一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统技术方案

本发明专利技术属于压裂试验技术领域，公开了一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，包括：三维高应力加载子系统、压裂子系统以及超声相控阵成像子系统；所述三维高应力加载子系统包括：主反力框架、第一、第二以及第三施力装置、支撑框架、移动反力框架以及试样载台；第一施力装置与第三施力装置固定在主反力框架上；支撑框架设置在主反力框架一侧，移动反力框架可滑动地固定在支撑框架上；第二施力装置固定在移动反力框架内，且第二施力装置的施力行程的方向与移动反力框架的移动行程的方向一致；试样载台固定在移动反力框架内；压裂子系统的压裂介质输出接口设置在三维高应力加载子系统内；超声相控阵成像子系统的超声波相控阵列布置在试样载台上。

A Real-time Imaging Three-Dimensional High Stress Hydraulic Fracturing Physical Simulation Test System

【技术实现步骤摘要】
一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统
本专利技术涉及水力压裂试验
，特别涉及一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统。
技术介绍
在大尺寸试样的水力压裂物理模拟试验中，多采用声发射定位、压裂液中添加示踪剂、压裂后CT扫描等方法监测或描述储层岩石的破裂演化过程。但是，声发射定位方法无法成像，仅能大致获取水力裂缝的起裂和扩展过程；压裂液中添加示踪剂、压裂后CT扫描等方法多具有滞后性，也都是静态监测，导致定位精度较差，同时仅能得到最终的裂缝扩展形态，无法获得裂缝扩展的全过程信息；CT扫描尚存在穿透能力不足的问题，尚不能较好地对裂缝动态扩展过程进行实时监测。同时，现有的水力压裂模拟中需要严格模拟受力状态，一般通过三轴施力结构实现；但是，随着试验进行对试样的三轴施力作用随意性较大，随着受力试样形变，施力作用面的中心点会出现偏移，导致三轴施力效果并不稳定，严重影响了水力压裂试验结果的可靠性。
技术实现思路
本专利技术提供一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，解决现有技术中水力压裂试验裂缝扩展信息完整性差，三轴施力效果稳定性差，导致试验结论可靠性差的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，包括：三维高应力加载子系统、压裂子系统以及超声相控阵成像子系统；所述三维高应力加载子系统包括：主反力框架、第一施力装置、第三施力装置、支撑框架、移动反力框架、第二施力装置以及试样载台；所述第一施力装置与所述第三施力装置固定在所述主反力框架上；所述支撑框架设置在所述主反力框架一侧，所述移动反力框架可滑动地固定在所述支撑框架上；所述第二施力装置固定在所述移动反力框架内，且所述第二施力装置的施力行程的方向与所述移动反力框架的移动行程的方向一致；所述试样载台固定在所述移动反力框架内，用于承载试样；所述压裂子系统的压裂介质输出接口设置在所述三维高应力加载子系统内，用于向试样内注入压裂介质；所述超声相控阵成像子系统的超声波相控阵列布置在所述试样载台上，用于实时持续监测试样内的水力裂缝扩展过程。进一步地，所述主反力框架包括：主反力框架主体；所述主反力框架主体包括：底座、顶梁以及对称设置的第一支柱和第二支柱；所述第一支柱的第一端和所述第二支柱的第一端固定在所述底座上，所述第一支柱的第二端和所述第二支柱的第二端固定在所述顶梁上；所述第一施力装置固定在所述顶梁上，施力方向朝向所述底座；所述第三施力装置固定在所述第二支柱上，施力方向朝向所述第二支柱；所述支撑框架与所述底座固定相连，用于所述移动反力框架在所述支撑框架和所述底座上移动。进一步地，所述底座上固定有承压底座，用于承载移动反力框架并提供反作用力。进一步地，所述第一支柱上和第二支柱上均设置有压紧机构，用于压紧所述移动反力框架。进一步地，所述压紧机构包括：压紧基座、螺母、螺纹丝杆以及调节手柄；所述压紧基座固定在所述第一支柱或者第二支柱上，所述螺母固定在所述压紧基座上，所述螺纹丝杆螺接在所述螺母内，所述调节手柄固定在所述螺纹丝杆上；其中，所述螺纹丝杆设置在所述移动反力框架的移动行程两侧。进一步地，所述支撑框架包括：支撑框架主体以及布置在所述支撑框架主体上的导向轨道；所述移动反力框架包括：移动反力框架主体以及固定在所述移动反力框架主体底部的可升降导轮；所述可升降导轮包括：导轮、导轮支座以及升降支架；所述导轮可转动地固定在所述导轮支座内，且所述导轮可滑动地设置在所述导向轨道上；所述升降支架固定在所述导轮支座与所述移动反力框架之间，用于调整支撑高度。进一步地，所述支撑框架还包括：驱动液压缸；所述驱动液压缸的缸体固定在所述支撑框架主体上，所述驱动液压缸的活塞杆与所述移动反力框架主体相连。进一步地，所述试样载台包括：载台主体以及布置在其上的承压板；所述承压板上开设有超声波探头容置槽，用于容置所述超声相控阵成像子系统的超声波探头，并与试样表面直接接触。进一步地，所述第二施力装置包括：第二液压缸阵列基座、第二液压缸阵列以及第二压头；所述第二液压缸阵列基座固定在所述移动反力框架内，所述第二液压缸阵列的缸体固定在所述第二液压缸阵列基座上；所述第二液压缸阵列的动作端固定在所述第二压头上；其中，所述第二液压缸阵列包括：多个均匀布置的液压缸。进一步地，所述第二压头包括：转接部以及压头部；所述转接部与所述第二液压缸阵列的动作端固定相连；在施力方向上，所述压头部的截面积小于所述转接部的截面积。本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请实施例中提供的实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，通过三维高应力加载子系统实现三轴施力，并通过设置移动反力框架结构调节试样的位置，以使得其他维度施力结构的施力作用面的中心点与试样对应面的中心相匹配从而能够简便且最大程度的保证试样的受力状态始终稳定的处于中心受力状态，保证三轴施力的可靠性。而后在压裂子系统的配合下实现水力压裂试验。另一方面，通过超声相控阵成像子系统实现实时精细成像，监测试样从受力开始到逐步破坏的水力裂缝动态扩展过程，获取完整的水力压裂试验数据，相对于现有技术来说，本方案利用超声波在固体材料中具有良好传播能力的特点，通过超声相控阵成像技术可方便地对固体材料进行实时可视化检测，获得的信息时序性，完整性和动态过程更为可靠，质量更高。附图说明图1为本专利技术提供的三维高应力加载子系统的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1的左视图；图4为图1的主视图；图5为图1的右视图；图6为图1的后视图；图7为本专利技术提供的承压板结构示意图；图8为本专利技术提供的超声波探头的布置示意图；图9为本专利技术提供的第二施力装置结构示意图；图10为本专利技术提供的压裂子系统的增压系统示意图；图11为本专利技术提供的超声相控阵成像系统内部结构示意图。具体实施方式本申请实施例通过提供一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，解决现有技术中水力压裂试验裂缝扩展信息完整性差，三轴施力效果稳定性差，导致试验结论可靠性差的技术问题。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本专利技术实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，包括：三维高应力加载子系统、压裂子系统以及超声相控阵成像子系统；其中，三维高应力加载子系统用于施加三轴作用力，更重要的是，能够随着试样三轴施力后试样形变，调整试样的位置，尽量保证三轴施力作用面的中心点位于与试样的对应面的中心位置或者附近，从而保证三轴施力的均匀性和可靠性，真实模拟实际的受力状态，避免其影响水力压裂试验过程，从而大幅提升试验的可靠性。下面将具体描述上述结构。参见图1和图2，所述三维高应力加载子系统包括：主反力框架1、第一施力装置2、第三施力装置3、支撑框架4、移动反力框架5、第二施力装置6以及试样载台51。所述第一施力装置2与所述第三施力装置3固定在所述主反力框架1上；本实施例中采用典型反力框架，所述第一施力装置2与所述第三施力装置3固定在其上，且施力方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，其特征在于，包括：三维高应力加载子系统、压裂子系统以及超声相控阵成像子系统；所述三维高应力加载子系统包括：主反力框架、第一施力装置、第三施力装置、支撑框架、移动反力框架、第二施力装置以及试样载台；所述第一施力装置与所述第三施力装置固定在所述主反力框架上；所述支撑框架设置在所述主反力框架一侧，所述移动反力框架可滑动地固定在所述支撑框架上；所述第二施力装置固定在所述移动反力框架内，且所述第二施力装置的施力行程的方向与所述移动反力框架的移动行程的方向一致；所述试样载台固定在所述移动反力框架内，用于承载试样；所述压裂子系统的压裂介质输出接口设置在所述三维高应力加载子系统内，用于向试样内注入压裂介质；所述超声相控阵成像子系统的超声波相控阵列布置在所述试样载台上，用于实时持续监测试样内的水力裂缝扩展过程。

