CN102031954B - 煤岩钻孔水力致裂实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤岩钻孔水力致裂实验装置，包括样品装置系统、围压系统、致裂系统、封闭系统和监测系统，样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；围压系统包括充气子系统和充水子系统，致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通；封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置；监测系统包括设在样品缸外壁上的声发射传感器。本发明可以在实验室进行模拟实验，查明煤矿井下本煤层钻孔水力压裂过程裂缝起裂、扩展、延伸变化规律，了解裂缝延伸方向，进而指导现场压裂，从而大大提高压裂效果。

Description

煤岩钻孔水力致裂实验装置
技术领域
本发明涉及一种煤岩钻孔水力致裂实验装置。
背景技术
我国煤储层“低渗”特点决定了井下瓦斯治理或地面煤层气开发时都需对煤储层进行改造，水力压裂是目前煤层气井地面开发或井下瓦斯治理的重要手段之一。地面煤层气井水力压裂设计的好坏直接关系到后期产气量的高低，而查明水力压裂时裂缝起裂、扩展、延伸变化规律是进行水力压裂参数优化的基础。查明井下钻孔水力压裂时裂缝起裂、扩展、延伸变化规律是进行钻孔参数优化、水力压裂参数优化的基础。对煤储层的基本情况了解地越充分，越有利于提高水力压裂的效果。而以往的压裂指导大多只是依据纯粹的数学理论或压裂模拟软件进行模拟，不能直观的了解到压裂过程中裂缝是如何形成的以及裂缝的延伸方向。
目前，地面水力压裂设计主要依据建立的水力压裂模拟软件进行模拟，现实情况的多变性和影响因素的复杂性，在一定程度上就使理论推导与现实有一定的差距，对压裂现场的指导不够准确，影响着压裂效果，最终影响地面煤层气井产气量或井下瓦斯抽采（放）效果。因此，查明水力压裂时裂缝变化情况显得极其重要。目前没有能够模拟煤岩钻孔水力致裂情况的实验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤岩钻孔水力致裂实验装置，能够通过实验室模拟不同煤体结构、不同地应力大小、不同钻孔深度下煤岩水力压裂，查明煤岩裂缝起裂、扩展、延伸变化规律，进而指导现场生产，提高压裂效果。
为实现上述目的，本发明的煤岩钻孔水力致裂实验装置包括样品装置系统、围压系统、致裂系统、封闭系统和监测系统，样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；围压系统包括充气子系统和充水子系统，充气子系统包括高压气泵和实验缸，实验缸底部设有支撑底座，高压气泵的出口通过输气管路与实验缸的上部相连通，高压气泵的进口通过进气管连通设有储气罐，输气管路上设有充气阀门、气路流量计和气路压力表，所述样品缸设在所述实验缸内的支撑底座上；充水子系统包括高压充水泵，高压充水泵的进水口连通设有充水水箱，高压充水泵的出水口通过充水管路与实验缸的底部相连通，充水管路上设有充水阀门、充水流量计和充水压力表；所述出水管的出水口伸出所述样品缸和所述实验缸；致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的进水口连通设有致裂水箱，致裂高压水泵的出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通，致裂管路上设有致裂控制阀、致裂压力表和致裂流量计；封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置，样品缸密封装置包括上钢板和下钢板，上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于样品缸的直径，上、下钢板之间设有橡胶垫，橡胶垫的直径大于样品缸的直径；实验缸密封装置包括实验缸上钢板和实验缸下钢板，实验缸上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于实验缸的直径，实验缸上、下钢板之间设有实验缸橡胶垫，实验缸橡胶垫的直径大于实验缸的直径；监测系统包括设在样品缸外壁上的声发射传感器，声发射传感器外罩设有密封罩。
所述监测系统还包括有设在实验缸外的照相机。
所述样品为煤样或混合材料，混合材料的成份包括矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水，采用混合材料模拟Ⅰ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：25：11，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟Ⅱ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：40：16.4，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟Ⅲ类煤样或Ⅳ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：60：24，上述材料混合后的凝固时间为35分钟。
所述实验缸为钢化玻璃实验缸。
所述封闭系统还包括有压设在实验缸密封装置顶部的压块，压块顶部设有限位块，限位块与实验室固定物相连接并用于限制压块的竖向位置。
本发明具有如下的优点：
1.本发明可以在实验室进行模拟实验，查明煤矿井下本煤层钻孔水力压裂过程裂缝起裂、扩展、延伸变化规律，了解裂缝延伸方向，进而指导现场压裂，从而大大提高压裂效果。
