CN212483223U - 深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置，包括三轴夹持器，三轴夹持器连接有六套用于对煤样施加压力的加载装置，六套加载装置均与用于提供加载压力的脉动泵以及用于控制加载装置的第一电控装置相连接；脉动泵的进气口连接有二氧化碳气瓶，脉动泵连接有用于控制脉动泵的第二电控装置；三轴夹持器的进气接口连接有气体总管，气体总管连接有用于使煤样吸附瓦斯的瓦斯注气装置、用于进行气密性检查的氦气注气装置和用于抽真空的抽真空装置。本实用新型可以更准确地模拟深部开采条件下煤层的应力、渗流和温度状况，为深部煤体压裂增透和区域防治煤与瓦斯突出提供指导，具有非常实用和有价值的现实意义。

Description

深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置

技术领域

本实用新型涉及煤矿技术领域，尤其涉及一种深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置。

背景技术

我国深部煤层瓦斯赋存以“三高一低” （高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性）为主要特征，而煤层低透气性是煤矿瓦斯抽采的瓶颈，对于低透气性较难抽采的突出煤层，为提高其预抽煤层瓦斯效果，须通过各种手段使煤层卸压增透。

传统的水力压裂等措施的卸压增透效果不理想，尤其是进入深部低渗煤层开采，传统的卸压增透措施显得力不从心。与此同时，由于含瓦斯煤体一般处于三向受压情况，且三向压力受煤层倾角、厚度、赋存情况等地质构造条件，以及构造运动等力学扰动的影响而有所不同，所处的应力环境往往为三向不等压状态，即真三轴应力状态。

针对上述问题，研制深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验系统，开展真三轴条件下深部含瓦斯煤脉动压裂裂缝起裂扩展影响因素研究，揭示煤矿井下脉动压裂裂缝起裂和扩展机理、脉动压裂对煤层瓦斯运移的影响理论，以期为深部煤岩体压裂增透区域防治煤与瓦斯突出提供指导。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验系统，更准确地模拟深部煤层的应力、渗流和温度状况，得到更准确的压裂实验数据，为深部煤体压裂增透和区域防治煤与瓦斯突出提供指导。

为实现上述目的，本实用新型的深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验系统包括用于煤样夹持加载的三轴夹持器，三轴夹持器具有进气接口和用于实验结束后排出气体的出气接口；

三轴夹持器连接有六套用于对煤样施加压力的加载装置，六套加载装置分别位于煤样的前方、后方、左方、右方、上方和下方，六套加载装置均与用于提供加载压力的脉动泵以及用于控制加载装置的第一电控装置相连接；

脉动泵的进气口连接有二氧化碳气瓶，二氧化碳气瓶的出口管路上设有第三减压阀、第三阀门和第三压力表；脉动泵连接有用于控制脉动泵的第二电控装置；

三轴夹持器的进气接口连接有气体总管，气体总管连接有用于使煤样吸附瓦斯的瓦斯注气装置、用于进行气密性检查的氦气注气装置和用于抽真空的抽真空装置；三轴夹持器的进气接口处的气体总管上设有第四压力表，三轴夹持器内围绕煤样设有电加热器，电加热器通过线路连接有用于控制电加热器的温度控制器，温度控制器位于三轴夹持器外。

三轴夹持器的出气接口连接有排放装置；

排放装置包括与三轴夹持器的出气接口相连接的出气总管，出气总管连接有气液分离器，出气总管上设有第四阀门和回压阀，气液分离器的出气口连接有排气管，排气管上设有干燥器，排气管的末端连接有气体流量计，气体流量计与大气相通；气液分离器的出液口连接有液体流量计，液体流量计与环境相通。

气体总管还连接有用于提高煤样吸附的气体压力的增压装置；增压装置包括盛有瓦斯气体的参考罐，参考罐通过管路连接有增压泵，增压泵的排气口与气体总管相通；参考罐与增压泵之间的管路上设有第五阀门和精密流量计。

