[發明專利]一種快速升溫真三軸試驗裝置及使用方法

在審

• 申請號: 202211010955.6
• 申請日: 2022-08-23
• 公開（公告）號: CN115389337A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 王飛;龐瑞;鄒巖琳;何本國;陳林;龐博學;汪昕
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/06
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種快速升溫真三軸試驗裝置及使用方法，屬于巖石力學與工程技術領域，包括試驗裝置本體及溫度控制系統；所述試驗裝置本體的金屬壓頭上分別套裝有第一隔熱層，第一隔熱層外側套裝有溫度控制系統，試驗裝置本體的加載桿上套裝有第三隔熱層，所述加載桿以及溫度控制系統分別與水冷系統連接。利用渦流效應，采用紫銅空心管在高頻電流作用下使金屬壓頭產生焦耳熱，實現快速加熱；金屬壓頭既作為加熱裝置，又作為加載裝置；獨立溫度控制系統，實現不同溫度復雜邊界條件。

技術領域

本發明屬于巖石力學與工程技術領域，具體涉及一種快速升溫真三軸試驗裝置及使用方法。

背景技術

為了實現對干熱巖的開發利用，需要通過工程地熱系統，在硬巖中鉆進地熱生產井開采干熱巖能源。

目前比較前沿的技術是通過高溫射流加熱對硬巖進行預先破裂，再利用傳統鉆頭對高溫劣化后的硬巖進行快速鉆進。在高溫(150-650℃)和深部(3-10km)高應力的作用下，使得干熱巖的非線性變形與破壞規律更為復雜，極易誘發熱破裂，產生井壁坍塌、卡鉆等井下復雜情況。目前，對這種實時溫度變化和應力載荷作用下的復雜熱力耦合行為還難以進行有效預測和控制，嚴重制約了干熱巖地熱資源的高效安全開采。

由于干熱巖溫度高、強度大、破裂機理復雜，傳統旋轉式鉆探效率低下、成本高昂，亟需高效而又安全的高溫硬巖鉆進技術。同時，傳統的巖石力學加熱設備，例如CN107436279A，高溫三軸巖石滲透性評價裝置，可實現耐600℃的高溫環境；CN105300807A，一種高溫真三軸巖石實驗機，通過金屬熱傳導和流體對流實現400℃以上的壓力室溫度，但受限于加熱方法，其升溫速度只能為幾攝氏度或十幾攝氏度，而高溫射流的溫度升溫速度可達幾百攝氏度每分鐘，針對極高地應力下，干熱花崗巖在高溫射流作用下的破壞問題，一般的試驗設備無法使試樣處于這種快速升溫和深地高溫高壓狀態，因此無法對高溫射流作用下深地巖體的力學性能進行準確的科學研究。

因此，亟需一種快速升溫真三軸試驗裝置及使用方法，用以研究實時溫度變化和應力載荷作用下的巖石的物理力學行為變化，為干熱巖安全開采提供切實、可行、安全的理論依據。

發明內容

本發明的目的在于提供一種快速升溫真三軸試驗裝置及使用方法，在真三軸試驗裝置原理的基礎上，利用感應熱源實現在試驗中快速加熱至預定溫度，模擬深部巖體的高溫高壓的條件，同時可以自由調節不同方向上溫度值，實現不同溫度邊界條件下的復雜溫度場，提高試驗裝置的適用性、靈活性。該裝置與方法可通過快速升溫模擬深部高溫高壓的巖體環境，開展對高溫射流作用下深地巖體的力學性能的科學研究，具有更高的準確性。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種快速升溫真三軸試驗裝置，包括試驗裝置本體及溫度控制系統；所述試驗裝置本體的金屬壓頭上分別套裝有第一隔熱層，第一隔熱層外側套裝有溫度控制系統，試驗裝置本體的加載桿上套裝有第三隔熱層，所述加載桿以及溫度控制系統分別與水冷系統連接。

所述溫度控制系統包括空心感應線圈和溫度控制器，感應線圈的兩端分別與溫度控制器側壁上的兩個凸出的紫銅電極連接，兩個紫銅電極上分別設置有冷卻水注水口和溫水出水口，所述溫度控制器的熱電偶接線口通過導線與熱電偶連接，且熱電偶與非目標金屬壓頭之間設置有第二隔熱層。

所述水冷系統包括冷卻塔、感應線圈進水管及感應線圈出水管，所述冷卻塔套裝于加載桿伸出第三隔熱層部分，且冷卻塔兩端分別與冷卻塔進水管和冷卻塔出水管連接，絕緣膠管套安裝于空心的感應線圈內，所述感應線圈進水管通過與紫銅電極上的冷卻水注水口將冷水通入絕緣膠管套內，所述感應線圈出水管通過與紫銅電極上的溫水出水口連接，將絕緣膠管套內的溫水排出。

所述感應線圈采用紫銅空心管，所述隔熱層采用氣凝膠隔熱層。

所述感應線圈纏繞成螺旋狀套裝在金屬壓頭外側的第一隔熱層上。

所述試驗裝置本體上安裝感應線圈組件的金屬壓頭至少為4個。