CN104061014B - 一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及将高压脉冲放电和传统的煤层增透技术结合起来进行实验的装置，具体为一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置。一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，包括高压脉冲电源、依次连接的第一管体、第二管体和第三管体、刚性三轴压力室、试压泵、液压控制系统和声反射前置放大器；刚性三轴压力室内模拟了传统水压致裂技术，再由高压脉冲电源给放电电极供电，二者结合使得煤样通孔周围产生裂纹，然后对煤样内部裂隙的开裂位置及扩展过程进行全程监控，结合后期的CT扫描及电镜观察结果，获得影响煤样裂隙发育及瓦斯物态转化的关键因素，以及脉冲放电对裂隙发育的作用范围与影响规律，为高压脉冲放电实际用于井下煤层增透提供理论依据。

Description

一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置

技术领域

本发明涉及将高压脉冲放电和传统的煤层增透技术结合起来进行实验的装置，具体为一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置。

背景技术

瓦斯也称煤层气，因其具有易燃、易爆的特性，使之成为井下煤矿开采过程中的重要危险源，同时由于其主要成分甲烷是一种温室气体，大量对空排放可严重加剧全球气候的变暖和对臭氧层的破坏。但作为一种清洁燃料和重要的工业原料，煤层气可作为城市燃气、汽车燃料、发电厂和加工厂等的工业燃料，因此解决好煤层气的抽采与利用，对于缓解国内能源紧张、预防井下煤矿瓦斯事故和保护大气环境都具有重要的意义。

目前我国绝大多数矿井开采的高瓦斯煤层均属低透气性煤层，煤层透气性差、煤质偏软，存在瓦斯抽采率低下、抽采钻孔易堵塞的问题，这些都严重制约了我国煤层气的开发利用。因此通过人工的方法对煤岩储气层进行结构改造，提高煤体的透气性是解决瓦斯抽采率低的有效途径。而水压致裂技术一直是一种较为成熟和有效的煤层增透技术，在不考虑压裂液不同的前提下，主要有以下几种类型：传统水压致裂技术、脉动水力压裂技术、水压爆破致裂增透技术等。

传统水压致裂技术是目前比较常用的一种增透技术，它的基本原理是通过在预抽采瓦斯的煤层中注入由试压泵提供的高压水，在水压的作用下将储气煤层破裂形成贯通的裂缝，然后将混入石英砂或其他支撑剂的高压液体压入储气煤层裂隙中，这些细小而坚硬的支撑剂颗粒在卸压后可以继续支撑住裂隙，进而提高煤层的渗透性，但是传统水压致裂技术的水压加载速度慢、压力上升时间长、峰值压力低（≤15MPa），只能形成一条垂直于最小主应力方向的裂纹，而且裂纹仅沿原生弱面扩展，不能生成垂直于层面的裂纹，使裂纹不易相互联通，不能显著增加煤层的透气性，同时，由于瓦斯在煤层中大部分（80％—90％）是以吸附的状态存在的，传统水压致裂技术对于吸附瓦斯的影响甚微，因此对于提高煤层瓦斯的抽采效果也非常有限。

脉动水力压裂技术是利用脉动注水泵，将具有一定频率的脉动水持续注入钻孔中，由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉动波，对煤体裂隙产生交变或重复荷载，逐渐使煤体出现疲劳损伤，促使煤层中的微小孔裂隙形成和逐渐张开，宏观裂隙扩展联通，最终形成新的裂隙网，从而达到增加煤层渗透性的目的；但是脉动水力压裂技术所采用的脉动注水泵输出的脉动频率范围为5-25Hz，脉动水压范围为0-25MPa，脉动的产生依然靠机械作用，压力峰值相比较而言仍然较低，并且脉动泵及配套设备结构复杂，维护困难，同样，脉动水力压裂技术仅仅增加了瓦斯气体的运移通道，对于吸附状态的瓦斯，其促进解析的作用非常小，不能有效提高瓦斯抽采效率。

