煤層液態(tài)CO₂壓裂增透實驗裝置及其實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤層液態(tài)CO2壓裂增透實驗裝置及其實驗方法，該裝置包括液態(tài)CO2泵注系統(tǒng)、壓裂模擬試塊、壓裂試件裝載體、壓裂參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、壓裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和滲透率測試系統(tǒng)；所述液態(tài)CO2泵注系統(tǒng)包括杜瓦瓶和液態(tài)CO2柱塞泵，所述壓裂模擬試塊由原煤試塊或者相似模擬材料制作而成，所述壓裂試件裝載體包括試件裝載框、入口法蘭連接盤和出口法蘭連接盤；所述壓裂參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)包括流量計和壓力表。本發(fā)明可以研究煤體或相似材料的力學參數(shù)、注液壓力與壓裂裂縫擴展規(guī)律的關(guān)系，CO2壓裂條件下煤體裂隙數(shù)量及形態(tài)與壓裂參數(shù)的響應關(guān)系，以及不同壓裂參數(shù)下裂縫擴展引起的透氣性的量化表征關(guān)系。
【專利說明】
煤層液態(tài)C〇2壓裂増透實驗裝置及其實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及煤礦開采技術(shù)領(lǐng)域，屬于煤礦井下安全開采，具體設(shè)及一種煤層液態(tài) C〇2壓裂增透實驗裝置及其實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國95 %的煤礦生產(chǎn)是井工開采，由于井工開采條件復雜性，作業(yè)環(huán)境惡劣、致災 因子多。"高儲低滲"是我國煤層賦存的普遍特征，據(jù)統(tǒng)計，我國50% W上的礦井為高瓦斯礦 井或者煤與瓦斯突出礦井，運其中95% W上的礦井開采煤層又屬于低滲透性性煤層。研究 表明：我國煤層滲透率在0.002血~16.17血之間，滲透率小于ImD的煤層占到已探明煤層資 源總量的72%，運給礦井煤層瓦斯的治理及煤層氣資源的開發(fā)利用帶來了技術(shù)難題。
[0003] 經(jīng)過多年的研究和實踐，水力壓裂、水力割縫、深孔爆破等技術(shù)在改造地層應力、 擴大卸壓范圍、增加煤層透氣性等方面的研究取得了一定成果，但是運些技術(shù)在應用工藝 及適用范圍方面還存在一定問題。例如水力壓裂技術(shù)在注水過程中易于形成一條或幾條垂 直于最小水平主應力的人工裂縫，裂隙數(shù)目少;炸藥爆破預裂技術(shù)存在裂隙半徑小，爆破后 孔壁嚴重破碎跨塌，易形成殘余壓力區(qū)"應力籠區(qū)"，降低了煤巖層的滲透率，且其爆破工藝 復雜，保護距離不足，施工過程易引起其它次生災害。
[0004] 基于W上分析，現(xiàn)行的煤層人工裂隙改造技術(shù)在應用工藝方面存在各自局限性， 不能很好的滿足礦井安全生產(chǎn)，探索一種更經(jīng)濟有效的改造煤層滲透性的新技術(shù)，煤層區(qū) 域致裂增加煤層透氣性系數(shù)，對提高礦井安全生產(chǎn)效率十分必要。煤層液態(tài)C〇2壓裂改造技 術(shù)是一個復雜的物理過程，在煤層液態(tài)C〇2壓裂增透試驗現(xiàn)場，裂縫擴展形態(tài)在煤巖體內(nèi)部 無法觀測，壓裂裂縫的擴展與壓裂液壓力、應力場、煤體力學性質(zhì)等的關(guān)系研究必須借助于 相應的實驗平臺。通過模擬煤層壓裂過程實驗，可W對裂縫起裂及擴展延伸過程進行監(jiān)測， 并根據(jù)實驗過程的監(jiān)測指標推斷壓裂增透效果。開展煤層液態(tài)C〇2壓裂過程理論研究，掌握 煤層壓裂過程參數(shù)及縫擴展規(guī)律，需要建立壓裂實驗臺并開展相關(guān)實驗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種煤層液態(tài)C〇2壓裂增透實驗裝置及其實驗方法，實現(xiàn)煤樣壓裂增 透過程的壓力、流量、溫度、應變及煤體試塊滲透性的實時監(jiān)測，掌握煤層壓裂過程參數(shù)，判 定裂隙擴展規(guī)律。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] 煤層液態(tài)C〇2壓裂增透實驗裝置，包括液態(tài)C〇2累注系統(tǒng)、壓裂模擬試塊，壓裂試件 裝載體，壓裂參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，壓裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和滲透率測試系統(tǒng)；
