CN115290437A - 煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法 - Google Patents

Abstract

煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，具体包括以下测试步骤：（一）、组装煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备；（二）、制作样品；（三）、在样品指定位置钻孔；（四）、对样品加载至地应力状态；（五）、对样品进行水力压裂模拟试验；（六）、实时监测地应力加载过程、水力压裂模拟过程中样品内部的温度场和位移场的历程变化，计算生成温度场和位移场云图；（七）、通过温度场和位移场云图耦合得出样品的位移及应力变化规律。本发明可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验，可耦合得出不同条件下水力压裂过程中样品的位移及应力变化规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑。

Description

煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法

技术领域

本发明涉及煤层气开采水力压裂试验技术领域，具体的说，涉及一种煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法。

背景技术

我国煤储层低渗的特点决定了地面开发煤层气需要进行储层改造。水力压裂是目前常用的储层改造方式之一。进行水力压裂营造裂缝时，局部应力场会发生改变，这种改变可能会造成某些地区应力释放，某些地区应力集中。当这些应力集中的部位在地面煤层气开发时不能得到充分释放时，井下采煤时，在瓦斯压力、地应力及内部和外部应力差作用下，可能出现局部的瓦斯突然释放的现象。

为了得出水力压裂后应力场的重分布状态，研究者们通过数值模拟软件，通过模拟压裂后裂缝的长度、宽度，从损伤的角度对应力释放量进行计算，当煤储层较均质时，模拟结果具有一定的可靠性；当煤储层非均质性较强时，由于裂缝的形态相对比较复杂，模拟结果与实际结果往往出入较大。光纤光栅钻孔应力计法是通过把钻孔周围煤体破坏的应变量转化成数字信号，动态显示煤岩体应力大小，这种方法无法对地面水力压裂进行测试，只能对井下钻孔周围煤岩体进行测试。采用井下应变片法测试的也仅仅是“点”的应力状态，无法得出水力压裂后应力场的分布状态，对指导现场压裂存在一定的局限性。尤其是我国煤储层煤层段常常是软、硬煤互层，横向上煤体结构、煤层所处应力状态变化都较大，更增加了水力压裂后应力分布状态准确识别的难度。如何针对煤层段不同厚度比例软、硬煤，以及不同应力状态较准确得出水力压裂后应力分布的状态，更好的指导压裂的规模、井间距等参数，为尽量消除应力集中提供重要支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，本发明可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验，可耦合得出不同条件下水力压裂过程中样品的位移及应力变化规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，具体包括以下测试步骤：

（一）、组装煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备，煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备包括样品箱、地应力模拟加载装置、水力压裂模拟装置、若干个场量监测单元和计算机控制台，场量监测单元由内置的红外热能传感器和声波传感器构成；

（二）、根据实验方案在样品箱内制作设定煤岩组合体的样品；

（三）、通过水力压裂模拟装置在样品指定位置钻孔，组装好整体设备，检测整体设备的气密性；

（四）、通过地应力加载装置对样品箱施压，进而对样品加载至地应力状态；

（五）、通过水力压裂模拟装置对样品进行水力压裂模拟试验；

（六）、通过各个场量监测单元实时监测地应力加载过程、水力压裂模拟过程中样品内部的温度场和位移场的历程变化，计算机控制台通过测试出的温度场和位移场数据计算生成温度场和位移场云图；

（七）、计算机控制台通过温度场和位移场云图耦合得出实验各阶段过程中样品的位移及应力变化的规律。

煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备还包括第一底座和胶合剂注入装置，第一底座设置在地应力模拟加载装置的中底部，样品箱固定安装在第一底座上且位于地应力模拟加载装置的中部，胶合剂注入装置与样品箱通过胶合剂输出管连接，水力压裂模拟装置设置在地应力模拟加载装置的一侧，各个场量监测单元分别安装在样品箱的四侧面上，计算机控制台通过信号传输线缆集输器和信号传输线缆分别与各个场量监测单元信号连接。

样品箱由左立板、右立板、前立板、后立板、下平板和上平板合围组成，下平板固定在第一底座的上表面，下平板的上表面上均匀开设有若干排岩芯槽，左立板、右立板、前立板、后立板和上平板均固定安装在地应力加载装置上，上平板的中部开设有上下通透的钻进圆孔，左立板的左侧面四角处、右立板的右侧面四角处、前立板的前侧面四角处和后立板的后侧面四角处均安装一个场量监测单元。