2. 照相机的设置，便于对致裂时裂起裂、延伸状况进行拍照记录。
3.样品直接采用煤样（包括Ⅰ至Ⅳ类煤样），理论上实验结果最佳，但由于煤体一般强度较低、不够完整，在制成的圆形或方形煤样上再钻出一定深度的方形孔难度很大，从而降低实验效率、提高实验成本。另外，原生结构煤可能制作成实验样品，但对于碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，几乎无法制成实验样品。采用按照不同的配比方案、凝固时间制成的混合材料来模拟Ⅰ至Ⅳ类煤样，不仅能够克服上述钻孔难、制成实验样品难的问题，同时模拟效果好，能够得出非常接近真实煤样的实验结果。
4. 实验缸为钢化玻璃实验缸，便于在试验过程中清晰看见裂缝延伸变化情况。
5. 压块的设置能够使实验缸密封装置与实验缸紧密压合在一起，从而提高密封效果；限位块的设置可以限制压块的竖向位置，从而防止压裂过程中高压流体引起密封系统松动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是样品缸密封装置和实验缸密封装置的剖视结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的煤岩钻孔水力致裂实验装置包括样品装置系统、围压系统、致裂系统、封闭系统和监测系统。
样品装置系统包括样品缸18，样品缸18内的底部设有筛筒9，筛筒9底部设有出水管9A。筛筒9上方的样品缸18内盛装有样品7，样品7内设有模拟钻孔7A。
围压系统包括充气子系统和充水子系统，充气子系统包括高压气泵1和实验缸8，实验缸8底部设有支撑底座10，高压气泵1的出口通过输气管路1A与实验缸8的上部相连通，高压气泵1的进口通过进气管1B连通设有储气罐2，输气管路1A上设有充气阀门12A、气路流量计14A和气路压力表15A，所述样品缸18设在所述实验缸8内的支撑底座10上；充水子系统包括高压充水泵11A，高压充水泵11A的进水口连通设有充水水箱3A，高压充水泵11A的出水口通过充水管路23与实验缸8的底部相连通，充水管路23上设有充水阀门12B、充水流量计14B和充水压力表15B。所述出水管9A的出水口伸出所述样品缸18和所述实验缸8并通入回水箱21中。
围压系统主要是提供实验过程中样品7周围的压力，通过气路流量计14A、充水流量计14B以及气路压力表15A、充水压力表15B得出流量及压力大小，通过充气阀门12A、充水阀门12B进行控制，使实验过程中围压能满足实验所要求的压力，且处于稳定状态，从而真实再现不同深度下煤层受力状态。本发明为使围压有较大的变化范围和较低的设备要求，通过注入水、气量来调节围压大小。具体方法为：首先根据实验要求注入适当量的气体，然后再注入水，通过调节注入的水量来控制围压的大小。同时根据实际实验要求的围压变化范围，来设计样品缸18下边高度，所依据的原则就是在充水加压过程中，水面不能高于样品缸18底的高度。
致裂系统包括致裂高压水泵11B，致裂高压水泵11B的进水口连通设有致裂水箱3B，致裂高压水泵11B的出水口通过致裂管路24与所述模拟钻孔7A相连通，致裂管路24上设有致裂控制阀12C、致裂压力表15C和致裂流量计14C。
致裂系统主要是对样品7进行水力压裂。通过致裂高压水泵11B向样品7充水，根据致裂压力表15C和致裂流量计14C的监测数据，调节致裂控制阀12C，以便根据实际情况调节流量。压裂后从样品7流出的水，经过筛筒9流出样品7，最后由出水管9A流入回水箱21。
封闭系统主要是对样品缸18和实验缸8进行封闭，包括样品缸密封装置6和实验缸密封装置5，样品缸密封装置6包括上钢板6A和下钢板6B，上、下钢板6A、6B皆为圆形设置且二者的直径皆稍小于样品缸18的直径，上、下钢板6A、6B之间设有橡胶垫6C，橡胶垫6C的直径大于样品缸18的直径；将样品缸密封装置6加在样品缸18内样品7上边后，要使其高于样品缸18高度，为后边加压做准备。实验缸密封装置5包括实验缸上钢板8A和实验缸下钢板8B，实验缸上、下钢板8A、8B皆为圆形设置且二者的直径皆稍小于实验缸8的直径，实验缸上、下钢板8A、8B之间设有实验缸橡胶垫8C，实验缸橡胶垫8C的直径大于实验缸8的直径。实验缸密封装置5设在实验缸8的顶部，并压设在所述样品缸密封装置6之上。封闭系统还包括有压设在实验缸密封装置5顶部的压块4，压块4顶部设有限位块13，限位块13与实验室固定物相连接并用于限制压块4的竖向位置。其中，实验室固定物可以是实验室固定建筑，如墙壁、柱子等，也可以是重型机械、固定机架等等。
监测系统包括设在样品缸18外壁上的声发射传感器16和设在实验缸8外的照相机25，实验过程中传感器对参数进行记录。声发射传感器16外罩设有密封罩17，使用时照相机25可以设置在距实验缸8较远处。
监测系统是通过安装在样品缸18外壁上的声发射传感器16来监测压裂过程中裂缝形成时应力变化情况，进而通过数据分析了解样品7的参数。为使声发射传感器16不受气体的影响，在其外边安装密封罩17。同时，在较远处安装照相机25，以便对致裂时裂缝起裂、延伸状况进行拍照记录。当然，照相机25也可以摄像机替代。
所述样品7为煤样（包括Ⅰ至Ⅳ类煤样）或混合材料，混合材料的成份包括矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水。
采用混合材料模拟Ⅰ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：25：11，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；
采用混合材料模拟Ⅱ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：40：16.4，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；