脉动泵与二氧化碳气瓶之间串联连接有用于为二氧化碳气体降温的制冷机组。

瓦斯注气装置包括瓦斯气瓶，瓦斯气瓶连接有瓦斯出气管，瓦斯出气管与气体总管相连接；瓦斯出气管上设有第一减压阀、第一阀门和第一压力表；

氦气注气装置包括氦气瓶，氦气瓶连接有氦气出气管，氦气出气管与气体总管相连接；氦气出气管上设有第二减压阀、第二阀门和第二压力表；

抽真空装置包括真空泵，真空泵连接有抽真空管路，抽真空管路与气体总管相连接，抽真空管路上设有用于控制抽真空管路通断的真空阀。

本实用新型还公开了采用上述深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验系统进行的实验方法，按以下步骤进行：

第一步骤是连接；

第二步骤是气密性检查；

第三步骤是抽真空；

第四步骤是瓦斯吸附及脉动加载；

第五步骤是压裂加载；

第六步骤是排气，结束实验。

第一步骤具体是：

将各装置通过管路连接在一起，关闭所有阀门；将煤样夹持在三轴夹持器内；

第二步骤具体是：打开第二阀门和气动阀、调节第二减压阀，向气体总管和三轴夹持器内注入高压氦气至预定压力，若保压2小时后第四压力表的示数降低，则进行气密性检查并封堵泄露点，重新进行第二步骤；若保压2小时后观察第四压力表的示数未降低，关闭第二阀门和气动阀，进行第三步骤；

第三步骤具体是打开真空阀、气控阀和真空泵，对气体总管和三轴夹持器进行抽真空，将系统内的气体排入环境；抽真空进行5－10分钟后，关闭真空阀、气控阀和真空泵，进入第四步骤；

第四步骤具体是打开第一阀门，气控阀、制冷机组和第三阀门，调节第一减压阀和第三减压阀，通过第二电控装置打开脉动泵，通过第一电控装置打开六套加载装置，通过温度控制器打开电加热器从而模拟地层深处的温度条件；六套加载装置使煤样脉动加载预定压力从而模拟特定地层中煤的受力状况；通过气体总管向三轴夹持器内的煤样处注入瓦斯，使煤样在脉动加载压力的条件下吸附瓦斯；

保持吸附状态24小时后，关闭第一阀门和气控阀，进行第五步骤；

第五步骤具体是通过第一电控装置缓慢提高六套加载装置对煤样施加的脉动压力，直到煤样被压裂；记录煤样被压裂时的六套加载装置脉动加压的压力数据，为深部煤体压裂增透和区域防治煤与瓦斯突出提供指导；关闭制冷机组和第三阀门，通过第二电控装置关闭脉动泵，通过第一电控装置关闭六套加载装置，进行第六步骤；

第六步骤具体是打开第四阀门和回压阀，使三轴夹持器内的气体进入气液分离器，分离出的水经过液体流量计排入环境，分离出的气体经过气体流量计排入大气。

所述第四步骤中，在打开第一阀门的同时，还打开第五阀门和增压泵，增压泵将参考罐内的瓦斯注入气体总管，从而提升气体总管和三轴夹持器内的瓦斯压力，加快瓦斯吸附速度。

第四步骤中，六套加载装置使煤样脉动加载预定压力时，预定压力－时间曲线为正弦线或余弦线。

本实用新型具有如下的优点：

本实用新型可以针对深部开采条件模拟同等条件下的应力、渗流和温度状况，通过正弦线或余弦线更准确地模拟地层中煤受到的实际应力状况，从而得到更准确的压裂实验数据，为深部煤体压裂增透和区域防治煤与瓦斯突出提供指导，具有非常实用和有价值的现实意义。

增压装置能够通过增大瓦斯气压加快瓦斯吸附速度，在相同的吸附时间内更能确保充分吸附，提升实验效率并使实验结果更准确。

制冷机组能够降低二氧化碳气体的温度，二氧化碳气体在通过脉动泵时温度会升高，因此设置制冷机组能够中和掉因脉动泵增压而升高的温度，为更好得控制加载温度提供基础。

对煤样进行脉动加载压力，相比加载恒压能够更好地模拟地层中煤的受力状况。

压力－时间线优选为正弦线或余弦线，能更准确地模拟地层中煤受到的实际应力状况。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验系统，包括用于煤样夹持加载的三轴夹持器1，三轴夹持器1具有进气接口和用于实验结束后排出气体的出气接口；

三轴夹持器1连接有六套用于对煤样施加压力（即应力）的加载装置2；六套加载装置2分别位于煤样的前方、后方、左方、右方、上方和下方，六套加载装置2均与用于提供加载压力的脉动泵3以及用于控制加载装置2的第一电控装置4相连接；

