一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置及其實驗方法與流程
2023-06-05 03:54:56 4
本發明涉及一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置及其實驗方法，屬於石油開發實驗裝置的技術領域。
背景技術：
隨著我國經濟的不斷發展，以及石油工業的不斷壯大，我國陸上的石油開發已進入深層和低滲透，乃至超低滲透等難以開採的原油開發時期。近期已探明的油氣田，大多數儲層類型豐富多樣、埋藏深度大、開發技術要求高、開發成本較大。對於此類油氣藏，高能氣體壓裂技術具有其他壓裂技術無法比擬的優點：可在瞬間壓開多條裂縫、汙染小、不受地層水敏酸敏性質的影響、操作過程簡單、成本較低。因此，在今後的油氣田開發中，高能氣體壓裂技術將具有較廣泛的應用前景。
高能氣體壓裂技術(簡稱為HEGF)又稱為爆燃壓裂技術，它是以爆炸壓裂的技術作為基礎又與爆炸壓裂技術有所區別的一項新技術，經過逐步的發展，該技術在上世紀90年代開始流行起來並逐漸應用於現場。它的基本原理是把火藥或者推進劑通過設備安放在井底點燃使其爆燃，火藥或推進劑燃爆過程中會產生大量的高溫高壓氣體，這些氣體將沿著射孔進入油氣層，在壓開了多條徑向裂縫的同時溝通了天然存在的裂縫。在高能氣體壓裂過程中，會產生酸化作用、熱化學作用等多種作用，這些作用可以清除近井帶由於鑽井、射孔等所造成堵塞和汙染帶，從而提高近井帶的滲透率並且達到使油氣田增產的目的。
雖然高能氣體壓裂以及複合壓裂技術在一定範圍內有應用，但由於儲層的情況複雜和必要的測試手段的欠缺等方方面面存在的限制，雖然高能氣體壓裂技術在現場工藝方面發展很快，但是，在相關機理研究方面，尤其在既能有效的在油氣層壓開多條裂縫又不會對套管產生破壞的合理裝藥量的定量計算以及相關工藝參數設計上還比較欠缺，已成為制約該技術大面積現場推廣的關鍵因素。
目前，研究巖石在受到強動載衝擊作用下的破裂壓力，目前主要應用的方法為霍普金森壓杆(SHPB)實驗和通過巖石動態損傷裝置進行實驗，但是前者不能直接模擬圓形孔眼內部的加載破壞，後者實驗的加載速率及其衝擊能量受到支架高度和重力加速度的限制，並且在實驗的過程中由於重物與柱塞的反覆運動造成了多次加載衝擊，增加了實驗誤差，由此可見，對於強動載衝擊破巖模擬實驗裝置還需進一步的改進和提高。
由此，本發明將提供一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置及其實驗方法，可實現10～110kg(間隔為10kg)的重物做距離為0～2.0m的下落運動。通過選擇勁度係數不同的彈簧進行組合，同時調節重物的高度及其質量，實現加載速率及衝擊能量的定量化。在實驗過程中，重物下落撞擊內活動柱塞向中心孔眼內的流體加壓，外活動柱塞在軸向方向向實驗巖樣施加壓力，通過安裝在不同位置的3個壓力傳感器測試實驗巖樣中心孔眼內流體壓力和巖芯圍壓的變化規律，以及計算巖芯滲透率變化時所需的徑向流體壓差，從而探究強動載衝擊過程壓力和巖石在定製脈衝衝擊作用前後的物性變化規律。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置。
本發明還提供一種利用上述裝置進行定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗的方法。
發明概述：
一種室內模擬高能氣體壓裂過程的實驗系統及其應用方法，具體涉及到定量設計不同的加載速率和衝擊能量，對不同尺寸的模擬巖芯進行衝擊破巖室內模擬實驗，近似模擬地層中的高能氣體壓裂的動態加載過程，並依此分析巖石在動載衝擊作用下的應變量，研究巖石性質、加載參數、應力水平等對巖石衝擊的應變量、破裂壓力、裂縫條數的影響規律，從而對高能氣體壓裂的動態加載過程的研究提供支撐。
術語說明：