胶合剂注入装置包括胶合剂A容器、胶合剂B容器、第一胶合剂恒流泵、第二胶合剂恒流泵、胶合剂混合搅拌箱、第二底座、第三胶合剂恒流泵和胶合剂控制器，胶合剂A容器的出口与第一胶合剂恒流泵的进口之间以及胶合剂B容器的出口与第二胶合剂恒流泵的进口之间均固定连接有胶合剂抽吸管，第二底座上固定连接有两块左右间隔设置的第一竖直支板，胶合剂混合搅拌箱的左右两侧中部均通过第一转轴转动安装在两块第一竖直支板上，第二底座上固定设置有第一减速电机，第一减速电机的动力轴与第一转轴通过带传动机构或链传动机构传动连接，胶合剂混合搅拌箱的顶部进口连接有胶合剂输入管，胶合剂输入管的另一端通过两根胶合剂传输管分别与第一胶合剂恒流泵和第二胶合剂恒流泵的出口连接，胶合剂混合搅拌箱的底部出口与胶合剂输出管的一端连接，胶合剂输出管的另一端固定连接在上平板上并与样品箱内部连通，第三胶合剂恒流泵设置在胶合剂输出管上，第一胶合剂恒流泵和第二胶合剂恒流泵上均设置有胶合剂计量表，胶合剂控制器分别与第一胶合剂恒流泵、第二胶合剂恒流泵、第三胶合剂恒流泵和第一减速电机信号连接，计算机控制台与胶合剂控制器信号连接。

地应力模拟加载装置包括左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵、上恒速恒压泵和加载控制器，左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵和后恒速恒压泵分别对应固定设置在样品箱的四侧，上恒速恒压泵通过机架固定设置在上平板的正上方，左恒速恒压泵的右侧中部设置有左推杆，左推杆的右端与左立板的中部固定连接，右恒速恒压泵的左侧中部设置有右推杆，右推杆的左端与右立板的中部固定连接，前恒速恒压泵的后侧中部设置有前推杆，前推杆的后端与前立板的中部固定连接，后恒速恒压泵的前侧中部设置有后推杆，后推杆的前端与后立板的中部固定连接，上恒速恒压泵的下侧四周均设置有上推杆，四根上推杆的下端分别与上平板的上部四周固定连接，加载控制器分别与左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵和上恒速恒压泵信号连接，计算机控制台与加载控制器信号连接。

水力压裂模拟装置包括压裂液A容器、压裂液B容器、第一压裂液恒流泵、第二压裂液恒流泵、压裂液混合搅拌箱、第三底座、第三压裂液恒流泵、压裂液加压泵、钻孔钻机和压裂液控制器，压裂液A容器的出口与第一压裂液恒流泵的进口之间以及压裂液B容器的出口与第二压裂液恒流泵的进口之间均固定连接有压裂液抽吸管，第三底座上固定连接有两块左右间隔设置的第二竖直支板，压裂液混合搅拌箱的左右两侧中部均通过第二转轴转动安装在两块第二竖直支板上，第三底座上固定设置有第二减速电机，第二减速电机的动力轴与第二转轴通过带传动机构或链传动机构传动连接，压裂液混合搅拌箱的顶部进口连接有压裂液输入管，压裂液输入管的另一端通过两根压裂液传输管分别与第一压裂液恒流泵和第二压裂液恒流泵的出口连接，压裂液混合搅拌箱的底部出口连接有压裂液输出管，压裂液加压泵和钻孔钻机分别可拆卸固定安装在上恒速恒压泵的下侧中部且位于钻进圆孔的正上方，压裂液输出管的另一端与压裂液加压泵的进口可拆卸连接，压裂液加压泵的出口固定安装有压裂液泵入管，第三压裂液恒流泵设置在压裂液输出管上，第一压裂液恒流泵和第二压裂液恒流泵上均设置有压裂液计量表，压裂液控制器分别与第一压裂液恒流泵、第二压裂液恒流泵、第三压裂液恒流泵、压裂液加压泵、钻孔钻机和第二减速电机信号连接，计算机控制台与压裂液控制器信号连接。

步骤（二）具体为：根据实验方案，选取所需区块的岩芯单元块，左立板、右立板、前立板、后立板和上平板初始时为分离状态，样品箱完全打开，然后将各个岩芯单元块按实验方案逐层放置到样品箱内的下平板上，最下层的各个岩芯单元块分别对应置入各个岩芯槽中，最终使各个岩芯单元块堆积成立方体岩体结构，然后通过加载控制器控制左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵、上恒速恒压泵启动，使左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，右恒速恒压泵的右推杆推动右立板向左移动，前恒速恒压泵的前推杆推动前立板向下移动，后恒速恒压泵的后推杆推动后立板向前移动，上恒速恒压泵的四根上推杆推动上平板向下移动，进而使左立板、右立板、前立板、后立板和上平板分别与立方体结构的左侧面、右侧面、前侧面、后侧面和上侧面接触并围成密闭的样品箱，然后，通过胶合剂控制器分别控制第一胶合剂恒流泵和第二胶合剂恒流泵启动，第一胶合剂恒流泵将一定量的胶合剂A从胶合剂A容器中泵入到胶合剂混合搅拌箱内，同时第二胶合剂恒流泵将一定量的胶合剂B从胶合剂B容器中泵入到胶合剂混合搅拌箱内，再控制第一减速电机启动，使第一减速电机驱动胶合剂混合搅拌箱往复摆动，进而使胶合剂混合搅拌箱内的胶合剂A和胶合剂B充分混合搅拌，待混合均匀后，控制第三胶合剂恒流泵按一定压力将胶合剂混合搅拌箱内的胶合剂通过胶合剂输出管注入到样品箱内，使各个岩芯单元块之间的界面充满胶合剂，根据胶合剂属性，静置对应时间后，使各个岩芯单元块粘接为一体，形成设定煤岩组合体的样品。

