CN112781956A - 一种模拟微波破碎深部花岗岩的设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟微波破碎深部花岗岩的设备与方法，主要由磁控管、连接器、升降支杆、波导管、微波辐射孔、破岩实验腔体、Z轴加载设备载体、Z轴定位升降设备、Z轴加载液压缸、Z轴加载钢板、加热电阻丝、传感器、花岗岩样品、X轴加载设备载体、X轴定位升降设备、X轴加载液压缸、X轴加载钢板、Y轴加载设备载体、Y轴定位升降设备、Y轴加载液压缸、Y轴加载钢板、高精度摄像头、红外热成像仪、显示台控制器组成，该方法提供了高温、高压微波辐照环境以及辐照后的真三轴实验装置，真实地还原现场微波辐照花岗岩，能有效的开展地热井下高温、高压岩石的微波破岩机理研究，对高温地热能的开发具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明专利属于深部岩体工程破碎研究领域，具体为一种模拟微波破碎深部花岗岩的设备与方法。
背景技术
随着社会逐渐进入一个绿色经济时代，可持续发展成了各行各业的共同追求，新能源的利用也成了一个热门话题，在这种社会大环境下，地热能受到了广泛关注。地热能是指贮藏于地下高温岩石中，温度超过200℃的岩层中的热能，大多为花岗岩体。地热资源作为一种绿色的可再生资源，不失为一种能够克服困境的且能大力发展的方向，据统计，2008年地热资源利用使全国减排二氧化碳2500万吨，地热是生产热能、电能的重要可再生能源，是目前世界第三大可再生能源，并且我国地热储量十分庞大，如云南腾冲和西藏羊八井两地可开发地热资源量就超过1.56x1011kwh。如何开采并利用地热资源，成为了行业亟需解决的问题，要从地下高温岩体将地热能提取出来需要在地层深处中的高温岩体上施工钻孔，因此高温地热能的开发离不开地热井的钻探；就目前技术而言，钻探现场大多采用常规液体钻井方式，由于在高温、高压状态下，岩石的性质如强度等会发生很大的变化，而常规液体钻井方式对于地下的髙温岩体性质的变化考虑较少，在钻探地热井时常会发生钻进效率低下，钻头破岩困难等情况，在高温高压状态下，如何提高破碎岩石效率成为了该行业关心的关键性问题。
目前，传统的机械破岩方式主要有冲击破岩、切削破岩、冲击切削复合破岩等，这些方式对钻头材料的耐久性、安全性、高效性、成本性要求极高，在此背景下，行业寻找到了更为绿色、高效且灵活的硬岩破碎方法，现如今，采用微波辐照预处理岩石辅助机械化施工来进行破岩，该方法的破岩效果及其性质成为了学者研究的重要内容。
微波是一种频率在0.3-300GHz范围内的电磁波，被广泛应用于材料加热和高温制备。相比于传统基于热传递的加热处理，微波加热的最大优势在于其对材料自发性、选择性的快速加热。通常来说，材料对于微波具有穿透、反射和吸收三种特性，采用微波破碎岩石正是利用了造岩矿物微波活性的差异，将温度梯度引入到了岩石内部，从而产生不均匀的热应力。当这些热应力超过了岩石中某些矿物内部或不同矿物之间的粘结强度时即产生了微裂缝。持续的微波辐照会使这些微裂缝不断发育，扩展形成宏观裂缝，逐步破坏了岩石结构的完整性，从而在加快岩石破碎效率的同时还减小了机械化施工过程中刀具的磨损。
地热资源储层岩石多为花岗岩，岩性坚硬，当采用“微波+机械”的方式处理井下高温岩石尤其是对于200℃以上的岩层温度具有很大的应用前景，井下岩石在微波辐照下的物理性质变化规律以及微波破岩规律尚不明确，因此有必要对地热井下高温高压岩石的微波破岩机理开展研究，现场研究微波辐照破岩效果及其性质很难实现，所以亟须设计一种设备方法来进行高温、高压下花岗岩微波破岩试验，揭示花岗岩微波辐照破碎机理，为岩石破碎理论的发展和深部高温岩石破碎方法研究提供理论参考。
本发明专利提供了一套现场模拟高温、高压下微波辐照装置，以更真实地还原现场微波辐照花岗岩，以及辐照后的真三轴实验探究，能有效的开展地热井下高温、高压岩石的微波破岩机理研究，以在工程实践中提高地热钻井效率。
发明内容
本发明解决的一个问题是：提供了模拟高温、高压下微波辐照环境以及辐照后的真三轴实验装置，以更真实地还原现场微波辐照花岗岩，能有效的开展地热井下高温、高压岩石的微波破岩机理研究，对高温地热能的开发具有重要的意义。
