全文摘要
一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，由大尺寸真三轴加载模块、水力伺服泵压模块、声发射定位模块、红外监测模块、试样装卸模块和计算机组成，其中加载板由通过球面相互配合的内板和外板组合而成。用该装置进行页岩水力压裂模拟试验的优点是，试验结果准确性不受试样加工尺寸和平行度偏差的影响，从而降低了对试样尺寸加工精度的要求，提高了试验的可靠性；可实时监测试验过程中三轴加载室内页岩受载情况；能够满足多尺寸试样压裂条件；配合高速摄像机用于单轴水力压裂模拟试验，可直接观测水力裂缝动态扩展规律，实现一机多用。
主设计要求
1.一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，包括用于对大尺寸正方体试样施加三轴荷载以模拟地应力的大尺寸真三轴加载模块(1)、用于向试样内部输送高压压裂液的水力伺服泵压模块(2)、用于实时监测水力压裂过程中裂缝扩展规律的声发射定位模块(3)、用于试样装载和卸载的试样装卸模块(5)和计算机；其特征在于，还包括用于试验过程中实时监测三轴加载室(13)内部情况的红外监测模块(4)和用于单轴加载水力压裂模拟试验记录水力裂缝扩展状况的高速摄像机(6)；所述大尺寸真三轴加载模块(1)包括电液伺服压力机(12)、三轴加载室(13)、对试样施压的第一扁平千斤顶(14)和第二扁平千斤顶(15)及真三轴加载伺服系统控制箱(11)；其中三轴加载室中有上垫板(132)、下垫板(135)和五块加载板(131)；每块加载板由通过球面相互配合的内板(1311)和外板(1312)组成，内板的球面为外凸形，外板的球面为凹陷形，球面底面的直径r2为加载板边长L的90％；五块加载板中有四块对应试样的四个立面置于三轴加载室的四个边部，其中相邻的两块外板分别与所述第一扁平千斤顶和第二扁平千斤顶相接；另一块加载板位于所述上垫板的上部，其外板与电液伺服压力机相接；所述上垫板带有直角形压裂液输送管线通道(1321)；所述下垫板的四个角处有起吊用圆孔，三轴加载室底座(137)上有压裂液出口(134)；所述水力伺服泵压模块(2)包括空气压缩机(21)、气液增压泵(24)、压力传感器(28)、数据记录仪(29)、中间容器(212)、压裂液存储罐(218)、电动加压泵(219)、控制电箱(220)、第一针型阀(210)、第二针型阀(214)、第三针型阀(215)、第四针型阀(217)、三通阀(213)、四通阀(27)、第一储水容器(25)、第二储水容器(211)、压裂液回收容器(216)、高压管线(26)、压裂液输送管线(221)、送水管(23)和送气管(22)；所述气液增压泵的一端入口通过送气管连接空气压缩机，空气压缩机通过导线连接控制电箱，气液增压泵的另一端入口通过送水管连接第一储水容器，气液增压泵的出口通过高压管线连接四通阀的第一端，四通阀的第二端通过高压管线连接压力传感器，压力传感器通过导线与数据记录仪相连，数据记录仪通过导线与计算机相接，四通阀的第三端通过高压管线和第一针型阀与第二储水容器相接，四通阀的第四端通过高压管线连接中间容器的入口，中间容器的出口通过高压管线连接三通阀的第一端，三通阀的第二端连接第二针型阀，第二针型阀的另一端通过压裂液输送管线与试样(7)中的模拟井筒(8)相接，三通阀的第三端通过高压管线与第四针型阀与压裂液储存罐的出口相接，压裂液储存罐的入口通过高压管线与电动加压泵相接，电动加压泵通过导线与控制电箱相接，控制电箱与计算机相接；第三针型阀的一端通过管线连接所述压裂液出口(134)，另一端通过高压管线与压裂液回收容器相接；所述声发射定位模块(3)包括全信息声发射分析仪主机(31)、声发射信号放大器(32)和声发射探头(33)；声发射探头分别安装于试样四个立面的顶角处，并通过导线与声发射信号放大器相接，声发射信号放大器通过导线与全信息声发射分析仪主机相接，全信息声发射分析仪主机通过导线与计算机相接；所述红外监测模块(4)包括红外监测主机(41)、红外摄像头(42)；红外摄像头安装于所述三轴加载室(13)上部四个顶角处，并与红外监测主机相接，红外监测主机通过导线与