本实用新型专利技术公开了一种基于三维打印技术的水力压裂实验装置包括地层模型、双轴加压装置、微型水泵、压力传感器、示波器、三通阀门和用于为微型水泵、压力传感器和示波器供电的电源；地层模型包括顶面上开设有盲孔的试件；微型水泵的入水口和出水口处均安装有连接管，出水口处的连接管、压力传感器和试件顶面上的盲孔分别与三通阀门的三个连接端口连接并形成连通；示波器与压力传感器连接；该装置将三维打印模型与小型水力压裂实验相结合，结构简单，体积小、重量轻、拆卸方便，进一步降低了对实验场地的要求的同时缩短了实验周期，有效排除其他不必要因素对试验结果的影响，提高实验精度，为研究裂纹在岩石中扩展的一般规律提供了数据支撑。
【技术实现步骤摘要】
一种基于三维打印技术的水力压裂实验装置
本技术涉及模拟实验装置
，特别涉及一种基于三维打印技术的水力压裂实验装置。
技术介绍
中国拥有世界上最多的页岩气资源，而水力压裂是目前开采页岩气最有效的方法，因此研究裂纹在岩层中的扩展对页岩气的产量有着非同一般的重要性。水力压裂下的裂纹扩展研究主要有理论法、数值模拟法和实验法，其中，实验法又分为现场原位实验和模型实验。就水力压裂而言，原位实验获得的数据可信度高，但是实验周期长、需要寻找特定的实验场地、操作流程复杂、对仪器要求和资金需求高。这与实验精度要求不高的一般性小型研究实验并不匹配，造成资源的极大浪费；而通过模型试验，一方面可以研究裂纹在岩石中扩展的一般规律，又可以和通过数值模拟得到的岩体中裂纹扩展的结果相比较，校验数值模拟的准确性。在模型实验过程中，实验对象往往是水泥或岩石，如砂岩、页岩、深成岩。然而，岩石的直接加工对试样的几何结构和尺寸都有很高的要求；此外，用模具制作水泥试样有模具加工等繁琐步骤，尤其在对实验模型内部构造的设置方面，如预制内部裂纹的宽度、长度、深度、具体位置等，因此传统的模型制作方法很难达到研究人员的预期值。三维打印技术从上世纪70年代出现，在本世纪已经应用到了制造业、军工、医学、研究、食品工程、建筑等领域，并逐渐应用到了岩石力学的研究当中。三维打印岩石具有可成批量一次打印、高精度、可打印复杂结构、成形速度快、模型制作周期短以及传统模型制造相比具有良好的均一性的有点。但是，三维打印技术因为其缺陷也限制了自身的快速发展。就岩石力学而言，仪器、材料的造价使得模型制作成本昂贵，很难使三维打印技术在岩石力学领域得到广泛普及；另外，由于模型尺寸受到打印机尺寸的限制、打印材料成本高，三维打印在大型模型制作方面很难突破自身的瓶颈。因此，将小型岩石力学试验和三维打印技术相结合，是目前国内岩土领域学者的主要拓展方向。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种能够将小型岩石力学试验和三维打印技术相结合并在水力压裂试验中快速获得精确实验数据的基于三维打印技术的水力压裂实验装置。为此，本技术技术方案如下：一种基于三维打印技术地层模型构成水力压裂实验装置，包括：地层模型；双轴加压装置，其套装在地层模型外侧侧壁处；所述双轴加压装置包括相互垂直且分别设置在所述地层模型的两组对侧侧壁上的第一加压单元和第二加压单元；所述第一加压单元和所述第二加压单元均包括位于所述地层模型对侧侧壁上承台和千斤顶；微型水泵，其上设置有出水口和入水口；所述入水口和所述出水口分别安装有连接管；所述入水口处的所述连接管用于与水源连接，为试验装置供水；压力传感器和示波器，所述示波器与所述压力传感器连接；其中，所述压力传感器用于测试实时所述试件盲孔内壁受到的水力压力；所述示波器用于获取所述压力传感器实时压力值并形成波形图；三通阀门，其三个连接口分别与所述试件的盲孔、所述微型水泵出水口处的连接管和所述压力传感器形成连通；电源，其用于为所述微型水泵、所述压力传感器和所述示波器供电。其中，所述地层模型包括试件和安设在所述试件顶面中心处的螺纹连接件，所述螺纹连接件中心设有通孔；所述试件自顶面中心处开设有与所述螺纹连接件的通孔形成连通的盲孔。进一步地，所述试件和所述螺纹连接件一体打印而成；所述螺纹连接件包括螺纹部和用于连接所述试件和所述螺纹部的连接颈部；在所述连接颈部处还一体打印有一块套装在所述连接颈部的水平设置的承压板。研究表明，用树脂作原料打印出的模型试样具有塑性性质、可延展性强，和岩石的特性差别很大；而用粉末做原料打印出的类石膏试样经过人工处理，在单轴抗压的试验中表现出和岩石破坏相同的脆性机理；但针对于水力压裂实验，类石膏试样强度低，渗透率高，遇水易软化分解，因此，所述试件由三维打印粉末通过打印机制成基体经水泥固化剂浸润固化后制成；所述螺纹连接件和所述承压板以及所述螺纹连接件和所述试件的连接处均由三维打印粉末通过打印机制成基体经强力粘结剂浸润固化后形成。所述双轴加压装置用于模拟应力；具体地，应力场的形成主要与两部分有关：一部分是由于岩体自重而引起的自重应力，另一部分是由于地质构造运动引起的构造应力。一般情况下地壳运动以水平应力为主，所以构造应力主要是水平应力。而且地壳运动总的来说以挤压为主，因此水平应力又以压应力占多数。为了模拟岩石在地壳压应力情况下的水力破裂情况，在基于三维打印技术的水压开裂实验中，在对模型试样施加水压的同时，采用双轴加压装置给试件施加水平方向上的压力。