【技术特征摘要】
1.一种实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，其特征在于，包括：三维高应力加载子系统、压裂子系统以及超声相控阵成像子系统；所述三维高应力加载子系统包括：主反力框架、第一施力装置、第三施力装置、支撑框架、移动反力框架、第二施力装置以及试样载台；所述第一施力装置与所述第三施力装置固定在所述主反力框架上；所述支撑框架设置在所述主反力框架一侧，所述移动反力框架可滑动地固定在所述支撑框架上；所述第二施力装置固定在所述移动反力框架内，且所述第二施力装置的施力行程的方向与所述移动反力框架的移动行程的方向一致；所述试样载台固定在所述移动反力框架内，用于承载试样；所述压裂子系统的压裂介质输出接口设置在所述三维高应力加载子系统内，用于向试样内注入压裂介质；所述超声相控阵成像子系统的超声波相控阵列布置在所述试样载台上，用于实时持续监测试样内的水力裂缝扩展过程。2.如权利要求1所述的实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，其特征在于，所述主反力框架包括：主反力框架主体；所述主反力框架主体包括：底座、顶梁以及对称设置的第一支柱和第二支柱；所述第一支柱的第一端和所述第二支柱的第一端固定在所述底座上，所述第一支柱的第二端和所述第二支柱的第二端固定在所述顶梁上；所述第一施力装置固定在所述顶梁上，施力方向朝向所述底座；所述第三施力装置固定在所述第二支柱上，施力方向朝向所述第二支柱；所述支撑框架与所述底座固定相连，用于所述移动反力框架在所述支撑框架和所述底座上移动。3.如权利要求2所述的实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，其特征在于，所述底座上固定有承压底座，用于承载移动反力框架并提供反作用力。4.如权利要求2所述的实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，其特征在于，所述第一支柱上和第二支柱上均设置有压紧机构，用于压紧所述移动反力框架。5.如权利要求4所述的实时成像的三维高应力水力压裂物理模拟试验系统，其特征在于，所述压紧机构包括：压紧基座、螺母、螺纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡大伟，丁长栋，周辉，张传庆，邵建富，卢景景，马东东，张杨，谭现锋，吴金桥，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42