热岩的开发利用对于解决能源紧缺、改善生态环境、促进社会可持续发展具有重要意义。干热岩开发利用涉及到深部地层应力场、渗流场和温度场的耦合问题，而深部岩体在热-流-固多场耦合条件下的力学特性与破裂行为直接影响干热岩开发利用效率以及储层改造的成败。

由于热-流-固多场耦合条件下岩体的破裂力学行为极端复杂，目前通常采用室内试验方法开展高温岩石力学特性、高温岩石遇水冷却性质劣化、水力压裂等相关基础研究。现有试验设备可模拟高温、高压及孔隙水压力加载环境，但发明人发现仍存在一些不足，主要包括：1)采用现有装置开展高温岩体水冷劣化试验时，通常需要将高温试件从加热装置中取出后置于水中冷却，该过程中由空气对流造成的热损失以及岩石性质变化难以估计，对试验结果带来一定程度的误差；2)现有装置大多采用电阻丝加热液压油的方式，由于油温冷却及排油时间长，试验效率受到很大程度的制约；3)现有大多数装置功能较为单一，仅能模拟耦合环境下的轴压及三轴加载，无法实现抗拉强度及水力压裂等测试功能。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置，实现高温岩石在同一加热室内遇水冷却劣化，并能够进行高温或高温水冷后岩石试样的单轴压缩、巴西劈裂和水力压裂试验。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置，包括外箱体，外箱体内部设有外表面贴紧外箱体内表面的炉膛，炉膛内部空间冷却液进口管及冷却液出口管的一端连通，冷却液进口管及冷却液出口管另一端与外箱体外部空间连通，外箱体及炉膛的顶部贯穿有可上、下运动的轴-水压加载机构，轴-水压加载机构内部具有注水流道，用于向岩石试件内部注水，炉膛内的底部固定有承载机构，所述炉膛安装有加热元件，用于对炉膛内的岩石试件进行加热。

进一步的，所述外箱体的箱壁包括外层钢板和位于外侧钢板内部的内层隔热层，外层钢板和内层隔热层之间安装有第一冷却管，外层钢板开设通孔，用于第一冷却管外接水泵注入冷却液和排出冷却液，所述第一冷却管作为安全储备用于对外箱体进行冷却。

进一步的，所述外箱体设置有开口，开口位置处的炉膛设置有炉门，炉门预留有观察孔，用于观察炉膛内情况。

进一步的，所述炉膛的炉壁内部设有腔室，所述加热元件设置在所述的腔室内，所述腔室内还设有风冷器，用于对加热元件进行冷却，炉膛的炉壁的内侧面设置有保护层。

进一步的，所述炉膛内部空间还通过泄压管与外部空间连通，所述泄压管能够防止冷却时内部压力过大对实验人员造成伤害。

进一步的，所述轴-水压加载机构包括贯穿炉膛及外箱体的顶部并伸入炉膛内部的加载杆，所述加载杆一端与位于外箱体外部的注水垫块连接，另一端与炉膛内的加载板连接，所述加载板底部预留凹槽，凹槽与注水流道同心设置，用于放置密封橡胶圈，所述加载杆中部位置固定有第二冷却管，所述第二冷却管与第一冷却管连通，所述第一冷却管伸入加载杆内部的部分为铜管，与加载杆外壁相连的部分为可变形纤维管，所述注水垫块及加载杆内部具有注水流道。

进一步的，所述承载机构包括穿过外箱体及炉膛顶部并伸入炉膛内的承载杆，所述承载杆一端与位于炉膛内的承载板连接，另一端与位于外箱体外部的承载支座连接，所述承载杆中部位置固定有第三冷却管，所述第三冷却管伸入承载杆内部的部分为铜管，与承载杆外壁相连的部分为可变形纤维管。

进一步的，所述可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括第一温度传感器及第二温度传感器，所述第一温度传感器用于测量岩石试件的温度，所述第二温度传感器用于测量炉膛内部空腔的温度，所述第一温度传感器及第二温度传感器均与温控箱连接，将检测的温度信息传递给温控箱，所述温控箱能够通过控制器控制加热元件工作。

本发明还公开了一种利用可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：将可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置放置于单轴压力机的工作台上。

步骤2：将岩石试件放置于承载机构上，轴-水压加载机构与单轴压力机的压力机构接触，轴-水压加载机构及承载机构压紧岩石试件。

步骤3：启动加热元件工作，对岩石试件进行加热，达到目标温度后根据需要进行单轴压伸缩试验或水压致裂试验或巴西劈裂试验，或者达到目标温度后向炉膛内通入冷却液，对岩石试件进行冷却，烘干后根据需要进行水冷却后的单轴压缩试验或水力压裂试验或巴西劈裂试验。

