一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法技术

本发明专利技术公开了一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，包括试样准备，利用钻机，在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔；压裂管的安装；试样在真三轴试验测试装置上安装；施加三轴应力；压裂试验；同组其它试验；整理试验数据。采用在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔，并将试样置于真三轴试验测试装置中进行可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，通过不断调整压裂孔的角度等参数，用于研究水力压裂钻孔与三维应力夹角影响水力压裂裂隙扩展机制，为工程实践提供指导。

A true triaxial hydraulic fracturing test method with adjustable fracture hole direction

【技术实现步骤摘要】
一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法
本专利技术属于煤岩体模拟试验
，具体涉及一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法。
技术介绍
深部煤层具有低渗透、高应力、高瓦斯压力以及高温的特点，为提高煤层透气性、降低煤岩弹性能积聚的同时达到降低温度的效果，水力压裂与润湿煤层具有良好的示范效果。从瓦斯灾害防治研究现状来看煤层渗透率的提高是煤层瓦斯抽采的关键。综合安全及应用效果考虑，这一问题可以通过水力压裂增透技术得到较好解决。煤体是一种多孔介质，具有丰富的原生裂隙。水力压裂过程中，煤体原生裂隙弱面在高压水流的作用下发生起裂、扩展和延伸，从而对煤层内部形成区域分割。分割的作用一方面通过弱面的张开和扩展增加了原生裂隙弱面的空间体积；另一方面由于原生裂隙的延伸逐渐形成了裂隙之间的连通网络，增加了瓦斯的运移通道，正是由于这种裂隙连通网络的形成，致使煤层渗透率得到较大提高，煤体实现水力压裂区域整体卸压，吸附瓦斯快速解吸，从而达到提高瓦斯抽采率，降低煤与瓦斯突出风险的目的。然而，煤层水力压裂裂纹扩展路径与原生三维应力密切相关，已有文献表明，水力压裂裂缝主要沿垂直于最小主应力方向扩展，这使得无法达到最佳的压裂效果。已有研究多集中在预制裂纹条件下水力压裂裂纹扩展机制，然而在工程实践中，深部煤层预制裂纹成本较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是利用真三轴试验装置，提供一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，用于研究水力压裂钻孔与三维应力夹角影响水力压裂裂隙扩展机制，为工程实践提供指导。为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，包括以下步骤：步骤一、试样制备；(1)、将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内；(2)、利用钻机，在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔；步骤二、压裂管的安装；选取外径与压裂孔，长度比压裂孔深度小8—12mm的压裂管，并在压裂管外壁均匀涂抹硅橡胶，将压裂管沿压裂孔方向倾斜插入，通过硅橡胶密封压裂管外壁与压裂孔内壁之间的缝隙，然后在压裂孔口部安装万向密封接头；步骤三、试样在真三轴试验测试装置上安装；所述真三轴试验测试装置包括主机、主机支撑组件、滑轨、滑轨支撑组件和伺服油缸，六套所述伺服油缸布置在主机外的上下、左右、前后方向，所述滑轨在主机下方前后延伸设置，且穿过主机后通过滑轨支撑组件支撑在地面上，所述主机包括铸造成型的整体环形框架，所述整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，所述整体环形框架和盖板围成主机壳，主机内腔用于放置试样，试样的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块，位于下侧的所述试样垫块下方设置有能在滑轨上前后移动的试样移动支架；前后侧的伺服油缸下方均设置有能在滑轨上前后移动的油缸移动支架，所述盖板能随着对应侧的伺服油缸一起移动，上下左右侧的伺服油缸固设在整体环形框架的对应侧外，伺服油缸的活塞杆前端居中位置处设置有载荷传感器，所述载荷传感器的前端穿过主机壳后安装有压头；位于前、后、左、右的每个试样垫块的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪，将试样放入六块试样垫块围成的腔体内并通过快锁组合安装后再结合试样垫块接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块之间的密封；首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；步骤四、施加三轴应力；通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；步骤五、压裂试验；打开声发射仪，通过压裂孔对原煤试件注入高压水进行水力压裂，待水压降低50％后，关闭压裂孔停止压裂，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化、声发射信息以及流量信息；步骤六、同组其它试验；更换原煤试件，改变钻孔倾斜角度，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤一至步骤五；步骤七、整理试验数据。作为上述方案的优选，所述试样为正方体，试样尺寸为200×200×200mm。进一步优选为，所述压裂孔孔径为12mm，孔深为105mm。进一步优选为，所述压裂管长度为95mm。本专利技术的有益效果：(1)采用新的真三轴试验测试装置，相比传统的内外层框架围成的腔体结构，本测试装置主机上仅设置铸造成型的整体环形框架，由设置在试样外的六个试样垫块围成一个试样密封垫用于容纳试样，从而省略了传统内外层之间形成的单独的耐压腔体，压头穿过主机壳后直接抵在对应侧的试样垫块上，能腾出更多的空间布置尺寸、厚度更大的整体环形框架，因此使得腔体能承受的压力更大，能满足更复杂环境的模拟测试试验；(2)由于省略了内层框架，伺服油缸直接施加力于试样各面，不需要穿过耐压腔体，伺服油缸穿过耐压腔体还需要考虑动密封，因此简化了结构，降低了成本，且可靠性更高；同时由于传统的内层框架相比外层框架更薄，压力较大时内层框架易产生膨胀变形，进一步影响内框架与伺服油缸之间的密封性；(3)本测试装置中压头和试样垫块分离设计，对试样垫块连接处涂液态硅橡胶固化后密封，使得注入流体不会渗到外部区域；(4)整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，共同围成主机壳，对于试样前侧零部件的安装更加方便；而传统结构仅在后侧开孔配备盖板，前侧零部件需要检修或装拆试样，需要通过试样移动支架将试样移出整体环形框架，非常麻烦；(5)采用在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔，并将试样置于真三轴试验测试装置中进行可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，通过不断调整压裂孔的角度等参数，用于研究水力压裂钻孔与三维应力夹角影响水力压裂裂隙扩展机制，为工程实践提供指导。附图说明图1为本专利技术所采用的真三轴试验测试装置的结构示意图(含试样装入和取出两种状态)。图2为图1中主机和主机支撑组件的左视图。图3为六块试样垫块围成的试样密封垫的立体图。图4为图3的剖视状态的正视图。图5为试样垫块棱边密封采用硅橡胶固化后的状态。具体实施方式下面通过实施例并结合附图，对本专利技术作进一步说明：一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，包括以下步骤：步骤一、试样制备；(1)、将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内；(2)、利用钻机，在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔15。步骤二、压裂管的安装；选取外径与压裂孔15直径相等，长度比压裂孔15深度小8—12mm的压裂管，并在压裂管外壁均匀涂抹硅橡胶，将压裂管沿压裂孔15方向倾斜插入，通过硅橡胶密封压裂管外壁与压裂孔15内壁之间的缝隙，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、试样制备；/n(1)、将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内；/n(2)、利用钻机，在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔(15)；/n步骤二、压裂管的安装；/n选取外径与压裂孔(15)直径相等，长度比压裂孔(15)深度小8—12mm的压裂管，并在压裂管外壁均匀涂抹硅橡胶，将压裂管沿压裂孔(15)方向倾斜插入，通过硅橡胶密封压裂管外壁与压裂孔(15)内壁之间的缝隙，然后在压裂孔(15)口部安装万向密封接头(16)；/n步骤三、试样在真三轴试验测试装置上安装；/n所述真三轴试验测试装置包括主机(A)、主机支撑组件(B)、滑轨(C)、