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原文传递一种高温高压水压致裂夹持器及其试验方法

专利名称：	一种高温高压水压致裂夹持器及其试验方法
摘要：	本发明公开了一种高温高压水压致裂夹持器及其试验方法，高温高压水压致裂夹持器包括试验筒体、筒体上安装部分、筒体下安装部分和筒体内安装部分。本发明可针对小型岩样进行水压致裂试验，单次试验一人即可进行，操作方便，试验成功率高，单次试验成本较低；夹持器共有五处密封设计，可有效避免在试验过程中因漏液导致的试验失败，密封件均通过相关部件压紧方式进行密封，且在加温过程或试验过程中，可以对密封件进行持续压紧，且筒体内安装部分特别设计了密封预紧力施加及提供部件，能够抵抗试验过程中部件受热后的膨胀力，利于研究热力耦合作用下高温高压岩体的破裂力学行为，可为高温岩体地热开采工程中储留层的建造工程提供理论依据和指导。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	中国矿业大学
发明人：	万志军;他旭鹏;顾舒宁;王骏辉;张源;周长冰;程敬义;张洪伟;刘泗斐;顾斌;熊路长
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-11T00:00:00+0800
申请号：	CN201910250119.7
公开号：	CN109870349A
代理机构：	徐州市淮海专利事务所
代理人：	杨晓亭
分类号：	G01N3/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	221000 江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学南湖校区
主权项：	1.一种高温高压水压致裂夹持器，包括试验筒体(9)、筒体上安装部分、筒体下安装部分和筒体内安装部分；其特征在于，所述的试验筒体(9)是上下贯通的筒型结构，试验筒体(9)上沿其径向方向设有贯穿筒壁的注油孔(11)和出油孔(12)，试验筒体(9)内腔包括沿其轴向方向设置在中部的围压腔段(10)和对称设置在围压腔段(10)上下两端的大径段，大径段与围压腔段(10)之间形成上定位台阶和下定位台阶；所述的筒体上安装部分包括上压盖(1)、上堵头(3)、上堵头压帽(4)、上压头(5)、密封压台(6)、堵头密封环组件(7)和压头密封圈(8)；上堵头(3)是底部具有大径定位台阶的阶梯柱结构，上堵头(3)通过大径定位台阶定位设置在试验筒体(9)的上定位台阶上，上堵头(3)的中轴线位置设有贯穿上堵头(3)的上压头安装通孔，上压头安装通孔底端设有同轴内凹设置的试件支撑套安装沉孔、且试件支撑套安装沉孔的内径尺寸大于上压头安装通孔的内径尺寸；杆状结构的上压头(5)穿接设置在上堵头(3)的上压头安装通孔内，上压头(5)的底端设有外径尺寸与试件支撑套(28)的内径尺寸配合的大径压头结构、且大径压头结构与上压头(5)的杆体之间设有锥形挤压面，上压头(5)的中轴线位置还设有贯穿上压头(5)的注水通道(5-1)；压头密封圈(8)套接安装在上压头(5)的杆体底部、且位于上堵头(3)的试件支撑套安装沉孔与上压头(5)的大径压头结构之间，压头密封圈(8)的外径尺寸与试件支撑套(28)的内径尺寸配合、且压头密封圈(8)的底部设有与上压头(5)的锥形挤压面锥度配合的锥面结构；密封压台(6)套接安装在上堵头(3)上，且密封压台(6)分别与上堵头(3)和试验筒体(9)的大径段滑移配合设置，密封压台(6)可上下滑移移动；堵头密封环组件(7)套接安装在上堵头(3)上、且位于上堵头(3)的大径定位台阶与密封压台(6)之间，堵头密封环组件(7)包括对接设置的上密封环和下密封环、且上密封环和下密