CN104374637A - 基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置，包括封孔螺母、金属水管、锁紧螺母、金属垫圈和楔形密封紫铜圈。其中楔形密封紫铜圈套装于伸入岩石试样内部钻孔的金属水管上，楔形密封紫铜圈之间通过金属垫圈隔开，楔形密封紫铜圈由两片有斜面的铜封对扣构成，楔形密封紫铜圈的内外面均为竖直面。在试验机内最高可达600℃高温条件下，楔形密封紫铜圈膨胀，内外竖直面分别压紧金属水管和岩石孔壁，实现初期封孔。在实验机对岩石试样施加载荷过程中，楔形密封紫铜圈受压变形膨胀，外竖直面与岩石试样孔壁紧密接触，内竖直面与金属水管紧密接触，实现实验过程中的高压水密封。本发明通过在金属水管外增设楔形密封紫铜圈来实现高温、高载荷压力条件下的水密封。其装置结构简单、性能可靠、稳定性好，适用于高温高压条件下的岩石的水压致裂实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种水压致裂实验的水密封装置，尤其是一种适用于岩石试样在高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置。
背景技术
近年来，在开采地热的过程中，人工循环储留层的建造是整个工程的关键也是难点，其建造方法为巨型水压致裂。目前尚有众多问题如起裂压力、理裂隙扩规律等值得进一步研究。研究手段主要采用理论研究和数值计算的方法。而这两种研究手段都无法真实的反应现场工程的实际环境，由于边界条件的复杂性，目前仍然没有一种有效的设备和方法开展实验室实验。因此，设计了一种在高温高压下，对花岗岩进行水压致裂实验室研究的装置和方法。
在装置的研制过程中，使用高压水射流设备提供最高400MPa的高压水，作为水压致裂的压力源。岩石内高压水的密封为岩石水压致裂实验设计需要解决的关键技术，也是相关实验能否成功开展的决定性因素。
目前的水压致裂实验采用的水密封技术较为落后，多采用钻孔密封材料进行密封，主要采用水泥沙浆和聚氨脂作为压裂钻孔的密封材料。前者封孔后容易产生收缩，导致材料与孔壁结合处出现漏水现象，直接影响卸压增透措施的效果；后者不仅材料价格过高，而且抗压性能较差，只能满足一般水力压裂技术的抗压要求。综上所述，在高温高压下，常规的水密封方法都不能使用。在400MPa水压下，微小的缝隙也能出现大流量的泄漏，使水压加载不到目标压力。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单、耐高温、价格低廉、密封效果好的基于高温高压条件下水压致裂实验的水密封装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，包括开有一盲孔的岩石试样，岩石试样的盲孔内插装有金属水管，盲孔内的金属水管上间隔套装有多个金属垫圈和楔形密封紫铜圈，多个金属垫圈和楔形密封紫铜圈之上设有与金属水管相匹配的锁紧螺母，金属水管的外露端上设有封住岩石试样孔口 的封孔螺母。
所述的楔形密封紫铜圈包括楔形上方紫铜封、与上方紫铜封契合在一起的楔形下方紫铜封。
所述的金属垫圈为圆柱环体，金属垫圈的内环直径略大于金属水管的外径，金属垫圈的外环直径略小于岩石试样的盲孔孔径。
所述的金属水管为阶梯形的钢制铸件，金属水管中部的第一个阶梯处加工有螺纹一，金属水管上部第二阶梯处设有螺纹二，螺纹一的外径等于金属水管下部的水管外径，螺纹二的外径等于金属水管中部的水管外径；锁紧螺母与金属水管的金属水管中部螺纹配套，封孔螺母与金属水管顶部螺纹的螺纹配套。
所述间隔套装的多个金属垫圈和楔形密封紫铜圈为2～4组。
有益效果：本发明通过增设楔形密封紫铜圈，在预装楔形密封紫铜圈时，对楔形密封紫铜圈施加压力，使其贴紧岩石孔壁。随着实验压力室温度的升高，楔形密封紫铜圈和岩石在受热膨胀时，由于紫铜的膨胀系数大于岩石的膨胀系数，使两者进一步贴紧。当注入高压水时，水压从楔形密封紫铜圈下方挤压楔形密封紫铜圈下方铜封，使其向上运动并与上方铜封沿铜封接触斜面产生挫动，在试验机内最高可达600℃高温的条件下，紫铜***更容易变形，从而使楔形密封紫铜圈膨胀并起到封孔作用，克服了传统水密封材料或方法在高温高压环境下失效的缺点，特别适用于高温高压的工作环境，具有密封效果好、材料延展性好、抗腐蚀的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明楔形密封紫铜圈的结构示意图；
图3是本发明金属水管的结构示意图；
图4是本发明金属水管结构示意图。