滑轨支撑组件(D)和伺服油缸(E)，六套所述伺服油缸(E)布置在主机(A)外的上下、左右、前后方向，所述滑轨(C)在主机(A)下方前后延伸设置，且穿过主机(A)后通过滑轨支撑组件(D)支撑在地面上，所述主机(A)包括铸造成型的整体环形框架(1)，所述整体环形框架(1)的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板(2)，所述整体环形框架(1)和盖板(2)围成主机壳，主机内腔用于放置试样(3)，试样(3)的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块(4)，位于下侧的所述试样垫块(4)下方设置有能在滑轨(C)上前后移动的试样移动支架(5)；前后侧的伺服油缸(E)下方均设置有能在滑轨(C)上前后移动的油缸移动支架(6)，所述盖板(2)能随着对应侧的伺服油缸(E)一起移动，上下左右侧的伺服油缸(E)固设在整体环形框架(1)的对应侧外，伺服油缸(E)的活塞杆(7)前端居中位置处设置有载荷传感器(8)，所述载荷传感器(8)的前端穿过主机壳后安装有压头(9)；/n位于前、后、左、右的每个试样垫块(4)的内壁上安装有至少四个均匀分布的声发射仪，将试样放入六块试样垫块(4)围成的腔体内并通过快锁(14)组合安装后再结合试样垫块(4)接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将试样(3)密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块(4)之间的密封；/n首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移与万向密封接头(16)安装在一起，同时上压头与试样密封垫上表面贴合，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面；/n步骤四、施加三轴应力；/n通过前、后、左、右、上、下六个压头对试样施加应力至预定值；/n步骤五、压裂试验；/n打开声发射仪，通过压裂孔(15)对原煤试件注入高压水进行水力压裂，待水压降低50％后，关闭压裂孔(15)停止压裂，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化、声发射信息以及流量信息；/n步骤六、同组其它试验；/n更换原煤试件，改变钻孔倾斜角度，或者改变三轴压力、注水速率，重复步骤一至步骤五；/n步骤七、整理试验数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可调节压裂孔方向的真三轴水力压裂试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、试样制备；
(1)、将原煤块体切割成六面体，然后通过磨床进行加工，使其端面平整度为±0.02mm以内；
(2)、利用钻机，在试样顶部中心钻斜盲孔作为压裂孔(15)；
步骤二、压裂管的安装；
选取外径与压裂孔(15)直径相等，长度比压裂孔(15)深度小8—12mm的压裂管，并在压裂管外壁均匀涂抹硅橡胶，将压裂管沿压裂孔(15)方向倾斜插入，通过硅橡胶密封压裂管外壁与压裂孔(15)内壁之间的缝隙，然后在压裂孔(15)口部安装万向密封接头(16)；
步骤三、试样在真三轴试验测试装置上安装；
所述真三轴试验测试装置包括主机(A)、主机支撑组件(B)、滑轨(C)、滑轨支撑组件(D)和伺服油缸(E)，六套所述伺服油缸(E)布置在主机(A)外的上下、左右、前后方向，所述滑轨(C)在主机(A)下方前后延伸设置，且穿过主机(A)后通过滑轨支撑组件(D)支撑在地面上，所述主机(A)包括铸造成型的整体环形框架(1)，所述整体环形框架(1)的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板(2)，所述整体环形框架(1)和盖板(2)围成主机壳，主机内腔用于放置试样(3)，试样(3)的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块(4)，位于下侧的所述试样垫块(4)下方设置有能在滑轨(C)上前后移动的试样移动支架(5)；前后侧的伺服油缸(E)下方均设置有能在滑轨(C)上前后移动的油缸移动支架(6)，所述盖板(2)能随着对应侧的伺服油缸(E)一起移动，上下左右侧的伺服油缸(E)固设在整体环形框架(1)的对应侧外，伺服油缸(E)的活塞杆(7)前端居中位置处设置有载荷传感器(8)，所述载荷传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，刘义鑫，倪冠华，于岩斌，刘震，孙路路，黄启铭，韩冬阳，刘志远，秦相杰，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37