冲击波增渗煤层模拟实验的试件及基于其完成的实验方法
【专利摘要】本发明属于煤层物理模拟实验技术领域，具体是一种冲击波增渗煤层模拟实验的试件及基于其完成的实验方法。解决了通过物理模拟实验建立波动参数与煤岩致裂效应、渗透率变化特征之间的量化关系的问题，包括外壳、应变砖和煤样块应变片，所述的外壳是无底的矩形壳状体，外壳内侧除底部的其他五个面的中间位置固定有应变砖，外壳内固定有煤样块，煤样块除底部的其他五个面的中间位置固定有两块互相垂直放置煤样块应变片，两块煤样块应变片分别固定在竖直方向和水平方向，应变砖压在两块煤样块应变片表面上。本发明制作的试件尺度大，便于实验过程中记录变形特性和统计裂隙发育情况，煤样块外表水泥沙浆起到模拟围岩的作用。
【专利说明】
冲击波増渗煤层模拟实验的试件及基于其完成的实验方法
技术领域
[0001]本发明属于煤层物理模拟实验技术领域，具体是一种冲击波增渗煤层模拟实验的试件及基于其完成的实验方法。
【背景技术】
[0002]我国有着丰富的煤层气资源，开发和利用煤层气有着远大的前景。然而我国煤田地质条件比较复杂，煤储层多具有“三低一高”的特征:储层压力低、储层渗透率低、常规水力压裂造缝所占比例低，煤储层的吸附能力高。因此，制约煤层气开发的主要技术瓶颈是如何提高煤层的渗透性，包括致裂增透和解堵增渗。
[0003]传统煤层气增产技术多采用压裂、割缝和驱替等，这些措施针对特定区域取得了一定效果，但受自然条件等因素制约，很难推广应用。
[0004]高功率脉冲技术是当代高新技术的支撑学科之一，它以慢的方式储存能量，然后借助各种开关的快速切换实现脉冲压缩、功率放大、用很短的时间、很高的强度以单个脉冲或受控的重复脉冲形式，将高功率电磁能量瞬间释放给负载。各种高功率负载以不同的物理原理将高功率电磁能量转换为所需要的能量形式，在可控的区域形成极端的物理环境，实现一般功率下所不能实现的功能。高功率脉冲技术增渗煤储层是将产生的冲击波作用煤储层，达到增渗的目的。目前，这项技术还缺少煤岩致裂效应、渗透率变化特征与波动参数之间的量化关系。
[0005]通过物理模拟实验可以建立波动参数与煤岩致裂效应、渗透率变化特征之间的量化关系，但要想实现冲击波增透煤层物理模拟实验，首先必须解决的问题是:制作一定尺度，尽量体现实际煤岩特性，防止试件快速破碎，便于实验数据统计的实验试件。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决通过物理模拟实验建立波动参数与煤岩致裂效应、渗透率变化特征之间的量化关系的问题，提供一种用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件及方法。
[0007]本发明采取以下技术方案:一种用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件，包括外壳、应变砖和煤样块应变片，所述的外壳是无底的矩形壳状体，外壳内侧除底部的其他五个面的中间位置固定有应变砖，外壳内固定有煤样块，煤样块除底部的其他五个面的中间位置固定有两块互相垂直放置煤样块应变片，两块煤样块应变片分别固定在竖直方向和水平方向，应变砖压在两块煤样块应变片表面上。
[0008]所述的外壳是用水泥沙浆浇筑而成。
[0009]所述的应变砖是由水泥砂楽制成的IcmX 5cmX 5cm的方块砖体。
[0010]所述的煤样块应变片是PVDF电阻应变片。
[0011]—种基于所述的用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件完成的实验方法，具体步骤如下:
I)将大块煤样品切割成15cmX 15cmX 15cm的正方体块状，切割好后对正方体煤块的每个表面实施进一步的打磨和磨平，并对每个表面进行清理，去除表面的煤粉，以便下一步粘贴应变片;并对煤样块的全部表面进行贴签标记，便于后续的实验中比对。
