專利名稱：煤巖強度分布測試裝置及煤巖強度分布分析系統和方法
技術領域：
本發明涉及礦山開采、煤層氣開發研究領域，尤其是一種煤巖強度分布測試裝置及煤巖強度分布分析系統和方法。
背景技術：
儲層壓裂改造是提高煤儲層的滲透性，增加煤層氣井產能的一種重要措施。煤巖 裂隙系統分布的不均一性、內部組成的差異性等決定了煤巖強度存在一定的差異性，這些都將導致在壓裂過程中裂縫起縫、延伸規律的不同，由于對煤巖本身強度分布的不甚了解，導致水力壓裂增透機理不明，許多工程施工一般是基于經驗，缺乏理論指導。另一方面，常規煤巖加載實驗、滲透率測試實驗儀器中，由于實驗裝置的局限性，只能測試整塊煤樣的聲波，不能從更小的尺度方面對煤巖強度進行測試，因此，無法掌握加載過程中，裂縫的形成、拓展、延伸變化規律。用這樣的實驗結果指導工程施工，造成理論與現實之間差異性明顯，在一定程度上影響了現場儲層改造的效果，甚至很多地方導致了工程的失敗。如何從小尺度方面對煤巖強度進行精細刻畫，查明在不同應力條件下，加載過程中煤巖強度分布與裂隙起裂、延伸、變化規律之間的關系，進而指導現場儲層改造，則是擺 在我們面前亟待解決的難題。
發明內容
針對儲層改造過程中由于對裂縫起縫、擴展、延伸規律不明，難以根據儲層特點有針對性的采取措施以及常規測試裝置不能進行不同水平應力下煤巖微觀強度測試的問題。本發明的目的在于提供一種煤巖強度分布測試裝置，通過該方法和裝置可以測試煤巖樣在不同水平應力下加載過程中，各部位的煤巖強度分布情況，進而掌握煤巖的裂縫起裂、延伸規律，為儲層壓裂改造提供指導。同時，本發明的目的還在于提供使用上述裝置的煤巖強度分布分析系統以及使用該分析系統分析煤巖強度分布的方法。為了解決上述問題，本發明的煤巖強度分布測試裝置采用以下技術方案煤巖強度分布測試裝置，包括超聲波系統以及用于容納實驗樣品的實驗缸，所述實驗缸包括底壁和圍壁，所述圍壁包括兩個以上固定圍壁以及與所述固定圍壁相對設置并可沿直線遠離或靠近與之相對的固定圍壁的活動圍壁，所述活動圍壁各自連接有用于驅使其活動的水平加載機構，實驗缸的上方設有加載體，加載體連接有豎向加載機構；所述超聲波系統包括分設于固定圍壁和底壁上的超聲波發射點和與超聲波發射點相對的設在對應的活動圍壁和加載體上的超聲波接收點。所述水平加載機構為固定設置在對應活動圍壁外側的液壓伸縮機構。所述活動圍壁的外側設有敞口的箱座，所述箱座的開口朝向對應的活動圍壁，活動圍壁的外側面上設有與對應的箱座插接配合的插板，所述插板與對應的箱座在相應活動圍壁的活動方向上導向配合，所述液壓伸縮結構由所述插板與對應的箱座構成。
所述活動圍壁上的插板及與之對應的箱座中的一個上開設有供另一個插入的插槽，箱座與對應的插舌之間通過所述插槽插接。所述固定圍壁和活動圍壁各有兩個，兩個固定圍壁相鄰且二者之間具有90°的夾角，每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點各有兩個以上，每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點都均布設置。本發明的煤巖強度分布分析系統采用以下技術方案包括測試裝置及數據處理系統，測試裝置包括超聲波系統及用于容納實驗樣品的實驗缸，所述實驗缸包括底壁和圍壁，所述圍壁包括兩個以上固定圍壁以及與所述固定圍壁相對設置并可沿直線遠離或靠近與之相對的固定圍壁的活動圍壁，所述活動圍壁各自連接有用于驅使其活動的水平加載機構，實驗缸的上方設有加載體，加載體連接有豎向加載機構；所述超聲波系統包括分設于固定圍壁和底壁上的超聲波發射點和與超聲波發射點相對的設在對應的活動圍壁和加載體 上的超聲波接收點；所述數據處理系統包括用于記錄所述超聲波系統的信號并將其轉換為實驗樣品強度參數的數據采集軟件以及數據轉換軟件，所述數據采集軟件及數據轉換軟件位于一個計算機中，所述計算機連接有用于顯示實驗樣品強度參數的顯示器。所述水平加載機構為固定設置在對應活動圍壁外側的液壓伸縮機構。所述活動圍壁的外側設有敞口的箱座，所述箱座的開口朝向對應的活動圍壁，活動圍壁的外側面上設有與對應的箱座插接配合的插板，所述插板與對應的箱座在相應活動圍壁的活動方向上導向配合，所述液壓伸縮結構由所述插板與對應的箱座構成。