煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)及方法，其系統(tǒng)包括電子萬能試驗機、水力壓裂條件模擬裝置、氣體壓力系統(tǒng)、圍壓液壓系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)和計算機，水力壓裂條件模擬裝置由巷幫模擬機構(gòu)和巷幫周圍環(huán)境模擬機構(gòu)組成，巷幫模擬機構(gòu)包括擋板、透氣板、煤巖樣和頂卡套管，巷幫周圍環(huán)境模擬機構(gòu)包括底座、缸筒、筒蓋、下壓頭、上半凹面壓頭、上半凸面壓頭和活塞；其方法包括步驟：一、組裝煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，二、給煤巖樣加載軸壓，三、給煤巖樣加載圍壓，四、給煤巖樣加載氣體壓力，五、在頂卡套管內(nèi)露出的煤巖樣處進(jìn)行水力壓裂實驗。本發(fā)明能夠依據(jù)不同礦井地質(zhì)情況，真實模擬井下水力壓裂條件，性能穩(wěn)定可靠。
【專利說明】煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤礦井下水力壓裂【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了研究對井下煤巖體進(jìn)行水力壓裂后，瓦斯抽采的壓力和含量的變化情況，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了諸多的現(xiàn)場研究，總結(jié)起來，現(xiàn)場水力壓裂分為兩種:一種是井上水力壓裂增透；另一種是井下水力壓裂提高瓦斯抽采率。因現(xiàn)場的場地、現(xiàn)有的機械、井下的瓦斯環(huán)境和諸多實驗儀器限制入井等因素的限制，現(xiàn)場研究未能充分對影響水力壓裂效果的各個因素進(jìn)行研究，故實驗室模擬水力壓裂實驗得到了發(fā)展。但是，目前實驗室模擬水力壓裂實驗多是模擬研究沿著軸向壓力方向打鉆的井上水力壓裂增透，取得了諸多價值較高的結(jié)論和規(guī)律，而因井下壓力條件難以模擬等因素，對沿著巷幫打孔的井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)和方法研究相對簡單而且較少。如今，井下水力壓裂已成為提高瓦斯抽采率的重要手段，研究軸壓、圍壓、氣體壓力、鉆孔方位角、鉆孔傾角、鉆頭直徑、鉆孔長度、是否清洗鉆孔、水力壓裂壓力和水力壓裂時間等的井下水力壓裂因素對提高瓦斯抽采率具有重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便、且使用操作簡單、性能穩(wěn)定可靠、實用性強的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:包括電子萬能試驗機、水力壓裂條件模擬裝置、氣體壓力系統(tǒng)、圍壓液壓系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)和計算機，所述水力壓裂條件模擬裝置對中放置在電子萬能試驗機的底座上，所述電子萬能試驗機與計算機相接；
[0005]所述水力壓裂條件模擬裝置由巷幫模擬機構(gòu)和巷幫周圍環(huán)境模擬機構(gòu)組成，所述巷幫模擬機構(gòu)包括依次對接的擋板、透氣板、煤巖樣和頂卡套管，所述頂卡套管的外壁上設(shè)置有刻度，所述擋板、透氣板、煤巖樣和頂卡套管通過電工膠帶纏繞固定為一整體，所述擋板中部設(shè)置有第一進(jìn)氣通道，所述透氣板中部設(shè)置有與第一進(jìn)氣通道相連通的第二進(jìn)氣通道，所述透氣板上位于第二進(jìn)氣通道的四周設(shè)置有輻射狀的透氣孔道；所述巷幫周圍環(huán)境模擬機構(gòu)包括底座、固定連接在底座頂部的缸筒和固定連接在缸筒頂部的筒蓋，所述缸筒中部側(cè)壁上開有供巷幫模擬機構(gòu)插入的巷幫模擬機構(gòu)插入孔，所述底座頂部中間位置處設(shè)置有凹槽，所述凹槽內(nèi)放置有下壓頭，所述下壓頭的正上方從下到上依次設(shè)置有上半凹面壓頭、上半凸面壓頭和活塞，所述活塞向上穿出到筒蓋外部，