一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统及实验方法技术方案

一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，包括电动葫芦、电脉冲发生装置、样品固定支架、钢罐、电源控制柜和两组冲击波压力测试装置，钢罐为圆筒形结构且顶部敞口，钢罐的左侧底部通过地线与地面连接；本实验装置旨在开展煤样在电脉冲作用下的裂隙扩展演化过程的直观动态监测，这种直观连续监测过程在带围压条件下是无法实现的，这也是将本实验装置设定在空气环境条件下的原因和目的所在。通过对比不同冲击次数下的煤样裂隙特征，分析裂隙扩展方向、扩展方式及裂隙长度、宽度、密度的演化规律，然后利用分形理论，对裂隙扩展演化过程进行定量化研究，最后，结合断裂力学与损伤力学相关理论，能够揭示电脉冲作用下煤岩裂隙的扩展演化规律。

【技术实现步骤摘要】
一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统及实验方法
本专利技术属于煤层气开发
，具体涉及一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统及实验方法。
技术介绍
目前煤层气平均单井产量低已经成为制约我国煤层气产业发展的主要瓶颈，加之近年来页岩气开发热的冲击和影响，煤层气开发有被边缘化的趋势，提高煤层气单井产量迫在眉睫。现有以水力压裂为主的煤层气增产技术存在水敏、储层污染、煤粉产出多等诸多问题，煤层渗透性改造效果往往不够显著，因此有必要探索新的增产技术，依靠技术创新与进步来推动我国煤层气产业发展取得突破性进展。电脉冲煤岩致裂增渗技术是基于脉冲功率技术发展而来的一项新的煤层气增产技术，具有对储层无污染、作业成本低、工艺简单、增产效果良好等技术优势。近年来，已研制出成套技术装备，并开展了一些工程和试验探索，基本验证了该技术用于煤岩渗透性改造的可行性和有效性，展示出良好的应用前景和发展空间。前期工程探索虽然取得了一些有关电脉冲增渗机理的认知，大致包括造缝、解堵和促进解吸三个方面，但这些认识总体上较为粗浅，对电脉冲增渗机理更深层更细致的认知有待深入探讨，特别是电脉冲作用下煤岩裂隙的扩展演化规律知之甚少，但目前尚无可以直接利用或参考的实验装置对电脉冲作用下的煤岩裂隙扩展演化规律进行深入研究，致使电脉冲增渗技术现场应用缺乏理论指导，这在一定程度上制约了该技术的深化研发、效果提升和推广应用。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中的不足之处，提供一种对电脉冲作用下的煤岩裂隙扩展演化规律研究的空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，包括电动葫芦、电脉冲发生装置、样品固定支架、钢罐、电源控制柜和两组冲击波压力测试装置，钢罐为圆筒形结构且顶部敞口，钢罐的左侧底部通过地线与地面连接，钢罐的右侧底部连接有出水管，出水管上设有阀门，钢罐的右侧设有玻璃观察窗，钢罐内盛装有自来水，钢罐内沿垂直方向固定有玻璃钢套管，玻璃钢套管与钢罐同轴线设置，玻璃钢套管的顶部低于钢罐内自来水的液面，电动葫芦通过安装桁架安装在玻璃钢套管正上方，电脉冲发生装置连接在电动葫芦的钢绳上且伸入到玻璃钢套管内，样品固定支架固定在钢罐内且位于玻璃钢套管的右侧，样品固定支架内放置有煤样，煤样与玻璃观察窗的高度相同，煤样外层设有金属网罩，两组冲击波压力测试装置对称位于玻璃钢套管的左侧和右侧；电源控制柜通过电缆与电脉冲发生装置连接。钢罐的内壁设有白色防爆胶泥。样品固定支架为长方体的框架式结构，钢罐内固定有两根上固定杆和两根下固定杆，两根上固定杆和两根下固定杆均沿前后水平方向设置，两根上固定杆左右并排设置且每根上固定杆的两端分别通过卡扣连接在钢罐的前侧和后侧内壁上，两根下固定杆左右并排设置且每根下固定杆的两端分别通过卡扣连接在钢罐的前侧和后侧内壁上，两根下固定杆对应位于两根上固定杆的下方，样品固定支架安装在两根上固定杆和下固定杆之间。