CN111855531A - 一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置，包括多孔介质含水层模拟装置、水力压裂模拟装置、静水压力监测装置、微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置。通过调节手摇式升降螺杆可以控制亚克力箱体左右两侧水头高度，改变多孔介质饱和程度，模拟较为真实的水文地质条件，利用增压泵增压进行压裂，并在压裂前后通过静水压力变化监测装置、微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置进行参数收集，数据结果分析可为水力压裂带来的多孔介质渗透性变化提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置。
背景技术
在土壤修复领域，近年来广泛应用的异位修复和原位修复方法都有着显著的成果，但异位修复成本高，“挖取-运输-修复-回填”的步骤复杂，工程时间长，原位修复多使用修复试剂的投放和基于地下水运移的“渗透性反应墙(PRB)”技术进行土壤和地下水的修复。但对于低渗透性地层而言，基于地下水运移或修复试剂弥散的原位修复方法，受限于其较低的渗流速度，原位投放的修复试剂难以在短时间内扩散、弥散至污染范围内，难以到达经较长时间形成的污染晕的边缘地带，因而难以达到理想的修复效果。
渗透性增强技术是指利用水力压裂或气力压裂技术对低渗透性地层进行裂隙增生，增大该地块的孔隙度，从而增强渗透性，再进行修复试剂的投放，有效通道的增加，极大增加了修复试剂的渗流速度和扩散范围，从而在较短时间内打成修复目的。但是，技术应用过程中，理应对增生裂隙进行监测，一是确认压裂技术的有效性，二是在压裂过程中实时反馈压裂程度，为适时调整压力、注入速度等参数提供判断基础，以保证工程实施过程中的安全性。
压裂过程中的监测本质上是地块渗透性变化的监测和孔隙情况变化的监测。可利用在压裂前后的时间点取特征点原状土测孔隙度、观测特征点静水压力水头、抽水试验等多种水文地质方法和岩土力学方法，进行数据对比，但传统方法数据量少，难以对大范围地块进行全面刻画，因此，可以使用微地震监测技术或电阻层析成像技术等新兴地球物理技术进行监测。因此，可利用室内模拟实验的方式进行实验十分重要。
发明内容
本发明提供了一种用于模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置，可准确的反映在压裂前后，水力压裂技术对多孔介质造成的结构影响，多种实验数据可以较好地为实地应用的数据分析提供方向和基础。
实现本发明上述目的的所采用的技术方案为：一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置，其特征在于，所述装置包括：多孔介质含水层模拟装置、水力压裂模拟装置、静水压力监测装置、微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置；其中多孔介质含水层模拟装置包括箱体(1)，优选为亚克力箱体、第一升降螺杆(2)、第二升降螺杆(3)、第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)、架体(6)以及抽水泵(7)，其中箱体(1)、第一升降螺杆(2)和第二升降螺杆(3)被固定在架体(6)上，箱体(1)内部被分为三个部分，包括源区水箱(8)、汇区水箱(9)和多孔介质填充区(10)，多孔介质填充区(10)中填充有多孔介质，其中第一定水头溢流箱(4)安装在第一升降螺杆(2)上，通过第一连通管(11)与源区水箱(8)连接，同时通过输水管(13)与抽水泵(7)连接，抽水泵(7)通过输水管(13)将第一供水水箱(15)中的水补给到源区水箱(8)中，其中第二定水头溢流箱(5)安装在第二升降螺杆(3)上，通过第二连通管(12)与汇区水箱(9)连接，同时通过出水管(14)与溢水水箱(16)连接，汇区水箱(9)中的多余水量经第二连通管(12)、第二定水头溢流箱(5)及出水管(14)排入溢水水箱(16)中；水力压裂模拟装置包括柱形纱布墙(17)、管路、增压泵(20)以及第二供水水箱(21)，柱形纱布墙(17)设置在多孔介质填充区(10)中，柱形纱布墙(17)的上端通过管路连接增压泵(20)的出口端，增压泵(20)的入口端连接第二供水水箱(21)，用于通过增压泵(20)将第二供水水箱(21)中的水加压后经过管路和柱形纱布墙(17)进入多孔介质填充区(10)中；静水压力监测装置安装在箱体(1)上，用于测量多孔介质中静水压力的变化；微破裂向量扫描监测装置的微震采集探头(24)设置在多孔介质中，用于对多孔介质中微破裂向量扫描监测；超声波波反射监测装置的超声波发生装置(27)固定于箱体(1)上，并与微破裂向量扫描监测装置的检波器(26)相连，用于超声波波反射监测。