本发明所设计的设备开展步骤具体为：
第一步，首先安装好微波小车，调试升降支杆，使其磁控管保持在一定的高度，连接好波导管与磁控管，移动小车，使其与破岩设备腔体连接。
第二步，调节安装好破岩设备腔体，包括移动调节定位升降设备，使其在合适的位置，便于更好的对花岗岩样本进行加压实验，检查加载设备载体、加载液压缸、加载钢板它们之间的连接是否正常，特别是加载钢板是否损坏，电阻丝是否正常工作，电路等是否安全。
第三步，制作长方体的花岗岩样品，打开左侧或者前面钢板腔体，放入花岗岩样品，调节整个加载设备，实施位移控制，完成花岗岩样品的精确对中夹紧；使花岗岩样品在其中心受压，避免其偏心受压，在样品与钢板之间检查好应力传感器、温度传感器、应变传感器等。
第四步，打开电阻丝加热开关，使其花岗岩得到加热，并通过温度控制器控制电阻丝进行加热，将花岗岩样品加热到预设温度并保持，根据不同的模拟环境，温度可以在30℃-200℃之间，保持右侧钢板位置不变，打开微波功率控制器，开始辐照花岗岩，微波功率可以控制在5-60kw之间，同时打开高精度摄像头和红外热成像仪观察微波辐照面的变化情况，并传输数据进行记录。
第五步，辐照完毕后，关闭微波功率控制器，移动右侧加载钢板到花岗岩样品表面，对花岗岩辐照面施加围压，调节完毕以后，开始对花岗岩样品进行阶梯式真三轴加载，根据不同的模拟环境可以设置三向初始应力在10Mpa-100Mpa之间，在各个阶梯等级载荷下，通过传感器了解并记录加压过程中花岗岩样品应力应变和温度情况。
第六步，实验完毕，关闭加热电阻丝开关，升起加载钢板，等腔体降温以后，打开破岩实验腔体，取出破坏的样品，清理其中的残渣，关闭实验腔体。最后对收集的数据进行分析研究，得到实验结果。
与现有设备方法相比，本发明提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：
1、发明了一种可以创造花岗岩高温高压环境的仪器设备，并用微波辐照单面岩体进行破岩研究，利用加热电阻丝模拟高温环境，利用加载***模拟高压环境，可以观察微波辐照后，对于花岗岩表面裂隙、应力、应变等性质的影响。
2、发明了一种高温高压以及微波辐照后立即可以进行真三轴实验的设备仪器，可以分析微波辐照对于高温高压下花岗岩的力学性能影响。
3、结合多种传感器分析岩石试样的温度、应力、应变等物理特性变化数据，以及分析微波辐照下，花岗岩裂隙、形态变化等宏观数字图片，根据计算机存储分析，实时对岩石参数变化进行监测研究。
4、本专利发明了一种可以进行微波破岩与真三轴实验的仪器设备及方法，利用各种方法模拟了破岩与三轴实验的环境，对于微波破岩和探究地热能开发具有重要意义。
附图说明
图1是该发明的整体结构正视图。
图2是X、Y轴加载设备示意图。
图3是Z、Y轴单个加载设备示意图。
图4是左侧X轴加载设备示意图。
图5是右侧X轴(辐照面)加载设备示意图。
图6辐照面钢板密封结构示意图。
图7是辐照面实验腔体侧面示意图。
图8是加热电阻丝结构示意图。
图9是显示台控制器示意图。
图10是本发明的模拟实验的流程图。
图中标号：1-磁控管；2-磁控管与波导管连接器；2.1-波导管与辐射孔连接器；3-升降支杆；4-微波小车；5-波导管；6-微波辐射孔；7-破岩实验腔体；8-Z轴加载设备载体；9-Z轴定位升降设备；10-Z轴加载液压缸；11-Z轴加载钢板；12-加热电阻丝；12.1-传感器；13-花岗岩样品；14-X轴加载设备载体；15-X轴定位升降设备；16-X轴加载液压缸；17-X轴加载钢板；18-Y轴加载设备载体；19-Y轴定位升降设备；20-Y轴加载液压缸；21-Y轴加载钢板；22-辐照面加载设备载体；23-辐照面定位升降设备；24-辐照面加载钢板；25-高精度摄像头；26-红外热成像仪；27-水冷保护***；28-显示台控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行具体详细的描述，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。为了更好的解释本发明，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中“上”、“下”、“左”“右”等方位术语均以图1的定向为参考。