柱塞壓力倍增容器：採用上下兩個直徑不同的柱塞，基於壓強＝壓力/面積的原理，將大直徑柱塞外的液壓，擴大為小柱塞外的高壓。(例如，當大柱塞面積為小柱塞面積兩倍時，壓力也能相應增加一倍。)
中間過渡容器：採用一個大直徑長圓筒，中間為密封的活動柱塞，利用該柱塞的移動，可以傳遞壓力的同時，分割柱塞上下的液體。
本發明的技術方案：
一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，包括衝擊巖樣夾持模塊和定製脈衝發生模塊；衝擊巖樣夾持模塊設置在定製脈衝發生模塊的下方；
衝擊巖樣夾持模塊包括，自上而下依次連接的柱塞蓋、中間夾持體和底座；
柱塞蓋和中間夾持體均為圓筒形結構；柱塞蓋包括柱塞蓋頂部開口和柱塞蓋底部開口；柱塞蓋的側壁上設置有外活動柱塞加壓孔；柱塞蓋底部開口與中間夾持體構成環形凸緣滑動腔；
中間夾持體包括自上而下依次設置的中間夾持體頂部開口、巖芯塞空腔和中間夾持體底部開口；
柱塞蓋頂部開口和中間夾持體頂部開口內滑動設置有柱塞；所述柱塞包括套接的內活動柱塞和外活動柱塞，內活動柱塞滑動設置在外活動柱塞內；外活動柱塞的外側壁上水平設置有環形凸緣，環形凸緣環繞外活動柱塞的外側壁一周；環形凸緣滑動設置在環形凸緣滑動腔內；內活動柱塞和外活動柱塞密封連接；通過外活動柱塞加壓孔向環形凸緣滑動腔內輸入設計液壓，從而通過外活動柱塞的傳遞，給巖芯施加一定的軸向的靜態壓力，用於模擬巖石上覆壓力。
巖芯塞空腔內設置有上巖芯塞和下巖芯塞，上巖芯塞和下巖芯塞均為圓筒形結構；上巖芯塞包括上巖芯塞上開口和上巖芯塞下開口，上巖芯塞上開口的內徑大於上巖芯塞下開口的內徑；上巖芯塞上開口的內徑與內活動柱塞的外徑相應；內活動柱塞與上巖芯塞上開口的內壁滑動連接；上巖芯塞和下巖芯塞圍成巖芯腔；巖芯腔的四周設置有熱收縮套管；熱收縮套管與上巖芯塞和下巖芯塞套接；熱收縮套管起到隔絕的作用，防止用於給巖芯施加圍壓的水等液體與巖芯接觸後對巖芯的物性產生影響，進而影響實驗結果。
巖芯塞空腔通過管道連接有第一壓力傳感器；下巖芯塞的底部開口通過管道連接有第二壓力傳感器；下巖芯塞和熱收縮套管之間的縫隙通過管道連接有第三壓力傳感器；第一壓力傳感器通過管路連接有第一加壓系統；第二壓力傳感器和第三壓力傳感器通過互通連接有第二加壓系統；第一加壓系統包括分別與第一壓力表連接的第一加壓手搖泵和第一充液泵；第二加壓系統包括第二加壓手搖泵、第二充液泵、柱塞壓力倍增通道和中間過渡容器；第二加壓手搖泵和第二充液泵分別與第二壓力表連接；壓力表依次通過柱塞壓力倍增通道和中間過渡容器與互通連接；柱塞壓力倍增通道包括依次連接的第一柱塞閥門、柱塞壓力倍增容器和第二柱塞閥門；第一柱塞閥門與第二壓力表連接，第二柱塞閥門與中間過渡容器連接。壓力傳感器用於測試實驗過程衝擊壓力和巖石在受到定製脈衝衝擊作用前後的滲透率變化規律。
定製脈衝發生裝置包括，下落架和支架；所述支架包括上橫梁、中間豎梁和底座橫梁；下落架滑動設置在中間豎梁上；下落架與上橫梁通過壓縮彈簧連接，下落架與下橫梁通過拉伸彈簧連接；下落架上設置有電磁離合器、重物和撞擊頭；電磁離合器、重物和撞擊頭自上而下依次設置。將下落架置於實驗設計高度時，下部彈簧被拉伸，彈力向下，上部彈簧被壓縮，彈力向下，共同產生方向向下的彈性勢能。
定製脈衝發生裝置可以根據所設計的實驗加載速率和衝擊能量選擇不同勁度係數的壓縮彈簧和拉伸彈簧進行組合，同時，通過重物質量及下落高度的配合，實現大範圍的加載速率和衝擊能量的定量可控，從而實現定製脈衝的設計目的。
電磁離合器用於控制下落架的釋放，使撞擊頭向下運動撞擊內活動柱塞；從而使柱塞壓縮中心孔眼內的流體，製作撞擊頭的材料的強度足夠大，能夠滿足多次撞擊不變形。
優選的，中間過渡容器還連接有氮氣瓶。氮氣瓶有兩個作用：1)當柱塞壓力倍增容器內的柱塞運行到最下端的時候，反向推動柱塞壓力倍增容器內的柱塞，使其恢復原來位置；2)當實驗完成後，將巖芯取出，關閉其他所有閥門，打開第八閥門、中間過渡容器、第五閥門，然後緩慢打開第六閥門，利用高壓氮氣反向衝出實驗後巖芯夾持模塊底部管線中的巖石碎屑。