水压爆破致裂增透技术是指在钻孔内，以水为不耦合介质进行不耦合装药，爆破时，药柱爆轰后产生侧向膨胀,炸药的爆轰波在药卷周围的水中形成冲击波，冲击波作用于孔壁后迅速产生反射，反射波到达分界面后水体便达到准静态压力状态，随后水中的准静态压力与反射波共同作用,使孔壁产生振动、变形直至开裂，从而达到增加煤层裂隙，提高煤层渗透性的目的。但是水压爆破致裂增透技术是利用炸药爆破的方式来增加煤层渗透性的，因此每次其加载过程是瞬时的，且不具有周期加载的特性，同时，由于炸药的爆炸压力远高于围岩的屈服强度，导致钻孔壁严重破碎垮塌，形成残余“应力笼”，不利于在较大范围内提高煤层的透气性。

自80年代开始，高压脉冲放电作为一种低频电脉冲解堵工艺，广泛应用于油气井的解堵增产增注中，该技术利用高压脉冲放电产生的压力效应，使油井周围岩石介质振动，改造底层原生裂缝并产生新的微裂缝，解除油层孔道里的沉积物，从而达到解堵的目的。因此借鉴这一思路，可以考虑将高压脉冲放电与传统水压致裂技术相结合，利用高压脉冲放电的空化效应和水激波的瞬时加载作用来达到改变瓦斯的赋存状态、增加煤层裂隙、弱化强度、改善渗透性，进而提高瓦斯抽采效率的目的。将高压脉冲放电实际用于井下煤层增透前，需要进行大量的实验，而现在没有一种可以实现将高压脉冲放电和传统的煤层增透技术结合起来进行实验的装置，进而无法进行实验，无法真正地将高压脉冲放电应用于煤层增透，无法在现有增透技术的基础上提高瓦斯的抽采率。

发明内容

本发明为了解决现在没有可以实现将高压脉冲放电和传统的煤层增透技术结合起来进行实验的装置的问题，提供了一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，包括高压脉冲电源、依次连接的第一管体、第二管体和第三管体、刚性三轴压力室、试压泵、液压控制系统和声发射前置放大器；

刚性三轴压力室包括设有顶盖的箱体，箱体的左侧壁上开有水平的、孔径为26mm的第一内螺纹通孔，箱体的前壁、后壁和顶盖的内表面上都固定有受控于液压控制系统的油缸，箱体的右侧壁的内表面固定有受控于液压控制系统的空心油缸，箱体内底面上铺有煤层托板，煤层托板上放置有煤样，煤样的前侧、后侧、右侧和顶端都紧贴着压板，压板和煤样紧贴的面上均匀分布有声发射传感器，声发射传感器的输出端和声发射前置放大器的输入端连接，煤样的左侧和箱体的左侧壁的内表面紧贴，箱体的前壁、后壁和顶盖上的油缸的活塞杆分别顶在煤样的前侧、后侧和顶端的压板上，箱体的右侧壁上的空心油缸的活塞杆顶在煤样的右侧的压板上，煤样内部还开有和箱体左侧壁上的第一内螺纹通孔连通的、孔径为26mm的煤样通孔，煤样右侧的压板上开有和煤样通孔连通的、孔径为26mm的第二内螺纹通孔，煤样右侧的压板的第二内螺纹通孔内连接有设在空心油缸的通孔内的连接管，连接管上密封连接有伸出箱体右侧壁的尾端延长套管；第一管体和尾端延长套管的端部都密封，第一管体内固定有放电电极，放电电极通过引线和高压脉冲电源连接，第二管体上开有高压注水口，试压泵通过水管密封连接在第二管体上的高压注水口处，第三管体的端部密封连接在刚性三轴压力室的箱体的左侧壁上的第一内螺纹通孔处。

工作时，声发射前置放大器和带有声发射采集系统的主机连接，试压泵向第二管体内注水并充满第一管体、第二管体、第三管体、煤样通孔和尾端延长套管，在水压的作用下，煤样通孔周围产生了裂隙，并规定了煤样通孔的孔径为26mm，这样三轴压力室内完全模拟了传统水压致裂技术，同时由高压脉冲电源给放电电极供电，放电电极之间产生具有高密度存储能和高膨胀效应的高压等离子体，高压等离子体在水中形成峰值压力很高的脉冲水激波，脉冲水激波在第一管体、第二管体、第三管体、煤样通孔和尾端延长套管内传播，煤样内部受到脉冲作用后，在煤样通孔周围产生众多新的放射状微裂纹，并且原生裂隙在水激波的作用下继续发育、延展、贯通；在煤样内裂缝开裂、发育的过程中，会伴随由煤体局部应力释放而产生的瞬态弹性波，分布在煤样四周的声发射传感器对瞬态弹性波进行采集，然后经由前置放大器放大后，在声发射采集系统内对采集的数据进行处理和分析，从而对煤样内部裂隙的开裂位置及扩展过程进行全程监控，结合后期的CT扫描及电镜观察结果，获得影响煤样裂隙发育及瓦斯物态转化的关键因素，以及脉冲放电对裂隙发育的作用范围与影响规律，为高压脉冲放电和传统煤层增透技术结合实际用于井下煤层增透提供理论依据。