[000引所述液態(tài)C02累注系統(tǒng)包括杜瓦瓶和液態(tài)C02柱塞累，杜瓦瓶為整個壓裂實驗過程 提供壓裂液，液態(tài)C02柱塞累作為壓裂過程的動力設(shè)備對液態(tài)C02進行壓力及流量輸出，通過 耐高壓低溫管路進入壓裂煤體試塊進行壓裂實驗，壓裂過程對壓裂試件及實驗區(qū)域環(huán)境參 數(shù)進行實時監(jiān)測；
[0009] 所述壓裂模擬試塊由原煤試塊或者相似模擬材料制作而成，人工現(xiàn)場采集大體積 原煤試塊進行手動切割加工成壁面光滑、直徑為〇4皿、長度Lmm的圓柱體試塊;或者采用相 似材料在標準模具中加工一次成型為直徑為? Amm、長度Lmm的圓柱體試塊。
[0010] 所述壓裂試件裝載體包括試件裝載框、入口法蘭連接盤和出口法蘭連接盤，所述 試件裝載框、入口法蘭連接盤和出口法蘭連接盤均采用耐低溫(-50°C)高壓(大于50MPa)的 材料制成，試件裝載框為內(nèi)徑O Amm、長度Lmm的圓柱體形狀，兩端設(shè)置入口法蘭連接盤和出 口法蘭連接盤，并在周邊等間距布置N個O Cmm的螺桿連接孔;試件裝載框的壁面設(shè)置直徑 O Dmm的監(jiān)測光纖光柵引出口；入口法蘭連接盤直徑O Bmm，中間預留孔徑為O Emm的小孔， 安裝對應尺寸的快速接頭，作為C〇2輸送管路進入壓裂試件的入口，周邊等間距布置N個(6 Cmm的螺桿連接孔，并與試件裝載框入口連接；出口法蘭連接盤直徑OBmm，中間預留孔徑為 OEmm的小孔，安裝對應尺寸的快速接頭，作為氣流出口，周邊等間距布置N個(6Cmm的螺桿 連接孔，并與試件裝載框出口連接。
[0011] 所述壓裂參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)包括流量計和壓力表，流量計采用耐低溫高壓的滿輪流量 計，有效量程為0~化A，分辨率為0.5%;壓力表采用耐低溫高壓量程為0~50MPa的壓力 表，分辨率為0.5%。
[0012] 所述壓裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括光纖光柵解調(diào)儀和電腦，光纖光柵調(diào)制解調(diào)儀選用8 通道進行測量，測量精度± 5pm，接口為RS232/RS485/USB通信；選用內(nèi)存大于512M的電腦， 實現(xiàn)壓裂過程的數(shù)據(jù)存儲和顯示。
[0013] 所述滲透率測試系統(tǒng)包括壓縮空氣瓶、壓力表和量杯，空氣瓶選用壓力大于 0.5M化、容積大于20L的耐壓鋼瓶，壓力表為兩個，用于滲透率測試過程中壓裂試件裝載體 入口和出口管路中的壓力，量杯選擇量程大于化，采用排水法測量通過試件的空氣體積。
[0014] 上述煤層液態(tài)C〇2壓裂增透實驗方法，包括W下步驟：
[0015] 實驗測試過程包括壓裂前試件表面裂隙觀測并記錄^試件處理及安裝^第一次 滲透率測試^壓裂實驗及溫度、應變測試^第二次滲透率測試^取出試件觀測表面裂隙及 剖面裂隙數(shù)量及形態(tài)，具體如下：
[0016] S1、對壓裂前試件表面裂隙進行觀測，統(tǒng)計裂隙分布數(shù)量及位置，并進行原始裂隙 素描記錄；
[0017] S2、將制作好的試件表面打磨光滑，在試件表面等間距布置=根光纖光柵，將其一 端通過監(jiān)測導線出口與光纖光柵采集儀相連接;然后在試件表面涂抹密封膠體，將其置于 裝載框體內(nèi)，保證試件與裝載框體的密封性，并分別將入口法蘭連接盤、出口法蘭連接盤與 試件裝載框的兩端連接；
[0018] S3、打開空氣瓶，入口壓力調(diào)節(jié)至0.2M化左右，出口管路壓力表，記錄兩個壓力表 的壓力值，同時用量杯測試5min時間內(nèi)的排氣量，計算壓裂前試件滲透率；
