[發明專利]一種模擬不同水平軸差應力條件的可視化水力壓裂實驗裝置和方法

在審

• 申請號: 202111023598.2
• 申請日: 2021-09-02
• 公開（公告）號: CN113551999A
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 張帥;張明偉;李明;徐金海;陳梁;曹悅
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/06;G01N3/02
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 張斌

本發明公開一種模擬不同水平軸差應力條件的可視化水力壓裂實驗裝置和方法，包括加壓系統、壓裂系統、明膠試樣、加圍壓裝置、實驗模型架和記錄系統；所述加壓系統包括空氣壓縮機、三通接頭、氣壓表和膠管；所述壓裂系統包括注水管和壓裂桿；所述的實驗模型架包括加圍壓裝置、透明可拆底座和高腳架；本發明能夠實現水力裂紋起裂和擴展的全過程的可視化，避免了通過拔出預置實心圓柱塑料棒形成水力壓裂鉆孔過程中對明膠試樣的破壞，提高了實驗的成功率，本發明使用四套加壓系統分別對明膠試樣的相對面施加相同的圍壓，明膠試樣相鄰面施加不同的圍壓，實現了對不同水平軸差應力條件的模擬，更接近實際采礦環境。

技術領域

本發明涉及一種可視化水力壓裂實驗裝置和方法，屬于煤礦井下水力壓裂實驗技術領域。

背景技術

目前，水力壓裂技術是實現“采礦環境再造”這一思想的核心技術手段。其實質是通過在煤體或巖體中注入高壓液體，人為地制造出裂隙。水力壓裂的目的分為兩類：增強巖體的滲透性和提高巖體的冒落性。當水力壓裂以提高巖石冒落性為目的時，掌握水力裂隙的起裂和擴展軌跡對致裂效果的評估至關重要。

現有技術中，可視化的水力壓裂實驗裝置和方法所涉及的實驗裝置很難同時實現水平軸差應力不為0和對實驗過程裂隙的起裂和擴展的直接觀測。專利公開號為CN113049394A、名稱為“一種模擬煤礦堅硬頂板巖層水力壓裂的實驗裝置和方法”的專利公開了一種模擬煤礦堅硬頂板巖層水力壓裂的可視化實驗裝置，該裝置采用透明材質的明膠材料和亞克力管對水力壓裂實驗過程中裂隙的起裂和擴展直接觀測與記錄，但是該裝置存在兩點不足：一、實際采礦環境中很少出現圍壓相同的情況，而該發明只能加相同圍壓，無法模擬水平軸差應力不為0時的情況，嚴重制約了該發明的適用范圍。二、該發明專利中涉及的水力壓裂鉆孔是通過預置實心圓柱塑料棒形成，壓裂前需要拔出塑料棒，再將一端帶“O”型密封圈的空心圓柱壓裂桿插入鉆孔。該操作步驟容易撕裂鉆孔壁，形成大尺寸裂紋，導致實驗失敗，易造成人力、物力和財力資源的浪費。專利公開號為CN113125273A、名稱為“一種輕便、可視的水力壓裂試驗演示裝置”的專利公開了一種可實時觀測水力壓裂過程的真三軸水力壓裂試驗演示裝置。該發明專利中，加圍壓裝置為等間距布置的T型螺栓構件，一端為T型把手，另一端通過彈簧與試件接觸，加圍壓時，依次手動擰進T型螺桿，通過彈簧直接對試塊加壓，構件之間互不影響，但該加壓裝置存在兩點問題：一、無法保證每個螺栓施加的壓力完全相等，而實驗室進行水力壓裂試驗施加的圍壓為1000 Pa~5000 Pa，圍壓較小，容易產生較大誤差。二、等間距布置的加圍壓裝置，相互獨立，直接作用在試塊側面，無法做到對試塊側面均勻加壓。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足之處，本發明提供一種模擬不同水平軸差應力條件的可視化水力壓裂實驗裝置和方法，提高實驗的成功率，實現對不同水平軸差應力條件的模擬，更接近實際采礦環境。

本發明是通過如下技術方案實現的：一種模擬不同水平軸差應力條件的可視化水力壓裂實驗裝置，包括加壓系統、壓裂系統、明膠試樣、加圍壓裝置、實驗模型架和記錄系統；

所述加壓系統包括空氣壓縮機、三通接頭、氣壓表和膠管；所述壓裂系統包括注水管和壓裂桿；

所述的實驗模型架包括加圍壓裝置、透明可拆底座和高腳架；

所述加圍壓裝置是由四塊對所述明膠試樣一側施加壓力的棱臺構件圍合固接而成的正方體框架，任一塊所述棱臺構件的主體是透明正四棱臺，透明正四棱臺內部中空，透明正四棱臺沒有上底面、透明正四棱臺的下底面形心處有外伸的圓柱形接口，透明正四棱臺包括與下底面夾角為90°的一對直側面，透明正四棱臺還包括與下底面夾角為45°的一對斜側面，所述透明正四棱臺的上平面處通過強力膠水覆蓋有透明熱收縮膜形成密封施壓面；所述加圍壓裝置與所述透明可拆底座組成放置所述明膠試樣的實驗容器，實驗容器放置在所述高腳架上，所述明膠試樣置于所述加圍壓裝置內；

所述加壓系統有四套，分別置于所述加圍壓裝置的四面，加壓系統的所述空氣壓縮機通過所述膠管分別與所述圓柱形接口連接，所述氣壓表通過所述三通接頭分別與所述膠管連接，用于監測所述空氣壓縮機對所述明膠試樣所施加圍壓的數值；