模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置及其实验方法制造方法及图纸

模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，包括压裂围压动力系统、注气系统、压裂测试系统和计算机；注气系统的出气端与压裂测试系统的进气端连接；计算机分别通过数据线与压裂围压动力系统、注气系统和压裂测试系统连接。本发明专利技术还公开了一种模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置的实验方法。本发明专利技术设计合理，通过压裂围压动力系统依次向压裂管注入前置液、携砂液、顶替液，通过注气系统和围压装置向环形夹持器注入高压气体以及调节高压气体的注入量，通过控制电脑连接压裂围压动力系统、注气系统、围压装置、监测装置、环形夹持器和压裂管，监测不同煤层属性参数、不同地层应力参数、不同粒径条件下煤层压裂和模拟压裂作用下产出的煤粉排出量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于煤矿安全
，具体涉及一种模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置及其实验方法。
技术介绍
为了开发我国丰富的煤层气资源，我国煤层气工作者在借鉴美国等国家煤层气开发成功经验基础上，经过三十余年的煤层气基础理论研究与勘探开发实践，逐渐形成了“有利区块优选-钻井-压裂-排水采气”的煤层气勘探开发基础思路，在此基本思想指导下我国地面煤层气年产气量由2006年的1亿m3增加到2015年的44.25亿m3，煤层气年产气量以每年20%～30%的速度递增。在煤层气产量迅猛增加的同时，煤层气开发深度由原来的400～600m为主到目前的700～1000m为主。随着煤层气开发深度的增加，煤层所受压力显著增加，煤的变形程度增加，导致煤层气井排采时煤粉产出量明显增加。排采初期，煤层气井的主要任务是排水降压，此阶段裂隙中煤粉可能会随着水产出。煤粉产出一方面可能使煤层裂隙宽度增加；另一方面缺少了煤粉的支撑，裂隙的支撑能力下降，裂隙宽度可能减少。在双重作用下，变形程度差异导致排水阶段煤粉产出量与渗透率关系变得复杂。进入产气阶段，游离气的压力和冲力作用可能使煤层中的煤粉进一步产出，煤储层渗透率的大小既与煤粉产出量有关，同时又与气体解吸、有效应力有关，渗透率与煤粉产出量关系更加复杂。确定产水阶段和产气阶段煤粉产出量与渗透率的关系，能为合理制定排采工作制度奠定基础，以便更有利于煤层气井的产气。为了查明煤层气井不同排采阶段煤粉产出量与压差、水量、气量的关系，我国煤层气工作者曾借助压裂模拟设备，铺置不同的支撑剂和煤粉，在不同压差和流量下测试煤粉、支撑剂的产出量，并建立数学模型得出煤粉产出临界条件。该方法最大缺陷在于无法模拟煤层本身属性条件及所处围岩条件，导致模拟结果与实际存在较大差异。一些研究者采用三轴夹持器设置不同的围压和轴压，模拟煤储层所受应力环境；钻取煤柱通过不同压差来测试煤粉产出量。但煤层气井在排采前要经过储层改造，改造后煤样力学性质与原始状态下差异较大，这种测试方法导致与实际偏差较大，无法真正有效地指导现场排采。因此亟需一种设备，既能模拟压裂作用后煤体情况，又能模拟煤层所受应力状态，测试不同排采阶段煤粉产出量，更科学有效的指导煤层气井排采制度的制定。