一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置及方法

1.本发明涉及一种水力压裂物理模拟实验研究，尤其适用于一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置及方法。


背景技术：

2.煤炭资源作为我国的主要一次能源，在能源占较大比重。随着我国经年累月的煤炭开采，浅部的煤炭储备已面临枯竭，开采方向逐渐向深部延伸。深部的地质环境与浅部相异，条件复杂，尤其是“高围压、高温、高应力、强时效、强扰动”的特点，使得深部水压作用下岩石致裂机理尚不明确，真三轴作用下水力致裂机理研究仍需大力开展。
3.煤系地层岩体水力压裂裂纹发育、扩展的相似模拟试验是研究围岩突水模型、瓦斯气体高效利用和裂隙岩体注浆加固的重要研究手段。
4.岩石致裂往往是微裂隙的产生与积累，逐渐形成局部裂隙、微孔隙，局部裂隙和孔隙在内、外力共同作用下扩展、沿伸形成岩体裂缝、孔洞等，进而从宏观上影响岩体岩石力学性质，产生破坏、失稳等岩变事件。现有技术中一般结合探测方法，从岩石试件尺度出发，采用某种技术手段对岩石试件的结构变化进行探测，通过获取的物理参数感知岩石试件裂隙萌发和扩展过程，连续的监测最终获得水力致裂岩石裂隙的形成状态，实现水力压裂效果的评价。但是传统的评价方法往往只采用单独的测试手段或方法，更无法实现多尺度、多参数协同测试。因此设计一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置和方法是十分必要的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置和方法，能够加载环境、细观和宏观结合、多地质物理场协同，同时提供操作方法和数据处理方法，对深部岩体水力致裂机理获取、岩石裂隙动态发育监测和裂隙发育程度的参量表征具有重要作用。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置，包括：框架、真三轴室、夹持及加载装置、供水装置、供油装置、ct扫描模块、电法测试模块、声发射测试模块、应变测试模块、磁法测试模块、计算机及显示屏，所述框架的内部固定所述夹持及加载装置，所述夹持及加载装置的内部放置所述真三轴室，所述夹持及加载装置穿过所述真三轴室与岩石试件连接，所述供油装置连接所述真三轴室，用于向真三轴室内供油，所述供水装置穿过所述夹持及加载装置与岩石试件连接，用于为岩石试件提供高压水，所述电法测试模块、声发射测试模块、应变测试模块及磁法测试模块分别固定在所述夹持及加载装置上，并与岩石试件相连接，所述ct扫描模块位于真三轴室前后两侧，所述ct扫描模块、电法测试模块、声发射测试模块、应变测试模块及磁法测试模块连接计算机，计算机电性连接显示屏；
8.可选的，所述框架由顶板、底板以及4根立柱组成，顶板和底板内侧面的中心位置
处焊接有所述夹持及加载装置，顶板和底板由立柱连接，并由螺栓固定，所述立柱底部固定有防滑垫；
9.所述真三轴室包括可密闭室仓、进油口及出油口，所述可密闭室仓内部放置有岩石试件，可密闭室仓为岩石试件提供一定的围压；所述可密闭室仓包括桶体及底板，在桶体下端周围开设有螺栓孔，链接桶体与盖板，所述可密闭室仓每面中心开有圆孔，供所述夹持及加载装置通过，所述进油口设置在可密闭室仓侧面上部，所述出油口设置在可密闭室仓底面，所述进油口、出油口分别与所述可密闭室仓内部连通；
10.所述ct扫描模块由位于真三轴室前后两侧的ct发射装置和ct接收装置组成，为试件提供实时扫描，所述ct发射装置和ct接收装置分别电性连接计算机。
