用于水力压裂实验的煤岩试样及其制作方法与流程

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种用于水力压裂实验的煤岩试样及其制作方法。

背景技术：

煤层气作为危害煤炭开采安全的主要因素之一，同时其作为一种清洁能源已经在全世界范围内得到了较为广泛的使用。由于煤层气赋存的煤岩具有厚度薄、强度低、节理发育、煤岩和煤矸石夹层交替出现等特征，给利用水力压裂进行煤层气开采带来了技术挑战。利用室内物理实验对水力压裂条件下裂缝扩展规律及其控制参数进行研究是确定和优化煤层气水力压裂施工参数和工艺有效方法之一。但是目前对实验过程中所用到煤岩试样制作主要存在以下两个方面的难题。

(1)大尺寸煤岩试样获取比较困难。为了降低模型边界效应对实验结果的影响，实际室内水力压裂物模实验中用到的煤岩试样尺寸一般可以达到30cm×30cm×30cm(正方体的长宽高)，甚至更大。目前国内煤矿主要采用综采方式进行采煤而炮采较少，这就导致煤矿采出的煤以较小的颗粒和块状为主，尺寸不能满足水力压裂实验需要。

(2)原岩试样物性参数可控性较差。在室内物模实验时往往需要对煤岩的某一个物性参数进行一系列取值以确定该参数对水力压裂裂缝扩展规律的影响，例如，孔隙度，这对原岩煤岩试样很难实现，影响了实验的效果。同时，实际煤层中存在大量煤矸石层，对煤层气水力压裂裂缝扩展也具有较大的影响，而实际原岩取样时却很难将煤矸石层包含在试样中。

基于上述原因，亟需发明一种用于水力压裂实验的煤岩试样及其制作方法，降低水力压裂实验用的大尺寸煤岩试样的制作难度、实现对煤岩结构和物性参数的可控，以提高室内物模实验结果与实际情况的吻合度。

技术实现要素：

针对煤层气水力压裂室内物模实验中大尺寸原煤岩试样获取难度大、煤岩结构和物性参数不可控等技术难题，本发明提供一种用于水力压裂实验的煤岩试样及其制作方法，降低水力压裂实验的煤岩试样制作成本和实现对煤岩试样结构和物性参数可控，满足实验要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

用于水力压裂实验的煤岩试样，煤岩试样为由煤粉与煤矸石粉分层压制而成的正方体结构，其中：煤粉层和煤矸石层交替出现，根据实验目的和要求可以对煤粉层和煤矸石粉层的厚度进行调整，在煤岩试样正方体顶面中心竖直向下开设圆孔，圆孔内安装有圆管短节，圆管短节底端均匀对称地分布割缝，圆管短节与圆孔之间的孔隙采用密封胶填充，圆管短节与圆孔牢固地粘结在一起，圆管短节顶部安装有转换接头。

上述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，包括以下步骤：

(1)、制作煤粉和煤矸石粉

(2)、制作模具

(3)、煤岩试样压制与烘干

(4)、钻孔

(5)、安装圆柱短节和转换接头。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：适用范围广，可以用于正方体、长方体、圆柱体以及其他形状煤岩试样的压制；原理简洁、明确、可操作性强，可以实现对煤岩结构和物性参数进行较为精准的控制，易于批量化生产。

附图说明

图1是用于水力压裂实验的煤岩试样示意图；

图2是转换接头正剖面图；

图中：1、转换接头，2、圆管短节，3、密封胶，4、圆孔，5、煤粉层，6、煤矸石层，7、割缝。

具体实施方式

如图1、图2所示，用于水力压裂实验的煤岩试样，煤岩试样为由煤粉与煤矸石粉分层压制而成的正方体结构，煤粉层和煤矸石层交替出现，长宽高均为30cm，煤岩试样共有五层，由上至下依次为煤粉层、煤矸石粉层、煤粉层、煤矸石粉层和煤粉层，厚度分别为9cm、1.5cm、9cm、1.5cm和9cm，根据实验目的和要求可以对煤粉层和煤矸石粉层的厚度进行调整，煤粉和煤矸石粉颗粒粒径为50-70目。

在煤岩试样正方体顶面中心竖直向下开设圆孔4，圆孔直径为3cm、深度为18cm，圆孔孔壁粗糙度为0.03cm；该圆孔4内安装有圆管短节2，圆管短节2外径为2cm、壁厚为2mm、长度为17.5cm，圆管短节2底端均匀对称地分布有四条宽度为0.2mm、长度为20mm的割缝7；圆管短节2底部与圆孔4底部有1cm的间隙，间隙被砂子填充；圆管短节2与圆孔之间的孔隙采用密封胶3填充，圆管短节2与圆孔4牢固地粘结在一起。

