用于室內(nèi)三軸水力壓裂試驗(yàn)的壓頭系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于實(shí)現(xiàn)脆性材料室內(nèi)三軸水力壓裂試驗(yàn)的壓頭系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源局勢(shì)的日趨緊張，諸如致密氣、煤層氣及頁(yè)巖氣等非常規(guī)能源引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。由于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層具有“低孔低滲”的低產(chǎn)特征，以水力壓裂為代表的壓裂技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣開采的主要手段。雖然目前極少數(shù)國(guó)家已經(jīng)具備非常規(guī)油氣商業(yè)化生產(chǎn)的能力，但是水力壓裂機(jī)理不明且成本過高仍然是一個(gè)世界性難題。特別是現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)條件下的壓裂生產(chǎn)更是難以預(yù)測(cè)與控制，此時(shí)室內(nèi)三軸水力壓裂成為探索壓裂機(jī)理的關(guān)鍵基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效的室內(nèi)壓裂設(shè)備顯得十分必要。
[0003]目前三軸壓裂試驗(yàn)局限于真三軸壓裂試驗(yàn)，然而，真三軸試驗(yàn)設(shè)備成本過高且相關(guān)技術(shù)不成熟，該方法對(duì)巖樣要求過高，一般采用300mmX300mmX300mm的大型立方體巖樣，耗時(shí)耗力且得到的壓裂機(jī)理并不明晰。因此，需要一種針對(duì)小尺寸壓裂試件(即巖樣)的室內(nèi)假三軸壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)，如采用國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)(ISRM)推薦的直徑X高度為50mmX 100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。相比于單軸壓裂，受限于試驗(yàn)儀器及其高壓密封性能，脆性材料的室內(nèi)假三軸水力壓裂鮮有相關(guān)資料。與此同時(shí)，常見的試驗(yàn)密封方式即采用強(qiáng)力膠密封連接壓裂試件與壓頭，以防止流體泄漏，但該方法導(dǎo)致制樣費(fèi)時(shí)、操作復(fù)雜且試驗(yàn)后需要高溫或銳器處理壓頭粘膠。由此可見，亟需一種操作簡(jiǎn)單、密封性好且適應(yīng)性強(qiáng)的室內(nèi)三軸壓裂試驗(yàn)的壓頭，此時(shí)機(jī)械領(lǐng)域運(yùn)用的側(cè)向密封及錐度密封原理成為突破點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了填補(bǔ)室內(nèi)假三軸壓裂試驗(yàn)的空白，且克服現(xiàn)有技術(shù)中強(qiáng)力膠密封方式導(dǎo)致的制樣費(fèi)時(shí)、操作復(fù)雜且試驗(yàn)后處理復(fù)雜的缺點(diǎn)，提供一種用于脆性材料室內(nèi)三軸水力壓裂試驗(yàn)的壓頭系統(tǒng)，該壓頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:用于室內(nèi)三軸水力壓裂試驗(yàn)的壓頭系統(tǒng)，包括壓頭單元、橡膠密封圈及螺母，所述壓頭單元為一體式結(jié)構(gòu)，依次包括頂部接頭、主體壓頭、下部管道及底部錐度密封接頭，頂部接頭、主體壓頭、下部管道及底部錐度密封接頭皆為同軸設(shè)置且中心軸處沿其軸向設(shè)有貫通孔，頂部接頭外表面設(shè)有凹槽，凹槽上設(shè)置有與其相匹配的橡膠密封圈；底部錐度密封接頭外表面設(shè)有外螺紋，所述螺母與外螺紋相匹配。
[0006]具體的，所述頂部接頭、主體壓頭、下部管道及底部錐度密封接頭都為圓柱體結(jié)構(gòu)。
[0007]具體的，所述凹槽為若干個(gè)，間隔設(shè)置在頂部接頭外表面。