上述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，第一管体的端部连接有螺纹套筒，第一管体的端口内密封插入有凸肩轴套的凸肩头盖，凸肩轴套的凸肩头盖固定有电极夹持器，所述的放电电极固定在电极夹持器上，螺纹套筒内连接有压紧顶盖，凸肩轴套的管体从压紧顶盖内伸出，且凸肩轴套的管体的端部密封固定有其内开有轴向通孔的引线管，凸肩轴套的通孔内放置有和放电电极连接的引线，引线从引线管内伸出，且引线管用环氧树脂和聚酰胺树脂密封。

上述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，电极夹持器和凸肩轴套的凸肩头盖之间垫有铝垫，使得电极夹持器的固定稳固。

上述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，尾端延长套管的端部通过法兰密封，简单有效得实现尾端延长套管端部的密封。

本发明可以带来如下有益效果：

（1）可通过该发明来研究高压电脉冲水激波与煤岩结构体的耦合作用，分析水压裂隙尖端的动态应力场及其响应；掌握脉冲水激波的致裂增透作用机制，分析原、次生裂隙的生长、发育、延展、贯通规律，确定高压电脉冲增透技术对于煤层透气性的影响效果及有效作用范围；

（2）明确高压电脉冲与瓦斯物态转化的耦合方式及作用机制，确立瓦斯物态转化关键因素与高压电脉冲参数之间的内在联系。掌握气泡脉动的空化效应，对煤层瓦斯解吸、物态转化的作用机制；

（3）利用该实验装置可继续优化高压电脉冲放电参数，进一步完善水压致裂弱化增透技术的理论体系，形成一种具有工业实际应用价值的煤层增透技术，为煤矿瓦斯抽放和煤层气开采奠定基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为刚性三轴压力室的结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为刚性三轴压力室的箱体的顶盖的结构示意图。

图5为第一管体的剖视图。

图中：1-第一管体，2-第二管体，3-第三管体，4-刚性三轴压力室，5-箱体，6-油缸，7-空心油缸，8-煤层托板，9-煤样，10-压板，11-煤样通孔，12-连接管，13-尾端延长套管，14-螺纹套筒，15-凸肩轴套，16-电极夹持器，17-压紧顶盖，18-引线管，19-铝垫，20-放电电极。

具体实施方式

一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，包括高压脉冲电源、依次连接的第一管体1、第二管体2和第三管体3、刚性三轴压力室4、试压泵、液压控制系统和声发射前置放大器；

刚性三轴压力室4包括设有顶盖的箱体5，箱体5的左侧壁上开有水平的、孔径为26mm的第一内螺纹通孔，箱体的前壁、后壁和顶盖的内表面上都固定有受控于液压控制系统的油缸6，箱体的右侧壁的内表面固定有受控于液压控制系统的空心油缸7，箱体内底面上铺有煤层托板8，煤层托板8上放置有煤样9，煤样9的前侧、后侧、右侧和顶端都紧贴着压板10，压板和煤样紧贴的面上均匀分布有声发射传感器，声发射传感器的输出端和声发射前置放大器的输入端连接，煤样的左侧和箱体的左侧壁的内表面紧贴，箱体5的前壁、后壁和顶盖上的油缸的活塞杆分别顶在煤样的前侧、后侧和顶端的压板上，箱体的右侧壁上的空心油缸的活塞杆顶在煤样的右侧的压板上，煤样内部还开有和箱体左侧壁上的第一内螺纹通孔连通的、孔径为26mm的煤样通孔11，煤样右侧的压板上开有和煤样通孔连通的、孔径为26mm的第二内螺纹通孔，煤样右侧的压板的第二内螺纹通孔内连接有设在空心油缸的通孔内的连接管12，连接管12上密封连接有伸出箱体右侧壁的尾端延长套管13；第一管体和尾端延长套管13的端部都密封，第一管体内固定有放电电极20，放电电极20通过引线和高压脉冲电源连接，第二管体上开有高压注水口，试压泵通过水管密封连接在第二管体上的高压注水口处，第三管体的端部密封连接在刚性三轴压力室的箱体的左侧壁上的第一内螺纹通孔处。

