一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置及方法.pdf

本发明公开了一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置及方法，包括应力加载部分和水力压裂部分；应力加载部分包括方形钢架、与方形钢架连接的钢筒、与钢筒连接的弧形钢板、位于钢筒内的柱形垫块,高压胶囊,柱形垫块与高压胶囊相连，与高压胶囊连接的高压胶管、数显应力传感器和手动试压泵；所述水力压裂部分包括依次穿过钢筒和弧形钢板的压裂管、压裂泵、水箱和水压记录仪。采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，能实现柱状试样真三向应力条件下的水力压裂实验，结构简单，易于操作。

1.  一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置，其特征在于，包括应力加载部分和水力压裂部分；
所述应力加载部分包括方形钢架、与方形钢架连接的四个钢筒，所述四个钢筒分别位于柱状煤体试样的前、后、左、右侧四个方位，所述四个钢筒的前端分别对应安装四个弧形钢板，其中，两个钢筒的前端分别直接与两个所述弧形钢板直接连接，另两个所述钢筒内分别安装有柱形垫块和高压胶囊，所述柱形垫块一端与所述弧形钢板连接，另一端连接所述高压胶囊，所述高压胶囊通过高压胶管连接的应力传感器和试压泵；
所述水力压裂部分包括依次穿过钢筒和弧形钢板的压裂管、压裂泵、水箱和水压记录仪。

2.  根据权利要求1所述的柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置，其特征在于，弧形钢板的圆弧半径与试样半径相同，圆弧长度为试样半径的倍，弧形钢板的高度与试样相同。

3.  根据权利要求1或2所述的柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置，其特征在于，所述四个弧形钢板的重心位于同一水平面上。

4.  根据权利要求3所述的柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置，其特征在于，所述连接柱形垫块的两个弧形钢板分别位于柱状煤体试样的前、右侧两个方位，且右侧和前侧的钢筒、弧形钢板、柱形垫块的中心在同一水平面上。

5.  一种权利要求1所述柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
将采集的大块煤、岩体加工成为圆柱体试样；
在试样正中位置施工一个内径为10～12mm，长度为试样直径一半的压裂钻孔；
将压裂管伸入孔内使压裂管前端距离孔底10～15mm，采用密封胶将 压裂钻孔密封，将压裂管依次穿过弧形钢板、钢筒和方形钢架，并连接压裂泵和水压记录仪；
在试样的侧表面涂抹一层5～8mm厚度的硅胶；
待硅胶凝固后，利用压力机向试样施加指定的竖向应力，利用手动试压泵向高压胶囊注入油或水使其膨胀，通过柱形垫块向弧形钢板施加横向应力，并通过数显应力传感器实时显示所施加的横向应力值；
利用压裂泵向试样注入高压水进行压裂试验，利用水压记录仪实时记录水压信号。

