多場耦合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種多場禪合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法，主要用于在實驗室模 擬研究低滲煤層的水力壓裂。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，煤層中含有大量的煤層氣，又稱為瓦斯，它不僅是寶貴的資源，也是煤礦地 下開采中煤與瓦斯突出潛能的重要組成部分。我國是煤炭資源大國，隨著煤炭工業(yè)的高速 發(fā)展和規(guī)模驟增，瓦斯涌出量增大，因瓦斯突出、爆炸引起的煤礦事故迅速上升。同時，煤層 氣又是一種優(yōu)質(zhì)、潔凈的燃料，如果得到合理的開發(fā)、回收和利用，不僅可W減少煤礦事故 的發(fā)生，保障煤礦的正常生產(chǎn)，還可W解決我國能源緊缺的問題。但是，我國地質(zhì)條件復(fù)雜， 煤巖滲透率低，滲透率恰恰是反應(yīng)煤巖中流體運移難易程度的標(biāo)志，同時，也是地層損害評 價與天然氣開采設(shè)計的重要參數(shù)?，F(xiàn)有的提高煤層瓦斯抽采率的主要技術(shù)方案有：大直徑 密集鉆孔、水力沖孔、水力壓裂架支撐劑技術(shù)、水力割縫等。其中水力壓裂主要是在選定壓 裂的煤層鉆孔注入高壓水流，把煤層中原有的裂縫撐開，并繼續(xù)壓入水流，使煤層中被撐開 的裂縫向四周發(fā)展，與此同時，在水中加入支撐劑，送進煤層中被撐開的裂縫里，當(dāng)壓裂結(jié) 束，壓裂用水返排后沙子仍然留在煤層中支撐開的裂縫中。水力壓裂造成瓦斯流動的通道 從鉆孔底部向四周延伸到一百多米遠的地方。使煤層的鉆孔排放瓦斯范圍擴大，因而瓦斯 涌出量也增加。
[0003] 現(xiàn)有對煤層氣開采的試驗研究主要是模擬研究假=軸條件下煤層滲透率隨著應(yīng) 力、瓦斯壓力、溫度變化而變化的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出各種提高煤層滲透性的方法。 雖然運些滲流模擬試驗在一定程度上說明了各種影響因素對煤層氣流動的影響作用，但 鑒于煤層氣開采工作的復(fù)雜性，運些模擬狀態(tài)與現(xiàn)場實際情況相差較遠，并不能全面地 說明實際條件下的煤層氣抽采受到各因素的作用。本申請人于2013年提出的申請?zhí)枮?"201310025093. 9"的發(fā)明專利公開了一種多場禪合煤層氣開采物理模擬試驗系統(tǒng)，公開了 主要由試件箱、外管和內(nèi)管組成的實驗裝置，為在實驗室進行多煤層聯(lián)合開采過程中煤層 氣抽采和多場禪合煤層氣抽采的模擬研究提供了切實可行的方法。但是并沒有對多場禪合 低滲煤層水力壓裂提出研究方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種多場禪合低滲煤層水力壓裂模擬試驗 方法，用于模擬低滲煤層水力壓裂，為現(xiàn)場作業(yè)提供理論指導(dǎo)。 陽〇化]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種多場禪合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟一、前期準(zhǔn)備
[0007] la)將準(zhǔn)備好的煤粉按一定粒徑配比混合均勻，并添加一定的粘結(jié)劑；
[0008] 化）在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時安裝傳感器和外管；
[0009] Ic)密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；
[0010] Id)將試件箱置于加載系統(tǒng)中，然后在外管中裝配內(nèi)管；
[0011] le)在內(nèi)管的外端連接高壓累； 陽〇1引步驟二、應(yīng)力加載
[0013] 密封箱體，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動=向應(yīng)力加載系統(tǒng)，對試件各壓桿施加預(yù) 定的應(yīng)力水平；
[0014] 步驟S、水力壓裂
[0015] 打開高壓水累并調(diào)整至大于試件起裂壓力的壓力值，監(jiān)測水力壓裂曲線變化情 況；
[0016] 步驟四、結(jié)束一次試驗
[0017] 觀測水力壓裂曲線出現(xiàn)峰值后波動下降，并不再上升，關(guān)閉高壓水累，停止=向應(yīng) 力加載，結(jié)束水力壓裂試驗；取出壓裂管，高壓注入石膏監(jiān)測壓裂裂縫擴展形態(tài)；
[0018] 步驟五、同組其他試驗
[0019] 改變壓裂區(qū)域的位置、壓裂段的長度保持其他試驗參數(shù)不變，重復(fù)上述步驟二至 步驟四。
[0020] 所述外管的外徑為33mm。
[0021] 為了研究低滲松軟煤層的水力壓裂，可進行頂?shù)装鍓毫?，避免壓裂裂縫較快閉合， 在步驟一的煤巖層成型過程中煤層用壓制的型煤模擬，頂板用水泥或石膏誘筑模擬，所述 外管預(yù)埋安裝在頂板中；并且在步驟五的同組其他試驗中改變外管與煤層之間的法向距 離，從而研究低滲松軟煤層頂板壓裂的合適距離。
