專利名稱：煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置。
技術(shù)背景
我國煤儲層“低滲”特點(diǎn)決定了井下瓦斯治理或地面煤層氣開發(fā)時(shí)都需對煤儲層 進(jìn)行改造，水力壓裂是目前煤層氣井地面開發(fā)或井下瓦斯治理的重要手段之一。地面煤層 氣井水力壓裂設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到后期產(chǎn)氣量的高低，而查明水力壓裂時(shí)裂縫起裂、擴(kuò) 展、延伸變化規(guī)律是進(jìn)行水力壓裂參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。查明井下鉆孔水力壓裂時(shí)裂縫起裂、擴(kuò) 展、延伸變化規(guī)律是進(jìn)行鉆孔參數(shù)優(yōu)化、水力壓裂參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。對煤儲層的基本情況了 解地越充分，越有利于提高水力壓裂的效果。而以往的壓裂指導(dǎo)大多只是依據(jù)純粹的數(shù)學(xué) 理論或壓裂模擬軟件進(jìn)行模擬，不能直觀的了解到壓裂過程中裂縫是如何形成的以及裂縫 的延伸方向。
目前，地面水力壓裂設(shè)計(jì)主要依據(jù)建立的水力壓裂模擬軟件進(jìn)行模擬，現(xiàn)實(shí)情況 的多變性和影響因素的復(fù)雜性，在一定程度上就使理論推導(dǎo)與現(xiàn)實(shí)有一定的差距，對壓裂 現(xiàn)場的指導(dǎo)不夠準(zhǔn)確，影響著壓裂效果，最終影響地面煤層氣井產(chǎn)氣量或井下瓦斯抽采 (放)效果。因此，查明水力壓裂時(shí)裂縫變化情況顯得極其重要。目前沒有能夠模擬煤巖鉆 孔水力致裂情況的實(shí)驗(yàn)裝置。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，能夠通過實(shí)驗(yàn)室模擬不 同煤體結(jié)構(gòu)、不同地應(yīng)力大小、不同鉆孔深度下煤巖水力壓裂，查明煤巖裂縫起裂、擴(kuò)展、延 伸變化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，提高壓裂效果。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置包括樣品裝置系統(tǒng)、圍壓 系統(tǒng)、致裂系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，樣品裝置系統(tǒng)包括樣品缸，樣品缸內(nèi)的底部設(shè)有篩 筒，篩筒底部設(shè)有出水管，篩筒上方的樣品缸內(nèi)盛裝有樣品，樣品內(nèi)設(shè)有模擬鉆孔；圍壓系 統(tǒng)包括充氣子系統(tǒng)和充水子系統(tǒng)，充氣子系統(tǒng)包括高壓氣泵和實(shí)驗(yàn)缸，實(shí)驗(yàn)缸底部設(shè)有支 撐底座，高壓氣泵的出口通過輸氣管路與實(shí)驗(yàn)缸的上部相連通，高壓氣泵的進(jìn)口通過進(jìn)氣 管連通設(shè)有儲氣罐，輸氣管路上設(shè)有充氣閥門、氣路流量計(jì)和氣路壓力表，所述樣品缸設(shè)在 所述實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)的支撐底座上；充水子系統(tǒng)包括高壓充水泵，高壓充水泵的進(jìn)水口連通設(shè)有 充水水箱，高壓充水泵的出水口通過充水管路與實(shí)驗(yàn)缸的底部相連通，充水管路上設(shè)有充 水閥門、充水流量計(jì)和充水壓力表；所述出水管的出水口伸出所述樣品缸和所述實(shí)驗(yàn)缸； 致裂系統(tǒng)包括致裂高壓水泵，致裂高壓水泵的進(jìn)水口連通設(shè)有致裂水箱，致裂高壓水泵的 出水口通過致裂管路與所述模擬鉆孔相連通，致裂管路上設(shè)有致裂控制閥、致裂壓力表和 致裂流量計(jì)；封閉系統(tǒng)包括樣品缸密封裝置和實(shí)驗(yàn)缸密封裝置，樣品缸密封裝置包括上鋼 板和下鋼板，上、下鋼板皆為圓形設(shè)置且二者的直徑皆小于樣品缸的直徑，上、下鋼板之間 設(shè)有橡膠墊，橡膠墊的直徑大于樣品缸的直徑；實(shí)驗(yàn)缸密封裝置包括實(shí)驗(yàn)缸上鋼板和實(shí)驗(yàn)缸下鋼板，實(shí)驗(yàn)缸上、下鋼板皆為圓形設(shè)置且二者的直徑皆小于實(shí)驗(yàn)缸的直徑，實(shí)驗(yàn)缸上、 下鋼板之間設(shè)有實(shí)驗(yàn)缸橡膠墊，實(shí)驗(yàn)缸橡膠墊的直徑大于實(shí)驗(yàn)缸的直徑；監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè) 在樣品缸外壁上的聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器外罩設(shè)有密封罩。
