CN114575816A - 一种适用于ct扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法，属于矿用实验设备技术领域。该一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置包括壳体、压裂管和供液装置，还包括：压裂系统，包括第一输送管、第二输送管、连接管和密封球，壳体设有上腔体和下腔体，压裂管侧壁设有第一喷口和第二喷口，第二输送管侧壁通过销钉将第一密封圈与压裂管内壁连接；第一加载系统，用于向上腔体内的矿样A施加压力；第二加载系统，用于向下腔体内的矿样B施加压力。本发明的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法，能够同时对不同矿层的矿样进行分层压裂，研究分层压裂过程中不同煤岩体的裂隙扩展规律、流体微观运移规律与分布特征。

Description

一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法
技术领域
本发明涉及矿用实验设备技术领域，具体涉及一种适用于CT扫描的真三 轴分层压裂实验装置及方法。
背景技术
在对深部煤储层的煤层气进行开采时，需要对不同深度的储层进行分层压 裂。分层压裂是煤层气开采作业中常用的一种压裂增产措施，通过高压喷出由 携砂液、支撑剂等组成的压裂液对储层进行压裂，使储层产生裂缝或裂缝张开 并扩张，增加了储层的渗透率，提高煤层气的产量。
CT扫描是一种无损伤的实验检测技术，近些年来被广泛应用在岩石的细 观损伤力学特性的实验研究中，是探究岩石破坏过程中内部或者表面裂隙发育 扩展规律的一类非常有效的手段。
真三轴加载方式是目前公认的可以准确的模拟地层岩体真实的三向受力 状态的加载方式，然而现有技术中缺乏基于真三轴实验情况下，利用CT扫描 技术获取分层压裂过程中煤岩体的裂隙扩展规律的研究。因此，迫切需要一种 适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，实现利用CT扫描技术实时监测 分层压裂过程中煤岩体的裂隙扩展规律，从而研究原位赋存环境下，分层压裂 过程中不同煤岩体的裂隙扩展规律、流体微观运移规律与分布特征。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种适用于CT扫描的 真三轴分层压裂实验装置及方法，能够同时对不同矿层的矿样进行分层压裂， 还原煤岩体的原位赋存环境，实现利用CT扫描技术实时监测分层压裂过程中 煤岩体的裂隙扩展规律，从而研究原位赋存环境下，分层压裂过程中不同煤岩 体的裂隙扩展规律、流体微观运移规律与分布特征。
本发明提供了一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，包括壳体、 压裂管和供液装置，还包括：
压裂系统，包括第一输送管、第二输送管、连接管和密封球，所述第一输 送管和第二输送管均设于所述压裂管内，第一输送管一端与所述供液装置连通， 第一输送管另一端通过连接管与第二输送管一端连通，所述壳体设有上腔体和 下腔体，第二输送管另一端与下腔体连通，所述压裂管侧壁设有第一喷口和第 二喷口，所述第一喷口与上腔体连通，所述第二喷口与下腔体连通，第二输送 管侧壁通过销钉将第一密封圈与压裂管内壁连接，所述密封球用于阻断连接管 与第二输送管的连通，第一密封圈设于第一喷口与第二喷口之间；
第一加载系统，用于向上腔体内的矿样A施加压力；
第二加载系统，用于向下腔体内的矿样B施加压力。
较佳地，所述第一加载系统包括第一径向加载机构和第一轴向加载机构， 所述第二加载系统包括第二径向加载机构和第二轴向加载机构。
较佳地，所述第一径向加载机构、第一轴向加载机构、第二径向加载机构 和第二轴向加载机构结构相同，均包括液压腔和液压活塞，所述液压腔连通有 液控回路，所述液压活塞一端与液压腔内壁滑动连接，液压活塞另一端连接有 压板，所述压板与矿样A或矿样B相抵接。
较佳地，还包括热液循环系统，设于所述上腔体或下腔体内，所述热液循 环系统用于对矿样A或矿样B进行加热。
