用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置

本发明涉及煤层气开采模拟试验技术领域，尤其是碎软煤层的水压裂试验，具体而言涉及一种用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置。

背景技术：

水力压裂的基本原理是将大量混有支撑剂的高压液体通过井筒泵入储层，迫使储层破裂形成人工裂缝，使支撑剂充填裂缝，提高储层的孔渗特性。

碎软低渗煤层一直被视为地面煤层气抽采的禁区，压裂直井总体单井产量低、稳产期短、衰减快，抽采率低下，其抽采技术尚未取得突破。因此，现有技术针对碎软低渗煤层的特点，建立了顶板——煤层——底板的试样模型，在紧邻煤层的顶板岩层中布置水平井，进行水力压裂试验。试验在下伏碎软低渗煤层中形成的裂缝长度，要比直接在碎软低渗煤层中进行水力压裂形成的裂缝更长，压裂改造效果更好，证明了顶板水力压裂裂缝穿过煤岩界面进入煤层的可能性。

在实际施工时，如何确定水平井与煤层之间的距离，使水平井在能获得最优裂缝的位置，是目前亟需知晓的，因此，需要一种模拟实验装置，能探寻水平井与煤层之间处于不同距离与产生的裂缝效果之间的关系，以辅助在实际抽采施工中，确定最佳的水平井井位布置方案。

现有技术文献：

专利文献1cn105756645a-页岩中裂缝扩展的物理模拟系统及方法

技术实现要素：

本发明目的在于提供用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置，能在水力压裂的模拟实验中，获得水平井和煤层在处于不同间距时与产生的裂缝之间的关系，以求证是否存在最优的井位布置间距。

本发明提供用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置，包括：

压裂试样，被构造成具有煤层顶板层、煤层界面层和煤层；

模拟井筒，被设置在煤层顶板层内；

真三轴物理模拟实验机，用于对放置于其三轴加载室中的压裂试样进行模拟三向地应力的加载；

水力压裂伺服泵压力控制系统，用于向所述模拟井筒注入压裂液以模拟水力压裂过程；

压裂过程监测系统，用于检测并记录压裂试样在水力压裂过程中的裂缝状态；

其中，所述模拟井筒包括竖直段和至少两个在高度方向具有预定间距的水平段，多个所述模拟井的水平段设有相同的射流孔。

优选的，多个所述模拟井的水平段之间的高度差以及长度相同，各水平段中点的连线与竖直段之间的夹角为75-85°。

优选的，所述水平段设有多个均匀分布、大小相等的射流孔。

优选的，多个所述射流孔被设置在水平段的正下方，呈一字型排列，不均匀分布。

优选的，多个所述射流孔被分为若干簇并设置在水平段下半部分的弧面上。

优选的，每簇射流孔包含3个孔眼，孔眼之间间距为60°，或每簇射流孔包含5个孔眼，孔眼之间间距为30°。

优选的，多个所述水平段的其中一个设有压裂翻板，包括位于模拟井筒通道中的受压板和延伸出模拟井筒的造缝部；所述受压板和造缝部固定连接，并相对于模拟井筒转动连接，使压裂液在模拟井筒通道中流经受压板时，能使造缝部在压裂试样中造出裂纹。

优选的，所述造缝部由所述射流孔穿出模拟井筒。

优选的，所述造缝部被设置具有扁平的尖端，所述扁平的尖端平行于水平段的径向或轴向方向。

优选的，所述受压板与造缝部在径向平面内具有夹角，所述受压板倾斜于流体流入方向，在所述模拟井筒内壁设有限制受压板翻转角度的限位块。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合，只要在这样的构思不相互矛盾的情况下，都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其它方面、实施例和特征。本发明的其它附加方面，例如示例性实施方式的特征和/或有益效果，将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置中模拟井筒置于模拟试样中的示意图；

图2是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置中模拟井筒的结构示意图；

图3是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置中射流孔分布的截面结构示意图；

图4是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置中射流孔分布的结构示意图；

图5是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置中压裂翻板的结构示意图；

图6是本发明用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置中压裂翻板的另一种结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其它方面的任何适当组合来使用。

水平井在紧邻煤层的顶板岩层压裂，压裂缝能够在垂向上从高应力值的顶板岩层向下伏较低应力值的碎软低渗煤层穿层扩展和贯穿；在最大水平主应力方向上，由于相对脆性的顶板岩层裂缝尖端应力集中，压裂缝不仅在顶板岩层中易于横向延伸形成长的裂缝，而且在横向延伸的同时，也向下将下伏相对塑性的碎软低渗煤层撕扯出较长的水力裂缝。即上覆顶板岩层压裂缝横向延伸产生的撕扯作用在下伏碎软低渗煤层形成了较长的水力裂缝。但尚不能确定，水平井处于顶板岩层中什么深度时，产生的裂缝最大，或者水平井的布置位置与煤层中产生的裂缝之间的关系。

