煤层液态CO₂压裂增透实验装置及其实验方法

煤层液态CO₂压裂增透实验装置及其实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤层液态CO2压裂增透实验装置及其实验方法，该装置包括液态CO2泵注系统、压裂模拟试块、压裂试件装载体、压裂参数监测系统、压裂数据采集系统和渗透率测试系统；所述液态CO2泵注系统包括杜瓦瓶和液态CO2柱塞泵，所述压裂模拟试块由原煤试块或者相似模拟材料制作而成，所述压裂试件装载体包括试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘；所述压裂参数监测系统包括流量计和压力表。本发明可以研究煤体或相似材料的力学参数、注液压力与压裂裂缝扩展规律的关系，CO2压裂条件下煤体裂隙数量及形态与压裂参数的响应关系，以及不同压裂参数下裂缝扩展引起的透气性的量化表征关系。
【专利说明】
煤层液态C〇2压裂増透实验装置及其实验方法
技术领域
[0001 ]本发明设及煤矿开采技术领域，属于煤矿井下安全开采，具体设及一种煤层液态 C〇2压裂增透实验装置及其实验方法。
【背景技术】
[0002] 我国95 %的煤矿生产是井工开采，由于井工开采条件复杂性，作业环境恶劣、致灾 因子多。"高储低渗"是我国煤层赋存的普遍特征，据统计，我国50% W上的矿井为高瓦斯矿 井或者煤与瓦斯突出矿井，运其中95% W上的矿井开采煤层又属于低渗透性性煤层。研究 表明：我国煤层渗透率在0.002血~16.17血之间，渗透率小于ImD的煤层占到已探明煤层资 源总量的72%，运给矿井煤层瓦斯的治理及煤层气资源的开发利用带来了技术难题。
[0003] 经过多年的研究和实践，水力压裂、水力割缝、深孔爆破等技术在改造地层应力、 扩大卸压范围、增加煤层透气性等方面的研究取得了一定成果，但是运些技术在应用工艺 及适用范围方面还存在一定问题。例如水力压裂技术在注水过程中易于形成一条或几条垂 直于最小水平主应力的人工裂缝，裂隙数目少;炸药爆破预裂技术存在裂隙半径小，爆破后 孔壁严重破碎跨塌，易形成残余压力区"应力笼区"，降低了煤岩层的渗透率，且其爆破工艺 复杂，保护距离不足，施工过程易引起其它次生灾害。
[0004] 基于W上分析，现行的煤层人工裂隙改造技术在应用工艺方面存在各自局限性， 不能很好的满足矿井安全生产，探索一种更经济有效的改造煤层渗透性的新技术，煤层区 域致裂增加煤层透气性系数，对提高矿井安全生产效率十分必要。煤层液态C〇2压裂改造技 术是一个复杂的物理过程，在煤层液态C〇2压裂增透试验现场，裂缝扩展形态在煤岩体内部 无法观测，压裂裂缝的扩展与压裂液压力、应力场、煤体力学性质等的关系研究必须借助于 相应的实验平台。通过模拟煤层压裂过程实验，可W对裂缝起裂及扩展延伸过程进行监测， 并根据实验过程的监测指标推断压裂增透效果。开展煤层液态C〇2压裂过程理论研究，掌握 煤层压裂过程参数及缝扩展规律，需要建立压裂实验台并开展相关实验。

【发明内容】

[0005] 本发明提供一种煤层液态C〇2压裂增透实验装置及其实验方法，实现煤样压裂增 透过程的压力、流量、溫度、应变及煤体试块渗透性的实时监测，掌握煤层压裂过程参数，判 定裂隙扩展规律。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0007] 煤层液态C〇2压裂增透实验装置，包括液态C〇2累注系统、压裂模拟试块，压裂试件 装载体，压裂参数监测系统，压裂数据采集系统和渗透率测试系统；
[000引所述液态C02累注系统包括杜瓦瓶和液态C02柱塞累，杜瓦瓶为整个压裂实验过程 提供压裂液，液态C02柱塞累作为压裂过程的动力设备对液态C02进行压力及流量输出，通过 耐高压低溫管路进入压裂煤体试块进行压裂实验，压裂过程对压裂试件及实验区域环境参 数进行实时监测；
[0009] 所述压裂模拟试块由原煤试块或者相似模拟材料制作而成，人工现场采集大体积 原煤试块进行手动切割加工成壁面光滑、直径为〇4皿、长度Lmm的圆柱体试块;或者采用相 似材料在标准模具中加工一次成型为直径为? Amm、长度Lmm的圆柱体试块。
