CN102621000A - 一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，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，上盖上方设置吊环和高压阀，压力筒中部依次设置一对多级自平衡活塞及一对单级自平衡活塞，并分别由多级侧端盖、单级侧端盖固定密封，一对多级自平衡活塞共轴，一对单级自平衡活塞共轴，两轴在同一水平正交。可实现水压致裂实验与常规真三轴压缩实验功能上的切换，且进行水压致裂实验时，环境油压大于试样致裂所需的水压，方便密封且防止水混入油路以及水力切割。

Description

一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置

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。

如上所述的变形测量件包括一对轴向变形测量件、一对侧向变形测量件和一对垂向变形测量件，一对轴向变形测量件分别支于一对槽头承压垫块上下面的端支上用于测量试样沿多级自平衡活塞轴向的变形，一对侧向变形测量件分别支于一对平头承压垫块上下面的端支上用于测量试样沿单级自平衡活塞轴向的变形，一对垂向变形测量件固定在试样的上下自由面上用于测量试样在油压加载方向的变形。

如上所述的定位件，包括设置在底盖上的定位活塞、底端盖和导向套，所述的定位活塞通过底端盖密封固定于底盖上，所述的导向套固定在底盖的上部，用来约束定位活塞水平位移并增大其抗弯能力，定位活塞上部设置有定位托盘，其上一侧安装有一对端定位块用于限定试样在沿单级自平衡活塞轴向的位移，在定位托盘的下部设有加热件。

如上所述的定位件，在安装试样和施加预荷载阶段，所述的定位活塞升至对中状态、即定位活塞的上行最大进程，将试样连同承压件和变形测量件一起置于定位托盘上，一对槽头承压垫块置于定位托盘上完成沿多级自平衡活塞轴向上试样的定位，由单级自平衡活塞和一对端定位块完成在试样在单级自平衡活塞轴向上的定位，完成试样的定位后实施预加载，退下定位活塞，使得试样在后续加载过程中可以自由变形。

如上所述的上盖，由一对上固定瓦组成的上盖固定件固定在自平衡压力筒上，上盖外侧设置有高压阀和吊环分别用于排气卸压和吊装；如上所述的底盖，由一对下固定瓦组成的底盖固定件固定在自平衡压力筒上，底上还设有管路和线路引出孔，油路和水路可以通过卡套密封螺栓从管路引出孔引出，而线路则由引线密封件和密封螺栓从线路引出孔引出。

如上所述的真三轴压力装置，除加热件和引线密封件外，是由金属材料加工而成。

如上所述的真三轴压力装置，在进行水压致裂实验时，多级自平衡活塞的油腔与真三轴压力装置内部相通，即油腔的压力与真三轴压力装置油压一致，气腔与外部大气相通，切换腔则由钢管通过底盖上管路引出孔也与大气相通，从而使得多级自平衡活塞的所施加的载荷等于其传递的荷载；单级自平衡活塞，其油腔与真三轴压力装置内部相通，单级自平衡活塞施加的压力为其传递的外部压力加上压力环境的压力；因此，当一对多级自平衡活和所施加在试样的压力小于油压时，真三轴压力装置内的油压施加在试样自由面的压力则为中间主应力，因致裂所需水压一般小于中间主应力，那么，所施加在试样中孔的水压小于真三轴压力装置中的油压环境，使得中孔两端可很容易由一对致裂密封件密封，同时也可以避免试验破坏后水混入油路以及水力切割的问题。

如上所述的真三轴压力装置，亦可通过适当的改进槽头承压垫块或平头承压垫块的加载端，使其同时具备致裂密封件所具有的功能，那么，试样的中孔可以沿试岩的不同方向开设，便于模拟现实不同钻孔走向的水压致裂问题。

如上所述的真三轴压力装置，在进行常规真三轴压缩实验时，只需将切换腔与压力装置内部相连，则一对多级自平衡活塞所传递的载荷即为试样在该方向所受的偏载荷，此偏载荷与真三轴压力装置油压环境相加则为试样在该方向所受的真实载荷，此于单级自平衡活塞加载原理一致，因此，只需要改变多级自平衡活塞切换腔的相连环境，即可实现真三轴压力装置功能上的切换，使得装置得到充分的利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、结构简单，操作简便；2、采用多级自平衡活塞，可实现水压致裂实验与常规真三轴压缩实验功能上的切换；3、进行水压致裂实验时，环境油压大于试样致裂所需的水压，方便密封且防止水混入油路以及水力切割。