本发明旨在实现，提供一种模拟井筒，具有距离煤层不同间距的水平段，能在压裂试验中，可以获得模拟井筒在不同深度时，所产生的裂缝数据，从而帮助试验者得到模拟井筒的布置位置与煤层中产生的裂缝之间的关系。

本实施例中提供用于碎软煤层水力压裂测试的模拟装置，包括压裂试样、模拟井筒、真三轴物理模拟实验机、水力压裂伺服泵压力控制系统和压裂过程监测系统。

结合图1和图2所示，为了使得压裂试样具有代表性，对煤层以及顶板岩石和岩煤界面采集样本，并通过岩石力学试验获得包括抗压强度、抗压强度、弹性模量和泊松比等参数，构建出试样模型，结合煤层及其顶板物理力学特性和煤岩界面特性，压裂试样被构造成具有煤层顶板层100、煤层界面层200和煤层300。

本实施例中，煤层顶板层100被使用细砂和水泥混合制成，煤层界面层200被使用石膏、细砂和水泥混合制成，煤层300煤粉、细砂和水泥混合制成，压裂试样被构造成300mm*300mm*300mm的立方体，煤层顶板层100、煤层界面层200和煤层300的高度比为6:1:3。

进一步的，模拟井筒被设置在煤层顶板层100内，模拟井筒包括竖直段11和至少两个在高度方向具有预定间距的水平段12，多个模拟井的水平段12设有相同的射流孔2。

本实施例中，模拟井筒的直径被设置成外径8mm，内径6mm的钢管，被设置成如图1和图2所示的阶梯型，射流孔2的直径为2mm，其中，水平段的长度为50mm，竖直段11的长度是160mm，最低的水平段与煤层界面层200之间的间距是10mm，相邻的水平段12之间的间距是10mm。

进一步的，多个模拟井的水平段12之间的高度差以及长度相同，在可选的实施例中，水平段12之间的高度差根据试验结果而替换成不同间距的，如10mm间距压裂裂纹差距较大，可以更换成5mm间距的进行试验，各水平段12中点的连线与竖直段11之间的夹角保持在75-85°。

如此，在煤层顶板层100中构造出与煤层界面层200之间间距不同的水平段12，在水力压裂试验后，通过对形成裂缝的分析，即可获知水平井在距离煤层不同位置处时与裂缝之间的关系，以帮助在实际勘探中，将水平井施工在合适的深度，获得抽气量大的裂缝。

进一步的，将制作好的压裂试样放入到真三轴物理模拟实验机中的三轴加载室中，对压裂试样进行模拟三向地应力的加载；地应力加载由液压动力泵组组成的电液伺服装置加载，可对立方体试件的3组垂直表面单独施加压力以模拟地应力状态。

进一步的，水力压裂伺服泵压力控制系统，用于向模拟井筒注入压裂液以模拟水力压裂过程；泵注压裂液模拟可有由气水分离伺服高压泵向模拟井筒中泵注高压压裂液体，可以以恒定的排量工作，也可按照预先设定的泵注程序进行液体泵注。控制系统及量测系统均由主控计算机直接操控，全程对试验过程中的排量、注水压力等数据自动化采集。

为了在压裂过程中检测到裂缝的形成变化状态和形成后的形态，设置压裂过程监测系统，用于检测并记录压裂试样在水力压裂过程中的裂缝状态。其中，通过采集裂缝形成过程中发出的声信号并对其进行分析，来定位三维空间的裂缝信息，进而判断裂缝的起裂位置与延伸方向；同时在压裂试验之后，使用激光扫描设备扫描破坏试样内部裂纹扩展情况，观察微裂纹、孔洞等初始损伤水力压裂作用下扩展、贯通并导致宏观破坏的情况。

具体的，声音定位分析的装置使用声发射探头，声发射接受装置布置在压裂试样的八个顶点处，形成声发射三维空间定位监测，可以对声发射事件进行监测和记录。

如此，利用声发射探头对压裂试样开裂时产生的声发射信号进行接收，进而可以监测到整个压裂试样空间内的声发射事件的分布，声发射事件数量的多少与压裂裂缝的大小和多少相关。根据声发射事件的分布的疏密程度即可判定裂缝形态与走向，而且这种判定通常为采用相应的程序得出的实时信息。

进一步的，使用激光扫描仪对压裂后的试样进行断层扫描，得到试样中裂缝的模拟图，以展示出裂缝的缝长、缝高和缝宽特征，直观地观察到每个水平段12下形成的裂缝的区别，以判断出水平井在距离煤层不同位置处时与裂缝长、高和宽之间的关系。

