CN110082220A - 一种真三轴多孔导向压裂实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真三轴多孔导向压裂实验装置，包括加载杆、加载压板和套设于试样外部的密封胶套，在试样设有压裂孔的一侧与密封胶套之间设有分流组件，所述分流组件包括第一压板、第二压板和分流板，第一压板顶面与密封胶套贴合，第二压板底面与试样贴合，分流板设于第一压板和第二压板之间，分流板上设有相互垂直连通的第一通道和第二通道，第一通道的进液口与进液压裂管连接，根据实际工作需要将第一通道的出液口或第二通道两端的出液口与试样上的压裂孔连通。其能够根据导向压裂实验设计方案布置压裂孔的位置、数目和大小，能够对试样进行刚性加载和柔性同步压缩，实现不同地应力条件下的真三轴导向压裂物理模拟。

Description

一种真三轴多孔导向压裂实验装置

技术领域

本发明涉及岩体力学与工程技术，具体涉及一种真三轴多孔导向压裂实验装置。

背景技术

煤层气属非常规天然气，是优质的清洁能源，同时也是我国煤矿重特大灾害事故的首要致灾因素。由于我国大部分矿井的煤层都属于低透气性煤层，抽采难度大，为了提高煤层透气性，相关学者进行了大量的研究，如密集钻孔、深孔预裂***、水力冲孔、高压水射流割缝、水力压裂等，其中水力压裂技术作为油气井增产的主要措施，已广泛应用于地面煤层气的开发中，近年来也开始应用于煤矿井下，初步显示煤岩体水力压裂可大范围的实现煤岩体卸压，增加煤岩体的透气性，提高瓦斯抽采率，释放煤层瓦斯压力，改变煤体物理力学性质，从而降低煤与瓦斯突出危险性，为低透气性、无保护层开采的突出煤层瓦斯治理提供了一条新的途径。

在进行水力压裂时，压裂孔周围煤体受到压裂，高压水会向着裂隙的扩展方向延伸，从而引起煤层内瓦斯发生运移。受煤层地应力分布复杂影响，通过钻孔实施压裂时，裂缝的起始位置及延伸方向不明确，在地层复杂煤层中裂缝会出现转向或向顶底板延伸，造成裂隙无序扩展，不能对煤层实施有效压裂。另外常规水力压裂形成的裂缝面往往是一条主裂缝，在煤层中沿着单一方向增透，导致裂缝两侧形成增透空白带。随着煤层开采深度增加，地应力增加导致水力压裂起裂压力越来越高，容易对煤层顶底板造成损伤，后续煤炭开采时巷道支护困难。在某些条件下（如石门揭煤、条带掘进等）需要对水压裂缝在煤层中定向、有序的扩展，实现对煤层精准化的定向或定位增透。如何在地下“黑箱”复杂环境下实现水压裂缝的高连通率，使水压裂缝能够有序、定向的增加煤层透气性是突破常规压裂技术的关键难题。煤矿井下导向压裂的目的是在减少对顶底板损伤的情况下，尽可能实现均衡增透。由于导向孔的存在，水力压裂过程中，压裂孔与导向孔之间所需克服的阻力比其他方向上要小的多，因此使得裂纹的起裂方向向着两者之间连线的方向发展，阻止了向其他方向扩展的可能性。富向、刘洪磊等（穿煤层钻孔定向水压致裂的数值仿真[J]. 东北大学学报(自然科学版). 2011(10): 1480-1483.）利用F-RFPA2D数值软件模拟了穿层钻孔定向水力压裂全过程，分析了应力、水压的分布与变化规律，研究了损伤区域、卸压区域的形成与扩展过程。李全贵、翟成、林柏泉等（定向水力压裂技术研究与应用[J].西安科技大学学报，2011,31(6):735-739.）针对井下水力压裂后煤层会出现应力集中的问题提出了定向控制孔导向压裂的必要性，针对控制孔的作用机制，研究了不同控制孔的间距、位置对导向压裂的控制效果影响。

真三轴应力条件下的水力压裂物理模拟实验能为试件还原真实的应力、骨架支撑，模拟煤岩体在地层中的实际受力情况，使水压裂缝逼近真实情况。该设备用于模拟真实条件下的三轴实验环境，能够在试件全密封状态下，在水力压裂过程中对裂隙起裂、扩展发育特性，声发射特性、流量、温度、应力应变等多方面检测。

