[發明專利]多期構造運動作用下煤系地層應力分布模擬裝置及方法

有效

• 申請號: 201710572015.9
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107219128B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 倪小明;趙永超;金毅;林俊峰;張洲
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N1/36
• 代理公司: 鄭州豫開專利代理事務所(普通合伙) 41131
• 代理人: 朱俊峰

多期構造運動作用下煤系地層應力分布模擬裝置，包括巖層模擬與固定系統、構造動力模擬系統、構造變形控制系統、加壓系統以及信息采集測試與分析系統；巖層模擬與固定系統內設置有若干層巖層，構造動力模擬系統對巖層施加縱向力和橫向力，構造變形控制系統用于控制巖層的變形使巖層能達到預期的構造形態，加壓系統采用液壓系統為構造動力模擬系統和構造變形控制系統提供動力。本發明還公開了多期構造運動作用下煤系地層應力分布模擬裝置的模擬方法。本發明模擬兩期構造運動疊加作用下煤系地層地應力分布特征及其演變過程，為不同構造部位煤系地層的應力分布預測提供科學依據；本發明能模擬褶皺中和面以上和褶皺中和面以下不同構造部位應力大小。

技術領域

本發明屬于煤系氣開發模擬試驗技術領域，特別涉及一種多期構造運動作用下煤系地層應力分布模擬裝置及方法。

背景技術

隨著煤層氣開采深度的增加，煤系氣的勘探開發的熱度逐漸上升，然而我國煤系地層形成后，大多經歷了多期構造運動作用，多期構造運動的疊加導致小范圍內應力分布變得復雜，應力條件的復雜性制約著煤系氣勘探開發中滲透率預測、鉆井-壓裂-排采等工程的準確性和有效性。因此地應力的準確預測是煤系氣的勘探開發的一項重要工作。

為了獲得深埋于地下千米乃至更深的煤系地層的應力分布特征，我國煤層氣工作者通過地質勘探、數理計算等手段做了大量的工作。一些研究者采用力學模擬軟件進行應力模擬，得出應力分布規律，在地質條件相對簡單的地區，模擬結果相對比較準確。當地質條件比較復雜時，由于無法對過程進行跟蹤，其假設條件過于理想化，導致模擬結果與實際存在較大差異；一些研究者采用應變片測量法對地應力進行測量，但更多是點的數據，分布規律及影響因素究竟如何卻無法給出較確定的回答。一些研究者采用水力致裂法、測井等方法進行地應力的計算，更多是“點”的數據，勘探開發精細程度很大程度上決定了對開發區地應力分布的理解程度，開發指導顯得非常被動。不同煤系地層情況經歷不同期次、不同大小構造運動作用后，形成不同形態的褶皺構造下不同構造部位應力如何;影響因素如何;構造動力作用過程中應力的演化特征如何;這些問題至今都沒有非常明確的答案，導致目前煤系氣開發盲目性較大。因此，亟需研制一種模擬裝置，能模擬不同煤系地層條件，并對不同期次構造運動作用下應力大小進行監測，以便為多期構造運動作用后煤系地層不同構造部位滲透率預測奠定基礎。

發明內容

本發明針對煤系地層在經過多期構造運動作用后，無法對不同層位、不同構造部位的應力分布特征進行準確的預測的問題，提供一種多期構造運動作用下煤系地層應力分布模擬裝置及方法，該模擬裝置及方法不僅能模擬出兩期構造運動疊加作用后煤系地層中不同巖層、不同構造部位的水平應力大小，還能模擬出其演變過程；可以對煤系地層處于褶皺中和面以上和以下兩種情況下的不同構造部位應力分布及演化特征模擬。通過該模擬測試，可為多期構造動力作用下煤系地層的構造應力分布研究提供試驗依據。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：多期構造運動作用下煤系地層應力分布模擬裝置及方法，包括巖層模擬與固定系統、構造動力模擬系統、構造變形控制系統、加壓系統以及信息采集測試與分析系統；

巖層模擬與固定系統內設置并固定有若干層巖層，假定巖層的縱向為前后方向，橫向為左右方向，構造動力模擬系統設置在巖層的周圍并對巖層施加縱向力和橫向力，構造變形控制系統設置在巖層模擬與固定系統內的頂部和底部并用于控制巖層的變形使巖層能達到預期的構造形態，加壓系統采用液壓系統為構造動力模擬系統和構造變形控制系統提供動力；信息采集測試與分析系統包括橫向應力傳感器、縱向應力傳感器、高清攝像頭、數據采集線路和計算機，橫向應力傳感器和縱向應力傳感器設置在巖層縱向和橫向的表面，高清攝像頭設置在巖層模擬與固定系統內對整個加載過程中模擬巖層的變形變化進行實時拍攝，高清攝像頭、橫向應力傳感器和縱向應力傳感器通過數據采集線路與計算機連接。

巖層模擬與固定系統包括固定箱體、固定支座和活動壓座，固定支座通過沿左右水平方向設置的銷軸轉動連接在固定箱體內后側，固定支座前側開設有固定方槽，固定支座后側沿左右水平方向設置有一道截面呈弧形的固定支撐槽，固定箱體內后側壁設置有與固定支撐槽頂壓接觸的支撐柱；