本實(shí)用新型屬于煤層氣開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤層氣井水力壓裂過程地應(yīng)力變化模擬裝置。

背景技術(shù)：

煤層氣資源在我國(guó)的資源儲(chǔ)量極其豐富，也是國(guó)家大力鼓勵(lì)開發(fā)的一種新型能源。其開發(fā)不僅可以在一定程度上彌補(bǔ)我國(guó)常規(guī)能源的不足，而且可以大大減少常規(guī)燃料燃燒造成的環(huán)境污染，又可以有效降低煤層瓦斯含量，減少煤礦安全事故的發(fā)生。因此，加強(qiáng)煤層氣資源的開發(fā)具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、安全意義。

我國(guó)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特點(diǎn)決定了我國(guó)的煤層氣開發(fā)離不開儲(chǔ)層改造，只有通過儲(chǔ)層改造，提高了煤儲(chǔ)層的透氣性，才能實(shí)現(xiàn)煤層氣的順利產(chǎn)出。儲(chǔ)層改造過程大量壓裂液的注入會(huì)引起地應(yīng)力的再分布，應(yīng)力的再分布主要引起兩種結(jié)果：一是引起主應(yīng)力方向發(fā)生改變，在后期壓裂過程中裂縫形態(tài)及延伸方向發(fā)生改變；二是引起煤儲(chǔ)層中存在應(yīng)力集中區(qū)，在后期煤礦開采中，增加了煤層的突出危險(xiǎn)性。因此，要想取得較好的壓裂效果和消突效果，進(jìn)行壓裂過程中地應(yīng)力變化特征測(cè)試研究變得極其重要。而由于我國(guó)的煤層氣開發(fā)研究起步較晚，對(duì)壓裂過程中地應(yīng)力變化特征研究較少，尤其壓裂過程中應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化特征研究更少，缺乏行之有效的測(cè)試方法。因此，迫切需要一種裝置或工藝可以有效解決壓裂過程中地應(yīng)力測(cè)試難的問題。這對(duì)有效提高煤儲(chǔ)層水力壓裂效果、減少煤礦井下突出事故的發(fā)生具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)目前壓裂過程中地應(yīng)力變化難以測(cè)試的問題，本實(shí)用新型提出了一種煤層氣井水力壓裂過程地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化模擬裝置，通過該裝置可以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)不同地質(zhì)條件、不同壓裂工藝下地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化特征研究。對(duì)提高煤儲(chǔ)層改造效果，促進(jìn)煤層氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：煤層氣井水力壓裂過程地應(yīng)力變化模擬裝置，包括加載系統(tǒng)、壓裂系統(tǒng)以及對(duì)加載、壓裂參數(shù)進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)和對(duì)加載過程煤樣地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)。

所述的加載系統(tǒng)包括加載板14和承重板18以及在加載板14和承重板18外圍環(huán)繞的鋼纜15、千斤頂17。

所述的加載板14、承重板18，在其兩端分別對(duì)應(yīng)焊接有控制片13，并在控制片13設(shè)計(jì)有鋼纜導(dǎo)槽12。

所述測(cè)試系統(tǒng)包括均勻分布在煤樣內(nèi)部的應(yīng)力傳感器19以及將應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)1的導(dǎo)線24。

所述壓裂系統(tǒng)中水箱10、氣瓶11中流體經(jīng)過加壓泵3加壓以后，經(jīng)過高壓管線5注入到煤樣中。

所述高壓管線5上安裝有總閥門6、流量計(jì)7、壓力表8。

采用上述技術(shù)方案，動(dòng)力系統(tǒng)主要是提供水力壓裂過程中所需要的動(dòng)力。加壓泵可以將水或者氣加壓以后通過高壓管線注入到煤樣中，近似模擬了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓裂過程中。在注入過程中可以注入單一的水、單一的氣以及氣、水混合注入等。

