[發明專利]一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統及方法

在審

• 申請號: 202010534109.9
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111650050A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 陳曉云;劉顯鋒;李光;高英勇;任海龍;陳小偉;李文
• 申請（專利權）人: 鞍鋼集團礦業有限公司
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 鞍山貝爾專利代理有限公司 21223
• 代理人: 李玲

1.一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于：包括在十字形巷道中心的壓裂鉆孔，設置在壓裂鉆孔上方的塔架及卷揚機，設置在壓裂鉆孔內的鉆桿和封隔器組，通過耐高壓管Ⅰ與封隔器組連接的向橡膠膨脹管注水的高壓水泵系統Ⅰ，通過耐高壓管Ⅱ與鉆桿連接的向壓裂鉆孔壓裂段注水的高壓水泵系統Ⅱ，在壓裂鉆孔周圍設置的若干個觀測鉆孔，在每個觀測鉆孔內設置的監測傳感器和在壓裂鉆孔前側巷道監測站內設置的在線監測系統；

所述的封隔器組由封隔器Ⅰ、封隔器連接管、耐高壓管Ⅲ、封隔器Ⅱ和底封套筒24組成；

所述的封隔器Ⅰ包括中心鋼管Ⅰ、橡膠膨脹管Ⅰ和密封鋼圈Ⅰ；

所述的封隔器Ⅱ包括中心鋼管Ⅱ、橡膠膨脹管Ⅱ和密封鋼圈Ⅱ；

所述的封隔器連接管上均布開有出水孔，封隔器連接管一端與封隔器Ⅰ的中心鋼管Ⅰ下端連接，另一端與封隔器Ⅱ的中心鋼管Ⅱ上端連接，封隔器Ⅱ的中心鋼管Ⅱ下端與底封套筒連接；所述的耐高壓管Ⅲ一端與封隔器Ⅰ的密封鋼圈Ⅰ注水口連通，另一端與封隔器Ⅱ的密封鋼圈Ⅱ注水口連通；封隔器Ⅰ的橡膠膨脹管Ⅰ套裝在中心鋼管Ⅰ上，且其兩端分別與封隔器Ⅰ兩端的密封鋼圈Ⅰ的注水口連通；封隔器Ⅱ的橡膠膨脹管Ⅱ亦套裝在中心鋼管Ⅱ上，且其兩端亦分別與封隔器Ⅱ兩端的密封鋼圈Ⅱ的注水口連通；

在壓裂鉆孔左側巷道中設有水泵站，所述的高壓水泵系統Ⅰ設置在水泵站中，所述的高壓水泵系統Ⅰ包括水箱、與水箱連接的高壓水泵Ⅰ和耐高壓管Ⅰ，所述的耐高壓管Ⅰ一端與高壓水泵Ⅰ的出水口連接，另一端與封隔器Ⅰ上端的密封鋼圈Ⅰ的注水口連接，在耐高壓管Ⅰ上沿水流流動方向依次設有閥門Ⅰ、水壓力計Ⅰ和泄壓閥Ⅰ，所述的水壓力計Ⅰ通過數據線與數據采集儀連接；

所述高壓水泵系統Ⅱ包括設置在壓裂鉆孔另一側巷道中的蓄水池，與蓄水池連接的高壓水泵組Ⅱ7和對應的耐高壓管Ⅱ，高壓水泵組Ⅱ也設置在水泵站3中，所述的耐高壓管Ⅱ一端與高壓水泵Ⅱ的出水口連接，另一端與鉆桿的注水孔連接，在耐高壓管Ⅱ上沿水流流動方向依次設有泄壓閥Ⅱ、水壓力計Ⅱ和流量計；所述的水壓力計Ⅱ和流量計通過數據線與數據采集儀連接；

所述的監測傳感器包括水位監測計和微震檢波器，水位監測計和微震檢波器通過數據線與數據采集儀連接。

2.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，所述的在線監測系統包括數據采集儀和與數據采集儀通過數據線連接的計算機。

3.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，所述的若干個觀測鉆孔為6～8個觀測鉆孔。

4.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，壓裂鉆孔的深度大于270 m。

5.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，觀測鉆孔的深度為100m～200 m。

6.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，所述的高壓水泵Ⅰ為許用壓力為50 MPa、最大流量為30 L/min的高壓水泵Ⅰ。

7.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，所述的高壓水泵Ⅱ為許用壓力為50 MPa、最大流量為50 L/min的高壓水泵Ⅱ；

多臺高壓水泵Ⅱ可并聯使用，注水管路中總流量應不小于150 L/min。

8.根據權利要求1所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，其特征在于，壓裂鉆孔孔口以下20 m～100 m作為堅硬礦巖水壓致裂作用機理研究試驗段，壓裂鉆孔孔口以下100 m～200 m作為壓裂流量與水力裂縫擴展范圍研究試驗段，壓裂鉆孔孔口以下200 m～270 m作為壓裂間距對壓裂效果影響研究試驗段。

9.一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗方法，利用權利要求1～8任一項所述的一種改善硬巖礦崩落特性的水壓致裂試驗系統，包括以下步驟：

步驟1、組裝封隔器組

對封隔器組進行組裝，并進行試壓檢驗，保證封隔器組密封性；

步驟2、下放封隔器組及鉆桿

首先通過塔架及卷揚機將封隔器組下放到壓裂鉆孔內，隨后將鉆桿出水孔與封隔器Ⅰ的中心鋼管連接，再將耐高壓管Ⅰ與封隔器Ⅰ上端密封鋼圈Ⅰ注水口連接，之后隨著封隔器組的下放，不斷逐根連接鉆桿和逐根連接耐高壓管Ⅰ，直至封隔器組到達壓裂鉆孔1的待壓裂位置；

步驟3、連接管路

通過耐高壓管Ⅱ將高壓水泵Ⅱ與鉆桿注水孔連接，通過耐高壓管Ⅰ將高壓水泵Ⅰ與與封隔器Ⅰ上端密封鋼圈Ⅰ注水口連接；

步驟4、橡膠膨脹管注水

開啟高壓水泵Ⅰ，向封隔器Ⅰ的橡膠膨脹管Ⅰ和封隔器Ⅱ的橡膠膨脹管Ⅱ中注水，使耐高壓管Ⅰ管路中水壓恒定在10 MPa；

步驟5、壓裂段注水

開啟高壓水泵Ⅱ，向鉆桿中注水，高壓水通過鉆桿-封隔器中心鋼管-封隔器連接管上的射流孔進入壓裂鉆孔的壓裂段，并保持持續注水過程30 min；

步驟6、微震監測

與步驟5同步開啟微震監測系統對壓裂過程中的水力裂縫起裂及擴展情況進行監測；

步驟7、泄壓并提升封隔器組至下一待壓裂位置

該段水壓致裂試驗完成后，關閉高壓水泵Ⅰ和高壓水泵Ⅱ，并開啟泄壓閥Ⅰ和泄壓閥Ⅱ，隨后通過卷揚機提升鉆桿使封隔器組移動至下一待壓裂段位置，提升高度為1～2 m；

步驟8、重復步驟5～步驟7，直至壓裂鉆孔的全部壓裂段水壓致裂試驗完成。