一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及煤层致裂增透技术领域，具体是一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统与方法。包括压裂改性系统、注气评价系统、回压监测系统、液压伺服控制系统、真空系统以及数据采集及控制系统集成，真三轴加载系统中心位置设置有立方体空腔的加载腔室，加载腔室六个面的中心穿有加载推杆，加载推杆的外端与液压缸体连接，加载推杆的内端头与位于加载腔室内的加载压板相连，分别压在试样的六个侧面上；加载推杆内设有L型管路腔孔，其内孔口位于加载推杆内端头中心，外孔口位于加载推杆外端头附近的侧面，且管路腔孔内设有连通导管，六个面中的三个加载推杆内的连通导管分别用于连接压裂改性系统、注气评价系统、回压监测系统和真空系统。真空系统。真空系统。

【技术实现步骤摘要】
一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统与方法


[0001]本专利技术涉及煤层致裂增透
，具体是一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统与方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着压裂设备及技术的快速发展，压裂技术已被广泛应用于矿山开采、水利水电工程、油气藏开采及地热开采等领域。压裂技术是储层改造最有效的技术手段之一，尤其是水力压裂、液氮压裂、二氧化碳压裂应用较为广泛。矿山开采中，压裂技术不仅可以用于改造煤层围岩结构和力学性能，弱化煤层坚硬顶板实现卸压防冲，还可以用于低渗高瓦斯煤层的增透改造，提高煤层的渗透性和导流能力，实现煤层气高效开采，同时避免煤与瓦斯突出等煤岩体动力灾害。煤层压裂一方面可在煤层中制造大量人工裂缝，形成储层裂隙网络以提高煤层渗透率，进而提高煤层气抽采效率；另一方面，滞留在煤层中的压裂介质还会与煤体发生物理化学作用，改变煤体孔隙结构和表面特性，进而对煤体力学特性及其吸附解吸、扩散、渗流特性造成不同程度的影响。
[0003]为了研究煤层压裂渗流特性，国内外研究学者研发了很多相关设备并进行了相关试验研究，如：CN110426286A“一种真三轴压裂渗流连续测试系统及方法”、CN111366472A“用于可变岩心尺寸的真三轴水力压裂物理模拟设备及方法”、CN209542309U“一种大尺寸真三轴水力压裂模拟试验装置”、CN113418852A“超声波脉冲致裂含瓦斯煤体渗流实验装置及方法”、CN104655495A“一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法”。但上述压裂渗流试验系统主要集中在模拟不同物理场、不同介质压裂下的裂缝扩展特征和渗流特性等方面，无法对原位条件下（真三轴应力、温度、含水率、瓦斯压力）煤层压裂改性、渗流、吸附解吸、力学特性等方面进行全面动态的研究，尤其不能考虑压裂介质与煤体发生物理化学改性后对其各向异性（试样X、Y、Z三个方向上）流动特性和力学特性的影响，同时也缺乏全面动态评价不同介质压裂改性煤体效果的试验方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有压裂渗流试验装置和压裂效果评价方法的不足，提供一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统与方法，可用于不同压裂条件下煤岩体的力学特性、吸附解吸特性和各向异性渗流特性试验研究，可充分考虑压裂介质对煤岩体物理及化学改性的影响，对煤岩体压裂改性效果进行全面动态评价。
