本发明涉及油气实验，具体涉及一种用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统。
背景技术：
1、页岩气是一种重要的非常规天然气资源，其开采对于能源供应和经济发展具有重要意义。然而，由于页岩岩层的低渗透性和低孔隙度，传统的开采技术无法有效地释放页岩气。水力劈裂技术被广泛应用于页岩气开采中，以增加岩石渗透性并提高气体产量。水力劈裂技术是通过将大量高压水和添加剂注入岩石裂缝中，使岩层发生裂缝并增加渗透性。这种技术的关键是准确控制水压力、注入速率和水力劈裂液的组成，以实现最佳的裂缝扩展效果。因此，对水压劈裂过程的研究具有重要意义。
2、在水压劈裂过程中，液体在岩石中形成高压裂缝，并迅速传播，导致岩石的断裂和变形。研究水压劈裂液在岩石中的流动和扩散行为，可以帮助我们理解裂缝的形成和扩展机制，以及岩石的破坏过程。此外，研究水压劈裂过程中的应力分布和岩石响应，有助于优化水力劈裂参数的选择，提高开采效率和产量。
3、此外，水力劈裂技术对环境的影响也是研究的重要方面。水压劈裂液中的添加剂和产生的废水可能对地下水和环境造成污染风险。因此，研究水力劈裂过程中的液体流动和迁移行为，以及对环境的潜在影响，对于制定环境保护措施和可持续开采策略至关重要。目前随着油气资源的开采技术的不断革新与发展，在新的能源-页岩气的开采方面，相关的水力压裂装置以及循环注水等降低地震发生的方法近年来取得了重要的研究成果，涉及的压裂以及渗流的装置与方法的专利也已经取得了重要的突破，但其专利基本只对零孔隙压力岩石试件开展压裂或者单纯渗流试验，针对含孔隙压力岩石的三轴压裂剪切渗流装置与方法方面的专利极为缺少。
4、针对压裂渗流装置与方法的专利能够获得如现有的公开号为：cn108362622a，名称为一种保持岩石应力实现不同方向渗流的真三轴夹持装置，属于油气实验技术领域，该试验装置通过测量同一方向岩石试件两壁面的流量与压力差，实现真三轴地应力条件下的各向异性渗透率测量。然而现有技术存在以下缺点：1.现有三轴装置不能真实模拟岩石在剪切渗流过程中承受冲击荷载和地震荷载下的力学行为；2.现有技术在进行岩石三轴压缩和剪切过程时，不能进行动荷载实验。如三向简谐荷载、三角波和地震荷载；3.现有技术对于立方体试件在剪切过程中的对液体的封堵效果不好，也不能注入有腐蚀性，具有一定温度的液体；4.现有技术在动态剪切的过程中不能叠加冲击荷载，而真实的工程实际中，岩石不仅承受周期性的动荷载，还可能出现一些突然的冲击荷载；5.现有技术不能很好地模拟岩石真实受力条件下的压裂过程。
技术实现思路
1、本发明提供一种能够真实模拟岩石在剪切渗流过程中承受动态荷载下的力学行为的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统。
2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
3、一种用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，包括控制箱，还包括：
4、主体框架；
5、支撑工装，所述支撑工装设置在主体框架内部，用于固定待测件；
6、围压加载装置，所述围压加载装置设置在主体框架内部，用于对试样周向施加载荷；
7、轴压加载装置，所述轴压加载装置包括设置在主体框架顶部的主油缸、设置在主油缸输出端用于变刚度实验的变刚度机构以及设置在变刚度机构输出端的冲击机构；
8、注水注气装置，所述注水注气装置用于以单调和/或循环方式向试样注水和/或注气；以及
9、监测装置，所述监测装置用于监测试样实验过程中的受力、变形及现象。
10、优选的，所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统还包括设置在主体框架底部的旋转装置，所述支撑工装与旋转装置的输出端相连。
11、优选的，所述主体框架包括两相对设置的架体以及设置在两架体之间用于形成试验空间的容置部。
12、优选的，所述支撑工装包括工装本体、设置在工装本体顶部的下模座以及相对于下模座设置在冲击机构输出端的上模座，其中，待测试样设置在所述下模座和上模座之间。
13、优选的，所述围压加载装置包括设置在支撑工装外围的围压缸以及设置在围压缸外围的加热箱。
14、优选的，所述冲击机构为设置在变刚度机构输出端的冲击缸。
15、优选的，所述注水注气装置包括注气机构、注水机构、设置在注气机构输出端和注水机构输出端用于从上模座一侧向所述试样以单调和/或循环方式注水和/或注气的第一注入部以及设置在注气机构输出端和注水机构输出端用于从下模座一侧向所述试样以单调和/或循环方式注水和/或注气的第二注入部。
16、优选的，所述注气机构包括气体储存罐、设置在气体储存罐上的增压气泵以及设置在气体储存罐输出端的输出气管；所述注水机构包括两对称设置的注水泵、设置在注水泵输出端的输出水管、加热水槽、设置在加热水槽内用于向注水泵提供液压油的油源以及用于加热水槽加热的加热电源。
17、优选的，所述第一注入部包括高压储存箱、设置在高压储存罐进口端且与两注水泵的输出水管连通设置用于向高压储存箱注水和/或注气的第一注入管以及设置在高压储存罐出口用于经上模座向试样注水和/或注气的第二注入管；所述第二注入部包括与输出气管和输出水管连通设置用于经下模座向试样注水和/或注气的第三注入管。
