CN115097104A - 一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统及试验方法，包括水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统以及控制及信息采集平台；控制及信息采集平台同时与水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统同时连通，本发明的水平井洞穴激励卸压平台构造煤原位煤层气开发过程中脉动式激励卸压的实验条件，应力应变与流体场监测系统动态监测实验中水平井扩展规律以及激励卸压过程中应力应变的时空演化规律，以及复杂渗流场与水平井段流动状态的动态监测。

Description

一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统及试验 方法

技术领域

本发明涉及一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统及试验方法，属于煤层气开采领域。

背景技术

构造煤广泛发育和构造煤煤层气资源丰富是中国煤与煤层气资源的显著特征，构造煤资源量占我国已发现煤炭资源的比例很高，构造煤煤层气资源量占我国煤层气资源总量的比例更大。构造煤具有富气、低渗、松软等突出特征，多为煤与瓦斯突出煤层，因危害大且抽采利用困难煤矿生产中多将其风排到大气中，构造煤煤层气高效开发的能源、安全、生态意义十分突出。

疏水降压解吸采气理论是当前原位煤层气地面井开发的理论基础，由于构造煤储层渗透率极低且水力压裂等改造方式效果很差，疏水降压解吸采气理论不适合于构造煤储层，勘探开发实践也表明，基于疏水降压解吸采气理论基础的煤层气勘探开发技术无法实现构造煤煤层气的高效开发，包括SVR技术系列（直井压裂、U形井、多分枝水平井、水平井压裂等）、ECBM技术系列（CO2-ECBM、N2-ECBM等）及其复合技术。构造煤煤气高效勘探开发技术与装备也成为制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要技术瓶颈之一。因此，需要另辟蹊径，发展适用于构造煤煤层气高效开发的水平井洞穴卸压解吸采气理论，同时创研基于该理论基础的模拟实验装置及构造煤原位煤层气高效勘探开发技术，对于打破我国构造煤煤层气地面井高效开发技术瓶颈，具有重要的理论和实际生产指导意义。

发明内容

本发明提供一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统及试验方法，用以开展模拟水平井造洞穴及脉动式激励卸压的相关实验，并实现构造煤原位煤层气开发过程中水平井扩展规律及激励卸压过程中应力应变的时空演化规律，以及复杂渗流场与水平井段流动状态的动态监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，包括水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统以及控制及信息采集平台；

控制及信息采集平台同时与水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统同时连通，所述水平井洞穴激励卸压平台通过控制及信息采集平台发送的指令构造煤原位煤层气开发过程中脉动式激励卸压的实验条件，应力应变与流体场监测系统通过控制及信息采集平台发送的指令动态监测实验中水平井扩展规律以及激励卸压过程中应力应变的时空演化规律，同时应力应变与流体场监测系统将获取的时空演化规律信息传送至控制及信息采集平台；

作为本发明的进一步优选，所述水平井洞穴激励卸压平台包括密封骨架模型、脉动式高压射流动力系统以及高压可伸缩喷射系统；

所述的密封骨架模型包括模型箱本体，在模型箱本体内装填煤系地层相似材料，在模型箱本体内设置导向管；

前述的脉动式高压射流动力系统包括水箱、液位传感器、高压柱塞计量泵、第一电动球阀、安全阀以及压力传感器，

水箱的进水口通过高压管路与水龙头连通，在进水口与水龙头之间安装第一电磁球阀，同时在水箱内部安装液位传感器，水箱的出水口通过高压硬管与高压柱塞计量泵前端连通，高压柱塞计量泵后段通过高压硬管与安全阀一端连接，安全阀的泄压出口与水箱连接，当超压时可直接将压力泄至水箱，安全阀的出口端通过高压管线与第二电磁球阀的后端连接，第二电磁球阀的前端与压力传感器的一端连接；

高压柱塞计量泵的水泵电机与控制及信息采集平台连通；

压力传感器的另一端与高压可伸缩喷射系统连通；其中压力传感器的一端通过高压管线与第二电磁球阀连接，压力传感器的另一端通过高压软管与高压可伸缩喷射系统连通；

作为本发明的进一步优选，所述的高压可伸缩喷射系统包括第二步进电机、软管绞盘、丝杠、滑台、可移动喷管以及可变向喷头，

丝杠连接在直线滑轨上，且丝杠相对直线滑轨能够发生滑移，在丝杠的端部通过螺纹或者滚珠结构安装滑台，滑台表面固定可移动喷管，可变向喷头通过螺纹连接在可移动喷管前端；

所述第二步进电机通过联轴器连接丝杠；

可移动喷管的尾端通过高压软管与压力传感器的另一端连通；

可变向喷头相对模型箱本体内导向管的入口；

作为本发明的进一步优选，所述高压可伸缩喷射系统还包括第一步进电机与软管绞盘，软管绞盘上缠绕高压软管，通过第一步进电机的启动关停实现软管绞盘上高压软管的释放以及回收；

