CN110823707A - 卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置及方法，属于工程相似模拟技术领域。以圆筒型合金钢体及用多个螺栓连接的上、底盖组成承压密封仓体，密封仓体内预置钢制件，钢制件内凹面中安装液压枕、承载板，形成近长方体或正方体的试样制备空间。顶盖安装前，自顶部装入相似材料，采用分层夯实方式在承压仓体内制备相似材料试样。仓体密封后，利用3个液压泵分别向X、Y、Z三轴的6个液压枕注油，推动承载板向前运动，以实现相似材料试样的真三轴密封加载。本装置结构简单、材料成本低，密封加载方法安全可靠，特别适用于构造煤卸压煤层气开发室内大型模拟试验中相似材料试样的真三轴密封加载。

Description

卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置及方法
技术领域
本发明涉及一种试样真三轴密封加载装置及方法，尤其是一种适用于构造煤卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置及方法。
背景技术
我国煤层气资源丰富，预测埋深2000m以浅煤层气地质资源量达36.8×1012m3，与常规天然气资源量相当。煤层气规模化开发能够缓解我国常规油气能源短缺形势，降低煤矿瓦斯事故发生几率，减少煤矿生产中温室气体排放量，可产生显著的经济、环境、安全及社会效益。
以黔西滇东地区、两淮地区及鄂尔多斯盆地西缘为代表的我国构造煤煤层厚度大、分布广泛，煤层气资源量及资源开发潜力巨大。由于构造煤储层具有效应力高、原始渗透率低及水力压裂改造难度大等特点，因此采用传统的直井、水平井压裂工艺难以取得较好的煤层气开采效果。为了全面推进我国构造煤发育区煤层气开发工作，就需要解决传统直井、水平井压裂方式构造煤储层改造效果差，采动区被保护层性卸压应力释放程度低等问题，积极探索构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发新技术、新方法，以显著提高构造煤煤层气地面开发效果。出于构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发新技术研发的目的，需要在构造煤煤系地层结构重构的基础上开展大型室内物理模拟试验。因此，研发煤系地层相似材料试样真三轴密封加载装置及方法，就成为构造煤卸压煤层气开发室内物理模拟试验开展的重要前提工作。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了满足构造煤卸压煤层气开发室内大型物理模拟试验中煤系地层相似材料试样真三轴密封加载的需要，提供一种能够模拟构造煤卸压煤层气开发中煤系地层受力、变形及构造煤煤层气解吸规律的相似材料试样真三轴密封加载装置及方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，包括液压泵、装填相似材料试样的承压密封仓体，所述的承压密封仓体包括圆筒型合金钢体、经固定螺栓固定在圆筒型合金钢体上的顶盖和底盖，承压密封仓体内预置带有凹面的钢制件，预置钢制件内的凹面中设有形成近长方体或正方体相似材料试样空间的六组液压枕和与液压枕相配套的承载板，位于相似材料试样的6个面上；所述的液压泵为3个，分别经注油管路与六组液压枕相连通，以X、Y、Z三轴方向向六组液压枕内注油，推动承载板向前运动挤压装填在承压密封仓体内相似材料，实现相似材料试样的真三轴密封加载。
所述的圆筒型合金钢体由合金钢锻造加工成型；当仓体设计承压较低时，圆筒型合金钢体用无缝钢管焊接法兰方式制作。
所述的圆筒型合金钢体与顶盖、底盖之间有密封胶垫，并通过均匀分布的20-24个固定螺栓相连接。
所述的钢制件为定制加工件，利用行车吊装至承压密封仓体内，当钢制件尺寸较大时，可分解加工，然后在圆筒型合金钢体内组合安装。
所述的液压枕的额定压力为15MPa，分辨率为1MPa，精度为1.6％FS。
所述的六组液压枕包括X轴方向第一第二液压枕、Y轴方向第一第二液压枕、Z轴方向第一第二液压枕。
所述的承载板包括X轴方向第一第二承载板、Y轴方向第一第二承载板、Z轴方向第一第二承载板。
使用上述装置的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载方法，括以下步骤：