所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括有設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸外的照相機(jī)。
所述樣品為煤樣或混合材料，混合材料的成份包括礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾 粉和水，采用混合材料模擬I類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重量比為 1 2 25 :11，上述材料混合后的凝固時(shí)間為30分鐘；采用混合材料模擬II類煤樣時(shí)，礬土 水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重量比為1 :2 40 :16. 4，上述材料混合后的凝固時(shí)間為 30分鐘；采用混合材料模擬III類煤樣或IV類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水 的重量比為1 :2 60 :24，上述材料混合后的凝固時(shí)間為35分鐘。
所述實(shí)驗(yàn)缸為鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)缸。
所述封閉系統(tǒng)還包括有壓設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸密封裝置頂部的壓塊，壓塊頂部設(shè)有限位 塊，限位塊與實(shí)驗(yàn)室固定物相連接并用于限制壓塊的豎向位置。
本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，查明煤礦井下本煤層鉆孔水力壓裂過程裂縫起 裂、擴(kuò)展、延伸變化規(guī)律，了解裂縫延伸方向，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂，從而大大提高壓裂效果。
2.照相機(jī)的設(shè)置，便于對致裂時(shí)裂起裂、延伸狀況進(jìn)行拍照記錄。
3.樣品直接采用煤樣(包括I至IV類煤樣)，理論上實(shí)驗(yàn)結(jié)果最佳，但由于煤體一 般強(qiáng)度較低、不夠完整，在制成的圓形或方形煤樣上再鉆出一定深度的方形孔難度很大，從 而降低實(shí)驗(yàn)效率、提高實(shí)驗(yàn)成本。另外，原生結(jié)構(gòu)煤可能制作成實(shí)驗(yàn)樣品，但對于碎裂煤、碎 粒煤和糜棱煤，幾乎無法制成實(shí)驗(yàn)樣品。采用按照不同的配比方案、凝固時(shí)間制成的混合材 料來模擬I至IV類煤樣，不僅能夠克服上述鉆孔難、制成實(shí)驗(yàn)樣品難的問題，同時(shí)模擬效果 好，能夠得出非常接近真實(shí)煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
4.實(shí)驗(yàn)缸為鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)缸，便于在試驗(yàn)過程中清晰看見裂縫延伸變化情況。
5.壓塊的設(shè)置能夠使實(shí)驗(yàn)缸密封裝置與實(shí)驗(yàn)缸緊密壓合在一起，從而提高密封 效果；限位塊的設(shè)置可以限制壓塊的豎向位置，從而防止壓裂過程中高壓流體引起密封系 統(tǒng)松動(dòng)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是樣品缸密封裝置和實(shí)驗(yàn)缸密封裝置的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1和圖2所示，本發(fā)明的煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置包括樣品裝置系統(tǒng)、圍壓 系統(tǒng)、致裂系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。
