CN112761584B - 用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤层气开采模拟试验技术领域，具体而言涉及用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，包括以下浆料制备工艺：使用煤粉、细砂、水泥和水混合形成煤层浆料，使用石膏、细砂、水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用细砂、水泥和水混合形成顶板浆料，然后将煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的容器内。本发明可以控制以统一的工艺制作出不同试样，使其具有一致的尺寸、结构层特性，在不同的围压压裂测试试验中，可以减少试样制作本身对于实验结果的影响，因而能更准确地反馈外部可控因素对于实验结果走向的影响，进而辅助实验人员从中得到实验规律，获取能切实指导煤层气开采的实际经验。

Description

用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法及装置

技术领域

本发明涉及煤层气开采模拟试验技术领域，具体而言涉及用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法及装置。

背景技术

水力压裂的基本原理是将大量混有支撑剂的高压液体通过井筒泵入储层，迫使储层破裂形成人工裂缝，使支撑剂充填并支撑裂缝，提高储层的孔渗特性。

碎软低渗煤层一直被视为地面煤层气抽采的禁区，压裂直井总体单井产量低、稳产期短、衰减快、抽采率低下，其抽采技术尚未取得突破。因此，现有技术针对碎软低渗煤层的特点，建立了顶板——煤层——底板的试样模型，在紧邻煤层的顶板岩层中布置水平井，进行水力压裂试验，试图通过压裂试验获得裂缝延伸扩展规律与三轴模拟压力、泵水压力、试样材料性质等之间的联系。

目前实验室内制备的模拟试样一般采用混凝土等材料进行人工浇筑，以此方法制作的每个试样的不同结构层之间的厚度、平整度都存在差异，并且试样不能体现出天然沉积岩分层沉积的结构特征。此外，实际的实验结果依赖于模拟试样的标准性，各试样由于人工制作产生的差异可能对试验结果造成较大影响，因而会干扰各试样试验结果之间的联系，阻碍试验规律的探寻，或得到错误的实验规律。

现有技术文献：

专利文件1：CN108333050B一种真三轴状态下煤岩二次水力压裂试验方法

专利文件2：CN108414311A考虑过渡带的煤系产层组压裂物模试样的制备方法

专利文件3：CN201510733474.1一种含煤产层组压裂物模试样的制备方法

发明内容

本发明目的在于提供用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，使得所制备的试样在原料成分、结构纹理和几何尺寸等方面保持统一的制作标准，使模拟试样在压裂试验中得到的数据更加可靠，从而有助于根据试验结果探寻获得具有参考意义的试验规律。

本发明提供一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，包括以下步骤：

浆料制备：使用煤粉、细砂、水泥和水混合形成煤层浆料，使用石膏、细砂、水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用细砂、水泥和水混合形成顶板浆料，将煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的容器内；

煤层打印：将煤层浆料按预定路径逐层打印至预定高度，每打印完一层后对打印层加压，使打印层表面平整，对打印完毕的煤层进行干燥；

煤层界面层打印：将煤层界面浆料按预定路径逐层打印至预定高度，每打印完一层后对打印层加压，使打印层表面平整；

顶板层打印：将顶板浆料按预定路径逐层打印至预定高度，并在预定的高度层预留模拟井筒的放置空间，同时布置模拟井筒，打印完毕后，由上向下加压侯凝，得到模拟试样。

其中，在结构层打印步骤中，使用连接到同一个容器内的多个喷头分别对多个试样结构层逐层同步打印，并在切换不同种类的结构层之前，将喷头中先前使用的浆料排空并清洗烘干；

在煤层和煤层界面层打印步骤中，对打印层加压的压力逐层递增。

优选地，在浆料制备步骤中，所述煤粉由模拟试验地区的煤块研磨而成，所述细砂由模拟试验地区的顶板岩块研磨而成，所述煤粉和细砂的目数为80-100目。

优选地，在浆料制备步骤中，水分的配比通过预混合获得，预混合获得的浆料塌落度为3％-5％。

优选地，在结构层打印步骤中，打印头按照“之”字形或“回”字形路径打印。

优选地，在结构层打印步骤中，使用能完全覆盖打印层的压板对打印层加压。其中，在煤层打印步骤中，自底层至顶层对压板施加压力递增，压力范围为11-19Mpa，保压时间为2-10分钟；在煤层界面层打印步骤中，对压板施加80Mpa压力，保压时间为2-10分钟；在顶板层打印步骤中，对压板施加100Mpa压力，保压时间为20-30分钟。

