[发明专利]一种模拟不同水平轴差应力条件的可视化水力压裂实验装置和方法

说明书

本发明公开一种模拟不同水平轴差应力条件的可视化水力压裂实验装置和方法，包括加压系统、压裂系统、明胶试样、加围压装置、实验模型架和记录系统；所述加压系统包括空气压缩机、三通接头、气压表和胶管；所述压裂系统包括注水管和压裂杆；所述的实验模型架包括加围压装置、透明可拆底座和高脚架；本发明能够实现水力裂纹起裂和扩展的全过程的可视化，避免了通过拔出预置实心圆柱塑料棒形成水力压裂钻孔过程中对明胶试样的破坏，提高了实验的成功率，本发明使用四套加压系统分别对明胶试样的相对面施加相同的围压，明胶试样相邻面施加不同的围压，实现了对不同水平轴差应力条件的模拟，更接近实际采矿环境。

技术领域

本发明涉及一种可视化水力压裂实验装置和方法，属于煤矿井下水力压裂实验技术领域。

背景技术

目前，水力压裂技术是实现“采矿环境再造”这一思想的核心技术手段。其实质是通过在煤体或岩体中注入高压液体，人为地制造出裂隙。水力压裂的目的分为两类：增强岩体的渗透性和提高岩体的冒落性。当水力压裂以提高岩石冒落性为目的时，掌握水力裂隙的起裂和扩展轨迹对致裂效果的评估至关重要。

现有技术中，可视化的水力压裂实验装置和方法所涉及的实验装置很难同时实现水平轴差应力不为0和对实验过程裂隙的起裂和扩展的直接观测。专利公开号为CN113049394A、名称为“一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的实验装置和方法”的专利公开了一种模拟煤矿坚硬顶板岩层水力压裂的可视化实验装置，该装置采用透明材质的明胶材料和亚克力管对水力压裂实验过程中裂隙的起裂和扩展直接观测与记录，但是该装置存在两点不足：一、实际采矿环境中很少出现围压相同的情况，而该发明只能加相同围压，无法模拟水平轴差应力不为0时的情况，严重制约了该发明的适用范围。二、该发明专利中涉及的水力压裂钻孔是通过预置实心圆柱塑料棒形成，压裂前需要拔出塑料棒，再将一端带“O”型密封圈的空心圆柱压裂杆插入钻孔。该操作步骤容易撕裂钻孔壁，形成大尺寸裂纹，导致实验失败，易造成人力、物力和财力资源的浪费。专利公开号为CN113125273A、名称为“一种轻便、可视的水力压裂试验演示装置”的专利公开了一种可实时观测水力压裂过程的真三轴水力压裂试验演示装置。该发明专利中，加围压装置为等间距布置的T型螺栓构件，一端为T型把手，另一端通过弹簧与试件接触，加围压时，依次手动拧进T型螺杆，通过弹簧直接对试块加压，构件之间互不影响，但该加压装置存在两点问题：一、无法保证每个螺栓施加的压力完全相等，而实验室进行水力压裂试验施加的围压为1000 Pa~5000 Pa，围压较小，容易产生较大误差。二、等间距布置的加围压装置，相互独立，直接作用在试块侧面，无法做到对试块侧面均匀加压。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种模拟不同水平轴差应力条件的可视化水力压裂实验装置和方法，提高实验的成功率，实现对不同水平轴差应力条件的模拟，更接近实际采矿环境。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种模拟不同水平轴差应力条件的可视化水力压裂实验装置，包括加压系统、压裂系统、明胶试样、加围压装置、实验模型架和记录系统；

所述加压系统包括空气压缩机、三通接头、气压表和胶管；所述压裂系统包括注水管和压裂杆；

所述的实验模型架包括加围压装置、透明可拆底座和高脚架；

所述加围压装置是由四块对所述明胶试样一侧施加压力的棱台构件围合固接而成的正方体框架，任一块所述棱台构件的主体是透明正四棱台，透明正四棱台内部中空，透明正四棱台没有上底面、透明正四棱台的下底面形心处有外伸的圆柱形接口，透明正四棱台包括与下底面夹角为90°的一对直侧面，透明正四棱台还包括与下底面夹角为45°的一对斜侧面，所述透明正四棱台的上平面处通过强力胶水覆盖有透明热收缩膜形成密封施压面；所述加围压装置与所述透明可拆底座组成放置所述明胶试样的实验容器，实验容器放置在所述高脚架上，所述明胶试样置于所述加围压装置内；

所述加压系统有四套，分别置于所述加围压装置的四面，加压系统的所述空气压缩机通过所述胶管分别与所述圆柱形接口连接，所述气压表通过所述三通接头分别与所述胶管连接，用于监测所述空气压缩机对所述明胶试样所施加围压的数值；