控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)注入?yún)?shù)、加載參數(shù)的控制。在壓裂過程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)注入壓力以及流量的監(jiān)測(cè)與控制，在高壓管線上的分別安裝有壓力表、流量計(jì)、閥門進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。為了對(duì)氣、水實(shí)現(xiàn)不同控制，在其管線上分別安裝有閥門，可以實(shí)現(xiàn)分別控制。在進(jìn)行周圍應(yīng)力加載時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)外圍應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在三個(gè)加載方向的千斤頂下部均安裝了應(yīng)力傳感器，并通過導(dǎo)線將檢測(cè)結(jié)果傳到計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄。

加載系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的應(yīng)力加載。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣周圍三個(gè)方向應(yīng)力的分別加載，在煤樣周圍設(shè)計(jì)了三組加載板和承重板。在每個(gè)加載板中部均勻的安裝有兩個(gè)千斤頂，并對(duì)應(yīng)有兩根鋼纜分別繞過兩個(gè)千斤頂和該組加載板和承重板。在進(jìn)行應(yīng)力加載時(shí)，隨著千斤頂啟動(dòng)，支撐桿不斷上升，將固定長(zhǎng)度的鋼纜逐漸拉緊，引起加載板和承重板之間的距離逐漸減小，兩者之間的煤樣逐漸被壓實(shí)。為了避免加載過程中由于加載板和承重板相互接觸，難以繼續(xù)加載導(dǎo)致的煤樣未被壓實(shí)、未達(dá)到足夠的應(yīng)力的問題，設(shè)計(jì)的加載板和承重板長(zhǎng)度和寬度均小于煤樣實(shí)際長(zhǎng)度和寬度。為了避免三個(gè)加載方向的鋼纜相互影響，在加載板和承重板上不同位置設(shè)置了三組（每組四個(gè)是相同的）不同長(zhǎng)度的控制片和鋼纜導(dǎo)槽，這樣增加了加載板和承重板在對(duì)應(yīng)方向上的長(zhǎng)度，避免了加載時(shí)鋼纜在其它方向接觸煤樣或者鋼纜之間相互影響（如圖3-圖5所示）。為了避免煤樣同一面受力不均，在加載過程中只有兩個(gè)傳感器都達(dá)到預(yù)定應(yīng)力值時(shí)才可以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試系統(tǒng)主要是對(duì)水力壓裂過程中地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水力壓裂過程中地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在煤樣內(nèi)部均勻的布置了64個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過導(dǎo)線進(jìn)行連接，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行保存。在水力壓裂過程中，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以對(duì)其所處位置的地應(yīng)力變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)與記錄，進(jìn)而可以掌握壓裂過程中不同位置在不同時(shí)刻的地應(yīng)力特征。

本實(shí)用新型可以對(duì)煤層氣井水力壓裂過程中不同壓裂工藝下地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬測(cè)試，該裝置的合理設(shè)計(jì)具有一下優(yōu)點(diǎn)：

（1）加載系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)方向上不同應(yīng)力值的分別加載，更接近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。

（2）應(yīng)力傳感器的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂過程中不同位置、不同時(shí)間地應(yīng)力變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（3）該裝置實(shí)現(xiàn)了水力壓裂過程中地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為水力壓裂理論研究和現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

附圖說明

圖1 煤層氣井水力壓裂過程地應(yīng)力變化模擬裝置

圖2 不含應(yīng)力加載系統(tǒng)示意圖

圖3垂向應(yīng)力加載

圖4 X方向應(yīng)力加載

圖5 Y方向應(yīng)力加載

圖6 應(yīng)力傳感器布置圖

具體實(shí)施步驟

如圖1~圖4所示，本實(shí)用新型煤層氣井水力壓裂過程地應(yīng)力變化模擬裝置包括加載系統(tǒng)、壓裂系統(tǒng)以及對(duì)加載、壓裂參數(shù)進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)和對(duì)加載過程煤樣地應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)。

加載系統(tǒng)包括加載板14和承重板18以及在加載板14和承重板18外圍環(huán)繞的鋼纜15、千斤頂17。

加載板14、承重板18，在其兩端分別對(duì)應(yīng)焊接有控制片13，并在控制片13設(shè)計(jì)有鋼纜導(dǎo)槽12。

測(cè)試系統(tǒng)包括均勻分布在煤樣內(nèi)部的應(yīng)力傳感器19以及將應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)1的導(dǎo)線24。

