CN105954172A - 煤层液态co2压裂增透实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层液态CO₂压裂增透实验装置及其实验方法，该装置包括液态CO₂泵注系统、压裂模拟试块、压裂试件装载体、压裂参数监测系统、压裂数据采集系统和渗透率测试系统；所述液态CO₂泵注系统包括杜瓦瓶和液态CO₂柱塞泵，所述压裂模拟试块由原煤试块或者相似模拟材料制作而成，所述压裂试件装载体包括试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘；所述压裂参数监测系统包括流量计和压力表。本发明可以研究煤体或相似材料的力学参数、注液压力与压裂裂缝扩展规律的关系，CO₂压裂条件下煤体裂隙数量及形态与压裂参数的响应关系，以及不同压裂参数下裂缝扩展引起的透气性的量化表征关系。

Description

煤层液态CO2压裂增透实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域，属于煤矿井下安全开采，具体涉及一种煤层液态CO₂压裂增透实验装置及其实验方法。

背景技术

我国95％的煤矿生产是井工开采，由于井工开采条件复杂性，作业环境恶劣、致灾因子多。“高储低渗”是我国煤层赋存的普遍特征，据统计，我国50％以上的矿井为高瓦斯矿井或者煤与瓦斯突出矿井，这其中95％以上的矿井开采煤层又属于低渗透性性煤层。研究表明：我国煤层渗透率在0.002mD～16.17mD之间，渗透率小于1mD的煤层占到已探明煤层资源总量的72％，这给矿井煤层瓦斯的治理及煤层气资源的开发利用带来了技术难题。

经过多年的研究和实践，水力压裂、水力割缝、深孔爆破等技术在改造地层应力、扩大卸压范围、增加煤层透气性等方面的研究取得了一定成果，但是这些技术在应用工艺及适用范围方面还存在一定问题。例如水力压裂技术在注水过程中易于形成一条或几条垂直于最小水平主应力的人工裂缝，裂隙数目少；炸药爆破预裂技术存在裂隙半径小，爆破后孔壁严重破碎垮塌，易形成残余压力区“应力笼区”，降低了煤岩层的渗透率，且其爆破工艺复杂，保护距离不足，施工过程易引起其它次生灾害。

基于以上分析，现行的煤层人工裂隙改造技术在应用工艺方面存在各自局限性，不能很好的满足矿井安全生产，探索一种更经济有效的改造煤层渗透性的新技术，煤层区域致裂增加煤层透气性系数，对提高矿井安全生产效率十分必要。煤层液态CO₂压裂改造技术是一个复杂的物理过程，在煤层液态CO₂压裂增透试验现场，裂缝扩展形态在煤岩体内部无法观测，压裂裂缝的扩展与压裂液压力、应力场、煤体力学性质等的关系研究必须借助于相应的实验平台。通过模拟煤层压裂过程实验，可以对裂缝起裂及扩展延伸过程进行监测，并根据实验过程的监测指标推断压裂增透效果。开展煤层液态CO₂压裂过程理论研究，掌握煤层压裂过程参数及缝扩展规律，需要建立压裂实验台并开展相关实验。

发明内容

本发明提供一种煤层液态CO₂压裂增透实验装置及其实验方法，实现煤样压裂增透过程的压力、流量、温度、应变及煤体试块渗透性的实时监测，掌握煤层压裂过程参数，判定裂隙扩展规律。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

煤层液态CO₂压裂增透实验装置，包括液态CO₂泵注系统、压裂模拟试块，压裂试件装载体，压裂参数监测系统，压裂数据采集系统和渗透率测试系统；

所述液态CO₂泵注系统包括杜瓦瓶和液态CO₂柱塞泵，杜瓦瓶为整个压裂实验过程提供压裂液，液态CO₂柱塞泵作为压裂过程的动力设备对液态CO₂进行压力及流量输出，通过耐高压低温管路进入压裂煤体试块进行压裂实验，压裂过程对压裂试件及实验区域环境参数进行实时监测；

所述压裂模拟试块由原煤试块或者相似模拟材料制作而成，人工现场采集大体积原煤试块进行手动切割加工成壁面光滑、直径为ΦAmm、长度Lmm的圆柱体试块；或者采用相似材料在标准模具中加工一次成型为直径为ΦAmm、长度Lmm的圆柱体试块。

