一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及將高壓脈沖放電和傳統(tǒng)的煤層增透技術結合起來進行實驗的裝置，具體為一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置。一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，包括高壓脈沖電源、依次連接的第一管體、第二管體和第三管體、剛性三軸壓力室、試壓泵、液壓控制系統(tǒng)和聲反射前置放大器；剛性三軸壓力室內(nèi)模擬了傳統(tǒng)水壓致裂技術，再由高壓脈沖電源給放電電極供電，二者結合使得煤樣通孔周圍產(chǎn)生裂紋，然后對煤樣內(nèi)部裂隙的開裂位置及擴展過程進行全程監(jiān)控，結合后期的CT掃描及電鏡觀察結果，獲得影響煤樣裂隙發(fā)育及瓦斯物態(tài)轉(zhuǎn)化的關鍵因素，以及脈沖放電對裂隙發(fā)育的作用范圍與影響規(guī)律，為高壓脈沖放電實際用于井下煤層增透提供理論依據(jù)。
【專利說明】-種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及將高壓脈沖放電和傳統(tǒng)的煤層增透技術結合起來進行實驗的裝置，具 體為一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置。

【背景技術】
[0002] 瓦斯也稱煤層氣，因其具有易燃、易爆的特性，使之成為井下煤礦開采過程中的重 要危險源，同時由于其主要成分甲烷是一種溫室氣體，大量對空排放可嚴重加劇全球氣候 的變暖和對臭氧層的破壞。但作為一種清潔燃料和重要的工業(yè)原料，煤層氣可作為城市燃 氣、汽車燃料、發(fā)電廠和加工廠等的工業(yè)燃料，因此解決好煤層氣的抽采與利用，對于緩解 國內(nèi)能源緊張、預防井下煤礦瓦斯事故和保護大氣環(huán)境都具有重要的意義。
[0003] 目前我國絕大多數(shù)礦井開采的高瓦斯煤層均屬低透氣性煤層，煤層透氣性差、煤 質(zhì)偏軟，存在瓦斯抽采率低下、抽采鉆孔易堵塞的問題，這些都嚴重制約了我國煤層氣的開 發(fā)利用。因此通過人工的方法對煤巖儲氣層進行結構改造，提高煤體的透氣性是解決瓦斯 抽采率低的有效途徑。而水壓致裂技術一直是一種較為成熟和有效的煤層增透技術，在不 考慮壓裂液不同的前提下，主要有以下幾種類型：傳統(tǒng)水壓致裂技術、脈動水力壓裂技術、 水壓爆破致裂增透技術等。
[0004] 傳統(tǒng)水壓致裂技術是目前比較常用的一種增透技術，它的基本原理是通過在預抽 采瓦斯的煤層中注入由試壓泵提供的高壓水，在水壓的作用下將儲氣煤層破裂形成貫通的 裂縫，然后將混入石英砂或其他支撐劑的高壓液體壓入儲氣煤層裂隙中，這些細小而堅硬 的支撐劑顆粒在卸壓后可以繼續(xù)支撐住裂隙，進而提高煤層的滲透性，但是傳統(tǒng)水壓致裂 技術的水壓加載速度慢、壓力上升時間長、峰值壓力低15MPa)，只能形成一條垂直于最 小主應力方向的裂紋，而且裂紋僅沿原生弱面擴展，不能生成垂直于層面的裂紋，使裂紋不 易相互聯(lián)通，不能顯著增加煤層的透氣性，同時，由于瓦斯在煤層中大部分（80%-90%)是 以吸附的狀態(tài)存在的，傳統(tǒng)水壓致裂技術對于吸附瓦斯的影響甚微，因此對于提高煤層瓦 斯的抽采效果也非常有限。
[0005] 脈動水力壓裂技術是利用脈動注水泵，將具有一定頻率的脈動水持續(xù)注入鉆孔 中，由峰值壓力與谷底壓力構成周期性的脈動波，對煤體裂隙產(chǎn)生交變或重復荷載，逐漸使 煤體出現(xiàn)疲勞損傷，促使煤層中的微小孔裂隙形成和逐漸張開，宏觀裂隙擴展聯(lián)通，最終形 成新的裂隙網(wǎng)，從而達到增加煤層滲透性的目的；但是脈動水力壓裂技術所采用的脈動注 水泵輸出的脈動頻率范圍為5-25Hz，脈動水壓范圍為0-25MPa，脈動的產(chǎn)生依然靠機械作 用，壓力峰值相比較而言仍然較低，并且脈動泵及配套設備結構復雜，維護困難，同樣，脈動 水力壓裂技術僅僅增加了瓦斯氣體的運移通道，對于吸附狀態(tài)的瓦斯，其促進解析的作用 非常小，不能有效提高瓦斯抽采效率。
