CN107741372B - 一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置，属于岩石力学试验技术领域。这种实验装置在岩样的中心位置设有一个液氮冷却孔，在液氮冷却孔的周边设有多个温度传感器孔，在温度传感器孔安装岩样温度传感器，在岩样的各表面设置多个应变片和声发射收集器。杜瓦瓶通过管道依次连接液压设备、第一阀门和岩样上的液氮冷却孔，液氮冷却孔通过管道依次连接第一减压器、第二阀门、第二减压器和气液分离器，气液分离器的液相一路通过管道连接杜瓦瓶，气相一路通过管道连接设有密封塞的气体收集器。该实验装置可以实现低温液体冷冲击岩石破裂过程实验；可以测量液氮冷却环境下岩石试件温度的变化及分布；实现持续低温环境下岩石破坏的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置，属于岩石力学试验技术领域。
技术背景
现有的石油增产措施（EOR）主要有维持地层压力（注水、注气等）、改变孔隙流体性质（注聚合物、注蒸汽等）及改变孔隙结构的导流能力（酸化、压裂、酸压等）等方法。水压致裂技术应用较为广泛，但其主要是增加裂纹的长度，而对增加裂纹密度所起的作用是有限的。如果对岩石降温，拉伸应力将十分明显，更容易导致岩石新裂缝的产生和扩展。岩石的抗拉性能低，若降温过程中产生的拉应力足够大，很容易导致岩石的破裂。
本实验装置利用低温导致岩石产生拉应力，从而产生大量的拉伸裂缝，提高岩石的渗透性，有利于低渗透油气藏、地热资源及煤层气等的开采和开发利用。
目前，有关低温对岩石力学性质影响的试验中，几乎都是将不同含水率或饱水状态下岩石浸没在液氮中，经过一段时间冷冲击后，研究强度、渗透系数的变化。这些实验都是描述岩石试件破坏后的岩石特性的改变，缺乏对低温冷冲击条件下岩石裂纹扩展过程的观测，以及温度分布规律的研究。在岩石工程中，由于热量在岩体内传播需要时间，岩石内部温度的变化是一个动态的过程，所以说温度是一个与时间、空间相关的动态变量，随之引起应力的时空演化以及裂纹发育与时间的密切联系。
发明内容
本发明提供一种液氮冷冲击作用下岩石破裂实验装置，其目的是研究岩石在低温冷冲击作用下的裂纹扩展过程及温度分布规律。
本发明采用的技术方案是：一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置，它包括储存液氮的杜瓦瓶、液压设备、第一阀门和岩样，它还包括温度传感器、压力传感器、减压器、第二阀门、气体收集器、检测器和高速摄影仪；所述岩样的中心位置设有一个液氮冷却孔，在液氮冷却孔的周边设有多个温度传感器孔，在温度传感器孔安装岩样温度传感器，在岩样的各表面设置多个应变片和声发射收集器；所述杜瓦瓶通过管道依次连接液压设备、第一阀门和岩样上的液氮冷却孔，液氮冷却孔通过管道依次连接第一减压器、第二阀门、第二减压器和气液分离器，气液分离器的液相一路通过管道连接杜瓦瓶，气相一路通过管道连接设有密封塞的气体收集器；所述岩样上安装的岩样温度传感器、应变片和声发射收集器通过各自的传感器数据线电连接检测器，所述第一减压器上安装的温度传感器和压力传感器通过各自的传感器数据线电连接检测器；所述高速摄影仪的镜头对准岩样。
所述岩样采用长方体或正方体结构，液氮冷却孔和多个温度传感器孔从上平面向下钻盲孔，在四周侧面粘贴应变片和声发射收集器。
所述岩样温度传感器和温度传感器采用热电偶。
所述压力传感器采用压力变送器。
所述岩样的周围设置1-4台高速摄影仪。
本发明的有益效果是：这种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置主要包括杜瓦瓶、液压设备、岩样、温度传感器、压力传感器、减压器、、气体收集器、检测器和高速摄影仪。岩样的中心位置设有一个液氮冷却孔，在液氮冷却孔的周边设有多个温度传感器孔，在温度传感器孔安装岩样温度传感器，在岩样的各表面设置多个应变片和声发射收集器。杜瓦瓶通过管道依次连接液压设备、第一阀门和岩样上的液氮冷却孔，液氮冷却孔通过管道依次连接第一减压器、第二阀门、第二减压器和气液分离器，气液分离器的液相一路通过管道连接杜瓦瓶，气相一路通过管道连接设有密封塞的气体收集器。该实验装置可以实现低温液体冷冲击岩石破裂过程实验；可以测量液氮冷却环境下岩石试件温度的变化及分布；实现持续低温环境下岩石破坏的实时监测。是一种持续低温环境诱发岩石破裂的实验装置，可运用于低温液体在低渗透油气藏、地热资源以及煤层气等资源开采领域，适用于研究低温环境条件下岩石应力、温度变化及破坏过程。
附图说明
图1是一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置的示意图。