附图说明

图1为一种真三轴压力装置俯视示意图；

图2为一种真三轴压力装置正视示意图；

图3为一种多级自平衡活塞示意图；

图4为一种单级自平衡活塞示意图。

图中：1、上盖；2、吊环；3、高压阀；4-1、第一上固定瓦；4-2、第二上固定瓦；5、自平衡压力筒；6-1、第一多级自平衡活塞；6-2、第二多级平衡活塞；7-1、第一多级侧端盖；7-2、第二多级侧端盖；8-1、第一单级自平衡活塞；8-2第二单级自平衡活塞；9-1、第一单级侧端盖；9-2、第二单级侧端盖；10、底盖；11-1、第一下固定瓦；11-2、第二下固定瓦；12、底端盖；13、定位活塞；14、引线密封件；15、密封螺栓；16、导向套；17、定位托盘；18、加热件；19-1、第一槽头承压垫块；19-2、第二槽头承压垫块；20-1、第一平头承压垫块；20-2、第二平头承压垫块；21-1、第一垫块密封圈；21-2、第二垫块密封圈；22-1、第一端支；22-2、第二端支；22-3、第三端支；22-4、第四端支；22-5、第五端支；22-6、第六端支；22-7、第七端支；22-8、第八端支；23-1、第一轴向变形测量件；23-2、第二轴向变形测量件；24-1、第一侧向变形测量件；24-2、第二侧向变形测量件；25-1、第一垂向变形测量件；25-2、第二垂向测量件；26-1、第一卡套密封螺栓；26-2、第二卡套密封螺栓；27-1、第一端定位块；27-2、第二端定位块；28-1、第一致裂密封件；28-2、第二致裂密封件；29、试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1、图2所示，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5、底盖10、底盖固定件、上盖1、上盖固定件、定位件、承压件和变形测量件。自平衡压力筒5的下筒口通过底盖10密封并由底盖固定件进行固定，自平衡压力筒5的上筒口通过上盖1密封并由上盖固定件进行固定；定位件固定在底盖10上，承压件与试样29置于固定件之上，变形测量件设置在承压件和试样29上，所述的定位件在自平衡压力筒5的中轴线上可以升降运动；所述的一种真三轴压力装置还包括第一单级侧端盖9-1、第二单级侧端盖9-2、第一多级侧端盖7-1、第二多级侧端盖7-2及其所固定密封的由第一单级自平衡活塞8-1、第二单级自平衡活塞8-2、第一多级自平衡活塞6-1和第二多级自平衡活塞6-2的两对处于正交的自平衡活塞，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，两对自平衡活塞可伸入至自平衡压力筒5内部密封空间且与承压件接触，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。

如图1和图2所示，如上所述的真三轴压力装置进行实验的试样29为一长方形，其与水平垂直的四个面分别与承压件接触，试样29上下端面为自由面，一对自由面的中心位置设置穿透圆中孔用于水压致裂。

如图1、图2和图3所示，如上所述的自平衡压力筒5上的第一多级自平衡活塞6-1和第二多级自平衡活塞6-2，其在真三轴压力装置内的加载端面积与试样29的端面面积一致；第一多级自平衡活塞6-1和自平衡压力筒5以及第一多级侧端盖7-1之间形成会形成三个腔，分别为油腔、空气腔和切换腔，且此三个腔分别通过第一多级自平衡活塞6-1上设置的三个导孔与压力装置内部空间或大气相通，从而保持每个腔不同的压力环境；第一多级自平衡活塞6-1在切换腔暴露中面积与其有效加载端面积一致，而第一多级自平衡活塞6-1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；第二多级自平衡活塞6-2与第一多级自平衡活塞6-1上述特征一致。

如图1、图2和图4所示，如上所述第一单级自平衡活塞8-1和自平衡压力筒5以及第一单级侧端盖9-1之间会形成油腔和气腔，此两个腔分别通过第一单级自平衡活塞8-1的二个导孔与压力装置内部空间或大气相通，从而保持每个腔不同的压力环境；第一单级自平衡活塞8-1在该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；第二单级自平衡活塞8-2与第一单级自平衡活塞8-1特征一致。

如上所述的承压件包括第一槽头承压垫块19-1、第二槽头承压垫块19-2、第一平头承压垫块20-1和第二平头承压垫块20-2，其中第一槽头承压垫块19-1传递第一多级自平衡活塞6-1的载荷至试样29，两者通过凹槽接触，并配有第一垫块密封圈21-1进行密封，使得加载端不受真三轴压力装置内油压的影响；第二槽头承压垫块19-2传递第二多级自平衡活塞6-2的载荷，两者通过凹槽接触，并配有第二垫块密封圈21-2进行密封，使得加载端不受真三轴压力装置内油压的影响；第一平头承压垫块20-1和第二平头承压垫块20-2分别传递第一单级自平衡活塞8-1和第二单级自平衡活塞8-2的荷载，两者加载端尺寸略小于其与试样29接触面的尺寸，防止试样29变形后，与第一槽头承压垫块19-1、第二槽头承压垫块19-2相抵触；第一槽头承压垫块19-1、第二槽头承压垫块19-2、第一平头承压垫块20-1和第二平头承压垫块20-2之间以及试样29的两个自由表面均由硅胶填盖，使得试样29处在一个密闭的环境中从而使其与压力装置油压相隔绝。