壓裂系統(tǒng)中水箱10、氣瓶11中流體經(jīng)過加壓泵13加壓以后，經(jīng)過高壓管線5注入到煤樣中。

高壓管線5上安裝有總閥門6、流量計(jì)7、壓力表8。

動(dòng)力系統(tǒng)主要是提供水力壓裂過程中所需要的動(dòng)力。水箱10、氣瓶11中的水和氣經(jīng)過加壓泵3加壓以后通過高壓管線5注入到煤樣內(nèi)部。當(dāng)高壓管線5進(jìn)入到煤樣內(nèi)部，在其穿過加載板14A時(shí)，為了保持較好的密封性，在高壓管外部與14A之間充填密封膠確保良好的密封。

控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)注入?yún)?shù)、加載參數(shù)的控制。在壓裂過程中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)注入壓力的控制，在高壓管線5上分別安裝有壓力表8、流量計(jì)7、總閥門6，這些裝置通過電纜與計(jì)算機(jī)相連接，可以通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣、水注入的分別控制，在水箱10、氣瓶11與加壓泵3之間分別安裝有第二閥門9、第一閥門2。在進(jìn)行外圍應(yīng)力加載時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)方向加載應(yīng)力的測(cè)試，在三個(gè)加載方向的千斤頂17下部都安裝有應(yīng)變片式應(yīng)力傳感器，將測(cè)試數(shù)據(jù)通過連接電纜16進(jìn)行實(shí)時(shí)傳出。

加載系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的應(yīng)力加載。加載板14和承重板18分別為脆性較高的厚鋼板制成，具有較大的強(qiáng)度，且難以發(fā)生變形。其形狀和煤樣形狀相似，通常以正方體煤樣為主，加載板14和承重板18也對(duì)應(yīng)以正方形為主，其長(zhǎng)度要小于煤樣的長(zhǎng)度，并根據(jù)加載應(yīng)力，確定合適的減小量?？刂破?3的材料和加載板14相同，以矩形為主，通過焊接固定在加載板14和承重板18的指定位置?？刂破?3上的鋼纜導(dǎo)槽12采用切割或鉆孔的方式制成。鋼纜15采用多股鋼絲合并制成，其強(qiáng)度要滿足實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度要求，并留有一定的富裕度。千斤頂采用常規(guī)千斤頂，并在其頂部刻制凹槽，可以引導(dǎo)鋼纜通過，避免鋼纜在其他方向活動(dòng)。應(yīng)力傳感器在進(jìn)行加載前放置在千斤頂17和加載板14之間，并通過連接電纜16進(jìn)行連接，將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。

測(cè)試系統(tǒng)主要是對(duì)水力壓裂過程中地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)為應(yīng)變式應(yīng)力傳感器19，在煤樣制作過程中均勻的分布在煤樣內(nèi)部。煤樣主要以型煤煤樣為主，也可以采用相似材料替代煤樣。應(yīng)力傳感器19將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過導(dǎo)線24匯集以后，連接到電纜4，傳回計(jì)算機(jī)1進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄。

本實(shí)用新型具體操作步驟為：

該系統(tǒng)可以進(jìn)行單一水力壓裂過程地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，也可以進(jìn)行氣體壓裂、其它流體壓裂以及氣、水混合壓裂過程地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在此，僅以單一水力壓裂為例進(jìn)行說明。

（1）按照煤樣制作要求進(jìn)行煤樣的制作，并在制作過程中完成應(yīng)力傳感器的布置。

（2）在煤樣外圍安裝三個(gè)方向的應(yīng)力加載裝置。

（3）調(diào)節(jié)千斤頂，直至三個(gè)方向的應(yīng)力值均達(dá)到預(yù)定值。

（4）連接好設(shè)備，進(jìn)行試壓，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步檢查。

（5）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)、壓力表、流量計(jì)，打開總閥門和第二閥門。啟動(dòng)加壓泵，開始按照預(yù)定壓力進(jìn)行壓裂。

（6）在壓裂過程中，對(duì)應(yīng)力傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與記錄，直至壓裂結(jié)束。

（7）對(duì)裝置進(jìn)行清理，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。