(a)利用固定螺栓将圆筒型合金钢体与底盖密封连接；
(b)利用行车将钢制件吊装入圆筒型合金钢体内；
(c)安装Z轴方向第二液压枕及与其相配套的Z轴方向第二承载板，采用注油管路连接第三液压泵与Z轴方向第二液压枕；
(d)安装X轴、Y轴方向的4组液压枕及与其相配套的4组承载板，采用注油管路连接第一液压泵与X轴方向第一第二液压枕，并用注油管路连接第二液压泵与Y轴方向第一第二液压枕；
(e)从圆筒型合金钢体顶部向内装填相似材料，且边装填边夯实，制备成相似材料试样；
(f)安装Z轴方向第一液压枕及其下的Z轴方向第一承载板，并用注油管路连接第三液压泵与Z轴方向第一液压枕；
(g)用固定螺栓将圆筒型合金钢体与顶盖密封连接；
(h)自顶盖的注气口注入设定压力的N2，检查承压密封仓体的气密性；
(i)依次启动第一注液泵、第二注液泵、第三注液泵，交替缓慢升高注入油压至预设值，从而实现相似材料试验真三轴密封加载。
所述的液压枕膨胀变形受液压泵加载系统的控制，其中：第一液压泵向X轴方向第一第二液压枕注油，并控制第一第二液压枕的膨胀变形；第二液压泵向Y轴方向第一第二液压枕注油，并控制Y轴方向第一第二液压枕的膨胀变形；第三液压泵向Z轴方向第一第二液压枕注油，并控制Z轴方向第一第二液压枕的膨胀变形。
所述的制备相似材料试样过程中，相似材料原料尽可能夯实紧密，避免所制备的相似材料试样受承载板挤压后应变量过大，导致相似材料试样相邻加载面承载板相互接触。
有益效果：本发明是一种用于构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发大型室内物理模拟试验的煤系相似材料试样密封条件下的真三轴加载装置及加载方法，属于工程相似模拟装置及方法研发领域。本发明通过在密封承压仓体内预置钢制件、液压枕、承载板，并利用液压泵向液压枕注油，推动承载板向前运动的方式，实现相似材料试样真三轴密封加载，解决的室内模拟试验中大型试样密封难度、真三轴均衡加载的难题，可开展构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发大型室内物理模拟试验。与现有技术相比，该相似材料试样密封加载装置结构简单，钢制件、液压枕及液压泵加工、购置的成本低，密封承压仓体内气体泄漏风险低，仓体密封效果好，三轴加载力不相互干扰，加载力稳定，可大幅提高室内大型模拟试验的成功率。
附图说明
图1为本发明的试样真三轴密封加载装置俯视结构示意图。
图2为本发明的试样真三轴密封加载装置侧视结构示意图。
图中：1-圆筒型合金钢体；2-固定螺栓；3-顶盖；4-底盖；5-钢制件；6-液压枕；6-1-X轴方向第一液压枕；6-2-X轴方向第二液压枕；6-3-Y轴方向第一液压枕；6-4-Y轴方向第二液压枕；6-5-Z轴方向第一液压枕；6-6-Z轴方向第二液压枕；7-承载板；7-1-X轴方向第一承载板；7-2-X轴方向第二承载板；7-3-Y轴方向第一承载板；7-4-Y轴方向第二承载板；7-5-Z轴方向第一承载板；7-6-Z轴方向第二承载板；8-第一液压泵；9-第二液压泵；10-第三液压泵；11-相似材料试样；12-密封胶垫；13-注油管路；14-注油口；15-注气口。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1图2所示，本发明的用于构造煤卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，主要由液压泵、装填相似材料试样11的承压密封仓体，所述的承压密封仓体包括圆筒型合金钢体1、经固定螺栓2固定在圆筒型合金钢体1上的顶盖3和底盖4构成，所述的圆筒型合金钢体1由合金钢锻造加工成型；所述的圆筒型合金钢体1与顶盖2、底盖3之间有密封胶垫12，并通过均匀分布的20-24个固定螺栓2相连接，固定螺栓2紧固过程中，密封胶垫12受挤压变形达到密封效果。当仓体设计承压较低时，圆筒型合金钢体1用无缝钢管焊接法兰方式制作。所述的承压密封仓体内预置带有凹面的钢制件5，钢制件5为承压密封仓体内自由空间充填物，将承压密封仓体内圆柱形空间转变为近长方体或正方体的相似材料试样11制备空间，钢制件5为定制加工件，利用行车吊装至承压密封仓体内，当钢制件5尺寸较大时，可分解加工，然后在圆筒型合金钢体1内组合安装。