[0012]2)对正方体煤样块的表面进行煤样块应变片的粘贴，其中一个面为预留观察面，不做粘贴处理，其余5个面各自在中心位置粘贴2个煤样块应变片，2片煤样块应变片的位置为互相垂直，以便测试横向和纵向方向的变形特征，并保证应变片的牵引导线控制在2米左右。
[0013]3)为保证煤块在实验过程中不会很快被震碎，并模拟煤层在围压作用下受冲击波的影响，在煤样块的四周和顶面粘糊一层一定厚度的水泥，留煤样块的预留观察面作为观察裂隙产生规律。
[0014]4)试件加工好后，进行冲击波实验。
[0015]冲击波实验在如下实验平台下进行，本实验平台包括高聚能电脉冲装置、滑轮、钢架、高强度铁桶和储能电容器，滑轮固定于钢架中心部位，滑轮下放置有高强度铁桶，高强度铁桶内放满有作为传播的介质，高聚能电脉冲装置通过滑轮吊起悬挂置于水中，煤试样同样通过钢架悬挂并置于水中。
[0016]所述的冲击波实验具体步骤如下，实验过程中首先将高聚能电脉冲装置用滑轮吊起，滑轮固定于钢架中心部位，滑轮下放置特制的高强度铁桶，铁桶中放满作为传播介质的自来水，煤样同样通过钢架悬挂并置于水中，连接好各部分电路，并对电路终端进行接地，防止产生静电，将煤样与高聚能电脉冲装置对接好后，将整个实验平台接通普通电源，通过变压器将其转换为600V、1000Hz的中频电源，然后再使用高压硅堆整流成22kV高压直流电；储能电容器经过扼流圈充电；当高聚能电脉冲装置的工作阈值被储能电容器电压突破时，储能电容器中储存的电能经能量转换器转换成水中传播的机械能一脉冲冲击能，与此同时强大的瞬变电磁场被激发出来，储能电容器连接分压器测试电容内储存电压量，电容充电完成后，打开脉冲器的储能开关和换能开关，进彳丁放电，储能开关的间距为7.33mm，每次放电电压为22kV，放电的瞬间，介质被击穿，产生冲击波P波，高聚能电脉冲装置放电对试样进行冲击，每放电一次后将高聚能电脉冲装置吊起，记录试样的变形特征、观察裂隙产生规律。
[0017]煤样的冲击条件为:冲击波的冲击次数250次，放电电压为22kV，放电电流为50kA，冲击波峰值压力lOOMPa，放电频率为3?6次/min，工作温度为室温，冲击前的煤样为15cmX15cm X 15cm的正方体块状煤样，冲击后煤样表面破碎，但整体仍然保持完整性。
[0018]与现有技术相比，本发明制作的试件尺度大，便于实验过程中记录变形特性和统计裂隙发育情况，煤样块外表水泥沙浆起到模拟围岩的作用;从材料相似性角度来看，采用水泥砂浆模型模拟煤层围岩的增渗模型实验;试件制作过程方便，成本低廉。
【附图说明】
[0019]图1是用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件结构示意图；
图2是冲击波实验平台示意图；
图中1-煤样块，2-外壳，3-应变砖，4-煤样块应变片，5-钢架，6-滑轮，7-高聚能电脉冲装置，8-高强度铁桶，9-储能电容器。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，一种用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件，包括外壳2、应变砖3和煤样块应变片4，所述的外壳2是无底的矩形壳状体，外壳2内侧除底部的其他五个面的中间位置固定有应变砖3，外壳2内固定有煤样块I，煤样块I除底部的其他五个面的中间位置固定有两块互相垂直放置煤样块应变片4，两块煤样块应变片4分别固定在竖直方向和水平方向，应变砖3压在两块煤样块应变片4表面上。
[0021 ]所述的外壳2是用水泥沙浆浇筑而成。
[0022]所述的应变砖3是由水泥砂楽制成的IcmX 5cmX 5cm的方块砖体。
[0023]所述的煤样块应变片4是PVDF电阻应变片。
