CN108614156A - 模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统及方法，所述系统包括甲烷罐、压力表、瓦斯阀门、调压阀、真空泵、参考缸、水泵、水箱、夹持器、围压泵、轴压泵、复电阻测量仪、计算机、水收集箱、气体收集箱以及恒温水浴箱；甲烷罐连夹持器的气体入口；气体收集箱和水收集箱均通过管道连夹持器的气体出口；复电阻测量仪的两极分别通过导线与左、右电极板连接，复电阻测量仪的信号输出端与计算机通信连接；围压泵与夹持器的围压接口连通；轴压泵与夹持器的轴压接口连通。本发明所述的系统及方法实现了不同水压、不同压裂管头、等不同情形下复电阻的变化，很好的模拟了地层实际压力，对复电阻率法评价水力压裂效果，预测煤层渗透性有着重要的实验意义。

Description

模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统及方法

技术领域

本发明属于非接触式评价水力压裂效果技术范畴，尤其涉及一种模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统及方法。

背景技术

煤与瓦斯突出是当前矿井安全生产的最大威胁，而瓦斯又是罪魁祸首，所以提高瓦斯抽采率对防止煤与瓦斯事故意义重大。

目前提高煤层瓦斯抽采率的方法主要是水力压裂，实践证明水力压裂能够对煤体起到良好的泄压增透作用，大大提高瓦斯抽采效率，水力压裂技术应用过程中最关键的是压裂效果的好坏的确定。目前，水力压裂效果的考察仍然停留在非常常规的手段，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”，无法实现连续的“面评价”，从而一定程度上造成了效果考察及瓦斯抽采施工的盲目性。而如何采用一种简捷快速的方法来评价水力压裂压开效果，是当下我们关注的问题。

近些年来，复电阻率法在岩石领域围绕测量含水饱和度，预测渗透率，区分含油水层等技术有了很多的研究，预示着复电阻率法在煤层测井技术上有很好的应用前景。本方法模拟煤层水力压裂效果，测量煤体在压裂过程的复电阻，将水力压裂压开效果与复电阻相联系，通过改变压裂管头出水压力和管头长度进而可以用来分析不同水力压裂效果和复电阻关系，为复电阻率法评价水力压裂效果提供实验和理论支持。

发明内容

本发明旨在提供一种使用方便，使用效果好的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，所述系统包括甲烷罐、压力表、瓦斯阀门、调压阀、真空泵、参考缸、水泵、水箱、夹持器、围压泵、轴压泵、复电阻测量仪、计算机、水收集箱、气体收集箱以及恒温水浴箱，夹持器设置在恒温水浴箱中；

夹持器包括筒体，筒体内设煤样筒，筒体上设向煤样筒内施加围压的围压接口以及向煤样筒内施加轴压的轴压接口；

煤样筒上连通有气体入口和气体出口；同时，煤样筒的两端分别设置左电极板和右电极板；

煤样筒上连通有压裂管，压裂管的末端设置有位于煤样筒内的压裂管头；

水箱通过水泵连接压裂管；

甲烷罐通过通气管道连接所述夹持器的气体入口，通气管道上设置压力表、调压阀和瓦斯阀门；

参考缸连接于通气管道上；

气体收集箱和水收集箱均通过管道连接到所述夹持器的气体出口；

复电阻测量仪的两极分别通过导线与夹持器的左、右电极板连接，复电阻测量仪的信号输出端与计算机通信连接；

围压泵通过耐压管I与夹持器的围压接口连通；

轴压泵通过耐压管II与夹持器的轴压接口连通。

筒体两端分别设置左、右螺帽；筒体内设置有橡胶密封套；所述左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座；所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座。

所述橡胶密封套左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，所述橡胶密封套内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头、左电极板、煤样筒、右电极板、右堵头和右压头，所述左压头、左堵头、左电极板、右电极板、右堵头和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，气体入口设置于左压头通孔处，气体出口设置于右压头通孔处；左压头、左堵头上对应设置有左布线槽，右堵头、右压头上对应设置有右布线槽，左、右布线槽中分别设置有与导线连接的左电极板和右电极板。

围压接口设置在左螺帽上，围压接口连通左螺帽、筒体、右螺帽、右安装座、橡胶密封套和左安装座之间围成的围压腔体；轴压接口连通活塞缸、油缸盖和中空活塞之间围成的轴压腔体。