优选地，在顶板层打印步骤中，在模拟井筒以下，每层打印完毕后加压，而对于包含模拟井筒水平段的打印层，直至打印层完全覆盖模拟井筒的水平段后再对该打印层加压。

本发明提出另一种技术方案，一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置，包括：

基板，定义承载模拟试样的承载面；

三个浆料储箱，分别用于容纳混合好的煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料；

多个带有挤出部件的打印头，每个所述打印头均带有连接到三个浆料储箱的连接管；

移动载架，用于承载所述储箱和打印头，并控制打印头沿预定路径运动，使打印头逐层打印模拟试样；

压板，被设置在打印层的上方并能覆盖打印层，可由压力加载装置驱动向试样加压。

优选地，所述挤出部件包括螺杆挤出筒。

优选地，所述压板被设置成带有可拆卸的卡块，卡块的直径与所述模拟井筒的直径相同。

优选的，所述压力加载装置包括静压力加载装置和动压力加载装置。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合，只要在这样的构思不相互矛盾的情况下，都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图，从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其它方面、实施例和特征。本发明的其它附加方面，例如示例性实施方式的特征和/或有益效果，将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样的结构示意图；

图2是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置的结构示意图；

图3是本发明中基板在打印初始状态的示意图；

图4是本发明中基板在结构层加压状态的示意图；

图5是本发明中压板的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式，可以以很多方式中任意用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

图1为理想的模拟试样模型，碎软煤层模拟试样包括煤层100、煤层界面层200和顶板层300以及位于顶板层300中的模拟井筒400。

试验目的在于将模拟井筒400设置于顶板层300中，通过水力压裂伺服泵压力控制系统对模拟井筒400泵水，使模拟井筒400的射流孔周围产生压裂裂缝，通过控制不同的三轴压力、泵注水压、射流孔的大小形状和模拟井筒400的位置等因素，来获得不同情况下压裂裂缝的形成及扩展规律。

然而，目前的压裂试样通常采用人工浇筑方式制成，这对于构建具有结构层分层特征的模拟试样是不适用的，同时试样的尺寸、平整度和材料密度等参数均会影响到试验结果。因此，常规的人工浇筑方式制作模拟试样方法难以满足压裂试验对于模拟具有分层结构特征天然沉积岩石的需求。本发明旨在实现以较高的精度和相同的工艺将模拟试样通过结构层分层打印而成，并保证所打印出的模拟试样均匀性高、相似度高、标准统一，能在压裂试验后获得具有较高参考价值的实验数据。

本实施例中提供一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，包括以下步骤：

通过分析待开采矿区碎软低渗煤层区域地质和储层资料，结合煤层及其顶板的岩石物理力学特性和煤岩界面特性，建立碎软低渗煤层地质-储层模型，即包含煤层100、煤层界面层200和顶板层300的三层分层结构模型。

通过分析煤层、煤层界面层和顶板层的力学特性，确定了使用煤粉、细砂、水泥和水制作煤层，使用石膏、细砂、水泥和水制作煤层界面层，使用细砂、水泥和水制作顶板层。

其中，煤粉由模拟试验地区的煤块研磨而成，细砂由模拟试验地区的顶板岩块研磨而成，煤粉和细砂的目数为80-100目。通过将细颗粒的原料作为制作均质结构层的基础，能保持结构层强度与天然结构层具有高度一致的相似性。

为了获得不同结构层性质对于压裂裂缝的影响，本实施例中，使用不同原料配比获得不同性质的结构层。

实施例1：使用质量比为80％煤粉、5％细砂、15％水泥和水混合形成煤层浆料，使用质量比为60％石膏、20％细砂、20％水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用质量比为60％细砂、40％水泥和水混合形成顶板浆料，然后将煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的容器内。

实施例2：使用质量比为70％煤粉、10％细砂、20％水泥和水混合形成煤层浆料，使用质量比为50％石膏、25％细砂、25％水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用质量比为65％细砂、43％水泥和水混合形成顶板浆料，然后将煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的容器内。