图中：1、封孔螺母；2、金属水管；3、锁紧螺母；4、岩石试样；5、金属垫圈；6、楔形密封紫铜圈；2-1、金属水管中部螺纹；2-2、金属水管顶部螺纹；6-1、楔形密封紫铜圈上方铜封；6-2、楔形密封紫铜圈下方铜封。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，主要由封孔螺母1、金属水管2、锁紧螺母3、岩石试样4、金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6组成。在岩石试样4上开有一盲孔，向岩石试样4的盲孔内插装有金属水管2，盲孔内的金属水管2上间隔套装有多个金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6，多个金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6之上设有与金属水管2相配合的锁紧螺母3，金属水管2的外露端上设有封住岩石试样4孔口的封孔螺母1；所述间隔套装的多个金属垫圈5和楔形密封紫铜圈6为2～4组，图1所示为3组。
图2为楔形密封紫铜圈6的结构原理图。所述的楔形密封紫铜圈6包括楔形上方紫铜封6-1、与上方紫铜封6-1契合在一起的楔形下方紫铜封6-2。楔形密封紫铜圈6的结构为两片有斜面的铜封对扣，包括上方铜封6-1和下方铜封6-2。下方铜封6-2的外边面为竖直面，紧贴岩石试样4的钻孔孔壁，内边面为斜面。上方铜封6-1的外边面为斜面，斜率与下方铜封6-2的斜面相同，对扣时两个铜封的斜面可紧密接触，内边面竖直，可与金属水管2紧密接触。所述的金属垫圈5为圆柱环体，金属垫圈5的内环直径略大于金属水管2的外径，金属垫圈5的外环直径略小于岩石试样4的钻孔孔径。楔形密封紫铜圈上、下方为金属垫圈5，可分别抵住上方铜封6-1和下方铜封6-2，安装时，按压上面的金属垫圈5使上、下铜封沿斜面相对挫动，上方铜封6-1向内膨胀压紧金属水管2，下方铜封6-2向外膨胀压紧岩石试样4的钻孔孔壁。
所述的金属水管2为阶梯形的钢制铸件，金属水管2中部的第一个阶梯处加工有螺纹一2-1，金属水管2上部第二阶梯处设有螺纹二2-2，螺纹一2-1的外径等于金属水管2下部的水管外径，螺纹二2-2的外径等于金属水管2中部的水管外径；锁紧螺母3与金属水管2的金属水管中部螺纹2-1配套，封孔螺母1与金属水管顶部螺纹2-3的螺纹配套。
使用时，首先在尺寸为的岩石试样4的端面中心，钻进直径25mm、深210mm的孔，将金属垫圈5放入孔中，再将金属水管2***孔中。将楔形密封紫铜圈6按顺序穿过金属水管2放入孔中，上面再放置金属垫圈5，使用工具按压金属垫圈5，使楔形密封紫铜圈6膨胀压紧金属水管2和岩石试样4孔壁。按以上方法依次装入第二、第三个楔形密封紫铜圈6，三个楔形密封紫铜圈6装完后，将锁紧螺母3和封孔螺母1旋紧于金属水管2面，并压住岩石试样4。实验时，把装有水密封装置的岩石试样4装入压力室，然后从 金属水管2的顶部开始注入高压水，高压水沿金属水管2渗入岩石试样4的裂隙中，随着温度的升高，楔形密封紫铜圈6和岩石试样4都产生膨胀，而楔形密封紫铜圈6的膨胀系数大于岩石试样4使得两者进一步贴紧。再经过金属水管2注入的高压水，水压从楔形密封紫铜圈6下方挤压下方铜封6-2，使其向上运动并与上方铜封6-1沿着斜面产生相对挫动。而在高温下，紫铜***更容易变形，从而使楔形密封紫铜圈6膨胀并起到封孔作用，从而使高压水集中作用于岩石试样4的裂隙，使岩石试样4破裂。
Claims (5)
1.一种基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，其特征在于：它包括开有一盲孔的岩石试样（4），岩石试样（4）的盲孔内插装有金属水管（2），盲孔内的金属水管（2）上间隔套装有多个金属垫圈（5）和楔形密封紫铜圈（6），多个金属垫圈（5）和楔形密封紫铜圈（6）之上设有与金属水管（2）相配合的锁紧螺母（3），金属水管（2）的外露端上设有封住岩石试样（4）孔口的封孔螺母（1）。
2.根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，其特征在于：所述的楔形密封紫铜圈（6）包括楔形上方紫铜封（6-1）、可与上方紫铜封（6-1）契合在一起的楔形下方紫铜封（6-2）。
3.根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，其特征在于：所述的金属垫圈（5）为圆柱环体，金属垫圈（5）的内环直径略大于金属水管（2）的外径，金属垫圈（5）的外环直径略小于岩石试样（4）的钻孔孔径。
4.根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，其特征在于：所述的金属水管（2）为阶梯形的钢制铸件，金属水管（2）中部的第一个阶梯处加工有螺纹一（2-1），金属水管（2）上部第二阶梯处设有螺纹二（2-2），螺纹一（2-1）的外径等于金属水管（2）下部的水管外径，螺纹二（2-2）的外径等于金属水管（2）中部的水管外径；锁紧螺母（3）与金属水管（2）的金属水管中部螺纹（2-1）配套，封孔螺母（1）与金属水管顶部螺纹（2-3）的螺纹配套。
5.根据权利要求1所述的基于高温高压环境下岩石试样水压致裂实验的水密封装置，其特征在于：所述间隔套装的多个金属垫圈（5）和楔形密封紫铜圈（6）为2～4组。
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