所述固定圍壁和活動圍壁各有兩個，兩個固定圍壁相鄰且二者之間具有90°的夾角，所述每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點各有兩個以上，每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點都均布設置。本發明的用上述分析系統分析煤巖強度分布的方法采用以下技術方案該方法包括以下步驟1)將實驗樣品放置于實驗缸中；2)開啟超聲波系統及數據處理系統，記錄實驗前的聲波情況；3)開啟水平加載機構并逐漸增大加載負荷到設定值；4)在不同的水平加載負荷下開啟豎向加載機構；5)通過數據處理系統記錄超聲波信號并計算，將超聲波信號轉換為實驗樣品強度參數；6)通過步驟5)的計算結果分析不同變形階段實驗樣品強度分布情況。由于本發明的煤巖強度分布測試裝置的實驗缸采用固定圍壁與活動圍壁結合的形式，活動圍壁均傳動連接有水平加載機構，并且實驗缸的上方設有豎向加載機構，實驗缸的固定圍壁與底壁上設有所述超聲波發射點，活動圍壁及加載體上設有與超聲波發射點對應的超聲波接收點；因此，在進行測試時，可通過所述活動圍壁及與之對應的水平加載機構模擬煤巖環境，通過豎向加載機構及加載體來模擬壓裂狀況，同時在試驗樣品受壓變形的過程中通過超聲波系統時時監控試驗樣品的變形情況，從而指示煤巖強度分布情況，進而掌握煤巖的裂縫起裂、延伸規律，為儲層壓裂改造提供理論指導。
圖I是本發明的煤巖強度分布測試裝置的實施例I的結構示意 圖2是圖I的A-A剖視 圖3是固定圍壁上的超聲波發射點的分布示意圖；圖4是活動圍壁上的超聲波接收點的分布示意 圖5是圍壓箱的頂部結構示意 圖6是本發明的煤巖強度分布分析系統的實施例I的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的煤巖強度分布測試裝置的實施例1，如圖1-5所示，包括超聲波系統及實驗缸11，實驗缸11用于放置試驗樣品12，其包括底壁11-1以及設在底壁ll-ι上的圍壁，本實施例中，底壁11-1為固定的，圍壁有四個且分為固定圍壁11-2和活動圍壁11-3，固定圍壁11-2和活動圍壁11-3各有兩個，四個圍壁圍成正方體形且每個固定圍壁均與一活動圍壁相對設置，每個活動圍壁的外側均設有一敞口的箱座13，箱座13的開口朝向與之對應的活動圍壁，活動圍壁可以根據試驗樣品的變形而發生移動，活動圍壁11-3的外側面上設有向對應的箱座延伸的尾板14，尾板14位于對應活動圍壁的邊緣處，其中位于頂部的尾板 14上設有護檐14-1，箱座13的箱板中與頂板相連的兩個(如圖2)采用雙層板，雙層板之間的夾層形成插槽，箱座13的箱板中位于頂部的一個上設有與對應尾板上的護檐吻合的臺階面，尾板14中與箱座的雙層箱板對應的兩個插入雙層箱板的夾層中，位于上方的一個尾板的護檐與對應的箱座的頂部箱板上的臺階面滑動配合，從而使得當活動圍壁11-3在一定范圍內活動時仍能保證尾板14與箱座13配合處的密封；為了保證尾板14與對應箱座13配合處的密封性，二者的配合處均設有密封膠條，箱座13還連接有高壓水泵15，高壓水泵15連接有水箱16，至此，活動圍壁11-3的尾板與對應的箱座共同形成圍壓箱，即液壓伸縮機構，該液壓伸縮機構形成驅使對應的活動圍壁靠近或遠離與之相對的固定圍壁的水平加載機構，高壓水泵15與對應的箱座之間通過管路連接，該管路上串接有調節閥17及壓力表18，通過調節閥17可調節對應箱座內的壓力的大小；實驗缸11的上方設有加載體19，加載體19的上側連接有豎向加載機構20，豎向加載機構20可采用常規的加載機構如液壓缸、氣缸絲母絲杠等，本實施例中，豎向加載機構采用液壓缸，需要指出的是，為了保證實驗缸不會影響到實驗樣品的變形，活動圍壁11-3的長和寬要小于實驗樣品30的長和寬，同樣加載體尺寸也小于樣品，在其邊緣使用橡膠墊充填空隙；超聲波系統包括超聲波發生器21(外置，可市購獲得)、超聲波發射點22及超聲波接收點23，超聲波發射點22布設在實驗缸11的底壁及固定壁上，其中底壁及每個固定壁上的超聲波發射點都是均勻布設的，超聲波接收點與超聲波發射點一一對應并相對設置，其位于活動圍壁和加載體上；本實施例中，超聲波發射點與超聲波接收點各有48個，每個固定圍壁和底壁上各有16個超聲波發射點，每個活動圍壁和加載體上各有16個超聲波接收點。