进一步的，当进行目标温度下单轴压缩试验时，首先，使岩石试件升至目标温度，在达到目标温度后，调整压力机进行单轴压缩试验，试验过程中实时记录岩石的应力和应变数据。当进行高温水冷却后单轴压缩试验时，岩石试件达到目标温度后，向炉膛内通入冷却液，对岩石试件进行冷却，烘干后重新调整压力机对岩石试件进行单轴压缩试验，试验过程中实时记录岩石的应力和应变数据。

进一步的，进行水力压裂试验前，将注水系统与轴-水压加载机构连接，在加载板凹槽处放置密封橡胶圈，岩石试件制作时预先埋入伸出至岩石试件外部的套管，套管伸入注水流道中，利用密封橡胶圈进行密封。当进行目标温度下水力压裂试验时，先将岩石试件加热至目标温度并重新调整压力机使岩石试件压紧，然后调整注水系统水压进行高温下水压致裂试验，试验过程中可记录水压-时间曲线。当进行高温水冷却后水力压裂试验时，岩石试件达到目标温度后，向炉膛内通入冷却液，对岩石试件进行冷却，烘干后重新调整压力机使岩石试件压紧，调整注水系统水压进行高温下水压致裂试验，试验过程中可记录水压-时间曲线。

进一步的，进行巴西劈裂试验前，利用巴西劈裂夹具夹紧岩石试件，将岩石试件与巴西劈裂夹具共同放置在承载机构上。当进行目前温度下巴西劈裂试验时，首先加热岩石试件使其达到目标温度，进而调整单轴压力机使其进行巴西劈裂试验，试验过程中实时记录岩石应力和轴向变形。当进行高温遇水冷却后巴西劈裂试验时，岩石试件达到目标温度后，向炉膛内通入冷却液，同时打开泄压管，对岩石试件进行冷却，烘干后重新调整压力机进行巴西劈裂试验，试验过程中实时记录岩石试件应力和轴向变形。

本发明的有益效果：

1.本发明结构简单、操作便捷，有较强的集成性和综合性，可以实现开展岩石试件在高温条件下(0℃～300℃)及水冷却后试验的功能，且试件的加热或冷却均在炉膛内进行，无需将岩石试件取出，避免了现有技术中加热或冷却岩石试件需要将其取出而造成的误差，提高了试验结果的精度。

2.本发明采用加热元件设置在炉膛的空腔内，采用辐射传热方式对岩石试件进行加热，加热后可通过夹具立刻取出，避免了现有技术中采用电阻丝加热液压油进而加热岩石试件所存在的油温冷却时间长、排油时间长和试验效率低的缺陷。

3.本发明配合单轴压力机使用，通过注水垫块连接高压注水器施加水压，可开展岩石试件在高温或水冷却条件下的单轴压缩试验、水力压裂试验及巴西劈裂试验。

4.本发明采用温控箱，能够进行温度控制和试验数据记录，通过分析温度-时间曲线和应力应变曲线等，可分析不同温度及冷却状态后岩石试件的力学性能、破裂行为及其变化规律，为深部能源开采提供理论支撑与技术指导。

5.本发明的具有第一冷却管、能够通过外部水泵通入冷却液，对外箱体的箱壁和炉膛内部进行冷却，防止热量通过箱壁散发到外部环境中，避免了对操作人员的烫伤。同时，提高了试验精度，加快了试验效率。

6.本发明的加载杆和承载杆上分别设有第二冷却管和第三冷却管，第二冷却管和第三冷却管与第一冷却管连通，能够防止加载杆或承载杆将高温热量传递至外部环境中。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1进行单轴压缩试验时整体结构示意图；

图3为本发明实施例1进行水力压裂试验时整体结构示意图；

图4为本发明实施例1进行巴西劈裂试验时整体结构示意图。

其中，1.外箱体，2.炉门，3.观察孔，4.温控箱，5.注水垫块，6.加载杆，7.承载支座，8.外层钢板，9.冷却液进口管，10.第一冷却管，11.内层隔热层，12.炉壁，13.加热元件，14.第一温度传感器，15.保护层，16.第二温度传感器，17.第三加载段，18.第二加载段，19.第二冷却管，20第一加载段，21.加载板，22.岩石试件，23.承载板，24.第一承载段，25.冷却液出口管，26.第二承载段，27.第三承载段，28.套管，29，巴西劈裂夹具，30泄压管，31.第三冷却管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的探究流-固-热耦合环境下岩石的力学性质的试验装置存在一定不足，测试结果具有误差，试验效率低，且功能单一，针对上述问题，本申请提出了一种可水冷却岩石多场耦合试验综合加载装置。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-4所示，一种可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置，包括内部具有空腔的外箱体1，所述外箱体1的空腔内具有炉膛，所述炉膛的外表面与外箱体1的内表面贴紧连接，所述炉膛连接有与其内部空间连通的冷却液进口管9及冷却液出口管25，所述冷却液进口管9及冷却液出口管25穿过外箱体1箱壁与外界连通，所述冷却液进口管9与炉膛内空间的顶部连通，所述冷却液出口管25与炉膛内空间的底部连通，所述外箱体1及炉膛的顶部贯穿有可上、下运动的轴-水压加载机构，轴-水压加载机构内部具有注水流道，用于向岩石试件22内部进行注水，所述炉膛的底端固定有承载机构，所述炉膛还安装有加热元件13，所述加热元件13用于对炉膛内的岩石试件22进行加热。