充液泵用於給巖芯加載內壓、給熱收縮套管外側加載圍壓。通過柱塞壓力倍增容器倍增交換壓力，並將充液泵內液體與實驗中心孔眼內的液體分隔，防止汙染巖芯。中間過渡容器為多通閥門，用於交換連接上流的動力液、高壓氮氣、上流壓力(即巖芯中心孔眼壓力)和圍壓；
優選的，所述互通還連接有抽真空系統；所述抽真空系統包括回壓閥、抽真空泵和流體計量承接板，互通通過回壓閥與流體計量承接板連接，抽真空泵通過第九閥門與互通連接。巖芯安裝完成後，關閉所有閥門，依次打開第八閥門、第九閥門，並打開抽真空泵，將中心孔眼抽真空；利用抽真空泵，對實驗設備及巖芯進行抽真空處理，以促進設備進液與充分飽和。
上巖芯塞和下巖芯塞之間設置實驗巖芯。內活動柱塞可以向中心孔眼施加內壓，外活動柱塞在巖樣的軸向方向施加壓力；巖芯腔加壓孔用以向巖芯外圍施加圍壓，模擬地層的壓力條件；
進一步優選的，第二壓力傳感器和第三壓力傳感器分別通過第八閥門和第七閥門與互通連接。
優選的，上巖芯塞與中間夾持體之間設置有金屬環。由於巖芯切割過程的誤差、巖芯的收縮性等，上巖芯塞與中間夾持體的頂部存在接觸誤差，通過設置多個不同厚度的金屬環，平衡上述接觸誤差，使上巖芯塞與中間夾持體的頂部壓緊。
優選的，柱塞蓋與中間夾持體之間；中間夾持體與夾持器底座之間均通過吊緊螺釘連接。
優選的，內活動柱塞與上巖芯塞通過密封橡膠圈密封連接。
優選的，所述中間豎梁上設置有單向止回裝置。所述單向止回裝置可以使撞擊頭在衝擊柱塞後停止運動，避免了多次彈性加載。
進一步優選的，所述單向止回裝置包括，刺齒軌道和滑杆，刺齒軌道上設置有刺齒；所述滑杆上設置有與刺齒軌道配合的彈片；彈片的自由端嵌入設置在所述刺齒內；滑杆固定設置在下落架上，刺齒軌道固定設置在中間豎梁上。下落過程中所述彈片向上彈起，滑杆與下落架下落，撞擊頭撞擊內活動柱塞後無法再向上運動，防止撞擊頭多次撞擊。
優選的，所述中間豎梁上設置有下落架導軌；所述下落架滑動設置在下落架導軌內。下落架導軌保證了下落重物的運行軌跡豎直向下。
優選的，所述中間豎梁上設置有刻度線。所述刻度線用於參照重物下落高度的調節。
優選的，所述重物包括多個重物塊；中間豎梁的高度為2.5m，重物塊的質量為10kg，共15塊；下落架的質量為10kg。
進一步優選的，所述重物包括15個重物塊。
優選的，第一壓力傳感器通過電線連接第一壓力信號轉換讀取板、第二壓力傳感器通過電線連接第二壓力信號轉換讀取板、第三壓力傳感器通過電線連接第三壓力信號轉換讀取板；第一壓力信號轉換讀取板、第二壓力信號轉換讀取板和第三壓力信號轉換讀取板分別與程控計算機連接；電磁離合器通過電磁吸合釋放控制板與程控計算機連接。
程控計算機中安裝有實時監控軟體，可以監測撞擊過程中巖樣內壓以及圍壓的變化過程，還可實現對電磁離合器的控制，實現對於重物吸合、釋放的控制；壓力信號轉換讀取板用於將壓力傳感器受到的壓力轉換為電信號傳遞到程控計算機中；
可通過加壓手搖泵、充液泵、柱塞壓力倍增容器、中間過渡容器相互組合，實現0.1MPa～160MPa可控的液體施壓環境，液體為純淨水或不同含鹽量的鹽水。
優選的，第二壓力表與中間過渡容器之間設置有兩條並聯的柱塞壓力倍增通道。兩個柱塞壓力倍增容器內為兩種不同的液體，可方便對中孔內注入不同類型液體。
一種利用上述裝置進行定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗的方法，包括步驟如下：
1)根據設計的實驗加載速率和衝擊能量選擇不同數量和規格的彈簧；
2)製作巖樣模型，鑽取巖芯；所述巖芯為設置有中心孔的圓柱形結構，中心孔與上巖芯塞的開口、下巖芯塞的開口貫通，構成中心孔眼。
3)將鑽取的巖芯安裝在巖芯腔中，利用抽真空泵將實驗設備抽真空，抽真空的具體過程如下：巖芯安裝完成後，關閉所有閥門，依次打開第八閥門和第九閥門，並打開抽真空泵，將中心孔眼抽真空；然後進行巖芯的飽和處理；