实施例3：使用质量比为60％煤粉、15％细砂、25％水泥和水混合形成煤层浆料，使用质量比为40％石膏、30％细砂、30％水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用质量比为70％细砂、30％水泥和水混合形成顶板浆料，然后将煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的容器内。

在上述实施例中，首先对不同的浆料进行预混合，然后将混合而成的浆料分三次填装在上口100mm、下口200mm、高300mm的喇叭状坍落度桶内，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后抹平，然后拔起桶，浆料因自重产生塌落现象，用桶高减去塌落后浆料最高点的高度与桶高相比得到塌落度的百分比值，预混合获得的浆料塌落度为3％-5％，并记录每个配比中水的使用量，由此得到水的混合占比。

通过上述的实施例可以获得不同力学性质的结构层，在试验后得到不同力学性质的结构层对于压裂裂缝产生及延伸的影响。

当浆料制备完成后，使用打印设备对结构层进行打印，打印设备具有三个分别容纳三种浆料的容器。为了保证每个打印而成的模拟试样的结构特性相同，在打印每个结构层时，使用连接到同一个容器内的多个喷头分别对多个试样结构层逐层同步打印。当某一结构层打印完毕后，切换打印头到另外一个连接容器的料管上，保持打印的同步性。

将浆料打印在基板上，基板是能够在竖直方向上移动的，在基板的外围设置了基台，基台上有容纳基板的容腔。在初始状态下，基板的上端面和基台的上端面齐平。

本实施例中，先进行煤层100打印：将煤层浆料按“之”字形或“回”字形路径逐层打印至90mm的高度，每层厚度为5mm，每打印一层后对打印层加压，使打印层表面平整，压缩量小于5％。为了减少累积压力对底层煤层结构层的影响，逐层打印后的加压压力递增，由第一层打印层的11Mpa递增至最后一层的19Mpa；每10mm增加1Mpa的压力，每一层保压2-10分钟，对打印完毕的煤层进行干燥，干燥温度115°，干燥时间为6h。

如此，通过对打印后的煤层100进行及时干燥定型，并通过递增的整平压力，对底层煤层使用较小的压力压平，可以避免底层的煤层因累积压力大而过于致密，能保持煤层100细软疏松的结构特性以及上下结构层密度相对均匀。由于制作煤层界面层200和顶板层300的工序中加压压力较大，及时干燥定型可以减少后续加压过程对于煤层100的影响。

煤层界面层200打印：切换喷嘴的供料管路，将煤层浆料排空并清洗干燥后，在干燥后的煤层100上表面，将煤层界面浆料按“之”字形或“回”字形路径逐层打印至120mm的高度，每打印完一层后对打印层加压，使打印层表面平整。

其中，煤层界面层200处相对于煤层100更加致密，每打印完一层后对打印层加压，使打印层表面平整，压缩量小于5％。煤层界面打印层的加压的压力相对于煤层打印层大，加压之后的结构层被压实紧密，因此重复的加压不会使结构层的密度以及厚度发生较大的变化。从第一层至最后一层加压时加载的压力不变，保压时间由2分钟依次递增至10分钟，在保证每层结构层紧实的基础上，可以节省整体的加压时间。

顶板层300打印：切换喷嘴的供料管路，将煤层界面浆料排空并清洗干燥后，在煤层界面层上，将顶板浆料按“之”字形或“回”字形路径逐层打印至300mm的高度，并在预定的高度层预留模拟井筒400的放置空间，同时布置模拟井筒400，继续打印完毕后，由上向下加压侯凝，得到模拟试样。

其中，根据不同的测试需求，模拟井筒400的布置高度不同，在顶板层300打印步骤中，在模拟井筒400以下，每层打印后即加压，增压时间为2-10分钟，每层递增；对于包含模拟井筒400水平段厚度的打印层，等打印层完全覆盖模拟井筒400的水平段后再对该打印层加压，加压时间为10-20分钟；在模拟井筒400水平段以上，一次性打印至300mm的高度。试样打印完以后，加压时间为20-30分钟。

