室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置，其中室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法包括：首先对试样进行真三轴加载；然后钻造水压致裂钻孔；对试样进行注水压裂并监测压裂过程中压力变化及裂纹起裂、扩展情况；对试样重复压裂模拟水压致裂地应力测试。借此，本发明专利技术的室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法，可以实现真三轴加载条件下的钻孔钻造、水压致裂地应力测试全过程的实验模拟，且试样安装便捷，操作简单，可扩展性强，为水压致裂地应力测试的室内模拟提供可靠的模拟方法与装置。的模拟方法与装置。的模拟方法与装置。

【技术实现步骤摘要】
室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置


[0001]本专利技术是关于水压致裂地应力测试
，特别是关于一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置。主要应用与水压致裂地应力测量领域，其功能是基于水压致裂地应力测试的原理，通过先三维应力加载再钻造钻孔，然后开展室内水压致裂的思路方法，可以实现(1)水压致裂破裂过程模拟；(2)水压致裂地应力测试过程核心特征参数的模拟研究；(3)模拟野外水压致裂地应力测试过程，为野外测试数据校正及复核提供技术方法与装置。

技术介绍

[0002]水压致裂测量地应力技术是目前最广泛且最有效的地应力测量技术之一(王成虎,2014)。自1964年，Fairhurst(1964)第一个正式提出利用水压致裂技术来测量原地应力，该方法迅速发展，逐步被应用到地应力测量工程实践领域(von Schonfeldt and Fairhurst,1970；Haimson and Avasthi,1973；Raleigh et al.,1976；李宏等,2005)，并被全球各行各业的科学家所认同。虽然水压致裂原地应力测量方法有众多优点，但这种方法还是有一些无法避免的局限性，例如，测试段岩体的抗拉强度确定问题，破裂压力与诱发裂缝的起裂可能并不对应，还有水压致裂诱发裂缝与最小水平主应力并不垂直等。水压致裂裂缝实际形态很难直接观测，多数情况下依赖于简单模型或者各种假设来分析裂纹形态。数值模拟可以解释部分现象，但对于裂纹扩展机理的解释有限且可能有误。室内水压致裂实验是分析水压致裂应力测量中裂纹起裂与扩展机理的一种重要方法，但室内模拟实验研究尤其是真三轴水压致裂研究并不多。因而，为更好的解释水压致裂中裂纹起裂及扩展机理，确定破裂压力及其他特征参数与地应力间的关系，需要发展室内(微型)真三轴水压致裂地应力测试实验模拟技术及研制相关设备。
[0003]室内水压致裂的实现主要有两种方法，一种是采用带中心钻孔的圆柱试样，通过围压装置施加均匀围压及轴压，模拟假三轴应力环境，通过中心钻孔内加压实现围压下岩样水压致裂破坏模拟(Zoback et al.,1977；Brenne et al.,2013)。例如1977年Zoback等(1977)通过单轴和假三轴(水平方向应力相等)水压致裂试验研究了水压致裂地应力测量方法的两个影响因素。Daneshy(1978)采用单轴压缩装置实现带孔圆柱试样水压致裂模拟。Anderson(1981)开展了立方体试样的单轴荷载下的水压致裂实验。Haimson(1981)指出通常的水压致裂设备在小试样时比较难以控制裂纹的起裂与扩展，因而他采用大尺寸试样进行水压致裂试验，试图得到类似野外地应力测量结果。然而这些设备只能提供伪三轴应力状态，无法模拟实际三维原地应力状态下的水压致裂。
[0004]另一种方法是采用立方体或长方体试样，三个方向独立加载从而模拟岩石真实受力情况(Stoeckhert et al.,2015)。世界上第一台岩石真三轴试验装置由Mogi教授开发(Mogi,1967；1971b；a)。1979年，美国科罗拉多采矿学院开发了一套大尺寸(8英寸立方体)压裂装置，可进行常温条件下的水压致裂实验，主要应用在石油和天然气工业。美国斯伦贝谢下属的TerraTek公司最早开发出大型真三轴加载框架物理模型进行侧重砂岩石油储层
水力压裂方面的研究(Casas et al.,2006)，试样尺寸为3英尺的立方体，但这样的试验装置侧重宏观压裂效果视觉评估。Cheung和Haimson(1989)采用多轴加载系统和孔压加载系统实现了真三轴应力下的水压致裂模拟。Ishida等(2012)发展了可以采用水、油和超临界状态的CO2作为压裂介质的液压致裂实验设备。陈勉等(2000)采用大尺寸真三轴模拟试验系统模拟地层条件，对天然岩样和人造岩样进行水力压裂裂缝扩展机理模拟实验，并实现对裂缝扩展的实际物理过程进行监测。但目前室内水压致裂设备主要是用于模拟石油行业水压致裂问题，不适合用来模拟野外微型水压致裂地应力测量研究。
[0005]室内三维水压致裂地应力测量试验模拟方法及装备存在的主要问题有：
[0006]1、真三轴围压荷载的施加，多数设备采用假三轴情况下的水压致裂模拟，无法模拟真实原地应力状态；
[0007]2、无法模拟三维应力下的钻孔钻造到水压致裂地应力测试全过程；
[0008]3、无法有效模拟地应力测量中加压
‑
保压
‑
卸压的重复加载过程；
[0009]4、孔压加载及密封性问题，加载部件复杂，密封性不好等，局部出现应力集中等；
