專利名稱：爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備，具體是用于模擬井眼內(nèi)爆炸動(dòng)載壓裂的
試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
研究井眼內(nèi)爆炸動(dòng)載壓裂技術(shù)對低滲低豐度油氣藏開發(fā)具有重要意義。爆炸動(dòng)載
壓裂對井眼周圍地層巖石的作用是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，目前對該方面的研究主要從理論
分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究三個(gè)方面進(jìn)行。其中，試驗(yàn)研究又占有重要地位，這不僅因?yàn)樗?br> 可以提供第一手資料，而且還可用來證實(shí)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。 當(dāng)前，巖石的動(dòng)力試驗(yàn)主要是利用SHPB試驗(yàn)裝置進(jìn)行的。SHPB裝置的試驗(yàn)原理
是將受沖擊的桿分為兩個(gè)部分，試件放在兩桿之間，輸入桿在沖擊載荷的作用下將脈沖波
傳給試件，通過試件端部波的入射和反射，在極短的時(shí)間內(nèi)使試件整個(gè)長度內(nèi)受到較均勻
的波動(dòng)作用，通過一維波動(dòng)理論和能量平衡可以得到試件的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變關(guān)系。然而，爆
炸壓裂狀態(tài)下，爆炸載荷對井壁圍巖的沖擊是多方位、多角度的，所以，SHPB裝置動(dòng)態(tài)載荷
的加載方式，注定不能用于模擬爆炸壓裂條件下動(dòng)態(tài)載荷對井壁圍巖的沖擊效果。故此，
SHPB裝置不能用于爆炸壓裂試驗(yàn)。 考慮到井壁圍巖受力情況復(fù)雜，為了充分模擬真實(shí)地下井眼周圍巖石的應(yīng)力狀 態(tài)，所用試驗(yàn)裝置需具備施加軸向應(yīng)力和圍壓的功能。然而，常規(guī)巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)雖具 備該項(xiàng)功能，但其只能用于巖石靜力實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，要觀察、研究井壁圍巖的裂紋生成、擴(kuò)展及 其分布情況，必須使用大尺寸巖樣，而常規(guī)巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)由于受其框架式加載結(jié)構(gòu) 的限制，根本無法容納大尺寸巖樣。所以，巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)亦無法用于爆炸壓裂試驗(yàn)。
到目前為止，從公開的文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)際應(yīng)用來看，還沒有同時(shí)具備以下基本特點(diǎn) 的動(dòng)載壓裂試驗(yàn)裝置可容納大尺寸巖樣，以便于觀察、研究裂紋的生成、擴(kuò)展及分布情況； 能夠向巖樣施加軸壓和圍壓，以模擬地下井壁圍巖的受力狀態(tài)；可將炸藥直接布置于巖樣 內(nèi)并引爆，以使爆炸壓裂過程更為真實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置，對巖石施加圍壓與軸壓， 充分模擬爆炸壓裂條件下井壁圍巖復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，對該狀態(tài)下井壁圍巖的成縫機(jī)理及其 影響因素進(jìn)行研究，為爆炸壓裂條件下井壁圍巖動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程的建立提供依據(jù)，并為該技 術(shù)理論研究奠定基礎(chǔ)。 本發(fā)明為達(dá)到上述目的，具體設(shè)計(jì)如下。模擬井眼內(nèi)爆炸動(dòng)載壓裂的試驗(yàn)裝置主 要由高壓釜、液壓控制系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。高壓釜是整個(gè)試 驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分，主要由底座、壓力室筒體、壓墊、壓板、壓力室上蓋、卡套、卡環(huán)、雙向活 塞等組成。底座是帶有凹槽的圓柱體，其上裝有下壓墊，壓力室筒體是兩端壁上開有凹槽的 圓管狀體，壓力室筒體和底座之間用下卡套和卡環(huán)進(jìn)行連接并固定。下壓墊的上方設(shè)計(jì)有上壓墊和上壓板，并用定位環(huán)和定位墊來固定，確保上壓板與其上的雙向活塞之間緊密接 觸，在下壓墊和上壓板之間放置試樣。