步骤（三）具体为：将钻孔钻机安装在上恒速恒压泵的下侧中部，通过压裂液控制器控制钻孔钻机启动，使钻孔钻机在样品指定位置钻孔，模拟现场水力压裂井筒，然后将钻孔钻机取下，再将压裂液加压泵安装上恒速恒压泵的下侧中部，将压裂液泵入管对应插入到样品上的钻孔中，之后连接好各个管路和线路，检测整体设备的气密性；

步骤（四）具体为：通过加载控制器调节设定左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵和上恒速恒压泵的加载模式及加载应力值状态，加载模式分为恒压模式和恒定位移模式，则左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，右恒速恒压泵的右推杆推动右立板向左移动，前恒速恒压泵的前推杆推动前立板向下移动，后恒速恒压泵的后推杆推动后立板向前移动，上恒速恒压泵的四根上推杆推动上平板向下移动，左立板、右立板、前立板、后立板和上平板分别对样品的相应侧面施加压力，进而实现对样品施加三轴应力直至加载至实验设定的地应力状态，加载控制器记录所施加的地应力参数并传至计算机控制台。

步骤（五）具体为：根据实验方案，通过压裂液控制器分别控制第一压裂液恒流泵和第二压裂液恒流泵启动，第一压裂液恒流泵将一定量的压裂液A从压裂液A容器中泵入到压裂液混合搅拌箱内，同时第二压裂液恒流泵将一定量的压裂液B从压裂液B容器中泵入到压裂液混合搅拌箱内，再控制第二减速电机启动，第二减速电机驱动压裂液混合搅拌箱往复摆动，进而使压裂液混合搅拌箱内的压裂液A和压裂液A混合搅拌均匀生成含不同比例支撑剂的压裂液，模拟水力压裂过程中的前置液、携砂液和顶替液，达到营造裂缝的目的，然后通过压裂液控制器设定第三压裂液恒流泵和压裂液加压泵的泵入模式：恒定压力、恒定泵入功率或恒定泵入流速，使混合后的压裂液通过压裂液泵入管进入样品上的钻孔中，进而实现对样品进行水力压裂的模拟，水力压裂模拟过程中压裂液控制器对压裂液属性、管路压力、泵入速率的水力压裂参数进行实时监控和记录并将水力压裂参数传至计算机控制台。

步骤（六）具体为：各个场量监测单元内置的红外热能传感器和声波传感器实时监测样品内部各个点的温度和声波信号，并将测得的温度和声波信号信号传输线缆集输器和信号传输线缆传至计算机控制台，计算机控制台内置的场量计算系统计算生成温度场和位移场云图；

步骤（七）具体为：计算机控制台内置的场量计算系统通过温度场和位移场云图并结合实验设定，耦合得出实验各阶段过程中实验方案设定的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数条件下样品的应力历程变化云图，即位移及应力变化规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑；

改变样品的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数，便可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验。

本发明具有以下优点：

（1）、本发明可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验。

（2）、本发明的样品用于模拟待测试的岩体，则通过对压裂过程中各阶段样品的温度场和位移场进行测试，并对压裂各阶段中样品温度场和位移场变化规律进行分析，便可对不同压裂阶段下岩体的改造效果进行客观评价。

（3）、本发明的计算机控制台内置的场量计算系统通过温度场和位移场云图并结合实验设定，可耦合得出实验各阶段过程中实验方案设定的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数条件下样品的位移及应力变化的规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的样品箱和胶合剂注入装置的连接示意图。

图3是本发明的样品箱和地应力模拟加载装置的装配示意图。

图4是本发明的水力压裂模拟装置的结构示意图。

图5是图1中A处局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-5所示，煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，具体包括以下测试步骤：

（一）、组装煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备，煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备包括样品箱、地应力模拟加载装置、水力压裂模拟装置、若干个场量监测单元1和计算机控制台2，场量监测单元1由内置的红外热能传感器和声波传感器构成；

（二）、根据实验方案在样品箱内制作设定煤岩组合体的样品；

（三）、通过水力压裂模拟装置在样品指定位置钻孔，组装好整体设备，检测整体设备的气密性；

（四）、通过地应力加载装置对样品箱施压，进而对样品加载至地应力状态；

（五）、通过水力压裂模拟装置对样品进行水力压裂模拟试验；

（六）、通过各个场量监测单元1实时监测地应力加载过程、水力压裂模拟过程中样品内部的温度场和位移场的历程变化，计算机控制台2通过测试出的温度场和位移场数据计算生成温度场和位移场云图；