较佳地，所述第一输送管与所述供液装置之间还设有液压传感器，所述液 压传感器电连接有数据处理器，所述液压传感器用于检测第一输送管内的实时 液压压力值，数据处理器根据实时液压压力值绘制压力曲线图，所述数据处理 器电连接有电源装置。
较佳地，所述上腔体和下腔体之间还设有支撑结构，所述支撑结构包括上 支撑板、下支撑板和连接柱，所述上支撑板设于上腔体底部，下支撑板设于下 腔体顶部，上支撑板与下支撑板通过所述连接柱连接。
较佳地，所述液压活塞上设有第二密封圈，第二密封圈与所述液压腔内壁 滑动连接。
本发明还提供了一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置进行压裂 实验的方法，包括：
S01：根据矿样A和矿样B的原位赋存环境，确定第一加载系统和第二加 载系统所需的加载压力的大小以及注入压裂液种类；
S02：将矿样A和矿样B切割为立方体，再将矿样A和矿样B用混凝土 包裹；
S03：在制作好的混凝土包裹的立方体顶部钻孔，预留安装压裂管的空间；
S04：将矿样B装进下腔体，矿样A装进上腔体，将本装置进行安装，然 后将本装置安装到CT机内进行分层压裂实验；
S05：向第一输送管内注入压裂液，同时通过第二加载系统向矿样B施加 压力，从而对矿样B进行压裂；
S06：矿样B压裂完成后，向第一输送管内中投掷密封球，然后持续向第 一输送管内输送压裂液，同时通过第一加载系统向矿样A施加压力，从而对矿 样A进行压裂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种适用于CT扫描的 真三轴分层压裂实验装置及方法，能够同时对不同矿层的矿样进行分层压裂， 还原煤岩体的原位赋存环境，实现利用CT扫描技术实时监测分层压裂过程中 煤岩体的裂隙扩展规律，从而研究原位赋存环境下，分层压裂过程中不同煤岩 体的裂隙扩展规律、流体微观运移规律与分布特征。通过设置第一径向加载机 构、第一轴向加载机构、第二径向加载机构和第二轴向加载机构，使矿样A和 矿样B模拟真实煤岩体的原位赋存环境下进行压裂的状态，从而更加真实的探 究分层压裂过程中不同煤岩体的裂隙扩展规律。通过设置液压腔和液压活塞， 利用液压驱动液压活塞运动推动压板对矿样A或矿样B进行挤压，从而能够 对矿样A或矿样B施加较大的挤压力。通过设置热液循环系统，利用热液循 环系统对矿样A或矿样B进行加热，从而模拟不同深度储层的温度条件，从 而进一步模拟煤岩体的原位赋存环境。通过设置液压传感器，利用液压传感器 检测第一输送管内的实时液压压力值，数据处理器根据实时液压压力值绘制压 力曲线图，根据压裂曲线能够确定矿样A或矿样B在压裂时裂缝的延伸规律。 通过设置支撑结构，利用连接柱将上支撑板与下支撑板连接，上支撑板受到的 压力与下支撑板所受到的压力相抵消，从而提升本装置运行的稳定性。通过设 置第二密封圈，能够提升液压腔与液压活塞的密封性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明连接管处的结构示意图；
图4为本发明第二喷口处的结构示意图。
附图标记说明：
101.壳体，102.压裂管，103.第一密封圈，104.第一输送管，105.第二输送 管，106.连接管，107.密封球，108.矿样A，109.矿样B，110.第一喷口，111. 第二喷口，112.销钉，201.第一径向加载机构，202.第一轴向加载机构，203. 第二径向加载机构，204.第二轴向加载机构，301.液压腔，302.液压活塞，303. 压板，4.热液循环系统，5.液压传感器，601.上支撑板，602.下支撑板，603.连 接柱，7.第二密封圈。
具体实施方式
下面结合附图1-3，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解 本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-3所示，本发明提供的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验 装置及方法，包括壳体101、压裂管102和供液装置，还包括：压裂系统第一 加载系统和第二加载系统，压裂系统包括第一输送管104、第二输送管105、 连接管106和密封球107，所述第一输送管104和第二输送管105均设于所述 