[0024]冲击波增渗煤层模拟实验的实验方法，具体步骤如下:
I)将大块煤样品切割成15cmX 15cmX 15cm的正方体块状，切割好后对正方体煤块的每个表面实施进一步的打磨和磨平，并对每个表面进行清理，去除表面的煤粉，以便下一步粘贴应变片;并对煤样块的全部表面进行贴签标记，便于后续的实验中比对。
[0025]2)对正方体煤样块的表面进行煤样块应变片的粘贴，其中一个面为预留观察面，不做粘贴处理，其余5个面各自在中心位置粘贴2个煤样块应变片，2片煤样块应变片的位置为互相垂直，以便测试横向和纵向方向的变形特征，并保证应变片的牵引导线控制在2米左右。
[0026]3)为保证煤块在实验过程中不会很快被震碎，并模拟煤层在围压作用下受冲击波的影响，在煤样块的四周和顶面粘糊一层一定厚度的水泥，留煤样块的预留观察面作为观察裂隙产生规律。
[0027]4)试件加工好后，进行冲击波实验。
[0028]冲击波实验在如下实验平台下进行，本实验平台包括高聚能电脉冲装置7、滑轮6、钢架5、高强度铁桶8和储能电容器9，滑轮固定于钢架5中心部位，滑轮下放置有高强度铁桶8，高强度铁桶8内放满有作为传播介质的自来水，高聚能电脉冲装置7通过滑轮6吊起悬挂置于水中，煤试样同样通过钢架5悬挂并置于水中。
[0029]所述的冲击波实验具体步骤如下，实验过程中首先将高聚能电脉冲装置用滑轮吊起，滑轮固定于钢架中心部位，滑轮下放置特制的高强度铁桶，铁桶中放满作为传播介质的自来水，煤样同样通过钢架悬挂并置于水中，连接好各部分电路，并对电路终端进行接地，防止产生静电，将煤样与高聚能电脉冲装置对接好后，将整个实验平台接通普通电源，通过变压器将其转换为600V、1000Hz的中频电源，然后再使用高压硅堆整流成22kV高压直流电；储能电容器9经过扼流圈充电；当高聚能电脉冲装置7的工作阈值被储能电容器9电压突破时，储能电容器9中储存的电能经能量转换器转换成水中传播的机械能一脉冲冲击能，与此同时强大的瞬变电磁场被激发出来，储能电容器9连接分压器测试电容内储存电压量，电容充电完成后，打开脉冲器的储能开关和换能开关，进行放电，储能开关的间距为7.33mm，每次放电电压为22kV，放电的瞬间，介质被击穿，产生冲击波P波，高聚能电脉冲装置7放电对试样进行冲击，每放电一次后将高聚能电脉冲装置7吊起，记录试样的变形特征、观察裂隙产生规律。
[0030]煤样的冲击条件为:冲击波的冲击次数250次，放电电压为22kV，放电电流为50kA，冲击波峰值压力lOOMPa，放电频率为3?6次/min，工作温度为室温，冲击前的煤样为15cmX15cm X 15cm的正方体块状煤样，冲击后煤样表面破碎，但整体仍然保持完整性。
[0031]实施例:煤样来自山西成庄煤矿以及建业煤矿的下二叠统山西组。将大块样品切害誠15cm X 15cm X 15cm的正方体块状，PM煤岩、WYM煤样以及顶板煤样分别切割出4块煤砖。切割好后对正方体煤块的每个表面实施进一步的打磨和磨平，并对每个表面进行清理，去除表面的煤粉，以确保应变片的成功粘贴，并对块状煤样的全部正方形表面进行贴签标记，方便在后续的实验中对每个表面的比对。在以上工作完成的基础上对煤样的裂隙进行描述。在对煤样进行进一步加工前，将其密封于塑料袋内，防止表面在空气中氧化。
[0032]下一步的工作便是对正方体煤块的表面进行应变片的的粘贴。贴上标签“6”的面为预留观察面，其余5个面各自在中心位置粘贴2个应变片，2片应变片的位置为互相垂直，以便测试横向和纵向方向的变形特征变片的牵引导线(电缆线)控制在2米左右。即每个煤块样品上的粘贴应变片数量为10个，牵引导线为20根，对每根导线做好标记。
[0033]为保证煤块不会很快被震碎，并模拟煤层在围压作用下受冲击波的影响，在煤块的四周和底面粘糊一层一定厚度的水泥，留煤块的一面作为顶面观察裂隙产生规律。不同水泥和沙石的配比制作的水泥强度不同，用以模拟不同的围岩强度。初步拟定用3种水泥配比模拟3种围压水平。设计3种水泥砂浆配合比(质量比):