且筒蓋的中間位置處設(shè)置有供活塞穿過的通孔，所述活塞的上端面位于所述電子萬能試驗機的壓頭的正下方，所述巷幫模擬機構(gòu)從所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔插入缸筒內(nèi)部，且煤巖樣對正位于下壓頭的上端面與上半凹面壓頭的下端面之間，頂卡套管卡合連接在所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)；所述底座上設(shè)置有第三進(jìn)氣通道和與第三進(jìn)氣通道相連通的氣體入口，所述下壓頭上設(shè)置有與第三進(jìn)氣通道相連通的第四進(jìn)氣通道，所述第四進(jìn)氣通道通過第一氣體傳輸管路與第一進(jìn)氣通道相連通；所述底座上設(shè)置有與缸筒內(nèi)部空間相連通的圍壓液流入通道，所述底座側(cè)部設(shè)置有與圍壓液流入通道相連通的圍壓液入口，所述缸筒側(cè)面設(shè)有排氣口，所述排氣口上連接有排氣口塞；
[0006]所述氣體壓力系統(tǒng)包括壓縮氣體罐，所述壓縮氣體罐的出氣口通過第二氣體傳輸管路與氣體入口連接，所述第二氣體傳輸管路上設(shè)置有減壓閥和氣壓表；
[0007]所述圍壓液壓系統(tǒng)包括圍壓液箱和一端與圍壓液箱連接的圍壓液流入管，所述圍壓液流入管的另一端與圍壓液入口連接，所述圍壓液流入管上連接有液壓泵和單向閥，位于液壓泵和單向閥之間的一段圍壓液流入管上連接有圍壓液溢流管，所述圍壓液溢流管上連接有圍壓液壓力表和圍壓液溢流閥，位于單向閥和圍壓液入口之間的一段圍壓液流入管上連接有圍壓液回流管，所述圍壓液回流管上連接有圍壓液回流閥；
[0008]所述水力壓裂系統(tǒng)包括水箱，所述水箱通過輸水管路與對煤巖樣進(jìn)行水力壓裂實驗時插入設(shè)置在煤巖樣上的鉆孔中的鋼管連接，所述輸水管路上設(shè)置有水泵、水閥和水壓表。
[0009]上述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述底座與下壓頭之間、底座與缸筒之間、缸筒與筒蓋之間、上半凹面壓頭與上半凸面壓頭之間、頂卡套管與缸筒之間以及筒蓋與活塞之間均設(shè)置有密封圈。
[0010]上述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述缸筒通過第一螺栓固定連接在底座頂部，所述筒蓋通過第二螺栓固定連接在缸筒頂部。
[0011]上述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述缸筒外輪廓的形狀、下壓頭外輪廓的形狀、煤巖樣外輪廓的形狀、頂卡套管外輪廓的形狀和上半凹面壓頭下部外輪廓的形狀均為長方體形，所述煤巖樣的長度與下壓頭的長度和上半凹面壓頭下部的長度相等，所述煤巖樣的寬度與下壓頭的寬度、頂卡套管外輪廓的寬度和上半凹面壓頭下部的寬度相等，所述煤巖樣的高度與頂卡套管外輪廓的高度相等。
[0012]上述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述第一氣體傳輸管路的一端通過第一快速接頭與第一進(jìn)氣通道相接，所述第一氣體傳輸管路的另一端通過第二快速接頭與第四進(jìn)氣通道相接。
[0013]本發(fā)明還提供了一種方法步驟簡單、實現(xiàn)方便能夠真實地模擬出煤礦井下煤巖體所受應(yīng)力情況以及煤礦井下煤巖體內(nèi)瓦斯自身含量和壓力的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬方法，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0014]步驟一、組裝煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其具體過程為:
[0015]步驟101、將依次對接的擋板、透氣板、煤巖樣和頂卡套管通過電工膠帶纏繞固定為一整體，組合成巷幫模擬機構(gòu)；
[0016]步驟102、將下壓頭放置在所述凹槽內(nèi)，且使第四進(jìn)氣通道與第三進(jìn)氣通道相連通，并將第一氣體傳輸管路的一端連接在第四進(jìn)氣通道上；
