CN204882514U - 一种应用于煤层压裂技术的相似模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，底座上垂直设置有连线形成矩形的多根支柱，矩形的每一条边上至少设置有两根支柱；顶部移动平台与多根支柱的顶部滑动连接，顶部移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，顶部移动平台下表面设置有多个顶部驱动装置，顶部驱动装置的输出杆竖直运动；位于矩形每一条边上的多根支柱上均滑动连接有一组或多组侧面移动平台，侧面移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，每组侧面移动平台朝向矩形中心的一面垂直设置有一个或多个侧面驱动装置，且侧面驱动装置的输出杆水平运动。本实用新型能够通过调节储层与上下隔层的应力差来研究其对水力裂缝缝高扩展的影响，以优化压裂设计指导现场施工。
Description
技术领域
本实用新型涉及煤储层压裂领域，尤其涉及一种应用于煤层压裂技术的相似模拟装置。
背景技术
水力压裂技术是低渗透储层改造的重要手段，其利用地面高压泵组，将一定粘度的流体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石的抗张强度时，将会在井底地层附近产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在近井地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝。水力裂缝的形态受到地应力、岩体力学性质、压裂液性能和注入方式的影响。对水力裂缝的起裂、延伸机理及裂缝形态研究是水力压裂研究的重要内容。目前，主要采用微地震法、电位法等地球物理方法进行裂缝的监测，但不同的方法监测结果相差较大，相似模拟技术可以对裂缝形态提供直观的观测结果。此外，目前已有许多大尺度真三轴岩石水力压裂物理模拟实验对不同应力条件、不同排量条件下水力压裂裂缝扩展进行了研究，但对于隔层条件下水力裂缝缝高的扩展研究鲜有涉及。
目前，国内外研究人员对水力压裂进行了大量的物理模拟实验，但尚未出现通过调节隔层应力差控制水力裂缝缝高的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，能够通过调节储层与上下隔层的应力差来研究其对水力裂缝缝高扩展的影响，用以优化压裂设计指导现场施工。
本实用新型采用下述技术方案：
一种应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：包括底座、顶部移动平台和侧面移动平台，底座上垂直设置有多根支柱，多根支柱的连线形成矩形，且矩形的每一条边上至少设置有两根支柱；顶部移动平台与多根支柱的顶部滑动连接，顶部移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，顶部移动平台下表面设置有多个顶部驱动装置，顶部驱动装置的输出杆竖直运动；位于矩形每一条边上的多根支柱上均滑动连接有一组或多组侧面移动平台，侧面移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，每组侧面移动平台朝向矩形中心的一面垂直设置有一个或多个侧面驱动装置，且侧面驱动装置的输出杆水平运动。
所述的移动平台驱动***采用液压驱动***或电机驱动***。
所述的顶部驱动装置和侧面驱动装置采用液压驱动装置或电机驱动装置。
同一侧面移动平台上的一个或多个侧面驱动装置由独立的子侧面驱动装置驱动。
所述的顶部驱动装置的输出杆和侧面驱动装置的输出杆前端均设置有压板。
所述的多根支柱的连线形成正方形。
所述的底座上垂直设置有第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱，第一支柱和第四支柱上从上至下依次滑动连接有第一前侧面移动平台、第二前侧面移动平台和第三前侧面移动平台；第一支柱和第二支柱上从上至下依次滑动连接有第一左侧面移动平台、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台；第二支柱和第三支柱上从上至下依次滑动连接有第一后侧面移动平台、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台；第三支柱和第四支柱上从上至下依次滑动连接有第一右侧面移动平台、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台；第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱顶部还滑动连接有矩形顶部移动平台，矩形顶部移动平台位于第一前侧面移动平台、第一左侧面移动平台、第一后侧面移动平台和第一右侧面移动平台上方；