[0010] 所述压裂试件装载体包括试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，所述 试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘均采用耐低溫(-50°C)高压(大于50MPa)的 材料制成，试件装载框为内径O Amm、长度Lmm的圆柱体形状，两端设置入口法兰连接盘和出 口法兰连接盘，并在周边等间距布置N个O Cmm的螺杆连接孔;试件装载框的壁面设置直径 O Dmm的监测光纤光栅引出口；入口法兰连接盘直径O Bmm，中间预留孔径为O Emm的小孔， 安装对应尺寸的快速接头，作为C〇2输送管路进入压裂试件的入口，周边等间距布置N个(6 Cmm的螺杆连接孔，并与试件装载框入口连接；出口法兰连接盘直径OBmm，中间预留孔径为 OEmm的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为气流出口，周边等间距布置N个(6Cmm的螺杆 连接孔，并与试件装载框出口连接。
[0011] 所述压裂参数监测系统包括流量计和压力表，流量计采用耐低溫高压的满轮流量 计，有效量程为0~化A，分辨率为0.5%;压力表采用耐低溫高压量程为0~50MPa的压力 表，分辨率为0.5%。
[0012] 所述压裂数据采集系统包括光纤光栅解调仪和电脑，光纤光栅调制解调仪选用8 通道进行测量，测量精度± 5pm，接口为RS232/RS485/USB通信；选用内存大于512M的电脑， 实现压裂过程的数据存储和显示。
[0013] 所述渗透率测试系统包括压缩空气瓶、压力表和量杯，空气瓶选用压力大于 0.5M化、容积大于20L的耐压钢瓶，压力表为两个，用于渗透率测试过程中压裂试件装载体 入口和出口管路中的压力，量杯选择量程大于化，采用排水法测量通过试件的空气体积。
[0014] 上述煤层液态C〇2压裂增透实验方法，包括W下步骤：
[0015] 实验测试过程包括压裂前试件表面裂隙观测并记录^试件处理及安装^第一次 渗透率测试^压裂实验及溫度、应变测试^第二次渗透率测试^取出试件观测表面裂隙及 剖面裂隙数量及形态，具体如下：
[0016] S1、对压裂前试件表面裂隙进行观测，统计裂隙分布数量及位置，并进行原始裂隙 素描记录；
[0017] S2、将制作好的试件表面打磨光滑，在试件表面等间距布置=根光纤光栅，将其一 端通过监测导线出口与光纤光栅采集仪相连接;然后在试件表面涂抹密封胶体，将其置于 装载框体内，保证试件与装载框体的密封性，并分别将入口法兰连接盘、出口法兰连接盘与 试件装载框的两端连接；
[0018] S3、打开空气瓶，入口压力调节至0.2M化左右，出口管路压力表，记录两个压力表 的压力值，同时用量杯测试5min时间内的排气量，计算压裂前试件渗透率；
[0019] S4、关闭空气瓶，开启液态C〇2柱塞累，调节注入压力及流量，开始向试件内部压注 液态C〇2，同时打开光纤光栅解调仪采集溫度及应变量；
[0020] S5、压裂结束后持续观测溫度及应变量，待溫度恢复至室溫，且应变值不再变化， 开始第二次测量试件渗透率，方法与步骤3相同；
[0021] S6、第二次渗透率测试完成后，取出压裂试件，观测试件表面裂隙并记录，然后将 试件沿直径剖开为两半，观测内部裂隙数量及形态，采用素描法绘制裂隙分布图。
[0022] 本发明具有W下有益效果：
[0023] 可W研究煤体或相似材料的力学参数、注液压力与压裂裂缝扩展规律的关系，0)2 压裂条件下煤体裂隙数量及形态与压裂参数的响应关系，W及不同压裂参数下裂缝扩展引 起的透气性的量化表征关系。
【附图说明】
[0024] 图1为煤层液态C〇2压裂增透实验装置系统示意图；
[002引图2为本发明实施例中压裂试件装载体结构；
[0026] 图3为本发明实施例中入口法兰连接盘正视图；
[0027] 图4为本发明实施例中入口法兰连接盘侧视图；
[0028] 图5为本发明实施例中出口法兰连接盘正视图；
[0029] 图6为本发明实施例中出口法兰连接盘侧视图；
[0030] 图7为本发明实施例中试件的安装结构示意图。
[0031] 图中，1-C02杜瓦瓶;2-C02压裂累;3-阀n ; 4-入口压力表;5-入口流量计;6-连接螺 杆;7-密封胶;8-压裂管;9-压裂试件；10-压缩空气瓶；11-快速接头；12-监测导线；13-量 杯；14-水；15-光纤光栅调制解调仪；16-电脑；17-监测导线出口 18-螺杆连接孔；19-C02入 口； 20-快速接头;21-排气出口； 22-排气管路;23-试件装载体;24-C02输送管路;25-金属卡 套；26-入口法兰连接盘;27-出口法兰连接盘;28-出口压力表;29-出口流量计；30-光纤光 栅。
