模拟煤层压裂测试渗透率系统的制作方法

本实用新型属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种模拟煤层压裂测试渗透率系统。

背景技术：

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，更科学有效的指导煤层气井排采制度的制定。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供了一种模拟煤层压裂测试渗透率系统，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，本实用新型所采用的技术方案如下：模拟煤层压裂测试渗透率系统，包括夹持器、底座和压裂控制装置，夹持器包括压裂管、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；

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；压裂控制装置用于驱动活动管移动。

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。

采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：压裂测试系统通过活动管的来回移动，保证了压裂孔的开启与闭合；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；这样特殊的设计可是岩样卡套的径向能够扩张或收缩，保证了煤样受力均匀，同样确保了煤样的完整性；套筒右端设有用于遮盖煤粉收集瓶的挡罩，挡罩用于放置煤粉向外排出时落在煤粉收集瓶外边。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是夹持器的结构示意图；

图3是图2中A处的放大图；

图4是图2中B处的放大图；

图5是岩心垫块的左端面视图；

图6是岩心垫块的截面视图；

图7是筛状垫块的左端面视图；

图8是岩样卡套的结构示意图；

图9是岩样卡套上相邻两块壁板连接处的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明：

如图1-9所示，模拟煤层压裂测试渗透率系统，包括夹持器29、底座30和压裂控制装置，夹持器29包括压裂管1、套筒31和岩样卡套32，套筒31为左右通透的圆筒形结构，套筒31通过支架61沿左右水平方向上固定在底座30上，岩样卡套32外形为圆筒形，岩样卡套32位于套筒31内且与套筒31同轴线设置，岩样卡套32的长度小于套筒31的长度，压裂管1外套设有一段活动管33，活动管33外套设有固定管34，活动管33的长度大于固定管34的长度，固定管34于套筒31同轴线设置且固定管34穿设在岩样卡套32内；固定管34上沿轴向方向开设有至少一排第一通孔35，每排第一通孔35等距间隔布置，活动管33上沿轴向方向开设有与第一通孔35对应连通的第二通孔36，压裂管1上沿轴向方向开设有与第二通孔36对应连通的压裂孔37，所有的压裂孔37、第二通孔36以及第一通孔35均位于岩样卡套32内；岩样卡套32内壁与固定管34外壁之间形成岩样填充腔38，固定管34的左端部从左到右依次套设有左内环39、支撑环40和岩心垫块41，岩心垫块41用于封堵岩样卡套32的左端且位于岩样卡套32的内部，左内环39位于套筒31的左端，左内环39与套筒31之间设有左外环42，左外环42分别与左内环39和套筒31螺纹连接，支撑环40分别与左内环39和岩心垫块41顶压配合；固定管34的右端部从左到右依次套设有筛状垫块43和右内环44，筛状垫块43用于封堵岩样卡套32的右端且位于岩样卡套32的内部，右内环44位于套筒31的右端，右内环44与套筒31之间设有右外环45，右外环45分别与右内环44和套筒31螺纹连接；岩样卡套32外壁与套筒31内壁之间形成围压腔室46；

岩心垫块41的左端面至少开设有一个注气孔47，岩心垫块41内开设有至少一个右端敞口的环形槽48，注气孔47与环形槽48连通； 压裂控制装置用于驱动活动管33移动。

压裂控制装置包括两组对称设置在套筒33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30上的滚轮架56，滚轮架56的上端转动连接有两个滚轮57，两个滚轮57对称位于活动管33的上侧和下侧，两个滚轮57均与活动管33啮合接触，其中一个滚轮57的中心轴上连接有驱动手柄58，所有的滚轮57外圆周面均设有防滑纹。

岩样卡套32包括由四块截面呈弧形的壁板59形成的一个圆筒形的管道，两块相邻的壁板59之间设有导向连接框架60，导向连接框架60相对两侧分别设有用于穿设壁板59的导向孔62。

套筒31右端设有用于遮盖煤粉收集瓶65的挡罩63。

本实用新型进行煤层压裂渗透率实验的方法，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行胶结后压制成圆筒形的煤样，在压制时确保成型后煤样的内径与固定管34的外径相同；

（2）、煤样力学性质测试；将制作的粒径不同的煤样选取若干进行力学性质测试；

（3）、组装实验装置和气密性检测；将围压腔室46分别与围压系统和注气系统连接，注气系统和围压系统均为煤层实验技术领域常用装置，将压裂管1与压裂液注入装置连接；

（4）、实验分组与测试；对制作的煤样进行分组编号，然后将煤样装入夹持器29中进行压裂实验，压裂结束后，收集产出的煤粉，并进行烘干处理，之后对煤粉的粒径、质量以及矿物含量测试，分析压裂作用产出煤粉组成成分及煤粉产出特征，同时在压裂前后通过测试压力变化和气体流量变化，对压裂前后及煤粉排出前后的样品渗透率进行测试分析；

（5）、综合研究；通过计算机Ⅳ设定压裂工艺参数并结合实验分组，测试出不同压裂工艺参数情况下煤粉产出量、产出粒径以及煤粉中矿物含量，并结合实验测试煤样压裂前后渗透率变化特征，分析煤粉产出原因及不同地区不同粒径下煤样产出煤粉规律。

步骤（4）中煤样装入夹持器29中进行压裂测试的具体步骤为：

a）、拧下右内环44和右外环45，取下筛状垫块43，然后将煤样装入岩样卡套32的岩样填充腔38内，接着装配上筛状垫块43，最后重新将右内环44和右外环45螺纹连接在初始位置；

b）、对煤样施加围向压力；

c）、压裂液注入装置向压裂管1注入压裂液；

d）、进行压裂加载；转动驱动手柄58，驱动手柄58带动滚轮57转动，滚轮57拉动活动管33移动，最终压裂孔37、第一通孔35和第二通孔36对齐连通，压裂液由压裂孔37、第一通孔35和第二通孔36注入煤样，开始进行对煤样的压裂，压裂结束后，手动转动驱动手柄58，使第二通孔36与压裂孔37错开；接着打开注气系统开始向煤样中注气，高压气将煤样中残留的压裂液通过筛状垫块43外排出；

g）、去掉右内环44，然后增加注气压力，将煤样中的煤粉通过筛状垫块43排出至煤粉收集瓶，然后对煤粉收集瓶内的煤粉进行测试，当岩样卡套32内的煤粉排出完毕后，关闭注气系统，重新将右内环44装上，打开注气系统，对煤粉排出后的煤样进行渗透率测试，并记录结果，得出压裂后煤样渗透率。