CN113092279A - 一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于属于岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流装置和试验方法。目的是解决现有的试验装置不能满足多条件下的三轴压裂渗流试验的技术问题，技术方案为：在现有的三轴压裂渗流试验平台上设置智能温度加载及保温控制***、试件密封***并外接外循环冷却***，本发明可以根据矿物地质赋存条件下的地应力和温度场条件，模拟深部岩层高温压裂时的岩体特征以及压裂后岩体的渗流特性，最高加热温度为600℃，且能够满足在试验室内对地下深部及高温矿物煤岩高温高压进行三轴压裂及压裂后渗流特性检测的智能、高效、直观、可靠和安全的试验装置与试验方法。
Description
技术领域
本发明属于属于岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流装置和试验方法。
背景技术
随着煤层气开采技术的发展，压裂渗透装置与方法近年来取得了多项成果，涉及真三轴压裂和渗透的方法与装置的中国发明专利主要有：太原理工大学的“一种静水压力条件下单裂隙岩石试件直剪-渗流实验CN107782628A；重庆大学的“一种新型柱剪渗透测试装置及其测试方法”CN109187312A；太原理工的“高温高压煤岩超临界二氧化碳压裂-蠕变-渗流实验装置”CN10057739A；重庆大学的“真三轴受力条件下页岩水力压裂损伤演化装置与实验方法”CN103592186A；太原理工大学的“多维度数据来源的块煤渗透率分析方法、测量装置及方法”CN111398130A；河海大学的“考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法”CN111896447A等。
现有的三轴压裂模拟试验装置及方法均是针对单一的煤岩压裂、高温和渗流试验，只能满足常规条件下的室内热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验，不能满足多条件下的三轴压裂渗流试验。
发明内容
本发明的目的是根据矿物地质赋存条件下的地应力和温度场条件，解决现有的试验装置不能满足多条件下的三轴压裂渗流试验的技术问题，提供一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流装置及试验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，包括三轴伺服实时加载控制***、三轴压裂渗流试验平台、氮气渗透***、渗透检测***、化学成分测试***、液压***和数据采集控制***，它还包括外循环冷却***，所述外循环冷却***与三轴压裂渗流试验平台的反应釜相连，在所述三轴压裂渗流试验平台的三轴压裂装置上设置智能温度加载及保温控制***和试件密封***，所述试件密封***设置在三轴压裂装置的反应釜内，所述智能温度加载及保温控制***设置在反应釜的外部，所述智能温度加载及保温控制***和外循环冷却***均与数据采集控制***相连。
进一步的，所述外循环冷却***包括第一冷却水槽、第二冷水槽、循环水泵和循环冷却配套组件，所述第一冷却水槽与第二冷水槽连接，所述第二冷水槽与循环水泵连接，所述循环水泵与三轴压裂渗流试验平台的反应釜一端连接，所述反应釜的另一端与第一冷却水槽连接。
进一步的，所述试件密封***包括试件、铝箔纸、若干个石墨层和若干个盘根，所述试件设置在三轴压裂渗流试验平台的中心轴之间，所述铝箔纸包裹在试件的外表面，所述若干个石墨层和若干个盘根呈环状交替套设在铝箔纸的外壁上。
进一步的，所述试件是尺寸为Φ50×100mm的圆柱体。
进一步的，所述盘根采用耐高温材质中的任意一种制成，所述盘根是直径为250-300mm、环宽为25mm、厚度为25mm的环形板状结构，所述单个石墨层的厚度为1.5-2cm。
进一步的，所述智能温度加载及保温控制***包括保温箱、若干个热电偶、若干个温度传感器，所述保温箱设置在反应釜的外部，所述若干个热电偶设置在保温箱内的反应釜上，所述若干个温度传感器均匀设置在保温箱的内侧壁各处，所述若干个热电偶和若干个温度传感器均与数据采集控制***电性连接。
进一步的，所述数据采集控制***采用单片机进行控制，且在单片机中加入卷积神经网络算法。
进一步的，所述一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置模拟矿物的埋藏深度范围为0-800m、模拟温度范围为0-600℃。
一种使用煤岩热流固耦合三轴压裂渗流试验装置进行三轴压裂渗流试验的方法，包括如下步骤：
1)制作试件密封***：首先以盘根为底，环状压入反应釜中，在盘根上表面均匀铺洒1L的石墨粉，在石墨粉上压入一层盘根并加压1MPa、时间5小时，形成石墨层，然后重复上述操作若干次，最终形成试件密封***，然后对所述试件密封***加压8MPa、时间为48小时；
