CN205117320U - 不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，包括水力压裂模拟系统、样品缸系统和作用在样品缸系统外围的应力加载系统与CT扫描系统，水力压裂模拟系统的高压管线与样品缸系统的上部加载体连接。本装置测试时间短、测试工作量小、操作方便、成本低、模拟效果好，可以对不同压裂工艺下裂缝的形态进行测试，为施工参数的优化提供指导，具有较好的应用前景。

Description

不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置

技术领域

本实用新型属于煤层气开发技术领域，尤其涉及一种不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置。

背景技术

我国煤层气资源地质储量丰富，煤层气的开发不仅可以弥补我国常规能源的不足，而且可以减少常规化石燃料燃烧造成的环境污染。近年来，随着煤矿开采深度、开采强度的增加，煤与瓦斯突出事故的强度和频度增加，加强煤矿瓦斯治理变得极其重要。地面煤层气开发是目前降低煤层瓦斯含量的有效手段之一，可以大大降低煤层瓦斯含量，减少煤与瓦斯突出事故的发生。

我国地质构造运动的复杂多样性，决定了煤层气开发前需对煤层气储层进行改造。煤储层改造主要手段为水力压裂，通过高压流体的注入，在煤层中造缝，创造气体的产出通道。因此，如何使裂缝导流能力最优，是有效进行水力压裂的关键。

水力压裂在地下进行，难以进行直观的裂缝形态观测，现阶段压裂过程裂缝形态的监测主要是通过地震监测的方法，其存在监测的精度低的弊端。截至目前，对压裂后裂缝形态的测试、研究一直缺乏行之有效的方法。迫切需要一种装置或工艺，可以对不同压裂工艺下裂缝形态变化进行直观观测，进而根据裂缝形态变化对压裂工艺进行优化，为提高煤层气水力压裂效果，实现煤层气高效开发提供重要依据。

发明内容

本实用新型针对煤层气储层水力压裂过程中裂缝形态变化难以测试，施工参数优化难的问题。提供了一种不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，通过该装置可以对不同压裂工艺下裂缝的形态进行测试，为施工参数的优化提供指导。这对提高单井产气量，促进煤层气行业快速发展具有重要意义。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，包括水力压裂模拟系统、样品缸系统和作用在样品缸系统外围的应力加载系统与CT扫描系统，水力压裂模拟系统的高压管线与样品缸系统的上部加载体连接。

所述样品缸系统包括样品壁16外围的承重板18、加载板15、承重板18与煤样之间的连接板19，在连接板19上设计有出水孔17，在上部承重板18上连接高压管线5的一端，另一端连接压裂模拟系统，在三个加载板15上分别设计有应力加载系统的加载轴20，在承重板18外围设计有CT扫描系统的CT扫描室13。

所述承重板18由三块钢板通过相互垂直焊接而成。

所述的连接板19位于承重板18与煤样壁16之间，在连接板19上均匀分布16个出水孔17。

所述的应力加载系统中，加载轴20与手动加压泵22通过加载管线27进行连接，在加载管线上设计有阀门6、压力表8。

所述水力压裂模拟系统包括加压泵3、水箱10、高压管线5，高压管线5从水箱10依次经过加压泵3、控制阀门6、流量计7、压力表8，最后流经样品缸上部的加载板15C进入煤样内部。其中压力、流量数据主要是通过计算机1进行记录。

所述计算机1通过电缆23与控制阀门6、流量计7、压力表8、CT扫描主机12进行连接。

所述CT扫描系统包括CT扫描主机12、CT扫描室13。通过电缆23将扫描结果传输到计算机1。

采用上述技术方案，水力压裂模拟系统主要是进行水力压裂过程的模拟。通过加压泵，可以将单一的水、气、水气混合物加压以后通过高压管线注入到煤样中，近似模拟实际压裂过程。其中压裂过程中的流量、压力可以通过流量计、压力表进行记录，并将数据实时传输到计算机，通过计算机实现对加压泵的实时控制，高压管线从样品缸上部进入煤样内部，为了确保样品缸内部良好的封闭性，在高压管线与样品缸壁之间采用密封材料进行密封。

