专利名称：煤岩钻孔水力致裂实验装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种煤岩钻孔水力致裂实验装置。
技术背景
我国煤储层“低渗”特点决定了井下瓦斯治理或地面煤层气开发时都需对煤储层 进行改造，水力压裂是目前煤层气井地面开发或井下瓦斯治理的重要手段之一。地面煤层 气井水力压裂设计的好坏直接关系到后期产气量的高低，而查明水力压裂时裂缝起裂、扩 展、延伸变化规律是进行水力压裂参数优化的基础。查明井下钻孔水力压裂时裂缝起裂、扩 展、延伸变化规律是进行钻孔参数优化、水力压裂参数优化的基础。对煤储层的基本情况了 解地越充分，越有利于提高水力压裂的效果。而以往的压裂指导大多只是依据纯粹的数学 理论或压裂模拟软件进行模拟，不能直观的了解到压裂过程中裂缝是如何形成的以及裂缝 的延伸方向。
目前，地面水力压裂设计主要依据建立的水力压裂模拟软件进行模拟，现实情况 的多变性和影响因素的复杂性，在一定程度上就使理论推导与现实有一定的差距，对压裂 现场的指导不够准确，影响着压裂效果，最终影响地面煤层气井产气量或井下瓦斯抽采 (放)效果。因此，查明水力压裂时裂缝变化情况显得极其重要。目前没有能够模拟煤岩钻 孔水力致裂情况的实验装置。发明内容
本发明的目的在于提供一种煤岩钻孔水力致裂实验装置，能够通过实验室模拟不 同煤体结构、不同地应力大小、不同钻孔深度下煤岩水力压裂，查明煤岩裂缝起裂、扩展、延 伸变化规律，进而指导现场生产，提高压裂效果。
为实现上述目的，本发明的煤岩钻孔水力致裂实验装置包括样品装置系统、围压 系统、致裂系统、封闭系统和监测系统，样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛 筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；围压系 统包括充气子系统和充水子系统，充气子系统包括高压气泵和实验缸，实验缸底部设有支 撑底座，高压气泵的出口通过输气管路与实验缸的上部相连通，高压气泵的进口通过进气 管连通设有储气罐，输气管路上设有充气阀门、气路流量计和气路压力表，所述样品缸设在 所述实验缸内的支撑底座上；充水子系统包括高压充水泵，高压充水泵的进水口连通设有 充水水箱，高压充水泵的出水口通过充水管路与实验缸的底部相连通，充水管路上设有充 水阀门、充水流量计和充水压力表；所述出水管的出水口伸出所述样品缸和所述实验缸； 致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的进水口连通设有致裂水箱，致裂高压水泵的 出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通，致裂管路上设有致裂控制阀、致裂压力表和 致裂流量计；封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置，样品缸密封装置包括上钢 板和下钢板，上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于样品缸的直径，上、下钢板之间 设有橡胶垫，橡胶垫的直径大于样品缸的直径；实验缸密封装置包括实验缸上钢板和实验缸下钢板，实验缸上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于实验缸的直径，实验缸上、 下钢板之间设有实验缸橡胶垫，实验缸橡胶垫的直径大于实验缸的直径；监测系统包括设 在样品缸外壁上的声发射传感器，声发射传感器外罩设有密封罩。
所述监测系统还包括有设在实验缸外的照相机。
所述样品为煤样或混合材料，混合材料的成份包括矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤 粉和水，采用混合材料模拟I类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为 1 2 25 :11，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟II类煤样时，矾土 水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1 :2 40 :16. 4，上述材料混合后的凝固时间为 30分钟；采用混合材料模拟III类煤样或IV类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水 的重量比为1 :2 60 :24，上述材料混合后的凝固时间为35分钟。
所述实验缸为钢化玻璃实验缸。
所述封闭系统还包括有压设在实验缸密封装置顶部的压块，压块顶部设有限位 块，限位块与实验室固定物相连接并用于限制压块的竖向位置。
本发明具有如下的优点1.本发明可以在实验室进行模拟实验，查明煤矿井下本煤层钻孔水力压裂过程裂缝起 裂、扩展、延伸变化规律，了解裂缝延伸方向，进而指导现场压裂，从而大大提高压裂效果。
2.照相机的设置，便于对致裂时裂起裂、延伸状况进行拍照记录。