作为本发明的进一步优选，在直线滑轨上靠近两个端部的位置分别安装限位器，每个限位器匹配一个碰触传感器；

在滑台尾端安装位移传感器；

可移动喷管与滑台连接的尾端位置安装配重块；

在直线滑轨靠近可移动喷管尾端的位置安装固定支架，且固定支架安装在位于尾端的限位器上；

在可移动喷管靠近喷射部分的位置、直线滑轨靠近可移动喷管的底部均安装喷管稳定器；

作为本发明的进一步优选，所述应力应变与流体场监测系统包括分布式光纤传感系统、静态应力应变测试分析系统、分布式光纤声波传感系统以及摄像系统，

在模型箱本体内开设预留孔，模型箱本体上设置密封骨架模型接口，在密封骨架模型接口内预留铠装光缆或者电缆，且预留的铠装光缆或者电缆延伸至模型箱本体外部；

所述静态应力应变测试分析系统包括静态应力应变测试仪和若干土压力盒，多个土压力盒通过信号传输导线串联形成串联结构，串联结构的信号传输导线通过密封骨架模型接口预留的铠装光缆或者电缆与静态应力应变测试仪连通；

所述分布式光纤传感系统包括光纤应变解调仪，所述分布式光纤声波传感系统包括DAS调制解调器，在分布式光纤传感系统以及分布式光纤声波传感系统内均包含传感光纤，所述的传感光纤盘成光纤圈，埋设在模型箱本体内，传感光纤通过密封骨架模型接口内预留的铠装光缆或者电缆同时与光纤应变解调仪、DAS调制解调器连通；

所述摄像系统包括高速高清摄像机以及内窥镜，内窥镜的镜头置于预留孔内壁处，内窥镜的尾端与高速高清摄像机连通；

所述的光前应变解调仪、静态应力应变测试仪、DAS调制解调器以及高速高清摄像机同时与控制及信息采集平台连通；

作为本发明的进一步优选，所述的传感光纤盘成的光纤圈总长度为1m，直径小于100mm；

根据所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统的试验方法，具体包括以下步骤：

Step0：在模型箱本体内，根据相似材料原理，制作顶板以及底板相似材料，并在模型箱本体内装填煤系地层相似材料，在铺设煤系地层相似材料时，在模型箱本体内布置由多个土压力盒通过信号传输导线串联形成的串联结构，以及盘成光纤圈的传感光纤，串联结构以及光纤圈均通过铠装光缆或者电缆集成线路引至模型箱本体外部；

Step1：利用接线端子将土压力盒的信号传输导线与静态应力应变测试仪连接，并利用跳线熔接方式连接光纤应变解调仪以及DAS调制解调器，并将解调信号传输至控制及信息采集平台处；

Step2：打开入水口处的阀门，系统上电，控制及信息采集平台接收到实验启动命令，打开第一电磁球阀，开启向水供水，当液位传感器达到预设上限水位时，系统自动向第一电磁球阀发送关闭指令，同时，系统继续监测水箱内液位传感器信号，当水箱内液位高度低于水箱满量程的1/3箱体高度时，自动向第一电磁球阀发送开启指令，第一电磁球阀打开，向水箱内注水；

Step3：实验条件预设，通过控制及信息采集平台中的设置接口，设定内容包括：高压柱塞计量泵的工作状态，第二电磁球阀的工作模式.，通过控制及信息采集平的RS485通讯，将设定数值传导至水泵电机以及第二电磁球阀处，通过调节水泵电机的转速以及第二电磁球阀的控制系统，实现工作模式的预设；

Step4：控制及信息采集平台实时监控压力传感器反馈的信号，实现注水压力的自动监测；同时，安全阀持续工作，当第二电磁球阀关闭状态下，管线内压力超出预设安全压力时，安全阀卸压阀打开，通过与水箱连接的管线将超出压力的液体重新传导至水箱内部；