[0006] 水壓爆破致裂增透技術是指在鉆孔內(nèi)，以水為不耦合介質(zhì)進行不耦合裝藥，爆破 時，藥柱爆轟后產(chǎn)生側向膨脹，炸藥的爆轟波在藥卷周圍的水中形成沖擊波，沖擊波作用 于孔壁后迅速產(chǎn)生反射，反射波到達分界面后水體便達到準靜態(tài)壓力狀態(tài)，隨后水中的準 靜態(tài)壓力與反射波共同作用，使孔壁產(chǎn)生振動、變形直至開裂，從而達到增加煤層裂隙，提 高煤層滲透性的目的。但是水壓爆破致裂增透技術是利用炸藥爆破的方式來增加煤層滲透 性的，因此每次其加載過程是瞬時的，且不具有周期加載的特性，同時，由于炸藥的爆炸壓 力遠高于圍巖的屈服強度，導致鉆孔壁嚴重破碎垮塌，形成殘余"應力籠"，不利于在較大范 圍內(nèi)提高煤層的透氣性。
[0007] 自80年代開始，高壓脈沖放電作為一種低頻電脈沖解堵工藝，廣泛應用于油氣井 的解堵增產(chǎn)增注中，該技術利用高壓脈沖放電產(chǎn)生的壓力效應，使油井周圍巖石介質(zhì)振動， 改造底層原生裂縫并產(chǎn)生新的微裂縫，解除油層孔道里的沉積物，從而達到解堵的目的。因 此借鑒這一思路，可以考慮將高壓脈沖放電與傳統(tǒng)水壓致裂技術相結合，利用高壓脈沖放 電的空化效應和水激波的瞬時加載作用來達到改變瓦斯的賦存狀態(tài)、增加煤層裂隙、弱化 強度、改善滲透性，進而提高瓦斯抽采效率的目的。將高壓脈沖放電實際用于井下煤層增透 前，需要進行大量的實驗，而現(xiàn)在沒有一種可以實現(xiàn)將高壓脈沖放電和傳統(tǒng)的煤層增透技 術結合起來進行實驗的裝置，進而無法進行實驗，無法真正地將高壓脈沖放電應用于煤層 增透，無法在現(xiàn)有增透技術的基礎上提高瓦斯的抽采率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)在沒有可以實現(xiàn)將高壓脈沖放電和傳統(tǒng)的煤層增透技術結合 起來進行實驗的裝置的問題，提供了一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置。
[0009] 本發(fā)明是采用如下的技術方案實現(xiàn)的：一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝 置，包括高壓脈沖電源、依次連接的第一管體、第二管體和第三管體、剛性三軸壓力室、試壓 泵、液壓控制系統(tǒng)和聲反射前置放大器； 剛性三軸壓力室包括設有頂蓋的箱體，箱體的左側壁上開有水平的、孔徑為26mm的第 一內(nèi)螺紋通孔，箱體的前壁、后壁和頂蓋的內(nèi)表面上都固定有受控于液壓控制系統(tǒng)的油缸， 箱體的右側壁的內(nèi)表面固定有受控于液壓控制系統(tǒng)的空心油缸，箱體內(nèi)底面上鋪有煤層托 板，煤層托板上放置有煤樣，煤樣的前側、后側、右側和頂端都緊貼著壓板，壓板和煤樣緊貼 的面上均勻分布有聲反射傳感器，聲發(fā)射傳感器的輸出端和聲反射前置放大器的輸入端 連接，煤樣的左側和箱體的左側壁的內(nèi)表面緊貼，箱體的前壁、后壁和頂蓋上的油缸的活塞 桿分別頂在煤樣的前側、后側和頂端的壓板上，箱體的右側壁上的空心油缸的活塞桿頂在 煤樣的右側的壓板上，煤樣內(nèi)部還開有和箱體左側壁上的第一內(nèi)螺紋通孔連通的、孔徑為 26mm的煤樣通孔，煤樣右側的壓板上開有和煤樣通孔連通的、孔徑為26mm的第二內(nèi)螺紋通 孔，煤樣右側的壓板的第二內(nèi)螺紋通孔內(nèi)連接有設在空心油缸的通孔內(nèi)的連接管，連接管 上密封連接有伸出箱體右側壁的尾端延長套管；第一管體和尾端延長套管的端部都密封， 第一管體內(nèi)固定有放電電極，放電電極通過引線和高壓脈沖電源連接，第二管體上開有高 壓注水口，試壓泵通過水管密封連接在第二管體上的高壓注水口處，第三管體的端部密封 連接在剛性三軸壓力室的箱體的左側壁上的第一內(nèi)螺紋通孔處。
