基於高溫高壓條件下水壓致裂實驗的水密封裝置製造方法
2023-12-08 10:55:26 2
基於高溫高壓條件下水壓致裂實驗的水密封裝置製造方法
【專利摘要】一種基於高溫高壓條件下水壓致裂實驗的水密封裝置，包括封孔螺母、金屬水管、鎖緊螺母、金屬墊圈和楔形密封紫銅圈。其中楔形密封紫銅圈套裝於伸入巖石試樣內部鑽孔的金屬水管上，楔形密封紫銅圈之間通過金屬墊圈隔開，楔形密封紫銅圈由兩片有斜面的銅封對扣構成，楔形密封紫銅圈的內外面均為豎直面。在試驗機內最高可達600℃高溫條件下，楔形密封紫銅圈膨脹，內外豎直面分別壓緊金屬水管和巖石孔壁，實現初期封孔。在實驗機對巖石試樣施加載荷過程中，楔形密封紫銅圈受壓變形膨脹，外豎直面與巖石試樣孔壁緊密接觸，內豎直面與金屬水管緊密接觸，實現實驗過程中的高壓水密封。本發明通過在金屬水管外增設楔形密封紫銅圈來實現高溫、高載荷壓力條件下的水密封。其裝置結構簡單、性能可靠、穩定性好，適用於高溫高壓條件下的巖石的水壓致裂實驗。
【專利說明】基於高溫高壓條件下水壓致裂實驗的水密封裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水壓致裂實驗的水密封裝置，尤其是一種適用於巖石試樣在高溫 高壓條件下水壓致裂實驗的水密封裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，在開採地熱的過程中，人工循環儲留層的建造是整個工程的關鍵也是難 點，其建造方法為巨型水壓致裂。目前尚有眾多問題如起裂壓力、理裂隙擴規律等值得進一 步研究。研究手段主要採用理論研究和數值計算的方法。而這兩種研究手段都無法真實的 反應現場工程的實際環境，由於邊界條件的複雜性，目前仍然沒有一種有效的設備和方法 開展實驗室實驗。因此，設計了一種在高溫高壓下，對花崗巖進行水壓致裂實驗室研究的裝 置和方法。
[0003] 在裝置的研製過程中，使用高壓水射流設備提供最高400MPa的高壓水，作為水壓 致裂的壓力源。巖石內高壓水的密封為巖石水壓致裂實驗設計需要解決的關鍵技術，也是 相關實驗能否成功開展的決定性因素。
[0004] 目前的水壓致裂實驗採用的水密封技術較為落後，多採用鑽孔密封材料進行密 封，主要採用水泥沙漿和聚氨脂作為壓裂鑽孔的密封材料。前者封孔後容易產生收縮，導致 材料與孔壁結合處出現漏水現象，直接影響卸壓增透措施的效果；後者不僅材料價格過高， 而且抗壓性能較差，只能滿足一般水力壓裂技術的抗壓要求。綜上所述，在高溫高壓下，常 規的水密封方法都不能使用。在400MPa水壓下，微小的縫隙也能出現大流量的洩漏，使水 壓加載不到目標壓力。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是針對已有技術中存在的問題，提供一種結構簡單、耐高溫、價格低 廉、密封效果好的基於高溫高壓條件下水壓致裂實驗的水密封裝置。
[0006] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：本發明的基於高溫高壓環境下巖石 試樣水壓致裂實驗的水密封裝置，包括開有一盲孔的巖石試樣，巖石試樣的盲孔內插裝有 金屬水管，盲孔內的金屬水管上間隔套裝有多個金屬墊圈和楔形密封紫銅圈，多個金屬墊 圈和楔形密封紫銅圈之上設有與金屬水管相匹配的鎖緊螺母，金屬水管的外露端上設有封 住巖石試樣孔口的封孔螺母。
[0007] 所述的楔形密封紫銅圈包括楔形上方紫銅封、與上方紫銅封契合在一起的楔形下 方紫銅封。
