模擬煤層壓裂作用排采煤粉變化監測裝置的制作方法

本實用新型屬于煤礦安全技術領域，具體涉及一種模擬煤層壓裂作用排采煤粉變化監測裝置。

背景技術：

為了開發我國豐富的煤層氣資源，我國煤層氣工作者在借鑒美國等國家煤層氣開發成功經驗基礎上，經過三十余年的煤層氣基礎理論研究與勘探開發實踐，逐漸形成了“有利區塊優選-鉆井-壓裂-排水采氣”的煤層氣勘探開發基礎思路，在此基本思想指導下我國地面煤層氣年產氣量由2006年的1億m³增加到2015年的44.25億m³，煤層氣年產氣量以每年20%～30%的速度遞增。在煤層氣產量迅猛增加的同時，煤層氣開發深度由原來的400～600m為主到目前的700～1000m為主。隨著煤層氣開發深度的增加，煤層所受壓力顯著增加，煤的變形程度增加，導致煤層氣井排采時煤粉產出量明顯增加。排采初期，煤層氣井的主要任務是排水降壓，此階段裂隙中煤粉可能會隨著水產出。煤粉產出一方面可能使煤層裂隙寬度增加；另一方面缺少了煤粉的支撐，裂隙的支撐能力下降，裂隙寬度可能減少。在雙重作用下，變形程度差異導致排水階段煤粉產出量與滲透率關系變得復雜。進入產氣階段，游離氣的壓力和沖力作用可能使煤層中的煤粉進一步產出，煤儲層滲透率的大小既與煤粉產出量有關，同時又與氣體解吸、有效應力有關，滲透率與煤粉產出量關系更加復雜。確定產水階段和產氣階段煤粉產出量與滲透率的關系，能為合理制定排采工作制度奠定基礎，以便更有利于煤層氣井的產氣。

為了查明煤層氣井不同排采階段煤粉產出量與壓差、水量、氣量的關系，我國煤層氣工作者曾借助壓裂模擬設備，鋪置不同的支撐劑和煤粉，在不同壓差和流量下測試煤粉、支撐劑的產出量，并建立數學模型得出煤粉產出臨界條件。該方法最大缺陷在于無法模擬煤層本身屬性條件及所處圍巖條件，導致模擬結果與實際存在較大差異。一些研究者采用三軸夾持器設置不同的圍壓和軸壓，模擬煤儲層所受應力環境；鉆取煤柱通過不同壓差來測試煤粉產出量。但煤層氣井在排采前要經過儲層改造，改造后煤樣力學性質與原始狀態下差異較大，這種測試方法導致與實際偏差較大，無法真正有效地指導現場排采。因此亟需一種設備，既能模擬壓裂作用后煤體情況，又能模擬煤層所受應力狀態，測試不同排采階段煤粉產出量，更科學有效的指導煤層氣井排采制度的制定。

技術實現要素：

針對現有技術存在的缺陷，本實用新型提供了一種模擬煤層壓裂作用后煤粉產出量及滲透率變化監測系統及其實驗方法，能進行不同煤層屬性參數、不同地層應力參數、不同粒徑條件下煤層壓裂模擬，最大限度的將模擬壓裂作用下產出的煤粉排出實驗裝置，并進行準確測試和分析，同時對壓裂作用前后煤樣滲透率進行測試，為壓裂參數優化提供借鑒。

為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案如下：模擬煤層壓裂作用排采煤粉變化監測裝置，包括壓裂圍壓動力系統、注氣系統、壓裂測試系統和計算機；注氣系統的出氣端與壓裂測試系統的進氣端連接；計算機分別通過數據線與壓裂圍壓動力系統、注氣系統和壓裂測試系統連接；