[0010] 工作時，聲反射前置放大器和帶有聲發(fā)射采集系統(tǒng)的主機連接，試壓泵向第二管 體內(nèi)注水并充滿第一管體、第二管體、第三管體、煤樣通孔和尾端延長套管，在水壓的作用 下，煤樣通孔周圍產(chǎn)生了裂隙，并規(guī)定了煤樣通孔的孔徑為26mm，這樣三軸壓力室內(nèi)完全模 擬了傳統(tǒng)水壓致裂技術，同時由高壓脈沖電源給放電電極供電，放電電極之間產(chǎn)生具有高 密度存儲能和高膨脹效應的高壓等離子體，高壓等離子體在水中形成峰值壓力很高的脈沖 水激波，脈沖水激波在第一管體、第二管體、第三管體、煤樣通孔和尾端延長套管內(nèi)傳播，煤 樣內(nèi)部受到脈沖作用后，在煤樣通孔周圍產(chǎn)生眾多新的放射狀微裂紋，并且原生裂隙在水 激波的作用下繼續(xù)發(fā)育、延展、貫通；在煤樣內(nèi)裂縫開裂、發(fā)育的過程中，會伴隨由煤體局部 應力釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波，分布在煤樣四周的聲發(fā)射傳感器對瞬態(tài)彈性波進行采集， 然后經(jīng)由前置放大器放大后，在聲發(fā)射采集系統(tǒng)內(nèi)對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，從而對 煤樣內(nèi)部裂隙的開裂位置及擴展過程進行全程監(jiān)控，結合后期的CT掃描及電鏡觀察結果， 獲得影響煤樣裂隙發(fā)育及瓦斯物態(tài)轉(zhuǎn)化的關鍵因素，以及脈沖放電對裂隙發(fā)育的作用范圍 與影響規(guī)律，為高壓脈沖放電和傳統(tǒng)煤層增透技術結合實際用于井下煤層增透提供理論依 據(jù)。
[0011] 上述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，第一管體的端部連接有螺紋套 筒，第一管體的端口內(nèi)密封插入有凸肩軸套的凸肩頭蓋，凸肩軸套的凸肩頭蓋固定有電極 夾持器，所述的放電電極固定在電極夾持器上，螺紋套筒內(nèi)連接有壓緊頂蓋，凸肩軸套的管 體從壓緊頂蓋內(nèi)伸出，且凸肩軸套的管體的端部密封固定有其內(nèi)開有軸向通孔的引線管， 凸肩軸套的通孔內(nèi)放置有和放電電極連接的引線，引線從引線管內(nèi)伸出，且引線管用環(huán)氧 樹脂和聚酰胺樹脂密封。
[0012] 上述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，電極夾持器和凸肩軸套的凸肩 頭蓋之間墊有鋁墊，使得電極夾持器的固定穩(wěn)固。
[0013] 上述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，尾端延長套管的端部通過法蘭 密封，簡單有效得實現(xiàn)尾端延長套管端部的密封。
[0014] 本發(fā)明可以帶來如下有益效果： (1) 可通過該發(fā)明來研究高壓電脈沖水激波與煤巖結構體的耦合作用，分析水壓裂隙 尖端的動態(tài)應力場及其響應；掌握脈沖水激波的致裂增透作用機制，分析原、次生裂隙的生 長、發(fā)育、延展、貫通規(guī)律，確定高壓電脈沖增透技術對于煤層透氣性的影響效果及有效作 用范圍； (2) 明確高壓電脈沖與瓦斯物態(tài)轉(zhuǎn)化的耦合方式及作用機制，確立瓦斯物態(tài)轉(zhuǎn)化關鍵 因素與高壓電脈沖參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。掌握氣泡脈動的空化效應，對煤層瓦斯解吸、物態(tài) 轉(zhuǎn)化的作用機制； (3) 利用該實驗裝置可繼續(xù)優(yōu)化高壓電脈沖放電參數(shù)，進一步完善水壓致裂弱化增透 技術的理論體系，形成一種具有工業(yè)實際應用價值的煤層增透技術，為煤礦瓦斯抽放和煤 層氣開米奠定基礎。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0016] 圖2為剛性三軸壓力室的結構示意圖。