其中，微破裂向量扫描监测装置还包括第一电缆线(25)，其中检波器(26)固定于箱体(1)上，微震采集探头(24)竖直放置于多孔介质中，并通过第一电缆线(25)与检波器(26)相连。
其中，超声波波反射监测装置还包括第二电缆线(28)，其中超声波发生装置(27)通过第二电缆线(28)与检波器(26)相连。
其中，静水压力监测装置包括测压计(22)，其中可根据距离设置多个，以形成测压计矩阵，通过孔洞(23)固定于箱体(1)上。
其中，管路包括可移动式柱(18)和连通管(19)，柱形纱布墙(17)的上端依次通过可移动式柱(18)和连通管(19)连接增压泵(20)。
其中，可移动式柱(18)为可移动式亚克力柱(18)，连通管(19)为异形亚克力连通管(19)。
其中，所述箱体(1)为透明的亚克力箱体(1)，架体(6)为铁架，第一升降螺杆为第一手摇式升降螺杆，第二升降螺杆为第二手摇式升降螺杆；多孔介质填充区(10)位于源区水箱(8)和汇区水箱(9)之间。可移动式柱(18)可进行上下调节，用于改变模拟井的性质，调节水力压裂的作用面。
其中，所述增压泵(20)可进行手动调节，用于按实验要求进行压裂应力大小的改变。
其中，所述的第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)可对源区水箱(8)、汇区水箱(9)的水位进行调整，可通过第一升降螺杆(2)、第二升降螺杆(3)对第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)进行位置调整。
其中，所述的微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置中的检波器(26)用于对微震采集探头(24)和超声波发生装置(27)的数据进行收集储存，并可输出至电脑。
优选，本发明涉及一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置，包括多孔介质含水层模拟装置、水力压裂模拟装置、静水压力监测装置、微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置。其中多孔介质含水层模拟装置至少包括透明的亚克力箱体(1)、第一升降螺杆(2)，优选为第一手摇式升降螺杆(2)、第二升降螺杆(3)，优选为第二手摇式升降螺杆(3)、第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)、架体(6)以及抽水泵(7)，其中亚克力箱体(1)和第一手摇式升降螺杆(2)、第二手摇式升降螺杆(3)通过螺丝被固定在架体(6)上，亚克力箱体(1)内部被分为三个部分，包括源区水箱(8)、汇区水箱(9)和多孔介质填充区(10)，其中第一定水头溢流箱(4)安装在第一手摇式升降螺杆(2)上，通过第一连通管(11)与源区水箱(8)连接，同时通过输水管(13)与抽水泵(7)连接，抽水泵(7)通过进水管(13)将第一供水水箱(15)中的水补给到源区水箱(8)中，其中第二定水头溢流箱(5)安装在第二手摇式升降螺杆(3)上，通过第二连通管(12)与汇区水箱(9)连接，同时通过出水管(14)与溢水水箱(16)连接，汇区水箱(9)中的多余水量经第二连通管(12)、第二定水头溢流箱(5)及出水管(14)排入溢水水箱(16)中；水力压裂模拟装置至少包括柱形纱布墙(17)、可移动式亚克力柱(18)、异性亚克力连通管(19)、增压泵(20)以及第二供水水箱(21)，其中增压泵(20)可通过异形亚克力连通管(19)抽取第二供水水箱(21)中的水加压后经过可移动式亚克力柱(18)和柱形纱布墙(17)进入多孔介质填充区(10)中；静水压力监测装置至少包括测压计(22)，其中可根据距离设置多个形成测压计矩阵，通过孔洞(23)固定于亚克力箱体(1)上；微破裂向量扫描监测装置至少包括微震采集探头(24)、第一电缆线(25)、检波器(26)，其中检波器固定于亚克力箱体(1)上，微震采集探头(24)竖直放置于多孔介质中，并通过第一电缆线(25)与检波器(26)相连；超声波波反射监测装置至少包括超声波发生装置(27)、第二电缆线(28)，其中超声波发生装置(27)固定于亚克力箱体(1)上，通过第二电缆线(28)与检波器(26)相连。
优选，所述的水力压裂模拟装置中可对可移动式亚克力柱(18)进行上下调节，改变模拟井的性质(完整井、非完整井)，调节水力压裂的作用面。所述的水力压裂模拟装置中的增压泵(20)可进行手动调节，按实验要求进行压裂应力大小的改变。所述的静水压力监测装置中的测压计(22)需要按距离规律进行矩阵排布后进行数据采集。所述的第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)可对源区水箱(8)、汇区水箱(9)的水位进行调整，可通过第一手摇式升降螺杆(2)、第二手摇式升降螺杆(3)对二者进行位置调整。所述的微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置中的检波器(26)需要对微震采集探头(24)和超声波发生装置(27)的数据进行收集储存，并可输出至电脑。