圆管短节2顶部安装有转换接头1，通过转换接头1向试样内部泵注压裂液，转换接头1采用阶梯型结构的转换接头可以较为精确地控制压裂液注入压力和速度。

上述用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，包括以下步骤：

(1)、制作煤粉和煤矸石粉

分别选取50公斤煤岩和煤矸石的块状体，调整粉碎机粉碎参数使得粉碎后颗粒直径主要分布在50-70目之间，提高粉碎后颗粒的利用率；利用筛孔尺寸为70目的筛子对粉碎后的煤岩和煤矸石进行筛分，保留颗粒直径为70目以上的部分进行第二次筛分；利用筛孔尺寸为50目的筛子对上次筛选得到的70目以上的颗粒再次进行筛分，保留粒径为50目以下的部分，得到粒径为50-70目粒径的煤粉和煤矸石粉；

(2)、制作模具

利用壁厚为2cm的钢板组装成一个内部尺寸分别为30cm×30cm×32cm的长方体模具，其中模具高度为32cm；钢板承载100MPa时，变形量不大于0.01mm；该模具只有底板和四个垂直壁面板，没有顶盖，用于向模具中加注煤岩、煤矸石颗粒和施加压制荷载；模具底板和四个垂直壁面板上分布有直径为2mm的贯穿圆孔，用于试样压制过程中排水；

(3)、煤岩试样压制与烘干

S1、从下至上，第一煤岩层压制

将煤岩颗粒与水充分混合，加入到模具中至模具底板10cm高度位置处，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，卸掉载荷，拿掉加载板，测量压制后煤岩颗粒高度；根据测量压制后煤岩颗粒高度调整加入煤岩颗粒与水充分混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量压制后煤岩颗粒高度；重复上述过程，直至压制后煤岩颗粒高度约为9cm，允许±0.5cm误差；

S2、从下至上，第一煤矸石层压制

加入与水充分混合后的煤矸石粉颗粒至模具高度12cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；根据厚度测量值调整加入煤矸石粉颗粒与水混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；重复上述过程，直至煤矸石粉层厚度高度约为1.5cm，允许±0.2cm误差，此时试样总高度约为10.5cm；

S3、从下至上，第二煤岩层压制

加入与水充分混合后的煤岩颗粒至模具高度20.5cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，卸掉载荷，拿掉加载板，测量压制后煤岩颗粒高度；根据测量压制后煤岩颗粒高度调整加入煤岩颗粒与水充分混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量压制后煤岩颗粒高度；重复上述过程，直至压制后煤岩颗粒高度约为9cm(允许±0.5cm误差)，此时试样总高度约为19.5cm；

S4、从下至上，第二煤矸石层压制

加入与水充分混合后的煤矸石粉颗粒至模具高度22.5cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；根据厚度测量值调整加入煤矸石粉颗粒与水混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；重复上述过程，直至煤矸石粉层厚度高度约为1.5cm(允许±0.2cm误差)，此时试样总高度约为21cm；

S5、从下至上，第三煤岩层压制

加入与水充分混合后的煤岩颗粒至模具高度31cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，卸掉载荷，拿掉加载板，测量压制后煤岩颗粒高度；根据测量压制后煤岩颗粒高度调整加入煤岩颗粒与水充分混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量压制后煤岩颗粒高度；重复上述过程，直至压制后煤岩颗粒高度约为9cm(允许±0.1cm误差)，此时试样总高度约为30cm；

S6、试样脱模和烘干

试样压制完成后，脱模，将试样放入烘干箱内进行烘干，烘干温度设定为105℃、时间为24小时，烘干结束后取出试样进行称重，密封，留作后续实验使用。

(4)、钻孔

采用固定式水钻在压制完成的试样顶面中心竖直向下钻一个直径为3cm、深度为18cm的圆孔，孔壁粗糙度为0.03cm；钻孔完成后将该试样放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为105℃、时间为24小时；烘干结束后，取出试样，密封，留作后续实验使用；

(5)、安装圆柱短节和转换接头

制作一个长度为17.5cm、外直径为2cm的钢管短节，钢管短节壁厚为2mm，短节一端均匀对称地分布着四条割缝；割缝长度为2cm、宽度为0.2mm；用棉絮将割缝及割缝端管口堵住，确保密封胶不会进行割缝和管内；圆管短节另外一端安装上转换接头，用于实验过程中与压裂液注入管相连，注入压裂液；向圆孔内注入石英砂，高度为1cm；然后向圆孔内注入密封胶至圆孔口，将圆管短节缓缓插入圆孔中，直至不能插入为止，并确保圆管短节中轴线与圆孔相重合；候凝24小时，对圆孔边缘的密封胶进行打磨使之与试样端面平齐。

至此，用于水力压裂实验的煤岩试样制作完成，该试样利用煤层气藏原始材料制作完成，具有原理简单、操作步骤明确、可操作性强等优点。室内实验表明通过调整相关制作参数可以使得制作完成的试样与实际原岩的力学相似性达到90％以上。