[0008] 所述的金屬墊圈為圓柱環體，金屬墊圈的內環直徑略大於金屬水管的外徑，金屬 墊圈的外環直徑略小於巖石試樣的盲孔孔徑。
[0009] 所述的金屬水管為階梯形的鋼製鑄件，金屬水管中部的第一個階梯處加工有螺紋 一，金屬水管上部第二階梯處設有螺紋二，螺紋一的外徑等於金屬水管下部的水管外徑，螺 紋二的外徑等於金屬水管中部的水管外徑；鎖緊螺母與金屬水管的金屬水管中部螺紋配 套，封孔螺母與金屬水管頂部螺紋的螺紋配套。
[0010] 所述間隔套裝的多個金屬墊圈和楔形密封紫銅圈為2?4組。
[0011] 有益效果：本發明通過增設楔形密封紫銅圈，在預裝楔形密封紫銅圈時，對楔形密 封紫銅圈施加壓力，使其貼緊巖石孔壁。隨著實驗壓力室溫度的升高，楔形密封紫銅圈和巖 石在受熱膨脹時，由於紫銅的膨脹係數大於巖石的膨脹係數，使兩者進一步貼緊。當注入高 壓水時，水壓從楔形密封紫銅圈下方擠壓楔形密封紫銅圈下方銅封，使其向上運動並與上 方銅封沿銅封接觸斜面產生挫動，在試驗機內最高可達600°C高溫的條件下，紫銅變軟更容 易變形，從而使楔形密封紫銅圈膨脹並起到封孔作用，克服了傳統水密封材料或方法在高 溫高壓環境下失效的缺點，特別適用於高溫高壓的工作環境，具有密封效果好、材料延展性 好、抗腐蝕的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是本發明楔形密封紫銅圈的結構示意圖； 圖3是本發明金屬水管的結構示意圖； 圖4是本發明金屬水管結構示意圖。
[0013]
[0014]
[0015] 圖中：1、封孔螺母；2、金屬水管；3、鎖緊螺母；4、巖石試樣；5、金屬墊圈；6、楔形 密封紫銅圈；2-1、金屬水管中部螺紋；2-2、金屬水管頂部螺紋；6-1、楔形密封紫銅圈上方 銅封；6-2、楔形密封紫銅圈下方銅封。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明的一個實施例作進一步的描述：
[0017] 如圖1所示，本發明基於高溫高壓環境下巖石試樣水壓致裂實驗的水密封裝置， 主要由封孔螺母1、金屬水管2、鎖緊螺母3、巖石試樣4、金屬墊圈5和楔形密封紫銅圈6組 成。在巖石試樣4上開有一盲孔，向巖石試樣4的盲孔內插裝有金屬水管2,盲孔內的金屬 水管2上間隔套裝有多個金屬墊圈5和楔形密封紫銅圈6,多個金屬墊圈5和楔形密封紫銅 圈6之上設有與金屬水管2相配合的鎖緊螺母3,金屬水管2的外露端上設有封住巖石試樣 4孔口的封孔螺母1 ;所述間隔套裝的多個金屬墊圈5和楔形密封紫銅圈6為2?4組，圖 1所示為3組。
[0018] 圖2為楔形密封紫銅圈6的結構原理圖。所述的楔形密封紫銅圈6包括楔形上方 紫銅封6-1、與上方紫銅封6-1契合在一起的楔形下方紫銅封6-2。楔形密封紫銅圈6的結 構為兩片有斜面的銅封對扣，包括上方銅封6-1和下方銅封6-2。下方銅封6-2的外邊面 為堅直面，緊貼巖石試樣4的鑽孔孔壁，內邊面為斜面。上方銅封6-1的外邊面為斜面，斜 率與下方銅封6-2的斜面相同，對扣時兩個銅封的斜面可緊密接觸，內邊面堅直，可與金屬 水管2緊密接觸。所述的金屬墊圈5為圓柱環體，金屬墊圈5的內環直徑略大於金屬水管 2的外徑，金屬墊圈5的外環直徑略小於巖石試樣4的鑽孔孔徑。楔形密封紫銅圈上、下方 為金屬墊圈5,可分別抵住上方銅封6-1和下方銅封6-2,安裝時，按壓上面的金屬墊圈5使 上、下銅封沿斜面相對挫動，上方銅封6-1向內膨脹壓緊金屬水管2,下方銅封6-2向外膨脹 壓緊巖石試樣4的鑽孔孔壁。
