煤层气井水力压裂过程地应力变化模拟装置的制作方法

本实用新型属于煤层气开发技术领域，尤其涉及一种煤层气井水力压裂过程地应力变化模拟装置。

背景技术：

煤层气资源在我国的资源储量极其丰富，也是国家大力鼓励开发的一种新型能源。其开发不仅可以在一定程度上弥补我国常规能源的不足，而且可以大大减少常规燃料燃烧造成的环境污染，又可以有效降低煤层瓦斯含量，减少煤矿安全事故的发生。因此，加强煤层气资源的开发具有重要的经济、社会、安全意义。

我国煤储层的地质特点决定了我国的煤层气开发离不开储层改造，只有通过储层改造，提高了煤储层的透气性，才能实现煤层气的顺利产出。储层改造过程大量压裂液的注入会引起地应力的再分布，应力的再分布主要引起两种结果：一是引起主应力方向发生改变，在后期压裂过程中裂缝形态及延伸方向发生改变；二是引起煤储层中存在应力集中区，在后期煤矿开采中，增加了煤层的突出危险性。因此，要想取得较好的压裂效果和消突效果，进行压裂过程中地应力变化特征测试研究变得极其重要。而由于我国的煤层气开发研究起步较晚，对压裂过程中地应力变化特征研究较少，尤其压裂过程中应力动态变化特征研究更少，缺乏行之有效的测试方法。因此，迫切需要一种装置或工艺可以有效解决压裂过程中地应力测试难的问题。这对有效提高煤储层水力压裂效果、减少煤矿井下突出事故的发生具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型针对目前压裂过程中地应力变化难以测试的问题，本实用新型提出了一种煤层气井水力压裂过程地应力动态变化模拟装置，通过该装置可以在实验室实现不同地质条件、不同压裂工艺下地应力动态变化特征研究。对提高煤储层改造效果，促进煤层气产业快速发展具有重要指导意义。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：煤层气井水力压裂过程地应力变化模拟装置，包括加载系统、压裂系统以及对加载、压裂参数进行控制的控制系统和对加载过程煤样地应力参数进行测试的测试系统。

所述的加载系统包括加载板14和承重板18以及在加载板14和承重板18外围环绕的钢缆15、千斤顶17。

所述的加载板14、承重板18，在其两端分别对应焊接有控制片13，并在控制片13设计有钢缆导槽12。

所述测试系统包括均匀分布在煤样内部的应力传感器19以及将应力测试数据传输到计算机1的导线24。

所述压裂系统中水箱10、气瓶11中流体经过加压泵3加压以后，经过高压管线5注入到煤样中。

所述高压管线5上安装有总阀门6、流量计7、压力表8。

采用上述技术方案，动力系统主要是提供水力压裂过程中所需要的动力。加压泵可以将水或者气加压以后通过高压管线注入到煤样中，近似模拟了现场实际压裂过程中。在注入过程中可以注入单一的水、单一的气以及气、水混合注入等。

控制系统主要是实现注入参数、加载参数的控制。在压裂过程中，为了实现对注入压力以及流量的监测与控制，在高压管线上的分别安装有压力表、流量计、阀门进行监测，并将监测结果实时传输到计算机，实现自动控制。为了对气、水实现不同控制，在其管线上分别安装有阀门，可以实现分别控制。在进行周围应力加载时，为了实现外围应力的实时监测，在三个加载方向的千斤顶下部均安装了应力传感器，并通过导线将检测结果传到计算机实现实时记录。

加载系统主要是实现三个方向的应力加载。为了实现对煤样周围三个方向应力的分别加载，在煤样周围设计了三组加载板和承重板。在每个加载板中部均匀的安装有两个千斤顶，并对应有两根钢缆分别绕过两个千斤顶和该组加载板和承重板。在进行应力加载时，随着千斤顶启动，支撑杆不断上升，将固定长度的钢缆逐渐拉紧，引起加载板和承重板之间的距离逐渐减小，两者之间的煤样逐渐被压实。为了避免加载过程中由于加载板和承重板相互接触，难以继续加载导致的煤样未被压实、未达到足够的应力的问题，设计的加载板和承重板长度和宽度均小于煤样实际长度和宽度。为了避免三个加载方向的钢缆相互影响，在加载板和承重板上不同位置设置了三组（每组四个是相同的）不同长度的控制片和钢缆导槽，这样增加了加载板和承重板在对应方向上的长度，避免了加载时钢缆在其它方向接触煤样或者钢缆之间相互影响（如图3-图5所示）。为了避免煤样同一面受力不均，在加载过程中只有两个传感器都达到预定应力值时才可以进行下一步实验。