Step5：完成水箱调试以及实验条件预设后，系统启动顺序运行，通过控制及信息采集平台实现可移动喷管的前进与后退；当前进或后退指令发出后，控制及信息采集平台根据位移量分别向第一步进电机与第二步进电机发送转动指令，实现软管释放与可移动喷管移动的同步运行。

Step6：当滑台接触到靠近可变向喷头的限位器后视为到达限位位置，此限位器匹配的触碰传感器向信息采集平台传输信号，到达位移设定上限，超限方向按钮自动变灰锁止；

Step7：滑台自位于可移动喷管尾部的限位器处开始移动，当位移传感器记录到可变向喷头进入模拟地层中的预设位置时，由控制及信号采集平台手动操作传输控制信号触发水泵电机，同时第二电磁球阀按照预先设定的工作模式运行，开始喷射；

Step8：喷射过程中，滑台每前进20cm，第二步进电机停止1分钟-30分钟，然后再重复前进，重复8次，向导向管方向移动1.6m；

Step9：重复前进完成后，通过控制及信号采集平台的人机系统结束实验，此时高压柱塞计量泵与第二电磁球阀关闭，同时，第一步进电机与第二步进电机同时反转返回到位于可移动喷管尾部的限位器处的触碰传感器后自动停止，系统主要实验结束；

作为本发明的进一步优选，在Step2中，液位传感器预设的上限水位为水箱总容量的90%；

在Step3中，设定的高压柱塞计量泵的工作状态包括出水压力以及出水流量数值，第二电磁球阀的工作模式包括两种模式，模式一为：每30s-60s启动一次，每次启动第二电磁球阀运行5s-30s；模式二为：常开/常闭；

在Step4中，预设的安全压力为20MPa；

在Step7中，可变向喷头的移动距离需包含可变向喷头至模型箱本体导向管入口之间的距离。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过提供的脉动式高压射流动力系统，将高压、高速水流以设定方式注入，同时对水压、流量以及注入方式的参数进行实时监测和控制；

2、本发明通过提供的高压可伸缩喷射系统，将高压、高速水流输送至煤系地层相似材料模型内，同时可以调节在模型内水流喷射方向；

3、本发明通过提供的应力应变与流体场监测系统，可以对模拟试验中模型的应力应变进行监测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明提供的优选实施例的系统流程图；

图2是本发明提供的关于喷头本体的实施例示意图。

图中：1.1 为第一电磁球阀， 1.2为水箱，1.3为液位传感器，1.4为水泵电机，1.5为高压柱塞计量泵，1.6为安全阀，1.7为第二电磁球阀，1.8 为压力传感器，1.9为入水口；

2.1为软管绞盘，2.2为第一步进电机，2.3为第二步进电机， 2.4为左限位器，2.5为直线滑轨，2.6为配重块，2.7为滑台，2.8为可移动喷管，2.9为喷管稳定器，2.10为右限位器，2.11为可变向喷头；

3.1为土压力盒，3.2为信号传输导线，3.3为传感光纤，3.4为铠装光缆或者电缆集成线路， 3.5为光纤应变解调仪，3.6 为DAS调制解调器，3.7为静态应力应变测试仪，3.8为高速高清摄像机，3.9为内窥镜；

4.1为控制及信息采集平台；

1为第一棘轮，2为第二棘轮，3为第一内部套管，4为第二内部套管，5为外部套管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

本申请旨在提供一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，用以开展模拟水平井造洞穴及脉动式激励卸压的相关实验，并实现构造煤原位煤层气开发过程中水平井扩展规律及激励卸压过程中应力应变的时空演化规律，以及复杂渗流场与水平井段流动状态的动态监测。其功能定位是构造煤煤层气勘探开发理论技术创新的载体和试验平台，也是构造煤煤层气开发装备研制不可或缺的科研仪器。

也就是说本申请提供的系统包括水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统以及控制及信息采集平台4.1；控制及信息采集平台同时与水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统同时连通，所述水平井洞穴激励卸压平台通过控制及信息采集平台发送的指令构造煤原位煤层气开发过程中脉动式激励卸压的实验条件，应力应变与流体场监测系统通过控制及信息采集平台发送的指令动态监测实验中水平井扩展规律以及激励卸压过程中应力应变的时空演化规律，同时应力应变与流体场监测系统将获取的时空演化规律信息传送至控制及信息采集平台。