钢罐内固定有两根安装杆，两根安装杆均沿左右水平方向设置，两根安装杆关于玻璃钢套管左右对称设置，安装杆、煤样的中部以及玻璃观察窗的中部的高度相同；冲击波压力测试装置包括示波器和两个压力传感器，两个压力传感器与示波器连接，位于左侧的冲击波压力测试装置的两个压力传感器安装在左侧的安装杆上，位于右侧的冲击波压力测试装置的两个压力传感器安装在右侧的安装杆上，且位于右侧的冲击波压力测试装置的两个压力传感器分别位于煤样的左右两侧。所述的压力传感器为水下激波压力传感器。电脉冲发生装置包括外壳体，外壳体内自上而下设置有变压器、储能电容器、能量控制器和能量转换器，变压器通过电线与储能电容器连接，能量控制器分别与储能电容器和能量转换器连接，能量转换器的中心与煤样的中心处于同一水平面上。一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统的实验方法，包括以下步骤：（1）、采集煤样并将煤样加工成30cm×30cm×30cm的方形块状样品，接着利用相机对煤样的顶面和四个外侧面进行拍照，再利用金属网罩包裹住煤样；（2）、将包裹有金属网罩的煤样放置在样品固定支架内，再将样品固定支架放置在钢罐内且位于两根上固定杆和下固定杆之间，调节能量控制器至预定功率，然后利用电动葫芦将电脉冲发生装置吊入玻璃钢套管内，并下降至设定位置，接着将四个压力传感器分别通过卡扣安装在两根安装杆上，然后将四个压力传感器与对应的示波器连接，放置过程中需要保证能量转换器、四个压力传感器、煤样以及玻璃观察窗的中部位于同一水平面，最后向钢罐内注入自来水，自来水的液面高于玻璃钢套管的顶部，且自来水的液面高度高于煤样顶部30cm；（3）、打开电源控制柜，开启电源，让电脉冲发生装置产生一次冲击波，关闭电源，查看并保存两个示波器分别监测到的冲击波波形，然后将样品固定支架从钢罐内取出，取下金属网罩，观察煤样破裂情况，并利用相机对煤样的顶面和四个外侧面再次进行拍照，然后再罩上金属网罩，重新将煤样放置固定在样品固定支架上，最后再将样品固定支架放回钢罐内并固定，至此完成第一次煤样冲击致裂实验；（4）、重复步骤（3）直至煤样完全破裂，结束该预定功率下煤样致裂实验；（5）、另取一块煤样，同样将煤样加工成30cm×30cm×30cm的方形块状样品，接着利用相机对煤样的顶面和四个外侧面进行拍照，再利用金属网罩包裹住煤样；然后调节能量控制器至另一预定功率，之后按照步骤（2）-（4）开展煤样致裂实验，直至实验结束；（6）、实验结束后，将不同冲击次数下拍摄的同一煤样表面放在一起进行对比，并在计算机上利用CorelDRAW软件绘制裂隙素描图，目的在于更加清晰地展现裂隙的萌生扩展过程，分析裂隙扩展方向、扩展方式及裂隙长度、宽度、密度的演化规律，然后利用分形理论，对裂隙扩展演化过程进行定量化研究，综合表征裂隙的扩展演化特征，最后，结合断裂力学与损伤力学相关理论，揭示电脉冲作用下煤岩裂隙的扩展演化规律。步骤（1）中采集煤样并将煤样加工成30cm×30cm×30cm的方形块状样品的方法步骤：a）、采集煤矿井下大块新鲜的煤样，沿煤样水平和垂直层理两个方向切割加工成30cm×30cm×30cm的方形块状样品，然后先用粗砂纸打磨，再用细砂纸打磨，最后通过抛光机对煤样表面进行打磨光滑，以去除煤样表面切割擦痕，便于清楚观察冲击波作用下裂隙的萌生、扩展演化过程；b）、将加工好的煤样放入水槽中充分浸泡72小时，一方面可以减小实验过程中因煤样含水量的逐渐增大，而造成的样品力学强度降低对裂隙扩展规律的影响，进而影响实验结果的准确性；另一方面，煤层本身也处于水环境中，充分的煤样浸泡可以最大限度的模拟煤层条件；c）、将浸泡后的煤样表面吹干。采用上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：（1）、本实验装置旨在开展大块煤样在电脉冲作用下的裂隙扩展演化过程的直观动态监测，这种对裂隙扩展的直观连续监测过程在带围压条件下是无法实现的，这也是将本实验装置设定在空气环境条件下的原因和目的所在。