所述压裂试件装载体包括试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，所述试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘均采用耐低温(-50℃)高压(大于50MPa)的材料制成，试件装载框为内径ΦAmm、长度Lmm的圆柱体形状，两端设置入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，并在周边等间距布置N个ΦCmm的螺杆连接孔；试件装载框的壁面设置直径ΦDmm的监测光纤光栅引出口；入口法兰连接盘直径ΦBmm，中间预留孔径为ΦEmm的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为CO₂输送管路进入压裂试件的入口，周边等间距布置N个ΦCmm的螺杆连接孔，并与试件装载框入口连接；出口法兰连接盘直径ΦBmm，中间预留孔径为ΦEmm的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为气流出口，周边等间距布置N个ΦCmm的螺杆连接孔，并与试件装载框出口连接。

所述压裂参数监测系统包括流量计和压力表，流量计采用耐低温高压的涡轮流量计，有效量程为0～FL/h，分辨率为0.5％；压力表采用耐低温高压量程为0～50MPa的压力表，分辨率为0.5％。

所述压裂数据采集系统包括光纤光栅解调仪和电脑，光纤光栅调制解调仪选用8通道进行测量，测量精度±5pm，接口为RS232/RS485/USB通信；选用内存大于512M的电脑，实现压裂过程的数据存储和显示。

所述渗透率测试系统包括压缩空气瓶、压力表和量杯，空气瓶选用压力大于0.5MPa、容积大于20L的耐压钢瓶，压力表为两个，用于渗透率测试过程中压裂试件装载体入口和出口管路中的压力，量杯选择量程大于2L，采用排水法测量通过试件的空气体积。

上述煤层液态CO₂压裂增透实验方法，包括以下步骤：

实验测试过程包括压裂前试件表面裂隙观测并记录→试件处理及安装→第一次渗透率测试→压裂实验及温度、应变测试→第二次渗透率测试→取出试件观测表面裂隙及剖面裂隙数量及形态，具体如下：

S1、对压裂前试件表面裂隙进行观测，统计裂隙分布数量及位置，并进行原始裂隙素描记录；

S2、将制作好的试件表面打磨光滑，在试件表面等间距布置三根光纤光栅，将其一端通过监测导线出口与光纤光栅采集仪相连接；然后在试件表面涂抹密封胶体，将其置于装载框体内，保证试件与装载框体的密封性，并分别将入口法兰连接盘、出口法兰连接盘与试件装载框的两端连接；

S3、打开空气瓶，入口压力调节至0.2MPa左右，出口管路压力表，记录两个压力表的压力值，同时用量杯测试5min时间内的排气量，计算压裂前试件渗透率；

S4、关闭空气瓶，开启液态CO₂柱塞泵，调节注入压力及流量，开始向试件内部压注液态CO₂，同时打开光纤光栅解调仪采集温度及应变量；

S5、压裂结束后持续观测温度及应变量，待温度恢复至室温，且应变值不再变化，开始第二次测量试件渗透率，方法与步骤3相同；

S6、第二次渗透率测试完成后，取出压裂试件，观测试件表面裂隙并记录，然后将试件沿直径剖开为两半，观测内部裂隙数量及形态，采用素描法绘制裂隙分布图。

本发明具有以下有益效果：

可以研究煤体或相似材料的力学参数、注液压力与压裂裂缝扩展规律的关系，CO₂压裂条件下煤体裂隙数量及形态与压裂参数的响应关系，以及不同压裂参数下裂缝扩展引起的透气性的量化表征关系。