4)通過外活動柱塞加壓孔輸入加壓液，外活動柱塞在巖芯的軸向施加軸向應力；
5)通過第一加壓系統向巖芯塞空腔內加入加壓液；給巖芯施加圍壓，並保持圍壓不變；
6)通過第二加壓系統向中心孔眼內加入加壓液；給巖芯施加內壓，並保持內壓不變；
7)在下落架上添加重物塊，並設置下落架距離內活動柱塞的距離；
8)通過程控計算機讀取實驗前的巖芯壓差和流量，做定製脈衝作用前巖芯徑向滲流能力的測試；具體過程為，當壓力波動穩定後，記錄上流壓力與下流壓力差，及連接下巖芯塞和熱收縮套管之間的縫隙與第三壓力傳感器的管線內的流量，計算滲透率；A3管線內的流量是通過記錄時間和承接器內液體量變化計算得到。
9)程控計算機控制電磁離合器打開，下落架下落，撞擊頭正向撞擊巖芯夾持器內活動柱塞；
10)通過程控計算機讀取實驗後的巖芯壓差和流量，做定製脈衝作用後巖芯徑向滲流能力的測試；
優選的，將衝擊巖樣夾持裝置卸壓，取出實驗巖芯，觀察並記錄巖芯開裂狀況。整理實驗裝置。分析實驗數據，書寫實驗報告。
優選的，打開程控計算機之前還包括，通過軟體對實驗儀表進行零點檢測的步驟。
優選的，所述步驟2)中製作巖樣模型的具體方法為，將水泥、河砂或石英砂以及水按照比例混合後進行實驗巖樣澆鑄，待巖樣晾乾後，利用巖芯鑽取機鑽取巖芯，最後將鑽取的巖芯鑽孔並進行切磨處理。
巖芯腔為圓筒狀，可以放置外徑40～100mm、長20～60mm、中心孔眼直徑為4～10mm的實驗巖芯，同時與加壓手搖泵相連，以向巖芯中心孔眼施加內壓以及巖芯外圍施加圍壓，從而地層的壓力條件；
優選的，所述步驟3)中飽和處理的具體過程為，保持中孔壓力與下流壓力不變，保持向巖芯中孔內注液的流量不變，觀察中孔壓力與下流壓力變化，在2小時內，當兩個壓力差波動小於0.5MPa/2h時，即為飽和完成；其中，中孔壓力是巖芯中孔內的壓力，下流壓力是巖芯外側液體壓力，即第三壓力傳感器測試的壓力。
優選的，所述步驟8)中計算滲透率的具體方法為，採用圓形模型中心一孔眼的徑向達西滲流模型，反推計算滲透率；q-井產量，K-滲透率，μ-液體黏度，B-液體體積係數，r2-巖石外徑，r1-巖石內徑，h-巖石厚度，P1-中孔壓力，P2-回壓閥內的壓力。
本發明的有益效果為：
1、本發明所述定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，可通過調整重物質量、重物高度、彈簧彈性係數等，來定量化設計重物衝擊柱塞時刻的下行速度、加速度，從而實現巖芯中孔加載速率、衝擊能量的定量化精確設計；
2、本發明所述定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置的巖芯加持器，可實水平圍壓應力、垂向上覆應力、巖芯外圍流體壓力及中孔初始流體壓力的定量化設置與動態控制，並可實施巖芯滲透率實時測試；
3、本發明所述定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，操作簡單、容易安裝，模擬衝擊加載速率跨度大，並可精確可調；既可模擬井筒內水力準靜態壓裂，又可模擬高能氣體動態壓裂、爆燃動態壓裂等高能的動態過程的一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置及其實驗方法。
附圖說明
圖1為本發明所述衝擊巖樣夾持模塊的結構示意圖；
圖2為衝擊巖樣夾持模塊與定製脈衝發生模塊的結構示意圖；
圖3為本發明所述定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置的結構示意圖；
圖4為本發明所述柱塞蓋的結構示意圖；
圖5為本發明所述上巖芯塞的結構示意圖；
圖6為本發明所述下巖芯塞的結構示意圖；
圖7為本發明所述夾持器底座的結構示意圖；
圖8為本發明所述中間夾持體的結構示意圖；
圖9為本發明所述柱塞壓力倍增容器的結構示意圖；