左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈。

左堵头、右堵头为绝缘材料，所述左电极板固定安装在左堵头上，所述右电极板固定安装在右堵头上。

筒体和煤样筒的材质为PPEK绝缘材料；左电极板、右电极板为铜金属板；煤样筒为内径5cm，长度10cm的筒体。

利用上述系统进行的模拟煤体水力压裂用复电阻测量方法，所述方法依次包括如下步骤：

（1）连接实验装置，检验气密性，确认系统气密性良好；

（2）将采集的煤样制成长100mm，直径50mm的煤柱，将煤柱放在夹持器中；

（3）开启真空泵以及真空泵与夹持器之间的瓦斯阀门，启动真空泵，对系统进行抽真空处理，当系统内部压力为10Pa时关闭真空泵以及真空泵与夹持器之间的瓦斯阀门；

（4）将恒温水浴箱温度设置为恒定温度30℃，直至实验结束；

（5）打开轴压泵和围压泵，进行轴压和围压设置，用来模拟地应力，轴压和围压的设置范围均为6-10Mpa；

（6）打开甲烷罐向夹持器充入瓦斯气体，当压力表显示到预设瓦斯压力时，其中，预设压力为1Mpa，关闭充气系统，放置12-24h，煤体吸附瓦斯稳定后，打开气体吸收装置的阀门，随后再等12-24h， 使气体在夹持器中充分吸附达到平衡，关闭气体吸收装置阀门；

（7）打开水泵阀门，水箱内的水通过加压后进入压裂管，通过压裂管头作用到煤体上，煤体形成了内部充满水的裂隙，流出的水通过出口管道流入液体收集装置；此时启动IM3533-01LCR复电阻测量仪，选定测量的复电阻参数，读取数据，数据保存在电脑中。

（8）依照步骤（1）～（7）分别测量：水压5Mp，压裂管头20mm；水压5Mp，压裂管头40mm；水压8Mp，压裂管头20mm；水压8Mp，压裂管头40mm四种压裂情况的煤体复电阻参数，测量结束后，整理设备。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：

本发明所述的系统能很好的模拟地层实际压力情况下煤体的水力压裂，使用方便，在模拟的过程中实现煤体复电阻变化的测量，从而便于实验者分析不同情形下水力压裂效果和复电阻的关系，为复电阻率法评价水力压裂效果提供实验和理论支持；

本发明所述的方法公开了水力压裂过程中煤体复电阻的测量方法，分别测定了不同水压力和压裂管头对水力压裂和复电阻的影响，所述方法步骤紧凑，为复电阻率法评价水力压裂效果提供实验和理论支持。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为夹持器结构示意图；

图3为压裂管头结构示意图。

具体实施方式

模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，如图1、图2和图3所示，所述系统包括甲烷罐13、压力表14、瓦斯阀门15、调压阀16、真空泵17、参考缸18、水泵20、水箱21、夹持器21、围压泵23、轴压泵24、复电阻测量仪25、计算机26、水收集箱27、气体收集箱28以及恒温水浴箱22，其中夹持器21设置在恒温水浴箱22中，其中复电阻测量仪为IM3533-01LCR复电阻测量仪。

所述夹持器21包括筒体6，筒体6内设煤样筒5，筒体6上设向煤样筒5内施加围压的围压接口2以及向煤样筒5内施加轴压的轴压接口7。围压泵23通过耐压管I与夹持器21的围压接口2连通；轴压泵24通过耐压管II与夹持器21的轴压接口7连通。

在煤样筒5上连通有气体入口8和气体出口9；同时，煤样筒5的两端分别设置左电极板4和右电极板。筒体6和煤样筒5的材质为PPEK绝缘材料；左电极板4、右电极板为铜金属板；煤样筒5为内径5cm，长度10cm的筒体6。

同时，煤样筒5上连通有压裂管10，压裂管10的末端设置有位于煤样筒5内的压裂管头12。

水箱21通过水泵20连接压裂管10，从而通过水泵20将水箱21内的水通入到压裂管10内，再通过压裂管头12作用到煤样筒5内的煤样上，实现煤样的压裂过程。

甲烷罐13通过通气管道连接所述夹持器21的气体入口8，通气管道上设置压力表14、调压阀16和瓦斯阀门15。甲烷罐13通过通气管道将瓦斯气体通入到夹持器21内，在夹持器21内进入到煤样筒5的煤样内，被煤样吸附。其中，设置的压力表14可以实时读取通入到甲烷罐13内的瓦斯气体的压力，通过调压阀16可以调节进入到甲烷罐13内的瓦斯气体的压力，而瓦斯阀门15则可以控制通气管道是否导通。参考缸18连接于通气管道上，从而为实验过程提供参考。