接下来对系统内的各个部分做一个详细的阐述，所述水平井洞穴激励卸压平台包括密封骨架模型、脉动式高压射流动力系统以及高压可伸缩喷射系统；所述的密封骨架模型包括模型箱本体，在模型箱本体内装填煤系地层相似材料，在模型箱本体内设置导向管，导向管的两侧设置与顶底板相似材料；

前述的脉动式高压射流动力系统包括水箱1.2、液位传感器1.3、高压柱塞计量泵1.5、第一电动球阀、安全阀1.6以及压力传感器1.8，水箱的进水口通过高压管路与水龙头连通，在进水口与水龙头之间安装第一电磁球阀1.1，用于控制管路开启和闭合，同时在水箱内部安装液位传感器，实时监测水箱内部液位变化，水箱的出水口通过高压硬管与高压柱塞计量泵前端连通，高压柱塞计量泵后段通过高压硬管与安全阀一端连接，安全阀的泄压出口与水箱连接，当超压时可直接将压力泄至水箱，安全阀的出口端通过高压管线与第二电磁球阀1.7的后端连接，第二电磁球阀的前端与压力传感器的一端连接；高压柱塞计量泵的水泵电机1.4与控制及信息采集平台连通；通过高压柱塞计量泵向煤系地层相似材料模型地质体注入设定压力或流量的水，通过控制高压柱塞计量泵电机转速调整管道内注入水的压力以及流量，高压柱塞计量泵前端与水箱连通，由水箱提供水源；

压力传感器的另一端与高压可伸缩喷射系统连通；其中压力传感器的一端通过高压管线与第二电磁球阀连接，压力传感器的另一端通过高压软管与高压可伸缩喷射系统连通；当管线内压力高于设定安全压力时，向水箱排水，确保管路内压力控制在安全范围内，压力传感器用于高精度计量进入高压可伸缩喷射系统的水流压力；第二电磁球阀与高压柱塞计量泵配合，通过控制第二电磁球阀以一定频率的开启和关闭，实现高压水流的脉动式注入。

所述的高压可伸缩喷射系统包括第二步进电机2.3、软管绞盘2.1、丝杠、滑台2.7、可移动喷管2.8以及可变向喷头2.11，丝杠连接在直线滑轨2.5上，且丝杠相对直线滑轨能够发生滑移，在丝杠的端部通过螺纹或者滚珠结构安装滑台，滑台2.7表面固定可移动喷管，可变向喷头通过螺纹连接在可移动喷管前端；所述第二步进电机通过联轴器连接丝杠，第二步进电机为可数控步进电机，为高压可伸缩喷射系统提供动力，由第二步进电机带动直线滑轨及丝杠使其以设定速度向前移动或收回，进而带动可移动喷管移动；可移动喷管的尾端通过高压软管与压力传感器的另一端连通；可变向喷头相对模型箱本体内导向管的入口。

在直线滑轨上靠近两个端部的位置分别安装限位器，每个限位器匹配一个碰触传感器，当限位器处碰触传感器压力超出静态范围时，自动传输信号至控制及信息采集平台，第一步进电机2.2以及第二步进电机同时停止，可移动喷管停止移动，软管停止收放动作，避免可移动喷管移动距离超限；在滑台尾端安装位移传感器，监测可移动喷管移动距离，实时反馈滑台位移距离。

所述高压可伸缩喷射系统还包括第一步进电机与软管绞盘，软管绞盘上缠绕高压软管，可实现软管紧贴固定在软管绞盘之上，通过第一步进电机的启动关停实现软管绞盘上高压软管的释放以及回收，确保软管在伸缩过程中不会发生堆积叠放以及缠绕等影响系统稳定性的情况。第二步进电机转动数据需传输回控制及信息采集平台，通过计算后将需要释放的软管长度传输至第一步进电机，实现可移动喷管前移的同时释放等量长度的软管。

由于滑台前后水管长度不一，因此在可移动喷管与滑台连接的尾端位置安装配重块2.6，用于平衡可移动喷管前后配重，确保可移动喷管稳定伸缩；

在直线滑轨靠近可移动喷管尾端的位置安装固定支架，且固定支架安装在位于尾端的限位器上，用于导向喷管伸缩方向，实现在喷射过程中水管的平衡稳定，配合限位器实现对滑块移动距离的控制，避免出现位移距离超限的情况；在可移动喷管靠近喷射部分的位置、直线滑轨靠近可移动喷管的底部均安装喷管稳定器2.9，同样也是为了保持喷头喷射时结构的稳定性。