壓裂圍壓動力系統包括壓裂液注入裝置和圍壓加載裝置，壓裂液注入裝置的出液端通過壓裂管與壓裂測試系統的進液端連接；壓裂液注入裝置包括第一集線器、平流泵、第一壓力計和若干個壓裂液儲存缸，所有的壓裂液儲存缸分別通過第一管道與壓裂管的進液口連接，其中一個壓裂液儲存缸內設有自動攪拌器，每根第一管道上均設有自動控制閥，平流泵和第一壓力計依次設置在壓裂管上，平流泵、自動攪拌器以及所有的自動控制閥分別通過數據線與第一集線器連接；圍壓加載裝置包括圍壓泵、第二集線器和電機，圍壓泵包括泵體、活塞和螺桿組成，泵體外形為圓筒形且泵體垂直設置，泵體的外殼為雙層結構，泵體內壁沿其軸向方向設有導向槽，活塞的外緣設有導向塊，活塞通過導向塊插設在導向槽內與泵體內壁滑動連接，活塞外緣與泵體的內壁密封連接，活塞的底面同軸向設有套管，套管內壁設有內螺紋，螺桿同軸線插設在泵體內，螺桿的上端穿設在套管內且與套管螺紋連接，螺桿的下端伸入到泵體的外殼內后固定連接有從動輪，電機的主軸垂直向下連接有主動輪，主動輪通過皮帶與從動輪連接，沿泵體的軸向方向并排間隔設有若干組激光測長器；泵體頂部通過第二管道與壓裂測試系統連接，第二管道上設有第二壓力計；電機、第一壓力計、第二壓力計以及所有的激光測長器分別通過數據線與第二集線器連接；第一集線器和第二集線器分別通過數據線與計算機連接。

注氣系統包括氣瓶，氣瓶通過注氣管連接有管路匯集器，注氣管上沿氣體流動方向依次設有空氣壓縮機、氣體增壓泵、增壓器、減壓閥、第三壓力計和安全閥；管路匯集器的出氣口與壓裂測試系統的進氣口連接。

壓裂測試系統包括夾持器、底座和壓裂控制裝置，夾持器包括套筒和巖樣卡套，套筒為左右通透的圓筒形結構，套筒通過支架沿左右水平方向上固定在底座上，巖樣卡套外形為圓筒形，巖樣卡套位于套筒內且與套筒同軸線設置，巖樣卡套的長度小于套筒的長度，壓裂管外套設有一段活動管，活動管外套設有固定管，活動管的長度大于固定管的長度，固定管與套筒同軸線設置且固定管穿設在巖樣卡套內；固定管上沿軸向方向開設有至少一排第一通孔，每排第一通孔等距間隔布置，活動管上沿軸向方向開設有與第一通孔對應連通的第二通孔，壓裂管上沿軸向方向開設有與第二通孔對應連通的壓裂孔，所有的壓裂孔、第二通孔以及第一通孔均位于巖樣卡套內；巖樣卡套內壁與固定管外壁之間形成巖樣填充腔，固定管的左端部從左到右依次套設有左內環、支撐環和巖心墊塊，巖心墊塊用于封堵巖樣卡套的左端且位于巖樣卡套的內部，左內環位于套筒的左端，左內環與套筒之間設有左外環，左外環的內圈和外圈分別與左內環的外圈和套筒的內壁螺紋連接，支撐環分別與左內環和巖心墊塊頂壓配合；固定管的右端部從左到右依次套設有篩狀墊塊和右內環，篩狀墊塊用于封堵巖樣卡套的右端且位于巖樣卡套的內部，右內環位于套筒的右端，右內環與套筒之間設有右外環，右外環的內圈和外圈分別與右內環的外圈和套筒的內壁螺紋連接；巖樣卡套外壁與套筒內壁之間形成圍壓腔室，泵體頂部通過第二管道與圍壓腔室連通；

巖心墊塊的左端面至少開設有一個注氣孔，巖心墊塊內開設有至少一個右端敞口的環形槽，注氣孔與環形槽連通；管路匯集器的出氣口通過第三管道與巖心墊塊上的注氣孔連接；右內環上穿設有第四管道，第四管道上沿液體流動方向依次設有第四壓力計、流量計和第一回壓閥，底座上設有煤粉收集瓶和壓裂液收集瓶，壓裂液收集瓶位于第四管道的出液口正下方；壓裂管的出液口處設有第二回壓閥；

壓裂控制裝置用于驅動活動管移動，第一回壓閥、第二回壓閥、第四壓力計和流量計分別通過數據線與計算機連接。

壓裂控制裝置包括兩組對稱設置在套筒左端和右端的壓裂驅動機構，位于左側的壓裂驅動機構包括固定在底座上的滾輪架，滾輪架的上端轉動連接有兩個滾輪，兩個滾輪對稱位于活動管的上側和下側，兩個滾輪均與活動管嚙合接觸，其中一個滾輪的中心軸上連接有驅動手柄；所有滾輪的外圓周面均設有防滑紋。