预置的钢制件5内的凹面中设有形成近长方体或正方体相似材料试样空间的六组液压枕6和与液压枕相配套的承载板7，位于相似材料试样11的6个面上；所述的液压枕6的额定压力为15MPa，分辨率为1MPa，精度为1.6％FS。所述的液压泵为3个，分别经注油管路与六组液压枕6相连通，以X、Y、Z三轴方向向六组液压枕6内注油，推动承载板7向前运动挤压装填在承压密封仓体内相似材料，实现相似材料试样11的真三轴密封加载。所述的六组液压枕6包括X轴方向第一液压枕6-1和第二液压枕6-2、Y轴方向第一液压枕6-3和第二液压枕6-4、Z轴方向第一液压枕6-5和第二液压枕6-6。所述的承载板7包括X轴方向第一承载板7-1和第二承载板7-2、Y轴方向第一承载板7-3和第二承载板7-4、Z轴方向第一承载板7-5和第二承载板7-6。
使用上述装置的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载方法，具体步骤如下：
(a)利用固定螺栓2将圆筒型合金钢体1与底盖4密封连接；
(b)利用行车将钢制件5吊装入圆筒型合金钢体1内；
(c)安装Z轴方向第二液压枕6-6及与其相配套的Z轴方向第二承载板7-6，采用注油管路13连接第三液压泵10与Z轴方向第二液压枕6-6；
(d)安装X轴、Y轴方向的4组液压枕6-1、6-2、6-3、6-4及与其相配套的4组承载板7-1、7-2、7-3、7-4，采用注油管路13连接第一液压泵8与X轴方向第一液压枕6-1第二液压枕6-2，并用注油管路13连接第二液压泵9与Y轴方向第一液压枕6-3和第二液压枕6-4；第一、第二液压枕用同一液压泵注油增压，试验过程中压力是同步增加的，压力相同。
(e)从圆筒型合金钢体1顶部向内装填相似材料，且边装填边夯实，制备相似材料试样11；制备相似材料试样11过程中，相似材料原料尽可能夯实紧密，避免所制备的相似材料试样11受承载板7挤压后应变量过大，导致相似材料试样11相邻加载面承载板7相互接触。这是因为相似材料压实紧密条件下，试样在试验过程中变形量小，承载板向前移动量较小，不会被推出钢制件内凹面的方向凹槽，也就不会相互接触，只有在试样变形量大时，承载板才会向被推出凹槽，导致承载板相互接触及加载失败。
(f)相似材料试样制备好后，安装Z轴方向第一承载板7-5及Z轴方向第一液压枕6-5，并用注油管路13连接第三液压泵10与Z轴方向第一液压枕6-5；
(g)用固定螺栓2将圆筒型合金钢体1与顶盖3密封连接；
(h)自顶盖3的注气口15注入设定压力的N2，检查承压密封仓体的气密性；
(i)通过3个液压泵及与之连接的注油管路13自注油口14将高压油注入到X、Y、Z轴方向液压枕6中，使X、Y、Z轴方向液压枕6向外膨胀变形并推动X、Y、Z轴方向加载板7向相似材料试样11方向移动；液压枕参数为：额定压力15MPa，分辨率1MPa，精度1.6％FS。依次启动第一注液泵8、第二注液泵9、第三注液泵10，交替缓慢升高注入油压至预设值，从而实现相似材料试验真三轴密封加载。液压枕6膨胀变形受液压泵加载系统的控制，其中：第一液压泵8向X轴方向第一液压枕6-1和第二液压枕6-2注油，并控制第一液压枕6-1和第二液压枕6-2的膨胀变形；第二液压泵9向Y轴方向第一液压枕6-3和第二液压枕6-4注油，并控制Y轴方向第一液压枕6-3和第二液压枕6-4的膨胀变形；第三液压泵8向Z轴方向第一液压枕6-5和第二液压枕6-6注油，并控制Z轴方向第一液压枕6-5和第二液压枕6-6的膨胀变形。
模拟试验过程中，利用制样时预埋入相似材料试样11的多个应力传感器监测相似材料试样11内部不同位置点的X、Y、Z轴方向应力变化情况，并以此作为第一注液泵8、第二注液泵9和第三注液泵10注入油压调整的依据。

Claims (10)

1.一种卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：包括液压泵、装填相似材料试样(11)的承压密封仓体，所述的承压密封仓体包括圆筒型合金钢体(1)、经固定螺栓(2)固定在圆筒型合金钢体(1)上的顶盖(3)和底盖(4)，承压密封仓体内预置带有凹面的钢制件(5)，预置钢制件(5)内的凹面中设有形成近长方体或正方体相似材料试样空间的六组液压枕(6)和与液压枕相配套的承载板(7)，位于相似材料试样(11)的6个面上；所述的液压泵为3个，分别经注油管路与六组液压枕(6)相连通，以X、Y、Z三轴方向向六组液压枕(6)内注油，推动承载板(7)向前运动挤压装填在承压密封仓体内相似材料，实现相似材料试样(11)的真三轴密封加载。