圖10為本發明所述中間過度容器的結構示意圖；
圖11為實施例8所述的單向止回裝置的結構示意圖；
其中，1、內活動柱塞；2、外活動柱塞；3、柱塞蓋；4、中間夾持體；5、金屬環；6、上巖心塞；7、巖芯腔；8、吊緊螺釘；8-3、回壓閥；9、下巖心塞；10、環形凸緣；11、夾持器底座；12、熱收縮套管；13、外活動柱塞加壓孔；14、環形凸緣滑動腔；15、巖芯塞空腔；2-1、壓縮彈簧；2-2、拉伸彈簧；2-3、單向止回裝置；2-4、中間豎梁；2-5、重物；2-6、下落架；2-7、電磁離合器；2-8、撞擊頭；2-9、上橫梁；2-10、底座橫梁；3-1、巖芯；3-2、互通；3-3、柱塞；3-4、第一壓力表；3-5、第二壓力表；3-6、程控計算機；3-7、電磁吸合釋放控制板；3-8、第三壓力信號轉換讀取板；3-9、第一壓力信號轉換讀取板；3-10、第二壓力信號轉換讀取板；3-11、第一壓力傳感器；3-12、第三壓力傳感器；3-13、第二壓力傳感器；3-14A、第二加壓手搖泵；3-14B、第一加壓手搖泵；3-15A、第一充液泵；3-15B、第二充液泵；3-16B、柱塞壓力倍增容器；3-17、中間過渡容器；3-18、氮氣瓶；3-19、抽真空泵；3-20、流體計量承接板；11-1、刺齒軌道；9-1、第一柱塞閥門；9-3、第二柱塞閥門；9-5、第五閥門；9-6、第六閥門；9-7、第七閥門；9-8、第八閥門；9-9、第九閥門；11-2、滑杆；11-3、彈片。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式作詳細說明，但本發明不限於下列的實施例。
實施例1
如圖1-10所示。
一種定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，包括衝擊巖樣夾持模塊和定製脈衝發生模塊；衝擊巖樣夾持模塊設置在定製脈衝發生模塊的下方；
衝擊巖樣夾持模塊包括，自上而下依次連接的柱塞蓋3、中間夾持體4和夾持器底座11；
柱塞蓋3和中間夾持體4均為圓筒形結構；柱塞蓋3包括柱塞蓋頂部開口和柱塞蓋底部開口；柱塞蓋3的側壁上設置有外活動柱塞加壓孔13；柱塞蓋底部開口與中間夾持體4構成環形凸緣滑動腔14；
中間夾持體4包括自上而下依次設置的中間夾持體頂部開口、巖芯塞空腔15和中間夾持體底部開口；
柱塞蓋頂部開口和中間夾持體頂部開口內滑動設置有柱塞3-3；所述柱塞3-3包括套接的內活動柱塞1和外活動柱塞2，內活動柱塞1滑動設置在外活動柱塞2內；外活動柱塞2的外側壁上水平設置有環形凸緣10，環形凸緣15環繞外活動柱塞2的外側壁一周；環形凸緣10滑動設置在環形凸緣滑動腔14內；內活動柱塞1和外活動柱塞2密封連接；通過外活動柱塞加壓孔13向環形凸緣滑動腔14內輸入設計液壓，從而通過外活動柱塞2的傳遞，給巖芯施加一定的軸向的靜態壓力，用於模擬巖石上覆壓力。
巖芯塞空腔15內設置有上巖芯塞6和下巖芯塞9，上巖芯塞6和下巖芯塞9均為圓筒形結構；上巖芯塞6包括上巖芯塞上開口和上巖芯塞下開口，上巖芯塞上開口的內徑大於上巖芯塞下開口的內徑；上巖芯塞上開口的內徑與內活動柱塞1的外徑相應；內活動柱塞1與上巖芯塞上開口的內壁滑動連接；上巖芯塞6和下巖芯塞9圍成巖芯腔7；巖芯腔7的四周設置有熱收縮套管12，熱收縮套管12與上巖芯塞6和下巖芯塞9套接；熱收縮套管12起到隔絕的作用，防止用於給巖芯施加圍壓的水等液體與巖芯接觸後對巖芯的物性產生影響，進而影響實驗結果。