如上所述的第一槽头承压垫块19-1上下面固定着第一端支22-1和第二端支22-2，第二槽头承压垫块19-2上下面固定着第三端支22-3和第四端支22-4，第一平头承压垫块20-1上下面固定着第五端支22-5和第六端支22-6，第二平头承压垫块20-2上下面固定着第七端支22-7和第八端支22-8。

如上所述的变形测量件包括第一轴向变形测量件23-1、第二轴向变形测量件23-2、第一侧向变形测量件24-1、第二侧向变形测量件24-2、第一垂向变形测量件25-1和第二垂向变形测量件25-2；第一轴向变形测量件23-1支于第一端支22-1和第三端支22-3之间，第二轴向变形测量件23-2支于第二端支22-2和第四端支22-4之间，两者共同测量第一多级自平衡活塞6-1加载方向试样29的应变；第一侧向变形测量件24-1支于第五端支22-5和第七端支22-7之间，第二侧向变形测量件24-2支于第六端支22-6和第八端支22-8之间，两者共同测量第一单级自平衡活塞8-1加载方向试样29的应变；第一垂向变形测量件25-1和第二垂向测量件25-2固定在试样29的上下自由表面，共同测量试样29在油压加载方向的应变。

如上所述的定位件，包括设置在底盖10上的定位活塞13、底端盖12和导向套16，所述的定位活塞13通过底端盖12密封固定于底盖10上，所述的导向套16固定在底盖10的上部，用来约束定位活塞13水平位移并增大其抗弯能力，定位活塞13上部设置有定位托盘17，其上一侧安装有第一端定位块27-1和第二端定位块27-2用于限定试样29在第一单级自平衡活塞8-1方向的位移，在定位托盘17的下部设有加热件18。

如上所述的定位件，在安装试样29和施加预荷载阶段，所述的定位活塞13升至对中状态，即定位活塞13的上行最大进程，将试样29连同承压件和变形测量件一起置于定位托盘17上，第一槽头承压垫块19-1和第二槽头承压垫块19-2置于定位托盘17上完成沿第一多级自平衡活塞6-1轴向上的试样29的定位，由第一单级自平衡活塞8-1和第一端定位块27-1、第二端定位块27-2完成在试样29沿第一单级自平衡活塞8-1轴向上的定位，完成试样29的定位后实施预加载，退下定位活塞13，使得试样29在后续加载过程中可以自由变形。

如上所述的上盖1，由第一上固定瓦4-1和第二上固定瓦4-2组成的上盖固定件固定在自平衡压力筒5上，上盖1外侧设置有高压阀3和吊环2分别用于排气卸压和吊装；如上所述的底盖10，由第一下固定瓦11-1和第二下固定瓦11-2组成的底盖固定件固定在自平衡压力筒5上，底盖5上还设有管路和线路引出孔，油路和水路可以通过卡套密封螺栓从管路引出孔引出，而线路则由引线密封件15和密封螺栓从线路引出孔引出。

如图3和4所示，如上所述的真三轴压力装置，在进行水压致裂实验时，第一多级自平衡活塞6-1的油腔与真三轴压力装置内部相通，即油腔的压力与真三轴压力装置油压一致，气腔与外部大气相通，切换腔则通过由第一卡套密封螺栓26-1引出的钢管通过底盖10上管路引出孔与大气相通，从而保证第一多级自平衡活塞6-1的所施加的载荷等于其传递的荷载，第二多级自平衡活塞6-2亦是如此；第一单级自平衡活塞8-1，其油腔直接与真三轴压力装置内部相通从而使得压力一致，第一单级自平衡活塞8-1施加的压力为其传递的外部压力加上压力环境的压力；那么，当由第一多级自平衡活塞6-1和第二多级自平衡活塞6-2所施加在试样29的应力小于油压时，真三轴压力装置内的油压施加在试样29自由面的压力为中间主应力，因致裂所需水压一般大于最小主应力而小于中间主应力，那么，所施加在试样29中孔的水压小于真三轴压力装置中的油压环境，使得中孔可很容易由第一致裂密封件28-1和第二致裂密封件28-2进行密封，同时也可以避免试验破坏后水混入油路以及水力切割的问题。

