CN104020192A - 瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法，装置包括主腔体及连接在主腔体上的地应力模拟模块、充放瓦斯模块、水力压裂模块、电阻率测试模块。地应力模拟模块用于模拟煤体在现场条件下所处的应力状态；充放瓦斯模块用于向煤体充入瓦斯气体；水力压裂模块用于向煤体提供压力水；电阻率测试模块用于测试煤样水力压裂过程的电阻率信号。将现场取得的煤样放入装置主腔体，向主腔体充入瓦斯气体使煤样充分吸附并施加外载荷，向煤样预制钻孔内注入高压盐水对其进行压裂，同时测试该过程煤样内部的电阻率变化，通过电阻率对盐水的敏感响应连续监测煤体裂缝在三维空间的分布及时空演化过程。另外，本装置还能够确定不同条件下煤样合理的注水压力。

Description

瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法，属煤矿瓦斯灾害防治及煤矿安全技术领域，尤其适用于含瓦斯煤中水力压裂增透措施有效作用区域的测定实验测试装置及方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，但煤层赋存条件差异大，含瓦斯煤层多，瓦斯储量大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占矿井总数的50％以上。是随着煤炭生产的高效集约化和矿井开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸的威胁也越来越严重。瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全、高效生产的最重要因素。

解决高瓦斯煤层开采过程中瓦斯涌出问题的主要措施是瓦斯抽采，加强瓦斯抽采、实现“先抽后采”已被确立为瓦斯治理的治本之策，但传统的做法只能依靠增加钻探工程量、延长抽采时间等措施进行抽采，效果并不理想，造成回采和掘进过程中瓦斯超限频繁，安全隐患严重，这与构建本质安全型矿井不相符合，亟需新的瓦斯抽采及治理手段来改变这种困境。近年来，水力压裂(又称高压水力致裂)技术在矿井瓦斯治理方面应用较为广泛。实践证明，水力压裂能够对煤体起到良好的卸压增透作用，大大提高瓦斯抽采效率，最终达到良好的抽采及防突效果。

然而，目前水力压裂的效果评价仅停留在非常传统的手段，如考察钻屑量、含水量等传统指标及考察瓦斯抽采效果。这些参数均是对水力压裂潜在影响区域的“点评价”，即通过对水力压裂潜在影响区域内取固定地点岩芯测试相关参数进而对水力压裂是否影响到该点加以以评价，无法实现区内煤岩体结构演化的全面、时空连续评价，从而必然造成效果考察及后期瓦斯抽采施工的盲目性，不仅影响煤矿安全生产，也会导致施工成本的大幅提高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对煤矿水力压裂增透措施中存在的实际问题，克服已有技术中的不足之处，提供一种操作简单、测试全面、准确性高的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法。

技术方案：本发明的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，包括主腔体、地应力模拟模块、充放瓦斯模块、水力压裂模块及电阻率测试模块；

所述的主腔体包括底座、设在底座上的方形筒体和设在方形筒体上的上盖，方形筒体的前、后、左3个面为可观测水力压裂时煤样表面的实时破裂演化过程的有机玻璃，右面为开有导向孔的钢板，所述的底座上设有通向筒体内的左通道和右通道；

所述的地应力模拟模块包括穿过上盖进入主腔体内的柱塞和对柱塞)施加压力的压力机；

所述的充放瓦斯模块包括一端与瓦斯罐相连，另一端与底座的左通道相连的瓦斯导管)，瓦斯导管上依次设有瓦斯阀门和瓦斯压力表；还包括与底座的右通道相连的排气/水管，排气/水管上设有卸压阀；

所述水力压裂模块包括设在方形筒体内的煤样、一端与受控水泵相连，另一端穿过钢板导向孔进入煤样内的导水管，导水管上设有高压水表，所述煤样的顶底部分别设有金属垫块，金属垫块与煤样之间设有绝缘橡皮垫；