使用時，首先將試驗樣品放入實驗缸中，然后開啟超聲波發生器并記錄實驗前的聲波情況，開啟高壓水泵，以設定的速率逐漸增加水平加載機構的加載力，通過觀察對應的壓力表使水平加載機構施加的加載力達到實驗要求，然后開啟豎向加載機構，于此同時，超聲波發射點發射的聲波信號經過試驗樣品傳播到對應的超聲波接收點，從而便可通過檢測超聲波信號的時差來測試實驗樣品的強度分布情況。在本發明的煤巖強度分布測試裝置的其它實施例中，上述實施例I中所述的水平加載機構還可以采用液壓伸縮缸、氣缸或絲母絲杠機構等，此種情況下，所述的壓力表可用壓力傳感器來代替；所述實驗缸的固定圍壁的數量還可以為兩個以上，此種情況下，可相應的增加活動圍壁的數量并保證活動圍壁與固定圍壁相對設置；所述水箱及水泵均可以是裝置自帶的也可以是工作現場的；還可通過將活動圍壁上的尾板插入箱座的開口中的方式來使二者形成液壓伸縮機構。本發明的煤巖強度分布分析系統的實施例1，如圖6所示，該分析系統包括煤巖強度分布測試裝置及數據數理系統，所述強度分布測試裝置與與上述的煤巖強度分布測試裝置的實施例I的結構相同，所述數據處理系統包括通過線纜與測試裝置的超聲波系統連接的計算機30，計算機中設有據采集軟件以及數據轉換軟件，二者用于記錄超聲波系統的信號并將其轉換為實驗樣品強度參數，另外，計算機30還連接有顯示器，顯示器用于顯示試驗樣品強度；系統工作時，計算機30接收并記錄超聲波系統的聲波信號并將其轉換為聲波時差，根據測試結果得出一系列的方程，再對方程進行相應的推導，轉化成矩陣的計算形式，然后主要采用C#語言編制程序，將矩陣計算轉化成計算機可以識別的語言，這樣通過編程就實現了將聲波時差轉化為試驗樣品強度，其中上述得出方程、推導、轉化成矩陣的計算形式以及C#語言編程均為現有技術，此處不予贅述。在這里采用平均值的方法，根據臨近四個點的測試值的平均值代表中心處的測試值，其中在編程計算過程中為了盡量避免測試的誤差，假設同一微小試驗樣品在任何方向上的聲波時差相同，則根據需要將煤樣劃分成27個小煤樣，根據聲波時差可以列出27個方程，采用矩陣的計算方法將方程轉化成矩陣形式，采用C#開發工具編寫程序，進而可以計算出各個小煤樣的強度，最后得出豎向加載裝置加載過程中，不同階段試驗樣品微觀強度的分布規律。在本發明的煤巖強度分布分析系統的其它實施例中，上述的煤巖強度分布分析系統的實施例I中所述的水平加載機構還可以采用液壓伸縮缸、氣缸或絲母絲杠機構等，此種情況下，所述的壓力表可用壓力傳感器來代替；所述實驗缸的固定圍壁的數量還可以為兩個以上，此種情況下，可相應的增加活動圍壁的數量并保證活動圍壁與固定圍壁相對設置；所述水箱及水泵均可以是裝置自帶的也可以是工作現場的；還可通過將活動圍壁上的尾板插入箱座的開口中的方式來使二者形成液壓伸縮機構。本發明的煤巖強度分布分析方法的實施例I，米用本發明的煤巖強度分布分析系統的實施例1，包括以下步驟1)將實驗樣品放置于實驗缸中；2)開啟超聲波系統及數據處理系統，記錄實驗前的聲波情況；3)開啟水平加載機構并逐漸增大加載負荷到設定值；4)在不同的水平加載負荷下開啟豎向加載機構；5)通過數據處理系統記錄超聲波信號并計算，將超聲波信號轉換為實驗樣品強度參數；6)通過步驟5)的計算結果分析不同變形階段 實驗樣品強度分布情況。
權利要求
1.煤巖強度分布測試裝置，其特征在于，包括超聲波系統以及用于容納實驗樣品的實驗缸，所述實驗缸包括底壁和圍壁，所述圍壁包括兩個以上固定圍壁以及與所述固定圍壁相對設置并可沿直線遠離或靠近與之相對的固定圍壁的活動圍壁，所述活動圍壁各自連接有用于驅使其活動的水平加載機構，實驗缸的上方設有加載體，加載體連接有豎向加載機構；所述超聲波系統包括分設于固定圍壁和底壁上的超聲波發射點和與超聲波發射點相對的設在對應的活動圍壁和加載體上的超聲波接收點。
2.根據權利要求I所述的煤巖強度分布測試裝置，其特征在于，所述水平加載機構為固定設置在對應活動圍壁外側的液壓伸縮機構。