脉动泵3的进气口连接有二氧化碳气瓶5，二氧化碳气瓶5的出口管路6上设有第三减压阀7、第三阀门8和第三压力表9；脉动泵3连接有用于控制脉动泵3的第二电控装置10；

三轴夹持器1的进气接口连接有气体总管11，气体总管11连接有用于使煤样吸附瓦斯的瓦斯注气装置、用于进行气密性检查的氦气注气装置和用于抽真空的抽真空装置；三轴夹持器1的进气接口处的气体总管11上设有第四压力表12，三轴夹持器1内围绕煤样设有电加热器，电加热器通过线路连接有用于控制电加热器的温度控制器13，温度控制器13位于三轴夹持器1外。

六套加载装置2均采用江苏拓创科研有限公司生产的TC-100D型号的恒速恒压泵。第一电控装置4和第二电控装置10均采用单片机或集成电路或工控计算机，第一电控装置4和第二电控装置10均内置有存储器。电加热器是常规技术，图未示。

三轴夹持器1的出气接口连接有排放装置；排放装置包括与三轴夹持器1的出气接口相连接的出气总管14，出气总管14连接有气液分离器15，出气总管14上设有第四阀门16和回压阀17，气液分离器15的出气口连接有排气管18，排气管18上设有干燥器19，排气管18的末端连接有气体流量计20，气体流量计20与大气相通；气液分离器15的出液口连接有液体流量计21，液体流量计21与环境相通。

气体总管11还连接有用于提高煤样吸附的气体压力的增压装置；增压装置包括盛有瓦斯气体的参考罐22，参考罐22通过管路连接有增压泵23，增压泵23的排气口与气体总管11相通；参考罐22与增压泵23之间的管路上设有第五阀门24和精密流量计25。参考罐22具有排气口26。

脉动泵3与二氧化碳气瓶5之间串联连接有用于为二氧化碳气体降温的制冷机组27。

制冷机组27能够降低二氧化碳气体的温度，二氧化碳气体在通过脉动泵3时温度会升高，因此设置制冷机组27能够中和掉因脉动泵3增压而升高的温度，为更好得控制加载温度提供基础。

瓦斯注气装置包括瓦斯气瓶28，瓦斯气瓶28连接有瓦斯出气管29，瓦斯出气管29与气体总管11相连接；瓦斯出气管29上设有第一减压阀30、第一阀门31和第一压力表32；

氦气注气装置包括氦气瓶33，氦气瓶33连接有氦气出气管34，氦气出气管34与气体总管11相连接；氦气出气管34上设有第二减压阀35、第二阀门36和第二压力表37；

抽真空装置包括真空泵，真空泵38连接有抽真空管路39，抽真空管路39与气体总管11相连接，抽真空管路39上设有用于控制抽真空管路39通断的真空阀40。

本实用新型还公开了使用上述深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验系统进行的实验方法，按以下步骤进行：

第一步骤是连接；

第二步骤是气密性检查；

第三步骤是抽真空；

第四步骤是瓦斯吸附及脉动加载；

第五步骤是压裂加载；

第六步骤是排气，结束实验。

第一步骤具体是：

将各装置通过管路连接在一起，关闭所有阀门；将煤样夹持在三轴夹持器1内；

第二步骤具体是：打开第二阀门36和气动阀、调节第二减压阀35，向气体总管11和三轴夹持器1内注入高压氦气至预定压力，若保压2小时后第四压力表12的示数降低，则进行气密性检查并封堵泄露点，重新进行第二步骤；若保压2小时后观察第四压力表12的示数未降低，关闭第二阀门36和气动阀，进行第三步骤；

第三步骤具体是打开真空阀40、气控阀和真空泵38，对气体总管11和三轴夹持器1进行抽真空，将系统内的气体排入环境；抽真空进行5－10分钟（包括两端值）后，关闭真空阀40、气控阀和真空泵38，进入第四步骤；

第四步骤具体是打开第一阀门31，气控阀、制冷机组27和第三阀门8，调节第一减压阀30和第三减压阀7，通过第二电控装置10打开脉动泵3，通过第一电控装置4打开六套加载装置2，通过温度控制器13打开电加热器从而模拟地层深处的温度条件；六套加载装置2使煤样脉动加载预定压力从而模拟特定地层中煤的受力状况；通过气体总管11向三轴夹持器1内的煤样处注入瓦斯，使煤样在脉动加载压力的条件下吸附瓦斯；