巖樣卡套包括由四塊截面呈弧形的壁板形成的一個圓筒形的管道，兩塊相鄰的壁板之間設有導向連接框架，導向連接框架相對兩側分別設有用于穿設壁板的導向孔。

套筒右端設有用于遮蓋煤粉收集瓶的擋罩。

采用上述技術方案，本實用新型具有以下有益效果：本實用新型通過壓裂圍壓動力系統能夠充分模擬不同水壓、砂比及排量等水力壓裂條件；通過控制圍壓泵能設置不同地層壓力，實現對煤層氣井現場水力壓裂情況的模擬；注氣系統用于調控系統內的壓力、氣體流量，保持煤樣中氣體流量的穩定，同時用于移除煤樣壓裂后產出的煤粉；壓裂測試系統通過活動管的來回移動，保證了壓裂孔的開啟與閉合，計算機對系統中壓力傳感器、流量計等設備記錄進行采集，并將數據反饋至控制設備，進行相應的參數調控，通過記錄的數據對滲透率進行計算；巖樣卡套包括由四塊截面呈弧形的壁板形成的一個圓筒形的管道，兩塊相鄰的壁板之間設有導向連接框架；這樣特殊的設計可是巖樣卡套的徑向能夠擴張或收縮，保證了煤樣受力均勻，同樣確保了煤樣的完整性；套筒右端設有用于遮蓋煤粉收集瓶的擋罩，擋罩用于放置煤粉向外排出時落在煤粉收集瓶外邊。

綜上所述，本實用新型設計合理，通過壓裂圍壓動力系統依次向壓裂管注入前置液、攜砂液、頂替液，通過注氣系統和圍壓裝置向環形夾持器注入高壓氣體以及調節高壓氣體的注入量，通過控制電腦連接壓裂圍壓動力系統、注氣系統、圍壓裝置、監測裝置、環形夾持器和壓裂管，監測不同煤層屬性參數、不同地層應力參數、不同粒徑條件下煤層壓裂和模擬壓裂作用下產出的煤粉排出量。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖；

圖2是本實用新型中壓裂圍壓動力系統的結構示意圖；

圖3是本實用新型中注氣系統的結構示意圖；

圖4是本實用新型中夾持器的結構示意圖；

圖5是圖4中A處的放大圖；

圖6是圖4中B處的放大圖；

圖7是巖心墊塊的左端面視圖；

圖8是巖心墊塊的截面視圖；

圖9是篩狀墊塊的左端面視圖；

圖10是巖樣卡套的結構示意圖；

圖11是巖樣卡套上相鄰兩塊壁板連接處的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細的說明：

如圖1-11所示，模擬煤層壓裂作用排采煤粉變化監測裝置，包括壓裂圍壓動力系統Ⅰ、注氣系統Ⅱ、壓裂測試系統Ⅲ和計算機Ⅳ；注氣系統Ⅱ的出氣端與壓裂測試系統Ⅲ的進氣端連接；計算機Ⅳ分別通過數據線與壓裂圍壓動力系統Ⅰ、注氣系統Ⅱ和壓裂測試系統Ⅲ連接；

壓裂圍壓動力系統Ⅰ包括壓裂液注入裝置和圍壓加載裝置，壓裂液注入裝置的出液端通過壓裂管1與壓裂測試系統Ⅲ的進液端連接；壓裂液注入裝置包括第一集線器2、平流泵3、第一壓力計4和若干個壓裂液儲存缸5，所有的壓裂液儲存缸5分別通過第一管道6與壓裂管1的進液口連接，其中一個壓裂液儲存缸5內設有自動攪拌器7，壓裂液儲存缸5內可以分別放置壓裂液和砂液混合液，自動攪拌器7對裝有砂液的壓裂液儲存缸5進行攪拌，保證砂液均勻，避免因砂液不均勻造成砂比不均勻，影響壓裂；每根第一管道6上均設有自動控制閥8，平流泵3和第一壓力計4依次設置在壓裂管1上，平流泵3、自動攪拌器7以及所有的自動控制閥8分別通過數據線與第一集線器2連接；圍壓加載裝置包括圍壓泵9、第二集線器10和電機15，圍壓泵9包括泵體11、活塞12和螺桿13組成，泵體11外形為圓筒形且泵體11垂直設置，泵體11的外殼為雙層結構，泵體11內壁沿其軸向方向設有導向槽，活塞12的外緣設有導向塊，活塞12通過導向塊插設在導向槽內與泵體11滑動連接，活塞12外緣與泵體11的內壁密封連接，活塞12的底面同軸向設有套管64，套管64內壁設有內螺紋，螺桿13同軸線插設在泵體11內，螺桿13的上端穿設在套管64內且與套管64螺紋連接，螺桿13的下端伸入到泵體11的外殼內后固定連接有從動輪14，電機15的主軸垂直向下連接有主動輪16，主動輪16通過皮帶與從動輪14連接，沿泵體11的軸向方向并排間隔設有若干組激光測長器17；泵體11頂部通過第二管道18與壓裂測試系統Ⅲ連接，第二管道18上設有第二壓力計19；電機15、第一壓力計4、第二壓力計19以及所有的激光測長器17分別通過數據線與第二集線器10連接，第一集線器2和第二集線器10分別通過數據線與計算機Ⅳ連接。