配比A，水泥:砂=1: 3，水灰比0.6 ；
配比B，水泥:砂=1: 4，水灰比0.7 ；
配比C，水泥:砂=1: 5，水灰比0.8。
[0034]制作煤样的水泥采用不同的配方，因此需测试各种配方下水泥的力学强度，模拟围压泥砂浆的力学强度测试。水泥砂浆的配比完成后，利用不同配比的砂浆先制作应变砖，先利用不同配比的水泥砂浆制作IcmX 5cmX5cm的小方块，养护10天，使其固化。然后在已经固化的方块上按照上文所示的步骤粘贴相互垂直的2片应变片，并在应变片上贴上绝缘胶布进行防护。
[0035]在煤块表面粘糊水泥砂浆的具体步骤为:首先，制作边长25cm的正方体硬纸质模具，模具有4面，无顶面和底面，将粘贴好应变片的煤块放入模具的正中间位置，这样纸质模具中便留出了5cm宽度的空隙，向模具的四周空隙和顶面空隙中倒入已经混合好的不同配比的水泥沙浆，煤样的外围边形成了 5cm厚度的水泥砂浆，在灌浆的过程中注意将各个煤样表面的应变片导线对应牵引出来，四周的的水泥浆和顶面的水泥浆中放入应变砖，同时引出应变砖的导线。最后将整个试件放置养护30天，直至水泥浆完全固化。
[0036]试样加工好后，即可进行超声波冲击实验。煤样的冲击条件为:冲击次数250次，放电电压为22kV，放电电流为50kA，冲击波峰值压力lOOMPa，放电频率为3?6次/min，工作温度为室温O冲击前的煤样为15cm X 15cm X 15cm的正方体块状煤样，冲击后煤样表面破碎，但整体仍然保持完整性。
[0037]实验过程中首先将高聚能电脉冲装置用滑轮吊起，滑轮固定于钢架中心部位。滑轮下放置特制的高强度铁桶，铁桶中放满作为传播介质的自来水。试样同样通过钢架悬挂并置于水中。连接好各部分电路，并对电路终端进行接地，防止产生静电。为防止高强度冲击波对电流信号的干扰，搭建屏蔽间，测试应变工作将在屏蔽间内完成。
[0038]试样在冲击波作用下的变形特征由应力-应变测试系统完成。测试试样应变特征的仪器为北京神州瑞通科技有限公司生产的型号RT-C32通道动态应变仪。动态应变仪的供电电压AC 220V。试样中的应变片导线通过应变电桥盒连接到动态应变中。正常测量时，将电桥盒的插头接入RT-C32通道动态应变仪的通道输入插座上，利用电桥盒组成半桥方式。半桥的连接方式为:作为内半桥，Ri，R2为电桥盒内的无感线绕电阻，阻值都为120 Ω。将接线柱I与5，3与7，4与8分别进行短接，并在I与2之间接工作电阻R3，2与3之间接补偿电阻R4，连接方式是单点半桥测量接线，检查接线无误后，接入动态应变仪。仪器周围要保证没有强磁场干扰以及腐蚀性气体，导线、插头、连线都应旋紧。测量电阻与补偿电阻的电阻值一致，所有连接导线采用规格与长度相同的具有屏蔽作用的电缆线，并联原煤煤样作为消除温度变化影响的补偿片，形成通路。将应变仪通过USB导线连接到电脑，确认接线无误后，选择好需要采集的通道个数，打开仪器电源开关，用小螺丝刀缓慢调节前面板上的调零旋钮，使每个通道的初始值在O值附近。即可进行开始数据采集，选择合适的路径，将采集到的应变数据保存于电脑。
[0039]每次的放电电压为22kV，冲击作用次数在50次之前，试件表面未出现可见裂隙，冲击50次之后试件的水泥表面上开始产生肉眼可见的微小裂隙。随着冲击次数的递增，裂隙数量逐渐增加，裂隙宽度和长度也随着逐渐增大。冲击波作用75次后，模拟围岩作用的水泥表面产生了大量的裂隙，裂隙平均宽度在0.5cm左右;冲击次数100次时，平均裂隙宽度增加至Icm左右，部分水泥从试样中散落;冲击次数达到125次时，水泥呈块状从试件上垮落，直接受冲击波冲击的的实验作用面上的水泥基本全部脱落，煤岩面暴露出来。