矩形顶部移动平台下表面按照三行三列垂直设置有9个顶部驱动装置，顶部驱动装置的输出杆竖直运动且输出杆前端设置有顶部压板；第一前侧面移动平台、第二前侧面移动平台和第三前侧面移动平台的后表面均垂直设置有3组前侧面驱动装置，3组前侧面驱动装置均匀设置，前侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有前侧面压板；第一左侧面移动平台、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台右表面均垂直设置有3组左侧面驱动装置，3组左侧面驱动装置均匀设置，左侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有左侧面压板；第一后侧面移动平台、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台的前表面均垂直设置有3组后侧面驱动装置，3组后侧面驱动装置均匀设置，后侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有后侧面压板；第一右侧面移动平台、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台左表面均垂直设置有3组右侧面驱动装置，3组右侧面驱动装置均匀设置，右侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有右侧面压板。
所述的第一支柱和第二支柱之间、第二支柱和第三支柱之间、第三支柱和第四支柱之间以及第四支柱和第一支柱之间分别设置有第五支柱、第六支柱、第七支柱和第八支柱；矩形顶部移动平台与第一支柱、第五支柱、第二支柱、第六支柱、第三支柱、第七支柱、第四支柱和第八支柱顶部滑动连接；第一前侧面移动平台、第二前侧面移动平台和第三前侧面移动平台与第一支柱、第八支柱和第四支柱滑动连接；第一左侧面移动平台、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台与第一支柱、第五支柱和第二支柱滑动连接；第一后侧面移动平台、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台与第二支柱、第六支柱和第三支柱滑动连接；第一右侧面移动平台、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台与第三支柱、第七支柱和第四支柱滑动连接。
本实用新型设置有一个顶部移动平台和一个或多个侧面移动平台，并在顶部移动平台和侧面移动平台上分别设置一个或多个侧面驱动装置，顶部移动平台可以在顶部均匀加压，模拟储层所承受的铅垂应力，一个或多个侧面移动平台可以施加不同的水平应力，通过调节一个或多个侧面移动平台可以调节不同的水平主应力，以实现模拟各个分层的水平应力情况。
进一步的，本实用新型在矩形顶部移动平台下表面按照三行三列垂直设置9个顶部驱动装置，同时分别设置三个可移动的前侧面移动平台、三个可移动的左侧面移动平台、三个可移动的后侧面移动平台和三个可移动的后侧面移动平台，并在每个侧面移动平台上设置三个侧面驱动装置，通过分别调节侧面上每一分层的驱动装置来施加对各自分层的应力，通过设置上层（即顶板分层）、下层（即底板分层）与中间层（即煤层）的不同的应力差，来观测水力裂缝缝高在垂向上的扩展规律，并得出能够将水力裂缝控制在煤层段的最小隔层应力差。本实用新型首创把相似模拟技术与煤层压裂技术结合，创新性的使用煤层和顶板分层及底板分层独立的控制***，可以分别控制各层的最大最小水平主应力，并可以通过检测裂缝起裂扩展和应力变化情况，实现优化压裂设计，指导现场压裂施工。
附图说明
图1为本实用新型的正视结构示意图；
图2为本实用新型的俯视结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作以详细的描述：
如图1和图2所示，本实用新型所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，包括底座1、顶部移动平台2和侧面移动平台，底座1上垂直设置有多根支柱，多根支柱的连线形成矩形，且矩形的每一条边上至少设置有两根支柱；顶部移动平台2与多根支柱的顶部滑动连接，顶部移动平台2由移动平台驱动***驱动上下移动，顶部移动平台2下表面设置有多个顶部驱动装置10，顶部驱动装置10的输出杆竖直运动；位于矩形每一条边上的多根支柱上均滑动连接有一组或多组侧面移动平台，侧面移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，每组侧面移动平台朝向矩形中心的一面垂直设置有一个或多个侧面驱动装置，且侧面驱动装置的输出杆水平运动。移动平台驱动***可采用液压驱动***或电机驱动***，顶部驱动装置10和侧面驱动装置可采用液压驱动装置或电机驱动装置。同一侧面移动平台上的一个或多个侧面驱动装置由独立的子侧面驱动装置驱动。顶部驱动装置10的输出杆和侧面驱动装置的输出杆前端均设置有压板，以保证受力平均。
本实施例中，底座1上垂直设置有第一支柱3、第二支柱4、第三支柱5和第四支柱6，第一支柱3和第四支柱6上从上至下依次滑动连接有第一前侧面移动平台7、第二前侧面移动平台8和第三前侧面移动平台9；第一支柱3和第二支柱4上从上至下依次滑动连接有第一左侧面移动平台20、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台；第二支柱4和第三支柱5上从上至下依次滑动连接有第一后侧面移动平台21、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台；第三支柱5和第四支柱6上从上至下依次滑动连接有第一右侧面移动平台22、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台；第一支柱3、第二支柱4、第三支柱5和第四支柱6顶部还滑动连接有矩形顶部移动平台2，矩形顶部移动平台2位于第一前侧面移动平台7、第一左侧面移动平台20、第一后侧面移动平台21和第一右侧面移动平台22上方；