压裂管102内，第一输送管104一端与所述供液装置连通，第一输送管104另 一端通过连接管106与第二输送管105一端连通，所述壳体101设有上腔体和 下腔体，第二输送管105另一端与下腔体连通，所述压裂管102侧壁设有第一 喷口110和第二喷口111，所述第一喷口110与上腔体连通，所述第二喷口111 与下腔体连通，第二输送管105侧壁通过销钉112将第一密封圈103与压裂管 102内壁连接，所述密封球107用于阻断连接管106与第二输送管105的连通； 第一加载系统用于向上腔体内的矿样A108施加压力；第二加载系统用于向下 腔体内的矿样B109施加压力。
现简述实施例1的工作原理：
矿样A108和矿样B109取自不同矿层，试验前，根据矿样A108和矿样 B109的原位赋存环境确定第一加载系统和第二加载系统所需的加载压力的大 小以及注入压裂液种类。壳体101以及第一加载系统和第二加载系统各部件的 材质一般采用耐高压的碳纤维材质，从而防止对CT扫描造成影响。将矿样 A108和矿样B109切割为立方体最大尺寸：28×28×28cm，外部用混凝土包 裹为立方体最大尺寸：30×30×30cm。在制作好的混凝土包裹的立方体样品 顶部钻孔，预留安装压裂管102的空间。将矿样B109装进下腔体，矿样A108 装进上腔体，将本装置进行安装，然后将本装置安装到CT机内进行分层压裂 实验。向第一输送管104内注入压裂液，压裂液通过第二输送管105进入第二 输送管105与压裂管102之间的间隙，压裂液与第一密封圈103接触，第一密 封圈103防止压裂液从第二输送管105流向第一输送管104。此时，压裂液从 第二喷口111喷出，从而对矿样B109进行压裂。更进一步，第二输送管105 侧壁通过两组销钉112和第一密封圈103与压裂管102内壁连接，两组销钉112和第一密封圈103分置于第二输送管105上下两端，输送管105下端的一组销 钉112和第一密封圈103能够在压裂液对矿样B109进行压裂时，防止压裂液 从第二输送管105与压裂管102之间的间隙反流至第一输送管104处，保证压 裂液只能对矿样B109进行压裂。矿样B109压裂完成后，向第一输送管104 内中投掷密封球107，所述密封球107的直径与第二输送管105直径一致，密 封球107会停留在第二输送管105的入口处，将第二输送管105封堵，随着所 述压裂液的持续注入，在液压压力的作用下，密封球107和第二输送管105会 带动第二输送管105下滑，从而将连接压裂管102和第二输送管105的销钉112 剪断，此时，第二输送管105与所述连接管106脱离，压裂液从第二输送管105 与连接管106之间排出，压裂液进入第一输送管104与压裂管102之间的间隙， 随后压裂液从第一喷口110喷出，从而对矿样A108进行压裂。第二输送管105 上端的一组销钉112和第一密封圈103能够在压裂液对矿样矿样A108进行压 裂时，防止压裂液从第一输送管104与压裂管102之间的间隙流至第二输送管 105处，保证压裂液只能对矿样A108进行压裂。通过第一加载系统向矿样A108 施加压力，通过第二加载系统向矿样B109施加压力，进而模拟分层压裂，利 用CT机实时扫描整个装置，从而确定矿样A108和矿样B109的裂隙扩展规律。
本发明的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置及方法，能够同 时对不同矿层的矿样进行分层压裂，还原煤岩体的原位赋存环境，实现利用 CT扫描技术实时监测分层压裂过程中煤岩体的裂隙扩展规律，从而研究原位 赋存环境下，分层压裂过程中不同煤岩体的裂隙扩展规律、流体微观运移规律 与分布特征。
实施例2：
在实施例1的基础上，为了进一步还原煤岩体的原位赋存环境，从而更加 真实的探究分层压裂过程中不同煤岩体的裂隙扩展规律。
如图1所示，其中，所述第一加载系统包括第一径向加载机构201和第一 轴向加载机构202，所述第二加载系统包括第二径向加载机构203和第二轴向 加载机构204。
在进行压裂实验时，通过第一径向加载机构201向矿样A108施加径向力， 通过第一轴向压力加载机构202向矿样A108施加轴向力，通过第二径向加载 机构203向矿样B109施加径向力，通过第二轴向压力加载机构204向矿样B109 施加轴向力，从而使矿样A108和矿样B109模拟真实煤岩体的原位赋存环境 下进行压裂的状态，从而更加真实的探究分层压裂过程中不同煤岩体的裂隙扩 展规律。