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种模拟煤层压裂作用后煤粉产出量及渗透率变化监测系统及其实验方法，能进行不同煤层属性参数、不同地层应力参数、不同粒径条件下煤层压裂模拟，最大限度的将模拟压裂作用下产出的煤粉排出实验装置，并进行准确测试和分析，同时对压裂作用前后煤样渗透率进行测试，为压裂参数优化提供借鉴。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，包括压裂围压动力系统、注气系统、压裂测试系统和计算机；注气系统的出气端与压裂测试系统的进气端连接；计算机分别通过数据线与压裂围压动力系统、注气系统和压裂测试系统连接；压裂围压动力系统包括压裂液注入装置和围压加载装置，压裂液注入装置的出液端通过压裂管与压裂测试系统的进液端连接；压裂液注入装置包括第一集线器、平流泵、第一压力计和若干个压裂液储存缸，所有的压裂液储存缸分别通过第一管道与压裂管的进液口连接，其中一个压裂液储存缸内设有自动搅拌器，每根第一管道上均设有自动控制阀，平流泵和第一压力计依次设置在压裂管上，平流泵、自动搅拌器以及所有的自动控制阀分别通过数据线与第一集线器连接；围压加载装置包括围压泵、第二集线器和电机，围压泵包括泵体、活塞和螺杆组成，泵体外形为圆筒形且泵体垂直设置，泵体的外壳为双层结构，泵体内壁沿其轴向方向设有导向槽，活塞的外缘设有导向块，活塞通过导向块插设在导向槽内与泵体内壁滑动连接，活塞外缘与泵体的内壁密封连接，活塞的底面同轴向设有套管，套管内壁设有内螺纹，螺杆同轴线插设在泵体内，螺杆的上端穿设在套管内且与套管螺纹连接，螺杆的下端伸入到泵体的外壳内后固定连接有从动轮，电机的主轴垂直向下连接有主动轮，主动轮通过皮带与从动轮连接，沿泵体的轴向方向并排间隔设有若干组激光测长器；泵体顶部通过第二管道与压裂测试系统连接，第二管道上设有第二压力计；电机、第一压力计、第二压力计以及所有的激光测长器分别通过数据线与第二集线器连接；第一集线器和第二集线器分别通过数据线与计算机连接。注气系统包括气瓶，气瓶通过注气管连接有管路汇集器，注气管上沿气体流动方向依次设有空气压缩机、气体增压泵、增压器、减压阀、第三压力计和安全阀；管路汇集器的出气口与压裂测试系统的进气口连接。压裂测试系统包括夹持器、底座和压裂控制装置，夹持器包括套筒和岩样卡套，套筒为左右通透的圆筒形结构，套筒通过支架沿左右水平方向上固定在底座上，岩样卡套外形为圆筒形，岩样卡套位于套筒内且与套筒同轴线设置，岩样卡套的长度小于套筒的长度，压裂管外套设有一段活动管，活动管外套设有固定管，活动管的长度大于固定管的长度，固定管与套筒同轴线设置且固定管穿设在岩样卡套内；固定管上沿轴向方向开设有至少一排第一通孔，每排第一通孔等距间隔布置，活动管上沿轴向方向开设有与第一通孔对应连通的第二通孔，压裂管上沿轴向方向开设有与第二通孔对应连通的压裂孔，所有的压裂孔、第二通孔以及第一通孔均位于岩样卡套内；岩样卡套内壁与固定管外壁之间形成岩样填充腔，固定管的左端部从左到右依次套设有左内环、支撑环和岩心垫块，岩心垫块用于封堵岩样卡套的左端且位于岩样卡套的内部，左内环位于套筒的左端，左内环与套筒之间设有左外环，左外环的内圈和外圈分别与左内环的外圈和套筒的内壁螺纹连接，支撑环分别与左内环和岩心垫块顶压配合；固定管的右端部