采用混合材料模拟Ⅲ类煤样或Ⅳ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：60：24，上述材料混合后的凝固时间为35分钟。
上述混合材料的配比方案总结后下表所述：
使用时按如下步骤进行实验：
（1）根据实验要求提前做好合适的样品7。具体做法为：根据实验要求进行样品7原料配比，配比时应根据实验要求做出不同深度、不同粗细的实验样品7。
（2）把各种设备放到预定位置，进行组装，检查实验系统的气密性。确保高压水泵、高压气泵1能满足正常工作所需的压力和流量；水箱要有足够的水，气罐有足够的气；确保充水管路23、充水水箱3A及高压充水泵11A之间密闭完好，确保致裂管路24、致裂水箱3B及致裂高压水泵11B之间密闭完好；确保各流量计和各压力表处于正常的工作状态。
（3）按照实验要求正确连接好实验装置，装入样品7，检查装置气密性是否良好，然后关闭所有阀门。
（4）首先打开充气阀门12A和高压气泵1，按照实验要求，充入适量气体，然后关闭充气阀门12A和高压气泵1。
（5）打开充水阀门12B和高压充水泵11A，充入水，直到充气处压力表视数达到要求的围压，然后关闭充水阀门12B和高压充水泵11A。
（6）开启致裂控制阀12C，启动致裂高压水泵11B，开始向模拟钻孔7A内注入高压水进行压裂，记录注入时压力、流量变化，并用照相机25拍摄整个裂缝起裂、延伸变化情况。
（7）当实验达到预定实验要求时，关闭致裂高压水泵11B和致裂控制阀12C。
（8）取出样品7，进行拍照、观测。
（9）清理各种仪器，整理数据及分析实验。
（10）提交实验报告。

Claims (5)

1.煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于：包括样品装置系统、围压系统、致裂系统、封闭系统和监测系统，
样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；
围压系统包括充气子系统和充水子系统，充气子系统包括高压气泵和实验缸，实验缸底部设有支撑底座，高压气泵的出口通过输气管路与实验缸的上部相连通，高压气泵的进口通过进气管连通设有储气罐，输气管路上设有充气阀门、气路流量计和气路压力表，所述样品缸设在所述实验缸内的支撑底座上；充水子系统包括高压充水泵，高压充水泵的进水口连通设有充水水箱，高压充水泵的出水口通过充水管路与实验缸的底部相连通，充水管路上设有充水阀门、充水流量计和充水压力表；所述出水管的出水口伸出所述样品缸和所述实验缸；
致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的进水口连通设有致裂水箱，致裂高压水泵的出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通，致裂管路上设有致裂控制阀、致裂压力表和致裂流量计；
封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置，样品缸密封装置包括上钢板和下钢板，上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于样品缸的直径，上、下钢板之间设有橡胶垫，橡胶垫的直径大于样品缸的直径；实验缸密封装置包括实验缸上钢板和实验缸下钢板，实验缸上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于实验缸的直径，实验缸上、下钢板之间设有实验缸橡胶垫，实验缸橡胶垫的直径大于实验缸的直径；
监测系统包括设在样品缸外壁上的声发射传感器，声发射传感器外罩设有密封罩。
2.根据权利要求1所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于：所述监测系统还包括有设在实验缸外的照相机。
3.根据权利要求1或2所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于：所述样品为煤样或混合材料，混合材料的成份包括矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水，
采用混合材料模拟Ⅰ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：25：11，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；
采用混合材料模拟Ⅱ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：40：16.4，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；
采用混合材料模拟Ⅲ类煤样或Ⅳ类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1：2：60：24，上述材料混合后的凝固时间为35分钟。
4.根据权利要求1或2所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于：所述实验缸为钢化玻璃实验缸。
5.根据权利要求1或2所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于：所述封闭系统还包括有压设在实验缸密封装置顶部的压块，压块顶部设有限位块，限位块与实验室固定物相连接并用于限制压块的竖向位置。
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