气体收集箱28和水收集箱27均通过管道连接到所述夹持器21的气体出口9，从气体出口9出来的水进入到水收集箱27，从气体出口9出来的气体进入到气体收集箱28。

复电阻测量仪25的两极分别通过导线3与夹持器21的左、右电极板连接，复电阻测量仪25的信号输出端与计算机26通信连接。

为了使用效果，下面对夹持器21的结构做具体介绍：

在筒体6的两端分别设置左、右螺帽；

筒体6内设置有橡胶密封套；左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座；所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座。

在橡胶密封套左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈1。

所述橡胶密封套内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头11、左电极板4、煤样筒5、右电极板、右堵头和右压头，所述左压头、左堵头11、左电极板4、右电极板、右堵头和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，气体入口8设置于左压头通孔处，气体出口9设置于右压头通孔处；左压头、左堵头11上对应设置有左布线槽，右堵头、右压头上对应设置有右布线槽，左、右布线槽中分别设置有与导线3连接的左电极板4和右电极板。

围压接口2设置在左螺帽上，围压接口2连通左螺帽、筒体6、右螺帽、右安装座、橡胶密封套和左安装座之间围成的围压腔体；轴压接口7连通活塞缸、油缸盖和中空活塞之间围成的轴压腔体。

其中，左堵头11、右堵头为绝缘材料，所述左电极板4固定安装在左堵头11上，所述右电极板固定安装在右堵头上。

本发明所述的系统能很好的模拟地层实际压力情况下煤体22的水力压裂，使用方便，在模拟的过程中实现煤体22复电阻变化的测量，从而便于实验者分析不同情形下水力压裂效果和复电阻的关系，为复电阻率法评价水力压裂效果提供实验和理论支持。

本发明还公开了一种利用上述系统进行的模拟煤体水力压裂用复电阻测量方法，所述方法依次包括如下步骤：

（1）连接实验装置，检验气密性，确认系统气密性良好。

（2）将采集的煤样制成长100mm，直径50mm的煤柱，将煤柱放在夹持器的煤样筒中。

（3）开启真空泵以及真空泵与夹持器之间的瓦斯阀门，启动真空泵，对系统进行抽真空处理，当系统内部压力为10Pa时关闭真空泵以及真空泵与夹持器之间的瓦斯阀门。

（4）将恒温水浴箱温度设置为恒定温度30℃，直至实验结束。

（5）打开轴压泵和围压泵，进行轴压和围压设置，用来模拟地应力，轴压和围压的设置范围均为6-10Mpa；变化梯度为2Mpa，轴压不变，变围压，实验过程中对同一种变质程度煤进行九种压力变化：轴压为6Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为8Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa；轴压为10Mpa，围压为6Mpa，8Mpa，10Mpa。

（6）打开甲烷罐向夹持器充入瓦斯气体，当压力表显示到预设瓦斯压力时，预设瓦斯压力为1Mpa，关闭充气系统，放置12-24h，煤体吸附瓦斯稳定后，打开气体吸收装置的阀门，随后再等12-24h， 使气体在夹持器中充分吸附达到平衡，关闭气体吸收装置阀门。

（7）打开水泵阀门，水箱内的水通过加压后进入压裂管，通过压裂管头作用到煤体上，煤体形成了内部充满水的裂隙，流出的水通过出口管道流入液体收集装置；此时启动IM3533-01LCR复电阻测量仪，选定测量的复电阻参数，读取数据，数据保存在电脑中。

（8）依照步骤（1）～（7）分别测量：水压5Mp，压裂管头20mm；水压5Mp，压裂管头40mm；水压8Mp，压裂管头20mm；水压8Mp，压裂管头40mm四种压裂情况的煤体复电阻参数，测量结束后，整理设备。

本发明所述的方法实现了不同水压、不同压裂管头、吸附时是否加电、水力压裂时是复电阻的变化，很好的模拟了地层实际压力，本发明所述的方法对为复电阻率法评价水力压裂效果具有重要意义。

Claims (8)

1.模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：所述系统包括甲烷罐、压力表、瓦斯阀门、调压阀、真空泵、参考缸、水泵、水箱、夹持器、围压泵、轴压泵、复电阻测量仪、计算机、水收集箱、气体收集箱以及恒温水浴箱，夹持器设置在恒温水浴箱中；