11.可选的，所述夹持及加载装置包括：上部供压室、上压柱、上压板、下部供压室、下压柱、下压板、左侧供压室、左压柱、左压板、右侧供压室、右压柱、右压板、前方供压室、前压柱、前压板、后方供压室、后压柱及后压板，所述顶板和底板内侧面的中心位置处分别焊接有上部供压室及下部供压室，所述上部、下部、左侧、右侧、前方、后方供压室分别连接有上、下、左、右、前、后压柱，所述上、下、左、右、前、后压柱前部连接有上、下、左、右、前、后压板，各方位压板共同挤压岩石试件，为岩石试件试件提供所需实验条件的轴压、侧压；
12.所述上压板开有圆孔，为供水装置提供进口，所述上、下、左、右压板上均固定有电法测试模块、应变测试模块及磁法测试模块，所述左、右压板固定有声发射模块。
13.可选的，所述供水装置由空压机、高压气管、密闭水槽、高压供水管顺次连接而成，所述压裂管置于岩石试件端面的压裂孔内，所述高压供水管由上部供压室经由上压柱进入可密闭室仓，再由上压板的孔洞进入压裂管内，用于为岩石试件提供高压水；
14.所述供油装置包括油箱、进油管道及出油管道，所述油箱连接进油管道，所述进油管道连接所述进油口，所述出油口连接所述出油管道，所述出油管道连接油箱，用于向可密闭室仓内供油。
15.可选的，电法测试模块包括铜棒电极、高强度压电陶瓷护套、并行电法模块黑箱、并行电法主机，所述铜棒电极分别内嵌于上压板、下压板、左压板和右压板中，在左压板和右压板中的电极呈“十”字型，两条正交测线等间距分布 6个电极，另含一个b电极和一个n电极；上压板和下压板中的电极呈“米”字形，水平和垂直向测线各等距分布6个电极，倾斜的两条测线各等距分布8 个电极，另含一个b电极和一个n电极，所述高强度压电陶瓷护套套设在铜棒电极外部，所述铜棒电极连接至所述并行电法模块黑箱，所述并行电法模块黑箱电性连接并行电法主机，所述并行电法主机电性连接计算机。
16.可选的，声发射测试模块包括声发射探头、高强度压电陶瓷护套、声发射仪，所述声发射探头内嵌于左压板和右压板中，每块压板上矩形分布有4个声发射探头，所述高强度压电陶瓷护套套设在声发射探头外部，所述声发射探头电性连接声发射仪，所述声发射仪电性连接计算机。
17.可选的，应变测试模块包括应变单元、应变仪，所述应变单元内嵌于上压板、下压板、左压板和右压板中，每块压板中含4个应变单元，所述应变单元电性连接应变仪，所述应变仪电性连接计算机；
18.可选的，磁法测试模块包括多匝磁法线圈、及磁法仪，所述多匝磁法线圈位于上压板、下压板、左压板和右压板中，线圈材料为金属铜，每个压板中的线圈匝数n∈[10,30]，所
述多匝磁法线圈电性连接磁法仪，所述磁法仪电性连接计算机。
[0019]
一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试方法，包括如下步骤：
[0020]
步骤1：对取回的岩样进行加工，切割尺寸为边长100mm的方块，然后在岩石试件的顶面开设直径10mm，深度20mm的压裂口，并将压裂管置于孔内，连接压裂管与高压供水管；
[0021]
步骤2：安置、连接各压板上的传感器，连接导线，启动各测试装置；
[0022]
步骤3：封闭可密闭室仓，向可密闭室仓内注油，注满为止，且保持室温恒定；
[0023]
步骤4：启动供水装置，开始水力压裂，同时启动ct扫描模块、声发射测试模块、应变测试模块和测法测试模块；
[0024]
步骤5：试件完全破裂后，停止水力压裂，油箱回油，打开可密闭室仓，取出试件观察和拍照，同时进行数据处理与分析。