[0017]步驟103、將缸筒固定連接在底座頂部；
[0018]步驟104、將所述巷幫模擬機構(gòu)具有擋板的一端插入所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)，并通過觀察設(shè)置在頂卡套管外壁上的刻度，使煤巖樣對正位于下壓頭的上端面上；
[0019]步驟105、將第一氣體傳輸管路的另一端連接在第一進(jìn)氣通道上；
[0020]步驟106、將上半凹面壓頭對正放置于煤巖樣的上端面上，并在上半凹面壓頭的頂部放置上半凸面壓頭；
[0021]步驟107、將活塞穿過設(shè)置在筒蓋中間位置處的通孔中，并將筒蓋固定連接在缸筒頂部，同時保證活塞的中心與上半凸面壓頭的中心對正；
[0022]步驟108、將第二氣體傳輸管路連接到氣體入口上；
[0023]步驟109、將圍壓液流入管連接到圍壓液入口上；
[0024]步驟1010、將電子萬能試驗機與計算機連接，并將步驟101?步驟107組裝完成的水力壓裂條件模擬裝置對中放置在電子萬能試驗機的底座上，且使活塞的上端面位于所述電子萬能試驗機的壓頭的正下方；
[0025]步驟二、給煤巖樣加載軸壓:在計算機上，打開預(yù)先安裝好的電子萬能試驗機軟件，操作電子萬能試驗機軟件啟動電子萬能試驗機，并設(shè)定電子萬能試驗機的壓頭下壓活塞的速度參數(shù)和壓力參數(shù)，電子萬能試驗機的壓頭根據(jù)設(shè)定的速度參數(shù)下壓活塞，直到顯示在電子萬能試驗機軟件中的壓力參數(shù)達(dá)到設(shè)定的壓力參數(shù)；
[0026]步驟三、給煤巖樣加載圍壓:取下連接在排氣口上的排氣口塞，打開排氣口，打開圍壓液溢流閥的進(jìn)液開關(guān)，開啟所述圍壓液壓系統(tǒng)，圍壓液箱內(nèi)的圍壓液經(jīng)過第二液壓泵加壓后經(jīng)由圍壓液流入管和圍壓液入口流入缸筒內(nèi)，當(dāng)排氣口有圍壓液流出時，將排氣口塞連接在排氣口上，關(guān)閉排氣口 ；
[0027]步驟四、給煤巖樣加載氣體壓力:打開減壓閥的開關(guān)，開啟所述氣體壓力系統(tǒng)，壓縮氣體罐內(nèi)的氣體通過減壓閥減壓后經(jīng)由第二氣體傳輸管路和氣體入口進(jìn)入第一進(jìn)氣通道和第二進(jìn)氣通道內(nèi)，并進(jìn)入透氣孔道內(nèi)；
[0028]步驟五、在頂卡套管內(nèi)露出的煤巖樣處進(jìn)行水力壓裂實驗，其具體過程如下:
[0029]步驟501、用鉆頭直徑為d的電鉆機在頂卡套管內(nèi)露出的煤巖樣上打出方位角為α、傾角為β、長度為L的鉆孔；
[0030]步驟502、在所述鉆孔內(nèi)插入鋼管；
[0031]步驟503、用密封材料對所述鉆孔進(jìn)行封孔，封孔長度為η ;其中，n〈L ；
[0032]步驟504、將輸水管路連接在鋼管上；
[0033]步驟505、打開水閥，開啟所述水力壓裂系統(tǒng)，水箱內(nèi)的水通過水泵加壓后經(jīng)由輸水管路進(jìn)入鋼管中，并打到煤巖樣上，對煤巖樣進(jìn)行水力壓裂，煤巖樣上形成了內(nèi)部充滿水的裂隙；
[0034]步驟506、壓裂時間段t后，關(guān)閉水閥，關(guān)閉所述水力壓裂系統(tǒng)，將連接在鋼管上的輸水管路斷開，所述裂隙內(nèi)的水逐漸流出；
[0035]步驟507、待所述裂隙內(nèi)的水排盡后，用氣體壓力測量儀測量鋼管外露端口處的氣體壓力P，并用氣體濃度測量儀測量鋼管外露端口處的氣體濃度φ ；
[0036]步驟508、記錄所述步驟二中設(shè)定的電子萬能試驗機的壓頭下壓活塞的壓力參數(shù)，記錄所述步驟三中壓液壓力表上顯示的圍壓，記錄所述步驟四中氣壓表上顯示的氣體壓力，記錄所述步驟501中鉆頭的直徑d以及鉆孔的方位角為α、傾角為β和長度L，記錄所述步驟505中水壓表38上顯示的水力壓裂壓力，記錄所述步驟506中的壓裂時間段t，并記錄所述步驟507中測量得到的氣體壓力P和氣體濃度Φ。
[0037]上述的方法，其特征在于:所述步驟502之前還采用鉆孔清洗液清洗所述鉆孔。