3.样品直接采用煤样(包括I至IV类煤样)，理论上实验结果最佳，但由于煤体一 般强度较低、不够完整，在制成的圆形或方形煤样上再钻出一定深度的方形孔难度很大，从 而降低实验效率、提高实验成本。另外，原生结构煤可能制作成实验样品，但对于碎裂煤、碎 粒煤和糜棱煤，几乎无法制成实验样品。采用按照不同的配比方案、凝固时间制成的混合材 料来模拟I至IV类煤样，不仅能够克服上述钻孔难、制成实验样品难的问题，同时模拟效果 好，能够得出非常接近真实煤样的实验结果。
4.实验缸为钢化玻璃实验缸，便于在试验过程中清晰看见裂缝延伸变化情况。
5.压块的设置能够使实验缸密封装置与实验缸紧密压合在一起，从而提高密封 效果；限位块的设置可以限制压块的竖向位置，从而防止压裂过程中高压流体引起密封系 统松动。
图1是本发明的结构示意图；图2是样品缸密封装置和实验缸密封装置的剖视结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的煤岩钻孔水力致裂实验装置包括样品装置系统、围压 系统、致裂系统、封闭系统和监测系统。
样品装置系统包括样品缸18，样品缸18内的底部设有筛筒9，筛筒9底部设有出 水管9A。筛筒9上方的样品缸18内盛装有样品7，样品7内设有模拟钻孔7A。
围压系统包括充气子系统和充水子系统，充气子系统包括高压气泵1和实验缸8， 实验缸8底部设有支撑底座10，高压气泵1的出口通过输气管路IA与实验缸8的上部相连通，高压气泵1的进口通过进气管IB连通设有储气罐2，输气管路IA上设有充气阀门12A、 气路流量计14A和气路压力表15A，所述样品缸18设在所述实验缸8内的支撑底座10上； 充水子系统包括高压充水泵11A，高压充水泵IlA的进水口连通设有充水水箱3A，高压充水 泵IlA的出水口通过充水管路23与实验缸8的底部相连通，充水管路23上设有充水阀门 12B、充水流量计14B和充水压力表15B。所述出水管9A的出水口伸出所述样品缸18和所 述实验缸8并通入回水箱21中。
围压系统主要是提供实验过程中样品7周围的压力，通过气路流量计14A、充水流 量计14B以及气路压力表15A、充水压力表15B得出流量及压力大小，通过充气阀门12A、充 水阀门12B进行控制，使实验过程中围压能满足实验所要求的压力，且处于稳定状态，从而 真实再现不同深度下煤层受力状态。本发明为使围压有较大的变化范围和较低的设备要 求，通过注入水、气量来调节围压大小。具体方法为首先根据实验要求注入适当量的气体， 然后再注入水，通过调节注入的水量来控制围压的大小。同时根据实际实验要求的围压变 化范围，来设计样品缸18下边高度，所依据的原则就是在充水加压过程中，水面不能高于 样品缸18底的高度。
致裂系统包括致裂高压水泵11B，致裂高压水泵IlB的进水口连通设有致裂水箱 3B，致裂高压水泵IlB的出水口通过致裂管路M与所述模拟钻孔7A相连通，致裂管路M 上设有致裂控制阀12C、致裂压力表15C和致裂流量计14C。
致裂系统主要是对样品7进行水力压裂。通过致裂高压水泵IlB向样品7充水， 根据致裂压力表15C和致裂流量计14C的监测数据，调节致裂控制阀12C，以便根据实际情 况调节流量。压裂后从样品7流出的水，经过筛筒9流出样品7，最后由出水管9A流入回水 箱21。
封闭系统主要是对样品缸18和实验缸8进行封闭，包括样品缸密封装置6和实验 缸密封装置5，样品缸密封装置6包括上钢板6A和下钢板6B，上、下钢板6A、6B皆为圆形设 置且二者的直径皆稍小于样品缸18的直径，上、下钢板6A、6B之间设有橡胶垫6C，橡胶垫 6C的直径大于样品缸18的直径；将样品缸密封装置6加在样品缸18内样品7上边后，要 使其高于样品缸18高度，为后边加压做准备。实验缸密封装置5包括实验缸上钢板8A和 实验缸下钢板8B，实验缸上、下钢板8A、8B皆为圆形设置且二者的直径皆稍小于实验缸8的 直径，实验缸上、下钢板8A、8B之间设有实验缸橡胶垫8C，实验缸橡胶垫8C的直径大于实验 缸8的直径。实验缸密封装置5设在实验缸8的顶部，并压设在所述样品缸密封装置6之 上。封闭系统还包括有压设在实验缸密封装置5顶部的压块4，压块4顶部设有限位块13， 限位块13与实验室固定物相连接并用于限制压块4的竖向位置。其中，实验室固定物可以 是实验室固定建筑，如墙壁、柱子等，也可以是重型机械、固定机架等等。
监测系统包括设在样品缸18外壁上的声发射传感器16和设在实验缸8外的照相 机25，实验过程中传感器对参数进行记录。声发射传感器16外罩设有密封罩17，使用时照 相机25可以设置在距实验缸8较远处。
监测系统是通过安装在样品缸18外壁上的声发射传感器16来监测压裂过程中裂 缝形成时应力变化情况，进而通过数据分析了解样品7的参数。为使声发射传感器16不受 气体的影响，在其外边安装密封罩17。同时，在较远处安装照相机25，以便对致裂时裂缝起 裂、延伸状况进行拍照记录。当然，照相机25也可以摄像机替代。
所述样品7为煤样(包括I至IV类煤样)或混合材料，混合材料的成份包括矾土水 泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水。