[0019] S4、關(guān)閉空氣瓶，開啟液態(tài)C〇2柱塞累，調(diào)節(jié)注入壓力及流量，開始向試件內(nèi)部壓注 液態(tài)C〇2，同時打開光纖光柵解調(diào)儀采集溫度及應變量；
[0020] S5、壓裂結(jié)束后持續(xù)觀測溫度及應變量，待溫度恢復至室溫，且應變值不再變化， 開始第二次測量試件滲透率，方法與步驟3相同；
[0021] S6、第二次滲透率測試完成后，取出壓裂試件，觀測試件表面裂隙并記錄，然后將 試件沿直徑剖開為兩半，觀測內(nèi)部裂隙數(shù)量及形態(tài)，采用素描法繪制裂隙分布圖。
[0022] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0023] 可W研究煤體或相似材料的力學參數(shù)、注液壓力與壓裂裂縫擴展規(guī)律的關(guān)系，0)2 壓裂條件下煤體裂隙數(shù)量及形態(tài)與壓裂參數(shù)的響應關(guān)系，W及不同壓裂參數(shù)下裂縫擴展引 起的透氣性的量化表征關(guān)系。
【附圖說明】
[0024] 圖1為煤層液態(tài)C〇2壓裂增透實驗裝置系統(tǒng)示意圖；
[002引圖2為本發(fā)明實施例中壓裂試件裝載體結(jié)構(gòu)；
[0026] 圖3為本發(fā)明實施例中入口法蘭連接盤正視圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明實施例中入口法蘭連接盤側(cè)視圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明實施例中出口法蘭連接盤正視圖；
[0029] 圖6為本發(fā)明實施例中出口法蘭連接盤側(cè)視圖；
[0030] 圖7為本發(fā)明實施例中試件的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖中，1-C02杜瓦瓶;2-C02壓裂累;3-閥n ; 4-入口壓力表;5-入口流量計;6-連接螺 桿;7-密封膠;8-壓裂管;9-壓裂試件；10-壓縮空氣瓶；11-快速接頭；12-監(jiān)測導線；13-量 杯；14-水；15-光纖光柵調(diào)制解調(diào)儀；16-電腦；17-監(jiān)測導線出口 18-螺桿連接孔；19-C02入 口； 20-快速接頭;21-排氣出口； 22-排氣管路;23-試件裝載體;24-C02輸送管路;25-金屬卡 套；26-入口法蘭連接盤;27-出口法蘭連接盤;28-出口壓力表;29-出口流量計；30-光纖光 柵。
【具體實施方式】
[0032] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步 詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種煤層液態(tài)C〇2壓裂增透實驗裝置，包括J/W- 2/20型柱塞累2、G2-30液態(tài)C〇2杜瓦瓶1、圓柱煤體試塊9、試件碳鋼裝載系統(tǒng)23、壓裂參數(shù)監(jiān) 測系統(tǒng)、壓裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15和滲透率測試系統(tǒng)，
[0034] 實驗系統(tǒng)之間輸送液態(tài)C〇2時采用外徑為?6mm壁厚Imm的304不繡鋼管24,管路之 間采用內(nèi)徑為? 6mm的金屬卡套25。
[0035] 現(xiàn)場采集煤樣進行加工為O IOOmm巧OOmm的圓柱形壓裂試塊9,將其表面用砂紙打 磨光滑；
[0036] 如圖2所示，所述壓裂試件裝載系統(tǒng)23采用45#碳鋼加工制作，裝載體為內(nèi)徑? 100mm、長度200mm的圓柱體形狀，兩端設(shè)置法蘭連接頭，連接盤直徑為O 150mm，并在周邊等 間距布置8個?6mm的螺桿連接孔6;裝載體壁面設(shè)置直徑OlOmm的監(jiān)測光纖光柵引出口 17;
[0037] 如圖3-圖4所示，入口法蘭連接盤直徑O 150mm，中間預留孔徑為O 6mm的小孔19， 安裝對應尺寸的快速接頭20，作為C〇2輸送管路進入壓裂試件的入口，周邊等間距布置8個 O 6mm的螺桿連接孔18，并與試件裝載體23入口連接；