CN104655495B和CN107576562A都对这种真三轴多功能物理模拟***进行了描述，但现有的压裂***都只能实现单孔压裂，不能进行多孔导向压裂实验，无法对多孔导向理论研究进行实验验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种真三轴多孔导向压裂实验装置，其能够根据导向压裂实验设计方案布置压裂孔的位置、数目和大小，能够对试样进行刚性加载和柔性同步压缩，实现不同地应力条件下的真三轴导向压裂物理模拟。

本发明所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，包括加载杆、加载压板和套设于试样外部的密封胶套，在试样设有压裂孔的一侧与密封胶套之间设有分流组件，所述分流组件包括第一压板、第二压板和分流板，所述第一压板顶面与密封胶套贴合，第二压板底面与试样贴合，分流板设于第一压板和第二压板之间，所述分流板上设有相互垂直连通的第一通道和第二通道，所述第一通道的进液口与进液压裂管连接，第二通道两端均为出液口，根据实际工作需要将第一通道的出液口或第二通道两端的出液口与试样上的压裂孔连通。

进一步，所述第一通道的出液口和第二通道两端的出液口上均设有开闭阀，所述开闭阀与控制***连接。

进一步，所述分流板呈柱形，顶端与第一压板底面中心连接，底端与第二压板顶面中心连接；所述第一通道沿分流板轴向中心设置，所述第二通道沿分流板径向设置。

进一步，所述第一压板底面设有第一卡槽，所述第二压板顶面设有第二卡槽，所述分流板上部周向设有与第一卡槽对应配合的第一卡接部，下部周向设有与第二卡槽对应配合的第二卡接部，所述第二压板在第二卡槽的周边设有多个条形通孔。

进一步，所述第一压板和第二压板之间设有多个支撑柱，所述支撑柱的上、下端分别与第一压板底面和第二压板顶面可拆卸连接。

进一步，所述密封胶套呈长方体形，其设有分流组件一侧的外部一体成型有第三压板，所述第三压板上设有与进液压裂管配合的中心孔，所述密封胶套与第三压板相对的一侧为敞口部，该敞口部设有与其对应配合的堵头。

进一步，所述第三压板上设有进液压裂管密封组件，该进液压裂管密封组件包括第一密封接头，第一密封接头轴向中部设有与进液压裂管间隙配合的通孔，第一密封接头一端可拆卸地装配于第三压板上，另一端设有第一沉台，所述第一沉台内设有第一密封环，内侧壁上设有与第一压紧螺母配合的螺纹，第一压紧螺母沿第一沉台内侧壁旋入挤压第一密封环，第一密封环受挤压力变形与进液压裂管紧贴，实现密封；所述第一密封接头外周环设有密封槽，密封槽内设有密封圈，通过该密封圈实现第一密封接头和第三压板的中心孔之间的密封。

进一步，所述加载压板错位布置于密封胶套周围，加载压板之间形成加载腔，所述加载腔用于放置密封胶套，所述加载杆的端部穿过压力室，通过自适应滑块与加载压板远离试样的一侧相接触。

进一步，所述加载杆上设有载荷传感器，所述加载压板靠近试样的一侧设有声波探头。

进一步，所述加载压板与密封胶套之间设有带润滑剂的薄膜。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明通过在密封胶套内设置分流组件，该分流组件第一通道的出液口和第二通道两端的出液口能够连接不同的压裂孔，进而满足了在试样上布置不同位置、不同距离、不同数量、不同大小的压裂孔的压裂液注入需求，利于导向压裂不同研究问题的物理模拟实验。

2、本发明的分流板的上、下部通过卡接的方式分别与第一压板底面和第二压板顶面连接，装卸操作简单，经围压和轴压加载后，连接更加紧密，避免因连接问题出现试样加载面不平，导致加载不均匀的问题。

3、本发明的第一通道的出液口和第二通道两端的出液口设有开闭阀，根据不同的研究目的，通过控制***控制压裂液或压裂气体的流量、开闭时间。

4、本发明的加载压板采用错位布置方式，通过与自适应滑块配合，实现了对试样的刚性加载和柔性同步压缩；当试样在压力作用下收缩时，四周的加载压板紧凑的和试样压紧，实现无缝压缩，有效减少了由于试样收缩带来的摩擦力误差计算，使得应力加载更加准确，能够更加真实的模拟地层的三轴应力状态。