采用混合材料模拟I类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为 1:2:25 :11，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟II类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1 2 40 16. 4，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟III类煤样或IV类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重 量比为1 :2 :60 :24，上述材料混合后的凝固时间为35分钟。
上述混合材料的配比方案总结后下表所述
权利要求
1.煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于包括样品装置系统、围压系统、致裂系 统、封闭系统和监测系统，样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方 的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；围压系统包括充气子系统和充水子系统，充气子系统包括高压气泵和实验缸，实验缸 底部设有支撑底座，高压气泵的出口通过输气管路与实验缸的上部相连通，高压气泵的进 口通过进气管连通设有储气罐，输气管路上设有充气阀门、气路流量计和气路压力表，所述 样品缸设在所述实验缸内的支撑底座上；充水子系统包括高压充水泵，高压充水泵的进水 口连通设有充水水箱，高压充水泵的出水口通过充水管路与实验缸的底部相连通，充水管 路上设有充水阀门、充水流量计和充水压力表；所述出水管的出水口伸出所述样品缸和所 述实验缸；致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的进水口连通设有致裂水箱，致裂高压水 泵的出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通，致裂管路上设有致裂控制阀、致裂压力 表和致裂流量计；封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置，样品缸密封装置包括上钢板和下钢 板，上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于样品缸的直径，上、下钢板之间设有橡胶 垫，橡胶垫的直径大于样品缸的直径；实验缸密封装置包括实验缸上钢板和实验缸下钢板， 实验缸上、下钢板皆为圆形设置且二者的直径皆小于实验缸的直径，实验缸上、下钢板之间 设有实验缸橡胶垫，实验缸橡胶垫的直径大于实验缸的直径；监测系统包括设在样品缸外壁上的声发射传感器，声发射传感器外罩设有密封罩。
2.根据权利要求1所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于所述监测系统还 包括有设在实验缸外的照相机。
3.根据权利要求1或2所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于所述样品为 煤样或混合材料，混合材料的成份包括矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水，采用混合材料模拟I类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1 2 25 11，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟II类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重量比为1 2 40 16. 4，上述材料混合后的凝固时间为30分钟；采用混合材料模拟III类煤样或IV类煤样时，矾土水泥、硅酸盐水泥、电过滤粉和水的重 量比为1 :2 :60 :24，上述材料混合后的凝固时间为35分钟。
4.根据权利要求1或2所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于所述实验缸 为钢化玻璃实验缸。
5.根据权利要求1或2所述的煤岩钻孔水力致裂实验装置，其特征在于所述封闭系 统还包括有压设在实验缸密封装置顶部的压块，压块顶部设有限位块，限位块与实验室固 定物相连接并用于限制压块的竖向位置。
全文摘要
本发明公开了一种煤岩钻孔水力致裂实验装置，包括样品装置系统、围压系统、致裂系统、封闭系统和监测系统，样品装置系统包括样品缸，样品缸内的底部设有筛筒，筛筒底部设有出水管，筛筒上方的样品缸内盛装有样品，样品内设有模拟钻孔；围压系统包括充气子系统和充水子系统，致裂系统包括致裂高压水泵，致裂高压水泵的出水口通过致裂管路与所述模拟钻孔相连通；封闭系统包括样品缸密封装置和实验缸密封装置；监测系统包括设在样品缸外壁上的声发射传感器。本发明可以在实验室进行模拟实验，查明煤矿井下本煤层钻孔水力压裂过程裂缝起裂、扩展、延伸变化规律，了解裂缝延伸方向，进而指导现场压裂，从而大大提高压裂效果。
文档编号C04B28/04GK102031954SQ20101061268
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者倪小明, 刘晓, 朱明阳, 苏现波, 贾炳 申请人:河南理工大学