计算机相接；所述试样装卸模块(5)包括运送车驱动电机(51)、加载室运送车(56)、运送车轨道(53)、运送车传动轴(52)和起吊钢丝绳(57)；运送车轨道与电液伺服压力机的底座高度相同，并用固定螺栓(55)固定在电液伺服压力机的底座上；运送车驱动电机通过所述运送车传动轴驱动加载室运送车前进和后退，运送车驱动电机与控制电箱(220)连接；运送车轨道的后端有运送车限位装置(54)；所述起吊钢丝绳(57)上下两端分别有T形钢，T形钢可通过插入开设在三轴加载室四个顶角处和电液伺服压力机下表面对应处的T形槽(58)使电液伺服压力机与三轴加载室连接；所述高速摄像机(6)用三脚架固定在电液伺服压力机(12)的一侧，并通过导线与计算机相接。
设计方案
1.一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，包括用于对大尺寸正方体试样施加三轴荷载以模拟地应力的大尺寸真三轴加载模块(1)、用于向试样内部输送高压压裂液的水力伺服泵压模块(2)、用于实时监测水力压裂过程中裂缝扩展规律的声发射定位模块(3)、用于试样装载和卸载的试样装卸模块(5)和计算机；其特征在于，还包括用于试验过程中实时监测三轴加载室(13)内部情况的红外监测模块(4)和用于单轴加载水力压裂模拟试验记录水力裂缝扩展状况的高速摄像机(6)；
所述大尺寸真三轴加载模块(1)包括电液伺服压力机(12)、三轴加载室(13)、对试样施压的第一扁平千斤顶(14)和第二扁平千斤顶(15)及真三轴加载伺服系统控制箱(11)；其中三轴加载室中有上垫板(132)、下垫板(135)和五块加载板(131)；每块加载板由通过球面相互配合的内板(1311)和外板(1312)组成，内板的球面为外凸形，外板的球面为凹陷形，球面底面的直径r2为加载板边长L的90％；五块加载板中有四块对应试样的四个立面置于三轴加载室的四个边部，其中相邻的两块外板分别与所述第一扁平千斤顶和第二扁平千斤顶相接；另一块加载板位于所述上垫板的上部，其外板与电液伺服压力机相接；所述上垫板带有直角形压裂液输送管线通道(1321)；所述下垫板的四个角处有起吊用圆孔，三轴加载室底座(137)上有压裂液出口(134)；
所述水力伺服泵压模块(2)包括空气压缩机(21)、气液增压泵(24)、压力传感器(28)、数据记录仪(29)、中间容器(212)、压裂液存储罐(218)、电动加压泵(219)、控制电箱(220)、第一针型阀(210)、第二针型阀(214)、第三针型阀(215)、第四针型阀(217)、三通阀(213)、四通阀(27)、第一储水容器(25)、第二储水容器(211)、压裂液回收容器(216)、高压管线(26)、压裂液输送管线(221)、送水管(23)和送气管(22)；所述气液增压泵的一端入口通过送气管连接空气压缩机，空气压缩机通过导线连接控制电箱，气液增压泵的另一端入口通过送水管连接第一储水容器，气液增压泵的出口通过高压管线连接四通阀的第一端，四通阀的第二端通过高压管线连接压力传感器，压力传感器通过导线与数据记录仪相连，数据记录仪通过导线与计算机相接，四通阀的第三端通过高压管线和第一针型阀与第二储水容器相接，四通阀的第四端通过高压管线连接中间容器的入口，中间容器的出口通过高压管线连接三通阀的第一端，三通阀的第二端连接第二针型阀，第二针型阀的另一端通过压裂液输送管线与试样(7)中的模拟井筒(8)相接，三通阀的第三端通过高压管线与第四针型阀与压裂液储存罐的出口相接，压裂液储存罐的入口通过高压管线与电动加压泵相接，电动加压泵通过导线与控制电箱相接，控制电箱与计算机相接；第三针型阀的一端通过管线连接所述压裂液出口(134)，另一端通过高压管线与压裂液回收容器相接；
所述声发射定位模块(3)包括全信息声发射分析仪主机(31)、声发射信号放大器(32)和声发射探头(33)；声发射探头分别安装于试样四个立面的顶角处，并通过导线与声发射信号放大器相接，声发射信号放大器通过导线与全信息声发射分析仪主机相接，全信息声发射分析仪主机通过导线与计算机相接；
所述红外监测模块(4)包括红外监测主机(41)、红外摄像头(42)；红外摄像头安装于所述三轴加载室(13)上部四个顶角处，并与红外监测主机相接，红外监测主机通过导线与计算机相接；