【具体实施方式】
[0032] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，W下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0033] 如图1所示，本发明实施例提供了一种煤层液态C〇2压裂增透实验装置，包括J/W- 2/20型柱塞累2、G2-30液态C〇2杜瓦瓶1、圆柱煤体试块9、试件碳钢装载系统23、压裂参数监 测系统、压裂数据采集系统15和渗透率测试系统，
[0034] 实验系统之间输送液态C〇2时采用外径为?6mm壁厚Imm的304不绣钢管24,管路之 间采用内径为? 6mm的金属卡套25。
[0035] 现场采集煤样进行加工为O IOOmm巧OOmm的圆柱形压裂试块9,将其表面用砂纸打 磨光滑；
[0036] 如图2所示，所述压裂试件装载系统23采用45#碳钢加工制作，装载体为内径? 100mm、长度200mm的圆柱体形状，两端设置法兰连接头，连接盘直径为O 150mm，并在周边等 间距布置8个?6mm的螺杆连接孔6;装载体壁面设置直径OlOmm的监测光纤光栅引出口 17;
[0037] 如图3-图4所示，入口法兰连接盘直径O 150mm，中间预留孔径为O 6mm的小孔19， 安装对应尺寸的快速接头20，作为C〇2输送管路进入压裂试件的入口，周边等间距布置8个 O 6mm的螺杆连接孔18，并与试件装载体23入口连接；
[003引如图5-图6所示，出口法兰连接盘27直径巫150mm，中间预留孔径为巫6mm的小孔， 安装对应尺寸的快速接头11，作为压裂试件气流的出口，周边等间距布置8个?6mm的螺杆 连接孔6，并与试件装载体23出口连接。
[0039] 如图1所示，选用量程50M化的YNXC100型电接点压力表4,量程为O-SOMPa,分辨率 为0.5% ;采用LWGY9012型液体满轮流量计5，有效量程为0-化A，分辨率为0.2%。
[0040] 采用GM8037高分辨率光纤光栅传感器解调仪15，测量精度± 5pm，接口采用USB通 信;选用内存大于联想X250电脑16,实现压裂过程的数据存储和显示。
[0041] 如图7所示，试件9表面等间距布置3根光纤光栅29,并用密封胶固定，通过监测导 线出口 17引出并与光纤光栅解调仪15连接，实现对试件9壁面溫度及应变的监测。
[0042] 本发明所提供的煤层液态C〇2压裂增透实验方法，如下：
[0043] 步骤1、压裂前试件9表面裂隙观测并记录:对压裂前试件9表面裂隙进行观测，统 计裂隙分布数量及位置，并进行原始裂隙素描记录；
[0044] 步骤2、试件处理及安装:将制作好的试件9表面打磨光滑，在试件9表面等间距布 置=根光纤光栅，将其一端通过监测导线出口 17与光纤光栅采集仪15相连接;在试件表面 涂抹密封胶体7，保证试件与装载体23的密封性，分别将入口法兰连接盘26、出口法兰连接 盘27与试件装载体23的两端连接；
[0045] 步骤3、第一次渗透率测试:打开空气瓶10，调节入口管路压力表4至0.2MPa左右， 观测出口管路压力表28,记录两个压力表的压力值Pi、P2,待压力稳定后，用量杯13测试T时 间内的排气量Q，计算压裂前试件渗透率K;
[0046] 步骤4、压裂实验及溫度、应变测试:关闭空气瓶10,开启液态C〇2柱塞累2,调节注 入压力及流量，开始向试件内部压注液态C〇2，同时打开光纤光栅采集仪15开始溫度及应变 量采集；
[0047] 步骤5、第二次渗透率测试:压裂结束后持续观测溫度及应变量，待溫度恢复至室 溫，且应变值不再变化，开始第二次测量试件渗透率，方法与步骤3相同；
[0048] 步骤6、压裂后试件表面裂隙及剖面裂隙数量、形态观测：第二次渗透率测试完成 后，取出压裂试件9，观测试件表面裂隙并记录，然后将试件沿直径剖开为两半，观测内部裂 隙数量及形态，采用素描法绘制裂隙分布图。
[0049] 渗透性系数根据下式计算：
[(K)加]
[0化1] 式中：K--为渗透率(mD);
[0052] Q--T单位体积（cm3);
[0化3] Pi--进口压强(MPa);
[0化4] P2--出口压强(MPa);
[0化5] A一一试件横截面积（cm2);
[0056] L一一试件的长度（cm);
[0化7] y--流体的粘度系数(Pa*S)。