5、本发明通过设置进液压裂管密封组件，实现了进液压裂管的高压密封，并且密封组件安装便捷，密封效果稳定。

附图说明

图1是本发明的的密封胶套的结构示意图；

图2是本发明的分流组件的结构示意图；

图3是本发明的分流板的结构示意图；

图4是本发明的分流板的俯视图；

图5是本发明的第一压板的结构示意图；

图6是本发明的第二压板的结构示意图；

图7是本发明的进液压裂管密封组件的结构示意图；

图8是本发明的加载压板的布置示意图；

图9是本发明的加载***的结构示意图。

图中，1—密封胶套，2—第一压板，21—第一卡槽，22—第一安装孔，23—第一压板压裂中心孔，3—第二压板，31—第二卡槽，32—第二安装孔，33—第二压板压裂中心孔，34—条形通孔，4—分流板，41—第一通道，42—第二通道，43—第一卡接部，44—第二卡接部，45—上卡接槽，46—下卡接槽，47—螺纹安装部，5—支撑柱，6—进液压裂管，7—第三压板，8—堵头，9—试样，10—加载压板，11—加载杆，12—自适应滑块，13—压力室，14—载荷传感器，15—开闭阀，16—第一密封接头，17—第一沉台，18—第一密封环，19—第一压紧螺母，20—密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参见图1、2、7和8，所示的真三轴多孔导向压裂实验装置，包括加载杆11、加载压板10和套设于试样9外部的密封胶套1，所述试样9一侧设有压裂孔，在试样9设有压裂孔的一侧与密封胶套1之间设有分流组件。所述分流组件包括第一压板2、第二压板3和分流板4，所述第一压板2顶面与密封胶套1内侧贴合，第二压板3底面与试样9贴合，分流板4设于第一压板2和第二压板3之间，所述分流板4上设有相互垂直连通的第一通道41和第二通道42，所述第一通道41的进液口与进液压裂管6连接，第二通道42两端均为出液口，根据实际工作需要将第一通道41的出液口或第二通道42两端的出液口与试样9上的压裂孔连通。为了便于连接，所述第一通道41的进液口上设有与进液压裂管6配合的环形上卡接槽45，第一通道41的出液口上设有与中心压裂管配合的环形下卡接槽46，所述第二通道42两端的出液口上设有向外突出的螺纹安装部47。

所述密封胶套1呈长方体形，其设有分流组件一侧的外部一体成型有第三压板7，所述第三压板7上设有与进液压裂管6配合的中心孔，所述密封胶套1与第三压板7相对的一侧为敞口部，该敞口部设有与对应配合的堵头8。

所述第三压板7上设有进液压裂管密封组件，该进液压裂管密封组件包括第一密封接头16，第一密封接头16轴向中部设有与进液压裂管6间隙配合的通孔，第一密封接头16一端可拆卸地装配于第三压板7上，另一端设有第一沉台17，所述第一沉台17内设有第一密封环18，内侧壁上设有与第一压紧螺母19配合的螺纹，第一压紧螺母19沿第一沉台17内侧壁旋入挤压第一密封环18，第一密封环18受挤压力变形与进液压裂管6紧贴，实现密封。所述第一密封接头16外周环设有密封槽，密封槽内设有密封圈20，通过该密封圈20实现了第一密封接头16和第三压板7的中心孔之间的密封。

所述加载压板10错位布置于密封胶套1周围，相互之间通过螺栓进行预定位，加载压板10之间形成加载腔，所述加载腔用于放置密封胶套1，所述加载杆11的端部穿过压力室13，通过自适应滑块12与加载压板10远离试样9的一侧相接触。自适应滑块12通过和错位布置的加载压板10配合，在试样9外侧起到移动作用，实现了对试样9的刚性加载和柔性同步压缩；当试样9在压力作用下收缩时，四周的轴/侧向加载压板10通过自适应滑块12的滑动，紧凑的和试样9接触，实现了无缝压缩，该加载方式有效减少了由于试样9收缩带来的摩擦力误差计算，使应力加载更加精确，能更加真实的模拟地层的三轴应力状态。所述加载压板10与密封胶套1之间设有带润滑剂的薄膜，该薄膜的作用是减小试样9与加载压板10之间的摩擦，更好地实现同步柔性压缩。