18、优选的，所述监测装置包括设置在围压缸内侧用于测量试样竖向变形的竖向变形传感器以及设置在围压缸内侧的摄像探头。
19、由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
20、1.本发明中，主体框架作为仪器加载装置的外部承载装置使用，起固定仪器各部分的作用，支撑工装设置在主体框架内部，用于固定待测试样，轴压加载装置和围压加载装置可以编制动态力，例如正正弦波、三角波也可以是毫无规律的地震波，用于分别从轴向和周向对试样施加荷载，同时注水注气装置可以单调和/或循环方式向试样注水和/或注气，且在试验过程中，监测装置可对试样试验过程中的受力、变形及现象情况进行采集，从而可以真实模拟岩石在剪切渗流过程中承受冲击荷载和地震荷载下的力学行为，并可以在动态剪切的过程中叠加冲击荷载，以模拟真实的工程实际中岩石所承受的周期性动荷载以及突然的冲击荷载，以便于更好的模拟岩石真实受力条件下的压裂过程。
21、2.本发明中，注水注气的方式可以是单调注水注气，也可以是循环注水注气(正弦波注水注气、三角波注水注气或者是方波注水)，并且注水的温度可以控制，注气的温度和湿度也可以控制，能模拟的实验更具真实性；围压缸的外面设有一层加热箱，可以为实验提供恒温的环境，降低了一定温度的气体或者液体注入时，在实验过程中温度的降低和热能的耗散。
22、3.本发明中，主体框架的底部设置旋转装置，除了进行单轴、三轴动态剪切试验，注水注气动态三轴实验外，还可以进行单轴、三轴完整岩石试样的扭剪试验，扩宽了试验的种类；不仅可以实现动态荷载、恒定荷载试验，还可以进行变刚度实验，分析室内地震的成因。
1.一种用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，包括控制箱(10)，其特征在于，还包括：
2.根据权利要求1所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统还包括设置在主体框架(20)底部的旋转装置(80)，所述支撑工装与旋转装置的输出端相连。
3.根据权利要求1所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述主体框架(20)包括两相对设置的架体(210)以及设置在两架体之间用于形成试验空间的容置部(220)。
4.根据权利要求3所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述支撑工装包括工装本体(310)、设置在工装本体顶部的下模座(320)以及相对于下模座设置在冲击机构输出端的上模座(330)，其中，待测试样设置在所述下模座和上模座之间。
5.根据权利要求4所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述围压加载装置包括设置在支撑工装外围的围压缸(410)以及设置在围压缸外围的加热箱(420)。
6.根据权利要求5所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述冲击机构(530)为设置在变刚度机构输出端的冲击缸。
7.根据权利要求5所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述注水注气装置包括注气机构、注水机构、设置在注气机构输出端和注水机构输出端用于从上模座(330)一侧向所述试样以单调和/或循环方式注水和/或注气的第一注入部以及设置在注气机构输出端和注水机构输出端用于从下模座(320)一侧向所述试样以单调和/或循环方式注水和/或注气的第二注入部。
8.根据权利要求7所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述注气机构包括气体储存罐(611)、设置在气体储存罐上的增压气泵(612)以及设置在气体储存罐输出端的输出气管(613)；所述注水机构包括两对称设置的注水泵(621)、设置在注水泵输出端的输出水管(622)、加热水槽(623)、设置在加热水槽内用于向注水泵提供液压油的油源(624)以及用于加热水槽加热的加热电源(625)。
9.根据权利要求8所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述第一注入部包括高压储存箱(631)、设置在高压储存罐进口端且与两注水泵(621)的输出水管(622)连通设置用于向高压储存箱注水和/或注气的第一注入管(632)以及设置在高压储存罐出口用于经上模座(330)向试样注水和/或注气的第二注入管(633)；所述第二注入部包括与输出气管(613)和输出水管(622)连通设置用于经下模座(320)向试样注水和/或注气的第三注入管(641)。
10.根据权利要求5所述的用于页岩气开采的注水注气剪切与水压劈裂室内模拟系统，其特征在于，所述监测装置包括设置在围压缸(410)内侧用于测量试样竖向变形的竖向变形传感器(710)以及设置在围压缸内侧的摄像探头(720)。