图中：1、杜瓦瓶，1a、液氮，2、液压设备，3、第一阀门，4、岩样，4a、液氮冷却孔，4b、温度传感器孔，5、岩样温度传感器，6、应变片，6a、声发射收集器，7、温度传感器，8、压力传感器，9、第二阀门，10、第一减压器，10a、第二减压器，11、气液分离器，12、密封塞，13、气体收集器，14、检测器，15、传感器数据线，16、高速摄影仪。
具体实施方式
图1示出了一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置。图中，这种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置包括储存液氮1a的杜瓦瓶1、液压设备2、第一阀门3、岩样4、温度传感器、压力传感器、减压器、第二阀门9、气体收集器13、检测器14和高速摄影仪16。岩样4的中心位置设有一个液氮冷却孔4a，在液氮冷却孔4a的周边设有多个温度传感器孔4b，在温度传感器孔4b安装岩样温度传感器5，在岩样4的各表面设置多个应变片6和声发射收集器6a。杜瓦瓶1通过管道依次连接液压设备2、第一阀门3和岩样4上的液氮冷却孔4a，液氮冷却孔4a通过管道依次连接第一减压器10、第二阀门9、第二减压器10a和气液分离器11，气液分离器11的液相一路通过管道连接杜瓦瓶1，气相一路通过管道连接设有密封塞12的气体收集器13。岩样4上安装的岩样温度传感器5、应变片6和声发射收集器6a通过各自的传感器数据线15电连接检测器14。第一减压器10上安装的温度传感器7和压力传感器8通过各自的传感器数据线15电连接检测器14。高速摄影仪16的镜头对准岩样4。
岩样4采用长方体或正方体结构，液氮冷却孔4a和多个温度传感器孔4b从上平面向下钻盲孔，在四周侧面粘贴应变片6和声发射收集器6a。岩样温度传感器5和温度传感器7采用热电偶。压力传感器8采用压力变送器。岩样4的周围设置1-4台高速摄影仪16。
采用上述的技术方案，首先将液氮注入杜瓦瓶中，通过液压设备经过第一阀门的控制进入岩样中（在三轴条件下才启动液压功能，否则过高的压力容易导致岩样爆裂，影响安全操作和实验效果），岩样中布置部分温度传感器测定温度在岩样内的传导，并在岩样表面布置应变片及声发射收集器，测试岩样内应力及微破坏、在第一减压器中***温度传感器和压力传感器测定第一减压器中的温度和压力。通过第一阀门控制注入岩样中心孔液体的量和在岩样内的停留时间。通过管道将液体（含部分气化后的气体）输送至第二减压器中，并通过气液分流器将液体部分导回杜瓦瓶中，将气体部分导流至气体收集容器中进行尾气的收集工作。
Claims (3)
1.一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置，它包括储存液氮（1a）的杜瓦瓶（1）、液压设备（2）、第一阀门（3）和岩样（4），其特征是：它还包括温度传感器、压力传感器、减压器、第二阀门（9）、气体收集器（13）、检测器（14）和高速摄影仪（16）；所述岩样（4）的中心位置设有一个液氮冷却孔（4a），在液氮冷却孔（4a）的周边设有多个温度传感器孔（4b），在温度传感器孔（4b）安装岩样温度传感器（5），在岩样（4）的各表面设置多个应变片（6）和声发射收集器（6a）；所述杜瓦瓶（1）通过管道依次连接液压设备（2）、第一阀门（3）和岩样（4）上的液氮冷却孔（4a），液氮冷却孔（4a）通过管道依次连接第一减压器（10）、第二阀门（9）、第二减压器（10a）和气液分离器（11），气液分离器（11）的液相一路通过管道连接杜瓦瓶（1），气相一路通过管道连接设有密封塞（12）的气体收集器（13）；所述岩样（4）上安装的岩样温度传感器（5）、应变片（6）和声发射收集器（6a）通过各自的传感器数据线（15）电连接检测器（14），所述第一减压器（10）上安装的温度传感器（7）和压力传感器（8）通过各自的传感器数据线（15）电连接检测器（14）；所述高速摄影仪（16）的镜头对准岩样（4）；
所述岩样（4）采用长方体或正方体结构，液氮冷却孔（4a）和多个温度传感器孔（4b）从上平面向下钻盲孔，在四周侧面粘贴应变片（6）和声发射收集器（6a）；
所述岩样（4）的周围设置1-4台高速摄影仪（16）。
2.根据权利要求1所述的一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置，其特征是：所述岩样温度传感器（5）和温度传感器（7）采用热电偶。
3.根据权利要求1所述的一种在液氮冷冲击作用下岩石破裂的实验装置，其特征是：所述压力传感器（8）采用压力变送器。
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