所述的电阻率测试模块包括电极片、电法仪和铜质漆包线，电极片设在煤样表面，呈十字均匀布置，铜质漆包线一端与电极片相连，另一端穿出上盖导线孔与电法仪相连。

所述的主腔体上盖与柱塞的配合面上设有密封圈。

所述进入煤样内的导水管管段表面与煤样之间上注有密封胶。

使用上述装置的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，包括如下步骤：

a.将煤矿井下取得的原煤加工成符合实验尺寸的正方体煤样，在煤样一侧面正中心位置施工一个压裂孔；

b.将导水管一端插入压裂孔，之后用密封胶对插入压裂孔内的导水管管段进行封孔；

c.利用导电胶将电极片耦合在煤样的前、后2个侧面上，每个电极片连出一根铜质漆包线；

d.将煤样从主腔体的上部装入，之后装好上盖，将铜质漆包线通过上盖导线孔与电法仪连接，将导水管与高压水表、受控水泵连接，并分别用密封螺栓密封；

e.关闭卸压阀门，将与瓦斯罐相连的瓦斯阀门打开，使瓦斯气体在低于0.1MPa的压力下通过底座左通道的进气嘴进入主腔体内，检查容器的气密性；

f.若无漏气，则调节瓦斯阀门，向主腔体中充入瓦斯气体，使煤样充分吸附瓦斯，若漏气，则重新检查主腔体气密性，直至密封良好后再充入瓦斯气体；

g.启动压力机，通过柱塞向煤样施加竖直方向的应力，应力大小与所取煤样实际的地应力大小一致；

h.打开受控水泵，通过导水管向煤样内部注水实施压裂，并打开电法仪采集电阻率信号，同时，通过有机玻璃观察煤样表面裂纹的演化及液体的渗出情况；

i.当有大量液体从煤样表面渗出时，关闭受控水泵停止注液；

j.依次关闭电法仪和瓦斯阀门，打开卸压阀，放出主腔体内的瓦斯气体，处理实验用过的煤样；

k.分析电阻率信号，通过电阻率变化云图反演水力压裂过程煤样内部裂隙场时空演化规律，电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

水力压裂裂隙场判断准则为：电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

所述压裂孔直径为8～12mm，孔深为煤样边长的1/2～2/3之间；导水管的直径为8～10mm，导水管插入深度及封孔深度为煤样边长的1/3～1/2。

所述向煤样中注入的高压液体为质量浓度为100％的盐水。

所述向煤样中注入的高压液体的压力逐渐增大，通过高压水表(23)及受控水泵(24)控制注液压力，压力增速不大于0.1MPa/min。

电极片在煤样的前、后两侧以正方形为中心按“十”字形均匀布置，横向和纵向布置的电极片数目均不少于8个。

每隔0.5min测试一组电阻率数据，利用电阻率的变化反演水力压裂过程中液体随裂隙的分布及扩展情况，进而研究裂隙场的分布及时空演化规律。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明充分考虑了腔体的密闭性，可实现不同瓦斯压力条件下的煤体水力压裂实验，同时可测试电阻率等地球物理指标；此外，通过电阻率对盐水的敏感响应连续监测煤体裂缝在三维空间的分布及时空演化过程的方法，对水力压裂过程煤体应力场、裂隙场及渗流场的时空演化的测试及研究具有重要的意义。通过电阻率响应监测水力压裂裂隙场的时空演化，其主要优点在于：

(1)由于盐水良好的导电性，电阻率响应具有较好的灵敏度，通过合理的布置电极片，本装置及方法能够全面反映水力压裂过程盐水在煤体内部的流动及扩散，进而得到裂隙场的时空演化；同时，由于电阻率信号的采集是连续的，该方法可实现连续测试，因此本装置及方法真正做到了含瓦斯煤水力压裂裂隙场的时空连续测试。

(2)本装置具有良好的气密性和加载装置，能够进行不同瓦斯压力和地应力条件下的水力压裂增透效果的实验测试，进而研究水力压裂过程中的气-固-液三相耦合问题。

(3)本装置结构简单，制作成本低，操作简单，可靠性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明的试验方法流程示意图。

图中：1-上盖，2-柱塞，3-底座，4-有机玻璃，5-开孔钢板，6-金属垫块，7-绝缘橡皮垫，8-煤样，9-电极片，10-铜质漆包线，11-密封胶，12-排气/水管，13-卸压阀，14-封胶螺栓，15-瓦斯导管，16-瓦斯阀门，17-瓦斯罐，18-瓦斯压力表，19-进气嘴，20-导水管，21-钢板导向孔，22-密封螺栓，23-高压水表，24-受控水泵，25-上盖导线孔，26-电法仪，27-压力机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：

如图1所示，本发明的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，由要由主腔体、地应力模拟模块、充放瓦斯模块、水力压裂模块及电阻率测试模块组成。所述的主腔体包括底座3、设在底座3上的方形筒体和设在方形筒体上的上盖1，方形筒体的前、后、左3个面为可观测水力压裂时煤样8表面的实时破裂演化过程的有机玻璃4，右面为开有导向孔21的钢板5，所述的底座3上设有通向筒体内的左通道和右通道，左通道和右通道入口处分别设有封胶螺栓14；

所述的地应力模拟模块地应力模拟模块由加载压力机27和柱塞2构成；柱塞2穿过上盖1进入主腔体内，柱塞2上设置施加压力的压力机27；所述的主腔体上盖1与柱塞2的配合面上设有密封圈；