测试系统主要是对水力压裂过程中地应力动态变化进行监测。为了实现对水力压裂过程中地应力的动态变化进行监测，在煤样内部均匀的布置了64个应力监测点，这些监测点通过导线进行连接，将监测数据传输到计算机进行保存。在水力压裂过程中，这些监测点可以对其所处位置的地应力变化进行动态的监测与记录，进而可以掌握压裂过程中不同位置在不同时刻的地应力特征。

本实用新型可以对煤层气井水力压裂过程中不同压裂工艺下地应力动态变化进行模拟测试，该装置的合理设计具有一下优点：

（1）加载系统的合理设计，实现了三个方向上不同应力值的分别加载，更接近于现场实际。

（2）应力传感器的合理设计，实现了对压裂过程中不同位置、不同时间地应力变化的动态监测。

（3）该装置实现了水力压裂过程中地应力的动态监测，为水力压裂理论研究和现场施工参数的优化提供了指导。

附图说明

图1 煤层气井水力压裂过程地应力变化模拟装置

图2 不含应力加载系统示意图

图3垂向应力加载

图4 X方向应力加载

图5 Y方向应力加载

图6 应力传感器布置图

具体实施步骤

如图1~图4所示，本实用新型煤层气井水力压裂过程地应力变化模拟装置包括加载系统、压裂系统以及对加载、压裂参数进行控制的控制系统和对加载过程煤样地应力参数进行测试的测试系统。

加载系统包括加载板14和承重板18以及在加载板14和承重板18外围环绕的钢缆15、千斤顶17。

加载板14、承重板18，在其两端分别对应焊接有控制片13，并在控制片13设计有钢缆导槽12。

测试系统包括均匀分布在煤样内部的应力传感器19以及将应力测试数据传输到计算机1的导线24。

压裂系统中水箱10、气瓶11中流体经过加压泵13加压以后，经过高压管线5注入到煤样中。

高压管线5上安装有总阀门6、流量计7、压力表8。

动力系统主要是提供水力压裂过程中所需要的动力。水箱10、气瓶11中的水和气经过加压泵3加压以后通过高压管线5注入到煤样内部。当高压管线5进入到煤样内部，在其穿过加载板14A时，为了保持较好的密封性，在高压管外部与14A之间充填密封胶确保良好的密封。

控制系统主要是实现注入参数、加载参数的控制。在压裂过程中为了实现对注入压力的控制，在高压管线5上分别安装有压力表8、流量计7、总阀门6，这些装置通过电缆与计算机相连接，可以通过计算实现自动控制。同时为了实现对气、水注入的分别控制，在水箱10、气瓶11与加压泵3之间分别安装有第二阀门9、第一阀门2。在进行外围应力加载时，为了实现对三个方向加载应力的测试，在三个加载方向的千斤顶17下部都安装有应变片式应力传感器，将测试数据通过连接电缆16进行实时传出。

加载系统主要是实现三个方向的应力加载。加载板14和承重板18分别为脆性较高的厚钢板制成，具有较大的强度，且难以发生变形。其形状和煤样形状相似，通常以正方体煤样为主，加载板14和承重板18也对应以正方形为主，其长度要小于煤样的长度，并根据加载应力，确定合适的减小量。控制片13的材料和加载板14相同，以矩形为主，通过焊接固定在加载板14和承重板18的指定位置。控制片13上的钢缆导槽12采用切割或钻孔的方式制成。钢缆15采用多股钢丝合并制成，其强度要满足实验强度要求，并留有一定的富裕度。千斤顶采用常规千斤顶，并在其顶部刻制凹槽，可以引导钢缆通过，避免钢缆在其他方向活动。应力传感器在进行加载前放置在千斤顶17和加载板14之间，并通过连接电缆16进行连接，将监测结果实时传到计算机进行记录。

测试系统主要是对水力压裂过程中地应力动态变化进行监测。这些应力监测点为应变式应力传感器19，在煤样制作过程中均匀的分布在煤样内部。煤样主要以型煤煤样为主，也可以采用相似材料替代煤样。应力传感器19将监测到的数据通过导线24汇集以后，连接到电缆4，传回计算机1进行动态记录。

本实用新型具体操作步骤为：

该系统可以进行单一水力压裂过程地应力的动态监测，也可以进行气体压裂、其它流体压裂以及气、水混合压裂过程地应力的动态监测。在此，仅以单一水力压裂为例进行说明。

（1）按照煤样制作要求进行煤样的制作，并在制作过程中完成应力传感器的布置。

（2）在煤样外围安装三个方向的应力加载装置。

（3）调节千斤顶，直至三个方向的应力值均达到预定值。

（4）连接好设备，进行试压，对系统进行进一步检查。

（5）启动计算机、压力表、流量计，打开总阀门和第二阀门。启动加压泵，开始按照预定压力进行压裂。

（6）在压裂过程中，对应力传感器的监测数据进行采集与记录，直至压裂结束。

（7）对装置进行清理，对测试结果进行分析。

据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。