如上所述的真三轴压力装置，除加热件和引线密封件外，是由金属材料加工而成。

如上所述的真三轴压力装置，亦可通过适当的改进第一槽头承压垫块19-1和第二槽头承压垫块19-2或第一平头承压垫块20-1和第二平头承压垫块20-2的加载端，使其同时具备第一致裂密封件28-1所具有的功能，那么，试样29的中孔可以平行于第一槽头承压垫块19-1或第一平头承压垫块20-1加载方向，便于模拟不同钻孔走的向的水压致裂问题。

如上所述的真三轴压力装置，在进行常规真三轴压缩实验时，只需将切换腔从与外部大气相通改为与压力装置内部相通，则第一多级自平衡活塞6-1和第二多级自平衡活塞6-2的所传递的载荷即为试样29在该方向所受的偏载荷，此偏载荷与真三轴压力装置油压环境相加测为试样29在该方向所受的真实载荷，此与第一单级自平衡活塞8-1的加载原理一致。

如上所述的真三轴压力装置，只需要改变第一多级自平衡活塞6-1和第二多级自平衡活塞6-2的切换腔的连通环境，即可实现真三轴压力装置功能上的切换，使得装置得到充分的利用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了上盖1、吊环2、高压阀3、第一上固定瓦4-1、第二上固定瓦4-2、自平衡压力筒5、第一多级自平衡活塞6-1、第二多级平衡活塞6-2、第一多级侧端盖7-1、第二多级侧端盖7-2、第一单级自平衡活塞8-1、第二单级自平衡活塞8-2、第一单级侧端盖9-1、第二单级侧端盖9-2、底盖10、第一下固定瓦11-1、第二下固定瓦11-2、底端盖12、定位活塞13、引线密封件14、密封螺栓15、导向套16、定位托盘17、加热件18、第一槽头承压垫块19-1、第二槽头承压垫块19-2、第一平头承压垫块20-1、第二平头承压垫块20-2、第一垫块密封圈21-1、第二垫块密封圈21-2、第一端支22-1、第二端支22-2、第三端支22-3、第四端支22-4、第五端支22-5、第六端支22-6、第七端支22-7、第八端支22-8、第一轴向变形测量件23-1、第二轴向变形测量件23-2、第一侧向变形测量件24-1、第二侧向变形测量件24-2、第一垂向变形测量件25-1、第二垂向变形测量件25-2、第一卡套密封螺栓26-1、第二卡套密封螺栓26-2、第一端定位块27-1、第二端定位块27-2、第一致裂密封件28-1、第二致裂密封件28-2和试样29，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一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（5）、底盖（10）、底盖固定件、上盖（1）、上盖固定件、定位件、承压件和变形测量件，自平衡压力筒（5）的下筒口通过底盖（10）密封并由底盖固定件进行固定，自平衡压力筒（5）的上筒口通过上盖（1）密封并由上盖固定件进行固定，定位件固定在底盖（10）上，承压件与试样（29）置于固定件之上，变形测量件设置在承压件和试样(19)上，上盖（1）上方设置吊环（2）和高压阀（3），其特征在于：所述的压力筒（5）中部依次设置第一多级自平衡活塞（6-1）、第二多级自平衡活塞（6-2）及第一单级自平衡活塞（8-1）和第二单级自平衡活塞（8-2），并分别由第一多级侧端盖（7-1）、第二多级侧端盖（7-2）、第一单级侧端盖（9-1）和第二单级侧端盖（9-2）固定密封，第一多级自平衡活塞（6-1）和第二多级自平衡活塞（6-2）共轴，第一单级自平衡活塞（8-1）和第二单级自平衡活塞（8-2）共轴，两轴在同一水平正交。

2.根据权利要求1所述的一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，其特征在于：所述的承压件包括第一槽头承压垫块（19-1）、第二槽头承压垫块（19-2）、第一平头承压垫块（20-1）和第二平头承压垫块（20-2），第一槽头承压垫块（19-1）和第二槽头承压垫块（19-2）承压端均设有一柱槽，柱槽内部分别设有第一垫块密封圈（21-2）和第二垫块密封圈（21-2）。

3.根据权利要求1所述的一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，其特征在于：所述的第一多级自平衡活塞（6-1）和第二多级自平衡活塞（6-2）的内端面分别设有第一卡套密封螺栓（26-1）和第二卡套密封螺栓（26-2）并固定不锈钢管。

4.根据权利要求1所述的一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，其特征在于：所述的长方形试样（29）中间设置圆孔，圆孔一端通过第一致裂密封件（28-1）密封，另一端通过第二致裂密封件（28-2）密封。

5.根据权利要求1所述的一种可实现水压致裂试验的真三轴压力装置，其特征在于：所述的变形测量件包括第一轴向变形测量件（23-1）、第二轴向变形测量件（23-2）、第一侧向变形测量件（24-1）、第二侧向变形测量件（24-2）、第一垂向变形测量件（25-1）和第二垂向测量件（25-2）。

Images