所述的充放瓦斯模块包括一端与瓦斯罐17相连，另一端与底座3的左通道相连的瓦斯导管15，瓦斯导管15上依次设有瓦斯阀门16和瓦斯压力表18；还包括与底座3的右通道相连的排气/水管12，排气/水管12上设有卸压阀13；

所述水力压裂模块包括设在方形筒体内的煤样8、一端与受控水泵24相连，另一端穿过钢板导向孔21进入煤样8内的导水管20，导水管20上设有高压水表23，所述煤样8的顶底部分别设有金属垫块6，金属垫块6与煤样8之间设有绝缘橡皮垫7；所述进入煤样8内的导水管20管段表面与煤样之间上注有密封胶11；

所述的电阻率测试模块包括电极片9、电法仪26和铜质漆包线10，电极片9设在煤样8表面，呈十字均匀布置，铜质漆包线10一端与电极片9相连，另一端穿出上盖导线孔25与电法仪26相连。

充放瓦斯模块由进气嘴19与主腔体连接，利用封胶螺栓14密封进气嘴19；水力压裂模块通过导水管20穿过导水孔21连接受控水泵24与煤样8，利用密封螺栓22密封导水孔21；电阻率测试模块通过铜质漆包线穿过主腔体上盖1上的导线孔25导出主腔体与电法仪26相连，利用密封螺栓22密封导孔。

本发明的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，具体步骤如下：

a.试验前，将煤矿井下取得的原煤直接加工成符合实验尺寸的正方体煤样8，在煤样8任一侧面正中心位置利用手持电钻施工一个压裂孔；所述压裂孔直径为8～12mm，孔深为煤样8边长的1/2～2/3之间；导水管20的直径为8～10mm，导水管20插入深度及封孔深度为煤样8边长的1/3～1/2；

b.将导水管20一侧插入压裂孔，之后用密封胶11对插入压裂孔内的导水管20管段进行封孔；

c.待封孔完全凝固24h后，利用导电胶将电极片9耦合在煤样8的2个侧面上，每个电极片9连出一根铜质漆包线10；电极片9在煤样8的两侧以正方形为中心按“十”字形均匀布置，横向和纵向布置的电极片数目均不少于8个；

d.将煤样8从主腔体的上部装入，压裂孔面向方形筒体钢板5一侧，与钢板5上的钢板导向孔21相对应，之后装好上盖1，将铜质漆包线10通过上盖导线孔25与电法仪26连接，将导水管20通过导水孔22穿出主腔体与高压水表23、受控水泵24连接，并分别用密封螺栓22密封；

e.关闭卸压阀门13，将与瓦斯罐17相连的瓦斯阀门16打开，使瓦斯气体在低于0.1MPa的压力下通过底座3左通道的进气嘴19进入主腔体内，检查容器的气密性；

f.若无漏气，则调节瓦斯阀门16，向主腔体中充入瓦斯气体，使煤样8充分吸附瓦斯，若漏气，则重新检查主腔体气密性，直至密封良好后再充入瓦斯气体；

g.试验开始，启动压力机27，通过柱塞2向煤样8施加竖直方向的应力，应力大小与所取煤样实际的地应力大小一致；

h.之后，打开受控水泵24，通过导水管20向煤样8内部注入质量浓度为100％的盐水实施压裂，并打开电法仪26采集电阻率信号，同时，通过有机玻璃4观察煤样表面裂纹的演化及液体的渗出情况；所述向煤样中注入的高压液体的压力逐渐增大，通过高压水表23及受控水泵24控制注液压力，压力增速不大于0.1MPa/min；

i.当有大量液体从煤样8表面渗出时，关闭受控水泵24停止注液；

j.依次关闭电法仪26和瓦斯阀门16，打开卸压阀13，放出主腔体内的瓦斯气体，处理实验用过的煤样，整理实验装置；

k.每隔0.5min测试一组电阻率信号，通过电阻率变化云图反演水力压裂过程中煤样8内部裂隙的分布及扩展情况，进而研究裂隙场的分布及时空演化规律，水力压裂裂隙场判断准则为：电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

Claims (9)

1.一种瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，其特征在于：它包括主腔体、地应力模拟模块、充放瓦斯模块、水力压裂模块及电阻率测试模块；

所述的主腔体包括底座(3)、设在底座(3)上的方形筒体和设在方形筒体上的上盖(1)，方形筒体的前、后、左3个面为可观测水力压裂时煤样(8)表面的实时破裂演化过程的有机玻璃(4)，右面为开有导向孔(21)的钢板(5)，所述的底座(3)上设有通向筒体内的左通道和右通道；