（七）、计算机控制台2通过温度场和位移场云图耦合得出实验各阶段过程中样品的位移及应力变化的规律。

水力压裂位移及应力变化的测试设备还包括第一底座3和胶合剂注入装置，第一底座3设置在地应力模拟加载装置的中底部，样品箱固定安装在第一底座3上且位于地应力模拟加载装置的中部，胶合剂注入装置与样品箱通过胶合剂输出管27连接，水力压裂模拟装置设置在地应力模拟加载装置的一侧，各个场量监测单元1分别安装在样品箱的四侧面上，计算机控制台2通过信号传输线缆集输器4和信号传输线缆5分别与各个场量监测单元1信号连接。

样品箱由左立板6、右立板7、前立板8、后立板9、下平板10和上平板11合围组成，下平板10固定在第一底座3的上表面，下平板10的上表面上均匀开设有若干排岩芯槽12，左立板6、右立板7、前立板8、后立板9和上平板11均固定安装在地应力加载装置上，上平板11的中部开设有上下通透的钻进圆孔13，左立板6的左侧面四角处、右立板7的右侧面四角处、前立板8的前侧面四角处和后立板9的后侧面四角处均安装一个场量监测单元1。

胶合剂注入装置包括胶合剂A容器14、胶合剂B容器15、第一胶合剂恒流泵16、第二胶合剂恒流泵17、胶合剂混合搅拌箱18、第二底座19、第三胶合剂恒流泵20和胶合剂控制器21，胶合剂A容器14的出口与第一胶合剂恒流泵16的进口之间以及胶合剂B容器15的出口与第二胶合剂恒流泵17的进口之间均固定连接有胶合剂抽吸管22，第二底座19上固定连接有两块左右间隔设置的第一竖直支板23，胶合剂混合搅拌箱18的左右两侧中部均通过第一转轴24转动安装在两块第一竖直支板23上，第二底座19上固定设置有第一减速电机，第一减速电机的动力轴与第一转轴24通过带传动机构或链传动机构传动连接，胶合剂混合搅拌箱18的顶部进口连接有胶合剂输入管25，胶合剂输入管25的另一端通过两根胶合剂传输管26分别与第一胶合剂恒流泵16和第二胶合剂恒流泵17的出口连接，胶合剂混合搅拌箱18的底部出口与胶合剂输出管27的一端连接，胶合剂输出管27的另一端固定连接在上平板11上并与样品箱内部连通，第三胶合剂恒流泵20设置在胶合剂输出管27上，第一胶合剂恒流泵16和第二胶合剂恒流泵17上均设置有胶合剂计量表28，胶合剂控制器21分别与第一胶合剂恒流泵16、第二胶合剂恒流泵17、第三胶合剂恒流泵20和第一减速电机信号连接，计算机控制台2与胶合剂控制器21信号连接。

地应力模拟加载装置包括左恒速恒压泵29、右恒速恒压泵30、前恒速恒压泵31、后恒速恒压泵32、上恒速恒压泵33和加载控制器34，左恒速恒压泵29、右恒速恒压泵30、前恒速恒压泵31和后恒速恒压泵32分别对应固定设置在样品箱的四侧，上恒速恒压泵33通过机架固定设置在上平板11的正上方，左恒速恒压泵29的右侧中部设置有左推杆35，左推杆35的右端与左立板6的中部固定连接，右恒速恒压泵30的左侧中部设置有右推杆36，右推杆36的左端与右立板7的中部固定连接，前恒速恒压泵31的后侧中部设置有前推杆37，前推杆37的后端与前立板8的中部固定连接，后恒速恒压泵32的前侧中部设置有后推杆（未示出），后推杆的前端与后立板9的中部固定连接，上恒速恒压泵33的下侧四周均设置有上推杆38，四根上推杆38的下端分别与上平板11的上部四周固定连接，加载控制器34分别与左恒速恒压泵29、右恒速恒压泵30、前恒速恒压泵31、后恒速恒压泵32和上恒速恒压泵33信号连接，计算机控制台2与加载控制器34信号连接。