巖芯塞空腔15通過管道連接有第一壓力傳感器3-11(廣州森納士壓力儀器有限公司生產的DG1300-BZ-A-2-150傳感器)；下巖芯塞的底部開口通過管道連接有第二壓力傳感器3-13(北京威斯特中航科技股份公司生產的CYB-20S傳感器)；下巖芯塞9和熱收縮套管12之間的縫隙通過管道連接有第三壓力傳感器3-12；第一壓力傳感器3-11通過管路連接有第一加壓系統；第二壓力傳感器3-13和第三壓力傳感器3-12通過互通3-2連接有第二加壓系統；第一加壓系統包括分別與第一壓力表3-4連接的第一加壓手搖泵3-14B和第一充液泵3-15A；第二加壓系統包括第二加壓手搖泵3-14A、第二充液泵3-15B、柱塞壓力倍增通道和中間過渡容器3-17；第二加壓手搖泵和第二充液泵分別與第二壓力表3-5連接；第一加壓系統包括分別與第一壓力表3-4連接的第一加壓手搖泵和流體計量承接器3-20；第二加壓系統包括第二壓力表3-5、第二加壓手搖泵、充液泵、柱塞壓力倍增通道和中間過渡容器；第二加壓手搖泵3-14A和第二充液泵3-15B分別與第二壓力表3-5連接；第二壓力表3-5依次通過柱塞壓力倍增通道和中間過渡容器3-17與互通3-2連接；柱塞壓力倍增通道包括依次連接的第一柱塞閥門9-1、柱塞壓力倍增容器3-16B和第二柱塞閥門9-3；第一柱塞閥門與第二壓力表3-5連接，第二柱塞閥門9-3與中間過渡容器3-17連接。壓力傳感器用於測試實驗過程衝擊壓力和巖石在受到定製脈衝衝擊作用前後的滲透率變化規律。
定製脈衝發生裝置包括，下落架2-6和支架；所述支架包括上橫梁2-9、中間豎梁2-4和底座橫梁2-10；下落架滑動設置在中間豎梁2-4上；下落架2-6與上橫梁通過壓縮彈簧2-1連接，下落架與下橫梁通過拉伸彈簧2-2連接；下落架2-6上設置有電磁離合器2-7、重物2-5和撞擊頭2-8；電磁離合器2-7、重物2-5和撞擊頭2-8自上而下依次設置。將下落架置於實驗設計高度時，下部彈簧被拉伸，彈力向下，上部彈簧被壓縮，彈力向下，共同產生方向向下的彈性勢能。
定製脈衝發生裝置可以根據所設計的實驗加載速率和衝擊能量選擇不同勁度係數的壓縮彈簧和拉伸彈簧進行組合，同時，通過重物質量及下落高度的配合，實現大範圍的加載速率和衝擊能量的定量可控，從而實現定製脈衝的設計目的。
電磁離合器用於控制下落架的釋放，使撞擊頭向下運動撞擊內活動柱塞；從而使柱塞壓縮中心孔眼內的流體，製作撞擊頭的材料的強度足夠大，能夠滿足多次撞擊不變形。
實施例2
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，中間過渡容器3-17還連接有氮氣瓶3-18。氮氣瓶3-18有兩個作用：1)當柱塞壓力倍增容器3-16B內的柱塞運行到最下端的時候，反向推動柱塞壓力倍增容器3-16B內的柱塞，使其恢復原來位置；2)當實驗完成後，將巖芯取出，關閉其他所有閥門，打開第八閥門9-8、中間過渡容器3-17、第五閥門9-5，然後緩慢打開第六閥門9-6，利用高壓氮氣反向衝出實驗後巖芯夾持模塊底部管線中的巖石碎屑。
充液泵用於給巖芯加載內壓、給熱收縮套管外側加載圍壓。通過柱塞壓力倍增容器3-16B倍增交換壓力，並將充液泵內液體與實驗中心孔眼內的液體分隔，防止汙染巖芯。中間過渡容器3-17為多通閥門，用於交換連接上流的動力液、高壓氮氣、上流壓力(即巖芯中心孔眼壓力)和圍壓；
實施例3
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，所述互通3-2還連接有抽真空系統；所述抽真空系統包括回壓閥8-3、抽真空泵3-19和流體計量承接板3-20，互通3-2通過回壓閥8-3與流體計量承接板3-20連接，抽真空泵通過第九閥門9-9與互通3-2連接。巖芯安裝完成後，關閉所有閥門，依次打開第八閥門9-8、第九閥門9-9，並打開抽真空泵3-19，將中心孔眼抽真空；利用抽真空泵3-19，對實驗設備及巖芯進行抽真空處理，以促進設備進液與充分飽和。
上巖芯塞6和下巖芯塞9之間設置實驗巖芯。內活動柱塞1可以向中心孔眼施加內壓，外活動柱塞2在巖樣的軸向方向施加壓力；巖芯腔加壓孔A1用以向巖芯外圍施加圍壓，模擬地層的壓力條件；
實施例4
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，第二壓力傳感器3-13和第三壓力傳感器3-12分別通過第八閥門9-8和第七閥門9-7與互通3-2連接。
