[发明专利]一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置

权利要求书

1.一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置，其特征在于：包括偏振光组件、压裂裂缝扩展模拟组件、CT机和数据实时处理显示系统；

所述偏振光组件包括电子枪、聚能线圈、光学弹性片、靶环、应力数据采集器；

所述聚能线圈为金属材料或金属复合材料缠绕而成的具有加强偏振光强度的线圈；

所述电子枪的中心与所述聚能线圈的中心位于同一水平线上；

所述聚能线圈靠近电子枪的一端安装有起偏器，另一端安装有聚光镜；

所述电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光并会聚在靶环上；

所述靶环和应力数据采集器分别安装在CT机的内壁上；

所述压裂裂缝扩展模拟组件包括内部具有压裂模拟岩样的压裂模拟容器，被所述CT机环绕，所述压裂模拟容器的前后左右内壁面上安装有千斤顶；

所述靶环将偏振光反射到压裂模拟岩样的内部形成偏振光场，所述光学弹性片布置于压裂模拟岩样内部，具有应力敏感性；所述光学弹性片表面的干涉条纹随应力的变化而变化；

所述应力数据采集器通过采集光学弹性片的变化信息来计算模拟岩样内部的应力。

2.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述偏振光组件还包括用于承载电子枪和聚能线圈的滑轨工作台，所述滑轨工作台通过底部带有万向轮的梯形支架和伸缩杆支撑；

所述滑轨工作台上安装有自由滑动的滑块，所述滑块通过伸缩杆分别与电子枪和聚能线圈连接。

3.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述压裂裂缝扩展模拟组件还包括用于承载压裂模拟容器的移动工作台；

所述压裂模拟容器为无盖的长方体容器，其长度为30-300cm、宽度为30-300cm、高度为30-300cm；

所述移动工作台通过底部带有万向轮的梯形支架和伸缩杆支撑；

所述压裂裂缝扩展模拟组件还包括泵和用于盛放压裂液体和支撑剂材料的容器；

所述泵通过管道与盛放压裂液体和支撑剂材料的容器连接。

4.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述压裂模拟岩样为由混凝土、硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、砂砾、砂岩、煤岩材料中的一种或多种制成的长方体结构；

所述模拟岩样的长度为5-100cm、宽度为5-100cm、高度为5-100cm；

所述压裂模拟岩样内部安装有井筒。

5.根据权利要求4所述的压裂装置，其特征在于：所述压裂模拟岩样内部的井筒包括垂直井筒或水平井筒；

所述井筒的长度为5-400cm、直径为1-150mm；

所述井筒表面均匀或分簇分布有射孔；

所述射孔直径为1-20mm，射孔密度为8-96个/m，射孔相位角度为0～180°。

6.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述CT机为环形CT机；

所述CT机与数据处理系统通讯连接。

7.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述靶环和所述应力数据采集器可滑动的安装在CT扫描机的内侧壁上；

通过移动所述靶环的位置调节偏振光源入射光线的强度与入射角度；

所述应力数据采集器与数据处理系统通讯连接。

8.根据权利要求1所述的压裂装置，其特征在于：所述数据处理系统实时接收应力变化数据与裂缝扩展数据并实时显示；

所述应力变化数据包括围压加载数据、弹性片条纹图像、应力变化曲线；

所述裂缝扩展数据包括裂缝起裂扩展实时变化图像。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种同步监测裂缝扩展与应力变化的压裂装置的使用方法，其特征在于：

制成长方体压裂模拟岩样，压裂模拟岩样内部安装带有射孔的井筒，在压裂模拟岩样内部布置若干个具有应力敏感性的光学弹性片；

将压裂模拟岩样放置在压裂模拟容器内部，调节压裂模拟容器前后左右内壁面上的千斤顶，使前后左右内壁面上的千斤顶分别与压裂模拟岩样的壁面接触；

调节压裂裂缝扩展模拟组件与CT机的位置，使压裂裂缝扩展模拟组件被CT机环绕；

调节偏振光组件，使偏振光组件中的电子枪的中心与聚能线圈的中心位于同一水平线上，使电子枪发射的光束依次穿过聚能线圈的起偏器、聚光镜后形成偏振光源并会聚在安装在CT机内壁的靶环上；

调节CT机内壁上的应力数据采集器的位置，使其位于压裂模拟岩样的正上方；

将实验环境光线调暗，开启电子枪，开启CT机，开启数据实时处理显示系统；

连接各部分线缆、检查通讯状态；

同步调节压裂模拟容器内壁面上的千斤顶的压力，使千斤顶对压力模拟岩样施加一固定的围压，之后用泵将压裂液与支撑剂材料注入井筒内，直至压裂模拟岩样内部因高压致裂；

调节CT机内壁上靶环和应力数据采集器的位置，直至在数据实时处理显示系统中显示出一个清晰的裂缝破裂扩展显示图像；

数据实时处理显示系统将记录压裂模拟岩样裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；

重复调节CT机内壁上靶环和应力数据采集器的位置，通过数据实时处理显示系统记录压裂模拟岩样中不同位置裂缝破裂扩展显示图像及裂缝破裂扩展过程中应力的变化数据；

存储数据后，分别关闭电子枪、CT机、数据实时处理显示系统，卸载千斤顶的压力，从压裂模拟容器中取出压裂模拟岩样。