本发明涉及地质工程试验装置，尤其涉及一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置及方法。
背景技术：
1、水力压裂技术作为一项成熟的储层改造技术，被广泛应用于采矿工程、水利水电、油气藏开发等各个领域。压裂技术不仅可以在地下钻井形成人工裂缝，改造油气藏及地下矿井结构，扩大井底压力波及范围；同时还能在低渗透性的页岩、煤层内形成有效的流体渗流通道，提高工程作业中煤层气、页岩气等的开采效率。
2、真三轴仪是一种常用的模拟地层应力状态的土工测试仪器，能够对样品施加真正的三轴应力。区分于常规三轴试验仪器，真三轴可提供围压不同的三向应力，用来进行更为准确的地下应力施加对样品变形及压裂破坏行为进行研究，研究者们基于水力压裂，进一步提出可注入压裂液的真三轴煤岩体试样破坏装置。然而，装置在实际使用过程中存在一定问题：1.由于煤岩体的非均质性和多孔结构，难以获得真正代表性的试验样本，样本的大小和形状对于实验结果的准确性和可靠性具有重要影响，而专利1(cn111103198a)公开了一种带ct实时扫描的真三轴水力压裂实验装置及方法，能实现对煤岩样品的压裂试验及ct扫描分析，但装置采用小尺度样品50mm×50mm×100mm，无法满足大尺度煤岩体的压裂试验需求，限制真实场地条件下压裂效果的研究和工程应用中的煤岩体压裂行为的准确评估。2.试验装置通常难以模拟地下高温高压环境，而这些条件对于深部煤层开采和地热能开发等领域至关重要，且装置往往只能进行单一方面的试验，无法实现多物理场的综合模拟，专利2(cn207570982u)公开了一种施加非均布载荷的真三轴渗流实验结构及方法，该系统采用非均布载荷进行真三轴渗流试验研究，但该装置只进行渗流试验研究，不能进行多物理场研究。实际工程的煤岩体通常受到多因素共同影响(如温度、应力、渗流场等)，装置缺乏因素相互耦合影响的综合研究，影响复杂工程场景下压裂行为的准确预测和优化设计。3.专利3(cn113008682a)公开了一种天然气水合物储层真三轴水力压裂模拟试验装置及方法，但装置仅使用压力传感器、摄像监测数据，无法实现压裂过程中力学响应、应变分布、裂缝扩展等关键参数的监测。4.专利4(cn114216785a)公开了一种大尺寸真三轴煤岩体多场多相变频压裂试验装置，但大尺寸样品采用人工装样，拆装繁琐、速度较慢，操作和数据处理方面仍较为依赖人工操作和分析，缺乏自动化和智能化技术的应用。5.专利5(cn201410089591.4)公开了一种岩石真三轴试验加载系统，装置可实现多种加载试验，结构简单，操作难度低，但装置只能进行单一岩石压裂试验，无法在孔隙压力密闭的原位环境中进行水合物模拟试验。
3、综上所述，为了弥补发明专利1(cn111103198a)、专利2(cn207570982u)、专利3(cn113008682a)、专利4(cn114216785a)、专利5(cn201410089591.4)的不足，本发明装置重新设计和优化了高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，以实现大尺寸样品的三向应力施加，多种压裂介质注入的对比研究，煤岩体与生成水合物的多样品式压裂过程研究，实现多物理场变化控制(流固场、低温场、裂隙场和压力场)，更好地研究煤岩及水合物样品的裂隙起裂扩展规律、体积压裂改造、岩石碎裂等特性，为煤岩体及水合物的力学特性、应力、破碎方式等技术研究提供准确理论基础。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置及方法。
2、本发明所采用的具体技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供了一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，包括第一气体注入系统、第二气体注入系统、出口分离系统和高应力高压真三轴仪；
4、所述高应力高压真三轴仪包括反应釜、试样主体、压板、支撑板和釜盖；所述反应釜具有密封内腔，内腔中放置有试样主体；所述试样主体包括试样、加载板和气液分布板；所述试样为正六面体结构，六个面外侧分别贴合覆盖放置加载板，与试样接触的加载板一侧面上均匀布设有声发射探头；试样顶部中心开设有竖直的井筒，井筒顶部外接压裂液导入通道，全封闭胶套套设于六个加载板外部并将加载板与试样固定压紧密封连接；位于底面的加载板与试样之间夹持放置有气液分布板，气体分布板底部外接气体进入通道；所述试样上侧外接数据采集通道，左侧外接渗流进入通道，右侧外接渗流排出通道；所述压裂液导入通道与用于注入超临界co2气体的第一气体注入系统相连，气体进入通道与用于注入氮气或甲烷的第二气体注入系统相连，各声发射探头通过数据采集通道与声发射及分布式光纤传感器相连，渗流排出通道与用于三相分离的出口分离系统相连；