[0038]上述的方法，其特征在于:所述步驟102中在將下壓頭放置在所述凹槽內(nèi)之前，先在凹槽內(nèi)放入密封圈；所述步驟103中在將缸筒固定連接在底座頂部之前，先在底座頂部放入密封圈；所述步驟104中在將所述巷幫模擬機構(gòu)具有擋板的一端插入所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)之前，先在所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)放入密封圈；所述步驟106中在將上半凸面壓頭放置在上半凹面壓頭的頂部之前，先在上半凹面壓頭內(nèi)放入密封圈；所述步驟107中在將活塞穿過設(shè)置在筒蓋中間位置處的通孔中之前，先在設(shè)置在筒蓋中間位置處的通孔中放入密封圈；所述步驟107中在將筒蓋固定連接在缸筒頂部之前，先在缸筒頂部放入密封圈。
[0039]上述的方法，其特征在于:所述步驟103中將缸筒固定連接在底座頂部是采用第二螺栓；所述步驟107中將筒蓋固定連接在缸筒頂部是采用第三螺栓。
[0040]上述的方法，其特征在于:所述步驟二中設(shè)定的電子萬能試驗機的壓頭下壓活塞的速度參數(shù)為0.4mm/min?0.6mm/min,所述步驟二中設(shè)定的電子萬能試驗機的壓頭下壓活塞的壓力參數(shù)為3MPa?5MPa。
[0041]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0042]1、本發(fā)明煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，且使用操作簡單。
[0043]2、本發(fā)明煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬方法的方法步驟簡單，實現(xiàn)方便。
[0044]3、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對軸壓和圍壓的調(diào)節(jié)，能夠依據(jù)不同礦井煤巖體的地應(yīng)力大小，真實地模擬出煤礦井下煤巖體所受地應(yīng)力情況。
[0045]4、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)氣體壓力大小的調(diào)節(jié)，能夠依據(jù)不同礦井的瓦斯儲量和壓力，真實模擬出煤礦井下煤巖體內(nèi)瓦斯自身含量和壓力。
[0046]5、本發(fā)明能夠測定原煤(即從礦井中直接采取的巖樣)經(jīng)過井下水力壓裂后其瓦斯增透情況。
[0047]6、本發(fā)明能夠為工程技術(shù)人員提供研究數(shù)據(jù)，供工程技術(shù)人員研究軸壓(即電子萬能試驗機的壓頭下壓活塞的壓力參數(shù))、圍壓、氣體壓力、鉆頭的直徑d、鉆孔的方位角α、鉆孔的傾角β、鉆孔的長度L、水力壓裂壓力和壓裂時間段t對煤巖樣水力壓裂后流出的氣體壓力P和氣體濃度φ的影響規(guī)律，進(jìn)而得到提高流出的氣體濃度Φ的方法，并最終提高瓦斯抽米率。
[0048]7、本發(fā)明的實現(xiàn)成本低，性能穩(wěn)定可靠，實用性強，便于推廣使用。
[0049]綜上所述，本發(fā)明實現(xiàn)方便，能夠依據(jù)不同礦井地質(zhì)情況，真實地模擬井下水力壓裂條件，能夠測定軸壓、圍壓、氣體壓力等參數(shù)對井下水力壓裂增透效果的影響和規(guī)律，性能穩(wěn)定可靠，有助于提高瓦斯抽采率，便于推廣使用。
[0050]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0052]圖2為本發(fā)明水力壓裂條件模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。[0053]附圖標(biāo)記說明:
【權(quán)利要求】