从左到右依次套设有筛状垫块和右内环，筛状垫块用于封堵岩样卡套的右端且位于岩样卡套的内部，右内环位于套筒的右端，右内环与套筒之间设有右外环，右外环的内圈和外圈分别与右内环的外圈和套筒的内壁螺纹连接；岩样卡套外壁与套筒内壁之间形成围压腔室，泵体顶部通过第二管道与围压腔室连通；岩心垫块的左端面至少开设有一个注气孔，岩心垫块内开设有至少一个右端敞口的环形槽，注气孔与环形槽连通；管路汇集器的出气口通过第三管道与岩心垫块上的注气孔连接；右内环上穿设有第四管道，第四管道上沿液体流动方向依次设有第四压力计、流量计和第一回压阀，底座上设有煤粉收集瓶和压裂液收集瓶，压裂液收集瓶位于第四管道的出液口正下方；压裂管的出液口处设有第二回压阀；压裂控制装置用于驱动活动管移动，第一回压阀、第二回压阀、第四压力计和流量计分别通过数据线与计算机连接。压裂控制装置包括两组对称设置在套筒左端和右端的压裂驱动机构，位于左侧的压裂驱动机构包括固定在底座上的滚轮架，滚轮架的上端转动连接有两个滚轮，两个滚轮对称位于活动管的上侧和下侧，两个滚轮均与活动管啮合接触，其中一个滚轮的中心轴上连接有驱动手柄；所有滚轮的外圆周面均设有防滑纹。岩样卡套包括由四块截面呈弧形的壁板形成的一个圆筒形的管道，两块相邻的壁板之间设有导向连接框架，导向连接框架相对两侧分别设有用于穿设壁板的导向孔。套筒右端设有用于遮盖煤粉收集瓶的挡罩。所述的模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置的实验方法，包括以下步骤：（1）、煤样制作；根据实验要求选取所需区块的煤样，破碎煤样，筛选不同粒径的煤粉，根据不同粒径的煤粉进本文档来自技高网...

【技术保护点】
模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，其特征在于：包括压裂围压动力系统、注气系统、压裂测试系统和计算机；注气系统的出气端与压裂测试系统的进气端连接；计算机分别通过数据线与压裂围压动力系统、注气系统和压裂测试系统连接；压裂围压动力系统包括压裂液注入装置和围压加载装置，压裂液注入装置的出液端通过压裂管与压裂测试系统的进液端连接；压裂液注入装置包括第一集线器、平流泵、第一压力计和若干个压裂液储存缸，所有的压裂液储存缸分别通过第一管道与压裂管的进液口连接，其中一个压裂液储存缸内设有自动搅拌器，每根第一管道上均设有自动控制阀，平流泵和第一压力计依次设置在压裂管上，平流泵、自动搅拌器以及所有的自动控制阀分别通过数据线与第一集线器连接；围压加载装置包括围压泵、第二集线器和电机，围压泵包括泵体、活塞和螺杆组成，泵体外形为圆筒形且泵体垂直设置，泵体的外壳为双层结构，泵体内壁沿其轴向方向设有导向槽，活塞的外缘设有导向块，活塞通过导向块插设在导向槽内与泵体内壁滑动连接，活塞外缘与泵体的内壁密封连接，活塞的底面同轴向设有套管，套管内壁设有内螺纹，螺杆同轴线插设在泵体内，螺杆的上端穿设在套管内且与套管螺纹连接，螺杆的下端伸入到泵体的外壳内后固定连接有从动轮，电机的主轴垂直向下连接有主动轮，主动轮通过皮带与从动轮连接，沿泵体的轴向方向并排间隔设有若干组激光测长器；泵体顶部通过第二管道与压裂测试系统连接，第二管道上设有第二压力计；电机、第一压力计、第二压力计以及所有的激光测长器分别通过数据线与第二集线器连接；第一集线器和第二集线器分别通过数据线与计算机连接。...