2.如权利要求1所述的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：所述的圆筒型合金钢体(1)由合金钢锻造加工成型；当仓体设计承压较低时，圆筒型合金钢体(1)用无缝钢管焊接法兰方式制作。
3.如权利要求1所述的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：所述的圆筒型合金钢体(1)与顶盖(2)、底盖(3)之间有密封胶垫(12)，并通过均匀分布的20-24个固定螺栓(2)相连接。
4.如权利要求1所述的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：所述的钢制件(5)为定制加工件，利用行车吊装至承压密封仓体内，当钢制件(5)尺寸较大时，可分解加工，然后在圆筒型合金钢体(1)内组合安装。
5.如权利要求1所述的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：所述的液压枕(6)的额定压力为15MPa，分辨率为1MPa，精度为1.6％FS。
6.如权利要求1所述的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：所述的六组液压枕(6)包括X轴方向第一第二液压枕(6-1、6-2)、Y轴方向第一第二液压枕(6-3、6-4)、Z轴方向第一第二液压枕(6-5、6-6)。
7.如权利要求1所述的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载装置，其特征在于：所述的承载板(7)包括X轴方向第一第二承载板(7-1、7-2)、Y轴方向第一第二承载板(7-3、7-4)、Z轴方向第一第二承载板(7-5、7-6)。
8.使用权利要求1-7任一项所述装置的卸压煤层气开发模拟的试样真三轴密封加载方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)利用固定螺栓(2)将圆筒型合金钢体(1)与底盖(4)密封连接；
(b)利用行车将钢制件(5)吊装入圆筒型合金钢体(1)内；
(c)安装Z轴方向第二液压枕(6-6)及与其相配套的Z轴方向第二承载板(7-6)，采用注油管路(13)连接第三液压泵(10)与Z轴方向第二液压枕(6-6)；
(d)安装X轴、Y轴方向的4组液压枕及与其相配套的4组承载板，采用注油管路(13)连接第一液压泵(8)与X轴方向第一第二液压枕(6-1、6-2)，并用注油管路(13)连接第二液压泵(9)与Y轴方向第一第二液压枕(6-3、6-4)；
(e)从圆筒型合金钢体(1)顶部向内装填相似材料，且边装填边夯实，制备成相似材料试样(11)；
(f)安装Z轴方向第一液压枕(6-5)及其下的Z轴方向第一承载板(7-5)，采用注油管路(13)连接第三液压泵(10)与Z轴方向第一液压枕(6-5)；
(g)用固定螺栓(2)将圆筒型合金钢体(1)与顶盖(3)密封连接；
(h)自顶盖(3)的注气口(15)注入设定压力的N2，检查承压密封仓体的气密性；
(i)依次启动第一注液泵(8)、第二注液泵(9)、第三注液泵(10)，交替缓慢升高注入油压至预设值，从而实现相似材料试验真三轴密封加载。
9.如权利要求8所述的试样真三轴密封加载方法，其特征在于：液压枕(6)膨胀变形受液压泵加载系统的控制，其中：第一液压泵(8)向X轴方向第一第二液压枕(6-1、6-2)注油，并控制第一第二液压枕(6-1、6-2)的膨胀变形；第二液压泵(9)向Y轴方向第一第二液压枕(6-3、6-4)注油，并控制Y轴方向第一第二液压枕(6-3、6-4)的膨胀变形；第三液压泵(8)向Z轴方向第一第二液压枕(6-5、6-6)注油，并控制Z轴方向第一第二液压枕(6-5、6-6)的膨胀变形。
10.如权利要求8所述的试样真三轴密封加载方法，其特征在于：制备相似材料试样(11)过程中，相似材料原料尽可能夯实紧密，避免所制备的相似材料试样(11)受承载板(7)挤压后应变量过大，导致相似材料试样(11)相邻加载面承载板(7)相互接触。
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