所述加载杆11上设有载荷传感器14，载荷传感器14能够计量各个方向的载荷信息，并将收集到的载荷信息实时传递给伺服***。所述加载压板10靠近试样9的一侧设有声波探头，声波探头在图中未示出，其具体布置方式与现有的真三轴压裂实验***相同，本发明不再赘述。

作为本发明的一种实施方式，所述第一通道41的出液口和第二通道42两端的出液口上均设有开闭阀15，所述开闭阀15与控制***连接，根据具体需求实现分流板出液口的同步开闭。

作为本发明的一种实施方式，参见图3至图6，所述分流板4呈柱形，所述第一压板2和第二压板3均呈矩形，与密封胶套1的横截面形状相适配。在第一压板2底面设有第一卡槽21，第二压板3顶面设有第二卡槽31，所述分流板4上部周向设有与第一卡槽21对应配合的第一卡接部43，下部周向设有与第二卡槽31对应配合的第二卡接部44。

所述第一通道41沿分流板4轴向中心设置，所述第二通道42沿分流板4径向设置，所述第一压板2中心设有第一压板压裂中心孔23，第二压板3中心设有第二压板压裂中心孔33。

所述第二压板3在第二卡槽31的周边设有四个条形通孔34，条形通孔34的走向与第二压板3的侧边平行。

所述第一压板2和第二压板3之间设有四个支撑柱5，在第一压板2的四个角上设有第一安装孔22，在第二压板3的四个角上设有第二安装孔32，所述支撑柱5的上、下端分别与第一压板2的第一安装孔22和第二压板3的第二安装孔32卡接，便于支撑柱的安装和拆卸。支撑柱5为实心钢体，起到传力和连接的作用。

作为本发明的一种实施方式，所述分流组件的尺寸有三种型号，第一压板2和第二压板3均呈方形，三种型号的边长分别为100mm、200mm和300mm，选用分流组件的大小需要与试样9和密封胶套1相匹配。

当边长为100mm时，分流组件的总厚度为30mm，第一压板2和第二压板3的厚度分别为10mm，分流板4的厚度和支撑柱5的高度为10mm，试样9所用压裂管外径为5mm。

当边长为200mm时，分流组件的总厚度为40mm，第一压板2和第二压板3的厚度分别为10mm，分流板4的厚度和支撑柱5的高度为20mm，试样9所用压裂管外径为8mm。

当边长为300mm时，分流组件的总厚度为50mm，第一压板2和第二压板3的厚度分别为10mm，分流板4的厚度和支撑柱5的高度为30mm，试样9所用压裂管外径为10mm。

分流板4的外径为边长的二分之一，根据试样9所用压裂管的外径确定第一通道41和第二通道42的内径。

具体实验时，包括如下步骤：

S1，首先计算条形通孔34与第二压板压裂中心孔33的最大和最小距离，从而设计试样9上的导向压裂孔的位置和数量，然后在试样9的中心压裂孔和导向压裂孔中埋入压裂管。

S2，分流组件的组装，将第二压板3放于试样9设有中心压裂孔和导向压裂孔的一面，将试样9中心压裂孔的压裂管卡入第一通道41的出液口的环形下卡接槽46内，然后将分流板4下部的第二卡接部44卡入第二压板3顶面的第二卡槽31内，通过旋转分流板4，调节第二通道42的出液口至最方便连接导向压裂孔的位置。将导向压裂孔中的压裂管端部螺纹旋入第二通道42的出液口的螺纹安装部47上。此时需要说明的是，若某个第二通道42的出液口设计有两个导向压裂孔，则采用一个三通装置分别与两个导向压裂孔的压裂管连接，再与第二通道42的出液口连通，且每个导向压裂孔和三通装置的连接处均设有开闭阀，实验时能够根据实验要求控制压裂液或压裂气体的输入。

S3，将支撑柱5的下部卡入第二压板3上的第二安装孔32内，然后将分流板4通过上部的第一卡接部43与第一压板2底面的第一卡槽21卡接，同时将支撑柱5上部卡入第一压板2上的第一安装孔22内。

S4，再将密封胶套1套在分流组件和试样9外部，进液压裂管6依次穿过第三压板7中心孔和第一压板2中心孔与第一通道41的进液口的环形上卡接槽45卡接，采用堵头8封住密封胶套1的敞口部。