3.根據權利要求2所述的煤巖強度分布測試裝置，其特征在于，所述活動圍壁的外側設有敞口的箱座，所述箱座的開口朝向對應的活動圍壁，活動圍壁的外側面上設有與對應的箱座插接配合的插板，所述插板與對應的箱座在相應活動圍壁的活動方向上導向配合，所述液壓伸縮結構由所述插板與對應的箱座構成。
4.根據權利要求3所述的煤巖強度分布測試裝置，其特征在于，所述活動圍壁上的插板及與之對應的箱座中的一個上開設有供另一個插入的插槽，箱座與對應的插舌之間通過所述插槽插接。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的煤巖強度分布測試裝置，其特征在于，所述固定圍壁和活動圍壁各有兩個，兩個固定圍壁相鄰且二者之間具有90°的夾角，每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點各有兩個以上，每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點都均布設置。
6.煤巖強度分布分析系統，其特征在于，包括測試裝置及數據處理系統，測試裝置包括超聲波系統及用于容納實驗樣品的實驗缸，所述實驗缸包括底壁和圍壁，所述圍壁包括兩個以上固定圍壁以及與所述固定圍壁相對設置并可沿直線遠離或靠近與之相對的固定圍壁的活動圍壁，所述活動圍壁各自連接有用于驅使其活動的水平加載機構，實驗缸的上方設有加載體，加載體連接有豎向加載機構；所述超聲波系統包括分設于固定圍壁和底壁上的超聲波發射點和與超聲波發射點相對的設在對應的活動圍壁和加載體上的超聲波接收點；所述數據處理系統包括用于記錄所述超聲波系統的信號并將其轉換為實驗樣品強度參數的數據采集軟件以及數據轉換軟件，所述數據采集軟件及數據轉換軟件位于一個計算機中，所述計算機連接有用于顯示實驗樣品強度參數的顯示器。
7.根據權利要求6所述的煤巖強度分布分析系統，其特征在于，所述水平加載機構為固定設置在對應活動圍壁外側的液壓伸縮機構。
8.根據權利要求7所述的煤巖強度分布分析系統，其特征在于，所述活動圍壁的外側設有敞口的箱座，所述箱座的開口朝向對應的活動圍壁，活動圍壁的外側面上設有與對應的箱座插接配合的插板，所述插板與對應的箱座在相應活動圍壁的活動方向上導向配合，所述液壓伸縮結構由所述插板與對應的箱座構成。
9.根據權利要求6-8任意一項所述的煤巖強度分布分析系統，其特征在于，所述固定圍壁和活動圍壁各有兩個，兩個固定圍壁相鄰且二者之間具有90°的夾角，所述每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點各有兩個以上，每個固定圍壁和底壁上的超聲波發射點都均布設置。
10.用權利要求6所述的裝置分析煤巖強度分布的方法，其特征在于，包括以下步驟I)將實驗樣品放置于實驗缸中；2)開啟超聲波系統及數據處理系統，記錄實驗前的聲波情況；3)開啟水平加載機構并逐漸增大加載負荷到設定值；4)在不同的水平加載負荷下開啟豎向加載機構；5)通過數據處理 系統記錄超聲波信號并計算，將超聲波信號轉換為實驗樣品強度參數；6)通過步驟5)的計算結果分析不同變形階段實驗樣品強度分布情況。
全文摘要
本發明涉及礦山開采、煤層氣開發研究領域，尤其是一種煤巖強度分布測試裝置及煤巖強度分布分析系統和方法。裝置包括用于容納實驗樣品的實驗缸以及超聲波系統，所述實驗缸包括底壁和圍壁，所述圍壁包括兩個以上固定圍壁以及與所述固定圍壁相對設置并可沿直線遠離或靠近與之相對的固定圍壁的活動圍壁，所述活動圍壁各自連接有用于驅使其活動的水平加載機構，實驗缸的上方設有加載體，加載體連接有豎向加載機構；所述超聲波系統包括分設于固定圍壁和底壁上的超聲波發射點和與超聲波發射點相對的設在對應的活動圍壁和加載體上的超聲波接收點；該裝置可指示煤巖強度分布情況，進而掌握煤巖的裂縫起裂、延伸規律，為儲層壓裂改造提供理論指導。
文檔編號G01N29/07GK102830172SQ201210309728
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者倪小明, 賈炳, 胡海洋, 李全中, 靳建 申請人:河南理工大學