[发明专利]一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置及试验方法

摘要

一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置及试验方法，试验装置由大尺寸真三轴加载模块、水力伺服泵压模块、声发射定位模块、红外监测模块、试样装卸模块和计算机组成，其中加载板由通过球面相互配合的内板和外板组合而成。试验方法包括试样的制作与装载、进行水力压裂模拟试验、卸载试样、数据处理及分析等步骤。用该装置和方法进行页岩水力压裂模拟试验的优点是，试验结果准确性不受试样加工尺寸和平行度偏差的影响，从而降低了对试样尺寸加工精度的要求，提高了试验的可靠性；可实时监测试验过程中三轴加载室内页岩受载情况；能够满足多尺寸试样压裂条件；配合高速摄像机用于单轴水力压裂模拟试验，可直接观测水力裂缝动态扩展规律，实现一机多用。

主权项

1.一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，包括用于对大尺寸正方体试样施加三轴荷载以模拟地应力的大尺寸真三轴加载模块(1)、用于向试样内部输送高压压裂液的水力伺服泵压模块(2)、用于实时监测水力压裂过程中裂缝扩展规律的声发射定位模块(3)、用于试样装载和卸载的试样装卸模块(5)和计算机；其特征在于，还包括用于试验过程中实时监测三轴加载室(13)内部情况的红外监测模块(4)和用于单轴加载水力压裂模拟试验记录水力裂缝扩展状况的高速摄像机(6)；所述大尺寸真三轴加载模块(1)包括电液伺服压力机(12)、三轴加载室(13)、对试样施压的第一扁平千斤顶(14)和第二扁平千斤顶(15)及真三轴加载伺服系统控制箱(11)；其中三轴加载室中有上垫板(132)、下垫板(135)和五块加载板(131)；每块加载板由通过球面相互配合的内板(1311)和外板(1312)组成，内板的球面为外凸形，外板的球面为凹陷形，球面底面的直径r2为加载板边长L的90％；五块加载板中有四块对应试样的四个立面置于三轴加载室的四个边部，其中相邻的两块外板分别与所述第一扁平千斤顶和第二扁平千斤顶相接；另一块加载板位于所述上垫板的上部，其外板与电液伺服压力机相接；所述上垫板带有直角形压裂液输送管线通道(1321)；所述下垫板的四个角处有起吊用圆孔，三轴加载室底座(137)上有压裂液出口(134)；所述水力伺服泵压模块(2)包括空气压缩机(21)、气液增压泵(24)、压力传感器(28)、数据记录仪(29)、中间容器(212)、压裂液存储罐(218)、电动加压泵(219)、控制电箱(220)、第一针型阀(210)、第二针型阀(214)、第三针型阀(215)、第四针型阀(217)、三通阀(213)、四通阀(27)、第一储水容器(25)、第二储水容器(211)、压裂液回收容器(216)、高压管线(26)、压裂液输送管线(221)、送水管(23)和送气管(22)；所述气液增压泵的一端入口通过送气管连接空气压缩机，空气压缩机通过导线连接控制电箱，气液增压泵的另一端入口通过送水管连接第一储水容器，气液增压泵的出口通过高压管线连接四通阀的第一端，四通阀的第二端通过高压管线连接压力传感器，压力传感器通过导线与数据记录仪相连，数据记录仪通过导线与计算机相接，四通阀的第三端通过高压管线和第一针型阀与第二储水容器相接，四通阀的第四端通过高压管线连接中间容器的入口，中间容器的出口通过高压管线连接三通阀的第一端，三通阀的第二端连接第二针型阀，第二针型阀的另一端通过压裂液输送管线与试样(7)中的模拟井筒(8)相接，三通阀的第三端通过高压管线与第四针型阀与压裂液储存罐的出口相接，压裂液储存罐的入口通过高压管线与电动加压泵相接，电动加压泵通过导线与控制电箱相接，控制电箱与计算机相接；第三针型阀的一端通过管线连接所述压裂液出口(134)，另一端通过高压管线与压裂液回收容器相接；所述声发射定位模块(3)包括全信息声发射分析仪主机(31)、声发射信号放大器(32)和声发射探头(33)；声发射探头分别安装于试样四个立面的顶角处，并通过导线与声发射信号放大器相接，声发射信号放大器通过导线与全信息声发射分析仪主机相接，全信息声发射分析仪主机通过导线与计算机相接；所述红外监测模块(4)包括红外监测主机(41)、红外摄像头(42)；红外摄像头安装于所述三轴加载室(13)上部四个顶角处，并与红外监测主机相接，红外监测主机通过导线与计算机相接；所述试样装卸模块(5)包括运送车驱动电机(51)、加载室运送车(56)、运送车轨道(53)、运送车传动轴(52)和起吊钢丝绳(57)；运送车轨道与电液伺服压力机的底座高度相同，并用固定螺栓(55)固定在电液伺服压力机的底座上；运送车驱动电机通过所述运送车传动轴驱动加载室运送车前进和后退，运送车驱动电机与控制电箱(220)连接；运送车轨道的后端有运送车限位装置(54)；所述起吊钢丝绳(57)上下两端分别有T形钢，T形钢可通过插入开设在三轴加载室四个顶角处和电液伺服压力机下表面对应处的T形槽(58)使电液伺服压力机与三轴加载室连接；所述高速摄像机(6)用三脚架固定在电液伺服压力机(12)的一侧，并通过导线与计算机相接。