矩形顶部移动平台2下表面按照三行三列垂直设置有9个顶部驱动装置10，顶部驱动装置10的输出杆竖直运动且输出杆前端设置有顶部压板11；第一前侧面移动平台7、第二前侧面移动平台8和第三前侧面移动平台9的后表面均垂直设置有3组前侧面驱动装置12，3组前侧面驱动装置12均匀设置，前侧面驱动装置12的输出杆水平运动且输出杆前端设置有前侧面压板；第一左侧面移动平台20、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台右表面均垂直设置有3组左侧面驱动装置13，3组左侧面驱动装置13均匀设置，左侧面驱动装置13的输出杆水平运动且输出杆前端设置有左侧面压板；第一后侧面移动平台21、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台的前表面均垂直设置有3组后侧面驱动装置14，3组后侧面驱动装置14均匀设置，后侧面驱动装置14的输出杆水平运动且输出杆前端设置有后侧面压板；第一右侧面移动平台22、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台左表面均垂直设置有3组右侧面驱动装置15，3组右侧面驱动装置15均匀设置，右侧面驱动装置15的输出杆水平运动且输出杆前端设置有右侧面压板。
为了增强本实用新型的稳定性，所述的第一支柱3和第二支柱4之间、第二支柱4和第三支柱5之间、第三支柱5和第四支柱6之间以及第四支柱6和第一支柱3之间分别设置有第五支柱16、第六支柱17、第七支柱18和第八支柱19；矩形顶部移动平台2与第一支柱3、第五支柱16、第二支柱4、第六支柱17、第三支柱5、第七支柱18、第四支柱6和第八支柱19顶部滑动连接；第一前侧面移动平台7、第二前侧面移动平台8和第三前侧面移动平台9与第一支柱3、第八支柱19和第四支柱6滑动连接；第一左侧面移动平台20、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台与第一支柱3、第五支柱16和第二支柱4滑动连接；第一后侧面移动平台21、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台与第二支柱4、第六支柱17和第三支柱5滑动连接；第一右侧面移动平台22、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台与第三支柱5、第七支柱18和第四支柱6滑动连接。
本实施例中，多根支柱的连线可形成正方形，正方形的边长为1.5米，且支柱的高度也为1.5米。在底座上安设有用于检测各驱动装置输出压力的压力表，外部辅助有声发射***，应力监测***以及压裂***。
本实用新型在使用时，按照以下步骤进行：
A:设计模拟方案，按照相似理论设计好模拟目的地层所需的材料及配比；按照相似理论计算顶部和侧面各层的压力；按照相似理论计算拟定的压裂压力及排量及压裂液量。
B:在所述第一支柱3、第二支柱4、第三支柱5和第四支柱6之间，底座1之上安装第三层挡板，并按照步骤A设计方案铺设相似材料，并在材料中放置应变片。
C:在第一层铺设完毕后，在第三层挡板上方安装第二层挡板，铺设材料并放入应变片。以此类推安装第一层挡板及铺设材料。
D:铺设完成后待材料晾干稳定后撤去四周三层挡板，启动驱动装置使顶部移动平台下移接近上述铺设好的模拟材料（以下简称模拟体）顶部，并使顶部和侧面的输出杆前段压板压住模拟体，并分别施加设计要求的顶部压力，各分层前后侧面压力，左右侧面压力。
E:启动声发射***实时监测模拟体裂缝起裂扩展情况，启动应力监测***实时检测模拟体内部应力变化情况。启动压裂***，将配置好的示踪压裂液通过设计的排量压入模拟体的第二分层（即煤层）内，并通过压力表实时记录泵入压力数据。
F:压裂结束后，撤去压裂***并关闭声发射***和压力检测***。卸除输出杆的压力，并移开顶部移动平台和侧面移动平台，沿前后方向和左右方向切开模拟体直观观测裂缝的扩展情况。
G:收集声发射***和应力监测***的数据，结合设计的压力、排量数据做下一步分析。
Claims (8)
1.一种应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：包括底座、顶部移动平台和侧面移动平台，底座上垂直设置有多根支柱，多根支柱的连线形成矩形，且矩形的每一条边上至少设置有两根支柱；顶部移动平台与多根支柱的顶部滑动连接，顶部移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，顶部移动平台下表面设置有多个顶部驱动装置，顶部驱动装置的输出杆竖直运动；位于矩形每一条边上的多根支柱上均滑动连接有一组或多组侧面移动平台，侧面移动平台由移动平台驱动***驱动上下移动，每组侧面移动平台朝向矩形中心的一面垂直设置有一个或多个侧面驱动装置，且侧面驱动装置的输出杆水平运动。
2.根据权利要求1所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：所述的移动平台驱动***采用液压驱动***或电机驱动***。