[0019] 所述的金屬水管2為階梯形的鋼製鑄件，金屬水管2中部的第一個階梯處加工有 螺紋一 2-1，金屬水管2上部第二階梯處設有螺紋二2-2,螺紋一 2-1的外徑等於金屬水管 2下部的水管外徑，螺紋二2-2的外徑等於金屬水管2中部的水管外徑；鎖緊螺母3與金屬 水管2的金屬水管中部螺紋2-1配套，封孔螺母1與金屬水管頂部螺紋2-3的螺紋配套。
[0020] 使用時，首先在尺寸為(p200mmx400mm的巖石試樣4的端面中心，鑽進直徑 25mm、深210mm的孔，將金屬墊圈5放入孔中，再將金屬水管2插入孔中。將楔形密封紫銅 圈6按順序穿過金屬水管2放入孔中，上面再放置金屬墊圈5,使用工具按壓金屬墊圈5,使 楔形密封紫銅圈6膨脹壓緊金屬水管2和巖石試樣4孔壁。按以上方法依次裝入第二、第 三個楔形密封紫銅圈6,三個楔形密封紫銅圈6裝完後，將鎖緊螺母3和封孔螺母1旋緊於 金屬水管2面，並壓住巖石試樣4。實驗時，把裝有水密封裝置的巖石試樣4裝入壓力室，然 後從金屬水管2的頂部開始注入高壓水，高壓水沿金屬水管2滲入巖石試樣4的裂隙中， 隨著溫度的升高，楔形密封紫銅圈6和巖石試樣4都產生膨脹，而楔形密封紫銅圈6的膨脹 係數大於巖石試樣4使得兩者進一步貼緊。再經過金屬水管2注入的高壓水，水壓從楔形 密封紫銅圈6下方擠壓下方銅封6-2,使其向上運動並與上方銅封6-1沿著斜面產生相對挫 動。而在高溫下，紫銅變軟更容易變形，從而使楔形密封紫銅圈6膨脹並起到封孔作用，從 而使高壓水集中作用於巖石試樣4的裂隙，使巖石試樣4破裂。
【權利要求】
1. 一種基於高溫高壓環境下巖石試樣水壓致裂實驗的水密封裝置，其特徵在於：它包 括開有一盲孔的巖石試樣（4)，巖石試樣（4)的盲孔內插裝有金屬水管（2)，盲孔內的金屬 水管（2)上間隔套裝有多個金屬墊圈（5)和楔形密封紫銅圈（6)，多個金屬墊圈（5)和楔形 密封紫銅圈（6)之上設有與金屬水管（2)相配合的鎖緊螺母（3)，金屬水管（2)的外露端上 設有封住巖石試樣（4 )孔口的封孔螺母（1)。
2. 根據權利要求1所述的基於高溫高壓環境下巖石試樣水壓致裂實驗的水密封裝 置，其特徵在於：所述的楔形密封紫銅圈（6)包括楔形上方紫銅封（6-1)、可與上方紫銅封 (6-1)契合在一起的楔形下方紫銅封（6-2)。
3. 根據權利要求1所述的基於高溫高壓環境下巖石試樣水壓致裂實驗的水密封裝置， 其特徵在於：所述的金屬墊圈（5)為圓柱環體，金屬墊圈（5)的內環直徑略大於金屬水管 (2)的外徑，金屬墊圈（5)的外環直徑略小於巖石試樣（4)的鑽孔孔徑。
4. 根據權利要求1所述的基於高溫高壓環境下巖石試樣水壓致裂實驗的水密封裝置， 其特徵在於：所述的金屬水管（2)為階梯形的鋼製鑄件，金屬水管（2)中部的第一個階梯處 加工有螺紋一（2-1)，金屬水管（2)上部第二階梯處設有螺紋二（2-2)，螺紋一（2-1)的外徑 等於金屬水管（2)下部的水管外徑，螺紋二（2-2)的外徑等於金屬水管（2)中部的水管外 徑；鎖緊螺母（3)與金屬水管（2)的金屬水管中部螺紋（2-1)配套，封孔螺母（1)與金屬水 管頂部螺紋（2-3)的螺紋配套。
5. 根據權利要求1所述的基於高溫高壓環境下巖石試樣水壓致裂實驗的水密封裝置， 其特徵在於：所述間隔套裝的多個金屬墊圈（5)和楔形密封紫銅圈（6)為2?4組。
【文檔編號】G01N3/02GK104374637SQ201410610735
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】萬志軍, 周鵬, 周長冰, 王志民, 張源, 程敬義 申請人:中國礦業大學