作为一种优选方案，如图1所示，其中，所述第一径向加载机构201、第 一轴向加载机构202、第二径向加载机构203和第二轴向加载机构204结构相 同，均包括液压腔301和液压活塞302，所述液压腔301连通有液控回路，所 述液压活塞302一端与液压腔301内壁滑动连接，液压活塞302另一端连接有 压板303，所述压板303与矿样A108或矿样B109相抵接。通过设置液压腔 301和液压活塞302，利用液压驱动液压活塞302运动推动压板303对矿样A108 或矿样B109进行挤压，从而能够对矿样A108或矿样B109施加较大的挤压力。
作为一种优选方案，如图1所示，其中，还包括热液循环系统4，设于所 述上腔体或下腔体内，所述热液循环系统4用于对矿样A108或矿样B109进 行加热。通过设置热液循环系统4，利用热液循环系统4对矿样A108或矿样 B109进行加热，从而模拟不同深度煤矿储层的温度条件，从而进一步模拟煤 岩体的原位赋存环境。
作为一种优选方案，如图1和2所示，其中，所述第一输送管104与所述 供液装置之间还设有液压传感器5，所述液压传感器5电连接有数据处理器， 所述液压传感器5用于监测第一输送管104内的实时液压压力值，数据处理器 根据实时液压压力值绘制压力曲线图，所述数据处理器电连接有电源装置。通 过设置液压传感器5，利用液压传感器5监测第一输送管104内的实时液压压 力值，数据处理器根据实时液压压力值绘制压力曲线图，根据压裂曲线能够确 定矿样A108或矿样B109在压裂时裂缝的延伸规律。
作为一种优选方案，如图1所示，其中，所述上腔体和下腔体之间还设有 支撑结构，所述支撑结构包括上支撑板601、下支撑板602和连接柱603，所 述上支撑板601设于上腔体底部，下支撑板602设于下腔体顶部，上支撑板601 与下支撑板602通过所述连接柱603连接。通过设置支撑结构，利用上支撑板 601对矿样A108进行支撑，利用下支撑板602对矿样B109进行支撑，利用连 接柱603将上支撑板601与下支撑板602连接，上支撑板601受到的压力与下 支撑板602所受到的压力相抵消，从而提升本装置运行的稳定性。
作为一种优选方案，如图1所示，其中，所述液压活塞302上设有第二密 封圈7，第二密封圈7与所述液压腔301内壁滑动连接。通过设置第二密封圈 7，能够提升液压腔301与液压活塞302的密封性。
本发明还提供了一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置进行压裂 实验的方法，包括：
S01：根据矿样A108和矿样B109的原位赋存环境，确定第一加载系统和 第二加载系统所需的加载压力的大小以及注入压裂液种类；
S02：将矿样A108和矿样B109切割为立方体，再将矿样A108和矿样 B109用混凝土包裹；
S03：在制作好的混凝土包裹的立方体顶部钻孔，预留安装压裂管102的 空间；
S04：将矿样B109装进下腔体，矿样A108装进上腔体，将本装置进行安 装，然后将本装置安装到CT机内进行分层压裂实验；
S05：向第一输送管104内注入压裂液，同时通过第二加载系统向矿样B109 施加压力，从而对矿样B109进行压裂；
S06：矿样B109压裂完成后，向第一输送管104内中投掷密封球107，然 后持续向第一输送管104内输送压裂液，同时通过第一加载系统向矿样A108 施加压力，从而对矿样A108进行压裂。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种 变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，包括壳体(101)、压裂管(102)和供液装置，其特征在于，还包括：