实施例1：水平段12设有五个均匀分布、大小相等的射流孔2，五个射流孔2被设置在水平段12的正下方，呈一字型排列，射流孔2的直径为2mm，射流孔2的间距是7mm，两端的射流孔2距离该水平段12两端的间距是7mm，在压裂试验中，压裂液由射流孔2中流出，并使得附近的试块岩层在水平段12正下方获得一定的压力，当水力压裂伺服泵压力控制系统持续增压，直到该位置的达到高处岩层的最小水平应力时，岩层被撕裂产生裂缝，并由压裂液持续增压，使裂缝贯穿岩层。

实施例1本身可以形成不同高度的水平段12之间对于裂缝形成影响的对照试验，且由于在一个试样中，产生的结果相对可靠。

实施例2：为了模拟出不同间距对于裂缝形成的影响，在可选的实施例中，设置不均匀分布的孔眼射流孔2，水平段12设有四个射流孔2，其中，第一射流孔与该水平段12一端的间距是10mm，第一射流孔和第二射流孔之间的间距是15mm，第三射流孔与第二射流孔之间的间距是10mm，第四射流孔与第三射流孔之间的间距是5mm，第四射流孔与水平段12的端部之间的间距是10mm，如此，分别构造出间距为15mm、10mm和5mm的不等间距，用于判断不同间距对于压裂裂缝的影响。

通过实施例2，结合实施例1的分布，可以进一步试验不同的射流孔2间距对于裂缝形成的影响关系。

实施例3-4：结合图3和图4所示，为了获得不同射流孔2分布范围对于裂缝产生的影响，多个射流孔2被分为三簇并设置在水平段下半部分的弧面上。本实施例中，每簇射流孔包含3个孔眼，孔眼之间间距为60°，孔眼直径为5mm，每簇射流孔之间的间距是10mm，三个孔眼之间的间距是2mm；

多个射流孔2被分为三簇的设置在水平段12下半部分的弧面上，每簇射流孔包含5个孔眼，孔眼之间间距为30°，孔眼直径为3mm，孔眼之间的间距是2mm。

在实施例3和4中，试验中射流孔2的总通径相同，但每簇射流孔孔眼的分布范围不同，可以进一步试验孔眼范围不同对于产生裂缝的影响关系。

进一步的，结合图5和图6所示，由于岩层中存在天然裂缝，为了模拟出天然裂缝对于压裂过程中产生的裂缝的影响，多个水平段12的其中一个设有压裂翻板，包括位于模拟井筒通道中的受压板3和延伸出模拟井筒的造缝部31，受压板3和造缝部31固定连接，并相对于模拟井筒通过转轴32转动连接，使压裂液在模拟井筒通道中流经受压板3时，能使造缝部31在压裂试样中造出裂纹。

其中，造缝部31由射流孔2穿出模拟井筒，在试样被浇筑完成后，造缝部31和试样连接在一起，当受压板3受力时，造缝部31会产生位移，即在试样中射流孔2出液口部位造出裂缝，在可选的实施例中，造缝部31可以设置在射流孔2的一侧，即压裂液蔓延后能达到的部位，以试验得到不同位置的天然裂缝对于压裂过程的影响。

结合图6所示，优选的，造缝部32被设置具有扁平的尖端，所述扁平的尖端平行于水平段12的径向或轴向方向，即产生的天然裂缝在岩层的垂直于最小水平应力方向和平行于最小水平应力方向，以判断不同方向的裂缝对于压裂过程的影响。

实施例5：结合图2和图5所示，分别在对第一水平段中包含压裂翻板、第二水平段包含压裂翻板或第三水平段中包含压裂翻板进行三组试验，每组试验中，可以控制天然裂缝产生的方向不同(如垂直于最小水平应力方向和平行于最小水平应力方向)，并以此观察，获得天然裂缝对于裂缝产生的影响，并与实施例1进行对比，判断是天然裂缝对于压裂过程中对裂缝形成影响较大还是不同高度的水平段12之间对于裂缝形成影响大。

在本实施例中，受压板3与造缝部31在径向平面内具有夹角，受压板3倾斜于流体流入方向，在模拟井筒内壁设有限制受压板翻转角度的限位块4，以防止受压板3过度翻转，以控制天然裂缝的大小，当然，也可以通过控制造缝部31的形状，或受压板3的大小来控制天然裂缝的大小。

结合以上实施例，可以获得水平段所处的深度与煤层裂缝之间的关系、射孔的分布以及射孔的间距对于煤层裂缝之间的关系，以及天然裂缝的存在位置和方向对于煤层裂缝产生的关系，同时也可以获得上述影响因素对于裂缝产生影响的权重，以指导在煤层气抽采过程中提高生产的方向。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。