[0040]在试件表面的水泥基本脱落后，清理去除表面的水泥，继续对在冲击波对试件冲击的过程中，观察裂隙生成情况与试件内应变特征的记录工作同时进行。煤样进行冲击，观察煤样表面裂隙生成情况同时测试煤样表面的应变情况。冲击次数达到150次时，煤样表面产生少量裂隙，裂隙的平均宽度在0.1cm左右，原生裂隙较多的薄弱面上因反复的冲击作用产生部分小煤粒，从薄弱面脱离，致使正方体煤块的形状不再规则；当冲击次数到175时，煤样表面肉眼可见的裂隙平均宽度增大至0.2cm左右，煤样表面粘结较弱的碎颗粒进一步脱落;冲击次数达到200次时，PM煤样中的裂隙进一步增大，WYM煤样中的裂隙数量增多，较大块的煤粒从煤样中垮落;冲击次数到底225时，煤样中的裂隙深度进一步加深，用手触摸，可以感觉到煤样的整体结构已经非常薄弱；当进行250次冲击时，PM煤样和WYM煤样均出现一个面的完全破坏，此完全破坏的面为粘糊水泥砂浆时预留的观察面。可见水泥外壳对煤样具有一定的保护作用。为了方便对冲击后的煤样进行进一步的分析测试，当冲击波进行到250次时，停止了对其的冲击作用，以保存煤样的完整性。利用体积较大的完整煤样，可进行CT扫描测试，以及钻取小煤柱，进行渗透率测试。
[0041]通过动态应变仪可以测试煤样表面的应变片以及不同配比水泥中的应变情况。当冲击波对煤样及表面的水泥保护层进行冲击时，煤样和水泥发生变形，此时粘贴于煤样以及应变砖表面的应变片也随之发生变形，变形的过程中应变片中的电阻丝受到不同程度的拉张或者剪切作用，电阻丝收到拉张作用时，电阻丝随之变细或者变粗，电阻值产生变化，因此应变仪测试到的电压值开始浮动。
[0042]在对煤样试件进行冲击波作用时，冲击波发生器正对着试件的一个面，试件的顶面裸露在外作为观测面，左、右面与冲击波发生器的距离相同，因此，只取一个面的电压测试结果。即以冲击波发生器为参照物，选取正对发生器的试件的正面(编号1)、背面(编号2)、右面(编号3)、底面(编号4)上4个面的应变片测试结果进行分析。由于应变仪的最大测试时间为80ms，因此，每次只能测试单次冲击次数下的电压值，不能在冲击过程中连续测试。测量过程中每隔0.08ms测试采集一次数据。实验分别测试了第50次放电和第75次放电下的电压值。因此，每个水泥样或者煤样收集8组数据，每个面取第50次放电值和第75次放电值，每组数据的编号原则为:煤样(水泥样)_面编号-冲击次数，例如配比A-1-50表示A水泥配比的水泥的编号为I的第50次冲击波的电压值，WYM-2-75表示WYM煤的编号为2的面的第75次冲击波的电压值。
[0043]从实验结果可以看出，冲击波作用下煤样试件中的应变片在应变仪中的测试电压呈正弦波规律分布，部分测试结果因为冲击波产生的电场干扰作用，电压值的分布较离散，但仍然保持正弦波规律。在冲击波作用50次与作用75次相比较，50次冲击波作用时的电压值变动幅度较低，75次冲击波作用电压值变动幅度较高。即75次冲击波作用下的应变值较大，50次冲击波作用下的应变值较小。
【主权项】
1.一种用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件，其特征在于:包括外壳(2)、应变砖(3)和煤样块应变片(4)，所述的外壳(2)是无底的矩形壳状体，外壳(2)内侧除底部的其他五个面的中间位置固定有应变砖(3)，外壳(2)内固定有煤样块(I)，煤样块(I)除底部的其他五个面的中间位置固定有两块互相垂直放置煤样块应变片(4)，两块煤样块应变片(4)分别固定在竖直方向和水平方向，应变砖(3)压在两块煤样块应变片(4)表面上。2.根据权利要求1所述的用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件，其特征在于:所述的外壳(2 )是用水泥沙楽饶筑而成。3.