优选，一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置，至少包括多孔介质含水层模拟装置、水力压裂模拟装置、静水压力监测装置、微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置。
多孔介质含水层模拟装置至少包括透明的亚克力箱体、手摇式升降螺杆定水头溢流箱、架体、抽水泵组成。箱体长140cm，宽40cm，高80cm，底板厚20mm，周边厚15mm。箱体内部被筛网和支撑板分隔为3个部分，左右两部分分别为源区水箱和汇区水箱，两部分分别长10cm，宽、高与箱体一致，中间部分为多孔介质填充区，表面贴有刻度纸，从左至右、从上至下数值依次增大。整个箱体固定在架体上，架体两侧各安装相同的手摇式升降螺旋杆，螺旋杆各安装溢流箱，长10cm，宽10cm，高10cm，溢流箱可随手摇随螺纹进行升降。溢流板位于溢流箱远离与汇区连通一侧，高10cm，溢流板将溢流箱分割为两个空间，两部分底部分别装有铜制接头，分别于两侧的供水水箱、排水水箱、抽水泵、亚克力箱体按说明书附图方式相连。
水力压裂模拟装置由柱形纱布墙、可移动式亚克力柱、异形亚克力连通管和增压泵组成。可移动式亚克力柱长50cm，上下两端分别附有橡胶套，初始时与柱形纱布墙竖直立于箱体底部，待填充完多孔介质后，可将移动式亚克力柱上移，调整模拟完整井的深度，后期手动调节增压泵，改变供水压力，模拟水力压裂效果。
静水压力监测装置由固定在亚克力箱体上的多个测压计组成，测压计布置于箱体左半部分，靠近模拟压裂井附近分布密集，远离模拟压裂井分布稀疏，可按10cm为间隔进行钻孔安装。
微破裂向量扫描监测装置由微震采集头、检波器和电缆组成，检波器固定在亚克力箱体外侧，微震采集头埋入多孔介质中，位置应为箱体右半部分，二者通过电缆线相连并进行信号传输。
超声波波反射监测装置由超声波发生装置组成，超声波发生装置安装在箱体内侧，通过电缆线与检波器相连并进行信号传输。
与现有技术相比，本发明所提供的一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置具有以下优点：1、所设置的水力压裂模拟装置可以根据具体要求调解井的性质和属性。2、所设置的水力压裂模拟装置中的增压泵可根据具体需求设置压力大小，调整压裂强度。3、所设置的测压计矩阵可以提供压裂前后、垂向上及横向上的静水压力变化情况。4、所设置的手摇式螺杆可以调节溢流箱高度，以便调整箱体内多孔介质的饱和程度及潜水面高度，更好地模拟实际情况便于试验数据收集。5、所设置的微破裂向量扫描装置可根据需求进行数据采集后进行三维模拟，将水力压裂后的增生裂隙发育情况表征清楚，同时，该仪器还可更换为电阻层析成像等仪器。
附图说明
图1为本发明提供的模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置的整体结构示意图。
1-亚克力箱体，2-第一手摇式升降螺旋杆，3-第二手摇式升降螺旋杆，4-第一定水头溢流箱，5-第二定水头溢流箱，6-架体，7-抽水泵，8-源区水箱，9-汇区水箱，10-多孔介质填充区，11-第一连通管，12-第二连通管，13-进水管，14-出水管，15-第一供水水箱，16-溢水水箱，17-柱形纱布墙，18-可移动式亚克力柱，19-异形亚克力连通管，20-增压泵，21-第二供水水箱，22-测压计，23-孔洞，24-微震采集探头，25-第一电缆线，26-检波器，27-超声波发生装置，28-第二电缆线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明。
实施例中所提供的模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置结构如图1所示。