水力压裂模拟装置包括压裂液A容器39、压裂液B容器40、第一压裂液恒流泵41、第二压裂液恒流泵42、压裂液混合搅拌箱43、第三底座44、第三压裂液恒流泵45、压裂液加压泵46、钻孔钻机47和压裂液控制器48，压裂液A容器39的出口与第一压裂液恒流泵41的进口之间以及压裂液B容器40的出口与第二压裂液恒流泵42的进口之间均固定连接有压裂液抽吸管49，第三底座44上固定连接有两块左右间隔设置的第二竖直支板50，压裂液混合搅拌箱43的左右两侧中部均通过第二转轴51转动安装在两块第二竖直支板50上，第三底座44上固定设置有第二减速电机，第二减速电机的动力轴与第二转轴51通过带传动机构或链传动机构传动连接，压裂液混合搅拌箱43的顶部进口连接有压裂液输入管52，压裂液输入管52的另一端通过两根压裂液传输管53分别与第一压裂液恒流泵41和第二压裂液恒流泵42的出口连接，压裂液混合搅拌箱43的底部出口连接有压裂液输出管54，压裂液加压泵46和钻孔钻机47分别可拆卸固定安装在上恒速恒压泵33的下侧中部且位于钻进圆孔13的正上方，压裂液输出管54的另一端与压裂液加压泵46的进口可拆卸连接，压裂液加压泵46的出口固定安装有压裂液泵入管55，第三压裂液恒流泵45设置在压裂液输出管54上，第一压裂液恒流泵41和第二压裂液恒流泵42上均设置有压裂液计量表56，压裂液控制器48分别与第一压裂液恒流泵41、第二压裂液恒流泵42、第三压裂液恒流泵45、压裂液加压泵46、钻孔钻机47和第二减速电机信号连接，计算机控制台2与压裂液控制器48信号连接。

步骤（二）具体为：根据实验方案，选取所需区块的岩芯单元块57，左立板6、右立板7、前立板8、后立板9和上平板11初始时为分离状态，样品箱完全打开，然后将各个岩芯单元块57按实验方案逐层放置到样品箱内的下平板10上，最下层的各个岩芯单元块57分别对应置入各个岩芯槽12中，最终使各个岩芯单元块57堆积成立方体岩体结构，然后通过加载控制器34控制左恒速恒压泵29、右恒速恒压泵30、前恒速恒压泵31、后恒速恒压泵32、上恒速恒压泵33启动，使左恒速恒压泵29的左推杆35推动左立板6向右移动，左恒速恒压泵29的左推杆35推动左立板6向右移动，右恒速恒压泵30的右推杆36推动右立板7向左移动，前恒速恒压泵31的前推杆37推动前立板8向下移动，后恒速恒压泵32的后推杆推动后立板9向前移动，上恒速恒压泵33的四根上推杆38推动上平板11向下移动，进而使左立板6、右立板7、前立板8、后立板9和上平板11分别与立方体结构的左侧面、右侧面、前侧面、后侧面和上侧面接触并围成密闭的样品箱，然后，通过胶合剂控制器21分别控制第一胶合剂恒流泵16和第二胶合剂恒流泵17启动，第一胶合剂恒流泵16将一定量的胶合剂A从胶合剂A容器14中泵入到胶合剂混合搅拌箱18内，同时第二胶合剂恒流泵17将一定量的胶合剂B从胶合剂B容器15中泵入到胶合剂混合搅拌箱18内，再控制第一减速电机启动，使第一减速电机驱动胶合剂混合搅拌箱18往复摆动，进而使胶合剂混合搅拌箱18内的胶合剂A和胶合剂B充分混合搅拌，待混合均匀后，控制第三胶合剂恒流泵20按一定压力将胶合剂混合搅拌箱18内的胶合剂通过胶合剂输出管27注入到样品箱内，使各个岩芯单元块57之间的界面充满胶合剂，根据胶合剂属性，静置对应时间后，使各个岩芯单元块57粘接为一体，形成设定煤岩组合体的样品。

步骤（三）具体为：将钻孔钻机47安装在上恒速恒压泵33的下侧中部，通过压裂液控制器48控制钻孔钻机47启动，使钻孔钻机47在样品指定位置钻孔，模拟现场水力压裂井筒，然后将钻孔钻机47取下，再将压裂液加压泵46安装上恒速恒压泵33的下侧中部，将压裂液泵入管55对应插入到样品上的钻孔中，之后连接好各个管路和线路，检测整体设备的气密性；

步骤（四）具体为：通过加载控制器34调节设定左恒速恒压泵29、右恒速恒压泵30、前恒速恒压泵31、后恒速恒压泵32和上恒速恒压泵33的加载模式及加载应力值状态，加载模式分为恒压模式和恒定位移模式，则左恒速恒压泵29的左推杆35推动左立板6向右移动，左恒速恒压泵29的左推杆35推动左立板6向右移动，右恒速恒压泵30的右推杆36推动右立板7向左移动，前恒速恒压泵31的前推杆37推动前立板8向下移动，后恒速恒压泵32的后推杆推动后立板9向前移动，上恒速恒压泵33的四根上推杆38推动上平板11向下移动，左立板6、右立板7、前立板8、后立板9和上平板11分别对样品的相应侧面施加压力，进而实现对样品施加三轴应力直至加载至实验设定的地应力状态，加载控制器34记录所施加的地应力参数并传至计算机控制台2。