另外，模拟井筒400的布置高度根据测试需求而定，本发明旨在保持模拟井筒400以下的结构层按照相同的工艺制作出来，以保持其统一性，实际产生压裂裂缝的部分即模拟井筒400以下的结构层。

如此，能在模拟井筒400以下，也即实际产生压裂裂缝的部分，始终保持结构层具有类似天然沉积岩层的分层结构特征，而在模拟井筒400的水平段之上，由于不是压裂裂缝的作用部分，为了加快试样的制作时间，在模拟井筒的水平段以上，只有在整个试样打印完毕之后才进行加压。

在本实施例中，模拟试样的尺寸为300mm*300mm*300mm；其中，煤层100的高度为90mm，煤层界面层的高度为30mm，顶板层的高度为180mm。

优选地，在结构层打印步骤中，使用能完全覆盖打印层的压板对打印层加压。其中，在煤层100打印步骤中，对压板由小到大施加数值在11Mpa-19Mpa范围的压力，保压时间为2-10分钟，如此，可使打印的煤层结构层平整均匀，且底层煤层不会持续受压而过于紧密，使煤层上下层的密度相对平衡，同时保持松散煤层的特性。

在煤层界面层200打印步骤中，对压板施加80Mpa压力，保压时间为2-10分钟，底层时间短而上层时间长，使煤层界面紧实，且层与层之间结构清晰。

在顶板层300打印步骤中，对压板施加100Mpa压力，保压时间为20-30分钟。由于顶板层300厚度大，模拟井筒400的水平段以上部分没有被加压，即采用较大的压力和时间对试样整体进行加压，形成结构紧实可靠的方形试样。在加压完毕后，再对模拟试样进行干燥处理，形成模拟试样。

在上述实施例中，采用液压驱动的压力加载装置进行加压，并可根据成型的试样模型进行力学测试，并以此来调整加压压力和保压时间，使模拟试样的岩石力学特性更接近真实岩层。

本发明提出另一种技术方案，一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置，主要包括基板11，三个浆料储箱2，多个带有挤出部件3的打印头4和移动载架。

结合图2所示，基板11定义承载模拟试样的承载面；移动载架被设置在基板11上方(图中未示出)，浆料储箱2被固定在移动载架上，三个储箱分别用于容纳混合好的煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料；多个带有挤出部件3的打印头4，每个打印头4均带有连接到所述三个浆料储箱的连接管21。

如此，每个浆料储箱2中的浆料可以被连接管21同时输送至多个打印头4的挤出部件3中，通过控制挤出部件3实现多个打印头4对多个试样进行同步打印，以保证每个打印出的试样具有相同的标准，包括结构层的材料配比、干湿度、结构层的厚度和所受到的压力等。

进一步地，为了避免在打印过程中打印头4排料不均匀，在容器和喷头设置加热装置。其中，在容器的内壁设置电加热部件，如电加热丝，使内部的温度维持在50-60摄氏度；在喷头的喷嘴处外围设置电加热部件，同样使用电热丝加热，使喷嘴处的温度维持在50-60摄氏度。

在另外的实施例中，加热装置还可以采用层叠的硅钢片结构，并在其外部设置加热线圈，同时施加直流激励，使其感应加热，防止打印头底部的出口黏结造成的堵塞或者排料不均匀。

如此，通过对浆料加热，保持浆料具有良好的流动性，保证在打印过程中浆料在喷嘴处喷料顺畅，避免浆料由于凝结、排空或挂料而导致挤出不均匀等问题，以此保证打印出的试样结构层均匀平整。

在可选的实施例中，打印头4的外部，或者在浆料储箱2的出口并与连接管21连接的位置设置超声波发生器，通过超声振动进一步使得浆料均匀混合，防止在出口处的堆积和黏连而造成堵塞。

进一步地，移动载架用于承载储箱2和打印头3，并控制打印头3沿预定路径运动，使打印头逐层打印模拟试样。其中，移动载架被设置成龙门架，具有在水平面内X和Y轴两个方向和在竖直平面内Z轴方向三个自由度，能控制打印头3逐层地按照预定路线打印。