本申请中，所述应力应变与流体场监测系统包括分布式光纤传感系统、静态应力应变测试分析系统、分布式光纤声波传感系统以及摄像系统，

在模型箱本体内开设预留孔，模型箱本体上设置密封骨架模型接口，在密封骨架模型接口内预留铠装光缆或者电缆，且预留的铠装光缆或者电缆延伸至模型箱本体外部；

所述静态应力应变测试分析系统基于静态应力应变测试方法监测煤系地层相似材料模型地质体的应力应变，包括静态应力应变测试仪3.7和若干土压力盒3.1，多个土压力盒通过信号传输导线3.2串联形成串联结构，串联结构的信号传输导线通过密封骨架模型接口预留的铠装光缆或者电缆与静态应力应变测试仪连通，且信号传输导线与密封骨架模型接口中预留的铠装光缆或者电缆以跳线的方式连接；

所述分布式光纤传感系统基于PPP-BOTDA技术，包括光纤应变解调仪3.5，所述分布式光纤声波传感系统包括DAS调制解调器3.6，在分布式光纤传感系统以及分布式光纤声波传感系统内均包含传感光纤3.3，所述的传感光纤盘成光纤圈，这里所述的传感光纤盘成的光纤圈总长度为1m，直径小于100mm，埋设在模型箱本体内，传感光纤通过密封骨架模型接口内预留的铠装光缆或者电缆同时与光纤应变解调仪、DAS调制解调器连通，且传感光纤与密封骨架模型接口内预留的铠装光缆或者电缆通过跳线熔接；

所述摄像系统包括高速高清摄像机3.8以及内窥镜3.9，内窥镜的镜头置于预留孔内壁处，内窥镜的尾端与高速高清摄像机连通；

所述的光前应变解调仪、静态应力应变测试仪、DAS调制解调器以及高速高清摄像机同时与控制及信息采集平台连通。

在本申请中，所述的控制及信息采集平台用于指令的发送与接收，其主要包含了设备信息采集、通讯与自动化控制系统，技术装备主要由传感器、现场工作站、中央服务器控制系统三层网络架构和软件构成。该平台以高精传感器技术为基础，通过建立传感器、现场工作站、中央服务器控制系统三层网络架构，应用组态分析软件与物联网感知技术，形成“精确化、可视化、交互化、快速化、智能化”的数据采集与监控系统，实时检测、控制技术装备运转情况和构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发技术的实施过程，实现工程数据的采集、显示和处理分析。

最后本申请还提供了水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统的试验方法，具体包括以下步骤：

Step0：在模型箱本体内，根据相似材料原理，制作顶板以及底板相似材料，并在模型箱本体内装填煤系地层相似材料，在铺设煤系地层相似材料时，在模型箱本体内布置由多个土压力盒通过信号传输导线串联形成的串联结构，以及盘成光纤圈的传感光纤，串联结构以及光纤圈均通过铠装光缆或者电缆集成线路3.4引至模型箱本体外部；

Step1：利用接线端子将土压力盒的信号传输导线与静态应力应变测试仪连接，并利用跳线熔接方式连接光纤应变解调仪以及DAS调制解调器，并将解调信号传输至控制及信息采集平台处；

Step2：打开入水口1.9处的阀门，系统上电，控制及信息采集平台接收到实验启动命令，打开第一电磁球阀，开启向水供水，当液位传感器达到预设上限水位（为水箱总容量的90%）时，系统自动向第一电磁球阀发送关闭指令，同时，系统继续监测水箱内液位传感器信号，当水箱内液位高度低于水箱满量程的1/3箱体高度时，自动向第一电磁球阀发送开启指令，第一电磁球阀打开，向水箱内注水；

Step3：实验条件预设，通过控制及信息采集平台中的设置接口，设定内容包括：高压柱塞计量泵的工作状态，第二电磁球阀的工作模式.（模式一：30-60s启动一次，每次运行5-30s；模式二：常开/常闭），通过控制及信息采集平的RS485通讯，将设定数值传导至水泵电机以及第二电磁球阀处，通过调节水泵电机的转速以及第二电磁球阀的控制系统，实现工作模式的预设；