【技术特征摘要】
1.模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，其特征在于：包括压裂围压动力系统、注气系统、压裂测试系统和计算机；注气系统的出气端与压裂测试系统的进气端连接；计算机分别通过数据线与压裂围压动力系统、注气系统和压裂测试系统连接；压裂围压动力系统包括压裂液注入装置和围压加载装置，压裂液注入装置的出液端通过压裂管与压裂测试系统的进液端连接；压裂液注入装置包括第一集线器、平流泵、第一压力计和若干个压裂液储存缸，所有的压裂液储存缸分别通过第一管道与压裂管的进液口连接，其中一个压裂液储存缸内设有自动搅拌器，每根第一管道上均设有自动控制阀，平流泵和第一压力计依次设置在压裂管上，平流泵、自动搅拌器以及所有的自动控制阀分别通过数据线与第一集线器连接；围压加载装置包括围压泵、第二集线器和电机，围压泵包括泵体、活塞和螺杆组成，泵体外形为圆筒形且泵体垂直设置，泵体的外壳为双层结构，泵体内壁沿其轴向方向设有导向槽，活塞的外缘设有导向块，活塞通过导向块插设在导向槽内与泵体内壁滑动连接，活塞外缘与泵体的内壁密封连接，活塞的底面同轴向设有套管，套管内壁设有内螺纹，螺杆同轴线插设在泵体内，螺杆的上端穿设在套管内且与套管螺纹连接，螺杆的下端伸入到泵体的外壳内后固定连接有从动轮，电机的主轴垂直向下连接有主动轮，主动轮通过皮带与从动轮连接，沿泵体的轴向方向并排间隔设有若干组激光测长器；泵体顶部通过第二管道与压裂测试系统连接，第二管道上设有第二压力计；电机、第一压力计、第二压力计以及所有的激光测长器分别通过数据线与第二集线器连接；第一集线器和第二集线器分别通过数据线与计算机连接。2.根据权利要求1所述的模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，其特征在于：注气系统包括气瓶，气瓶通过注气管连接有管路汇集器，注气管上沿气体流动方向依次设有空气压缩机、气体增压泵、增压器、减压阀、第三压力计和安全阀；管路汇集器的出气口与压裂测试系统的进气口连接。3.根据权利要求2所述的模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，其特征在于：压裂测试系统包括夹持器、底座和压裂控制装置，夹持器包括套筒和岩样卡套，套筒为左右通透的圆筒形结构，套筒通过支架沿左右水平方向上固定在底座上，岩样卡套外形为圆筒形，岩样卡套位于套筒内且与套筒同轴线设置，岩样卡套的长度小于套筒的长度，压裂管外套设有一段活动管，活动管外套设有固定管，活动管的长度大于固定管的长度，固定管与套筒同轴线设置且固定管穿设在岩样卡套内；固定管上沿轴向方向开设有至少一排第一通孔，每排第一通孔等距间隔布置，活动管上沿轴向方向开设有与第一通孔对应连通的第二通孔，压裂管上沿轴向方向开设有与第二通孔对应连通的压裂孔，所有的压裂孔、第二通孔以及第一通孔均位于岩样卡套内；岩样卡套内壁与固定管外壁之间形成岩样填充腔，固定管的左端部从左到右依次套设有左内环、支撑环和岩心垫块，岩心垫块用于封堵岩样卡套的左端且位于岩样卡套的内部，左内环位于套筒的左端，左内环与套筒之间设有左外环，左外环的内圈和外圈分别与左内环的外圈和套筒的内壁螺纹连接，支撑环分别与左内环和岩心垫块顶压配合；固定管的右端部从左到右依次套设有筛状垫块和右内环，筛状垫块用于封堵岩样卡套的右端且位于岩样卡套的内部，右内环位于套筒的右端，右内环与套筒之间设有右外环，右外环的内圈和外圈分别与右内环的外圈和套筒的内壁螺纹连接；岩样卡套外壁与套筒内壁之间形成围压腔室，泵体顶部通过第二管道与围压腔室连通；岩心垫块的左端面至少开设有一个注气孔，岩心垫块内开设有至少一个右端敞口的环形槽，注气孔与环形槽连通；管路汇集器的出气口通过第三管道与岩心垫块上的注气孔连接；右内环上穿设有第四管道，第四管道上沿液体流动方向依次设有第四压力计、流量计和第一回压阀，底座上设有煤粉收集瓶和压裂液收集瓶，压裂液收集瓶位于第四管道的出液口正下方；压裂管的出液口处设有第二回压阀；压裂控制装置用于驱动活动管移动，第一回压阀、第二回压阀、第四压力计和流量计分别通过数据线与计算机连接。4.根据权利要求3所述的模拟煤层压裂...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪小明，李志恒，吕闰生，孙小婷，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41