[0017] 圖3為圖2的A-A剖視圖。
[0018] 圖4為剛性三軸壓力室的箱體的頂蓋的結構示意圖。
[0019] 圖5為第一管體的剖視圖。
[0020] 圖中：1-第一管體，2-第二管體，3-第三管體，4-剛性三軸壓力室，5-箱體，6-油 缸，7-空心油缸，8-煤層托板，9-煤樣，10-壓板，11-煤樣通孔，12-連接管，13-尾端延長 套管，14-螺紋套筒，15-凸肩軸套，16-電極夾持器，17-壓緊頂蓋，18-引線管，19-鋁墊， 20-放電電極。

【具體實施方式】
[0021] 一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，包括高壓脈沖電源、依次連接的第一 管體1、第二管體2和第三管體3、剛性三軸壓力室4、試壓泵、液壓控制系統(tǒng)和聲反射前置放 大器； 剛性三軸壓力室4包括設有頂蓋的箱體5,箱體5的左側壁上開有水平的、孔徑為26mm 的第一內(nèi)螺紋通孔，箱體的前壁、后壁和頂蓋的內(nèi)表面上都固定有受控于液壓控制系統(tǒng)的 油缸6，箱體的右側壁的內(nèi)表面固定有受控于液壓控制系統(tǒng)的空心油缸7，箱體內(nèi)底面上鋪 有煤層托板8,煤層托板8上放置有煤樣9,煤樣9的前側、后側、右側和頂端都緊貼著壓板 10，壓板和煤樣緊貼的面上均勻分布有聲反射傳感器，聲發(fā)射傳感器的輸出端和聲反射前 置放大器的輸入端連接，煤樣的左側和箱體的左側壁的內(nèi)表面緊貼，箱體5的前壁、后壁和 頂蓋上的油缸的活塞桿分別頂在煤樣的前側、后側和頂端的壓板上，箱體的右側壁上的空 心油缸的活塞桿頂在煤樣的右側的壓板上，煤樣內(nèi)部還開有和箱體左側壁上的第一內(nèi)螺紋 通孔連通的、孔徑為26mm的煤樣通孔11，煤樣右側的壓板上開有和煤樣通孔連通的、孔徑 為26_的第二內(nèi)螺紋通孔，煤樣右側的壓板的第二內(nèi)螺紋通孔內(nèi)連接有設在空心油缸的 通孔內(nèi)的連接管12,連接管12上密封連接有伸出箱體右側壁的尾端延長套管13 ;第一管體 和尾端延長套管13的端部都密封，第一管體內(nèi)固定有放電電極20,放電電極20通過引線和 高壓脈沖電源連接，第二管體上開有高壓注水口，試壓泵通過水管密封連接在第二管體上 的高壓注水口處，第三管體的端部密封連接在剛性三軸壓力室的箱體的左側壁上的第一內(nèi) 螺紋通孔處。
[0022] 上述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，第一管體1的端部連接有螺紋 套筒14,第一管體的端口內(nèi)密封插入有凸肩軸套15的凸肩頭蓋，凸肩軸套15的凸肩頭蓋固 定有電極夾持器16,所述的放電電極20固定在電極夾持器16上，螺紋套筒14內(nèi)連接有壓 緊頂蓋17,凸肩軸套15的管體從壓緊頂蓋內(nèi)伸出，且凸肩軸套15的管體的端部密封固定有 其內(nèi)開有軸向通孔的引線管18,凸肩軸套15的通孔內(nèi)放置有和放電電極連接的引線，引線 從引線管18內(nèi)伸出，且引線管18用環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂密封。
[0023] 上述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，電極夾持器16和凸肩軸套15 的凸肩頭蓋之間墊有鋁墊19。
