[發明專利]一種大尺寸真三軸煤巖體多場多相變頻壓裂試驗裝置

在審

• 申請號: 202111539737.7
• 申請日: 2021-12-16
• 公開（公告）號: CN114216785A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 種照輝;蘇逢生;李學華;姚強嶺;梁順;夏澤;馬軍強;郭彧昌
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 趙昊

本發明涉及一種大尺寸真三軸煤巖體多場多相變頻壓裂試驗裝置，包括注入系統、回壓系統、真三軸儀、液壓伺服系統和數據采集及控制系統；注入系統包括超臨界CO₂注入系統、空氣注入系統、液氮注入系統、水注入系統，注入系統與真三軸儀氣液進口連接；回壓系統與真三軸儀氣液出口連接，液壓伺服系統與真三軸儀的加載油缸連接；數據采集及控制系統包含有多個不同種類的傳感器以進行試驗參數采集。利用該裝置可以模擬在巖樣儲層環境下，對煤巖樣施加真三軸應力、注入不同壓裂介質、控制多物理場變化的壓裂試驗，還可以對壓裂介質的注入壓力、注入頻率、注入流量、注入時間與回壓、煤巖樣溫度、圍巖應力大小進行控制。

技術領域

本發明涉及到采礦工程試驗裝置技術領域，尤其涉及一種大尺寸真三軸煤巖體多場多相變頻壓裂試驗裝置。

背景技術

煤巖體壓裂技術被廣泛應用于采礦工程、水利水電工程等各個領域。壓裂技術不僅可以改造煤層頂板巖層結構，控制煤礦工作面上覆巖層頂板冒落性，弱化煤層巷道堅硬頂板，實現卸壓減沖；同時還能在低透性高瓦斯煤層內形成致密離散裂縫網絡，提高煤層的滲透性和導流能力，避免煤與瓦斯突出等煤巖體動力災害；此外，壓裂技術還可以應用于原位測試地應力以及提高放頂煤的塊煤率，同時對煤炭資源流態化開采也有一定的借鑒意義。因此，真實、準確地模擬煤巖體在多種工況條件下的壓裂過程，實時記錄壓裂介質的注入壓力、注入頻率、注入流量、注入時間以及氣液出口壓力、排出的氣液體質量、煤巖樣溫度、圍巖應力大小、軸向和徑向應變等數據，深入研究裂縫的擴展機制以及影響裂縫擴展的因素與壓后滲流，對油氣藏的開發以及人工儲層的建造提供了必要的技術支持和科學數據支撐。

目前，實施壓裂作業大多依賴現場經驗指導，缺乏有效合理的技術理論支撐，實際施工過程缺乏流程規范，煤巖體經過多次壓裂后，很難得到預期效果。因此，在盡可能貼近實際儲層環境的基礎上，通過壓裂來研究煤巖體壓裂過程，可以對現場施工提供必要科學依據。由于目前試驗設備的局限性，現有煤巖體壓裂試驗裝置不能很好地模擬自然儲層特性，不能構造多物理場、多種壓裂介質、變頻壓裂的試驗環境；同時裝置功能單一，無法實時記錄多種壓裂介質致裂煤巖體過程中裂縫的幾何形態和展布特征，以及導流能力、軸向和徑向應變等數據，可靠性較低。

當前現有的煤巖體壓裂試驗裝置在具體細節設計上仍然存在許多缺陷，具體如下：1人工裂縫擴展是一個連續的過程，當前成果中多采用小尺寸試樣，可以滿足人工裂縫起裂要求，但不能對人工裂縫擴展形態進行描述；2壓裂介質單一，無法實現相同條件下不同壓裂液的對比試驗分析；3無法實現多物理場耦合的壓裂試驗，不能進行多物理場耦合壓裂機理研究；4煤巖體試樣在進行壓裂時，無法實時監測其導流能力、軸向和徑向應變等信息特征；5煤巖樣拆裝速度慢，試驗效率低。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提出一種大尺寸真三軸煤巖體多場多相變頻壓裂試驗裝置，包括注入系統、回壓系統、真三軸儀、液壓伺服系統和數據采集及控制系統；所述注入系統包括超臨界CO₂注入系統、空氣注入系統、液氮注入系統、水注入系統，所述注入系統通過管路與真三軸儀的氣液進口處的壓裂管連接；

優選的，所述超臨界CO₂注入系統包括CO₂氣瓶、活塞容器、低溫恒溫槽、高壓精密注入泵、閥1、閥4、閥5、閥7、閥8、閥15；CO₂氣瓶通過設置有閥1、閥4的管路與活塞容器進出口連接，活塞容器的該端還通過設置有閥5、閥15的管路與真三軸儀的氣液進口處的壓裂管連接；活塞容器加壓口通過設置有閥7的管路與外界連通，活塞容器該端還通過設置有閥8的管路與高壓精密注入泵連接，低溫恒溫槽通過管路與活塞容器周側連接。