1.一種煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:包括電子萬能試驗機(40)、水力壓裂條件模擬裝置(41)、氣體壓力系統(tǒng)、圍壓液壓系統(tǒng)、水力壓裂系統(tǒng)和計算機(42)，所述水力壓裂條件模擬裝置(41)對中放置在電子萬能試驗機(40)的底座上，所述電子萬能試驗機(40)與計算機(42)相接； 所述水力壓裂條件模擬裝置(41)由巷幫模擬機構(gòu)和巷幫周圍環(huán)境模擬機構(gòu)組成，所述巷幫模擬機構(gòu)包括依次對接的擋板(I)、透氣板(2)、煤巖樣(3)和頂卡套管(4)，所述頂卡套管(4)的外壁上設(shè)置有刻度，所述擋板(I)、透氣板(2)、煤巖樣(3)和頂卡套管(4)通過電工膠帶纏繞固定為一整體，所述擋板(I)中部設(shè)置有第一進(jìn)氣通道(5)，所述透氣板(2)中部設(shè)置有與第一進(jìn)氣通道(5)相連通的第二進(jìn)氣通道(6)，所述透氣板(2)上位于第二進(jìn)氣通道(6)的四周設(shè)置有輻射狀的透氣孔道(7);所述巷幫周圍環(huán)境模擬機構(gòu)包括底座(8)、固定連接在底座(8)頂部的缸筒(9)和固定連接在缸筒(9)頂部的筒蓋(10)，所述缸筒(9)中部側(cè)壁上開有供巷幫模擬機構(gòu)插入的巷幫模擬機構(gòu)插入孔，所述底座(8)頂部中間位置處設(shè)置有凹槽，所述凹槽內(nèi)放置有下壓頭(11)，所述下壓頭(11)的正上方從下到上依次設(shè)置有上半凹面壓頭(39)、上半凸面壓頭(12)和活塞(13)，所述活塞(13)向上穿出到筒蓋(10)外部，且筒蓋(10)的中間位置處設(shè)置有供活塞(13)穿過的通孔，所述活塞(13)的上端面位于所述電子萬能試驗機(40)的壓頭的正下方，所述巷幫模擬機構(gòu)從所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔插入缸筒(9)內(nèi)部，且煤巖樣(3)對正位于下壓頭(11)的上端面與上半凹面壓頭(39)的下端面之間，頂卡套管(4)卡合連接在所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)；所述底座(8)上設(shè)置有第三進(jìn)氣通道(14)和與第三進(jìn)氣通道(14)相連通的氣體入口( 15)，所述下壓頭 (11)上設(shè)置有與第三進(jìn)氣通道(14)相連通的第四進(jìn)氣通道(16)，所述第四進(jìn)氣通道(16)通過第一氣體傳輸管路(17)與第一進(jìn)氣通道(5)相連通；所述底座(8)上設(shè)置有與缸筒(9)內(nèi)部空間相連通的圍壓液流入通道(18)，所述底座(8)側(cè)部設(shè)置有與圍壓液流入通道(18)相連通的圍壓液入口(19)，所述缸筒(9)側(cè)面設(shè)有排氣口(20)，所述排氣口(20)上連接有排氣口塞(21)； 所述氣體壓力系統(tǒng)包括壓縮氣體罐(22)，所述壓縮氣體罐(22)的出氣口通過第二氣體傳輸管路(23)與氣體入口( 15)連接，所述第二氣體傳輸管路(23)上設(shè)置有減壓閥(24)和氣壓表(25)； 所述圍壓液壓系統(tǒng)包括圍壓液箱(26)和一端與圍壓液箱(26)連接的圍壓液流入管(27)，所述圍壓液流入管(27)的另一端與圍壓液入口(19)連接，所述圍壓液流入管(27)上連接有液壓泵(28)和單向閥(43)，位于液壓泵(28)和單向閥(43)之間的一段圍壓液流入管(27)上連接有圍壓液溢流管(29)，所述圍壓液溢流管(29)上連接有圍壓液壓力表(30)和圍壓液溢流閥(31)，位于單向閥(43)和圍壓液入口(19)之間的一段圍壓液流入管(27)上連接有圍壓液回流管(32)，所述圍壓液回流管(32)上連接有圍壓液回流閥(33); 所述水力壓裂系統(tǒng)包括水箱(34)，所述水箱(34)通過輸水管路(35)與對煤巖樣(3)進(jìn)行水力壓裂實驗時插入設(shè)置在煤巖樣(3)上的鉆孔中的鋼管(47)連接，所述輸水管路(35)上設(shè)置有水泵(36 )、水閥(37 )和水壓表(38 )。
2.按照權(quán)利要求1所述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述底座(8)與下壓頭(11)之間、底座(8)與缸筒(9)之間、缸筒(9)與筒蓋(10)之間、上半凹面壓頭(39)與上半凸面壓頭(12)之間、頂卡套管(4)與缸筒(9)之間以及筒蓋(10)與活塞(13 )之間均設(shè)置有密封圈(44 )。
3.按照權(quán)利要求1所述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述缸筒(9 )通過第一螺栓(45 )固定連接在底座(8 )頂部，所述筒蓋(10 )通過第二螺栓(46 )固定連接在缸筒(9)頂部。