Step4：控制及信息采集平台实时监控压力传感器反馈的信号，实现注水压力的自动监测；同时，安全阀持续工作，当第二电磁球阀关闭状态下，管线内压力超出预设安全压力（20MPa）的时，安全阀卸压阀打开，通过与水箱连接的管线将超出压力的液体重新传导至水箱内部；这里需要做一个解释的是，由于水泵继续工作，因此由第二球阀与水泵之间管线容易憋压产生超出预设安全压力情况；

Step5：完成水箱调试以及实验条件预设后，系统启动顺序运行，通过控制及信息采集平台实现可移动喷管的前进与后退；当前进或后退指令发出后，控制及信息采集平台根据位移量分别向第一步进电机与第二步进电机发送转动指令（这里不同的步进电机旋转角度根据位移长度以及直线滑轨和软管绞盘加工后的测量直径计算），实现软管释放与可移动喷管移动的同步运行。

Step6：滑台在直线滑轨上可移动的距离小于直线滑轨的长度，当滑台接触到靠近可变向喷头的限位器后视为到达限位位置，此限位器匹配的触碰传感器向信息采集平台传输信号，到达位移设定上限，超限方向按钮自动变灰锁止，这里为了方便描述，如图1所示，以图1视角，位于左边的限位器定义为左限位器2.4，位于右边的限位器定义为右限位器2.10，即当滑台碰触到右限位器时，触发右限位器接触传感器，此时控制及信号采集平台上的向右移动按钮变灰，无法进一步操作，避免第二步进电机空转以及软管脱离软管绞盘等情况；

Step7：滑台自位于可移动喷管尾部的限位器处开始移动，当位移传感器记录到可变向喷头进入模拟地层中的预设位置时，由控制及信号采集平台手动操作传输控制信号触发水泵电机，同时第二电磁球阀按照预先设定的水压、流量、频率运行，开始喷射；

Step8：喷射过程中，滑台每前进20cm，第二步进电机停止1分钟-30分钟，然后再重复前进，重复8次，向导向管方向移动1.6m；

Step9：重复前进完成后，通过控制及信号采集平台的人机系统结束实验，此时高压柱塞计量泵与第二电磁球阀关闭，同时，第一步进电机与第二步进电机同时反转返回到位于可移动喷管尾部的限位器处的触碰传感器后自动停止，系统主要实验结束。

上述试验方法可以重复进行，在现场提供就地控制（手动），在可移动喷头进入导向管内时，通过设置各类按钮，可以随时启停第二步进电机控制前进与后退，进行喷射；同时在进行变频加卸载时，前行过程中冲孔控制也需要模拟实际工程情况。

最后，关于整个试验过程中，可移动喷头还可以实现喷射方向的变向功能，这里给出一个优选实施例，包括喷头本体，其喷射出口处套设喷帽，喷头本体的尾端安装棘轮驱动杆；图2所示，所述喷头本体包括第一棘轮1、第二棘轮2、第一内部套管3、第二内部套管4以及外部套管5，第一内部套管的一端外管壁与第二内部套管的一端内管壁连接，且第二内部套管相对第一内部套管在轴向方向可移动；外部套管套设在第一内部套管与第二内部套管的外部，第一内部套管的另一端固定在外部套管内管壁上；第二棘轮的尾端与第二内部套管的一端为一体连接，所述第二棘轮的顶端为圆周端面，沿着其圆周端面对称开设深部棘轮槽，在相邻的深部棘轮槽之间形成的凸起部分开设浅部棘轮槽，深部棘轮槽的深度大于浅部棘轮槽的深度；第一棘轮的尾端安装棘轮驱动杆，第一棘轮的顶端圆周壁上对称设置两个棘轮凸起，且第一棘轮的顶端与第二棘轮的顶端相对布设，第一内部套管的一端顺次穿设第一棘轮、第二棘轮，棘轮驱动杆推动第一棘轮旋转，第一棘轮的棘轮凸起沿着深部棘轮槽、浅部棘轮槽顺次发生滑移；第二内部套管靠近喷帽的圆周壁上开设若干内部套管喷孔，在外部套管靠近喷帽的圆周壁上同样开设若干外部套管喷孔，在外部套筒喷孔内侧均设置密封胶圈，外部套管套设在第二内部套管的外部，当第一棘轮的棘轮凸起位于深部棘轮槽内时，外部套管喷孔与第二内部套管喷孔同心设置，当第一棘轮的棘轮凸起位于浅部棘轮槽内时，外部套管喷孔与第二内部套管喷孔发生分离。也就是说此优选实施例中，第一棘轮与第二棘轮匹配旋转，带动第二套管相对外部套管发生相对移动，外部套管喷孔与第二内部套管喷孔同心设置时，喷头本体进入径向射流模式；外部套管喷孔与第二内部套管喷孔发生分离时，喷头本体进入轴向射流模式；在不更换喷头的前提下即可实现高速水流顺水平井井筒喷射以及垂直于水平井井筒筒壁方向喷射的自由切换。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：包括水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统以及控制及信息采集平台；