[003引如圖5-圖6所示，出口法蘭連接盤27直徑巫150mm，中間預留孔徑為巫6mm的小孔， 安裝對應尺寸的快速接頭11，作為壓裂試件氣流的出口，周邊等間距布置8個?6mm的螺桿 連接孔6，并與試件裝載體23出口連接。
[0039] 如圖1所示，選用量程50M化的YNXC100型電接點壓力表4,量程為O-SOMPa,分辨率 為0.5% ;采用LWGY9012型液體滿輪流量計5，有效量程為0-化A，分辨率為0.2%。
[0040] 采用GM8037高分辨率光纖光柵傳感器解調(diào)儀15，測量精度± 5pm，接口采用USB通 信;選用內(nèi)存大于聯(lián)想X250電腦16,實現(xiàn)壓裂過程的數(shù)據(jù)存儲和顯示。
[0041] 如圖7所示，試件9表面等間距布置3根光纖光柵29,并用密封膠固定，通過監(jiān)測導 線出口 17引出并與光纖光柵解調(diào)儀15連接，實現(xiàn)對試件9壁面溫度及應變的監(jiān)測。
[0042] 本發(fā)明所提供的煤層液態(tài)C〇2壓裂增透實驗方法，如下：
[0043] 步驟1、壓裂前試件9表面裂隙觀測并記錄:對壓裂前試件9表面裂隙進行觀測，統(tǒng) 計裂隙分布數(shù)量及位置，并進行原始裂隙素描記錄；
[0044] 步驟2、試件處理及安裝:將制作好的試件9表面打磨光滑，在試件9表面等間距布 置=根光纖光柵，將其一端通過監(jiān)測導線出口 17與光纖光柵采集儀15相連接;在試件表面 涂抹密封膠體7，保證試件與裝載體23的密封性，分別將入口法蘭連接盤26、出口法蘭連接 盤27與試件裝載體23的兩端連接；
[0045] 步驟3、第一次滲透率測試:打開空氣瓶10，調(diào)節(jié)入口管路壓力表4至0.2MPa左右， 觀測出口管路壓力表28,記錄兩個壓力表的壓力值Pi、P2,待壓力穩(wěn)定后，用量杯13測試T時 間內(nèi)的排氣量Q，計算壓裂前試件滲透率K;
[0046] 步驟4、壓裂實驗及溫度、應變測試:關(guān)閉空氣瓶10,開啟液態(tài)C〇2柱塞累2,調(diào)節(jié)注 入壓力及流量，開始向試件內(nèi)部壓注液態(tài)C〇2，同時打開光纖光柵采集儀15開始溫度及應變 量采集；
[0047] 步驟5、第二次滲透率測試:壓裂結(jié)束后持續(xù)觀測溫度及應變量，待溫度恢復至室 溫，且應變值不再變化，開始第二次測量試件滲透率，方法與步驟3相同；
[0048] 步驟6、壓裂后試件表面裂隙及剖面裂隙數(shù)量、形態(tài)觀測：第二次滲透率測試完成 后，取出壓裂試件9，觀測試件表面裂隙并記錄，然后將試件沿直徑剖開為兩半，觀測內(nèi)部裂 隙數(shù)量及形態(tài)，采用素描法繪制裂隙分布圖。
[0049] 滲透性系數(shù)根據(jù)下式計算：
[(K)加]
[0化1] 式中：K--為滲透率(mD);
[0052] Q--T單位體積（cm3);
[0化3] Pi--進口壓強(MPa);
[0化4] P2--出口壓強(MPa);
[0化5] A一一試件橫截面積（cm2);
[0056] L一一試件的長度（cm);
[0化7] y--流體的粘度系數(shù)(Pa*S)。
[005引 W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W作出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 煤層液態(tài)CO2壓裂增透實驗裝置，其特征在于，包括液態(tài)CO2栗注系統(tǒng)、壓裂模擬試塊， 壓裂試件裝載體，壓裂參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，壓裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和滲透率測試系統(tǒng)，所述液態(tài)CO 2 栗注系統(tǒng)包括杜瓦瓶和液態(tài)CO2柱塞栗，杜瓦瓶為整個壓裂實驗過程提供壓裂液，液態(tài)〇)2柱 塞栗作為壓裂過程的動力設(shè)備對液態(tài)CO 2進行壓力及流量輸出，通過耐高壓低溫管路進入 