[发明专利]一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置

说明书

技术领域

本发明涉及试验装置领域，更具体是涉及一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，该装置不仅能完成常规的真三轴压缩力学实验，同时亦能用于模拟试样在地层真三轴压应力环境下水力压裂过程。

背景技术

水压致裂又称水力压裂，是通过压裂设备把高黏度压裂液挤入地层，造成新的或者扩大旧地层压力，从而改善井孔周围地层的渗透性，提高油气开采和抽取产量。水压致裂技术在石油、煤层气、页岩气以及地热等开采领域得以广泛的应用。为了达到最好的水压致裂结果，则需要了解裂缝在岩体中产生和发展的机理。因此，能够实现控制地层应力环境中水压致裂实验则非常重要。

由于地壳中岩体一般处于真三轴应力状态下(即三个方向应力不等)，那么实现水压致裂实验则必须真三轴加载装置。目前，主流的真三轴加载分为两种：一是三个方向上均采用千斤顶式的刚性加载，另一则是二个方向是刚性加载而一个方向为液压环境的柔性加载。在水力压裂实验中，水压力通常大于30MPa，对于开放式真三轴加载结构，如此大的水压力切破岩样后会形成水力切割，有可能带来难以预料的危害，因此三方向刚性加载不适合完成此类实验；具有液压环境的第二类真三轴加载装置由于采用自平衡活塞，其液压环境加载的最小主应力，然而水压致裂实验中，水压力需大于最小主应力，由此会带来密封、水混入油路以及同样可能存在的水力切割问题。除此之外，真三轴试验装置作为一种造价昂贵的设备，不能因进行复杂的改进后不能进行常规的真三轴压缩实验，造成设备资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，在于提供了一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，该压力装置既可克服常规真三轴压力装置不能有效完成水压致裂实验，同时也不失去完成常规真三轴力学实验的功能，且结构与设计简单，不会带来成本的增加。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，包括自平衡压力筒、底盖、底盖固定件、上盖、上盖固定件、定位件、承压件和变形测量件。自平衡压力筒的下筒口通过底盖密封并由底盖固定件进行固定，自平衡压力筒的上筒口通过上盖密封并由上盖固定件进行固定；定位件固定在底盖上，承压件与试样置于固定件之上，变形测量件设置在承压件和试样上，所述的定位件在自平衡压力筒的中轴线上可以升降运动；所述的真三轴压力装置还包括一对单级侧端盖和一对多级侧端盖及其分别所固定密封的一对共轴单级自平衡活塞和一对共轴多级自平衡活塞，由此真三轴压力装置内部形成一个密闭空间可通过油压维持围压环境，两对自平衡活塞呈同水平正交状并可伸入至自压力装置密封空间内与承压件接触，传递外部加载装置的载荷，同压力装置的围压一起形成真三轴加载。

如上所述的自平衡压力筒上的一对多级自平衡活塞，其在真三轴压力装置内的加载端面积与试样的端面面积一致；多级自平衡活塞和自平衡压力筒以及多级侧端盖之间形成会形成三个腔，分别为油腔、空气腔和切换腔，多级自平衡活塞上设置的三个导孔与此三个腔相通从而控制腔内压力环境；多级自平衡活塞在切换腔中暴露面积与其有效加载端面积一致，而多级自平衡活塞在油腔暴露面积则等于其在真三轴压力装置中暴露面积减去有效加载端面积。

如上所述单级自平衡活塞和自平衡压力筒以及单级侧端盖之间会形成两个腔为油腔和气腔，多级自平衡活塞上设置的三个导孔与此三个腔相通从而控制腔内压力环境；单级自平衡活塞在油腔中的暴露面积同其在真三轴压力装置内的暴露面积一致。

如上所述的承压件包括一对槽头承压垫块和一对平头承压垫块，分别传递一对多级自平衡活塞和一对单级自平衡活塞的载荷至试样，所述的试样为长方形，试样与水平方向垂直的四个面分别与承压件接触，上下为自由面并设置一圆中孔用于水压致裂，槽头承压垫块和多级自平衡活塞加载端通过柱槽接触，槽头承压垫块柱槽中配有垫块密封圈，使加多级自平衡活塞的加载端不受真三轴压力内油压的影响；平头承压垫块的加载端尺寸略小于其与试样接触端面尺寸，防止试样变形后，与槽头承压垫块相抵触；一对平头承压垫块和一对槽头承压垫块之间以及试样的两个自由面均由硅胶填盖，使得试样处在一个密闭的环境中从而使其与压力装置油压相隔绝。

如上所述的槽头承压垫块和平头承压垫块的上下表面均固定着一个端支用于固定变形测量件。