步骤（五）具体为：根据实验方案，通过压裂液控制器48分别控制第一压裂液恒流泵41和第二压裂液恒流泵42启动，第一压裂液恒流泵41将一定量的压裂液A从压裂液A容器39中泵入到压裂液混合搅拌箱43内，同时第二压裂液恒流泵42将一定量的压裂液B从压裂液B容器40中泵入到压裂液混合搅拌箱43内，再控制第二减速电机启动，第二减速电机驱动压裂液混合搅拌箱43往复摆动，进而使压裂液混合搅拌箱43内的压裂液A和压裂液A混合搅拌均匀生成含不同比例支撑剂的压裂液，模拟水力压裂过程中的前置液、携砂液和顶替液，达到营造裂缝的目的，然后通过压裂液控制器48设定第三压裂液恒流泵45和压裂液加压泵46的泵入模式：恒定压力、恒定泵入功率或恒定泵入流速，使混合后的压裂液通过压裂液泵入管55进入样品上的钻孔中，进而实现对样品进行水力压裂的模拟，水力压裂模拟过程中压裂液控制器48对压裂液属性、管路压力、泵入速率的水力压裂参数进行实时监控和记录并将水力压裂参数传至计算机控制台2。

步骤（六）具体为：各个场量监测单元1内置的红外热能传感器和声波传感器实时监测样品内部各个点的温度和声波信号，并将测得的温度和声波信号信号传输线缆集输器4和信号传输线缆5传至计算机控制台2，计算机控制台2内置的场量计算系统计算生成温度场和位移场云图；

步骤（七）具体为：计算机控制台2内置的场量计算系统（常规技术）通过温度场和位移场云图并结合实验设定，耦合得出实验各阶段过程中实验方案设定的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数条件下样品的应力历程变化云图，即位移及应力变化规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑；

改变样品的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数，便可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验。

红外热能传感器、声波传感器、第一减速电机、带传动机构或链传动机构、第二减速电机在图中未示出。红外热能传感器、声波传感器、计算机控制台2、胶合剂控制器21、第一胶合剂恒流泵16、第二胶合剂恒流泵17、第三胶合剂恒流泵20、胶合剂控制器21、第一减速电机、带传动机构或链传动机构、第二减速电机、左恒速恒压泵29、右恒速恒压泵30、前恒速恒压泵31、后恒速恒压泵32、上恒速恒压泵33、加载控制器34、压裂液控制器48、第一压裂液恒流泵41、第二压裂液恒流泵42、第三压裂液恒流泵45、压裂液加压泵46和钻孔钻机47均为现有常规技术，具体构造和工作原理不再赘述。

本发明具有以下优点：

（1）、本发明可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验。

（2）、本发明的样品用于模拟待测试的岩体，则通过对压裂过程中各阶段样品的温度场和位移场进行测试，并对压裂各阶段中样品温度场和位移场变化规律进行分析，便可对不同压裂阶段下岩体的改造效果进行客观评价。

（3）、本发明的计算机控制台2内置的场量计算系统通过温度场和位移场云图并结合实验设定，可耦合得出实验各阶段过程中实验方案设定的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数条件下样品的位移及应力变化规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：具体包括以下测试步骤：

（一）、组装煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备，煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备包括样品箱、地应力模拟加载装置、水力压裂模拟装置、若干个场量监测单元和计算机控制台，场量监测单元由内置的红外热能传感器和声波传感器构成；

（二）、根据实验方案在样品箱内制作设定煤岩组合体的样品；

（三）、通过水力压裂模拟装置在样品指定位置钻孔，组装好整体设备，检测整体设备的气密性；

（四）、通过地应力加载装置对样品箱施压，进而对样品加载至地应力状态；

（五）、通过水力压裂模拟装置对样品进行水力压裂模拟试验；

（六）、通过各个场量监测单元实时监测地应力加载过程、水力压裂模拟过程中样品内部的温度场和位移场的历程变化，计算机控制台通过测试出的温度场和位移场数据计算生成温度场和位移场云图；

（七）、计算机控制台通过温度场和位移场云图耦合得出实验各阶段过程中样品的位移及应力变化规律。

2.根据权利要求1所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试设备还包括第一底座和胶合剂注入装置，第一底座设置在地应力模拟加载装置的中底部，样品箱固定安装在第一底座上且位于地应力模拟加载装置的中部，胶合剂注入装置与样品箱通过胶合剂输出管连接，水力压裂模拟装置设置在地应力模拟加载装置的一侧，各个场量监测单元分别安装在样品箱的四侧面上，计算机控制台通过信号传输线缆集输器和信号传输线缆分别与各个场量监测单元信号连接。