注氣系統Ⅱ包括氣瓶20，氣瓶20通過注氣管21連接有管路匯集器22，注氣管21上沿氣體流動方向依次設有空氣壓縮機23、氣體增壓泵24、增壓器25、減壓閥26、第三壓力計27和安全閥28；管路匯集器22的出氣口與壓裂測試系統Ⅲ的進氣口連接。

壓裂測試系統Ⅲ包括夾持器29、底座30和壓裂控制裝置，夾持器29包括套筒31和巖樣卡套32，套筒31為左右通透的圓筒形結構，套筒31通過支架61沿左右水平方向上固定在底座30上，巖樣卡套32外形為圓筒形，巖樣卡套32位于套筒31內且與套筒31同軸線設置，巖樣卡套32的長度小于套筒31的長度，壓裂管1外套設有一段活動管33，活動管33外套設有固定管34，活動管33的長度大于固定管34的長度，固定管34于套筒31同軸線設置且固定管34穿設在巖樣卡套32內；固定管34上沿軸向方向開設有至少一排第一通孔35，每排第一通孔35等距間隔布置，活動管33上沿軸向方向開設有與第一通孔35對應連通的第二通孔36，壓裂管1上沿軸向方向開設有與第二通孔36對應連通的壓裂孔37，所有的壓裂孔37、第二通孔36以及第一通孔35均位于巖樣卡套32內；巖樣卡套32內壁與固定管34外壁之間形成巖樣填充腔38，固定管34的左端部從左到右依次套設有左內環39、支撐環40和巖心墊塊41，巖心墊塊41用于封堵巖樣卡套32的左端且位于巖樣卡套32的內部，左內環39位于套筒31的左端，左內環39與套筒31之間設有左外環42，左外環42分別與左內環39和套筒31螺紋連接，支撐環40分別與左內環39和巖心墊塊41頂壓配合；固定管34的右端部從左到右依次套設有篩狀墊塊43和右內環44，篩狀墊塊43用于封堵巖樣卡套32的右端且位于巖樣卡套32的內部，右內環44位于套筒31的右端，右內環44與套筒31之間設有右外環45，右外環45分別與右內環44和套筒31螺紋連接；巖樣卡套32外壁與套筒31內壁之間形成圍壓腔室46，泵體11頂部通過第二管道18與圍壓腔室46連通；

巖心墊塊41的左端面至少開設有一個注氣孔47，巖心墊塊41內開設有至少一個右端敞口的環形槽48，注氣孔47與環形槽48連通；管路匯集器22的出氣口通過第三管道49與巖心墊塊41上的注氣孔47連接；右內環44上穿設有第四管道50，第四管道50上沿液體流動方向依次設有第四壓力計51、流量計52和第一回壓閥53，底座30上設有煤粉收集瓶65和壓裂液收集瓶54，壓裂液收集瓶54位于第四管道50的出液口正下方；壓裂管1的出液口處設有第二回壓閥55；

壓裂控制裝置用于驅動活動管33移動，第一回壓閥53、第二回壓閥55、第四壓力計51和流量計52分別通過數據線與計算機Ⅳ連接。

壓裂控制裝置包括兩組對稱設置在套筒33左端和右端的壓裂驅動機構，位于左側的壓裂驅動機構包括固定在底座30上的滾輪架56，滾輪架56的上端轉動連接有兩個滾輪57，兩個滾輪57對稱位于活動管33的上側和下側，兩個滾輪57均與活動管33嚙合接觸，其中一個滾輪57的中心軸上連接有驅動手柄58，所有的滾輪57外圓周面均設有防滑紋。

巖樣卡套32包括由四塊截面呈弧形的壁板59形成的一個圓筒形的管道，兩塊相鄰的壁板59之間設有導向連接框架60，導向連接框架60相對兩側分別設有用于穿設壁板的導向孔62。