5、所述试样主体的下部、左部和后部分别通过支撑板与反应釜内壁接触，上部、右部和前部分别设有压板；所述压板与反应釜密封滑动连接，能与对侧的支撑板共同对试样主体进行夹持以施加应力，压板的一端位于反应釜外部且连接有釜盖；所述釜盖包括釜盖主体、压柱、位移传感器和第四压力传感器；所述釜盖主体为筒状结构，与反应釜可拆卸式连接，内腔中滑动连接有压柱；所述压柱的一端与压板同轴固定连接，另一端与能够驱使其轴向运动的地应力加载系统相连，与地应力加载系统相连的一端设有位移传感器和第四压力传感器。
6、作为优选，所述井筒与试样之间接触的侧壁面覆盖有用于密封的密封胶套，压裂液导入通道的一端依次贯穿反应釜侧壁、试样顶部的加载板并与井筒顶部密封连通。
7、作为优选，所述加载板的横截面与试样的径向横截面尺寸相同。
8、作为优选，沿气体流动方向，所述第一气体注入系统包括依次通过管路连通的co2气瓶、第一阀门、低温水浴槽、第二阀门、超临界co2注入泵、带有温度传感器的预热器、第三阀门和第一压力传感器，管路上还设有与第三阀门并联的支路，支路上设有加砂器和第四阀门。
9、作为优选，沿气体流动方向，所述第二气体注入系统包括依次通过管路连通的气源主体、气体增压泵、第七阀门、气体流量传感器、缓冲容器、第八阀门、调压阀、第九阀门、气体流量控制器、第十阀门、第二压力传感器；所述气源主体包括并联的两条支路，第一支路连通具有第五阀门的氮气瓶，第二支路连通具有第六阀门的甲烷气瓶。
10、作为优选，沿气体流动方向，所述渗流排出通道包括依次通过管路连通的第三压力传感器、第十一阀门和气液固三相分离器；气液固三相分离器的气体出口通过管路与气体流量计相连，液体出口通过管路依次与第十二阀门和出口计量器相连，固体出口通过管路与干燥器相连。
11、作为优选，所述反应釜是由反应釜上壁、反应釜底板以及四块反应釜侧壁围成的中空六面体结构；下支撑板为水平横板，位于反应釜内腔中部，底部通过与反应釜底板固定的下支柱支撑，板面上方分别放置有位于试样主体左部和后部的第一侧支撑板和第二侧支撑板；反应釜底板下方对称连接有若干底部支架，各底部支架之间通过底部连接板相连为整体。
12、作为优选，所述釜盖与反应釜之间通过螺钉和螺母可拆卸式连接。
13、作为优选，各所述传感器均与上位机相连以实现数据实时传输。
14、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置的试验方法，具体如下：
15、s1：切割水土混合物成正六面体结构并对其表面进行打磨以降低粗糙度，烘干后得到试样；在试样顶部中心处钻出中心孔并进行清洗，干燥后在中心孔中插入井筒，并在井筒与试样之间的空隙处加装密封胶套；在试样六个面外侧分别放置带有声发射探头的加载板，并用全封闭胶套套设于加载板外部以将各加载板与试样固定压紧密封连接，得到试样主体；
16、s2：将试样主体放入反应釜内腔中，将井筒通过压裂液导入通道与第一气体注入系统相连，将气体进入通道与第二气体注入系统相连，将渗流排出通道与出口分离系统相连，将各声发射探头通过数据采集通道与声发射及分布式光纤传感器相连，将三个釜盖的外侧端与地应力加载系统的加载油缸轴向连接；
17、s3：利用液压油控温，将试样加热至设定温度，向加载油缸内通入液压油以驱动地应力加载系统对试样主体在x轴方向、y轴方向和z轴方向施加应力，并保持恒定；
18、s4：开启第二气体注入系统，向气体进入通道内注入氮气，以排空管路和试样内部的空气；
19、s5：开启第一气体注入系统，使二氧化碳加压达到所需超临界注入状态后通过压裂液导入通道注入井筒中，对试样进行压裂试验；若为压裂液注入试验，则利用加砂器将混合后的压裂液和携砂剂注入井筒中；随后对压裂试验后的试样进行渗流能力评价；
20、s6：开启渗流进入通道和渗流排出通道，将渗流气体通过渗流进入通道通入试样中，并从渗流排出通道排入出口分离系统，根据气体流量计记录流量状态以进行渗流能力评价；
21、s7：关闭各系统和阀门，收集各传感器数据，取出试样主体，对试样进行压裂裂缝及拓展分析；
22、s8：若为水合物压裂试验，则在s4后进行水合物生成操作，随后进行s6和s7；所述水合物生成操作具体如下：
23、开启第二气体注入系统，根据所需饱和度向气体进入通道内注入增压后的甲烷气体，控制甲烷气体流量，等待试样内部生成水合物，同时监测气体增压泵，待气体增压泵的气体体积读数趋于稳定后，关闭第二气体注入系统，完成水合物生成操作。
24、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