所述试样装卸模块(5)包括运送车驱动电机(51)、加载室运送车(56)、运送车轨道(53)、运送车传动轴(52)和起吊钢丝绳(57)；运送车轨道与电液伺服压力机的底座高度相同，并用固定螺栓(55)固定在电液伺服压力机的底座上；运送车驱动电机通过所述运送车传动轴驱动加载室运送车前进和后退，运送车驱动电机与控制电箱(220)连接；运送车轨道的后端有运送车限位装置(54)；所述起吊钢丝绳(57)上下两端分别有T形钢，T形钢可通过插入开设在三轴加载室四个顶角处和电液伺服压力机下表面对应处的T形槽(58)使电液伺服压力机与三轴加载室连接；
所述高速摄像机(6)用三脚架固定在电液伺服压力机(12)的一侧，并通过导线与计算机相接。
2.根据权利要求1所述大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，其特征在于，所述加载板的内板和外板相互配合的球面的直径设计说明书
技术领域
本实用新型涉及页岩气开采技术领域，特别是一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置。
背景技术
页岩气指吸附或游离状态下存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩层中的天然气。我国页岩气资源丰富，随着开采技术的进步，页岩气的开发利用进入快速发展时期。
页岩气储层具有质密低渗的特点，自然状态下页岩气藏无法通过常规天然气开采技术获得工业产能，利用水力压裂技术对页岩储层进行压裂改造以获得工业气流是目前开采页岩气的主要途径。水力压裂对增大页岩储层渗流空间及导流能力，提高压裂井初始产量及最终采收率都具有明显效果。而基于储层特性开展的室内水力压裂物理模拟试验，可获得页岩水力压裂基础数据和裂缝起裂、扩展规律，为指导现场压裂施工和预测产能提供科学依据。
针对页岩气储层室内水力压裂物理模拟试验，一般采用大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置来完成。例如，石油大学陈勉等在“大尺寸真三轴水力压裂模拟试验与分析”(《岩土力学与工程学报》2000年6月年第19卷增刊)中披露的由大尺寸真三轴试验架、伺服增压泵、声发射仪及其它辅助装置组成的大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置；CN107907422A专利文献公开的由加载模块、泵压模块、声发射模块、装卸模块组成的含温控系统的大尺寸真三轴水力压裂试验机。这些大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置存在以下缺陷：
1、对试样施加荷载的加载板为单一平板，平板式加载板对试样的尺寸和平行度要求极其严苛。因试样尺寸较大，加工偏差导致试件尺寸和平行度无法得到保证时，不规则试样在平板加载板施加荷载作用下受力会发生偏心，影响加载效果；而对不规则试样采取浇筑混凝土使其成为规则试样，又会影响声发射定位的准确性，试验结果的可靠性降低。
2、试样和加载板紧密接触，加载空间有限，试验过程中不能实时监测三轴加载室的内部情况。
3、加载装置固定在反力架上，加载装置行程小，对试样尺寸大小的适用性差。
4、装置功能单一，只能用于荷载施加和水力压裂，不能实时记录水压致裂过程中页岩表面裂缝起裂扩展状况。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，以克服上述现有技术的缺陷。
本实用新型提供的大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置，包括用于对大尺寸正方体试样施加三轴荷载以模拟地应力的大尺寸真三轴加载模块、用于向试样内部输送高压压裂液的水力伺服泵压模块、用于实时监测水力压裂过程中裂缝扩展规律的声发射定位模块、用于试样装载和卸载的试样装卸模块和计算机；其特点是，还包括用于试验过程中实时监测三轴加载室内部情况的红外监测模块和用于单轴加载水力压裂模拟试验记录水力裂缝扩展状况的高速摄像机；