[0025]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置及方法，实现了真三轴水力压裂过程中的细观尺度和试件尺度的岩石试件破裂观测；装置设置了四场协同测试，从电性参数、声发生参数、应变参数和磁法参数等所角度描绘了岩石试件的水力致裂过程，通过参量的实时监测，可以捕捉岩石试件内部裂隙的萌发和扩展，对深部岩石试件水力致裂机理的获取意义重大；本装置具备高速采集和高速存储功能，可捕捉裂隙连同瞬间参数的变化，对获取岩石破裂前兆信息，预测岩石试件裂隙扩展方向重要重要作用。本发明可为深部岩体水力致裂原理的获取提供帮助，为采动条件下的围岩水压作用下的裂隙萌生和扩展参数表征、岩石水力致裂前兆信息的特征以及水力致裂过程中裂隙的预测提供帮助。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本发明装置结构的主视图；
[0028]
图2为本发明装置结构的左视图；
[0029]
图3为本发明装置结构的俯视图；
[0030]
图4为本发明左压板和右压板的传感器分布示意图；
[0031]
图5为本发明上压板和下压板的传感器分布示意图。
[0032]
附图标记：1、框架；2、岩石试件；3、压裂管；4、可密闭室仓；5、进油口；6、出油口；7、上部供压室；8、上压柱；9、上压板；10、右侧供压室；11、右压柱；12、右压板；13下部供压室；14、下压柱；15、下压板；16、左侧供压室；17、左压柱；18、左压板；19、铜棒电极；20、高强度压电陶瓷护套；21、导线；22、声发射探头；23、传输线；24、应变单元；25、多匝磁法线圈；26、高压供水管；27、密闭水槽；28、高压气管；29、空压机；30、油箱；31、进油管道；32、出油管道；33、并行电法模块黑箱；34、并行电法主机；35、声发射仪；36、应变仪；37、磁法仪；38、计算机；39、显示屏； 40、防滑垫；41、螺丝；42、ct发射装置；43、ct接收装置；44、前方供压室；45、前压柱；46、前压板；47、后方供压室；48、后压柱；49、后压板。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
本发明的目的是提供一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置和方法，结构简单，计算复杂度低，能够在具有频率选择性衰落、快时变、时域非平稳特性的信道环境下工作，抗干扰能力强，适用于高速测试环境下。
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0036]
本发明的技术原理：
[0037]
1.并行电法监测原理
[0038]
采用am法，即公共地电极n与公共供电电极负极b单独布设，测线上n 个电极自动轮流作为供电电极a，其余n-1个电极作为电极m。所以，在n个电极电流和(n-1)
×
n个电极电位数据。进而，利用三极法在n个电极中的所有电极距排列组合的视电阻率值。
[0039][0040]
式中，ρ为视电阻率，am为电极a和电极m之间的距离，an为电极a 和电极n之间的距离，bm为电极b和电极m之间的距离，bn为电极b和电极n之间的距离，k为装置系数。
[0041]
其中，
[0042]
三极法是指a、m、n三个电极，mn间距很小时，公式2可简化为：
[0043][0044]
即当mn远小于ao时(o为mn中点)
[0045][0046]
就是过m和n两等位面的平距面积，mn则是等位面m和n之间的距离。
[0047]
2.声发射监测原理
[0048]
受载的岩石试件2发生损伤时，其内部产生缺陷而释放的弹性波信号经过试件内部传播到试件表面后，产生微弱的振动，这些振动信号经声发射探头 22转化为电信号，再经过信号放大、处理和存储，以参数或者波形的方式存储于磁盘中。根据岩石试件2在岩石试件2中的传播形式可分为：纵波、横波和表面波。
[0049]
2.1纵波
[0050]
纵波(p波)的传播方向与质点振动方向一致，波速表达式为：