[0010]5、无法实现不同工况下真三轴水压致裂破裂过程模拟，无法实现水压致裂过程中变形与裂缝起裂和扩展的监控。
[0011]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提供一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法及装置，其可以实现真三轴加载条件下的钻孔钻造、水压致裂地应力测试全过程的实验模拟，且试样安装便捷，操作简单，为水压致裂地应力测试的室内模拟提供可靠的模拟方法与装置。
[0013]为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法包括：对试样进行真三轴加载；三维应力下钻造水压致裂钻孔；对试样进行注水压裂；以及对试样重复压裂。
[0014]在本专利技术的一实施方式中，对试样进行真三轴加载包括：调整所述实验工作平台，将试样安装工作平台推出至方便操作位置。安装所述试样至所述实验工作平台，通过伺服液压源为主框架的液压加载模块提供液压加载动力，并通过自动控制系统控制加载过程，利用测力模块的力和位移传感器记录力和位移量值，并反馈给控制系统实现系统实时调整与控制。预加载完成后，自动启动真三轴围压加载，按照设置加载程序开始加载，且可以同时启动其他方向加载程序，加载至指定荷载后，程序自动启动保持荷载保持。
[0015]在本专利技术的一实施方式中，真三轴加载条件下进行水压致裂钻孔钻造包括：采用本专利技术的模拟原位钻孔机构，利用小型钻机并配合特制小直径钻头等，设计特制加长柱和带孔压板，使钻杆和钻头穿过试验机与试样接触，实现真三轴应力条件下的不同直径压裂孔的钻造。
[0016]在本专利技术的一实施方式中，钻孔钻造结束后开展水压致裂及重复压裂包括：更换液体注入水道压盘，注水压裂，裂纹起裂及扩展监测，重复压裂，重复压裂结束后关闭加压泵并完全卸压；其中，液体注入水道压盘需接通注液软管，并连接加压泵；其中，裂纹起裂及扩展监测通过带声发射探头安装槽压板保证声发射探头与试样直接接触，扩展并引入声发
射系统，监测裂缝在水压致裂不同工况下的起裂与扩展过程。
[0017]本专利技术另一方面提供了一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟装置，包括：真三轴加载机构、孔压加载机构、测量控制机构以及数据采集机构。真三轴加载机构，包括：轴向加载框本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法，其特征在于，包括：对所述试样进行真三轴加载；三维应力下钻造水压致裂钻孔；对所述试样进行注水压裂；对所述试样重复压裂。2.如权利要求1所述的室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法，其特征在于，对试样进行真三轴加载包括：调整所述实验工作平台，安装所述试样至所述实验工作平台，启动预加载程序，通过伺服液压源为主框架的液压加载模块提供液压加载动力，并通过自动控制系统控制加载过程，利用测力模块的力和位移传感器记录力和位移量值，并反馈给控制系统实现系统实时调整与控制。加载保持时间结束并满足跳转条件后，自动启动真三轴围压加载，按照设置加载程序开始加载，且可以同时启动其他方向加载程序，加载至指定荷载后，程序自动启动保持荷载保持。3.如权利要求1所述的室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法，其特征在于，真三轴加载条件下钻造水压致裂钻孔包括：采用本发明的模拟原位钻孔机构，利用小型钻机并配合特制小直径钻杆、钻头等，配合特制加长柱和带孔压板，使钻杆和钻头穿过试验机与试样接触，实现真三轴应力条件下的不同直径压裂孔的钻造。4.如权利要求1所述的室内真三轴水压致裂地应力测试模拟方法，其特征在于，钻孔钻造结束后开展水压致裂及重复压裂包括：更换液体注入水道压盘，注水压裂，裂纹起裂及扩展监测，重复压裂，压裂结束后关闭加压泵并完全卸压；其中，液体注入水道压盘需接通注液软管，并连接加压泵；其中，裂纹起裂及扩展监测通过带声发射探头安装槽压板保证声发射探头与试样直接接触，扩展并引入声发射系统，监测裂缝在水压致裂不同工况下的起裂与扩展过程。5.一种室内真三轴水压致裂地应力测试模拟装置，其特征在于，包括：真三轴加载机构，包括：轴向加载框架，固定于地面上；第一横向加载框架，与所述轴向加载框架采用反力装置固定，且所述轴向加载框架与所述第一横向加载框架之间具有空间；导轨，设置于所述轴向加载框架与所述第一横向加载框架之间；及第二横向加载框架，设置于所述导轨上；模拟原位钻孔机构，包括：钻机、钻机操作台、特制钻杆和特制钻头，且所述特制钻杆和钻头穿过第一横向承力横梁、第一横向压盘和带孔压板作用于试样上；孔压加载机构，包括：特殊压力盒，待测试样安装于所述特殊压力盒中，且所述特殊压力盒放置于所述第二横向加载框架的中心处；及加压泵；测量控制机构，与所述真三轴加载机构和所述孔压加载机构电性连接；以及数据采集机构，与所述真三轴加载机构、所述孔压加载机构和所述测量控制机构电性连接；
其中，所述测量控制机构用以控制所述真三轴加载机构对所述待测试样进行三轴加压，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高桂云，王成虎，周昊，宋海军，
申请(专利权)人：济南矿岩试验仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：