樣品裝置系統(tǒng)包括樣品缸18，樣品缸18內(nèi)的底部設(shè)有篩筒9，篩筒9底部設(shè)有出 水管9A。篩筒9上方的樣品缸18內(nèi)盛裝有樣品7，樣品7內(nèi)設(shè)有模擬鉆孔7A。
圍壓系統(tǒng)包括充氣子系統(tǒng)和充水子系統(tǒng)，充氣子系統(tǒng)包括高壓氣泵1和實(shí)驗(yàn)缸8， 實(shí)驗(yàn)缸8底部設(shè)有支撐底座10，高壓氣泵1的出口通過輸氣管路IA與實(shí)驗(yàn)缸8的上部相連通，高壓氣泵1的進(jìn)口通過進(jìn)氣管IB連通設(shè)有儲氣罐2，輸氣管路IA上設(shè)有充氣閥門12A、 氣路流量計(jì)14A和氣路壓力表15A，所述樣品缸18設(shè)在所述實(shí)驗(yàn)缸8內(nèi)的支撐底座10上； 充水子系統(tǒng)包括高壓充水泵11A，高壓充水泵IlA的進(jìn)水口連通設(shè)有充水水箱3A，高壓充水 泵IlA的出水口通過充水管路23與實(shí)驗(yàn)缸8的底部相連通，充水管路23上設(shè)有充水閥門 12B、充水流量計(jì)14B和充水壓力表15B。所述出水管9A的出水口伸出所述樣品缸18和所 述實(shí)驗(yàn)缸8并通入回水箱21中。
圍壓系統(tǒng)主要是提供實(shí)驗(yàn)過程中樣品7周圍的壓力，通過氣路流量計(jì)14A、充水流 量計(jì)14B以及氣路壓力表15A、充水壓力表15B得出流量及壓力大小，通過充氣閥門12A、充 水閥門12B進(jìn)行控制，使實(shí)驗(yàn)過程中圍壓能滿足實(shí)驗(yàn)所要求的壓力，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而 真實(shí)再現(xiàn)不同深度下煤層受力狀態(tài)。本發(fā)明為使圍壓有較大的變化范圍和較低的設(shè)備要 求，通過注入水、氣量來調(diào)節(jié)圍壓大小。具體方法為首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求注入適當(dāng)量的氣體， 然后再注入水，通過調(diào)節(jié)注入的水量來控制圍壓的大小。同時(shí)根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求的圍壓變 化范圍，來設(shè)計(jì)樣品缸18下邊高度，所依據(jù)的原則就是在充水加壓過程中，水面不能高于 樣品缸18底的高度。
致裂系統(tǒng)包括致裂高壓水泵11B，致裂高壓水泵IlB的進(jìn)水口連通設(shè)有致裂水箱 3B，致裂高壓水泵IlB的出水口通過致裂管路M與所述模擬鉆孔7A相連通，致裂管路M 上設(shè)有致裂控制閥12C、致裂壓力表15C和致裂流量計(jì)14C。
致裂系統(tǒng)主要是對樣品7進(jìn)行水力壓裂。通過致裂高壓水泵IlB向樣品7充水， 根據(jù)致裂壓力表15C和致裂流量計(jì)14C的監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)致裂控制閥12C，以便根據(jù)實(shí)際情 況調(diào)節(jié)流量。壓裂后從樣品7流出的水，經(jīng)過篩筒9流出樣品7，最后由出水管9A流入回水 箱21。
封閉系統(tǒng)主要是對樣品缸18和實(shí)驗(yàn)缸8進(jìn)行封閉，包括樣品缸密封裝置6和實(shí)驗(yàn) 缸密封裝置5，樣品缸密封裝置6包括上鋼板6A和下鋼板6B，上、下鋼板6A、6B皆為圓形設(shè) 置且二者的直徑皆稍小于樣品缸18的直徑，上、下鋼板6A、6B之間設(shè)有橡膠墊6C，橡膠墊 6C的直徑大于樣品缸18的直徑；將樣品缸密封裝置6加在樣品缸18內(nèi)樣品7上邊后，要 使其高于樣品缸18高度，為后邊加壓做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)缸密封裝置5包括實(shí)驗(yàn)缸上鋼板8A和 實(shí)驗(yàn)缸下鋼板8B，實(shí)驗(yàn)缸上、下鋼板8A、8B皆為圓形設(shè)置且二者的直徑皆稍小于實(shí)驗(yàn)缸8的 直徑，實(shí)驗(yàn)缸上、下鋼板8A、8B之間設(shè)有實(shí)驗(yàn)缸橡膠墊8C，實(shí)驗(yàn)缸橡膠墊8C的直徑大于實(shí)驗(yàn) 缸8的直徑。實(shí)驗(yàn)缸密封裝置5設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸8的頂部，并壓設(shè)在所述樣品缸密封裝置6之 上。封閉系統(tǒng)還包括有壓設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸密封裝置5頂部的壓塊4，壓塊4頂部設(shè)有限位塊13， 限位塊13與實(shí)驗(yàn)室固定物相連接并用于限制壓塊4的豎向位置。其中，實(shí)驗(yàn)室固定物可以 是實(shí)驗(yàn)室固定建筑，如墻壁、柱子等，也可以是重型機(jī)械、固定機(jī)架等等。
