基于高溫高壓條件下水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置制造方法
【專利摘要】一種基于高溫高壓條件下水壓致裂實(shí)驗(yàn)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于伸入巖石試樣內(nèi)部鉆孔的金屬水管上，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(gòu)成，楔形密封紫銅圈的內(nèi)外面均為豎直面。在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)最高可達(dá)600℃高溫條件下，楔形密封紫銅圈膨脹，內(nèi)外豎直面分別壓緊金屬水管和巖石孔壁，實(shí)現(xiàn)初期封孔。在實(shí)驗(yàn)機(jī)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(nèi)豎直面與金屬水管緊密接觸，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的高壓水密封。本實(shí)用新型通過在金屬水管外增設(shè)楔形密封紫銅圈來實(shí)現(xiàn)高溫、高載荷壓力條件下的水密封。其裝置結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、穩(wěn)定性好，適用于高溫高壓條件下的巖石的水壓致裂實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】基于高溫高壓條件下水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置，尤其是一種適用于巖石試樣在高溫高壓條件下水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在開采地?zé)岬倪^程中，人工循環(huán)儲留層的建造是整個工程的關(guān)鍵也是難點(diǎn)，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(kuò)規(guī)律等值得進(jìn)一步研究。研究手段主要采用理論研究和數(shù)值計算的方法。而這兩種研究手段都無法真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)場工程的實(shí)際環(huán)境，由于邊界條件的復(fù)雜性，目前仍然沒有一種有效的設(shè)備和方法開展實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。因此，設(shè)計了一種在高溫高壓下，對花崗巖進(jìn)行水壓致裂實(shí)驗(yàn)室研究的裝置和方法。
[0003]在裝置的研制過程中，使用高壓水射流設(shè)備提供最高400MPa的高壓水，作為水壓致裂的壓力源。巖石內(nèi)高壓水的密封為巖石水壓致裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，也是相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒﹂_展的決定性因素。
[0004]目前的水壓致裂實(shí)驗(yàn)采用的水密封技術(shù)較為落后，多采用鉆孔密封材料進(jìn)行密封，主要采用水泥沙漿和聚氨脂作為壓裂鉆孔的密封材料。前者封孔后容易產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致材料與孔壁結(jié)合處出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，直接影響卸壓增透措施的效果；后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(shù)的抗壓要求。綜上所述，在高溫高壓下，常規(guī)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(xiàn)大流量的泄漏，使水壓加載不到目標(biāo)壓力。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是針對已有技術(shù)中存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、價格低廉、密封效果好的基于高溫高壓條件下水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型的基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)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(nèi)插裝有金屬水管，盲孔內(nèi)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(shè)有與金屬水管相匹配的鎖緊螺母，金屬水管的外露端上設(shè)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(huán)體，金屬墊圈的內(nèi)環(huán)直徑略大于金屬水管的外徑，金屬墊圈的外環(huán)直徑略小于巖石試樣的盲孔孔徑。
[0009]所述的金屬水管為階梯形的鋼制鑄件，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(shè)有螺紋二，螺紋一的外徑等于金屬水管下部的水管外徑，螺紋二的外徑等于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:本實(shí)用新型通過增設(shè)楔形密封紫銅圈，在預(yù)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(shí)驗(yàn)壓力室溫度的升高，楔形密封紫銅圈和巖石在受熱膨脹時，由于紫銅的膨脹系數(shù)大于巖石的膨脹系數(shù)，使兩者進(jìn)一步貼緊。當(dāng)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(yùn)動并與上方銅封沿銅封接觸斜面產(chǎn)生挫動，在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)最高可達(dá)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并起到封孔作用，克服了傳統(tǒng)水密封材料或方法在高溫高壓環(huán)境下失效的缺點(diǎn)，特別適用于高溫高壓的工作環(huán)境，具有密封效果好、材料延展性好、抗腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本實(shí)用新型楔形密封紫銅圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是本實(shí)用新型楔形密封紫銅圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明金屬水管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]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(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的一個實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0018]如圖1所示，本實(shí)用新型基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)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(nèi)插裝有金屬水管2,盲孔內(nèi)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(shè)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(shè)有封住巖石試樣4孔口的封孔螺母I ;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。
[0019]圖2圖3為楔形密封紫銅圈6的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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的外邊面為豎直面，緊貼巖石試樣4的鉆孔孔壁，內(nèi)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(nèi)邊面豎直，可與金屬水管2緊密接觸。所述的金屬墊圈5為圓柱環(huán)體，金屬墊圈5的內(nèi)環(huán)直徑略大于金屬水管2的外徑，金屬墊圈5的外環(huán)直徑略小于巖石試樣4的鉆孔孔徑。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(nèi)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的鉆孔孔壁。
[0020]所述的金屬水管2為階梯形的鋼制鑄件，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(shè)有螺紋二 2-2，螺紋一 2-1的外徑等于金屬水管2下部的水管外徑，螺紋二 2-2的外徑等于金屬水管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I與金屬水管頂部螺紋2-3的螺紋配套。
[0021]使用時，首先在尺寸為<t200mmX400mm的巖石試樣4的端面中心,鉆進(jìn)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裝完后，將鎖緊螺母3和封孔螺母I旋緊于金屬水管2面，并壓住巖石試樣4。實(shí)驗(yàn)時，把裝有水密封裝置的巖石試樣4裝入壓力室，然后從金屬水管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(chǎn)生膨脹，而楔形密封紫銅圈6的膨脹系數(shù)大于巖石試樣4使得兩者進(jìn)一步貼緊。再經(jīng)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(yùn)動并與上方銅封6-1沿著斜面產(chǎn)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膨脹并起到封孔作用，從而使高壓水集中作用于巖石試樣4的裂隙,使巖石試樣4破裂。
【權(quán)利要求】
1.一種基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置，其特征在于:它包括開有一盲孔的巖石試樣(4),巖石試樣(4)的盲孔內(nèi)插裝有金屬水管(2),盲孔內(nèi)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(shè)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(shè)有封住巖石試樣(4)孔口的封孔螺母(I )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置，其特征在于:所述的金屬墊圈(5)為圓柱環(huán)體，金屬墊圈(5)的內(nèi)環(huán)直徑略大于金屬水管(2)的外徑,金屬墊圈(5)的外環(huán)直徑略小于巖石試樣(4)的鉆孔孔徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置，其特征在于:所述的金屬水管(2)為階梯形的鋼制鑄件，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(shè)有螺紋二(2-2)，螺紋一(2-1)的外徑等于金屬水管(2)下部的水管外徑，螺紋二(2-2)的外徑等于金屬水管(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(I)與金屬水管頂部螺紋(2-3)的螺紋配套。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫高壓環(huán)境下巖石試樣水壓致裂實(shí)驗(yàn)的水密封裝置，其特征在于: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】G01N3/02GK204154571SQ201420652106
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)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(yè)大學(xué)