样品缸系统主要是进行样品的放置。该系统中为了实现样品三个方向不同的加载应力，设计了一个三个面固定的承重板，而在其对应面设计有可以移动的加载板，这样可以通过加载板的移动实现对煤样的加载。为了避免加载过程中加载板之间相互影响，设计加载板的尺寸稍小于煤样的尺寸，有效避免了由于煤样受挤压，造成支撑板之间相互干扰。为了便于压裂过程中压裂液的及时流出，在煤样与承重板之间设计了连接板，在连接板上设计有流水孔。在压裂过程中，当压裂裂缝延伸到煤样边界时，压裂液会顺着流水孔流出，此时既可以停止压裂。

应力加载系统主要是提供煤样周围所需要的加载应力。通过手动加压泵进行加压以后，将其加载应力作用在固定在加载板表面的加载轴上。随着手动加压泵的加载，引起加载轴的运动，进而推动加载板运动，引起煤样的压缩变形。其中加载压力的大小可以通过管线上的压力表进行监测。在实际工作时，可以根据方案需要，分别进行三个方向的加载，使其加载应力分别达到实验方案要求。

应力CT扫描系统主要是对压裂后的煤样进行扫描，本实用新型可以对不同压裂工艺、不同施工参数下的裂缝形态进行直观观测，为储层改造优化提供指导，具有以下优点：

加载装置的合理设计，可以实现三个方向不同的加载应力，更接近于现场实际；样品缸的合理设计，实现了煤样的有效加载，避免了加载板之间的相互影响；通过该装置可以对不同压裂工艺、不同施工参数下的裂缝形态进行直观观测，为储层改造优化提供指导。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型承重板结构图。

图3是本实用新型样品缸结构图。

图4是本实用新型不含出水孔时样品缸结构图。

具体实施方式

如图1~图4所示，本实用新型的不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，包括水力压裂模拟系统、样品缸系统和作用在样品缸系统外围的应力加载系统与CT扫描系统，水力压裂模拟系统的高压管线与样品缸系统的上部加载体连接。

样品缸系统包括样品壁16外围的承重板18、加载板15、承重板18与煤样之间的连接板19，在连接板19上设计有出水孔17，在上部承重板18上连接高压管线5的一端，另一端连接压裂模拟系统，在三个加载板15上分别设计有应力加载系统的加载轴20，在承重板18外围设计有CT扫描系统的CT扫描室13。

承重板18由三个正方形的厚钢板通过焊接组成，两两之间相互垂直，在承重板18和煤样壁16之间安装有连接板19，在连接板19上设计有出水孔17。

该系统中手动加压泵22采用手动的形式进行加压，为了便于三个方向加载的分别控制，在管线上分别安装有阀门6、压力表8。在加载过程中，加压以后作用在加载轴20上，通过加载轴20的伸缩，控制加载板15的运动，进而实现对煤样的加载。为了控制加载轴20在单一方向进行运动，在加载轴20的外端设计有控制体21，该控制体21通过焊接将其两端固定在承重板18上。其中控制体21为一长方形钢板，具有较高的强度和抗变形能力。

水力压裂模拟系统包括加压泵3、水箱10、高压管线5，高压管线5从水箱10依次经过加压泵3、控制阀门6、流量计7、压力表8，最后流经样品缸上部的加载板15C进入煤样内部。其中压力、流量数据主要是通过计算机1进行记录。