所述外箱体1的箱壁由外层钢板8和位于外层钢板内部的内层隔热层11组成，所述内层隔热层采用绝热材料制成，内层隔热层11用于降低炉膛外侧温度、改善周围环境。外层钢板8和内层隔热层11之间安装有第一冷却管10，所述第一冷却管10作为安全储备用于对外箱体1进行冷却并确保外层钢板8温度处于实验员可承受安全温度，外层钢板8侧面开两处通孔，用于第一冷却管10外接水泵注入冷却液和排出冷却液。所述外箱体1设置有开口，开口位置处的炉膛设有炉门2，炉门2由钢板和隔热密封材料构成并且预留有观察孔3，观察孔3用云母片及隔热材料进行密封，用于观察炉膛内情况。

所述炉膛与外箱体1连接，炉膛的炉壁12采用耐火材料构成，能够吸收岩石试件22散发出的有害气体，并能够承受极冷和极热现象，所述炉膛的炉壁12内设有空腔，所述空腔内设有加热元件13，所述加热元件13采用加热棒，所述空腔内还设置有风冷器，所述风冷器用于防止加热棒的高温氧化，所述炉壁12的内表面铺设保护层15，所述保护层15可拆卸，可根据冷却温度选择保护层15厚度，保护层15采用具有高导热性能、耐腐蚀性能且具备一定强度材料制成(例如铜材质)，所述保护层15能够防止岩石试件22破坏时飞溅的岩屑和水冷却时产生的压力对炉膛造成损害。所述上部和下部的炉壁12均留有同轴的中心孔，上部的中心孔作为加轴-水压加载机构上下运动的通道，下方的中心孔作为安装承载机构的通道。

所述冷却液进口管9穿过外箱体1和炉膛的炉壁12，用于对炉膛内部通入冷却液，使炉膛快速降温。冷却液进口管9与炉膛的炉壁12和外箱体1的箱壁之间设有密封圈，同时在伸出外箱体1的管段安装阀门，所述冷却液出口管25穿过外箱体1和炉膛，冷却液出口管25用于将炉膛内的冷却液排出，冷却液出口管25与炉膛的炉壁12和外箱体1的箱壁之间设有密封圈，同时在伸出外箱体1的管段安装阀门，所述炉膛内部空间还通过泄压管30与外箱体1外部空间连通，防止冷却时内部压力过大对实验人员造成伤害，所述泄压管30伸出至外箱体1外部的管段安装有阀门。

所述轴-水压加载机构包括加载杆6、加载板21和注水垫块5。所述加载杆6通过外箱壁及炉膛顶部预留的中心孔贯穿炉膛及外箱体1的顶部，加载杆6由第一加载段20、第二加载段18和第三加载段17三部分组成，所述第一加载段20与位于炉膛内部的加载板21相连，所述第二加载段18与第一加载段20相连，第二加载段18固定有第二冷却管19，所述第二冷却管19与第一冷却管10在外箱体1内连接并与第一冷却管10共用水泵进行冷却液循环，所述第二冷却管19分为两个部分，伸入加载杆6内部的部分使用薄壁铜管，与加载杆6外壁相连的部分使用耐高温可变形纤维管，第二冷却管能够防止第一加载段20将高温传递至外部环境中。所述第三加载段17与第二加载段18相连，第三加载段17伸出外箱体1外部的一端连接有位于外箱体1外部的注水垫块5，所述加载杆6与炉膛的炉壁12和外箱体1箱壁之间设置密封圈。所述注水垫块5及加载杆6内部具有注水流道，注水垫块5内注水流道呈l型分布。