25、本发明的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，能够模拟地质深度下的高温高压环境，进行煤岩及水合物沉积物样品的真三轴压裂试验。装置适用于粘土岩、砂岩、页岩等类型的岩石样品，也可进行水合物原位生成及压裂实验，可探索样品在高应力、高温和多物理场作用下的力学特性及开展进一步关于煤层气、页岩气等领域的研究。装置能够对样品施加真正的三轴应力，并注入不同压裂介质，如超临界co2、液氮、水等，可以控制多物理场变化，如流固场、低温场、裂隙场和压力场等，以更好地研究岩石的裂隙起裂扩展规律、体积压裂改造、岩石碎裂特性等，能够为煤岩体及水合物的力学特性、应力、破碎程度等方面的研究提供准确可靠的数据。此外，该装置还能进行渗透率测试试验，以评估不同工况下不同流体的渗透性。各种试验参数由计算机进行控制、测量、显示、处理并打印，具有高集成度。装置使用方便可靠，可以更好地了解岩石及水合物沉积物等样品的物理、化学特性，为资源利用、开采和地质工程提供理论基础。
1.一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，包括第一气体注入系统、第二气体注入系统、出口分离系统和高应力高压真三轴仪(7)；
2.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，所述井筒(42)与试样(41)之间接触的侧壁面覆盖有用于密封的密封胶套(43)，压裂液导入通道(24)的一端依次贯穿反应釜侧壁(30)、试样(41)顶部的加载板(26)并与井筒(42)顶部密封连通。
3.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，所述加载板(26)的横截面与试样(41)的径向横截面尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，沿气体流动方向，所述第一气体注入系统包括依次通过管路连通的co2气瓶(1)、第一阀门(5-1)、低温水浴槽(2)、第二阀门(5-2)、超临界co2注入泵(3)、带有温度传感器(8-b)的预热器(4)、第三阀门(5-3)和第一压力传感器(8-a)，管路上还设有与第三阀门(5-3)并联的支路，支路上设有加砂器(6)和第四阀门(5-4)。
5.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，沿气体流动方向，所述第二气体注入系统包括依次通过管路连通的气源主体、气体增压泵(11)、第七阀门(5-7)、气体流量传感器(8-d)、缓冲容器(12)、第八阀门(5-8)、调压阀(13)、第九阀门(5-9)、气体流量控制器(14)、第十阀门(5-10)、第二压力传感器(8-c)；所述气源主体包括并联的两条支路，第一支路连通具有第五阀门(5-5)的氮气瓶(10)，第二支路连通具有第六阀门(5-6)的甲烷气瓶(9)。
6.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，沿气体流动方向，所述渗流排出通道(34)包括依次通过管路连通的第三压力传感器(8-e)、第十一阀门(5-11)和气液固三相分离器(19)；气液固三相分离器(19)的气体出口通过管路与气体流量计(18)相连，液体出口通过管路依次与第十二阀门(5-12)和出口计量器(16)相连，固体出口通过管路与干燥器(17)相连。
7.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，所述反应釜是由反应釜上壁(54)、反应釜底板以及四块反应釜侧壁(30)围成的中空六面体结构；下支撑板(45)为水平横板，位于反应釜内腔中部，底部通过与反应釜底板固定的下支柱(31)支撑，板面上方分别放置有位于试样主体(51)左部和后部的第一侧支撑板(27)和第二侧支撑板(48)；反应釜底板下方对称连接有若干底部支架(32)，各底部支架(32)之间通过底部连接板(33)相连为整体。
8.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，所述釜盖与反应釜之间通过螺钉(22)和螺母(29)可拆卸式连接。
9.根据权利要求1所述的一种高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置，其特征在于，各所述传感器均与上位机(20)相连以实现数据实时传输。
10.一种利用权利要求1～9任一所述高应力高压大尺寸真三轴压裂试验装置的试验方法，其特征在于，具体如下：