具体地，移动载架用于夹持打印头3的部件设置成高精度的丝杆传动部件，能保持打印头3沿预定路径准确高速地运动。

其中，打印头4的喷嘴直径为9mm，打印速度为80mm-100mm/min，路径之间的打印间隔为10mm。在打印头4以“之”字形或“回”字形路径打印时，设置在打印头4一侧的能伸缩夹持的机械手，能按照需求在打印路径一侧的间隙中放置水溶性嵌入物，如纸片等，当水溶解纸片后即形成人造裂缝。其中，纸片的高度和每层打印层的厚度相同，在每层打印层的固定位置放置纸片，并一直延伸至模拟井筒400被放置的高度层，试样被制作完之后，纸片所处的位置形成预定高度的人造裂缝，裂缝的缝长等于纸片的长度。

进一步地，压板51被设置在打印层的上方并能覆盖打印层，可由压力加载装置5驱动向试样加压。压板51为矩形钢板，尺寸为310mm*310mm*10mm。动压力加载装置采用电磁激振器辅助压力加载，在压力加载的过程中对压板51产生一定频率的震动，以加快均匀加压的过程，减少加压时间。

在可选的实施例中，压力加载装置5包括静压力加载装置和动压力加载装置。其中，静压力加载装置包括电力驱动的压力加载装置，如利用电动丝杆与减速机的配合，将压板51以0.01mm/min的速度向试样加压，在压板51达到目标压力后保持压力，或使用液压泵向液压缸内加压的液压加载方式，使压板51以0.01mm/min的速度向试样加压，在压板51达到目标压力后保持压力。

进一步地，挤出部件3包括螺杆挤出筒，该螺杆挤出筒由驱动电机、容纳筒和位于容纳筒中的螺杆组成。驱动电机带动螺杆在容纳筒中转动从而实现将容纳筒一端的浆料定量的输送至另一端。其中，容纳筒远离打印头4的一端设有三个连接口，这三个连接口分别连接到三个浆料储箱2的连接管上，并在管道的尾端设有单独的电磁阀，以便控制每根管道连接到容纳筒中的状态。

具体地，结合图3所示，在打印初始状态，基板11的上端面和基台1的上端面齐平，打印头4将浆料挤出在基板11的上端面，当一层结构层打印完毕后，承托板11在顶杆的带动下下降至结构层的上端面低于基台1的平面处。其中，顶杆由电动或液压驱动，如电动推杆或液压缸。

结合图4所示，用压力加载装置5驱动压板51对打印好的结构层进行加压。当压板51对结构层加压时，结构层不会向外延伸，从而使得试样的体积更加符合标准。加压一定时间后，基板11被顶板向上顶出直至基板11的上端面和基台1上端面齐平，在加压完毕的打印层上方再打印下一层结构层，如此循环往复地层层打印、加压制作试样。

优选地，结合图5，压板51被设置成带有可拆卸卡块511的矩形板，卡块511的直径与模拟井筒的直径相同。可拆卸的卡块511在安装好的状态下，压板51为平整的底面，而当卡块511被拆卸时，则可以容纳模拟井筒400穿过，恰好可以对打印好的结构层进行加压而且不会受到模拟井筒400的干涉，即压板51压平时，模拟井筒400可以从安装卡块511的孔中穿过。

具体地，压板51的中间部位设置了与压力加载装置相连的连接座512，卡块511被设置在连接座512外侧，卡块511可以采用螺纹连接的方式安装到压板51上。

如此，结合以上实施例，本发明可以控制以统一的工艺制作出不同试样，并保证其具有一致的尺寸、结构层特性，在不同的围压压裂测试试验中，可以减少试样制作本身对于实验结果的影响，因此能更准确地反馈外部可控因素对于实验结果走向的影响，进而辅助实验人员从中得到实验规律，获取能切实指导煤层气开采的实际经验。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

浆料制备：使用煤粉、细砂、水泥和水混合形成煤层浆料，使用石膏、细砂、水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用细砂、水泥和水混合形成顶板浆料，然后将煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的容器内；