監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)在樣品缸18外壁上的聲發(fā)射傳感器16和設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸8外的照相 機(jī)25，實(shí)驗(yàn)過程中傳感器對參數(shù)進(jìn)行記錄。聲發(fā)射傳感器16外罩設(shè)有密封罩17，使用時(shí)照 相機(jī)25可以設(shè)置在距實(shí)驗(yàn)缸8較遠(yuǎn)處。
監(jiān)測系統(tǒng)是通過安裝在樣品缸18外壁上的聲發(fā)射傳感器16來監(jiān)測壓裂過程中裂 縫形成時(shí)應(yīng)力變化情況，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析了解樣品7的參數(shù)。為使聲發(fā)射傳感器16不受 氣體的影響，在其外邊安裝密封罩17。同時(shí)，在較遠(yuǎn)處安裝照相機(jī)25，以便對致裂時(shí)裂縫起 裂、延伸狀況進(jìn)行拍照記錄。當(dāng)然，照相機(jī)25也可以攝像機(jī)替代。
所述樣品7為煤樣(包括I至IV類煤樣)或混合材料，混合材料的成份包括礬土水 泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水。
采用混合材料模擬I類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重量比為 1:2:25 :11，上述材料混合后的凝固時(shí)間為30分鐘；采用混合材料模擬II類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重量比為1 2 40 16. 4，上述材料混合后的凝固時(shí)間為30分鐘；采用混合材料模擬III類煤樣或IV類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重 量比為1 :2 :60 :24，上述材料混合后的凝固時(shí)間為35分鐘。
上述混合材料的配比方案總結(jié)后下表所述
權(quán)利要求
1.煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括樣品裝置系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、致裂系 統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，樣品裝置系統(tǒng)包括樣品缸，樣品缸內(nèi)的底部設(shè)有篩筒，篩筒底部設(shè)有出水管，篩筒上方 的樣品缸內(nèi)盛裝有樣品，樣品內(nèi)設(shè)有模擬鉆孔；圍壓系統(tǒng)包括充氣子系統(tǒng)和充水子系統(tǒng)，充氣子系統(tǒng)包括高壓氣泵和實(shí)驗(yàn)缸，實(shí)驗(yàn)缸 底部設(shè)有支撐底座，高壓氣泵的出口通過輸氣管路與實(shí)驗(yàn)缸的上部相連通，高壓氣泵的進(jìn) 口通過進(jìn)氣管連通設(shè)有儲氣罐，輸氣管路上設(shè)有充氣閥門、氣路流量計(jì)和氣路壓力表，所述 樣品缸設(shè)在所述實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)的支撐底座上；充水子系統(tǒng)包括高壓充水泵，高壓充水泵的進(jìn)水 口連通設(shè)有充水水箱，高壓充水泵的出水口通過充水管路與實(shí)驗(yàn)缸的底部相連通，充水管 路上設(shè)有充水閥門、充水流量計(jì)和充水壓力表；所述出水管的出水口伸出所述樣品缸和所 述實(shí)驗(yàn)缸；致裂系統(tǒng)包括致裂高壓水泵，致裂高壓水泵的進(jìn)水口連通設(shè)有致裂水箱，致裂高壓水 泵的出水口通過致裂管路與所述模擬鉆孔相連通，致裂管路上設(shè)有致裂控制閥、致裂壓力 