[0005]本专利技术采取以下技术方案：一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统，包括压裂改性系统、注气评价系统、回压监测系统、液压伺服控制系统、真空系统以及数据采集及控制系统集成，真三轴加载系统中心位置设置有立方体空腔的加载腔室，加载腔室六个面的中心穿有加载推杆，加载推杆的外端与液压缸体连接，加载推杆的内端头与位于加载腔室内的加载压板相连，所述加载压板共有六个，分别压在试样的六个侧面上；所述加载压板上安装有电热偶加热棒，电热偶加热棒由数据采集及控制系统集成
控制；所述试样一侧面中心位置钻设有压裂孔；加载推杆与加载腔室滑动连接处设有推杆密封组件；加载推杆内设有L型管路腔孔，其内孔口位于加载推杆内端头中心，外孔口位于加载推杆外端头附近的侧面，且管路腔孔内设有连通导管，六个面中的三个加载推杆内的连通导管分别用于连接压裂改性系统、注气评价系统、回压监测系统和真空系统；其中压裂改性系统为试样提供不同的压裂介质；注气评价系统为试样注入不同气体压力下的气体；回压监测系统用于将试样内的气体吸出；真空系统对加载腔室抽真空；所述数据采集及控制系统集成通过传感器分别对真三轴加载系统、压裂改性系统、注气评价系统、回压监测系统、液压伺服控制系统以及真空系统进行监测和控制；所述液压伺服控制系统根据试验要求向真三轴加载系统注入或输出液压油。
[0006]在一些实施例中，加载压板中心处均设有管路插孔，且其中一个加载压板的管路插孔一侧还单独设有渗流孔；加载压板侧面设有两个加热棒插孔，加载压板四个角处分别设有四个声发射探头槽。
[0007]在一些实施例中，试样与加载压板接触的侧面之间设置有方形热缩密封胶套和单向高渗滑块，单向高渗滑块分为上、中、下三部分，上部为密闭实体，中部空腔为导流腔，下部为布满导流孔的高渗板，下部的高渗板直接压在试样侧面上，单向高渗滑块上部设有压裂管接头，且在试样含压裂孔侧面的单向高渗滑块上部还设有渗流管接头，单向高渗滑块的各侧面通过密封胶条进行填充密封。
[0008]在一些实施例中，压裂改性系统包括水力压裂模块、改性液压裂模块、液氮压裂模块及超临界二氧化碳压裂模块；水力压裂模块、改性液压裂模块、液氮压裂模块及超临界二氧化碳压裂模块分别与试样内部的压裂管连通，水力压裂模块为压裂管提供压裂用的水，改性液压裂模块为压裂管提供压裂用的改性液，液氮压裂模块为压裂管提供压裂用的液氮，超临界二氧化碳压裂模块为压裂管提供裂用的二氧化碳。
[0009]在一些实施例中，水力压裂模块包括水槽A、高压注入泵、压力传感器A和流量传感器A，高压注入泵输入端管路与水槽A连接，输出端管路依次连接阀门F、阀门B、流量传感器A、压力传感器A以及连通导管，通过连通导管将高压水导入试样内部的压裂管进行水力压裂；改性液压裂模块包括改性液罐A、改性液罐B、高压注入泵、压力传感器A和流量传感器A，高压注入泵输入端管路与改性液罐A和改性液罐B连接，输出端管路依次连接阀门F、阀门B、流量传感器A、压力传感器A以及连通导管，通过连通导管将改性液导入试样内部的压裂管进行压裂改性。
[0010]液氮压裂模块包括液氮储存罐、液氮注入器、空气压缩机、气体增压泵、压力缓冲罐、减压阀A、压力传感器A和流量传感器A，液氮注入器注气口通过管路依次连接阀门L、减压阀A、阀门K、压力缓冲罐、阀门Q、压力传感器B、气体增压泵、阀门P、空气压缩机，液氮注入器注液口通过管路依次连接阀门I、阀门B、流量传感器A、压力传感器A以及连通导管，且其注液口还通过支路依次连接阀门J、液氮储存罐。
[0011]超临界二氧化碳压裂模块包里二氧化碳气罐、高压注入泵、高低温试验箱、水槽A、压力传感器A和流量传感器A，高低温试验箱进气口通过管路依次连接阀门E、阀门M、二氧化碳气罐，其加压口通过管路依次连接阀门G、高压注入泵、水槽A，其注压口通过管路依次连接阀门H、阀门B、流量传感器A、压力传感器A、连通导管，其泄压口通过管路与水槽A相连。