控制及信息采集平台同时与水平井洞穴激励卸压平台、应力应变与流体场监测系统同时连通，所述水平井洞穴激励卸压平台通过控制及信息采集平台发送的指令构造煤原位煤层气开发过程中脉动式激励卸压的实验条件，应力应变与流体场监测系统通过控制及信息采集平台发送的指令动态监测实验中水平井扩展规律以及激励卸压过程中应力应变的时空演化规律，同时应力应变与流体场监测系统将获取的时空演化规律信息传送至控制及信息采集平台。

2.根据权利要求1所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：所述水平井洞穴激励卸压平台包括密封骨架模型、脉动式高压射流动力系统以及高压可伸缩喷射系统；

所述的密封骨架模型包括模型箱本体，在模型箱本体内装填煤系地层相似材料，在模型箱本体内设置导向管；

前述的脉动式高压射流动力系统包括水箱、液位传感器、高压柱塞计量泵、第一电动球阀、安全阀以及压力传感器，

水箱的进水口通过高压管路与水龙头连通，在进水口与水龙头之间安装第一电磁球阀，同时在水箱内部安装液位传感器，水箱的出水口通过高压硬管与高压柱塞计量泵前端连通，高压柱塞计量泵后段通过高压硬管与安全阀一端连接，安全阀的泄压出口与水箱连接，当超压时可直接将压力泄至水箱，安全阀的出口端通过高压管线与第二电磁球阀的后端连接，第二电磁球阀的前端与压力传感器的一端连接；

高压柱塞计量泵的水泵电机与控制及信息采集平台连通；

压力传感器的另一端与高压可伸缩喷射系统连通；其中压力传感器的一端通过高压管线与第二电磁球阀连接，压力传感器的另一端通过高压软管与高压可伸缩喷射系统连通。

3.根据权利要求2所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：所述的高压可伸缩喷射系统包括第二步进电机、软管绞盘、丝杠、滑台、可移动喷管以及可变向喷头，

丝杠连接在直线滑轨上，且丝杠相对直线滑轨能够发生滑移，在丝杠的端部通过螺纹或者滚珠结构安装滑台，滑台表面固定可移动喷管，可变向喷头通过螺纹连接在可移动喷管前端；

所述第二步进电机通过联轴器连接丝杠；

可移动喷管的尾端通过高压软管与压力传感器的另一端连通；

可变向喷头相对模型箱本体内导向管的入口。

4.根据权利要求3所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：所述高压可伸缩喷射系统还包括第一步进电机与软管绞盘，软管绞盘上缠绕高压软管，通过第一步进电机的启动关停实现软管绞盘上高压软管的释放以及回收。

5.根据权利要求4所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：在直线滑轨上靠近两个端部的位置分别安装限位器，每个限位器匹配一个碰触传感器；

在滑台尾端安装位移传感器；

可移动喷管与滑台连接的尾端位置安装配重块；

在直线滑轨靠近可移动喷管尾端的位置安装固定支架，且固定支架安装在位于尾端的限位器上；

在可移动喷管靠近喷射部分的位置、直线滑轨靠近可移动喷管的底部均安装喷管稳定器。

6.根据权利要求5所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：所述应力应变与流体场监测系统包括分布式光纤传感系统、静态应力应变测试分析系统、分布式光纤声波传感系统以及摄像系统，

在模型箱本体内开设预留孔，模型箱本体上设置密封骨架模型接口，在密封骨架模型接口内预留铠装光缆或者电缆，且预留的铠装光缆或者电缆延伸至模型箱本体外部；

所述静态应力应变测试分析系统包括静态应力应变测试仪和若干土压力盒，多个土压力盒通过信号传输导线串联形成串联结构，串联结构的信号传输导线通过密封骨架模型接口预留的铠装光缆或者电缆与静态应力应变测试仪连通；