所述加载板21底部预留圆形的凹槽，所述圆形凹槽用于放置密封橡胶圈，用于进行水力压裂试验时，对通过注水流道注入岩石试件22的水进行密封，防止水的泄漏。

所述承载机构包括承载杆、承载板23和承载支座7，承载杆由第一承载段24、第二承载段26和第三承载段27三部分组成，所述第一承载段24伸入炉膛内部并与加载板23相连。所述第二承载段26与第一承载段24相连，第二承载段26固定有第三冷却管31，所述第三冷却管31与第一冷却管10在外箱体1内连接并与第一冷却管10共用水泵进行冷却液循环，所述第三冷却管31分为两个部分，伸入承载杆内部的部分使用薄壁铜管，与承载杆外壁相连的部分使用耐高温可变形纤维管，第三冷却管31能够防止第一承载段24将高温传递至外部环境中。所述第三承载段27与第二承载段26相连，第三承载段27与位于外箱体1外部的承载支座7连接。所述承载支座7在进行轴向加载时对外箱体1及炉膛起保护作用，使外部施加的压力只沿轴-水压加载机构、岩石试件22和承载机构这一路径传递。

所述的综合加载装置还包括温度控制装置，所述温度控制装置包括温控箱4、第一温度传感器14和第二温度传感器16，所述第一温度传感器14用于测量岩石试件22的温度，所述第二温度传感器16用于测量炉膛内部空腔的温度，所述第一温度传感器14及第二温度传感器16均与温控箱4连接，将检测的温度信息传递给温控箱4，所述温控箱4通过控制器与加热棒连接，温控箱4能够控制加热棒的工作。

实施例2

本实施例公开了一种利用可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：将可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置放置于单轴压力机的工作台上。

步骤2：将岩石试件22放置于承载机构上，轴-水压加载机构与单轴压力机的压力机构接触，轴-水压加载机构及承载机构压紧岩石试件22，根据实际情况需要选择进行水力劈裂试验、巴西劈裂试验或单轴压缩试验。

如果需要进行水力劈裂试验，岩石试件22在制作时需埋入一个套管28，套管28不能完全埋入岩石试件22中，应伸出岩石试件22一段距离，在注水流道底端圆形凹槽内放置与所述套管28相匹配的密封橡胶圈，放入岩石试件22时，套管28应与注水流道同心放置，加载板21与承载板23夹紧岩石试件22时，利用预压力将套管28插入在加载板21的下端的橡胶密封圈中，使套管28与注水流道连通，水可通过注水流道及套管28进入岩石试件22内部，利用密封橡胶圈防止水泄漏，对岩石试件22施加压力。

如果需要进行巴西劈裂试验，则需要用巴西劈裂夹具29夹紧岩石试件22，岩石试件22与巴西劈裂夹具29共同放置于承载板23与加载板21之间。

如果进行单轴压缩试验，则将岩石试件22直接放置于承载板23与加载板21之间。

步骤3：启动加热棒工作，利用加热棒的辐射传热对岩石试件22进行加热，加热温度范围为0℃-300℃，达到目标温度后根据需要进行单轴压伸缩试验或水力劈裂试验或巴西劈裂试验。

进行单轴压缩试验及巴西劈裂试验时，岩石试件22的轴向力均由单轴压力机的压力机构通过轴-水压加载机构和承载机构进行施加，进行水力劈裂试验时，轴向力对岩石试件22进行夹紧紧固，防止由于岩石试件22内部的水压使其脱离下加载板23。

当进行目标温度下单轴压缩试验时，首先，使岩石试件22升至目标温度，在达到目标温度后，调整单轴压力机进行单轴压缩试验，试验过程中实时记录岩石试件22的应力和应变。

进行目标温度下的水力压裂试验前，将注水系统与轴-水压加载机构连接，岩石试件22制作时预先埋入伸出至岩石试件22外部的套管28，加载板21底端固定与所述套管28相匹配的密封橡胶圈，岩石试件22放置时，应保证套管28与注水流道的出水端同心，防止漏水。单轴压力机工作，使套管28插入凹槽设置的密封橡胶圈中，使套管28与注水流道连通，当进行目标温度下水力压裂试验时，首先，岩石试件22加热至目标温度并重新调整压力机使岩石试件22压紧，调整注水系统水压进行高温下水压致裂试验，试验过程中可记录水压-时间曲线。

进行巴西劈裂试验前，利用巴西劈裂夹具29夹紧岩石试件，将岩石试件22与巴西劈裂夹具29共同放置在承载机构上。当进行目标温度下巴西劈裂试验时，首先加热岩石试件22使其达到目标温度，进而调整单轴压力机使其进行巴西劈裂试验，试验过承中实时记录岩石应力和轴向变形。

实施例3：

本实施例公开了一种利用可水冷却的岩石多场耦合试验综合加载装置的方法，岩石试件22达到目标温度后，利用冷却液进口管9向炉膛内注入冷却液，同时打开泄压管30，对岩石试件22进行冷却，烘干后再进行单轴压缩试验或水力劈裂试验或巴西劈裂试验，试验其它步骤与实施例2相同，在此不进行详细叙述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。