4.按照權(quán)利要求1所述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述缸筒(9)外輪廓的形狀、下壓頭(11)外輪廓的形狀、煤巖樣(3)外輪廓的形狀、頂卡套管(4)外輪廓的形狀和上半凹面壓頭(39)下部外輪廓的形狀均為長方體形，所述煤巖樣(3)的長度與下壓頭(11)的長度和上半凹面壓頭(39)下部的長度相等，所述煤巖樣(3)的寬度與下壓頭(11)的寬度、頂卡套管(4)外輪廓的寬度和上半凹面壓頭(39)下部的寬度相等，所述煤巖樣(3)的高度與頂卡套管(4)外輪廓的高度相等。
5.按照權(quán)利要求1所述的煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其特征在于:所述第一氣體傳輸管路(17)的一端通過第一快速接頭與第一進(jìn)氣通道(5)相接，所述第一氣體傳輸管路(17)的另一端通過第二快速接頭與第四進(jìn)氣通道(16)相接。
6.一種利用如權(quán)利要求1所述模擬系統(tǒng)進(jìn)行煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、組裝煤礦井下水力壓裂實驗實驗室模擬系統(tǒng)，其具體過程為: 步驟101、將依次對接的擋板(I)、透氣板(2)、煤巖樣(3)和頂卡套管(4)通過電工膠帶纏繞固定為一整體，組合成巷幫模擬機構(gòu)； 步驟102、將下壓頭( 11)放置在所述凹槽內(nèi)，且使第四進(jìn)氣通道(16)與第三進(jìn)氣通道(14)相連通，并將第一氣體傳輸管路(17)的一端連接在第四進(jìn)氣通道(16)上； 步驟103、將缸筒(9)固定連接在底座(8)頂部； 步驟104、將所述巷幫模擬機構(gòu)具有擋板(I)的一端插入所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)，并通過觀察設(shè)置在頂卡套管(4)外壁上的刻度，使煤巖樣(3)對正位于下壓頭(11)的上端面上； 步驟105、將第一氣體傳輸管路(17)的另一端連接在第一進(jìn)氣通道(5)上； 步驟106、將上半凹面壓頭(39)對正放置于煤巖樣(3)的上端面上，并在上半凹面壓頭(39)的頂部放置上半凸面壓頭(12)； 步驟107、將活塞(13)穿過設(shè)置在筒蓋(10)中間位置處的通孔中，并將筒蓋(10)固定連接在缸筒(9)頂部，同時保證活塞(13)的中心與上半凸面壓頭(12)的中心對正； 步驟108、將第二氣體傳輸管路(23)連接到氣體入口(15)上； 步驟109、將圍壓液流入管(27)連接到圍壓液入口(19)上； 步驟1010、將電子萬能試驗機(40)與計算機(42)連接，并將步驟101~步驟107組裝完成的水力壓裂條件模擬裝置(41)對中放置在電子萬能試驗機(40)的底座上，且使活塞(13)的上端面位于所述電子萬能試驗機(40)的壓頭的正下方；步驟二、給煤巖樣(3)加載軸壓:在計算機(42)上，打開預(yù)先安裝好的電子萬能試驗機軟件，操作電子萬能試驗機軟件啟動電子萬能試驗機(40)，并設(shè)定電子萬能試驗機(40)的壓頭下壓活塞(13)的速度參數(shù)和壓力參數(shù)，電子萬能試驗機(40)的壓頭根據(jù)設(shè)定的速度參數(shù)下壓活塞(13)，直到顯示在電子萬能試驗機軟件中的壓力參數(shù)達(dá)到設(shè)定的壓力參數(shù)；步驟三、給煤巖樣(3)加載圍壓:取下連接在排氣口(20)上的排氣口塞(21)，打開排氣口(20)，打開圍壓液溢流閥(31)的進(jìn)液開關(guān)，開啟所述圍壓液壓系統(tǒng)，圍壓液箱(26)內(nèi)的圍壓液經(jīng)過第二液壓泵(37)加壓后經(jīng)由圍壓液流入管(27)和圍壓液入口(19)流入缸筒(9)內(nèi)，當(dāng)排氣口(20)有圍壓液流出時，將排氣口塞(21)連接在排氣口(20)上，關(guān)閉排氣口(20)； 