夹持器包括筒体，筒体内设煤样筒，筒体上设向煤样筒内施加围压的围压接口以及向煤样筒内施加轴压的轴压接口；

煤样筒上连通有气体入口和气体出口；同时，煤样筒的两端分别设置左电极板和右电极板；

煤样筒上连通有压裂管，压裂管的末端设置有位于煤样筒内的压裂管头；

水箱通过水泵连接压裂管；

甲烷罐通过通气管道连接所述夹持器的气体入口，通气管道上设置压力表、调压阀和瓦斯阀门；

参考缸连接于通气管道上；

气体收集箱和水收集箱均通过管道连接到所述夹持器的气体出口；

复电阻测量仪的两极分别通过导线与夹持器的左、右电极板连接，复电阻测量仪的信号输出端与计算机通信连接；

围压泵与夹持器的围压接口连通；

轴压泵与夹持器的轴压接口连通。

2.如权利要求1所述的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：筒体两端分别设置左、右螺帽；筒体内设置有橡胶密封套；所述左螺帽外通过螺纹连接安装盖、所述安装盖中密封设置有左压头，所述左压头和左螺帽之间设置有左安装座；所述右螺帽外通过螺纹连接活塞缸，所述活塞缸外通过螺丝固定油缸盖，所述活塞缸中设置中空活塞，所述中空活塞穿过油缸盖并与油缸盖滑动密封配合，所述中空活塞与右螺帽之间设置有右安装座。

3.如权利要求2所述的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：所述橡胶密封套左右两端分别套设在所述左安装座和右安装座上，所述橡胶密封套内、位于左压头和中空活塞之间从左到右依次设置有左堵头、左电极板、煤样筒、右电极板、右堵头和右压头，所述左压头、左堵头、左电极板、右电极板、右堵头和右压头轴向中心设置有中央通气孔，其中，气体入口设置于左压头通孔处，气体出口设置于右压头通孔处；左压头、左堵头上对应设置有左布线槽，右堵头、右压头上对应设置有右布线槽，左、右布线槽中分别设置有与导线连接的左电极板和右电极板。

4.如权利要求3所述的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：围压接口设置在左螺帽上，围压接口连通左螺帽、筒体、右螺帽、右安装座、橡胶密封套和左安装座之间围成的围压腔体；轴压接口连通活塞缸、油缸盖和中空活塞之间围成的轴压腔体。

5.如权利要求4所述的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：左安装座、右安装座为楔形结构，所述左安装座与左螺帽的接触面上和右安装座与右螺帽接触面上分别设置有“○”型密封圈。

6.如权利要求5所述的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：左堵头、右堵头为绝缘材料，所述左电极板固定安装在左堵头上，所述右电极板固定安装在右堵头上。

7.如权利要求1至6任意一项所述的模拟煤体水力压裂用复电阻测量系统，其特征在于：筒体和煤样筒的材质为PPEK绝缘材料；左电极板、右电极板为铜金属板；煤样筒为内径5cm，长度10cm的筒体。

8.利用权利要求1所述的系统进行的模拟煤体水力压裂用复电阻测量方法，其特征在于：所述方法依次包括如下步骤：

（1）连接实验装置，检验气密性，确认系统气密性良好；

（2）将采集的煤样制成长100mm，直径50mm的煤柱，将煤柱放在夹持器中；

（3）开启真空泵以及真空泵与夹持器之间的瓦斯阀门，启动真空泵，对系统进行抽真空处理，当系统内部压力为10Pa时关闭真空泵以及真空泵与夹持器之间的瓦斯阀门；

（4）将恒温水浴箱温度设置为恒定温度30℃，直至实验结束；

（5）打开轴压泵和围压泵，进行轴压和围压设置，用来模拟地应力，轴压和围压的设置范围均为6-10Mpa；

（6）打开甲烷罐向夹持器充入瓦斯气体，当压力表显示到预设瓦斯压力时，其中，预设压力为1Mpa，关闭充气系统，放置12-24h，煤体吸附瓦斯稳定后，打开气体吸收装置的阀门，随后再等12-24h， 使气体在夹持器中充分吸附达到平衡，关闭气体吸收装置阀门；

（7）打开水泵阀门，水箱内的水通过加压后进入压裂管，通过压裂管头作用到煤体上，煤体形成了内部充满水的裂隙，流出的水通过出口管道流入液体收集装置；此时启动IM3533-01LCR复电阻测量仪，选定测量的复电阻参数，读取数据，数据保存在电脑中；

（8）依照步骤（1）～（7）分别测量：水压5Mp，压裂管头20mm；水压5Mp，压裂管头40mm；水压8Mp，压裂管头20mm；水压8Mp，压裂管头40mm四种压裂情况的煤体复电阻参数，测量结束后，整理设备。