所述分布式光纤传感系统包括光纤应变解调仪，所述分布式光纤声波传感系统包括DAS调制解调器，在分布式光纤传感系统以及分布式光纤声波传感系统内均包含传感光纤，所述的传感光纤盘成光纤圈，埋设在模型箱本体内，传感光纤通过密封骨架模型接口内预留的铠装光缆或者电缆同时与光纤应变解调仪、DAS调制解调器连通；

所述摄像系统包括高速高清摄像机以及内窥镜，内窥镜的镜头置于预留孔内壁处，内窥镜的尾端与高速高清摄像机连通；

所述的光前应变解调仪、静态应力应变测试仪、DAS调制解调器以及高速高清摄像机同时与控制及信息采集平台连通。

7.根据权利要求6所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统，其特征在于：所述的传感光纤盘成的光纤圈总长度为1m，直径小于100mm。

8.根据权利要求7所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

Step0：在模型箱本体内，根据相似材料原理，制作顶板以及底板相似材料，并在模型箱本体内装填煤系地层相似材料，在铺设煤系地层相似材料时，在模型箱本体内布置由多个土压力盒通过信号传输导线串联形成的串联结构，以及盘成光纤圈的传感光纤，串联结构以及光纤圈均通过铠装光缆或者电缆集成线路引至模型箱本体外部；

Step1：利用接线端子将土压力盒的信号传输导线与静态应力应变测试仪连接，并利用跳线熔接方式连接光纤应变解调仪以及DAS调制解调器，并将解调信号传输至控制及信息采集平台处；

Step2：打开入水口处的阀门，系统上电，控制及信息采集平台接收到实验启动命令，打开第一电磁球阀，开启向水供水，当液位传感器达到预设上限水位时，系统自动向第一电磁球阀发送关闭指令，同时，系统继续监测水箱内液位传感器信号，当水箱内液位高度低于水箱满量程的1/3箱体高度时，自动向第一电磁球阀发送开启指令，第一电磁球阀打开，向水箱内注水；

Step3：实验条件预设，通过控制及信息采集平台中的设置接口，设定内容包括：高压柱塞计量泵的工作状态，第二电磁球阀的工作模式，通过控制及信息采集平的RS485通讯，将设定数值传导至水泵电机以及第二电磁球阀处，通过调节水泵电机的转速以及第二电磁球阀的控制系统，实现工作模式的预设；

Step4：控制及信息采集平台实时监控压力传感器反馈的信号，实现注水压力的自动监测；同时，安全阀持续工作，当第二电磁球阀关闭状态下，管线内压力超出预设安全压力时，安全阀卸压阀打开，通过与水箱连接的管线将超出压力的液体重新传导至水箱内部；

Step5：完成水箱调试以及实验条件预设后，系统启动顺序运行，通过控制及信息采集平台实现可移动喷管的前进与后退；当前进或后退指令发出后，控制及信息采集平台根据位移量分别向第一步进电机与第二步进电机发送转动指令，实现软管释放与可移动喷管移动的同步运行；

Step6：当滑台接触到靠近可变向喷头的限位器后视为到达限位位置，此限位器匹配的触碰传感器向信息采集平台传输信号，到达位移设定上限，超限方向按钮自动变灰锁止；

Step7：滑台自位于可移动喷管尾部的限位器处开始移动，当位移传感器记录到可变向喷头进入模拟地层中的预设位置时，由控制及信号采集平台手动操作传输控制信号触发水泵电机，同时第二电磁球阀按照预先设定的工作模式运行，开始喷射；

Step8：喷射过程中，滑台每前进20cm，第二步进电机停止1分钟-30分钟，然后再重复前进，重复8次，向导向管方向移动1.6m；

Step9：重复前进完成后，通过控制及信号采集平台的人机系统结束实验，此时高压柱塞计量泵与第二电磁球阀关闭，同时，第一步进电机与第二步进电机同时反转返回到位于可移动喷管尾部的限位器处的触碰传感器后自动停止，系统主要实验结束。

9.根据权利要求8所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统的试验方法，其特征在于：在Step2中，液位传感器预设的上限水位为水箱总容量的90%；

在Step3中，设定的高压柱塞计量泵的工作状态包括出水压力以及出水流量数值，第二电磁球阀的工作模式包括两种模式，模式一为：每30s-60s启动一次，每次启动第二电磁球阀运行5s-30s；模式二为：常开/常闭；

在Step4中，预设的安全压力为20MPa；

在Step7中，可变向喷头的移动距离需包含可变向喷头至模型箱本体导向管入口之间的距离。

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