表和致裂流量計(jì)；封閉系統(tǒng)包括樣品缸密封裝置和實(shí)驗(yàn)缸密封裝置，樣品缸密封裝置包括上鋼板和下鋼 板，上、下鋼板皆為圓形設(shè)置且二者的直徑皆小于樣品缸的直徑，上、下鋼板之間設(shè)有橡膠 墊，橡膠墊的直徑大于樣品缸的直徑；實(shí)驗(yàn)缸密封裝置包括實(shí)驗(yàn)缸上鋼板和實(shí)驗(yàn)缸下鋼板， 實(shí)驗(yàn)缸上、下鋼板皆為圓形設(shè)置且二者的直徑皆小于實(shí)驗(yàn)缸的直徑，實(shí)驗(yàn)缸上、下鋼板之間 設(shè)有實(shí)驗(yàn)缸橡膠墊，實(shí)驗(yàn)缸橡膠墊的直徑大于實(shí)驗(yàn)缸的直徑；監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)在樣品缸外壁上的聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器外罩設(shè)有密封罩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述監(jiān)測系統(tǒng)還 包括有設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸外的照相機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述樣品為 煤樣或混合材料，混合材料的成份包括礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水，采用混合材料模擬I類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重量比為1 2 25 11，上述材料混合后的凝固時(shí)間為30分鐘；采用混合材料模擬II類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重量比為1 2 40 16. 4，上述材料混合后的凝固時(shí)間為30分鐘；采用混合材料模擬III類煤樣或IV類煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過濾粉和水的重 量比為1 :2 :60 :24，上述材料混合后的凝固時(shí)間為35分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)缸 為鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)缸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述封閉系 統(tǒng)還包括有壓設(shè)在實(shí)驗(yàn)缸密封裝置頂部的壓塊，壓塊頂部設(shè)有限位塊，限位塊與實(shí)驗(yàn)室固 定物相連接并用于限制壓塊的豎向位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置，包括樣品裝置系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、致裂系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，樣品裝置系統(tǒng)包括樣品缸，樣品缸內(nèi)的底部設(shè)有篩筒，篩筒底部設(shè)有出水管，篩筒上方的樣品缸內(nèi)盛裝有樣品，樣品內(nèi)設(shè)有模擬鉆孔；圍壓系統(tǒng)包括充氣子系統(tǒng)和充水子系統(tǒng)，致裂系統(tǒng)包括致裂高壓水泵，致裂高壓水泵的出水口通過致裂管路與所述模擬鉆孔相連通；封閉系統(tǒng)包括樣品缸密封裝置和實(shí)驗(yàn)缸密封裝置；監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)在樣品缸外壁上的聲發(fā)射傳感器。本發(fā)明可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，查明煤礦井下本煤層鉆孔水力壓裂過程裂縫起裂、擴(kuò)展、延伸變化規(guī)律，了解裂縫延伸方向，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂，從而大大提高壓裂效果。
文檔編號C04B28/04GK102031954SQ20101061268
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者倪小明, 劉曉, 朱明陽, 蘇現(xiàn)波, 賈炳 申請人:河南理工大學(xué)