一种三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置，属于试验装置技术领域。

背景技术：

煤岩水力压裂试验装置是煤岩水力压裂室内物理模拟试验的主要设备，也是研究和认识煤岩水压裂缝形态及裂缝扩展规律的重要方法，但目前，国内外开展煤岩水力压裂物理模拟试验所用的试验设备大多是在真三轴压裂仪上进行改造、重组而来，导致体积都很庞大，操作比较复杂，样品室尺寸小，围压施加不可调等。

而目前常采用的煤岩裂缝检测方法是在注水压裂后使用钢锯、铁钎等工具将煤岩试样劈开，以观察裂缝的形状和分布，这种方法虽然可行，但具有一定的局限性，只能对主裂缝面进行观测，而其他的裂缝发育无法观测，且在煤岩劈裂过程中，原有的裂缝必会遭到破坏，并且是否在原有裂缝基础上产生新裂缝无法判断，极大影响了试验结果的准确性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置，采用超声波无损检测的方式在不损害煤岩试样的情况下实现对煤岩水力压裂前后裂缝参数的检测，克服了现有检测方法中必须破败煤岩才能观测裂缝的形状及分布的缺点。

实现本实用新型目的所采用的技术方案为，一种三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置，至少包括三轴向围压加载系统、液压控制系统、煤岩水压裂缝检测系统和控制器，三轴向围压加载系统中的6个液压缸均通过液压控制系统控制，所述液压控制系统包括油箱、液压泵、截止阀、溢流阀、6个电磁换向阀、6个液控单向阀和6个可调式节流阀，油箱、液压泵和截止阀通过油管顺序连通构成主油路，溢流阀连通于主油路上，液控单向阀和可调式节流阀分别连通于电磁换向阀的不同油口上构成支油路，三轴向围压加载系统中的6个液压缸分别通过6条支油路控制，支油路的电磁换向阀接入主油路；三轴向围压加载系统的固定架上在与其中3个液压缸活塞杆的工作极限位置相对应处均设有一对行程开关；还包括注水系统和数据采集系统，所述注水系统由水泵、上加压轴、上压板、注水管和密布有孔隙的射流管构成，水泵、注水管和射流管依次连通，射流管伸入煤岩试样顶部的钻孔中，其上端通过上加压轴和上压板固定，上加压轴与其中一个液压缸的活塞杆连接；所述数据采集系统包括用于检测注水系统的注水压力和流量的压力传感器和流量传感器；所述煤岩水压裂缝检测系统为超声波无损检测系统，煤岩水压裂缝检测系统、压力传感器、流量传感器和行程开关均连接控制器的信号输入端，水泵和上述各电磁换向阀均连接控制器的信号输出端。

所述主油路的进油部分和回油部分上分别连通有吸油过滤器和回流过滤器。

各支油路上均安装有压力表。

行程开关作用的3个液压缸所对应的3条支油路中均设有液压锁。

所述控制器为嵌入式单片机。

由上述技术方案可知，本实用新型提供的三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置，主体包括三轴向围压加载系统、液压控制系统、注水系统、数据采集系统、煤岩水压裂缝检测系统和控制器，三轴向围压加载系统包括固定架和6个液压缸，分别实现XYZ三轴向双向加载，可以模拟三轴向相同围压和不同围压的试验环境，通过液压控制系统中的电磁换向阀控制液压缸活塞杆的伸缩，实现煤岩三轴向围压的加载和调节，采用煤岩顶部钻孔下射流管注水的方式实现煤岩的水力压裂，通过煤岩水压裂缝检测系统检测水力压裂前后煤岩的裂缝信息，为煤岩水压裂缝扩展机理的分析提供试验依据，为煤岩水压裂缝扩展数值模拟算法提供数据支持和试验验证。煤岩裂缝参数包括裂缝长度、宽度、深度、倾角和方位角等等，采用超声波无损检测技术检测水力压裂前后煤岩裂缝的信息，并根据检测系统检测到的信息观察和分析出水力压裂前后煤岩裂缝的参数，该裂缝参数为煤岩水压裂缝扩展机理的分析提供了试验依据，为煤岩水压裂缝扩展数值模拟算法提供数据支持以及验证算法的正确性。

液压控制系统中，通过信号传输端口和继电器控制电磁换向阀，电磁换向阀用于控制液压缸活塞杆的伸缩以实现煤岩三轴向围压的加载和调节，压力表用于控制试验所设定的围压，单向阀用于在三轴向围压加载系统围压加载时起保压作用，可调式节流阀用于在顶进加载围压时对液压缸活塞杆进行速度控制，三轴向围压加载系统的其中3个液压缸在其活塞杆的工作极限位置处均设有一对行程开关，此3个液压缸要求作用方向分别为X轴向、Y轴向和Z轴向，在此3个液压缸的控制支油路上安装液压锁，用于定位液压缸，使液压缸在不工作时其活塞杆迅速、平稳、可靠且长时间地被锁住，不会因为外力而移动。