[0051][0052]
式中，ρ为材料的密度，e为材料的弹性模量，σ为泊松比。
[0053]
2.2横波
[0054]
纵波(s波)的传播方向与质点振动方向垂直，波速表达式为：
[0055][0056]
式中，g为材料的切变模量。
[0057]
2.3声发射衰减
[0058]
弹性波在介质中传播一定距离后，信号强度减弱，该种衰减类型的波形振幅与传播距离呈指数型的关系。
[0059]
p(x)＝p0e-δx (公式7)
[0060]
式中，p(x)为声波的振幅；x为声波的传播距离；δ为衰减系数；p0为声发射源处的声波振幅。
[0061]
3.应变监测原理
[0062]
利用钢弦拉张力(应力)不同，其自振频率也相应变化，通过测得钢弦频率的变化，便得知压力盒膜所受压力的变化。
[0063]
4.磁法监测原理
[0064]
岩石试件2水力压裂过程的岩石试件2产生磁性变化，来监测这种磁性变化，可实现水力压裂过程中岩石试件2的磁性参量表征。
[0065]
如图1-5所示，本发明实施例提供的一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置，包括：框架1、真三轴室、夹持及加载装置、供水装置、供油装置、ct扫描模块、电法测试模块、声发射测试模块、应变测试模块、磁法测试模块、计算机38及显示屏39，所述框架1的内部固定所述夹持及加载装置，所述夹持及加载装置的内部放置所述真三轴室，所述夹持及加载装置穿过所述真三轴室与岩石试件2连接，所述供油装置连接所述真三轴室，用于向真三轴室内供油，所述供水装置穿过所述夹持及加载装置与岩石试件2连接，用于为岩石试件2提供高压水，所述电法测试模块、声发射测试模块、应变测试模块及磁法测试模块分别固定在所述夹持及加载装置上，并与岩石试件2相连接，所述ct扫描模块位于真三轴室前后两侧，所述ct扫描模块、电法测试模块、声发射测试模块、应变测试模块及磁法测试模块连接计算机38，计算机38电性连接显示屏39；岩石试件2测试区域内的配件材料为碳纤维材料，其余均为钢材料；
[0066]
所述框架1由顶板、底板以及4根立柱组成，顶板和底板内侧面的中心位置处焊接有所述夹持及加载装置，顶板和底板由立柱连接，并由螺栓固定，所述立柱底部固定有防滑垫40；
[0067]
所述真三轴室包括可密闭室仓4、进油口5及出油口6，所述可密闭室仓 4内部放置有岩石试件2，可密闭室仓4为岩石试件2提供一定的围压；所述可密闭室仓4包括桶体及底板，在桶体下端周围开设有螺栓孔，链接桶体与盖板，所述可密闭室仓4每面中心开有圆孔，供所述夹持及加载装置通过，所述进油口5设置在可密闭室仓4侧面上部，所述出油口6设置
在可密闭室仓4 底面，所述进油口5、出油口6分别与所述可密闭室仓4内部连通；
[0068]
所述ct扫描模块由位于真三轴室前后两侧的ct发射装置42和ct接收装置43组成，其作用是动态扫描水力压裂过程的岩石试件2细观结构变化，所述ct发射装置42和ct接收装置43分别电性连接计算机38。
[0069]
所述夹持及加载装置包括：上部供压室7、上压柱8、上压板9、下部供压室13、下压柱14、下压板15、左侧供压室16、左压柱17、左压板18、右侧供压室10、右压柱11、右压板12、前方供压室44、前压柱45、前压板46、后方供压室47、后压柱48及后压板49，所述顶板和底板内侧面的中心位置处分别焊接有上部供压室7及下部供压室13，所述上部、下部、左侧、右侧、前方、后方供压室分别连接有上、下、左、右、前、后压柱，所述上、下、左、右、前、后压柱前部连接有上、下、左、右、前、后压板，上、下、左、右、前、后压板共同挤压岩石试件2，为岩石试件2提供所需实验条件的轴压、侧压，前压板46和后压板49内不含任何探测传感器；