套筒31右端設有用于遮蓋煤粉收集瓶65的擋罩63。

采用模擬煤層壓裂作用排采煤粉變化監測裝置進行的實驗方法，包括以下步驟：

（1）、煤樣制作；根據實驗要求選取所需區塊的煤樣，破碎煤樣，篩選不同粒徑的煤粉，根據不同粒徑的煤粉進行膠結后壓制成圓筒形的煤樣，在壓制時確保成型后煤樣的內徑與固定管34的外徑相同；

（2）、煤樣力學性質測試；將制作的粒徑不同的煤樣選取若干進行力學性質測試；

（3）、組裝實驗裝置和氣密性檢測；連接所有的實驗裝置以及管道，同時檢查夾持器29連通情況和實驗裝置的氣密性；

（4）、實驗分組與測試；對制作的煤樣進行分組編號，然后將煤樣裝入夾持器29中進行壓裂實驗，壓裂結束后，收集產出的煤粉，并進行烘干處理，之后對煤粉的粒徑、質量以及礦物含量測試，分析壓裂作用產出煤粉組成成分及煤粉產出特征，同時在壓裂前后通過測試壓力變化和氣體流量變化，對壓裂前后及煤粉排出前后的樣品滲透率進行測試分析；

（5）、綜合研究；通過計算機Ⅳ設定壓裂工藝參數并結合實驗分組，測試出不同壓裂工藝參數情況下煤粉產出量、產出粒徑以及煤粉中礦物含量，并結合實驗測試煤樣壓裂前后滲透率變化特征，分析煤粉產出原因及不同地區不同粒徑下煤樣產出煤粉規律。

步驟（4）中煤樣裝入夾持器29中進行壓裂測試的具體步驟為：

a）、擰下右內環44和右外環45，取下篩狀墊塊43，然后將煤樣裝入巖樣卡套32的巖樣填充腔38內，接著裝配上篩狀墊塊43，最后重新將右內環44和右外環45螺紋連接在初始位置；

b）、對煤樣施加圍向壓力；在計算機Ⅳ上設定圍壓值，然后通過計算機Ⅳ操控電機15啟動，電機15帶動主動輪16轉動，主動輪16帶動從動輪14轉動，從而螺桿13轉動，螺桿13推動活塞12向上移動，活塞12將泵體11內的水通過第二管道18壓入圍壓腔室46，當第二壓力計19監測到壓力值達到設定的圍壓值時，電機15停止啟動；

c）、通過操控計算機Ⅳ打開所有的自動控制閥8，平流泵3啟動，平流泵3將壓裂液儲存缸5內的壓裂液壓入壓裂管1內，通過第一壓力計4監測壓裂管1內的壓力，確保壓裂液的壓力與圍壓相同；

d）、通過控制計算機Ⅳ打開空氣壓縮機23、氣體增壓泵24、增壓器25、減壓閥26和安全閥28，氣瓶20內的高壓氣通過注氣管21和第三管道49進入巖樣卡套32中的煤樣內，通入高壓氣的過程中保持氣體流量的穩定以及氣體壓力穩定；

e）、在注氣過程中，第三壓力計27、第四壓力計51和流量計52對系統中氣體壓力、流量進行記錄并反饋至計算機Ⅳ，進行壓裂前煤樣滲透率測試，滲透率測試結束后，注氣系統Ⅱ關閉；

f）、進行壓裂加載；轉動驅動手柄58，驅動手柄58帶動滾輪57轉動，滾輪57拉動活動管33移動，最終壓裂孔37、第一通孔35和第二通孔36對齊連通，壓裂液由壓裂孔37、第一通孔35和第二通孔36注入煤樣，提高平流泵3的功率使壓裂液的壓力增大，開始進行對煤樣的壓裂，壓裂結束后，手動轉動驅動手柄58，使第二通孔36與壓裂孔37錯開；接著打開注氣系統Ⅱ開始向煤樣中注氣，打開第二回壓閥55，高壓氣將煤樣中殘留的壓裂液通過篩狀墊塊43以及第四管道50向外排出至壓裂液收集瓶54內；

g）、去掉右內環44，然后增加注氣壓力，將煤樣中的煤粉通過篩狀墊塊43排出至煤粉收集瓶65，然后對煤粉收集瓶65內的煤粉進行測試，當巖樣卡套32內的煤粉排出完畢后，關閉注氣系統Ⅱ，重新將右內環44裝上，打開注氣系統Ⅱ，通過第四壓力計51、流量計52和第一回壓閥53對煤粉排出后的煤樣進行滲透率測試，并記錄結果，得出壓裂后煤樣滲透率。