實施例5
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，上巖芯塞6與中間夾持體4之間設置有金屬環5。由於巖芯切割過程的誤差、巖芯的收縮性等，上巖芯塞6與中間夾持體4的頂部存在接觸誤差，通過設置多個不同厚度的金屬環，平衡上述接觸誤差，使上巖芯塞與中間夾持體的頂部壓緊。
實施例6
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，柱塞蓋3與中間夾持體4之間；中間夾持體4與夾持器底座11之間均通過吊緊螺釘8連接。
實施例7
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，內活動柱塞1與上巖芯塞6通過密封橡膠圈密封連接。
實施例8
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，所述中間豎梁上設置有單向止回裝置2-3。所述單向止回裝置2-3可以使撞擊頭2-8在衝擊柱塞後停止運動，避免了多次彈性加載。
如圖11所示，所述單向止回裝置2-3包括，刺齒軌道11-1和滑杆11-2，刺齒軌道11-1上設置有刺齒；所述滑杆11-2上設置有與刺齒軌道11-1配合的彈片11-3；彈片11-3的自由端嵌入設置在所述刺齒內；滑杆11-2固定設置在下落架上，刺齒軌道11-1固定設置在中間豎梁2-4上。下落過程中所述彈片11-3向上彈起，滑杆11-2與下落架下落，撞擊頭2-8撞擊內活動柱塞1後無法再向上運動，防止撞擊頭多次撞擊。
實施例9
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，所述中間豎梁2-4上設置有下落架導軌；所述下落架滑動設置在下落架導軌內。下落架導軌保證了下落重物的運行軌跡豎直向下。所述中間豎梁上設置有刻度線。所述刻度線用於參照重物下落高度的調節；所述重物包括多個重物塊；中間豎梁的高度為2.5m，重物塊的質量為10kg，共15塊；下落架2-6的質量為10kg。
實施例10
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，第一壓力傳感器3-11通過電線連接第一壓力信號轉換讀取板3-9、第二壓力傳感器3-13通過電線連接第二壓力信號轉換讀取板3-10、第三壓力傳感器3-12通過電線連接第三壓力信號轉換讀取板3-8；第一壓力信號轉換讀取板3-9、第二壓力信號轉換讀取板3-10和第三壓力信號轉換讀取板3-8分別與程控計算機3-6連接；電磁離合器2-7通過電磁吸合釋放控制板3-7與程控計算機3-6連接。通過讀取板將顯示功能獨立出來，方便觀測實驗過程中，尤其在評價壓力穩定時的壓力變化；電磁吸合釋放控制板3-7為程序指令工控卡(三菱FX1S-10MT-001)；
壓力測試讀取：包含傳感器+變送器+電腦內的數據採集卡。原理：傳感器讀取壓力信息，變送器將壓力轉換放大成電訊號，讀取卡讀取記錄壓力數據，測試軟體自動繪製壓力-時間曲線。電腦內信息讀取卡為：泓格PCI-1002系列32通道多功能採集卡。
程控計算機中安裝有實時監控軟體，可以監測撞擊過程中巖樣內壓以及圍壓的變化過程，還可實現對電磁離合器的控制，實現對於重物吸合、釋放的控制；壓力信號轉換讀取板用於將壓力傳感器受到的壓力轉換為電信號傳遞到程控計算機中；
可通過加壓手搖泵、充液泵、柱塞壓力倍增容器3-16B、中間過渡容器3-17相互組合，實現0.1MPa～160MPa可控的液體施壓環境，液體為純淨水或不同含鹽量的鹽水。
實施例11
如實施例1所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗裝置，所不同的是，第二壓力表3-5與中間過渡容器3-17之間設置有兩條並聯的柱塞壓力倍增通道。兩個柱塞壓力倍增容器3-16B內為兩種不同的液體，可方便對中孔內注入不同類型液體。