一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置及方法
技术领域
本发明涉及水力压裂实验技术领域，尤其涉及到一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置及方法。
背景技术
井下水力压裂强化煤层瓦斯抽采是低透气煤层瓦斯治理的一种有效手段，由于压裂范围大、增透效果好，在我国多个矿区得到应用。同时，由于我国多数矿区已进入深部开采，深部煤层透气性更低，瓦斯抽采的难度更大。结合我国当前技术经济条件，水力压裂提高煤层透气性是最经济的瓦斯治理技术措施之一。而且对于单一赋存煤层，水力压裂技术也是提高渗透率和水、气导流能力最为重要的技术措施之一。
在水力压裂的实验研究方面，国内已有的装置及方法主要有两类，一类是拟三轴实验装置及方法，将煤岩试样置于拟三轴应力条件下开展压裂实验；另一类是真三轴实验装置及方法，将煤岩试样置于真三轴应力条件下开展压裂实验。由于煤岩体在地下所受的应力环境必然是各向不同的应力，因此真三轴应力条件下的压裂实验更符合现场实际条件且更具意义。
真三轴实验装置一般采用的是立方体或长方体试样，通过加压板实现其三向应力的加卸载。实际操作中，立方体或长方体试样的加工较为困难，特别是脆性岩体(如煤)，难以保证每个表面平滑，更难以保证两个相对的平面完全平行。这种现象的出现极大提高了加工成本，因为加工过程要求较为严格，一旦出现偏差就难以保证三向应力的顺利加载，从而必须重新选取大块煤岩体进行加工。而采用柱状煤岩体则很好地解决这个问题，只需要将大块煤岩体固定，采用圆筒状钻头就可加工出表面较平整的圆柱体，从而大大降低试样的加工成本。
但是柱状煤岩体一般均用于拟三轴试验，将试样置于罐体中，利用油压或气压加载，此时试样承受的是拟三轴应力，应力方向是由试样表面指向截面的圆心，这种应力条件是不符合真实情况的。目前对圆柱体试样的真三轴条件下的水力压裂实验装置还未见报道，但是从经济成本、真实应力条件两个方面考虑，必须研制一种可对易于加工的圆柱体试样进行三向应力加载的水力压裂实验装置，并提出相应的实验方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可对易于加工的圆柱体试样施加三向应力的水力压裂实验装置，克服现有技术所存在的拟三轴应力条件的压裂实验不符合真实现场情况的不足。
为解决上述技术问题，本发明首先提出一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置，其特征在于，包括应力加载部分和水力压裂部分；应力加载部分包括方形钢架、与方形钢架连接的四个钢筒，四个钢筒分别位于柱状煤体试样的前、后、左、右侧四个方位，四个钢筒的前端分别对应安装四个弧形钢板，其中，两个钢筒的前端分别直接与两个弧形钢板直接连接，另两个钢筒内分别安装有柱形垫块和高压胶囊，所述柱形垫块的一端与弧形钢板连接，另一端连接所述高压胶囊，所述高压胶囊通过高压胶管连接的应力传感器和试压泵；
水力压裂部分包括依次穿过钢筒和弧形钢板的压裂管、压裂泵、水箱和水压记录仪。
优选的，弧形钢板的圆弧半径与试样半径相同，圆弧长度为试样半径的倍，弧形钢板的高度与试样相同。
优选的，所述四个弧形钢板的重心位于同一水平面上。
所述连接柱形垫块的两个弧形钢板分别位于柱状煤体试样的前、右侧 两个方位，且右侧和前侧的钢筒、弧形钢板、柱形垫块的中心在同一水平面上。
本发明同时提出了一种柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
将采集的大块煤、岩体加工成为圆柱体试样；
在试样正中位置施工一个内径为10～12mm，长度为试样直径一半的压裂钻孔；
将压裂管伸入孔内使压裂管前端距离孔底10～15mm，采用密封胶将压裂钻孔密封，将压裂管依次穿过弧形钢板、钢筒和方形钢架，并连接压裂泵和水压记录仪；
在试样的侧表面涂抹一层5～8mm厚度硅胶；
待硅胶凝固后，利用压力机向试样施加指定的竖向应力，利用手动试压泵向高压胶囊注入油或水使其膨胀，通过柱形垫块向弧形钢板施加横向应力，并通过数显应力传感器实时显示所施加的横向应力值；
利用压裂泵向试样注入高压水进行压裂试验，利用水压记录仪实时记录水压信号。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，能实现柱状试样真三向应力条件下的水力压裂实验，结构简单，易于操作。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明的应力加载部分和水力压裂部分的横截面结构示意图；
图2为本发明主体结构示意图；图中，1—方形钢架，2—钢筒，3—弧形钢板，4—柱形垫块，5—高压胶囊，6—高压胶管，7—数显应力传感器，8—手动试压泵，9—压裂管，10—压裂泵，11—水箱，12—水压记录仪， 13—试样，14—压裂钻孔，15—密封胶，16—硅胶，17—压力试验机。
具体实施方式
结合图1、图2所示的柱状煤体三向应力下水力压裂实验装置法，包括应力加载部分和水力压裂部分；
应力加载部分包括方形钢架1、与方形钢架1连接的四个钢筒2，四个钢筒2分别位于柱状煤体试样的前、后、左、右侧四个方位，四个钢筒2的前端分别对应安装四个弧形钢板3，其中，左侧、前侧两个钢筒的前端分别直接与两个弧形钢板直接连接，右侧、后侧两个钢筒内分别安装有柱形垫块4和高压胶囊5，柱形垫块4一端与弧形钢板连接，另一端连接高压胶囊5，高压胶囊通过高压胶管连接的应力传感器和试压泵；四个弧形钢板3的重心位于同一水平面上。右侧和前侧的钢筒、弧形钢板、柱形垫块的中心在同一水平面上。
水力压裂部分包括依次穿过钢筒2和弧形钢板3的压裂管9、压裂泵10、水箱11和水压记录仪12。弧形钢板3的圆弧半径与试样13半径相同，圆弧长度为试样13半径的倍，弧形钢板3的高度与试样13相同。
本发明的含瓦斯煤体水力压裂实验装置的实验方法，包含以下步骤：
将采集的大块煤、岩体加工成为圆柱体试样13；
在试样13正中位置施工一个内径为10～12mm，长度为试样13直径一半的压裂钻孔14；
将压裂管9伸入孔内使压裂管9前端距离孔底10～15mm，采用密封胶15将压裂钻孔14密封，将压裂管9依次穿过弧形钢板3、钢筒2和方形钢架1，并连接压裂泵10和水压记录仪12；
在试样13的侧表面涂抹一层5～8mm厚度的硅胶16；
当硅胶16凝固后，利用压力机17向试样13施加指定的竖向应力，利用 手动试压泵8向高压胶囊5注入油或水使其膨胀，通过柱形垫块4向弧形钢板3施加横向应力，并通过数显应力传感器7实时显示所施加的横向应力值；
利用压裂泵10向试样13注入高压水进行压裂试验，利用水压记录仪12实时记录水压信号。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。