附图说明

图1为煤层液态CO₂压裂增透实验装置系统示意图；

图2为本发明实施例中压裂试件装载体结构；

图3为本发明实施例中入口法兰连接盘正视图；

图4为本发明实施例中入口法兰连接盘侧视图；

图5为本发明实施例中出口法兰连接盘正视图；

图6为本发明实施例中出口法兰连接盘侧视图；

图7为本发明实施例中试件的安装结构示意图。

图中，1-CO₂杜瓦瓶；2-CO₂压裂泵；3-阀门；4-入口压力表；5-入口流量计；6-连接螺杆；7-密封胶；8-压裂管；9-压裂试件；10-压缩空气瓶；11-快速接头；12-监测导线；13-量杯；14-水；15-光纤光栅调制解调仪；16-电脑；17-监测导线出口18-螺杆连接孔；19-CO₂入口；20-快速接头；21-排气出口；22-排气管路；23-试件装载体；24-CO₂输送管路；25-金属卡套；26-入口法兰连接盘；27-出口法兰连接盘；28-出口压力表；29-出口流量计；30-光纤光栅。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种煤层液态CO₂压裂增透实验装置，包括J/W-2/20型柱塞泵2、G2-30液态CO₂杜瓦瓶1、圆柱煤体试块9、试件碳钢装载系统23、压裂参数监测系统、压裂数据采集系统15和渗透率测试系统，

实验系统之间输送液态CO₂时采用外径为Φ6mm壁厚1mm的304不绣钢管24，管路之间采用内径为Φ6mm的金属卡套25。

现场采集煤样进行加工为Φ100mm*200mm的圆柱形压裂试块9，将其表面用砂纸打磨光滑；

如图2所示，所述压裂试件装载系统23采用45#碳钢加工制作，装载体为内径Φ100mm、长度200mm的圆柱体形状，两端设置法兰连接头，连接盘直径为Φ150mm，并在周边等间距布置8个Φ6mm的螺杆连接孔6；装载体壁面设置直径Φ10mm的监测光纤光栅引出口17；

如图3-图4所示，入口法兰连接盘直径Φ150mm，中间预留孔径为Φ6mm的小孔19，安装对应尺寸的快速接头20，作为CO₂输送管路进入压裂试件的入口，周边等间距布置8个Φ6mm的螺杆连接孔18，并与试件装载体23入口连接；

如图5-图6所示，出口法兰连接盘27直径Φ150mm，中间预留孔径为Φ6mm的小孔，安装对应尺寸的快速接头11，作为压裂试件气流的出口，周边等间距布置8个Φ6mm的螺杆连接孔6，并与试件装载体23出口连接。

如图1所示，选用量程50MPa的YNXC100型电接点压力表4，量程为0-50MPa，分辨率为0.5％；采用LWGY9012型液体涡轮流量计5，有效量程为0-3L/h，分辨率为0.2％。

采用GM8037高分辨率光纤光栅传感器解调仪15，测量精度±5pm，接口采用USB通信；选用内存大于联想X250电脑16，实现压裂过程的数据存储和显示。

如图7所示，试件9表面等间距布置3根光纤光栅29，并用密封胶固定，通过监测导线出口17引出并与光纤光栅解调仪15连接，实现对试件9壁面温度及应变的监测。

本发明所提供的煤层液态CO₂压裂增透实验方法，如下：

步骤1、压裂前试件9表面裂隙观测并记录：对压裂前试件9表面裂隙进行观测，统计裂隙分布数量及位置，并进行原始裂隙素描记录；

步骤2、试件处理及安装：将制作好的试件9表面打磨光滑，在试件9表面等间距布置三根光纤光栅，将其一端通过监测导线出口17与光纤光栅采集仪15相连接；在试件表面涂抹密封胶体7，保证试件与装载体23的密封性，分别将入口法兰连接盘26、出口法兰连接盘27与试件装载体23的两端连接；

步骤3、第一次渗透率测试：打开空气瓶10，调节入口管路压力表4至0.2MPa左右，观测出口管路压力表28，记录两个压力表的压力值P₁、P₂，待压力稳定后，用量杯13测试T时间内的排气量Q，计算压裂前试件渗透率K；

步骤4、压裂实验及温度、应变测试：关闭空气瓶10，开启液态CO₂柱塞泵2，调节注入压力及流量，开始向试件内部压注液态CO₂，同时打开光纤光栅采集仪15开始温度及应变量采集；

步骤5、第二次渗透率测试：压裂结束后持续观测温度及应变量，待温度恢复至室温，且应变值不再变化，开始第二次测量试件渗透率，方法与步骤3相同；

步骤6、压裂后试件表面裂隙及剖面裂隙数量、形态观测：第二次渗透率测试完成后，取出压裂试件9，观测试件表面裂隙并记录，然后将试件沿直径剖开为两半，观测内部裂隙数量及形态，采用素描法绘制裂隙分布图。