[0012]在一些实施例中，注气评价系统包括气源、空气压缩机、气体增压泵、缓存罐、减压阀B以及计量罐；气体增压泵设有气源入口、进气口以及注压口，其气源入口通过管路依次与阀门N和甲烷气罐相连，且气源入口还通过支路分别与阀门O、阀门M以及二氧化碳气罐相连；气体增压泵进气口通过管路依次连接阀门P和空气压缩机；气体增压泵注压口通过管路依次连接压力传感器B、阀门R、缓存罐、阀门S、减压阀B、阀门T、流量传感器B、阀门V、阀门A以及连通导管，且阀门T与阀门V之间通过支路依次连接阀门U、计量罐。
[0013]在一些实施例中，回压监测系统包括自动回压泵、水槽B、回压缓冲罐、压力传感器、背压阀、气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统，其特征在于：包括压裂改性系统（2）、注气评价系统（3）、回压监测系统（4）、液压伺服控制系统（5）、真空系统（6）以及数据采集及控制系统集成（7），真三轴加载系统（1）中心位置设置有立方体空腔的加载腔室（1
‑
3），加载腔室（1
‑
3）六个面的中心穿有加载推杆（1
‑
8），加载推杆（1
‑
8）的外端与液压缸体（1
‑
1）连接，加载推杆（1
‑
8）的内端头与位于加载腔室（1
‑
3）内的加载压板（1
‑
12）相连，所述加载压板（1
‑
12）共有六个，分别压在试样（1
‑
20）的六个侧面上；所述加载压板（1
‑
12）上安装有电热偶加热棒，电热偶加热棒由数据采集及控制系统集成（7）控制；所述试样（1
‑
20）一侧面中心位置钻设有压裂孔；加载推杆（1
‑
8）与加载腔室（1
‑
3）滑动连接处设有推杆密封组件（1
‑
11）；加载推杆（1
‑
8）内设有L型管路腔孔（1
‑
9），其内孔口位于加载推杆（1
‑
8）内端头中心，外孔口位于加载推杆（1
‑
8）外端头附近的侧面，且管路腔孔（1
‑
9）内设有连通导管（1
‑
10），六个面中的三个加载推杆（1
‑
8）内的连通导管（1
‑
10）分别用于连接压裂改性系统（2）、注气评价系统（3）、回压监测系统（4）和真空系统（6）；其中压裂改性系统（2）为试样（1
‑
20）提供不同的压裂介质；注气评价系统（3）为试样（1
‑
20）注入不同气体压力下的气体；回压监测系统（4）用于将试样（1
‑
20）内的气体吸出；真空系统（6）对加载腔室（1
‑
3）抽真空；所述数据采集及控制系统集成（7）通过传感器分别对真三轴加载系统（1）、压裂改性系统（2）、注气评价系统（3）、回压监测系统（4）、液压伺服控制系统（5）以及真空系统（6）进行监测和控制；所述液压伺服控制系统（5）根据试验要求向真三轴加载系统（1）注入或输出液压油。2.根据权利要求1所述的煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统，其特征在于：所述加载压板（1
‑
12）中心处均设有管路插孔（1
‑
22），且其中一个加载压板（1
‑
12）的管路插孔（1
‑
22）一侧还单独设有渗流孔（1
‑
13）；加载压板（1
‑
12）侧面设有两个加热棒插孔（1
‑
24），加载压板（1
‑
12）四个角处分别设有四个声发射探头槽（1
‑
23）。3.根据权利要求1所述的煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统，其特征在于：所述试样（1
‑
20）与加载压板（1
‑
12）接触的侧面之间设置有方形热缩密封胶套（1
‑
16）和单向高渗滑块（1
‑
19），单向高渗滑块（1
‑