[005引 W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W作出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 煤层液态CO2压裂增透实验装置，其特征在于，包括液态CO2栗注系统、压裂模拟试块， 压裂试件装载体，压裂参数监测系统，压裂数据采集系统和渗透率测试系统，所述液态CO 2 栗注系统包括杜瓦瓶和液态CO2柱塞栗，杜瓦瓶为整个压裂实验过程提供压裂液，液态〇)2柱 塞栗作为压裂过程的动力设备对液态CO 2进行压力及流量输出，通过耐高压低温管路进入 压裂煤体试块进行压裂实验，压裂过程对压裂试件及实验区域环境参数进行实时监测； 所述压裂模拟试块由原煤试块或者相似模拟材料制作而成，压裂模拟试块的直径为Φ Amm、长度Lmm的圆柱体试块； 所述压裂试件装载体包括试件装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，所述试件 装载框、入口法兰连接盘和出口法兰连接盘均采用耐低温高压的材料制成，试件装载框为 内径Φ Amm、长度Lmm的圆柱体形状，两端设置入口法兰连接盘和出口法兰连接盘，并在周边 等间距布置N个Φ Cmm的螺杆连接孔； 所述压裂参数监测系统包括流量计和压力表； 所述压裂数据采集系统包括光纤光栅解调仪和电脑； 所述渗透率测试系统包括压缩空气瓶、压力表和量杯，空气瓶选用压力大于〇.5MPa、容 积大于20L的耐压钢瓶，压力表为两个，用于渗透率测试过程中压裂试件装载体入口和出口 管路中的压力，量杯选择量程大于2L，采用排水法测量通过试件的空气体积。2. 如权利要求1所述的煤层液态CO2压裂增透实验装置，其特征在于，试件装载框的壁面 设置直径Φ Dmm的监测光纤光栅引出口；入口法兰连接盘直径Φ Bmm，中间预留孔径为Φ E_ 的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为CO2输送管路进入压裂试件的入口，周边等间距布 置N个Φ Cmm的螺杆连接孔，并与试件装载框入口连接；出口法兰连接盘直径Φ Bmm，中间预 留孔径为ΦΕπιπι的小孔，安装对应尺寸的快速接头，作为气流出口，周边等间距布置N个Φ Cmm的螺杆连接孔，并与试件装载框出口连接。3. 如权利要求1所述的煤层液态CO2压裂增透实验装置，其特征在于，流量计采用耐低温 高压的涡轮流量计，有效量程为Ο-FL/h，分辨率为0.5% ;压力表采用耐低温高压量程为0-50MPa的压力表，分辨率为0.5%。4. 如权利要求1所述的煤层液态CO2压裂增透实验装置，其特征在于，光纤光栅调制解调 仪选用8通道进行测量，测量精度± 5pm，接口为RS232/RS485/USB通信;选用内存大于512M 的电脑，实现压裂过程的数据存储和显示。5. 如权利要求1-4任一项所述的煤层液态CO2压裂增透实验方法，其特征在于，包括以下 步骤： 51、 对压裂前试件表面裂隙进行观测，统计裂隙分布数量及位置，并进行原始裂隙素描 记录； 52、 将制作好的试件表面打磨光滑，在试件表面等间距布置三根光纤光栅，将其一端通 过监测导线出口与光纤光栅采集仪相连接;然后在试件表面涂抹密封胶体，将其置于装载 框体内，保证试件与装载框体的密封性，并分别将入口法兰连接盘、出口法兰连接盘与试件 装载框的两端连接； 53、 打开空气瓶，入口压力调节至0.2MPa左右，出口管路压力表，记录两个压力表的压 力值，同时用量杯测试5min时间内的排气量，计算压裂前试件渗透率； 54、 关闭空气瓶，开启液态CO2柱塞栗，调节注入压力及流量，开始向试件内部压注液态 CO2，同时打开光纤光栅解调仪采集温度及应变量； 55、 压裂结束后持续观测温度及应变量，待温度恢复至室温，且应变值不再变化，开始 第二次测量试件渗透率，方法与步骤3相同； 56、 第二次渗透率测试完成后，取出压裂试件，观测试件表面裂隙并记录，然后将试件 沿直径剖开为两半，观测内部裂隙数量及形态，采用素描法绘制裂隙分布图。
【文档编号】G01N15/08GK105954172SQ201610351521
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】马砺, 李珍宝, 文虎, 王伟峰, 张嬿妮, 李贝, 王旭, 郭英, 任立峰, 魏高明
【申请人】西安科技大学