装置主体为亚克力箱体1，箱体内部被筛网和支撑板分隔为3个部分，左右两部分分别为源区水箱8和汇区水箱9，中间部分为多孔介质填充区10，表面贴有刻度纸，通过螺丝固定于架体6上。架体两侧各安装相同的第一手摇式升降螺旋杆2、第二手摇式升降螺旋杆3，第一定水头溢流箱4安装在第一手摇式升降螺旋杆2上，通过第一连通管11与源区水箱8连接，同时通过输水管13与抽水泵7连接，第二定水头溢流箱5安装在第二手摇式升降螺旋杆3上，通过第二连通管12与汇区水箱9连接，同时通过出水管14与溢水水箱16连接，调节第一定水头溢流箱4和第二定水头溢流箱5的高度以设定多孔介质的饱和程度。上下两端分别附有橡胶套的可移动式亚克力柱18初始时与柱形纱布墙17竖直立于箱体底部，上下调整可移动式亚克力柱18，用以模拟压裂井的性质和属性。多孔介质填充完成后，手动调节增压泵20，改变供水压力，模拟水力压裂。在亚克力箱体上规则地设置孔洞23及相应个数的测压计22，用以检测压裂前后特征点的静水压力变化，以及观测静水压力与压裂中心距离的变化规律。在多孔介质中埋入微震采集探头24，通过第一电缆线25与固定在亚克力箱体1上的检波器26相连接，用于压裂后增生裂隙的波反射信号采集和数据传输。超声波发生装置27固定在亚克力箱体1内侧，通过第二电缆线28与检波器26相连，用于波反射信号采集及数据传输。
本发明提供的装置使用方法如下：
1、多孔介质的填充：实验开始前向多孔介质填充区10内装填多孔介质(如石英砂)模拟岩土层.填装过程中，每次填入固定高度的多孔介质(如石英砂)，铺平，尽量减少对其施加外力，防止填充不均匀，保持均匀及各向同性，重复上述过程直至填充至60cm。
2、饱水：将可移动式亚克力柱18提升至最上方，避免其对饱水步骤的扰动。将源区水箱8一侧的装置按上述方法连接，利用第一手摇式升降螺旋杆2、第二手摇式升降螺旋杆3调节第一定水头溢流箱4和第二定水头溢流箱5的高度为10cm，打开抽水泵7，对填装好的多孔介质进行饱水，待箱体内浸润线无明显波动后，缓慢抬升第一手摇式升降螺旋杆2、第二手摇式升降螺旋杆3上升，重复以上步骤，直至潜水面抬升至要求高度。
3、压裂：按照实验要求，在未饱水或饱水完成后的情况下，进行水力压裂。将打开增压泵20，将可移动式亚克力柱18上提至要求高度，增压水流从第二供水水箱21通过异形亚克力连通管19注入井中，通过柱形纱布墙17向各个方向进行力的传递即压裂。
4、监测方法一：静水压力变化监测。在压裂前和压裂后均进行测压计22的读数记录，进行对比，可反映出多孔介质中静水压力的变化，即侧面反映出多孔介质构架有效应力的变化，即增生裂隙的变化，即渗透性的变化。同时还对距压裂中心远近的测压计22进行读数，可总结相应规律。
5、监测方法二：微破裂向量扫描监测。在压裂前和压裂后均可进行微破裂向量扫描数据收集，处理后可进行模型构建，对比得出裂隙的增生状况，从而可以反应渗透性的变化。
6、监测方法三：超声波波反射监测。在压裂前和压裂后均可进行超声波波反射数据收集，根据波长的对比，根据波峰等数据对比得出裂隙的增生状况，从而可以反应渗透性的变化。
Claims (11)
1.一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置，其特征在于，所述装置包括：多孔介质含水层模拟装置、水力压裂模拟装置、静水压力监测装置、微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置；其中多孔介质含水层模拟装置包括箱体(1)，优选为亚克力箱体、第一升降螺杆(2)、第二升降螺杆(3)、第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)、架体(6)以及抽水泵(7)，其中箱体(1)、第一升降螺杆(2)和第二升降螺杆(3)被固定在架体(6)上，箱体(1)内部被分为三个部分，包括源区水箱(8)、汇区水箱(9)和多孔介质填充区(10)，多孔介质填充区(10)中填充有多孔介质，其中第一定水头溢流箱(4)安装在第一升降螺杆(2)上，通过第一连通管(11)与源区水箱(8)连接，同时通过输水管(13)与抽水泵(7)连接，抽水泵(7)通过输水管(13)将第一供水水箱(15)中的水补给到源区水箱(8)中，其中第二定水头溢流箱(5)安装在第二升降螺杆(3)上，通过第二连通管(12)与汇区水箱(9)连接，同时通过出水管(14)与溢水水箱(16)连接，汇区水箱(9)中的多余水量经第二连通管(12)、第二定水头溢流箱(5)及出水管(14)排入溢水水箱(16)中；水力压裂模拟装置包括柱形纱布墙(17)、管路、增压泵(20)以及第二供水水箱(21)，柱形纱布墙(17)设置在多孔介质填充区(10)中，柱形纱布墙(17)的上端通过管路连接增压泵(20)的出口端，增压泵(20)的入口端连接第二供水水箱(21)，用于通过增压泵(20)将第二供水水箱(21)中的水加压后经过管路和柱形纱布墙(17)进入多孔介质填充区(10)中；静水压力监测装置安装在箱体(1)上，用于测量多孔介质中静水压力的变化；微破裂向量扫描监测装置的微震采集探头(24)设置在多孔介质中，用于对多孔介质中微破裂向量扫描监测；超声波波反射监测装置的超声波发生装置(27)固定于箱体(1)上，并与微破裂向量扫描监测装置的检波器(26)相连，用于超声波波反射监测。
2.根据权利要求1所述的室内实验装置，其特征在于，微破裂向量扫描监测装置还包括第一电缆线(25)，其中检波器(26)固定于箱体(1)上，微震采集探头(24)竖直放置于多孔介质中，并通过第一电缆线(25)与检波器(26)相连。