實施例12
一種利用實施例1-11所述裝置進行定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗的方法，包括步驟如下：
1)下落高度為1m的情況下，設計增壓值為970.00MPa,設計加壓速率為169.57MPa/ms的情況下，研究巖石受到單向定製脈衝的衝擊作用下的應變量以及開裂情況；壓縮彈簧為17093.6N/m勁度係數的圓柱彈簧(材料為鋼絲,彈簧直徑為18mm，彈簧中徑為170mm,自由高度為720mm,有效圈數為12.5)，拉伸彈簧為4800N/m勁度係數的圓柱彈簧(材料為鋼絲，材料直徑為6mm，彈簧中徑為60mm,自由高度為280mm,有效圈數為12.5)；
2)製作巖樣模型，鑽取巖芯3-1；所述巖芯3-1為設置有中心孔的圓柱形結構，中心孔與上巖芯塞的開口、下巖芯塞的開口貫通，構成中心孔眼。
製作巖樣模型的具體方法為，將水泥、河砂和水混合後進行實驗巖樣澆鑄，待巖樣晾乾後，利用巖芯鑽取機鑽取巖芯，最後將鑽取的巖芯鑽孔並進行切磨處理。
巖芯的外徑為50mm、長30mm、中心孔眼直徑為5mm，同時中心孔眼與加壓手搖泵3-14A相連，以向巖芯中心孔眼施加內壓以及巖芯外圍施加圍壓，從而地層的壓力條件；
3)將鑽取的巖芯安裝在巖芯腔7中，利用抽真空泵3-19將實驗設備抽真空，抽真空的具體過程如下：巖芯安裝完成後，關閉所有閥門，依次打開第八閥門9-8和第九閥門9-9，並打開抽真空泵3-19，將中心孔眼抽真空；然後進行巖芯的飽和處理；
4)通過外活動柱塞加壓孔13輸入加壓液，外活動柱塞2在巖芯的軸向施加軸向應力；
5)通過第一加壓系統向巖芯塞空腔15內加入加壓液；給巖芯施加圍壓，並保持圍壓不變；
6)通過第二加壓系統向中心孔眼內加入加壓液；給巖芯施加內壓，並保持內壓不變；
7)在下落架上添加110kg的重物塊，並將下落架2-6置於距離內活動柱塞1一米處；
8)通過程控計算機3-6讀取實驗前的巖芯壓差和流量，做定製脈衝作用前巖芯徑向滲流能力的測試；具體過程為，當壓力波動穩定後，記錄上流壓力與下流壓力差，及連接下巖芯塞9和熱收縮套管19之間的縫隙與第三壓力傳感器3-12的管線內的流量，計算滲透率；A3管線內的流量是通過記錄時間和承接器3-20內液體量變化計算得到。
9)程控計算機3-6控制電磁離合器2-7打開，下落架2-6下落，撞擊頭2-8正向撞擊巖芯夾持器內活動柱塞1；
10)通過程控計算機3-6讀取實驗後的巖芯壓差和流量，做定製脈衝作用後巖芯徑向滲流能力的測試。
實施例13
如實施例12所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗的方法，所不同的是，打開程控計算機3-6之前還包括，通過軟體對實驗儀表進行零點檢測的步驟。
實施例14
如實施例12所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗的方法，所不同的是，所述步驟3)中飽和處理的具體過程為，保持中孔壓力與下流壓力不變，保持A2管線向巖芯中孔內注液的流量不變(10ml/min)，觀察中孔壓力與下流壓力變化，在2小時內，當兩個壓力差波動小於0.5MPa/2h時，即為飽和完成；其中，中孔壓力是巖芯中孔內的壓力，下流壓力是巖芯外側液體壓力，即第三壓力傳感器3-12測試的壓力。
實施例15
如實施例12所述的定製脈衝式衝擊破巖模擬實驗的方法，所不同的是，所述步驟8)中計算滲透率的具體方法為，採用圓形模型中心一孔眼的徑向達西滲流模型，反推計算滲透率；q-井產量，K-滲透率，μ-液體黏度，B-液體體積係數，r2-巖石外徑，r1-巖石內徑，h-巖石厚度，P1-中孔壓力，P2-回壓閥8-3內的壓力。回壓閥：只有當來水壓力達到控制閥門的額定壓力後才能自動打開閥門，當來水壓力小於額定壓力後，閥門又關閉。