通过对比不同冲击次数下的煤样裂隙特征，并绘制素描图，分析裂隙扩展方向、扩展方式及裂隙长度、宽度、密度的演化规律，然后利用分形理论，对裂隙扩展演化过程进行定量化研究，最后，结合断裂力学与损伤力学相关理论，能够揭示电脉冲作用下煤岩裂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：包括电动葫芦、电脉冲发生装置、样品固定支架、钢罐、电源控制柜和两组冲击波压力测试装置，钢罐为圆筒形结构且顶部敞口，钢罐的左侧底部通过地线与地面连接，钢罐的右侧底部连接有出水管，出水管上设有阀门，钢罐的右侧设有玻璃观察窗，钢罐内盛装有自来水，钢罐内沿垂直方向固定有玻璃钢套管，玻璃钢套管与钢罐同轴线设置，玻璃钢套管的顶部低于钢罐内自来水的液面，电动葫芦通过安装桁架安装在玻璃钢套管正上方，电脉冲发生装置连接在电动葫芦的钢绳上且伸入到玻璃钢套管内，样品固定支架固定在钢罐内且位于玻璃钢套管的右侧，样品固定支架内放置有煤样，煤样与玻璃观察窗的高度相同，煤样外层设有金属网罩，两组冲击波压力测试装置对称位于玻璃钢套管的左侧和右侧；电源控制柜通过电缆与电脉冲发生装置连接。

【技术特征摘要】
1.一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：包括电动葫芦、电脉冲发生装置、样品固定支架、钢罐、电源控制柜和两组冲击波压力测试装置，钢罐为圆筒形结构且顶部敞口，钢罐的左侧底部通过地线与地面连接，钢罐的右侧底部连接有出水管，出水管上设有阀门，钢罐的右侧设有玻璃观察窗，钢罐内盛装有自来水，钢罐内沿垂直方向固定有玻璃钢套管，玻璃钢套管与钢罐同轴线设置，玻璃钢套管的顶部低于钢罐内自来水的液面，电动葫芦通过安装桁架安装在玻璃钢套管正上方，电脉冲发生装置连接在电动葫芦的钢绳上且伸入到玻璃钢套管内，样品固定支架固定在钢罐内且位于玻璃钢套管的右侧，样品固定支架内放置有煤样，煤样与玻璃观察窗的高度相同，煤样外层设有金属网罩，两组冲击波压力测试装置对称位于玻璃钢套管的左侧和右侧；电源控制柜通过电缆与电脉冲发生装置连接。2.根据权利要求1所述的一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：钢罐的内壁设有白色防爆胶泥。3.根据权利要求2所述的一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：样品固定支架为长方体的框架式结构，钢罐内固定有两根上固定杆和两根下固定杆，两根上固定杆和两根下固定杆均沿前后水平方向设置，两根上固定杆左右并排设置且每根上固定杆的两端分别通过卡扣连接在钢罐的前侧和后侧内壁上，两根下固定杆左右并排设置且每根下固定杆的两端分别通过卡扣连接在钢罐的前侧和后侧内壁上，两根下固定杆对应位于两根上固定杆的下方，样品固定支架安装在两根上固定杆和下固定杆之间。4.根据权利要求3所述的一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：钢罐内固定有两根安装杆，两根安装杆均沿左右水平方向设置，两根安装杆关于玻璃钢套管左右对称设置，安装杆、煤样的中部以及玻璃观察窗的中部的高度相同；冲击波压力测试装置包括示波器和两个压力传感器，两个压力传感器与示波器连接，位于左侧的冲击波压力测试装置的两个压力传感器安装在左侧的安装杆上，位于右侧的冲击波压力测试装置的两个压力传感器安装在右侧的安装杆上，且位于右侧的冲击波压力测试装置的两个压力传感器分别位于煤样的左右两侧。5.根据权利要求4所述的一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：所述的压力传感器为水下激波压力传感器。6.根据权利要求5所述的一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统，其特征在于：电脉冲发生装置包括外壳体，外壳体内自上而下设置有变压器、储能电容器、能量控制器和能量转换器，变压器通过电线与储能电容器连接，能量控制器分别与储能电容器和能量转换器连接，能量转换器的中心与煤样的中心处于同一水平面上。7.根据权利要求6所述的一种空气环境下电脉冲煤岩致裂增渗实验系统的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、采集煤样并将煤样加工成30cm×30cm×30c...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恒乐，秦勇，张永民，赵有志，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41