上述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，第一管体1的端部连接有螺纹套筒14，第一管体的端口内密封插入有凸肩轴套15的凸肩头盖，凸肩轴套15的凸肩头盖固定有电极夹持器16，所述的放电电极20固定在电极夹持器16上，螺纹套筒14内连接有压紧顶盖17，凸肩轴套15的管体从压紧顶盖内伸出，且凸肩轴套15的管体的端部密封固定有其内开有轴向通孔的引线管18，凸肩轴套15的通孔内放置有和放电电极连接的引线，引线从引线管18内伸出，且引线管18用环氧树脂和聚酰胺树脂密封。

上述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，电极夹持器16和凸肩轴套15的凸肩头盖之间垫有铝垫19。

上述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，尾端延长套管13的端部通过法兰密封。

第一管体1、第二管体2和第三管体3之间通过法兰连接，箱体5的顶盖和箱体之间用螺栓连接。

Claims (4)

1.一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，其特征在于包括高压脉冲电源、依次连接的第一管体（1）、第二管体（2）和第三管体（3）、刚性三轴压力室（4）、试压泵、液压控制系统和声发射前置放大器；刚性三轴压力室（4）包括设有顶盖的箱体（5），箱体（5）的左侧壁上开有水平的、孔径为26mm的第一内螺纹通孔，箱体的前壁、后壁和顶盖的内表面上都固定有受控于液压控制系统的油缸（6），箱体的右侧壁的内表面固定有受控于液压控制系统的空心油缸（7），箱体内底面上铺有煤层托板（8），煤层托板（8）上放置有煤样（9），煤样（9）的前侧、后侧、右侧和顶端都紧贴着压板（10），压板（10）和煤样紧贴的面上均匀分布有声发射传感器，声发射传感器的输出端和声发射前置放大器的输入端连接，煤样（9）的左侧和箱体（5）的左侧壁的内表面紧贴，箱体（5）的前壁、后壁和顶盖上的油缸的活塞杆分别顶在煤样的前侧、后侧和顶端的压板上，箱体的右侧壁上的空心油缸（7）的活塞筒顶在煤样的右侧的压板上，煤样内部还开有和箱体左侧壁上的第一内螺纹通孔连通的、孔径为26mm的煤样通孔(11)，煤样右侧的压板上开有和煤样通孔连通的、孔径为26mm的第二内螺纹通孔，煤样右侧的压板的第二内螺纹通孔内连接有设在空心油缸的通孔内的连接管(12)，连接管(12)上密封连接有伸出箱体右侧壁的尾端延长套管(13)；第一管体(1)和尾端延长套管(13)的端部都密封，第一管体(1)内固定有放电电极(20)，放电电极(20)通过引线和高压脉冲电源连接，第二管体(2)上开有高压注水口，试压泵通过水管密封连接在第二管体(2)上的高压注水口处，第三管体(3)的端部密封连接在刚性三轴压力室的箱体的左侧壁上的第一内螺纹通孔处。

2.根据权利要求1所述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，其特征在于第一管体（1）的端部连接有螺纹套筒（14），第一管体的端口内密封插入有凸肩轴套(15)的凸肩头盖，凸肩轴套(15)的凸肩头盖上固定有电极夹持器(16)，所述的放电电极(20)固定在电极夹持器(16)上，螺纹套筒(14)内连接有压紧顶盖(17)，凸肩轴套(15)的管体从压紧顶盖内伸出，且凸肩轴套(15)的管体的端部密封固定有其内开有轴向通孔的引线管(18)，凸肩轴套(15)的通孔内放置有和放电电极连接的引线，引线从引线管(18)内伸出，且引线管（18）用环氧树脂和聚酰胺树脂密封。

3.根据权利要求2所述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，其特征在于电极夹持器(16)和凸肩轴套(15)的凸肩头盖之间垫有铝垫(19)。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于高压电脉冲的煤层增透实验装置，其特征在于尾端延长套管(13)的端部通过法兰密封。