[0070]
所述上压板9开有圆孔，为供水装置提供进口，所述上、下、左、右压板上均固定有电法测试模块、应变测试模块及磁法测试模块，所述左、右压板固定有声发射模块。
[0071]
所述供水装置由空压机29、高压气管28、密闭水槽27、高压供水管26、压裂管3顺次连接而成，所述压裂管3置于岩石试件2端面的压裂孔内，所述高压供水管26由上部供压室7经由上压柱8进入可密闭室仓4，再由上压板9 的孔洞进入压裂管3内，用于为岩石试件2提供高压水；
[0072]
所述供油装置包括油箱30、进油管道31及出油管道32，所述油箱30连接进油管道31，所述进油管道31连接所述进油口5，所述出油口6连接所述出油管道32，所述出油管道32连接油箱30，油箱30为真三轴室供油和储油，控制装置的运行。
[0073]
电法测试模块包括铜棒电极19、高强度压电陶瓷护套20、并行电法模块黑箱33、并行电法主机34，所述铜棒电极19分别内嵌于上压板9、下压板15、左压板18和右压板12，左压板18和右压板12中的电极呈“十”字型，两条正交测线等间距分布6个电极，另含一个b电极和一个n电极；上压板9和下压板15中的电极呈“米”字形，水平和垂直向测线各等距分布6个电极，倾斜的两条测线各等距分布8个电极，另含一个b电极和一个n电极，所述高强度压电陶瓷护套20套设在铜棒电极19外部，所述铜棒电极19与所述并行电法主机34由导线21进行电性连接，所述导线21由压板经压柱、压力室导出，所有出口均由密封圈密封，所述并行电法主机34电性连接计算机38，可采用被动测试和主动测试两种方式，被动测试为自然电位(φ)采集，主动测试为向电极供电的方法，采集参数包括电阻率(ρ)、电流(i)和电位(u)等电性信号；
[0074]
声发射测试模块包括声发射探头22、高强度压电陶瓷护套20、声发射仪 35，所述声发射探头22内嵌于左压板18和右压板12中，每块压板上有4个声发射探头22，矩形分布，所述高强度压电陶瓷护套20套设在声发射探头22 外部，所述声发射探头22与所述声发射仪35由传输线23进行电性连接，所述传输线23由压板经压柱、压力室导出，所有出口均由密封圈密封，所述声发射仪35电性连接计算机38，采集参数为频率(f)、振幅(d)等声发射信号；
[0075]
应变测试模块包括应变单元24及应变仪36，所述应变单元24内嵌于上压板9、下压板15、左压板18和右压板12中，每块压板中含4个应变单元 24，所述应变单元24与所述应变仪36由导线21进行电性连接，所述导线21 由压板经压柱、压力室导出，所有出口均由密封
圈密封，所述应变仪36电性连接计算机38，采集参数为应变值(ε)；
[0076]
磁法测试模块由多匝磁法线圈25、导线21、磁法仪37顺次连接组成，所述多匝磁法线圈25位于上压板9、下压板15、左压板18和右压板12中，线圈材料为金属铜，每个压板中的线圈匝数n∈[10,30]，所述多匝磁法线圈25 与所述磁法仪37由导线21进行电性连接，所述导线21由压板经压柱、压力室导出，所有出口均由密封圈密封，所述磁法仪37电性连接计算机38。
[0077]
所述真三轴室内所有的导线21、传输线23、传感器和配件等均需满足耐压要求，且耐压值大于80mpa；
[0078]
四场信号采集均可采用高频采集，采集频率为3mhz，同时配以计算机38 用来高速存储，这样，可实现岩石试件2破裂瞬间多场信号演化特征的记录。
[0079]
本发明还提供了一种真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试方法，应用于上述的真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试方法，包括如下步骤：