3.根据权利要求2所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：样品箱由左立板、右立板、前立板、后立板、下平板和上平板合围组成，下平板固定在第一底座的上表面，下平板的上表面上均匀开设有若干排岩芯槽，左立板、右立板、前立板、后立板和上平板均固定安装在地应力加载装置上，上平板的中部开设有上下通透的钻进圆孔，左立板的左侧面四角处、右立板的右侧面四角处、前立板的前侧面四角处和后立板的后侧面四角处均安装一个场量监测单元。

4.根据权利要求3所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：胶合剂注入装置包括胶合剂A容器、胶合剂B容器、第一胶合剂恒流泵、第二胶合剂恒流泵、胶合剂混合搅拌箱、第二底座、第三胶合剂恒流泵和胶合剂控制器，胶合剂A容器的出口与第一胶合剂恒流泵的进口之间以及胶合剂B容器的出口与第二胶合剂恒流泵的进口之间均固定连接有胶合剂抽吸管，第二底座上固定连接有两块左右间隔设置的第一竖直支板，胶合剂混合搅拌箱的左右两侧中部均通过第一转轴转动安装在两块第一竖直支板上，第二底座上固定设置有第一减速电机，第一减速电机的动力轴与第一转轴通过带传动机构或链传动机构传动连接，胶合剂混合搅拌箱的顶部进口连接有胶合剂输入管，胶合剂输入管的另一端通过两根胶合剂传输管分别与第一胶合剂恒流泵和第二胶合剂恒流泵的出口连接，胶合剂混合搅拌箱的底部出口与胶合剂输出管的一端连接，胶合剂输出管的另一端固定连接在上平板上并与样品箱内部连通，第三胶合剂恒流泵设置在胶合剂输出管上，第一胶合剂恒流泵和第二胶合剂恒流泵上均设置有胶合剂计量表，胶合剂控制器分别与第一胶合剂恒流泵、第二胶合剂恒流泵、第三胶合剂恒流泵和第一减速电机信号连接，计算机控制台与胶合剂控制器信号连接。

5.根据权利要求4所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：地应力模拟加载装置包括左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵、上恒速恒压泵和加载控制器，左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵和后恒速恒压泵分别对应固定设置在样品箱的四侧，上恒速恒压泵通过机架固定设置在上平板的正上方，左恒速恒压泵的右侧中部设置有左推杆，左推杆的右端与左立板的中部固定连接，右恒速恒压泵的左侧中部设置有右推杆，右推杆的左端与右立板的中部固定连接，前恒速恒压泵的后侧中部设置有前推杆，前推杆的后端与前立板的中部固定连接，后恒速恒压泵的前侧中部设置有后推杆，后推杆的前端与后立板的中部固定连接，上恒速恒压泵的下侧四周均设置有上推杆，四根上推杆的下端分别与上平板的上部四周固定连接，加载控制器分别与左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵和上恒速恒压泵信号连接，计算机控制台与加载控制器信号连接。

6.根据权利要求5所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：水力压裂模拟装置包括压裂液A容器、压裂液B容器、第一压裂液恒流泵、第二压裂液恒流泵、压裂液混合搅拌箱、第三底座、第三压裂液恒流泵、压裂液加压泵、钻孔钻机和压裂液控制器，压裂液A容器的出口与第一压裂液恒流泵的进口之间以及压裂液B容器的出口与第二压裂液恒流泵的进口之间均固定连接有压裂液抽吸管，第三底座上固定连接有两块左右间隔设置的第二竖直支板，压裂液混合搅拌箱的左右两侧中部均通过第二转轴转动安装在两块第二竖直支板上，第三底座上固定设置有第二减速电机，第二减速电机的动力轴与第二转轴通过带传动机构或链传动机构传动连接，压裂液混合搅拌箱的顶部进口连接有压裂液输入管，压裂液输入管的另一端通过两根压裂液传输管分别与第一压裂液恒流泵和第二压裂液恒流泵的出口连接，压裂液混合搅拌箱的底部出口连接有压裂液输出管，压裂液加压泵和钻孔钻机分别可拆卸固定安装在上恒速恒压泵的下侧中部且位于钻进圆孔的正上方，压裂液输出管的另一端与压裂液加压泵的进口可拆卸连接，压裂液加压泵的出口固定安装有压裂液泵入管，第三压裂液恒流泵设置在压裂液输出管上，第一压裂液恒流泵和第二压裂液恒流泵上均设置有压裂液计量表，压裂液控制器分别与第一压裂液恒流泵、第二压裂液恒流泵、第三压裂液恒流泵、压裂液加压泵、钻孔钻机和第二减速电机信号连接，计算机控制台与压裂液控制器信号连接。