与现有技术相比，本实用新型提供的三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置具有如下优点：

1、本装置结构较简单，通过液压缸、电磁换向阀和压力表实现煤岩三轴向围压的加载和调节，围压控制范围大，误差小，克服了现有试验装置围压不可调问题，并且借助电磁换向阀和压力表可以模拟三轴向相同围压和不同围压的试验环境，使试验结果更具有科学性和指导性。

2、煤岩水压裂缝检测系统采用超声波无损检测的方式，在不损害煤岩样品的情况下实现对煤岩水力压裂前后裂缝参数的检测，克服了现有检测方法中必须破败煤岩才能观测裂缝的形状及分布的缺点，极大的提高了试验结果的准确性。

附图说明

图1为本实用新型提供的三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置的整体结构图。

其中：100-三轴向围压加载系统，200-煤岩水压裂缝检测系统，300-注水系统，400-煤岩试验，500-钻孔；1-固定架，2-水泵，3-控制器。

图2为液压控制系统的液压控制回路图。

其中：6-油箱，7-吸油过滤器，8-截止阀，9-液压泵，10-溢流阀，11-回流过滤器，12-电磁换向阀A，13-电磁换向阀B，14-电磁换向阀C，15-电磁换向阀D，16-电磁换向阀E，17-电磁换向阀F，18-液控单向阀A，19-液控单向阀B，20-液控单向阀C，21-液控单向阀D，22-液控单向阀E，23-液控单向阀F，24-压力表A，25-可调式节流阀A，26-液压缸A，27-压力表B，28-可调式节流阀B，29-液压缸B，30-压力表C，31-可调式节流阀C，32-液压缸C，33-行程开关A，34-液压缸D，35-液压锁A，36-可调式节流阀D，37-压力表D，38-液压缸E，39-行程开关B，40-液压锁B，41-可调式节流阀E，42-压力表E，43-行程开关C，44-液压缸F，45-液压锁C，46-可调式节流阀F，47-压力表F。

图3为注水结构示意图。

其中：48-上压板，49-射流管，50-上加压轴，51-注水轴。

图4为注水结构的安装结构图。

其中：52-轴连接螺套，53-注水管连接螺套。

图5为煤岩水压裂缝超生波检测主视图。

其中：T-超声波发射换能器，R-超声波接收换能器。

图6为煤岩水压裂缝超生波检测俯视图。

其中：T-超声波发射换能器，R-超声波接收换能器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细具体说明，本实用新型的内容不局限于以下实施例。

参见图1，本实用新型提供的三轴向围压的煤岩水力压裂试验装置，包括三轴向围压加载系统100、液压控制系统、煤岩水压裂缝检测系统200、注水系统300、数据采集系统和控制器3，控制器为嵌入式单片机；

三轴向围压加载系统100包括固定架1和6个液压缸26、29、32、34、38、44(如图2所示)，6个液压缸均通过液压控制系统控制，分别实现XYZ三轴向双向加载，所述液压缸选用活塞杆直径为100mm、行程为300mm、缸体内径为200mm、缸体外径为245mm、流量约为94.25L/min的液压缸，固定架上在与其中3个液压缸34、38、44的活塞杆的工作极限位置相对应处均设有一对行程开关33、39、43(如图2所示)，此3个液压缸34、38、44在X轴向、Y轴向和Z轴向各包含一个；

参见图2，所述液压控制系统由油箱6，液压泵9，截止阀8，溢流阀10，吸油过滤器7，回流过滤器11，6个电磁换向阀12、13、14、15、16、17，6个液控单向阀18、19、20、21、22、23，6个可调式节流阀25、28、31、36、41、46，6个压力表24、27、30、37、42、47，以及3个液压锁35、40、45构成，油箱6选用容积为2200L的油箱；液压泵9选用排量为200ml/r、额定压力为16MPa、额定转速为2000r/min的外啮合齿轮泵；电磁换向阀均选用工作压力为31.5MPa左右、最大排量为360L/min的三位四通换向阀；单向阀均选用工作压力为0.5～31.5MPa、最大排量为360L/min的液控单向阀；可调式节流阀均选用规格为工作压力0.5～20MPa，最大排量为20L/min的可调式节流阀；液压锁均选用规格为工作压力为0.5～31.5Mpa、最大排量为25L/min的液压锁；吸油过滤器7选用过滤精度为80μm、额定压力为15MPa的网式滤油器；回油滤油器11选用过滤精度为25um，额定压力为15MPa的纸质滤油器；油箱、液压泵和截止阀通过油管顺序连通构成主油路，吸油过滤器和回流过滤器分别连通于主油路的进油部分和回油部分上，溢流阀连通于主油路的回油部分上，液控单向阀和可调式节流阀分别连通于电磁换向阀的不同油口上构成支油路，支油路的电磁换向阀接入主油路，6个压力表分别安装于各支油路上，三轴向围压加载系统中的6个液压缸26、29、32、34、38、44分别通过6条支油路控制，3个液压锁35、40、45分别连通于行程开关作用的3个液压缸34、38、44所对应的3条支油路中；