如图所示，本发明包括：磁控管1；磁控管与波导管连接器2；波导管与辐射孔连接器2.1；升降支杆3；微波小车4；波导管5；微波辐射孔6；破岩实验腔体7；Z轴加载设备载体8；Z轴定位升降设备9；Z轴加载液压缸10；Z轴加载钢板11；加热电阻丝12；传感器12.1；花岗岩样品13；X轴加载设备载体14；X轴定位升降设备15；X轴加载液压缸16；X轴加载钢板17；Y轴加载设备载体18；Y轴定位升降设备19；Y轴加载液压缸20；Y轴加载钢板21；辐照面加载设备载体22；辐照面定位升降设备23；辐照面加载钢板24；高精度摄像头25；红外热成像仪26；水冷保护***27；显示台控制器28。
如图1所示，磁控管1位于微波整体小车4上，功率大小可调节，最大功率可以达到60KW；可升降杆3连接磁控管1和小车4，采用螺栓连接，可以调节磁控管1的高度；磁控管1与波导管5通过连接器2卡套式连接，根据不同的实验要求，可以轮换不同长度和大小的波导管5；波导管5与破岩实验腔体7之间采用连接器的螺栓连接，微波从辐照孔6输入微波进行实验研究；小车4可以前后移动并固定，小车4的具体移动位置可以用标尺来进行标定。
如图1所示，破岩实验腔体7是整个实验的外部设备，其中四块块钢板焊接而成，左侧和前面二块钢板采用铰链式连接，可以打开，其目的是为了放入花岗岩样本13，并检查仪器设备的工况情况，右侧钢板开启有供波导管连接的辐照孔6，辐照孔6与波导管5之间使用连接器2.1进行螺栓连接，不同尺寸的波导管适配不同的连接器。
如图1所示，加载设备设备包括X、Y、Z三轴加载设备，一共六面加载，都位于钢板的中心位置，Z轴加载设备包含Z轴加载设备载体8、Z轴定位升降设备9、Z轴加载液压缸10、Z轴加载钢板11，Z轴加载设备载体8焊接在内部钢板上，起到稳固的作用，Z轴定位升降设备9与Z轴加载设备载体8采用齿轮链条连接，其目的是让定位升降设备9可以左右移动并固定，链接强度足够高，可以承受加载设备的反作用力，而且定位升降设备9还可以伸长，目的是为了更好的对花岗岩样本进行加载试验；Z轴加载液压缸10与定位升降设备9采用螺栓连接，加载液压缸10通过定位升降设备9上下左右升降调节，可以实现更好的加压，加载液压缸最大可加载到100Mpa；Z轴加载钢板11刚度足够大，尺寸足够长，且加载钢板边缘镶嵌有不吸波塑胶体，足以更好的密封花岗岩辐照面(右侧)的空间，如图6所示，其他面的加载设备安装也是如此。
如图5所示，对于微波辐照面设备，右侧处的加载设备包括加载设备载体22、定位升降设备23、加载钢板24，无加载液压缸，加载钢板内无加热电阻丝，却有冷却水***27，安装有高精度摄像头25；红外热成像仪26，辐照这侧空间被Z轴，Y轴钢板和右侧钢板所密封，通过右侧钢板所开设的孔输出微波，通过高精度摄像头25；红外热成像仪26观察辐照面的变化情况，微波辐照实验完毕以后，关闭微波、高精度摄像头和红外热成像仪，通过定位升降设备伸长加载钢板使其接触到微波辐照面，给花岗岩辐照面施加围压并固定，开启三轴实验探究。
如图5所示，在微波辐照这一侧，钢板上安装有高精度摄像头25和红外热成像仪26，高精度摄像头25是为了拍摄不同微波辐照时间花岗岩辐照面的变化情况照片，红外热成像仪26通过信号处理，监测辐照面不同部位的发热情况和温度，其目的是为了更好的研究花岗岩在微波辐照下的破碎情况，研究其破坏机理，还设置有水冷***27，其目的是为了防止微波泄露，吸收反射和多余的微波。
如图8所示，加热电阻丝12均匀安装在可加压钢板内，花岗岩五个面均有加热电阻丝12，实现给钢板加热，钢板传热效果好且刚度足够大，通过热传导给花岗岩样品，模拟高温环境，加热温度可以达到200℃以上，电阻丝的电路连接在加压板内，连接后通往破岩实验腔体7外的温度控制器处，便于调节温度。
如图3、4所示，加压钢板中还安装有各种传感器12.1，如应力传感器、温度传感器、应变传感器等，其目的是为了更好的研究三轴实验，传感器与电阻丝的线路连接遵循安全且不影响加载实验的原则。