3.根据权利要求2所述的室内实验装置，其特征在于，超声波波反射监测装置还包括第二电缆线(28)，其中超声波发生装置(27)通过第二电缆线(28)与检波器(26)相连。
4.根据权利要求1-3之一所述的室内实验装置，其特征在于，静水压力监测装置包括测压计(22)，其中可根据距离设置多个，以形成测压计矩阵，通过孔洞(23)固定于箱体(1)上。
5.根据权利要求1-3之一所述的室内实验装置，其特征在于，管路包括可移动式柱(18)和连通管(19)，柱形纱布墙(17)的上端依次通过可移动式柱(18)和连通管(19)连接增压泵(20)。
6.根据权利要求5所述的室内实验装置，其特征在于，可移动式柱(18)为可移动式亚克力柱(18)，连通管(19)为异形亚克力连通管(19)。
7.根据权利要求1-3之一所述的室内实验装置，其特征在于，所述箱体(1)为透明的亚克力箱体(1)，架体(6)为铁架，第一升降螺杆为第一手摇式升降螺杆，第二升降螺杆为第二手摇式升降螺杆；多孔介质填充区(10)位于源区水箱(8)和汇区水箱(9)之间。
8.根据权利要求5所述的室内实验装置，其特征在于，可移动式柱(18)可进行上下调节，用于改变模拟井的性质，调节水力压裂的作用面。
9.根据权利要求1-3之一所述的室内实验装置，其特征在于，所述增压泵(20)可进行手动调节，用于按实验要求进行压裂应力大小的改变。
10.根据权利要求1-3之一所述的室内实验装置，其特征在于，所述的第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)可对源区水箱(8)、汇区水箱(9)的水位进行调整，可通过第一升降螺杆(2)、第二升降螺杆(3)对第一定水头溢流箱(4)、第二定水头溢流箱(5)进行位置调整。
11.根据权利要求1-3之一所述的室内实验装置，其特征在于，所述的微破裂向量扫描监测装置以及超声波波反射监测装置中的检波器(26)用于对微震采集探头(24)和超声波发生装置(27)的数据进行收集储存，并可输出至电脑。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010783988.9A CN111855531A (zh) | 2020-08-06 | 2020-08-06 | 一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010783988.9A CN111855531A (zh) | 2020-08-06 | 2020-08-06 | 一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置 |
Publications (1)
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| CN111855531A true CN111855531A (zh) | 2020-10-30 |
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| CN202010783988.9A Pending CN111855531A (zh) | 2020-08-06 | 2020-08-06 | 一种模拟水力压裂及对压裂前后土体渗透性多法联合监测的室内实验装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113008986A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-22 | 三峡大学 | 一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置 |
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2020
- 2020-08-06 CN CN202010783988.9A patent/CN111855531A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN113008986A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-22 | 三峡大学 | 一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置 |
| CN113008986B (zh) * | 2021-02-26 | 2024-01-16 | 三峡大学 | 一种模拟应力-干湿循环耦合作用的泥岩自愈监测装置 |
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