为保证试件受力均衡，所述双轴加压装置的千斤顶和承台得接触面板具有多种型号，能够自由挑换，使接触面板与所述试件的接触面的表面积相适应。设置在所述微型水泵的进水口和出水口处的连接管均选用承压能力好的不锈钢软管。所述电源包括第一移动电源和第二移动电源；所述第一移动电源，其与所述微型水泵串联，用于为所述微型水泵供电；所述第二移动电源，其与所述压力传感器和所述示波器串联，用于为所述压力传感器和所述示波器供电。与现有技术相比，该基于三维打印技术的水力压裂实验装置将三维打印模型与小型水力压裂实验相结合，结构简单，体积小重量轻、拆卸方便且模型制作周期短，进一步降低了对实验场地的要求的同时缩短了实验周期，有效排除其他不必要因素对试验结果的影响，提高实验精度，在水力压裂试验中取得了精确的研究数据，同时为研究裂纹在岩石中扩展的一般规律提供了数据支撑。附图说明图1为本技术的基于三维打印技术的水力压裂实验装置的各组成部件的连接结构示意图；图2为本技术的基于三维打印技术的水力压裂实验装置的装置原理图；图3为本技术的基于三维打印技术的水力压裂实验装置中试件和双轴加压装置设置关系的俯视结构示意图；图4为本技术的基于三维打印技术的水力压裂实验装置中试件与三通阀门连接处的结构示意图；图5为本技术的基于三维打印技术的水力压裂实验装置中试件的俯视结构示意图；图6为本技术的基于三维打印技术的水力压裂实验装置中试件的剖面结构示意图；图7为实施例2的水力压裂试验中示波器测量出的波形图；图8为实施例2中试件承压破裂后的俯视图；图9为实施例2的中试件承压破裂后的剖视图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本技术做进一步的说明，但下述实施例绝非对本技术有任何限制。如图1～2所示，该基于三维打印技术的水力压裂实验装置包括地层模型、双轴加压装置2、微型水泵3、压力传感器5、示波器6、三通阀门7、第一移动电源8和第二移动电源9；其中，地层模型包括顶面上开设有盲孔101的试件1；微型水泵3的入水口和出水口处均安装有连接管4，入水口处的连接管4插入一盛满水的水桶10中，出水口处的连接管4与三通阀门7连接并形成连通；三通阀门7的另外两个连接端口分别用于有压力传感器5和试件1顶面上的盲孔连接并形成连通；示波器6与压力传感器5连接；双轴加压装置2套装给试件1的外侧在水平方向上给试件施加压力，以模拟地壳运动造成的水平应力；第一移动电源8与微型水泵3串联，用于为微型水泵3供电；第二移动电源9与压力传感器6和示波器7串联，用于为压力传感器6和示波器7供电。其中，试件1顶面上开设有盲孔101作为模拟实验中的注水口，其需要安装有螺纹连接件后才能与三通阀门本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于三维打印技术的水力压裂实验装置，其特征在于，包括：地层模型；双轴加压装置(2)，其套装在所述地层模型外侧侧壁处；所述双轴加压装置(2)包括相互垂直且分别设置在所述地层模型的两组对侧侧壁上的第一加压单元和第二加压单元；所述第一加压单元和所述第二加压单元均包括位于所述地层模型对侧侧壁上承台和千斤顶；微型水泵(3)，其上设置有出水口和入水口；所述入水口和所述出水口分别安装有连接管(4)；压力传感器(5)和示波器(6)，所述示波器(6)与所述压力传感器(5)连接，用于获取所述压力传感器(5)实时压力值并形成波形图；三通阀门(7)，其三个连接口分别与所述试件(1)的盲孔(101)、所述微型水泵(3)出水口处的连接管(4)和所述压力传感器(5)连接并形成连通；电源，其用于为所述微型水泵(3)、所述压力传感器(5)和所述示波器(6)供电。
【技术特征摘要】
1.一种基于三维打印技术的水力压裂实验装置，其特征在于，包括：地层模型；双轴加压装置(2)，其套装在所述地层模型外侧侧壁处；所述双轴加压装置(2)包括相互垂直且分别设置在所述地层模型的两组对侧侧壁上的第一加压单元和第二加压单元；所述第一加压单元和所述第二加压单元均包括位于所述地层模型对侧侧壁上承台和千斤顶；微型水泵(3)，其上设置有出水口和入水口；所述入水口和所述出水口分别安装有连接管(4)；压力传感器(5)和示波器(6)，所述示波器(6)与所述压力传感器(5)连接，用于获取所述压力传感器(5)实时压力值并形成波形图；三通阀门(7)，其三个连接口分别与所述试件(1)的盲孔(101)、所述微型水泵(3)出水口处的连接管(4)和所述压力传感器(5)连接并形成连通；电源，其用于为所述微型水泵(3)、所述压力传感器(5)和所述示波器(6)供电。2.根据权利要求1所述的基于三维打印技术的水力压裂实验装置，其特征在于，所述地层模型包括试件(1)和安设在所述试件(1)顶面中心处的螺纹连接件(102)，所述螺纹连接件(102)中心设有通孔；所述试件...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵高峰，蒋超，张奔，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津,12
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