3.根据权利要求1所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：所述的顶部驱动装置和侧面驱动装置采用液压驱动装置或电机驱动装置。
4.根据权利要求1所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：同一侧面移动平台上的一个或多个侧面驱动装置由独立的子侧面驱动装置驱动。
5.根据权利要求1所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：所述的顶部驱动装置的输出杆和侧面驱动装置的输出杆前端均设置有压板。
6.根据权利要求1所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：所述的多根支柱的连线形成正方形。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：所述的底座上垂直设置有第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱，第一支柱和第四支柱上从上至下依次滑动连接有第一前侧面移动平台、第二前侧面移动平台和第三前侧面移动平台；第一支柱和第二支柱上从上至下依次滑动连接有第一左侧面移动平台、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台；第二支柱和第三支柱上从上至下依次滑动连接有第一后侧面移动平台、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台；第三支柱和第四支柱上从上至下依次滑动连接有第一右侧面移动平台、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台；第一支柱、第二支柱、第三支柱和第四支柱顶部还滑动连接有矩形顶部移动平台，矩形顶部移动平台位于第一前侧面移动平台、第一左侧面移动平台、第一后侧面移动平台和第一右侧面移动平台上方；
矩形顶部移动平台下表面按照三行三列垂直设置有9个顶部驱动装置，顶部驱动装置的输出杆竖直运动且输出杆前端设置有顶部压板；第一前侧面移动平台、第二前侧面移动平台和第三前侧面移动平台的后表面均垂直设置有3组前侧面驱动装置，3组前侧面驱动装置均匀设置，前侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有前侧面压板；第一左侧面移动平台、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台右表面均垂直设置有3组左侧面驱动装置，3组左侧面驱动装置均匀设置，左侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有左侧面压板；第一后侧面移动平台、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台的前表面均垂直设置有3组后侧面驱动装置，3组后侧面驱动装置均匀设置，后侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有后侧面压板；第一右侧面移动平台、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台左表面均垂直设置有3组右侧面驱动装置，3组右侧面驱动装置均匀设置，右侧面驱动装置的输出杆水平运动且输出杆前端设置有右侧面压板。
8.根据权利要求7所述的应用于煤层压裂技术的相似模拟装置，其特征在于：所述的第一支柱和第二支柱之间、第二支柱和第三支柱之间、第三支柱和第四支柱之间以及第四支柱和第一支柱之间分别设置有第五支柱、第六支柱、第七支柱和第八支柱；矩形顶部移动平台与第一支柱、第五支柱、第二支柱、第六支柱、第三支柱、第七支柱、第四支柱和第八支柱顶部滑动连接；第一前侧面移动平台、第二前侧面移动平台和第三前侧面移动平台与第一支柱、第八支柱和第四支柱滑动连接；第一左侧面移动平台、第二左侧面移动平台和第三左侧面移动平台与第一支柱、第五支柱和第二支柱滑动连接；第一后侧面移动平台、第二后侧面移动平台和第三后侧面移动平台与第二支柱、第六支柱和第三支柱滑动连接；第一右侧面移动平台、第二右侧面移动平台和第三右侧面移动平台与第三支柱、第七支柱和第四支柱滑动连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN108760515A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-11-06 | 中国石油天然气股份有限公司 | 加载应力测试裂缝高度扩展的实验***及方法 |
| CN109828096A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-31 | 中国矿业大学 | 一种煤储层压裂液滞留自吸检测装置与方法 |
| CN113432975A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-24 | 中国石油大学(北京) | 用于岩石试样加压测试的检测装置及检测*** |
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