7.根据权利要求6所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：步骤（二）具体为：根据实验方案，选取所需区块的岩芯单元块，左立板、右立板、前立板、后立板和上平板初始时为分离状态，样品箱完全打开，然后将各个岩芯单元块按实验方案逐层放置到样品箱内的下平板上，最下层的各个岩芯单元块分别对应置入各个岩芯槽中，最终使各个岩芯单元块堆积成立方体岩体结构，然后通过加载控制器控制左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵、上恒速恒压泵启动，使左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，右恒速恒压泵的右推杆推动右立板向左移动，前恒速恒压泵的前推杆推动前立板向下移动，后恒速恒压泵的后推杆推动后立板向前移动，上恒速恒压泵的四根上推杆推动上平板向下移动，进而使左立板、右立板、前立板、后立板和上平板分别与立方体结构的左侧面、右侧面、前侧面、后侧面和上侧面接触并围成密闭的样品箱，然后，通过胶合剂控制器分别控制第一胶合剂恒流泵和第二胶合剂恒流泵启动，第一胶合剂恒流泵将一定量的胶合剂A从胶合剂A容器中泵入到胶合剂混合搅拌箱内，同时第二胶合剂恒流泵将一定量的胶合剂B从胶合剂B容器中泵入到胶合剂混合搅拌箱内，再控制第一减速电机启动，使第一减速电机驱动胶合剂混合搅拌箱往复摆动，进而使胶合剂混合搅拌箱内的胶合剂A和胶合剂B充分混合搅拌，待混合均匀后，控制第三胶合剂恒流泵按一定压力将胶合剂混合搅拌箱内的胶合剂通过胶合剂输出管注入到样品箱内，使各个岩芯单元块之间的界面充满胶合剂，根据胶合剂属性，静置对应时间后，使各个岩芯单元块粘接为一体，形成设定煤岩组合体的样品。

8.根据权利要求7所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：步骤（三）具体为：将钻孔钻机安装在上恒速恒压泵的下侧中部，通过压裂液控制器控制钻孔钻机启动，使钻孔钻机在样品指定位置钻孔，模拟现场水力压裂井筒，然后将钻孔钻机取下，再将压裂液加压泵安装上恒速恒压泵的下侧中部，将压裂液泵入管对应插入到样品上的钻孔中，之后连接好各个管路和线路，检测整体设备的气密性；

步骤（四）具体为：通过加载控制器调节设定左恒速恒压泵、右恒速恒压泵、前恒速恒压泵、后恒速恒压泵和上恒速恒压泵的加载模式及加载应力值状态，加载模式分为恒压模式和恒定位移模式，则左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，左恒速恒压泵的左推杆推动左立板向右移动，右恒速恒压泵的右推杆推动右立板向左移动，前恒速恒压泵的前推杆推动前立板向下移动，后恒速恒压泵的后推杆推动后立板向前移动，上恒速恒压泵的四根上推杆推动上平板向下移动，左立板、右立板、前立板、后立板和上平板分别对样品的相应侧面施加压力，进而实现对样品施加三轴应力直至加载至实验设定的地应力状态，加载控制器记录所施加的地应力参数并传至计算机控制台。

9.根据权利要求8所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：步骤（五）具体为：根据实验方案，通过压裂液控制器分别控制第一压裂液恒流泵和第二压裂液恒流泵启动，第一压裂液恒流泵将一定量的压裂液A从压裂液A容器中泵入到压裂液混合搅拌箱内，同时第二压裂液恒流泵将一定量的压裂液B从压裂液B容器中泵入到压裂液混合搅拌箱内，再控制第二减速电机启动，第二减速电机驱动压裂液混合搅拌箱往复摆动，进而使压裂液混合搅拌箱内的压裂液A和压裂液A混合搅拌均匀生成含不同比例支撑剂的压裂液，模拟水力压裂过程中的前置液、携砂液和顶替液，达到营造裂缝的目的，然后通过压裂液控制器设定第三压裂液恒流泵和压裂液加压泵的泵入模式：恒定压力、恒定泵入功率或恒定泵入流速，使混合后的压裂液通过压裂液泵入管进入样品上的钻孔中，进而实现对样品进行水力压裂的模拟，水力压裂模拟过程中压裂液控制器对压裂液属性、管路压力、泵入速率的水力压裂参数进行实时监控和记录并将水力压裂参数传至计算机控制台。

10.根据权利要求9所述的煤岩组合体水力压裂位移及应力变化的测试方法，其特征在于：步骤（六）具体为：各个场量监测单元内置的红外热能传感器和声波传感器实时监测样品内部各个点的温度和声波信号，并将测得的温度和声波信号信号传输线缆集输器和信号传输线缆传至计算机控制台，计算机控制台内置的场量计算系统计算生成温度场和位移场云图；

步骤（七）具体为：计算机控制台内置的场量计算系统通过温度场和位移场云图并结合实验设定，耦合得出实验各阶段过程中实验方案设定的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数条件下样品的应力历程变化云图，即位移及应力变化规律，为水力压裂工艺参数优化提供支撑；

改变样品的岩性组合、水力压裂参数、地应力参数，便可模拟不同储层岩性组合、不同水力压裂参数、不同地应力参数条件下水力压裂实验。

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