参见图3，所述注水系统由水泵2(如图1所示)、上加压轴50、上压板48、注水管51和密布有孔隙的射流管49构成，水泵选用流量为50L/h、压力为10MPa、进出口径为10mm、功率为1.1kw的计量水泵，水泵、注水管51和射流管48依次连通，注水管51于射流管48通过中空的上加压轴50连接且连通，具体连接结构参见图4，上加压轴50通过轴连接螺套52与上液压缸相连，水泵的水管通过注水管连接螺套53与注水管51相连，上压板48位于上加压轴50的底端、射流管48的顶端，射流管48上端通过上加压轴和上压板固定、下部伸入煤岩试样400顶部的钻孔500中(如图1所示)，上加压轴与其中一个液压缸的活塞杆连接，采用煤岩顶部钻孔下射流管注水的方式实现煤岩的水力压裂，使结果更符合真实的煤储层水力压裂情况；

所述数据采集系统包括用于检测注水系统的注水压力和流量的压力传感器和流量传感器，所述的压力传感器根据煤岩水力压裂试验要求选用量程为2～200Mpa、精度为0.5％、供电电压为±24V、可以在-30～75℃工作的液体压力传感器，所述的流量传感器选用流量检测范围为0.04～0.4L/h、精度为1％、仪表口径为4mm、供电电源为12V、常规耐压为6.4MPa的液体涡轮流量传感器；

煤岩水压裂缝检测系统用于检测煤岩试样的煤岩裂缝参数，上述煤岩裂缝参数包括裂缝长度、宽度、深度、倾角和方位角等等，该裂缝参数为煤岩水压裂缝扩展机理的分析提供了试验依据，为煤岩水压裂缝扩展数值模拟算法提供数据支持以及验证算法的正确性，所述煤岩水压裂缝检测系统为超声波无损检测系统，煤岩水压裂缝检测系统、压力传感器、流量传感器和行程开关均连接控制器的信号输入端，水泵和上述各电磁换向阀均连接控制器的信号输出端，通过端口和继电器控制电磁换向阀以实现煤岩三轴向围压的加载和调节。

本实用新型的液压控制系统工作流程为：闭合电磁开关，液压泵9开始工作，同时三位四通电磁换向阀15、16、17处于左位，液压缸34、38、44的活塞杆顶进，当活塞杆的触头碰到行程开关时，三位四通电磁换向阀15、16、17处于中位，由于液压锁的作用液压缸34、38、44的活塞杆保持原位，将煤岩试样放置在三侧加压板上进行定位，通过一段时间的延迟，三位四通电磁换向阀12、13、14处于右位，液压缸26、29、32的活塞杆顶进对煤岩施加三轴围压，当达到设定围压后，三位四通电磁换向阀12、13、14处于中位，由于保压回路的作用，液压缸26、29、32的活塞杆在一段时间(根据注水压裂试验要求设定)保持设定压力；等注水压裂结束后，液压缸26、29、32的活塞杆收回，取下煤岩试样，通过一段时间的延迟，液压缸34、38、44的活塞杆收回，当活塞杆的触头碰到行程开关时，三位四通电磁换向阀15、16、17处于中位，并且电磁开关关闭，整个水力压裂试验结束。

上述煤岩水压裂缝检测系统采用的超声波无损检测技术是使用发射换能器激发出一定频率的声波在被检测煤岩试样中传播，由于煤岩试样存在裂缝、孔隙、断层等缺陷，声波在煤岩缺陷中传播的参数与在无缺陷区传播参数存在较大的差异，通过接受换能器将这些声波接收、转化为可处理信号(一般为电信号)，通过分析这些信号(包含声波传播的时间、速度，振幅和频率等)，就可以了解煤岩试样内部缺陷的分布情况；

煤岩水压裂缝检测系统采用的超声波无损检测方法选用接收信号覆盖范围广，处理简单，处理后的信号更能反映煤岩水压裂缝情况的透射法来实现煤岩水压裂缝的检测；优选的，使用超声波无损检测透射法对煤岩裂缝进行检测时使用钻孔测法，如图5和图6所示，以注水孔作为竖向测试孔(一般注水孔直径应比换能器直径大5～10mm)，检测时采用一个位于测孔，且在测孔中竖直方向以一定的速度匀速运动径向振动式换能器R，与分别固定在平行于测孔的四个侧面上的厚度振动式换能器T，进行测试，为避免由于煤岩多孔隙等特殊构造引起较大的检测误差，在进行检测时应满足以下要求：1、检测部位应具有两对相互平行的测试面；2、检测区范围应大于含原生裂缝区域，防止漏检煤岩水压裂缝试验后的新生裂缝；3、在检测区布置测试点时，应尽量使平行于测孔的侧面上的厚度振动式换能器T连线与附近的煤岩层理面平行，以降低超声波衰减度。

利用超声波进行煤岩裂缝检测的主要步骤为：发射换能器激发脉冲声波通过煤岩试样后利用接收换能器进行数据接收，激发和接收都由计算机系统控制，并使用计算机系统进行数据处理(采用小波分析)，通过屏幕显示波形等数据。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。