封环的对接面为锥形配合面；上压盖(1)套接安装在上堵头(3)上，上压盖(1)与试验筒体(9)螺纹安装连接、且上压盖(1)压接在密封压台(6)上；上堵头压帽(4)通过螺纹配合安装在上压头(5)的顶部、且上堵头压帽(4)压接在上堵头(3)上；所述的筒体下安装部分相对于筒体上安装部分上下对置设置，包括下压盖(2)、下堵头(19)、下堵头压帽(20)、下压头(16)、下压头出口密封环组件(17)和传力套(18)；下堵头(19)是顶部具有大径定位台阶的阶梯柱结构，下堵头(19)通过大径定位台阶定位设置在试验筒体(9)的下定位台阶上，下堵头(19)的中轴线位置设有贯穿下堵头(19)的下压头安装通孔；杆状结构的下压头(16)穿接设置在下堵头(19)的下压头安装通孔内，下压头(16)的顶端设有外径尺寸与试件支撑套(28)的内径尺寸配合的大径压头结构、且大径压头结构与下压头(16)的杆体之间设有锥形挤压面，锥形挤压面上也设有套接安装的压头密封圈(8)、且压头密封圈(8)的顶部与下压头(16)的锥形挤压面锥度配合，下压头(16)的杆体底端设有与其同轴设置的密封小径段，下压头(16)的中轴线位置还设有贯穿下压头(16)的出水通道(16-1)；下压头出口密封环组件(17)和传力套(18)自上而下依次套接安装在下压头(16)的密封小径段上、且下压头出口密封环组件(17)和传力套(18)的总高度尺寸大于密封小径段的高度尺寸，下压头出口密封环组件(17)包括对接设置的上密封卡环和下密封卡环、且上密封卡环和下密封卡环的对接面为锥形配合面；下压盖(2)套接安装在下堵头(19)上、且下压盖(2)与试验筒体(9)螺纹安装连接，下压盖(2)与下堵头(19)的大径定位台阶之间也设有堵头密封环组件(7)和密封压台(6)、且堵头密封环组件(7)和密封压台(6)自上而下依次套接安装在下堵头(19)上，下压盖(2)压接在密封压台(6)上；下堵头压帽(20)是螺栓结构，下堵头压帽(20)通过螺纹配合安装在下堵头(19)的下压头安装通孔的底部、且下堵头压帽(20)的顶端顶靠在传力套(18)的底端上，下堵头压帽(20)的中轴线位置也设有贯穿下堵头压帽(20)的出水通道(16-1)；所述的筒体内安装部分包括位于试验筒体(9)内部的试件支撑套(28)、密封传压件(13)、预紧压帽(14)和预紧压簧(15)；试件支撑套(28)的顶端套接在上压头(5)的大径压头结构和上压头(5)的压头密封圈(8)上、且试件支撑套(28)的顶端穿入并顶靠在试件支撑套安装沉孔内，试件支撑套(28)的底端套接在下压头(16)的大径压头结构和下压头(16)的压头密封圈(8)上；密封传压件(13)是外径尺寸与试验筒体(9)内腔围压腔段(10)的内径尺寸间隙配合的盘状结构，密封传压件(13)包括盘体和位于盘体轴心位置的内压套(13-1)，内压套(13-1)的内径尺寸与下压头(16)的杆体的外径尺寸间隙配合，内压套(13-1)的外径尺寸与试件支撑套(28)的内径尺寸间隙配合，密封传压件(13)通过内压套(13-1)套接安装在下压头(16)上，且内压套(13-1)的顶端穿入试件支撑套(28)的底端、并顶靠在下压头(16)的压头密封圈(8)的底端上，盘体上还设有多个沿轴向方向贯穿盘体的过油孔(13-3)；预紧压帽(14)与下压头(16)的杆体螺纹安装连接、且预紧压帽(14)的顶端压接在密封传压件(13)的底平面上；预紧压簧(15)的顶端顶靠在密封传压件(13)的底平面上、底端顶靠在下堵头(19)的顶端。 2.根据权利要求1所述的高温高压水压致裂夹持器，其特征在于，下压头(16)的大径压头结构的顶平面上设有多个同心设置的环形渗流槽，环形渗流槽与出水通道(16-1)贯通设置、且多个环形渗流槽之间贯通连接。 3.