在壓力室筒體的頂端安裝壓力室上蓋，壓力室上蓋為 中間空心外壁帶凸臺(tái)的圓柱體，壓力室上蓋與壓力室筒體之間用上卡套及卡環(huán)固定，壓力 室上蓋的中心安裝油缸及雙向活塞。雙向活塞上和壓力室底座上各開有一個(gè)進(jìn)油口 ，分別 通過管線連接液壓控制系統(tǒng)。雙向活塞上和壓力室筒體壁上部還各開有一個(gè)出氣口 ，當(dāng)向 油缸和釜體內(nèi)注入液壓油時(shí)，氣體可經(jīng)出氣口排出。同時(shí)，在壓力室筒體壁上還開有炸藥引 線孔和數(shù)據(jù)線孔，分別通過導(dǎo)線連接點(diǎn)火控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。高壓釜各組成部分均 由優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛壓成型后再經(jīng)加工制成，并且進(jìn)行了鍍硬鉻處理?？扇菁{大尺寸試樣并為 其提供地下爆炸壓裂環(huán)境；液壓控制系統(tǒng)包括軸壓控制系統(tǒng)與圍壓控制系統(tǒng)，通過該液壓 系統(tǒng)可向高壓釜內(nèi)的試樣施加軸壓與圍壓，模擬井眼周圍地層巖石的應(yīng)力狀態(tài)；點(diǎn)火控制 系統(tǒng)主要用于控制布置于試樣內(nèi)的炸藥的引爆；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利 用計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、處理，繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。 本發(fā)明的有益效果是在高圍壓下，大尺寸活塞(①800mm)會(huì)產(chǎn)生非常高的軸向 反力(如30MPa圍壓會(huì)產(chǎn)生1507. 2噸反力)， 一般結(jié)構(gòu)很難抵抗此作用力，本發(fā)明采用雙向 活塞結(jié)構(gòu)，通過控制反向活塞臺(tái)面的壓力P2不僅可以用于平衡活塞底面的反力Pp而且能 夠在圍壓基礎(chǔ)上進(jìn)一步給巖樣施加軸向載荷(P廠P》，替代了常規(guī)的框架式軸向加載結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，在高圍壓情況下，大尺寸高壓釜會(huì)產(chǎn)生非常高的軸向力，采用法蘭結(jié)構(gòu)連接已無法滿 足要求，故本發(fā)明采用了卡套結(jié)構(gòu)克服該軸向力。在向試樣施加軸壓與圍壓的同時(shí)，采用直 接引爆試樣內(nèi)炸藥的動(dòng)載加載方式，使其無限接近于真實(shí)地層中的爆炸壓裂過程；所用的 試樣尺寸大，是普通三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)試樣體積的上千倍。


圖1為本發(fā)明所提出的爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.底座，2.下卡套，3.卡環(huán)，4.下壓墊，5.定位銷6.壓力室筒體，7.上壓 墊，8.上壓板，9.定位環(huán)，IO.定位墊，ll.上卡套，12.壓力室上蓋，13.油缸，14.雙向活塞， 15.活塞上的進(jìn)油口，16.活塞上的出氣口，17.筒壁上的出氣口，18.炸藥引線孔，19.數(shù)據(jù) 線孔，20.底座上的進(jìn)油孔，21.液壓控制系統(tǒng)，22.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，23.點(diǎn)火控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。 如圖所示，帶有凹槽的底座1上裝有下壓墊4，底座1上還開有進(jìn)油孔20，該進(jìn)油 孔用高壓管線連接液壓控制系統(tǒng)21，底座1與壓力室筒體6通過下卡套2和卡環(huán)3連接固 定，試驗(yàn)時(shí)將試樣置于下壓墊4上，并通過定位銷5進(jìn)行定位。試樣安置好后，將炸藥引線 從壓力室筒體6上的引線孔18引出，連接于點(diǎn)火控制系統(tǒng)23，同時(shí)，將數(shù)據(jù)采集線從壓力室 筒體6上的數(shù)據(jù)線孔19引出，并接于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)22。試樣上面依次放置上壓墊7、上壓 板8。設(shè)置在上壓板8上的定位環(huán)9和定位墊10可確保上壓板8與其上的雙向活塞14之 間緊密接觸。壓力室上蓋12為外壁帶凸臺(tái)的環(huán)狀圓柱體，其中心安裝油缸13，油缸13內(nèi)安 裝雙向活塞14。壓力室上蓋12與壓力室筒體6之間通過上卡套11連接并固定。加壓操 作時(shí)，液壓控制系統(tǒng)21通過底座上的進(jìn)油孔20向高壓釜內(nèi)注入液壓油，直至筒體上部出氣口17處有油溢出。