如图9所示，显示台控制器28包括微波功率调节器、数据显示器、加载调节控制器和温度调节器，其中加载调节控制器可以调节实验中的加载液压缸作用力与定位升降设备位移，使花岗岩样品受压均匀，温度温度调节器控制实验过程中的环境温度；微波功率调节器的作用为调节微波功率和辐照时间；数据显示器分析传输的信号以及温度、应力等数据，来表征辐照与加载的过程和结果，给研究人员提供数据分析条件。整个设备的连接均采用安全高效的电路连接，实验设备的电路仪器连接遵循不影响实验的原则进行，且保证设备安全不漏电。本发明的方法，具体实验可以包括以下步骤：
第一步，首先安装好微波小车4，调试升降支杆3，使其磁控管1保持在一定的高度，连接好波导管5与磁控管1，移动小车，使其与破岩设备腔体7连接。
第二步，调节安装好破岩设备腔体7，包括通过加载调节控制器移动调节定位升降设备9，使其在合适的位置，便于更好的对花岗岩样本进行加压实验，检查加载设备载体、加载液压缸、加载钢板它们之间的连接是否正常，特别是加载钢板是否损坏，电阻丝是否正常工作，电路等是否安全。
第三步，制作长方体的花岗岩样品13，打开左侧或者前面钢板腔体，放入花岗岩样品，通过加载调节控制器调节整个加载设备，实施位移控制，完成花岗岩样品的精确对中夹紧；使花岗岩样品在其中心受压，避免其偏心受压，在样品与钢板之间检查好应力传感器、温度传感器、应变传感器等。
第四步，打开电阻丝加热开关，使其花岗岩得到加热，并通过温度控制器控制电阻丝12进行加热，将花岗岩样品加热到预设温度并保持，根据不同的模拟环境，温度可以在30℃-200℃之间，保持右侧钢板位置不变，打开微波功率控制器，开始辐照花岗岩，微波功率可以控制在5-60kw之间，同时打开高精度摄像头25和红外热成像仪26观察微波辐照面的变化情况，并传输数据进行记录。
第五步，辐照完毕后，关闭微波功率控制器，通过加载调节控制器移动右侧加载钢板到花岗岩样品表面，对花岗岩辐照面施加围压，调节完毕以后，开始对花岗岩样品进行阶梯式真三轴加载，根据不同的模拟环境可以设置三向初始应力10Mpa-100Mpa之间，在各个阶梯等级载荷下，通过传感器了解并记录加压过程中花岗岩样品应力应变和温度情况。
第六步，实验完毕，关闭加热电阻丝开关，通过加载调节控制器升起加载钢板，等腔体降温以后，打开破岩实验腔体，取出破坏的样品，清理其中的残渣，关闭实验腔体。最后对收集的数据进行分析研究，得到实验结果。
本实施例的花岗岩高温微波辐照实验以及辐照后样品的真三轴实验方法；一方面，能够分析模拟花岗岩在高温高压的微波辐照变化规律，另一方面，花岗岩能够在高温条件下进行稳定的真三轴加载实验，提高了深部高温岩石微波破碎研究的真实性及准确性，对于高温地热能的开发具有重要的意义。
本发明所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (3)
1.一种模拟微波破碎深部花岗岩的设备与方法，主要由磁控管(1)、磁控管与波导管连接器(2)、波导管与辐射孔连接器(2.1)、升降支杆(3)、微波小车(4)、波导管(5)；微波辐射孔(6)、破岩实验腔体(7)、Z轴加载设备载体(8)、Z轴定位升降设备(9)、Z轴加载液压缸(10)、Z轴加载钢板(11)、加热电阻丝(12)、传感器(12.1)、花岗岩样品(13)、X轴加载设备载体(14)、X轴定位升降设备(15)、X轴加载液压缸(16)、X轴加载钢板(17)、Y轴加载设备载体(18)、Y轴定位升降设备(19)、Y轴加载液压缸(20)、Y轴加载钢板(21)；辐照面加载设备载体(22)、辐照面定位升降设备(23)、辐照面加载钢板(24)、高精度摄像头(25)、红外热成像仪(26)、水冷保护***(27)、显示台控制器(28)组成，其特征在于：磁控管(1)位于微波整体小车(4)上，功率大小可调节,最大功率达到60KW；升降支杆(3)连接磁控管(1)和微波小车(4)，采用螺纹连接，便于调节磁控管(1)的高度；磁控管(1)与波导管(5)通过连接器(2)卡套式连接，微波从辐照孔(6)输入并进行实验研究；破岩实验腔体(7)是整个实