计算机1通过电缆23与控制阀门6、流量计7、压力表8、CT扫描主机12进行连接。

CT扫描系统包括CT扫描主机12、CT扫描室13。通过电缆23将扫描结果传输到计算机1。

水力压裂模拟系统主要是进行水力压裂过程的模拟。通过加压泵3，可以将单一的水、气、水气混合物加压以后通过高压管线5注入到煤样中，近似模拟实际压裂过程。其中压裂过程中的流量、压力可以通过流量计7、压力表8进行记录，并将数据实时传输到计算机1，通过计算机1实现对加压泵3的实时控制。其中高压管线5从样品缸上部进入煤样内部。为了确保样品缸内部良好的封闭性，在高压管线5与样品缸壁之间采用密封材料进行密封。

样品缸系统主要是进行样品的放置。该系统中为了实现样品三个方向不同的加载应力，设计了一个三个面固定的承重板18，而在其对应面设计有可以移动的加载板15，这样可以通过加载板15的移动实现对煤样的加载。为了避免加载过程中加载板15之间相互影响，设计加载板的尺寸稍小于煤样的尺寸，有效避免了由于煤样受挤压，造成支撑板之间相互干扰。为了便于压裂过程中压裂液的及时流出，在煤样与承重板18之间设计了连接板19，在连接板19上设计有流水孔17。在压裂过程中，当压裂裂缝延伸到煤样边界时，压裂液会顺着流水孔17流出，此时既可以停止压裂。

应力加载系统主要是提供煤样周围所需要的加载应力。通过手动加压泵22进行加压以后，将其加载应力作用在固定在加载板15表面的加载轴20上。随着手动加压泵22的加载，引起加载轴20的运动，进而推动加载板15运动，引起煤样的压缩变形。其中加载压力的大小可以通过管线上的压力表8进行监测。在实际工作时，可以根据方案需要，分别进行三个方向的加载，使其加载应力分别达到实验方案要求。

应力CT扫描系统主要是对压裂后的煤样进行扫描，测试煤样内部的裂缝形态。在煤样完成水力压裂以后，在承压状态下，将CT扫描设备推到样品缸外围，对煤样进行CT扫描，通过计算机分析，查明压裂后的裂缝形态特征。进而，可以进行不同施工参数、压裂工艺下的裂缝形态特征研究，为压裂工艺的选型、施工参数的优化提供指导。

本实用新型的具体操作步骤为。

1）进行实验方案的制定。

2）将制作好的煤样放入样品缸内部，并进行轴向加载试加载，对加载系统的气密性、连接牢固程度进行检查。

3）根据实验方案要求，交叉进行三个方向的应力加载，（避免一个方向加载完成后，再进行另一个方向的加载）直至加载应力达到实验方案要求。

4）启动加压泵进行试压，对压裂系统进行检查。检查完毕后，启动高压泵按照实验方案制定的施工参数进行水力压裂。

5）在压裂过程中，紧密观察压力表参数变化以及承重板下边出水孔流水情况，当有水流出时，及时关闭加压泵，停止压裂。

6）移动CT扫描系统，对煤样进行扫描，对测试结果进行记录。

7）进行系统卸压，对装置进行整理，进行数据分析。

据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，其特征在于：包括水力压裂模拟系统、样品缸系统和作用在样品缸系统外围的应力加载系统与CT扫描系统，水力压裂模拟系统的高压管线与样品缸系统的上部加载体连接。

2.根据权利要求1所述的不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，其特征在于，所述样品缸系统包括样品壁（16）外围的承重板（18）、加载板（15）、承重板（18）与煤样之间的连接板（19），在连接板（19）上设计有出水孔（17），在上部承重板（18）上连接高压管线（5）的一端，另一端连接压裂模拟系统，在三个加载板（15）上分别设计有应力加载系统的加载轴（20），在承重板（18）外围设计有CT扫描系统的CT扫描室（13）。

3.根据权利要求1所述的不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，其特征在于，所述的样品缸包括样品壁（16）外围的承重板（18）、加载板（15）。

4.根据权利要求1所述的不同压裂工艺下煤储层裂缝形态变化模拟测试装置，其特征在于，所述的连接板（19）位于承重板（18）与煤样壁（16）之间，在连接板（19）上均匀分布16个出水孔（17）。