2)开启三轴压裂渗流试验平台上的压力-变形测试***及数据数据采集控制***全程监测采集应力、应变、化学成分和扩展演化的各项参数；
3)开启三轴压裂渗流试验平台上的轴压***和围压***进行压裂试验；
4)开启外循环冷却***，并启动智能温度加载及保温控制***，设定加热温度，加温至设定温度进行高温加载试验；
5)在高温加载试验结束后在设定温度下保温3小时，开启化学成分测试***，检测试件产生的气体成分；
6)待化学成分测试完成后，继续在设定温度下保温2小时，并保持开启氮气渗流***及渗透检测***，对试件进行渗透性试验，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。
进一步的，所述步骤1)中的试件密封***的最上层和最下层均为盘根，且盘根的层数为5-8。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可以根据矿物地质赋存条件下的地应力和温度场条件，模拟深部岩层高温压裂时的岩体特征以及压裂后岩体的渗流特性，最高加热温度为600℃，且能够满足在试验室内对地下深部及高温矿物煤岩高温高压进行三轴压裂及压裂后渗流特性检测的智能、高效、直观、可靠和安全的试验装置与试验方法；
2、本发明设置了试件密封***，可以有效的保证试验过程中试件的密封性；
3、本发明的外循环冷却***是一种优于内循环冷却***冷却效果的冷却***，其作用在于防止高温通过反应釜传导到油缸防止安全隐患。
附图说明
图1为本发明试验装置的结构示意图；
图2为本发明的试验平台结构示意图；
图3为本发明的三轴压裂装置结构示意图；
图4为本发明的试件密封***结构示意图；
图5为本发明的外循环冷却流程图；
图6为本发明的温度控制流程图；
图7为本发明的控制功能图；
图8为本发明的试件在轴压10MPa、围压12MPa下的轴向应变随温度变化曲线；
图9为本发明的试件在不同温度和压力的共同作用下的渗透率变化曲线；
图10为本发明的试件在轴压围压交替加载作用下的轴向应变曲线；
图中：1-三轴伺服实时加载控制***、2-三轴压裂渗流试验平台、3-氮气渗透***、4-外循环冷却***、5-渗透检测***、6-化学成分测试***、7-液压***、8-数据采集及控制***；
其中：2.1-轴压***、2.2-围压***、2.3-反应釜、2.4-智能温度加载及保温控制***、2.5-试件密封***、2.6-渗透压通道、2.7-压力-变形测试***；
2.4.1-保温箱、2.4.2-热电偶、2.4.3-温度传感器；
2.5.1-中心轴、2.5.2-试件、2.5.3-铝箔纸、2.5.4-石墨层、2.5.5-耐高温盘根。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施示例以模拟400m深地层应力条件，温度加载最高选择600℃为例，压裂方式选择油基压裂。
一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，包括三轴伺服实时加载控制***1、三轴压裂渗流试验平台2、氮气渗透***3、渗透检测***5、化学成分测试***6、液压***7和数据采集控制***8，它还包括外循环冷却***4，所述外循环冷却***4与三轴压裂渗流试验平台2的反应釜相连，在所述三轴压裂渗流试验平台2的三轴压裂装置上设置智能温度加载及保温控制***2.4和试件密封***2.5，所述试件密封***2.5设置在三轴压裂装置的反应釜2.3内，所述智能温度加载及保温控制***2.4设置在反应釜2.3的外部，所述智能温度加载及保温控制***2.4和外循环冷却***4均与数据采集控制***8相连。
所述外循环冷却***4包括第一冷却水槽4.1、第二冷水槽4.2、循环水泵4.3和循环冷却配套组件，所述第一冷却水槽4.1与第二冷水槽4.2连接，所述第二冷水槽4.2与循环水泵4.3连接，所述循环水泵4.3与三轴压裂渗流试验平台2的反应釜一端连接，所述反应釜的另一端与第一冷却水槽4.1连接。
所述试件密封***2.5包括试件2.5.2、铝箔纸2.5.3、若干个石墨层2.5.4和若干个石英盘根2.5.5，所述盘根2.5.5是直径为300mm、环宽为25mm、厚度为25mm的环形板状结构，所述石墨层2.5.4的厚度为1.5cm，所述试件2.5.2为尺寸为Φ50×100mm的圆柱体，设置在三轴压裂渗流试验平台2的中心轴2.5.1之间，所述铝箔纸2.5.3包裹在试件2.5.2的外表面，所述若干个石墨层2.5.4和若干个盘根2.5.5呈环状交替套设在铝箔纸2.5.3的外壁上。