根据权利要求1或2所述的用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件，其特征在于:所述的应变砖(3 )是由水泥砂楽制成的I cm X 5cm X 5cm的方块砖体。4.根据权利要求3所述的用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件，其特征在于:所述的煤样块应变片(4)是PVDF电阻应变片。5.—种基于权利要求4所述的用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件完成的实验方法，其特征在于: 具体步骤如下:I)将大块煤样品切割成15cm X 15cm X 15cm的正方体块状，切割好后对正方体煤块的每个表面实施进一步的打磨和磨平，并对每个表面进行清理，去除表面的煤粉，以便下一步粘贴应变片；并对煤样块的全部表面进行贴签标记，便于后续的实验中比对； 2)对正方体煤样块的表面进行煤样块应变片的粘贴，其中一个面为预留观察面，不做粘贴处理，其余5个面各自在中心位置粘贴2个煤样块应变片，2片煤样块应变片的位置为互相垂直，以便测试横向和纵向方向的变形特征，并保证应变片的牵引导线控制在2米左右； 3)为保证煤块在实验过程中不会很快被震碎，并模拟煤层在围压作用下受冲击波的影响，在煤样块的四周和顶面粘糊一层一定厚度的水泥，留煤样块的预留观察面作为观察裂隙产生规律； 4)试件加工好后，进行冲击波实验。6.根据权利要求5所述的一种基于用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件完成的实验方法，其特征在于:冲击波实验在如下实验平台下进行，本实验平台包括高聚能电脉冲装置(7)、滑轮(6)、钢架(5)、高强度铁桶(8)和储能电容器(9)，滑轮固定于钢架(5)中心部位，滑轮下放置有高强度铁桶(8)，高强度铁桶(8)内放满有作为传播的介质，高聚能电脉冲装置(7)通过滑轮(6)吊起悬挂置于水中，煤试样同样通过钢架(5)悬挂并置于水中； 所述的冲击波实验具体步骤如下，实验过程中首先将高聚能电脉冲装置用滑轮吊起，滑轮固定于钢架中心部位，滑轮下放置特制的高强度铁桶，铁桶中放满作为传播介质的自来水，煤样同样通过钢架悬挂并置于水中，连接好各部分电路，并对电路终端进行接地，防止产生静电，将煤样与高聚能电脉冲装置对接好后，将整个实验平台接通普通电源，通过变压器将其转换为600V、100Hz的中频电源，然后再使用高压硅堆整流成22kV高压直流电；储能电容器(9)经过扼流圈充电；当高聚能电脉冲装置(7)的工作阈值被储能电容器(9)电压突破时，储能电容器(9)中储存的电能经能量转换器转换成水中传播的机械能一脉冲冲击能，与此同时强大的瞬变电磁场被激发出来，储能电容器(9)连接分压器测试电容内储存电压量，电容充电完成后，打开脉冲器的储能开关和换能开关，进行放电，储能开关的间距为7.33mm，每次放电电压为22kV，放电的瞬间，介质被击穿，产生冲击波P波，高聚能电脉冲装置(7)放电对试样进行冲击，每放电一次后将高聚能电脉冲装置(7)吊起，记录试样的变形特征、观察裂隙产生规律。7.根据权利要求6所述的一种基于用于冲击波增渗煤层模拟实验的试件完成的实验方法，其特征在于:煤样的冲击条件为:冲击波的冲击次数250次，放电电压为22kV，放电电流为50kA，冲击波峰值压力lOOMPa，放电频率为3?6次/min，工作温度为室温，冲击前的煤样为15cm X 15cm X 15cm的正方体块状煤样，冲击后煤样表面破碎，但整体仍然保持完整性。
【文档编号】G01N1/28GK106053169SQ201610347197
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】赵丽娟, 段宏飞, 程虹铭
【申请人】山西大同大学