压裂系统，包括第一输送管(104)、第二输送管(105)、连接管(106)和密封球(107)，所述第一输送管(104)和第二输送管(105)均设于所述压裂管(102)内，第一输送管(104)一端与所述供液装置连通，第一输送管(104)另一端通过连接管(106)与第二输送管(105)一端连通，所述壳体(101)设有上腔体和下腔体，第二输送管(105)另一端与下腔体连通，所述压裂管(102)侧壁设有第一喷口(110)和第二喷口(111)，所述第一喷口(110)与上腔体连通，所述第二喷口(111)与下腔体连通，第二输送管(105)侧壁通过销钉(112)将第一密封圈(103)与压裂管(102)内壁连接，所述密封球(107)用于阻断连接管(106)与第二输送管(105)的连通，第一密封圈(103)设于第一喷口(110)与第二喷口(111)之间；
第一加载系统，用于向上腔体内的矿样A(108)施加压力；
第二加载系统，用于向下腔体内的矿样B(109)施加压力。
2.如权利要求1所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，其特征在于，所述第一加载系统包括第一径向加载机构(201)和第一轴向加载机构(202)，所述第二加载系统包括第二径向加载机构(203)和第二轴向加载机构(204)。
3.如权利要求2所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，其特征在于，所述第一径向加载机构(201)、第一轴向加载机构(202)、第二径向加载机构(203)和第二轴向加载机构(204)结构相同，均包括液压腔(301)和液压活塞(302)，所述液压腔(301)连通有液控回路，所述液压活塞(302)一端与液压腔(301)内壁滑动连接，液压活塞(302)另一端连接有压板(303)，所述压板(303)与矿样A(108)或矿样B(109)相抵接。
4.如权利要求1所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，其特征在于，还包括热液循环系统(4)，设于所述上腔体或下腔体内，所述热液循环系统(4)用于对矿样A(108)或矿样B(109)进行加热。
5.如权利要求1所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，其特征在于，所述第一输送管(104)与所述供液装置之间还设有液压传感器(5)，所述液压传感器(5)电连接有数据处理器，所述液压传感器(5)用于检测第一输送管(104)内的实时液压压力值，数据处理器根据实时液压压力值绘制压力曲线图，所述数据处理器电连接有电源装置。
6.如权利要求1所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，其特征在于，所述上腔体和下腔体之间还设有支撑结构，所述支撑结构包括上支撑板(601)、下支撑板(602)和连接柱(603)，所述上支撑板(601)设于上腔体底部，下支撑板(602)设于下腔体顶部，上支撑板(601)与下支撑板(602)通过所述连接柱(603)连接。
7.如权利要求1所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，其特征在于，所述液压活塞(302)上设有第二密封圈(7)，第二密封圈(7)与所述液压腔(301)内壁滑动连接。
8.采用权利要求1所述的一种适用于CT扫描的真三轴分层压裂实验装置，进行压裂实验的方法，其特征在于，包括：
S01：根据矿样A(108)和矿样B(109)的原位赋存环境，确定第一加载系统和第二加载系统所需的加载压力的大小以及注入压裂液种类；
S02：将矿样A(108)和矿样B(109)切割为立方体，再将矿样A(108)和矿样B(109)用混凝土包裹；
S03：在制作好的混凝土包裹的立方体顶部钻孔，预留安装压裂管(102)的空间；
S04：将矿样B(109)装进下腔体，矿样A(108)装进上腔体，将本装置进行安装，然后将本装置安装到CT机内进行分层压裂实验；
S05：向第一输送管(104)内注入压裂液，同时通过第二加载系统向矿样B(109)施加压力，从而对矿样B(109)进行压裂；
S06：矿样B(109)压裂完成后，向第一输送管(104)内中投掷密封球(107)，然后持续向第一输送管(104)内输送压裂液，同时通过第一加载系统向矿样A(108)施加压力，从而对矿样A(108)进行压裂。
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