煤层打印：将煤层浆料按预定路径逐层打印至预定高度，每打印完一层后对打印层加压，使打印层表面平整，对打印完毕的煤层进行干燥；

煤层界面层打印：将煤层界面浆料在干燥后的煤层上按预定路径逐层打印至预定高度，每打印一层后对打印层加压，使打印层表面平整；

顶板层打印：将顶板浆料在煤层界面层上按预定路径逐层打印至预定高度，并在预定的高度层预留模拟井筒的放置空间，并同时布置模拟井筒，打印完毕后，由上向下加压侯凝，得到模拟试样；

其中，在结构层打印步骤中，使用连接到同一个容器内的多个喷头分别对多个试样结构层逐层同步打印，并在切换不同种类的结构层之前，将喷头中先前使用的浆料排空并清洗烘干；

在煤层打印步骤中，对打印层加压的压力逐层递增。

2.根据权利要求1所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，其特征在于，在浆料制备步骤中，所述煤粉由模拟试验地区的煤块研磨而成，所述细砂由模拟试验地区的顶板岩块研磨而成，所述煤粉和细砂的目数为80-100目。

3.根据权利要求1所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，其特征在于，在浆料制备步骤中，水分的配比通过预混合获得，预混合获得的浆料塌落度为3%-5%。

4.根据权利要求1所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，其特征在于，在结构层打印步骤中，打印头按照“之”字形或“回”字形路径打印。

5.根据权利要求1所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，其特征在于，在结构层打印步骤中，使用能完全覆盖打印层的压板对打印层加压，其中，在煤层打印步骤中，自底层至顶层对压板施加的压力递增，压力范围为11-19Mpa，保压时间为2-10分钟；在煤层界面层打印步骤中，对压板施加80Mpa压力，保压时间为2-10分钟；在顶板层打印步骤中，对压板施加100Mpa压力，保压时间为20-30分钟。

6.根据权利要求1所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作方法，其特征在于，在顶板层打印步骤中，在模拟井筒以下，每层打印后加压，而对于包含模拟井筒水平段的打印层，直至打印层完全覆盖模拟井筒的水平段后再对该打印层进行加压。

7.一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置，其特征在于，包括：

基板，定义承载模拟试样的承载面；

三个浆料储箱，分别用于容纳混合好的煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料；

多个带有挤出部件的打印头，每个所述打印头均带有连接到三个浆料储箱的连接管；

移动载架，用于承载所述储箱和打印头，并控制打印头沿预定路径运动，使打印头逐层打印模拟试样，具体为打印煤层、煤层界面层以及打印顶板层；

压板，被设置在打印层的上方并能覆盖打印层，可由压力加载装置驱动向试样加压；

其中，使用煤粉、细砂、水泥和水混合形成煤层浆料，使用石膏、细砂、水泥和水混合形成煤层界面浆料，使用细砂、水泥和水混合形成顶板浆料，所述煤层浆料、煤层界面浆料和顶板浆料分别置于单独的浆料储箱内；

所述移动载架控制打印头沿预定路径运动，使打印头逐层打印模拟试样，即煤层、煤层界面层以及顶板层，具体包括以下过程：

煤层打印：将煤层浆料按预定路径逐层打印至预定高度，每打印完一层后对打印层加压，使打印层表面平整，对打印完毕的煤层进行干燥；

煤层界面层打印：将煤层界面浆料在干燥后的煤层上按预定路径逐层打印至预定高度，每打印一层后对打印层加压，使打印层表面平整；

顶板层打印：将顶板浆料在煤层界面层上按预定路径逐层打印至预定高度，并在预定的高度层预留模拟井筒的放置空间，并同时布置模拟井筒，打印完毕后，由上向下加压侯凝，得到模拟试样；

其中，在结构层打印步骤中，使用连接到同一个容器内的多个喷头分别对多个试样结构层逐层同步打印，并在切换不同种类的结构层之前，将喷头中先前使用的浆料排空并清洗烘干；

在煤层打印步骤中，对打印层加压的压力逐层递增。

8.根据权利要求7所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置，其特征在于，所述挤出部件包括螺杆挤出筒。

9.根据权利要求7所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置，其特征在于，所述压板被设置成带有可拆卸的卡块，所述卡块的直径与模拟井筒的直径相同。

10.根据权利要求7所述的用于碎软煤层水力压裂测试的模拟试样制作装置，其特征在于，所述压力加载装置包括静压力加载装置和动压力加载装置。

Images