19）分为上、中、下三部分，上部为密闭实体，中部空腔为导流腔（1
‑
27），下部为布满导流孔（1
‑
28）的高渗板，下部的高渗板直接压在试样（1
‑
20）侧面上，单向高渗滑块（1
‑
19）上部设有压裂管接头（1
‑
25），且在试样（1
‑
20）含压裂孔侧面的单向高渗滑块（1
‑
19）上部还设有渗流管接头（1
‑
26），单向高渗滑块（1
‑
19）的各侧面通过密封胶条（1
‑
17）进行填充密封。4.根据权利要求1所述的煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统，其特征在于：所述压裂改性系统（2）包括水力压裂模块、改性液压裂模块、液氮压裂模块及超临界二氧化碳压裂模块；水力压裂模块、改性液压裂模块、液氮压裂模块及超临界二氧化碳压裂模块分别与试样（1
‑
20）内部的压裂管（1
‑
21）连通，水力压裂模块为压裂管（1
‑
21）提供压裂用的水，改性液压裂模块为压裂管（1
‑
21）提供压裂用的改性液，液氮压裂模块为压裂管（1
‑
21）提供压裂用的液氮，超临界二氧化碳压裂模块为压裂管（1
‑
21）提供裂用的二氧化碳。
5.根据权利要求4所述的煤岩体压裂改性及其效果评价试验系统，其特征在于：所述水力压裂模块包括水槽A（2
‑
6）、高压注入泵（2
‑
5）、压力传感器A（1
‑
5）和流量传感器A（1
‑
6），高压注入泵（2
‑
5）输入端管路与水槽A（2
‑
6）连接，输出端管路依次连接阀门F（2
‑
9）、阀门B（1
‑
7）、流量传感器A（1
‑
6）、压力传感器A（1
‑
5）以及连通导管（1
‑
10），通过连通导管（1
‑
10）将高压水导入试样（1
‑
20）内部的压裂管（1
‑
21）进行水力压裂；改性液压裂模块包括改性液罐A（2
‑
1）、改性液罐B（2
‑
3）、高压注入泵（2
‑
5）、压力传感器A（1
‑
5）和流量传感器A（1
‑
6），高压注入泵（2
‑
5）输入端管路与改性液罐A（2
‑
1）和改性液罐B（2
‑
3）连接，输出端管路依次连接阀门F（2
‑
9）、阀门B（1
‑
7）、流量传感器A（1
‑
6）、压力传感器A（1
‑
5）以及连通导管（1
‑
10），通过连通导管（1
‑
10）将改性液导入试样（1
‑
20）内部的压裂管（1
‑
21）进行压裂改性；所述液氮压裂模块包括液氮储存罐（2
‑
12）、液氮注入器（2
‑
15）、空气压缩机（3
‑
6）、气体增压泵（3
‑
8）、压力缓冲罐（2
‑
16）、减压阀A（2
‑
18）、压力传感器A（1
‑
5）和流量传感器A（1
‑
6），液氮注入器（2
‑
15）注气口通过管路依次连接阀门L（2
‑
19）、减压阀A（2
‑
18）、阀门K（2
‑
17）、压力缓冲罐（2
‑
16）、阀门Q（3
‑
10）、压力传感器B（3
‑
9）、气体增压泵（3
‑
8）、阀门P（3
‑
7）、空气压缩机（3
‑
6），液氮注入器（2
‑
15）注液口通过管路依次连接阀门I（2
‑
13）、阀门B（1
‑
7）、流量传感器A（1
‑
6）、压力传感器A（1
‑
5）以及连通导管（1
‑
10），且其注液口还通过支路依次连接阀门J（2
‑
14）、液氮储存罐（2
‑
12）；所述超临界二氧化碳压裂模块包里二氧化碳气罐（3
‑
1）、高压注入泵（2
‑
5）、高低温试验箱（2
‑
7）、水槽A（2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：张欢，杜双利，李雨成，杨雪林，王涛，秦宇辉，陶文飞，吕亚萍，尹美军，宋创，毛心雨，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：