步驟四、給煤巖樣(3)加載氣體壓力:打開減壓閥(24)的開關(guān)，開啟所述氣體壓力系統(tǒng)，壓縮氣體罐(22)內(nèi)的氣體通過減壓閥(24)減壓后經(jīng)由第二氣體傳輸管路(23)和氣體入口(15)進(jìn)入第一進(jìn)氣通道(5)和第二進(jìn)氣通道(6)內(nèi)，并進(jìn)入透氣孔道(7)內(nèi)； 步驟五、在頂卡套 管(4)內(nèi)露出的煤巖樣(3)處進(jìn)行水力壓裂實驗，其具體過程如下:步驟501、用鉆頭直徑為d的電鉆機在頂卡套管(4)內(nèi)露出的煤巖樣(3)上打出方位角為ct、傾角為β、長度為L的鉆孔； 步驟502、在所述鉆孔內(nèi)插入鋼管(47)； 步驟503、用密封材料對所述鉆孔進(jìn)行封孔，封孔長度為η ;其中，n〈L ； 步驟504、將輸水管路(35)連接在鋼管(47)上； 步驟505、打開水閥(37 )，開啟所述水力壓裂系統(tǒng)，水箱(34)內(nèi)的水通過水泵(36 )加壓后經(jīng)由輸水管路(35)進(jìn)入鋼管(47)中，并打到煤巖樣(3)上，對煤巖樣(3)進(jìn)行水力壓裂，煤巖樣(3)上形成了內(nèi)部充滿水的裂隙； 步驟506、壓裂時間段t后，關(guān)閉水閥(37)，關(guān)閉所述水力壓裂系統(tǒng)，將連接在鋼管(47)上的輸水管路(35)斷開，所述裂隙內(nèi)的水逐漸流出； 步驟507、待所述裂隙內(nèi)的水排盡后，用氣體壓力測量儀測量鋼管(47)外露端口處的氣體壓力P，并用氣體濃度測量儀測量鋼管(47)外露端口處的氣體濃度Φ ； 步驟508、記錄所述步驟二中設(shè)定的電子萬能試驗機(40)的壓頭下壓活塞(13)的壓力參數(shù)，記錄所述步驟三中壓液壓力表(30)上顯示的圍壓，記錄所述步驟四中氣壓表(25)上顯示的氣體壓力，記錄所述步驟501中鉆頭的直徑d以及鉆孔的方位角為α、傾角為β和長度L，記錄所述步驟505中水壓表38上顯示的水力壓裂壓力，記錄所述步驟506中的壓裂時間段t，并記錄所述步驟507中測量得到的氣體壓力P和氣體濃度Φ。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟502之前還采用鉆孔清洗液清洗所述鉆孔。
8.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟102中在將下壓頭(11)放置在所述凹槽內(nèi)之前，先在凹槽內(nèi)放入密封圈(44);所述步驟103中在將缸筒(9)固定連接在底座(8)頂部之前，先在底座(8)頂部放入密封圈(44);所述步驟104中在將所述巷幫模擬機構(gòu)具有擋板(I)的一端插入所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)之前，先在所述巷幫模擬機構(gòu)插入孔內(nèi)放入密封圈(44);所述步驟106中在將上半凸面壓頭(12)放置在上半凹面壓頭(39)的頂部之前，先在上半凹面壓頭(39)內(nèi)放入密封圈(44);所述步驟107中在將活塞(13)穿過設(shè)置在筒蓋(10)中間位置處的通孔中之前，先在設(shè)置在筒蓋(10)中間位置處的通孔中放入密封圈(44);所述步驟107中在將筒蓋(10)固定連接在缸筒(9)頂部之前，先在缸筒(9)頂部放入密封圈(44)。
9.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟103中將缸筒(9)固定連接在底座(8)頂部是采用第二螺栓(45);所述步驟107中將筒蓋(10)固定連接在缸筒(9)頂部是采用第三螺栓(46)。
10.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟二中設(shè)定的電子萬能試驗機(40)的壓頭下壓活塞(13)的速度參數(shù)為0.4mm/min~0.6mm/min,所述步驟二中設(shè)定的電子萬能試驗機(40)的壓 頭下壓活塞(13)的壓力參數(shù)為3MPa~5MPa。
【文檔編號】G01N33/00GK103940962SQ201410150621
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】張?zhí)燔? 任金虎, 李樹剛, 于勝紅, 趙佩佩, 宋爽, 李偉, 成小雨, 崔巍, 張磊 申請人:西安科技大學(xué)