所述大尺寸真三轴加载模块包括电液伺服压力机、三轴加载室、对试样施压的第一扁平千斤顶和第二扁平千斤顶及真三轴加载伺服系统控制箱；其中三轴加载室中有上垫板、下垫板和五块加载板；每块加载板由通过球面相互配合的内板和外板组成，内板的球面为外凸形，外板的球面为凹陷形，球面底面的直径r2为加载板边长L的90％；五块加载板中有四块对应试样的四个立面置于三轴加载室的四个边部，其中相邻的两块外板分别与所述第一扁平千斤顶和第二扁平千斤顶相接；另一块加载板位于所述上垫板的上部，其外板与电液伺服压力机相接；所述上垫板带有直角形压裂液输送管线通道；所述下垫板的四个角处有起吊用圆孔，三轴加载室底座上有压裂液出口；
所述水力伺服泵压模块包括空气压缩机、气液增压泵、压力传感器、数据记录仪、中间容器、压裂液存储罐、电动加压泵、控制电箱、第一针型阀、第二针型阀、第三针型阀、第四针型阀、三通阀、四通阀、第一储水容器、第二储水容器、压裂液回收容器、高压管线、压裂液输送管线、送水管和送气管；所述气液增压泵的一端入口通过送气管连接空气压缩机，空气压缩机通过导线连接控制电箱，气液增压泵的另一端入口通过送水管连接第一储水容器，气液增压泵的出口通过高压管线连接四通阀的第一端，四通阀的第二端通过高压管线连接压力传感器，压力传感器通过导线与数据记录仪相连，数据记录仪通过导线与计算机相接，四通阀的第三端通过高压管线和第一针型阀与第二储水容器相接，四通阀的第四端通过高压管线连接中间容器的入口，中间容器的出口通过高压管线连接三通阀的第一端，三通阀的第二端连接第二针型阀，第二针型阀的另一端通过压裂液输送管线与试样(7)中的模拟井筒相接，三通阀的第三端通过高压管线与第四针型阀与压裂液储存罐的出口相接，压裂液储存罐的入口通过高压管线与电动加压泵相接，电动加压泵通过导线与控制电箱相接，控制电箱与计算机相接；第三针型阀的一端通过管线连接所述压裂液出口，另一端通过高压管线与压裂液回收容器相接；
所述声发射定位模块包括全信息声发射分析仪主机、声发射信号放大器和声发射探头；声发射探头分别安装于试样四个立面的顶角处，并通过导线与声发射信号放大器相接，声发射信号放大器通过导线与全信息声发射分析仪主机相接，全信息声发射分析仪主机通过导线与计算机相接；
所述红外监测模块包括红外监测主机、红外摄像头；红外摄像头安装于所述三轴加载室上部四个顶角处，并与红外监测主机相接，红外监测主机通过导线与计算机相接；
所述试样装卸模块包括运送车驱动电机、加载室运送车、运送车轨道、运送车传动轴和起吊钢丝绳；运送车轨道与电液伺服压力机的底座高度相同，并用固定螺栓固定在电液伺服压力机的底座上；运送车驱动电机通过所述运送车传动轴驱动加载室运送车前进和后退，运送车驱动电机与控制电箱连接；运送车轨道的后端有运送车限位装置；所述起吊钢丝绳上下两端分别有T形钢，T形钢可通过插入开设在三轴加载室四个顶角处和电液伺服压力机下表面对应处的T形槽使电液伺服压力机与三轴加载室连接(用于吊装、调整三轴加载室)；
所述高速摄像机用三脚架固定在电液伺服压力机的一侧，并通过导线与计算机相接。
作为优选，所述加载板的内板和外板相互配合的球面的直径设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920043019.2
申请日:2019-01-10
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:21(辽宁)
授权编号:CN209542309U
授权时间:20191025
主分类号:G01N 3/12
专利分类号:G01N3/12
范畴分类:31E;
申请人:辽宁工程技术大学
第一申请人:辽宁工程技术大学
申请人地址:123000 辽宁省阜新市细河区中华路47号
发明人:孙维吉;刘奇;刘香江;赵航;梁冰;秦冰;代树红;张柴;马杨奇
第一发明人:孙维吉
当前权利人:辽宁工程技术大学
代理人:梁焱;范象瑞
代理机构:21109
代理机构编号:沈阳东大知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计