[0080]
步骤1：对取回的岩样进行加工，切割尺寸为边长100mm的方块，然后在岩石试件2的顶面开设压裂口(φ＝10mm，d＝20mm)，并将压裂管3置于孔内，连接压裂管3与高压供水管；
[0081]
步骤2：安置、连接各压板上的传感器，连接导线21，启动各测试装置，保持传感器与岩石试件2的接触良好，且正常工作；
[0082]
步骤3：封闭可密闭室仓4，向可密闭室仓4内注油，注满为止，由供油装置基于岩石试件2均匀的围压，且保持室温恒定；
[0083]
步骤4：启动供水装置，开始水力压裂，同时启动ct扫描模块、声发射测试模块、应变测试模块和测法测试模块，进行实时高频测试和高速存储；
[0084]
步骤5：试件完全破裂后，停止水力压裂，油箱30回油，打开可密闭室仓4，取出试件观察和拍照，同时进行数据处理与分析。
[0085]
数据处理与分析具体为：
[0086]
1.多尺度同步测试结果的对比分析：本发明的多尺度同步测试主要体现在细观尺度和试件尺度上，基于ct扫描装置的实时扫描可以获取岩石试件2细观尺度的三维裂隙展布情况，基于压板上探头的多场测试，则在试件尺度得到岩石试件2的裂隙发育、扩展情况，将细观尺度与试件尺度相结合，对获取岩石试件2水力压裂破裂机理具有一定的帮助。
[0087]
2.四场测试结果的对比分析：通过本发明可以获取岩石试件2压裂过程中的电性参数、声发射参数、应变参数以及磁性参数，从四个不同的场参数出发，描绘岩石试件2的水力压裂参数响应过程。在以时间变量为共同变量下，可以用origin软件获取四种参量的联合响应特征曲线。不同的参数在岩石试件2水力压裂不同阶段的响应特征是不同的，通过构建多参数评价体系，可以灵敏捕捉各阶段岩石试件2水力压裂场参数响应特征。
[0088]
3.参数间的响应特征对比分析：本发明在获得四场参数时，场参数之间具备一定的相关性，通过spass构建参数间的相关性分析，可以进一步认识场参数间的关联度。相关性分析方法包括神经网络、回归分析、方差分析、联合分析等，通过构建参数间的相关性分析，可以进一步了解参数间的联合响应机制。
[0089]
4.预测分析：本发明装置通过对真三轴水力压裂过程的多尺度、多参数协同测试，对于实时获取参数响应特征，破裂前兆信息具有一定的帮助。在多尺度、多参数基础上，可
以根据海量监测数据，对岩石试件2 裂隙的生成和扩展进行数学建模和预测。这对预测破裂情况的发生具有重要的作用。
[0090]
5.动态变形、破坏数字岩心的构建:我们通过水力压裂过程的ct实时扫描可以获得裂隙场的三维展布，电法测试可以获取岩石试件2电性参数的三维展布等。根据扫描或者参数测试结果，我们可以构建三维数字岩心。三位数字岩心的构建可以是单一参数的构建，可以为数据融合后的构建。通过数字岩心的构建，大大提高岩石试件2的变形破坏、裂纹萌生、扩展的可视化程度。
[0091]
本发明提供的真三轴水力压裂多尺度多参数协同测试装置及方法，实现了真三轴水力压裂过程中的细观尺度和试件尺度的岩石试件破裂观测；装置设置了四场协同测试，从电性参数、声发生参数、应变参数和磁法参数等所角度描绘了岩石试件的水力致裂过程，通过参量的实时监测，可以捕捉岩石试件内部裂隙的萌发和扩展，为获取深部岩石试件水力致裂机理意义重大；本装置具备高速采集和高速存储功能，可捕捉裂隙连同瞬间参数的变化，对获取岩石破裂前兆信息，预测岩石试件裂隙扩展方向重要重要作用。本发明可为深部岩体水力致裂原理的获取提供帮助，为采动条件下的围岩水压作用下的裂隙萌生和扩展参数表征、岩石水力致裂前兆信息的特征以及水力致裂过程中裂隙的预测提供帮助。
[0092]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。