[0024] 上述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，尾端延長套管13的端部通過 法蘭密封。
[0025] 第一管體1、第二管體2和第三管體3之間通過法蘭連接，箱體5的頂蓋和箱體之 間用螺栓連接。
【權利要求】
1. 一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，其特征在于包括高壓脈沖電源、依次連 接的第一管體（1)、第二管體（2)和第三管體（3)、剛性三軸壓力室（4)、試壓泵、液壓控制系 統(tǒng)和聲反射前置放大器；剛性三軸壓力室（4)包括設有頂蓋的箱體（5)，箱體（5)的左側壁 上開有水平的、孔徑為26mm的第一內(nèi)螺紋通孔，箱體的前壁、后壁和頂蓋的內(nèi)表面上都固 定有受控于液壓控制系統(tǒng)的油缸（6 )，箱體的右側壁的內(nèi)表面固定有受控于液壓控制系統(tǒng) 的空心油缸（7)，箱體內(nèi)底面上鋪有煤層托板（8)，煤層托板（8)上放置有煤樣（9)，煤樣（9) 的前側、后側、右側和頂端都緊貼著壓板（10)，壓板（10)和煤樣緊貼的面上均勻分布有聲 反射傳感器，聲發(fā)射傳感器的輸出端和聲反射前置放大器的輸入端連接，煤樣（9 )的左側和 箱體（5)的左側壁的內(nèi)表面緊貼，箱體（5)的前壁、后壁和頂蓋上的油缸的活塞桿分別頂在 煤樣的前側、后側和頂端的壓板上，箱體的右側壁上的空心油缸（7)的活塞筒頂在煤樣的右 側的壓板上，煤樣內(nèi)部還開有和箱體左側壁上的第一內(nèi)螺紋通孔連通的、孔徑為26mm的煤 樣通孔（11)，煤樣右側的壓板上開有和煤樣通孔連通的、孔徑為26mm的第二內(nèi)螺紋通孔， 煤樣右側的壓板的第二內(nèi)螺紋通孔內(nèi)連接有設在空心油缸的通孔內(nèi)的連接管（12)，連接管 (12) 上密封連接有伸出箱體右側壁的尾端延長套管（13);第一管體（1)和尾端延長套管 (13) 的端部都密封，第一管體（1)內(nèi)固定有放電電極（20)，放電電極（20)通過引線和高壓 脈沖電源連接，第二管體（2)上開有高壓注水口，試壓泵通過水管密封連接在第二管體（2) 上的高壓注水口處，第三管體（3)的端部密封連接在剛性三軸壓力室的箱體的左側壁上的 第一內(nèi)螺紋通孔處。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，其特征在于第一 管體（1)的端部連接有螺紋套筒（14)，第一管體的端口內(nèi)密封插入有凸肩軸套（15)的凸肩 頭蓋，凸肩軸套（15)的凸肩頭蓋上固定有電極夾持器（16)，所述的放電電極（20)固定在電 極夾持器（16)上，螺紋套筒（14)內(nèi)連接有壓緊頂蓋（17)，凸肩軸套（15)的管體從壓緊頂 蓋內(nèi)伸出，且凸肩軸套（15)的管體的端部密封固定有其內(nèi)開有軸向通孔的引線管（18)，凸 肩軸套（15)的通孔內(nèi)放置有和放電電極連接的引線，引線從引線管（18)內(nèi)伸出，且引線管 (18)用環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂密封。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，其特征在于電極 夾持器（16)和凸肩軸套（15)的凸肩頭蓋之間墊有鋁墊（19)。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于高壓電脈沖的煤層增透實驗裝置，其特征在于 尾端延長套管（13)的端部通過法蘭密封。
【文檔編號】E21F7/00GK104061014SQ201410317398
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權日:2014年7月7日
【發(fā)明者】李義, 卞德存, 閆東, 薛蓉芳 申請人:太原理工大學