所述智能温度加载及保温控制***2.4包括保温箱2.4.1、若干个热电偶2.4.2、若干个温度传感器2.4.3，所述保温箱2.4.1设置在反应釜2.3的外部，所述若干个热电偶2.4.2设置在保温箱2.4.1内的反应釜2.3上，所述若干个温度传感器2.4.3均匀设置在保温箱2.4.1的内侧壁各处，所述若干个热电偶2.4.2和若干个温度传感器2.4.3均与数据采集控制***8电性连接，所述数据采集控制***8采用单片机进行控制，且在单片机中加入卷积神经网络算法。
一种使用煤岩热流固耦合三轴压裂渗流试验装置进行三轴压裂渗流试验的方法，包括如下步骤：
1)制作试件密封***：首先以盘根2.5.5为底，环状压入反应釜2.3中，在盘根2.5.5上表面均匀铺洒1L的石墨粉，在石墨粉上压入一层盘根2.5.5并加压1MPa、时间5小时，形成石墨层2.5.4，然后重复上述操作若5次，最终形成试件密封***2.5，然后对所述试件密封***2.5加压8MPa、时间为48小时；
2)开启三轴压裂渗流试验平台2上的压力-变形测试***2.7及数据数据采集控制***8全程监测采集应力、应变、化学成分和扩展演化的各项参数；
3)开启三轴压裂渗流试验平台2上的轴压***2.1和围压***2.2进行压裂试验，对试件2.5.2施加轴压和围压均为5Mpa；
4)开启外循环冷却***4，并启动智能温度加载及保温控制***2.4，设定加热温度，加温至设定温度进行高温加载试验；
5)在高温加载试验结束后在设定温度下保温3小时，开启化学成分测试***6，检测试件2.5.2产生的气体成分；
6)待化学成分测试完成后，继续在设定温度下保温2小时，并保持开启氮气渗流***3及渗透检测***5，对试件2.5.2进行渗透性试验，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。
所述盘根2.5.5的直径还可以为250-300mm中的任意数值；
所述单个石墨层2.5.4的厚度还可以为1.5-2cm中的任意数值。
实施例2：
本实施示例以模拟600m深地层应力条件，温度加载最高选择600℃为例，压裂方式选择油基压裂。
试验方法步骤1)中的盘根2.5.5层数为7层；
试验方法步骤3)中对试件2.5.2施加轴压10Mpa，围压12MPa；
其他试验条件同实施例1。
实施例3：
本实施示例以模拟800m深地层应力条件，温度加载最高选择600℃为例，压裂方式选择油基压裂。
试验方法步骤1)中的盘根2.5.5层数为8层；
试验方法步骤3)中对试件2.5.2施加轴压20Mpa，围压24MPa；
其他试验条件同实施例1。
试验过程中，智能温度加载及保温控制***2.4，以单片机做控制平台，加入神经网络算法，由于设置的温度增长速率，需要在到达设定的温度点前减速，逐渐靠近该温度点下的平衡速率，该温度增长速率主要补偿外界对反应釜2.3中温度的损耗，由于每个温度点下的平衡点速率不一样，需要神经网络算法，不断积累温度补偿的临界值，从而实现温度的智能控制。
如图8所示，是试件2.5.2在围压12MPa、轴压10MPa下的轴向应变随温度变化曲线，从图中可以看出轴向应变随温度得变化，呈逐渐上升得规律特征。温度一旦超过400℃后，应变量均迅速增大，说明该温度范围内煤体内发生剧烈的热解反应，大量热解气体产出，煤体呈塑性流动状态。
煤作为一种具有孔隙–裂隙双重孔隙结构的多孔性有机岩石介质，在温度和压力同时作用下其渗透率变化规律与一般的沉积岩如砂岩或岩浆岩如花岗岩等有明显的差异性，一方面孔隙–裂隙较为发育，在温度作用下煤体固体“骨架”易于软化，此时压力的存在使得孔隙裂隙易于压缩闭合，表现出对压力的敏感性；另一方面，受温度影响尤其在300℃中高温度以后发生热解，致使煤体结构改变，进而影响其渗透特性。因此，在温度和压力共同作用条件下煤体的渗透率变化更为复杂。但如图9所示，通过对无烟煤和气煤在恒定三轴应力，温度从室温至600℃持续升温过程中渗透率的试验结果，说明其仍具有明显的独特性和规律性。
如图10所示，是试件2.5.2在轴压围压交替加载时的应变量变化，随着轴压围压增加，试件2.5.2的应变量也会随着增加，当轴压停止加压，围压依旧增加时，应变量逐渐减小，说明围压在加载过程中对裂隙起保护作用，这与前者研究结论相同，而对裂隙起主要作用得是轴压变量。
Claims (10)
1.一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，包括三轴伺服实时加载控制***(1)、三轴压裂渗流试验平台(2)、氮气渗透***(3)、渗透检测***(5)、化学成分测试***(6)、液压***(7)和数据采集控制***(8)，其特征在于，它还包括外循环冷却***(4)，所述外循环冷却***(4)与三轴压裂渗流试验平台(2)的反应釜相连，在所述三轴压裂渗流试验平台(2)的三轴压裂装置上设置智能温度加载及保温控制***(2.4)和试件密封***(2.5)，所述试件密封***(2.5)设置在三轴压裂装置的反应釜(2.3)内，所述智能温度加载及保温控制***(2.4)设置在反应釜(2.3)的外部，所述智能温度加载及保温控制***(2.4)和外循环冷却***(4)均与数据采集控制***(8)相连。