S5，将装有试样9的密封胶套1四周错位布置加载压板10，所述加载压板10通过螺栓进行预定位，将带有加载压板10的试样9放入压力室13，向压力室13内注油，通过布置在压力室内的温度传感器和加热棒即可对油浴温度进行精密可靠的控制，通过***的压力注入泵将压力室加载至指定压力。密封胶套1将试样9与压力室13内的油浴隔绝，使得试样9承受净水压力，在净水压的条件下，密封胶套1被压紧，试样9的密封效果得到保证，而且整个试样9处于油浴的包裹之中，加热更加平稳均匀。

S6，通过控制***控制第一通道41的出液口和第二通道42两端的出液口的开闭阀15，实现压裂液或压裂气体的流量控制，泵入压裂液或压裂气体进行压裂实验。

Claims (10)

1.一种真三轴多孔导向压裂实验装置，包括加载杆（11）、加载压板（10）和套设于试样（9）外部的密封胶套（1），其特征在于：在试样（9）设有压裂孔的一侧与密封胶套（1）之间设有分流组件，所述分流组件包括第一压板（2）、第二压板（3）和分流板（4），所述第一压板顶面与密封胶套贴合，第二压板底面与试样贴合，分流板设于第一压板和第二压板之间，所述分流板上设有相互垂直连通的第一通道（41）和第二通道（42），所述第一通道的进液口与进液压裂管（6）连接，第二通道两端均为出液口，根据实际工作需要将第一通道的出液口或第二通道两端的出液口与试样上的压裂孔连通。

2.根据权利要求1所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述第一通道（41）的出液口和第二通道（42）两端的出液口上均设有开闭阀（15），所述开闭阀与控制***连接。

3.根据权利要求1或2所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：4）呈柱形，顶端与第一压板（2）中心连接，底端与第二压板（3）中心连接；

所述第一通道（41）沿分流板轴向中心设置，所述第二通道（42）沿分流板径向设置。

4.根据权利要求3所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述第一压板（2）底面设有第一卡槽（21），所述第二压板（3）顶面设有第二卡槽（31），所述分流板（4）上部周向设有与第一卡槽对应配合的第一卡接部（43），下部周向设有与第二卡槽对应配合的第二卡接部（44），所述第二压板（3）在第二卡槽（31）的周边设有多个条形通孔（34）。

5.根据权利要求1或2所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述第一压板（2）和第二压板（3）之间设有多个支撑柱（5），所述支撑柱的上、下端分别与第一压板底面和第二压板顶面可拆卸连接。

6.根据权利要求1或2所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述密封胶套（1）呈长方体形，其设有分流组件一侧的外部一体成型有第三压板（7），所述第三压板上设有与进液压裂管（6）配合的中心孔，所述密封胶套与第三压板相对的一侧为敞口部，该敞口部设有与其对应配合的堵头（8）。

7.根据权利要求所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述第三压板（7）上设有进液压裂管密封组件，该进液压裂管密封组件包括第一密封接头（16），第一密封接头（16）轴向中部设有与进液压裂管（6）间隙配合的通孔，第一密封接头（16）一端可拆卸地装配于第三压板（7）上，另一端设有第一沉台（17），所述第一沉台（17）内设有第一密封环（18），内侧壁上设有与第一压紧螺母（19）配合的螺纹，第一压紧螺母（19）沿第一沉台（17）内侧壁旋入挤压第一密封环（18），第一密封环（18）受挤压力变形与进液压裂管（16）紧贴，实现密封；

所述第一密封接头（16）外周环设有密封槽，密封槽内设有密封圈（20），通过该密封圈（20）实现第一密封接头（16）和第三压板（17）的中心孔之间的密封。

8.根据权利要求1或2所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述加载压板（10）错位布置于密封胶套（1）周围，加载压板之间形成加载腔，所述加载腔用于放置密封胶套（1），所述加载杆（11）的端部穿过压力室（13），通过自适应滑块（12）与加载压板远离试样（9）的一侧相接触。

9.根据权利要求8所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述加载杆（11）上设有载荷传感器（14），所述加载压板（10）靠近试样（9）的一侧设有声波探头。

10.根据权利要求8所述的真三轴多孔导向压裂实验装置，其特征在于：所述加载压板（10）与密封胶套（1）之间设有带润滑剂的薄膜。