所述的地应力模拟模块包括穿过上盖(1)进入主腔体内的柱塞(2)和对柱塞(2)施加压力的压力机(27)；

所述的充放瓦斯模块包括一端与瓦斯罐(17)相连，另一端与底座(3)的左通道相连的瓦斯导管(15)，瓦斯导管(15)上依次设有瓦斯阀门(16)和瓦斯压力表(18)；还包括与底座(3)的右通道相连的排气/水管(12)，排气/水管(12)上设有卸压阀(13)；

所述水力压裂模块包括设在方形筒体内的煤样(8)、一端与受控水泵(24)相连，另一端穿过钢板导向孔(21)进入煤样(8)内的导水管(20)，导水管(20)上设有高压水表(23)，所述煤样(8)的顶底部分别设有金属垫块(6)，金属垫块(6)与煤样(8)之间设有绝缘橡皮垫(7)；

所述的电阻率测试模块包括电极片(9)、电法仪(26)和铜质漆包线(10)，电极片(9)设在煤样(8)表面，呈十字均匀布置，铜质漆包线(10)一端与电极片(9)相连，另一端穿出上盖导线孔(25)与电法仪(26)相连。

2.根据权利要求1所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，其特征在于：所述的主腔体上盖(1)与柱塞(2)的配合面上设有密封圈。

3.根据权利要求1所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，其特征在于：所述进入煤样(8)内的导水管(20)管段表面与煤样之间上注有密封胶(11)。

4.一种使用权利要求1所述装置的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征于包括如下步骤：

a.将煤矿井下取得的原煤加工成符合实验尺寸的正方体煤样(8)，在煤样(8)一侧面正中心位置施工一个压裂孔；

b.将导水管(20)一端插入压裂孔，之后用密封胶(11)对插入压裂孔内的导水管(20)管段进行封孔；

c.利用导电胶将电极片(9)耦合在煤样的前、后2个侧面上，每个电极片(9)连出一根铜质漆包线(10)；

d.将煤样从主腔体的上部装入，之后装好上盖(1)，将铜质漆包线(10)通过上盖导线孔(25)与电法仪(26)连接，将导水管(20)与高压水表(23)、受控水泵(24)连接，并分别用密封螺栓(22)密封；

e.关闭卸压阀门(13)，将与瓦斯罐(17)相连的瓦斯阀门(16)打开，使瓦斯气体在低于0.1MPa的压力下通过底座(3)左通道的进气嘴(19)进入主腔体内，检查容器的气密性；

f.若无漏气，则调节瓦斯阀门(16)，向主腔体中充入瓦斯气体，使煤样(8)充分吸附瓦斯，若漏气，则重新检查主腔体气密性，直至密封良好后再充入瓦斯气体；

g.启动压力机(27)，通过柱塞(2)向煤样(8)施加竖直方向的应力，应力大小与所取煤样实际的地应力大小一致；

h.打开受控水泵(24)，通过导水管(20)向煤样(8)内部注水实施压裂，并打开电法仪(26)采集电阻率信号，同时，通过有机玻璃(4)观察煤样表面裂纹的演化及液体的渗出情况；

i.当有大量液体从煤样(8)表面渗出时，关闭受控水泵(24)停止注液；

j.依次关闭电法仪(26)和瓦斯阀门(16)，打开卸压阀(13)，放出主腔体内的瓦斯气体，处理实验用过的煤样；

k.分析电阻率信号，通过电阻率变化云图反演水力压裂过程煤样内部裂隙场时空演化规律，电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

水力压裂裂隙场判断准则为：电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

5.根据权利要求4所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征在于：所述压裂孔直径为8～12mm，孔深为煤样(8)边长的1/2～2/3之间；导水管(20)的直径为8～10mm，导水管(20)插入深度及封孔深度为煤样(8)边长的1/3～1/2。

6.根据权利要求4所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征在于：所述向煤样中注入的水为质量浓度为100％的盐水。

7.根据权利要求4或6所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征在于：所述向煤样中注入水的压力逐渐增大，通过高压水表(23)及受控水泵(24)控制注液压力，压力增速不大于0.1MPa/min。

8.根据权利要求4所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征在于：电极片在煤样的前、后两侧以正方形为中心按“十”字形均匀布置，横向和纵向布置的电极片数目均不少于8个。

9.根据权利要求4所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征在于：每隔0.5min测试一组电阻率数据，利用电阻率的变化反演水力压裂过程中液体随裂隙的分布及扩展情况，进而研究裂隙场的分布及时空演化规律。