根据权利要求1所述的高温高压水压致裂夹持器，其特征在于，密封传压件(13)的盘体外沿位置设有凸出于盘体表面的导向套(13-2)，导向套(13-2)的外径尺寸与试验筒体(9)内腔围压腔段(10)的内径尺寸间隙配合。 4.根据权利要求1所述的高温高压水压致裂夹持器，其特征在于，堵头密封环组件(7)、压头密封圈(8)、下压头出口密封环组件(17)均采用耐高温石墨材质。 5.根据权利要求1所述的高温高压水压致裂夹持器，其特征在于，试件支撑套(28)是紫铜套。 6.根据权利要求1所述的高温高压水压致裂夹持器，其特征在于，试验筒体(9)、上压盖(1)、上堵头(3)、上压头(5)、下压盖(2)、下堵头(19)、下压头(16)、密封传压件(13)、预紧压帽(14)均采用镍基合金材质。 7.一种应用如权利要求所述的高温高压水压致裂夹持器进行高温高压岩体水压致裂试验的方法，其特征在于，具体包括以下步骤： a.岩石试件准备：配合试件支撑套(28)的内径尺寸制备岩石试件(22)，在岩石试件(22)的端面中心竖直钻孔，在钻孔内埋入尺寸小于注水通道(5-1)的注水管后进行钻孔孔口处的密封； b.岩石试件夹持安装：①将上堵头(3)置入试验筒体(9)的上端，然后在上堵头(3)上自下而上依次套接安装堵头密封环组件(7)和密封压台(6)，套接上压盖(1)后旋紧上压盖(1)使密封压台(6)将堵头密封环组件(7)压紧； ②将安装有压头密封圈(8)的上压头(5)的底端插入试件支撑套(28)的顶端，再将上压头(5)和试件支撑套(28)整体自试验筒体(9)的下端插入至上堵头(3)内，然后在上压头(5)的顶端安装上堵头压帽(4)并旋紧将上压头(5)上的压头密封圈(8)压紧； ③将岩石试件(22)自试验筒体(9)的下端插入至试件支撑套(28)内、并使注水管插入并伸出至注水通道(5-1)外部，然后将自上而下依次安装有压头密封圈(8)、密封传压件(13)和预紧压帽(14)的下压头(16)插入至试件支撑套(28)内，并旋紧预紧压帽(14)对岩石试件(22)施加预紧力、同时将下压头(16)上的压头密封圈(8)压紧； ④将预紧压簧(15)置入试验筒体(9)内后将下堵头(19)置入试验筒体(9)的下端，并在下堵头(19)上自下而上依次套接安装堵头密封环组件(7)和密封压台(6)，套接下压盖(2)后旋紧下压盖(2)，下压盖(2)将预紧压簧(15)压缩的同时、密封压台(6)将堵头密封环组件(7)压紧； ⑤最后将下压头出口密封环组件(17)和传力套(18)自上而下依次置入下堵头(19)的下压头安装通孔内后，安装下堵头压帽(20)并旋紧、使传力套(18)将下压头出口密封环组件(17)压紧，完成岩石试件的夹持安装； c.将夹持安装有岩石试件(22)的高温高压水压致裂夹持器整体置入加热控温装置(25)内并定位，将注水管通过管路与恒压恒流注水泵(23)连接，将下堵头压帽(20)的出水通道(16-1)与出水管路连接，将注油孔(11)和出油孔(12)分别通过管路与恒压恒流注油泵(24)和测试控制阀组连接，将恒压恒流注水泵(23)泵压出口位置的压力传感器、恒压恒流注油泵(24)泵压出口位置的压力传感器、加热控温装置(25)内的温度传感器分别与测试计算机电连接； d.先启动恒压恒流注油泵(24)将耐高温硅油注入试验筒体(9)内、并加载至试验设定压力使试验筒体(9)内形成设定的围压，达到设定围压后启动加热控温装置(25)进行加热至试验设定温度； ①加热过程中，通过控制恒压恒流注油泵(24)对围压实时进行跟踪监测以避免热应力对围压的影响； ②加热过程中，温度每升高至设定数值即观察上压盖(1)、下压盖(2)、上堵头压帽(4)、下堵头压帽(20)的松紧程度，并按实际需要对部件进行拧紧操作； e.温度及应力环境达到试验设定要求后，启动恒压恒流注水泵(23)对岩石试件(22)进行压裂，并记录试验过程中压力随时间变化的曲线。
所属类别：	发明专利