保持吸附状态24小时后，关闭第一阀门31和气控阀，进行第五步骤；

第五步骤具体是通过第一电控装置4缓慢提高六套加载装置2对煤样施加的脉动压力，直到煤样被压裂；记录煤样被压裂时的六套加载装置2脉动加压的压力数据，为深部煤体压裂增透和区域防治煤与瓦斯突出提供指导；关闭制冷机组27和第三阀门8，通过第二电控装置10关闭脉动泵3，通过第一电控装置4关闭六套加载装置2，进行第六步骤；

第六步骤具体是打开第四阀门16和回压阀17，使三轴夹持器1内的气体进入气液分离器15，分离出的（少量）水经过液体流量计21排入环境，分离出的气体经过气体流量计20排入大气。

对煤样进行脉动加载压力，相比加载恒压能够更好地模拟地层中煤的受力状况。

所述第四步骤中，在打开第一阀门31的同时，还打开第五阀门24和增压泵23，增压泵23将参考罐22内的瓦斯注入气体总管11，从而提升气体总管11和三轴夹持器1内的瓦斯压力，加快瓦斯吸附速度。

第四步骤中，六套加载装置2使煤样脉动加载预定压力时，预定压力－时间曲线为正弦线或余弦线。

压力－时间线优选为正弦线或余弦线，能更准确地模拟地层中煤受到的实际应力状况。

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

Claims (5)

1.深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置，包括用于煤样夹持加载的三轴夹持器，其特征在于：三轴夹持器具有进气接口和用于实验结束后排出气体的出气接口；

三轴夹持器连接有六套用于对煤样施加压力的加载装置，六套加载装置分别位于煤样的前方、后方、左方、右方、上方和下方，六套加载装置均与用于提供加载压力的脉动泵以及用于控制加载装置的第一电控装置相连接；

脉动泵的进气口连接有二氧化碳气瓶，二氧化碳气瓶的出口管路上设有第三减压阀、第三阀门和第三压力表；脉动泵连接有用于控制脉动泵的第二电控装置；

三轴夹持器的进气接口连接有气体总管，气体总管连接有用于使煤样吸附瓦斯的瓦斯注气装置、用于进行气密性检查的氦气注气装置和用于抽真空的抽真空装置；三轴夹持器的进气接口处的气体总管上设有第四压力表，三轴夹持器内围绕煤样设有电加热器，电加热器通过线路连接有用于控制电加热器的温度控制器，温度控制器位于三轴夹持器外。

2.根据权利要求1所述的深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置，其特征在于：三轴夹持器的出气接口连接有排放装置；

排放装置包括与三轴夹持器的出气接口相连接的出气总管，出气总管连接有气液分离器，出气总管上设有第四阀门和回压阀，气液分离器的出气口连接有排气管，排气管上设有干燥器，排气管的末端连接有气体流量计，气体流量计与大气相通；气液分离器的出液口连接有液体流量计，液体流量计与环境相通。

3.根据权利要求2所述的深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置，其特征在于：气体总管还连接有用于提高煤样吸附的气体压力的增压装置；增压装置包括盛有瓦斯气体的参考罐，参考罐通过管路连接有增压泵，增压泵的排气口与气体总管相通；参考罐与增压泵之间的管路上设有第五阀门和精密流量计。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置，其特征在于：脉动泵与二氧化碳气瓶之间串联连接有用于为二氧化碳气体降温的制冷机组。

5.根据权利要求4所述的深部含瓦斯煤岩脉动压裂实验装置，其特征在于：瓦斯注气装置包括瓦斯气瓶，瓦斯气瓶连接有瓦斯出气管，瓦斯出气管与气体总管相连接；瓦斯出气管上设有第一减压阀、第一阀门和第一压力表；

氦气注气装置包括氦气瓶，氦气瓶连接有氦气出气管，氦气出气管与气体总管相连接；氦气出气管上设有第二减压阀、第二阀门和第二压力表；

抽真空装置包括真空泵，真空泵连接有抽真空管路，抽真空管路与气体总管相连接，抽真空管路上设有用于控制抽真空管路通断的真空阀。

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