验的外部设备，其中四块块钢板焊接而成，左侧和前面二块钢板采用铰链式连接，可以打开；右侧钢板开启有供波导管连接的辐照孔(6)，辐照孔与波导管(5)之间使用连接器(2.1)进行螺纹连接，加载设备设备包括X、Y、Z三轴加载设备，都位于钢板的中心位置，Z轴加载设备包含Z轴加载设备载体(8)、Z轴定位升降设备(9)、Z轴加载液压缸(10)、Z轴加载钢板(11)；Z轴加载设备载体(8)焊接在内部钢板上，起到稳固的作用，Z轴定位升降设备(9)与Z轴加载设备载体(8)采用齿轮链条连接，其目的是让定位升降设备(9)左右移动并固定，链接强度足够高，可以承受加载设备的反作用力，而且定位升降设备(9)还可以伸长；Z轴加载液压缸(10)与定位升降设备(9)采用螺纹连接，加载液压缸(10)通过定位升降设备(9)上下左右升降调节，加载液压缸最大可加载到100Mpa；Z轴加载钢板(11)刚度足够大，尺寸足够长，其他面的加载设备安装也是如此。
2.根据权利要求1所述的一种模拟微波破碎深部花岗岩的设备与方法，其特征在于：微波辐照这一侧，钢板上采用螺纹安装有高精度摄像头(25)和红外热成像仪(26)，高精度摄像头(25)是为了拍摄不同微波辐照时间花岗岩辐照面的变化情况照片，红外热成像仪(26)通过信号处理，监测辐照面不同部位的发热情况和温度；安装设置有水冷***(27)，其目的是为了防止微波泄漏，吸收反射和多余的微波；加热电阻丝(12)均匀安装在加压钢板内，采用可拆卸式安装，实现给钢板加热，钢板传热效果好且刚度足够大，通过热传导给花岗岩样品，模拟高温环境，加热温度能达到200℃以上，电阻丝的电路连接在加压板内，连接后通往破岩实验腔体(7)外的温度控制器处，便于调节温度，加压钢板中还安装有各种传感器(12.1)，包括应力传感器、温度传感器、应变传感器，其目的是为了更好的研究三轴实验，传感器与电阻丝的线路连接遵循安全且不影响加载实验的原则，显示台控制器(28)包括微波功率调节器、数据显示器、加载调节控制器和温度调节器，加载调节控制器调节实验中的加载液压缸作用力与定位升降设备位移，使花岗岩样品受压均匀，温度调节器控制实验过程中的环境温度；微波功率调节器的作用为调节微波功率和辐照时间；数据显示器分析传输的信号以及温度、应力数据，来表征辐照与加载的过程和结果，整个设备的连接遵循不影响加载实验的原则进行，均采用安全高效的电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟微波破碎深部花岗岩的设备与方法，包括以下操作步骤：步骤1、安装好微波小车(4)，连接好波导管(5)与磁控管(1)，移动小车(4)，使其与破岩设备腔体(7)连接；步骤2、接下来调节安装好破岩设备腔体(7)，包括移动调节定位升降设备(9)，检查加载设备载体(8)、加载液压缸(10)、加载钢板(11)它们之间的连接是否正常，电阻丝(12)是否正常工作；步骤3、制作长方体的花岗岩样品(13)，打开左侧钢板腔体，放入花岗岩样品(13)，通过加载调节控制器调节整个加载设备，完成样品精确对中夹紧；步骤4、打开电阻丝加热开关，使其花岗岩得到加热，并通过温度控制器控制电阻丝进行加热，将花岗岩样品加热到预设温度并保持，根据不同的模拟环境，温度在30℃-200℃之间，保持右侧钢板位置不变，打开微波功率控制器，开始辐照花岗岩，微波功率控制在5-60kw之间，同时打开高精度摄像头(25)和红外热成像仪(26)观察微波辐照面的变化情况，并传输数据进行记录；步骤5、辐照完毕后，关闭微波功率控制器，通过加载调节控制器移动右侧加载钢板到花岗岩样品表面，对辐照面施加围压，调节完毕以后，开始对花岗岩样品进行阶梯式真三轴加载，根据不同的模拟环境设置三向初始应力在10Mpa-100Mpa之间，在各个阶梯等级载荷下，通过传感器了解并记录加压过程中花岗岩样品应力应变和温度情况；步骤6、实验完毕，关闭加热电阻丝开关，升起加载钢板，腔体降温以后，打开破岩实验腔体，取出破坏的样品，清理其中的残渣，最后对收集的数据进行分析得到实验结果。
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