此后，把出氣口閥門關(guān)閉并繼續(xù)加壓，直至達(dá)到試驗(yàn)所需圍壓。圍壓施 加完畢后，利用液壓控制系統(tǒng)21再經(jīng)活塞上的進(jìn)油口 15向油缸13內(nèi)注入液壓油，液壓油 推動(dòng)雙向活塞14下行，并將油缸13內(nèi)的氣體經(jīng)活塞上的出氣口 16排出，當(dāng)發(fā)現(xiàn)出氣口 16 有油溢出后，將出氣口 16的閥門關(guān)閉，繼續(xù)向油缸13內(nèi)注入液壓油，軸向壓力經(jīng)雙向活塞 14傳至上壓板8，并最終施加于試樣上。軸向壓力和圍壓施加完畢后，即可通過點(diǎn)火控制系 統(tǒng)23引爆試樣中布置的炸藥，進(jìn)行爆炸動(dòng)載壓裂試驗(yàn)。 試驗(yàn)完畢后，需進(jìn)行卸壓操作，將壓力室內(nèi)的液壓油放出，直到回油管內(nèi)沒有油為
止。然后，打開壓力室上蓋，取出試樣并觀察、記錄試驗(yàn)結(jié)果。 采用本發(fā)明所提出的爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置，具有以下顯著特點(diǎn) (1)試樣大，是普通三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)試樣體積的上千倍； (2)在向試樣施加軸壓與圍壓的同時(shí)，采用直接引爆試樣內(nèi)炸藥的動(dòng)載加載方式， 使其無限接近于真實(shí)地層中的爆炸壓裂過程； (3)高壓釜體由多個(gè)部件組成，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行組裝、拆卸，可移動(dòng)性強(qiáng)。
權(quán)利要求
一種爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置，主要由高壓釜、液壓控制系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其特征是高壓釜由底座、壓力室筒體、壓墊、壓板、壓力室上蓋、卡套、卡環(huán)和雙向活塞組成，底座是帶有凹槽的圓柱體，其上裝有下壓墊，壓力室筒體是兩端壁上開有凹槽的圓管狀體，壓力室筒體和底座之間用下卡套和卡環(huán)進(jìn)行連接并固定；下壓墊的上方設(shè)計(jì)有上壓墊和上壓板，并用定位環(huán)和定位墊來固定，確保上壓板與其上的雙向活塞之間緊密接觸，在下壓墊和上壓板之間放置試樣，在壓力室筒體的頂端安裝壓力室上蓋，壓力室上蓋為中間空心外壁帶凸臺(tái)的圓柱體，壓力室上蓋與壓力室筒體之間用上卡套及卡環(huán)固定，壓力室上蓋的中間空心處安裝油缸及雙向活塞，在壓力室筒體壁上開有炸藥引線孔和數(shù)據(jù)線孔，分別通過導(dǎo)線連接點(diǎn)火控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在底座和雙向活塞上開有進(jìn)油口并通過高壓管線連接液壓控制系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置，其特征是在壓力室筒體壁上部 開有出氣口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置，其特征是在雙向活塞上還開有 出氣口。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種爆炸動(dòng)載壓裂模擬試驗(yàn)裝置，主要用于模擬炸藥在地下巖石中的爆炸壓裂過程，由高壓釜、液壓控制系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。高壓釜是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分，主要由底座、壓力室筒體、壓墊、壓板、壓力室上蓋、卡套、卡環(huán)、雙向活塞等部件組成。壓力室上蓋中心安裝油缸及雙向活塞，能夠在圍壓基礎(chǔ)上給試樣施加軸向載荷；底座和雙向活塞上開有進(jìn)油口并通過高壓管線與液壓控制系統(tǒng)連接，壓力室筒體壁上開有炸藥引線孔和數(shù)據(jù)線引線孔，分別通過導(dǎo)線連接點(diǎn)火控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在壓力室筒體的上下端分別裝壓力室上蓋和底座，并用卡套及卡環(huán)連接固定，使釜體具有良好的抗高壓特性，可對大尺寸試樣(Φ800×800mm)進(jìn)行動(dòng)載壓裂試驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01N3/12GK101718660SQ200910230809
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者張曉春, 徐鵬, 程遠(yuǎn)方 申請人:中國石油大學(xué)(華東)