壓裂煤體試塊進行壓裂實驗，壓裂過程對壓裂試件及實驗區(qū)域環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測； 所述壓裂模擬試塊由原煤試塊或者相似模擬材料制作而成，壓裂模擬試塊的直徑為Φ Amm、長度Lmm的圓柱體試塊； 所述壓裂試件裝載體包括試件裝載框、入口法蘭連接盤和出口法蘭連接盤，所述試件 裝載框、入口法蘭連接盤和出口法蘭連接盤均采用耐低溫高壓的材料制成，試件裝載框為 內(nèi)徑Φ Amm、長度Lmm的圓柱體形狀，兩端設(shè)置入口法蘭連接盤和出口法蘭連接盤，并在周邊 等間距布置N個Φ Cmm的螺桿連接孔； 所述壓裂參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)包括流量計和壓力表； 所述壓裂數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括光纖光柵解調(diào)儀和電腦； 所述滲透率測試系統(tǒng)包括壓縮空氣瓶、壓力表和量杯，空氣瓶選用壓力大于〇.5MPa、容 積大于20L的耐壓鋼瓶，壓力表為兩個，用于滲透率測試過程中壓裂試件裝載體入口和出口 管路中的壓力，量杯選擇量程大于2L，采用排水法測量通過試件的空氣體積。2. 如權(quán)利要求1所述的煤層液態(tài)CO2壓裂增透實驗裝置，其特征在于，試件裝載框的壁面 設(shè)置直徑Φ Dmm的監(jiān)測光纖光柵引出口；入口法蘭連接盤直徑Φ Bmm，中間預留孔徑為Φ E_ 的小孔，安裝對應尺寸的快速接頭，作為CO2輸送管路進入壓裂試件的入口，周邊等間距布 置N個Φ Cmm的螺桿連接孔，并與試件裝載框入口連接；出口法蘭連接盤直徑Φ Bmm，中間預 留孔徑為ΦΕπιπι的小孔，安裝對應尺寸的快速接頭，作為氣流出口，周邊等間距布置N個Φ Cmm的螺桿連接孔，并與試件裝載框出口連接。3. 如權(quán)利要求1所述的煤層液態(tài)CO2壓裂增透實驗裝置，其特征在于，流量計采用耐低溫 高壓的渦輪流量計，有效量程為Ο-FL/h，分辨率為0.5% ;壓力表采用耐低溫高壓量程為0-50MPa的壓力表，分辨率為0.5%。4. 如權(quán)利要求1所述的煤層液態(tài)CO2壓裂增透實驗裝置，其特征在于，光纖光柵調(diào)制解調(diào) 儀選用8通道進行測量，測量精度± 5pm，接口為RS232/RS485/USB通信;選用內(nèi)存大于512M 的電腦，實現(xiàn)壓裂過程的數(shù)據(jù)存儲和顯示。5. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的煤層液態(tài)CO2壓裂增透實驗方法，其特征在于，包括以下 步驟： 51、 對壓裂前試件表面裂隙進行觀測，統(tǒng)計裂隙分布數(shù)量及位置，并進行原始裂隙素描 記錄； 52、 將制作好的試件表面打磨光滑，在試件表面等間距布置三根光纖光柵，將其一端通 過監(jiān)測導線出口與光纖光柵采集儀相連接;然后在試件表面涂抹密封膠體，將其置于裝載 框體內(nèi)，保證試件與裝載框體的密封性，并分別將入口法蘭連接盤、出口法蘭連接盤與試件 裝載框的兩端連接； 53、 打開空氣瓶，入口壓力調(diào)節(jié)至0.2MPa左右，出口管路壓力表，記錄兩個壓力表的壓 力值，同時用量杯測試5min時間內(nèi)的排氣量，計算壓裂前試件滲透率； 54、 關(guān)閉空氣瓶，開啟液態(tài)CO2柱塞栗，調(diào)節(jié)注入壓力及流量，開始向試件內(nèi)部壓注液態(tài) CO2，同時打開光纖光柵解調(diào)儀采集溫度及應變量； 55、 壓裂結(jié)束后持續(xù)觀測溫度及應變量，待溫度恢復至室溫，且應變值不再變化，開始 第二次測量試件滲透率，方法與步驟3相同； 56、 第二次滲透率測試完成后，取出壓裂試件，觀測試件表面裂隙并記錄，然后將試件 沿直徑剖開為兩半，觀測內(nèi)部裂隙數(shù)量及形態(tài)，采用素描法繪制裂隙分布圖。
【文檔編號】G01N15/08GK105954172SQ201610351521
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】馬礪, 李珍寶, 文虎, 王偉峰, 張嬿妮, 李貝, 王旭, 郭英, 任立峰, 魏高明
【申請人】西安科技大學