渗透性系数根据下式计算：

$K=\frac{2P_{2}Q\mathrm{\μ}L}{A(P_1^2-P_2^2)T}$

式中：K——为渗透率(mD)；

Q——T单位体积(cm³)；

P₁——进口压强(MPa)；

P₂——出口压强(MPa)；

A——试件横截面积(cm²)；

L——试件的长度(cm)；

μ——流体的粘度系数(Pa*S)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.煤层液态CO₂压裂增透实验装置，其特征在于，包括液态CO₂泵注系统、压裂模拟试块，压裂试件装载体，压裂参数监测系统，压裂数据采集系统和渗透率测试系统，所述液态CO₂泵注系统包括杜瓦瓶和液态CO₂柱塞泵，杜瓦瓶为整个压裂实验过程提供压裂液，液态CO₂柱塞泵作为压裂过程的动力设备对液态CO₂进行压力及流量输出，通过耐高压低温管路进入压裂煤体试块进行压裂实验，压裂过程对压裂试件及实验区域环境参数进行实时监测；

所述压裂模拟试块由原煤试块或者相似模拟材料制作而成，压裂模拟试块的直径为φAmm、长度Lmm的圆柱体试块；

所述压裂试件装载体包括试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，所述试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘均采用耐低温高压的材料制成，试件装载框为内径φAmm、长度Lmm的圆柱体形状，两端设置入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，并在周边等间距布置N个φCmm的螺杆连接孔；

所述压裂参数监测系统包括流量计和压力表；

所述压裂数据采集系统包括光纤光栅解调仪和电脑；

所述渗透率测试系统包括压缩空气瓶、压力表和量杯，空气瓶选用压力大于0.5MPa、容积大于20L的耐压钢瓶，压力表为两个，用于渗透率测试过程中压裂试件装载体入口和出口管路中的压力，量杯选择量程大于2L，采用排水法测量通过试件的空气体积。

2.如权利要求1所述的煤层液态CO₂压裂增透实验装置，其特征在于，试件装载框的壁面设置直径φDmm的监测光纤光栅引出口；入口法兰连接盘直径φBmm，中间预留孔径为φEmm的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为CO₂输送管路进入压裂试件的入口，周边等间距布置N个φCmm的螺杆连接孔，并与试件装载框入口连接；出口法兰连接盘直径φBmm，中间预留孔径为φEmm的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为气流出口，周边等间距布置N个φCmm的螺杆连接孔，并与试件装载框出口连接。

3.如权利要求1所述的煤层液态CO₂压裂增透实验装置，其特征在于，流量计采用耐低温高压的涡轮流量计，有效量程为0-FL/h，分辨率为0.5％；压力表采用耐低温高压量程为0-50MPa的压力表，分辨率为0.5％。

4.如权利要求1所述的煤层液态CO₂压裂增透实验装置，其特征在于，光纤光栅调制解调仪选用8通道进行测量，测量精度±5pm，接口为RS232/RS485/USB通信；选用内存大于512M的电脑，实现压裂过程的数据存储和显示。

5.如权利要求1-4任一项所述的煤层液态CO₂压裂增透实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对压裂前试件表面裂隙进行观测，统计裂隙分布数量及位置，并进行原始裂隙素描记录；

S2、将制作好的试件表面打磨光滑，在试件表面等间距布置三根光纤光栅，将其一端通过监测导线出口与光纤光栅采集仪相连接；然后在试件表面涂抹密封胶体，将其置于装载框体内，保证试件与装载框体的密封性，并分别将入口法兰连接盘、出口法兰连接盘与试件装载框的两端连接；

S3、打开空气瓶，入口压力调节至0.2MPa左右，出口管路压力表，记录两个压力表的压力值，同时用量杯测试5min时间内的排气量，计算压裂前试件渗透率；

S4、关闭空气瓶，开启液态CO₂柱塞泵，调节注入压力及流量，开始向试件内部压注液态CO₂，同时打开光纤光栅解调仪采集温度及应变量；

S5、压裂结束后持续观测温度及应变量，待温度恢复至室温，且应变值不再变化，开始第二次测量试件渗透率，方法与步骤3相同；

S6、第二次渗透率测试完成后，取出压裂试件，观测试件表面裂隙并记录，然后将试件沿直径剖开为两半，观测内部裂隙数量及形态，采用素描法绘制裂隙分布图。