專(zhuān)利名稱(chēng)：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：
本實(shí)用新型涉及一種煤巖鉆孔水力致裂實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
我國(guó)煤儲(chǔ)層“低滲”特點(diǎn)決定了井下瓦斯治理或地面煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)都需對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行改造，水力壓裂是目前煤層氣井地面開(kāi)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(duì)煤儲(chǔ)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(guò)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(duì)壓裂現(xiàn)場(chǎng)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(méi)有能夠模擬煤巖鉆孔水力致裂情況的實(shí)驗(yàn)裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型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(guò)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(chǎng)生產(chǎn)，提高壓裂效果。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型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(cè)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(guò)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(guò)進(jìn)氣管連通設(shè)有儲(chǔ)氣罐，輸氣管路上設(shè)有充氣閥門(mén)、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(guò)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(mén)、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(guò)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(cè)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(cè)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(guò)濾粉和水，采用混合材料模擬I類(lèi)煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過(guò)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(lèi)煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過(guò)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(lèi)煤樣或IV類(lèi)煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過(guò)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。本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)1.本實(shí)用新型可以在實(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(guò)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(chǎng)壓裂，從而大大提高壓裂效果。2.照相機(jī)的設(shè)置，便于對(duì)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(lèi)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(duì)于碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，幾乎無(wú)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(lái)模擬I至IV類(lèi)煤樣，不僅能夠克服上述鉆孔難、制成實(shí)驗(yàn)樣品難的問(wèn)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(guò)程中清晰看見(jiàn)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(guò)程中高壓流體引起密封系統(tǒng)松動(dòng)。

圖1是本實(shí)用新型的結(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，本實(shí)用新型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(cè)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(guò)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(guò)進(jìn)氣管IB連通設(shè)有儲(chǔ)氣罐2，輸氣管路IA上設(shè)有充氣閥門(mén)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(guò)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(mén) 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(guò)程中樣品7周?chē)膲毫?，通過(guò)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(guò)充氣閥門(mén)12A、充水閥門(mén)12B進(jìn)行控制，使實(shí)驗(yàn)過(guò)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)。本實(shí)用新型為使圍壓有較大的變化范圍和較低的設(shè)備要求，通過(guò)注入水、氣量來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)注入的水量來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(duì)樣品7進(jìn)行水力壓裂。通過(guò)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(cè)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(guò)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(duì)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(cè)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(guò)程中傳感器對(duì)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(cè)系統(tǒng)是通過(guò)安裝在樣品缸18外壁上的聲發(fā)射傳感器16來(lái)監(jiān)測(cè)壓裂過(guò)程中裂縫形成時(shí)應(yīng)力變化情況，進(jìn)而通過(guò)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(duì)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(lèi)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(guò)濾粉和水。采用混合材料模擬I類(lèi)煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過(guò)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(lèi)煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過(guò)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(lèi)煤樣或IV類(lèi)煤樣時(shí)，礬土水泥、硅酸鹽水泥、電過(guò)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(cè)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(guò)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(guò)進(jìn)氣管連通設(shè)有儲(chǔ)氣罐，輸氣管路上設(shè)有充氣閥門(mén)、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(guò)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(mén)、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(guò)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(cè)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(cè)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，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)缸為鋼化玻璃實(shí)驗(yàn)缸。
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。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)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(cè)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(guò)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(cè)系統(tǒng)包括設(shè)在樣品缸外壁上的聲發(fā)射傳感器。本實(shí)用新型可以在實(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(guò)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(chǎng)壓裂，從而大大提高壓裂效果。
文檔編號(hào)C04B28/06GK202031564SQ20102068817
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)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(yáng), 沈毅, 賈炳 申請(qǐng)人:河南理工大學(xué)