2.根据权利要求1所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述外循环冷却***(4)包括第一冷却水槽(4.1)、第二冷水槽(4.2)、循环水泵(4.3)和循环冷却配套组件，所述第一冷却水槽(4.1)与第二冷水槽(4.2)连接，所述第二冷水槽(4.2)与循环水泵(4.3)连接，所述循环水泵(4.3)与三轴压裂渗流试验平台(2)的反应釜一端连接，所述反应釜的另一端与第一冷却水槽(4.1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述试件密封***(2.5)包括试件(2.5.2)、铝箔纸(2.5.3)、若干个石墨层(2.5.4)和若干个盘根(2.5.5)，所述试件(2.5.2)设置在三轴压裂渗流试验平台(2)的中心轴(2.5.1)之间，所述铝箔纸(2.5.3)包裹在试件(2.5.2)的外表面，所述若干个石墨层(2.5.4)和若干个盘根(2.5.5)呈环状交替套设在铝箔纸(2.5.3)的外壁上。
4.根据权利要求3所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述试件(2.5.2)是尺寸为Φ50×100mm的圆柱体。
5.根据权利要求3所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述盘根(2.5.5)采用耐高温材质中的任意一种制成，所述盘根(2.5.5)是直径为250-300mm、环宽为25mm、厚度为25mm的环形板状结构，所述单个石墨层(2.5.4)的厚度为1.5-2cm。
6.根据权利要求1所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述智能温度加载及保温控制***(2.4)包括保温箱(2.4.1)、若干个热电偶(2.4.2)、若干个温度传感器(2.4.3)，所述保温箱(2.4.1)设置在反应釜(2.3)的外部，所述若干个热电偶(2.4.2)设置在保温箱(2.4.1)内的反应釜(2.3)上，所述若干个温度传感器(2.4.3)均匀设置在保温箱(2.4.1)的内侧壁各处，所述若干个热电偶(2.4.2)和若干个温度传感器(2.4.3)均与数据采集控制***(8)电性连接。
7.根据权利要求1所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述数据采集控制***(8)采用单片机进行控制，且在单片机中加入卷积神经网络算法。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流试验装置，其特征在于，所述一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流智能试验装置模拟矿物的埋藏深度范围为0-800m、模拟温度范围为0-600℃。
9.一种使用权利要求1至7中任意一项所述的煤岩热流固耦合三轴压裂渗流试验装置进行三轴压裂渗流试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制作试件密封***：首先以盘根(2.5.5)为底，环状压入反应釜(2.3)中，在盘根(2.5.5)上表面均匀铺洒1L的石墨粉，在石墨粉上压入一层盘根(2.5.5)并加压1MPa、时间5小时，形成石墨层(2.5.4)，然后重复上述操作若干次，最终形成试件密封***(2.5)，然后对所述试件密封***(2.5)加压8MPa、时间为48小时；
2)开启三轴压裂渗流试验平台(2)上的压力-变形测试***(2.7)及数据数据采集控制***(8)全程监测采集应力、应变、化学成分和扩展演化的各项参数；
3)开启三轴压裂渗流试验平台(2)上的轴压***(2.1)和围压***(2.2)进行压裂试验；
4)开启外循环冷却***(4)，并启动智能温度加载及保温控制***(2.4)，设定加热温度，加温至设定温度进行高温加载试验；
5)在高温加载试验结束后在设定温度下保温3小时，开启化学成分测试***(6)，检测试件(2.5.2)产生的气体成分；
6)待化学成分测试完成后，继续在设定温度下保温2小时，并保持开启氮气渗流***(3)及渗透检测***(5)，对试件(2.5.2)进行渗透性试验，分析评估压裂效果，至此本次高温真三轴压裂渗流试验完成。
10.根据权利要求9所述的使用煤岩热流固耦合三轴压裂渗流试验装置进行三轴压裂渗流试验的方法，其特征在于，所述步骤1)中的试件密封***(2.5)的最上层和最下层均为盘根(2.5.5)，且盘根的层数为5-8。
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