[0008]進(jìn)一步的，所述頂部接頭的外徑范圍為5?10mm，所述主體壓頭外徑為50mm或100mmo
[0009]優(yōu)選的，所述壓頭單元的材質(zhì)為304不銹鋼。
[0010]優(yōu)選的，所述凹槽為半圓形凹槽。
[0011]具體的，所述底部錐度密封接頭的內(nèi)表面設(shè)有內(nèi)螺紋，內(nèi)螺紋與內(nèi)錐面相接。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，能夠快捷、高效地完成室內(nèi)三軸水力壓裂試驗(yàn)，密封效果好，能夠有效防止受壓流體泄漏，大大提高裝樣與卸樣的速度，減少人力、物力及時(shí)間的損失。本發(fā)明適用于不同流體壓裂及不同脆性材料的室內(nèi)單軸或三軸壓裂試驗(yàn)。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明與壓裂試件配套時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明中壓頭單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明中底部錐度密封接頭與外部管道及螺母連接使用時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4是本發(fā)明中橡膠密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5是本發(fā)明中六角螺母的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]其中，1為壓頭單元，2為橡膠密封圈，3為螺母，4為頂部接頭，41為半圓形凹槽，5為主體壓頭，6為下部管道，7為底部錐度密封接頭，71為內(nèi)錐面，72為內(nèi)螺紋，73為外螺紋，8為貫通孔，9為壓裂試件，10為外部管道。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0020]如圖1?2所示，用于室內(nèi)三軸水力壓裂試驗(yàn)的壓頭系統(tǒng)，包括壓頭單元1、橡膠密封圈2及螺母3，所述壓頭單元1為一體式結(jié)構(gòu)，依次包括依次連接的頂部接頭4、主體壓頭5、下部管道6及底部錐度密封接頭7。即頂部接頭4、主體壓頭5、下部管道6及底部錐度密封接頭7為一體化設(shè)計(jì)，整體加工，保證有良好的密封性。頂部接頭4、主體壓頭5、下部管道6及底部錐度密封接頭7皆為同軸設(shè)置，即同中心軸設(shè)置，且中心軸處沿其軸向設(shè)有貫通孔，以便于從壓頭單元1的底部注入流體。壓頭單元的中心即為中心軸，說明貫通孔沿頂部接頭4、主體壓頭5、下部管道6及底部錐度密封接頭7的中心軸設(shè)置，這幾個(gè)部分都被貫通孔貫通。由于巖石力學(xué)試驗(yàn)壓頭都一般都是圓柱體的，因此上述頂部接頭4、主體壓頭5、下部管道6及底部錐度密封接頭7優(yōu)選皆為圓柱體結(jié)構(gòu)，即中心軸處帶有貫通孔的圓柱體。
[0021]頂部接頭4用于連接固定壓裂試件，頂部接頭4外表面設(shè)有凹槽，凹槽上設(shè)置有與其相匹配的橡膠密封圈2。為了保證密封效果，所述凹槽為若干個(gè)，間隔設(shè)置在頂部接頭4外表面通過間隔放置橡膠密封圈2共同組成側(cè)向密封接頭，用于連接固定圖1中的壓裂試件。由于頂部接頭4的高度有限，凹槽數(shù)目?jī)?yōu)選為2個(gè)或是3個(gè)。壓裂試件采用現(xiàn)有技術(shù)中的壓裂試件即可，壓裂試件上都設(shè)有中心鉆孔，在具體使用過程中，將壓裂試件放在本發(fā)明設(shè)計(jì)的壓頭系統(tǒng)上部，直接套接在壓頭單元頂部即可。優(yōu)選的，由于與其匹配的橡皮密封圈是圓環(huán)狀，因此所述凹槽為半圓形凹槽41。與其相匹配的橡膠密封圈2的結(jié)構(gòu)如圖4所示，中空處正好能套入到半圓形凹槽41上，兩者充分貼合。橡膠密封圈2外徑應(yīng)當(dāng)略大于壓裂試件的中心鉆孔的直徑，從而緊密貼合達(dá)到側(cè)向密封的目的。橡膠密封圈2的個(gè)數(shù)根據(jù)試驗(yàn)注入的壓裂流體壓力及密封效果確定。如采用兩個(gè)氟橡膠材質(zhì)的橡膠密封圈2間隔設(shè)置，數(shù)量少，節(jié)約成本且能夠加強(qiáng)密封效果。
[0022]下部管道6用于連接主體壓頭5與底部錐度密封接頭7，底部錐度密封接頭7又與用于向貫通孔8中注入流體的外部管道