[0022] 有益效果：本發(fā)明可在實驗室內(nèi)模擬現(xiàn)場工況的低滲煤層水力壓裂，再現(xiàn)實際工 況中煤層參數(shù)的變化情況，從而研究水力壓裂應(yīng)力場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析 低滲煤層水力壓裂與壓裂區(qū)域的位置、壓裂段的長度之間的關(guān)系，分析水力壓裂裂隙通道 與煤層瓦斯流動禪合的時空演化規(guī)律。對于低滲松軟煤層，為避免壓裂裂縫較快閉合，可進 行頂?shù)装鍓毫眩涸谠嚰尚瓦^程中煤層用壓制的型煤模擬，頂板用水泥或石膏等相似材料 模擬，用作壓裂管的外管預(yù)先埋在頂板中，通過改變外管與煤層之間的法向距離來實現(xiàn)壓 裂孔與煤層之間法向距離的改變，從而研究低滲松軟煤層頂板壓裂的合適距離。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的描述，使本發(fā)明的技術(shù) 方案及其有益效果更加清楚、明確。 W25] 實施例一：
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明包括W下步驟：：
[0027] 步驟一、前期準(zhǔn)備
[0028] la)將準(zhǔn)備好的煤粉按一定粒徑配比混合均勻，并添加一定的粘結(jié)劑；
[0029] 化）在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時安裝傳感器和外管；所述試件箱和外管 的結(jié)構(gòu)與申請?zhí)枮?201310025093. 9"的發(fā)明專利中公開的試件箱結(jié)構(gòu)相同，在此不做寶 述。所述外管的外徑為33mm;
[0030] Ic)密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦；
[0031] Id)將試件箱置于加載系統(tǒng)中，然后在外管中裝配內(nèi)管，利用內(nèi)管的抽采內(nèi)區(qū)作為 壓裂區(qū)；所述內(nèi)管的結(jié)構(gòu)與申請?zhí)枮?201310025093. 9"的發(fā)明專利中公開的試件箱結(jié)構(gòu) 相同，在此不做寶述。
[0032] le)在內(nèi)管的外端連接高壓累。 陽〇3引步驟二、應(yīng)力加載
[0034] 密封箱體，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動=向應(yīng)力加載系統(tǒng)，對試件各壓桿施加預(yù) 定的應(yīng)力水平。
[0035] 步驟S、水力壓裂
[0036] 打開高壓水累并調(diào)整至大于試件起裂壓力的壓力值，監(jiān)測水力壓裂曲線變化情 況。
[0037] 步驟四、結(jié)束一次試驗
[0038] 觀測水力壓裂曲線出現(xiàn)峰值后波動下降，并不再上升，關(guān)閉高壓水累，停止=向應(yīng) 力加載，結(jié)束水力壓裂試驗；取出壓裂管，高壓注入石膏監(jiān)測壓裂裂縫擴展形態(tài)。
[0039] 步驟五、同組其他試驗
[0040] 改變壓裂區(qū)域的位置、壓裂段的長度保持其他試驗參數(shù)不變，重復(fù)上述步驟二至 步驟四。
[0041 ] 表一：水力壓裂模擬試驗方案
[0042]
[0043] 通過進行表一所示多組試驗方案，研究水力壓裂應(yīng)力場、裂隙場、滲流場、溫度場 的變化，分析低滲煤層水力壓裂與壓裂區(qū)域的位置、壓裂段的長度之間的關(guān)系，分析水力壓 裂裂隙通道與煤層瓦斯流動禪合的時空演化規(guī)律。 W44] 實施例2 :
[0045] 如圖1所示，在步驟一的煤巖層成型過程中煤層用壓制的型煤模擬，頂板用水泥 或石膏誘筑等相似材料模擬，所述外管預(yù)埋安裝在頂板中；并且在步驟五的同組其他試驗 中改變外管與煤層之間的法向距離。本實施例的其他步驟與實施例1相同，在此不做寶述。
[0046] 表二：虛擬儲層水力壓裂模擬試驗方案
[0047]
[0048] 對于低滲松軟煤層，通過進行表二所示多組試驗方案，改變壓裂孔與煤層之間的 法向距離來研究低滲松軟煤層頂板壓裂的合適距離。
【主權(quán)項】
1. 一種多場耦合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟一、前期準(zhǔn)備 la) 將準(zhǔn)備好的煤粉按一定粒徑配比混合均勻，并添加一定的粘結(jié)劑； lb) 在試件箱內(nèi)煤巖層成型過程中，同時安裝傳感器和外管； lc) 密封試件箱，并連接好傳感器接線至電腦； ld) 將試件箱置于加載系統(tǒng)中，然后在外管中裝配內(nèi)管； le) 在內(nèi)管的外端連接高壓栗； 步驟二、應(yīng)力加載 密封箱體，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后啟動三向應(yīng)力加載系統(tǒng)，對試件各壓桿施加預(yù)定的 應(yīng)力水平； 步驟三、水力壓裂 打開高壓水栗并調(diào)整至大于試件起裂壓力的壓力值，監(jiān)測水力壓裂曲線變化情況； 步驟四、結(jié)束一次試驗 觀測水力壓裂曲線出現(xiàn)峰值后波動下降，并不再上升，關(guān)閉高壓水栗，停止三向應(yīng)力加 載，結(jié)束水力壓裂試驗；取出壓裂管，高壓注入石膏監(jiān)測壓裂裂縫擴展形態(tài)； 步驟五、同組其他試驗 改變壓裂區(qū)域的位置、壓裂段的長度保持其他試驗參數(shù)不變，重復(fù)上述步驟二至步驟 四。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多場耦合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法，其特征在于：所 述外管的外徑為33mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多場耦合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法，其特征在于：在 步驟一的煤巖層成型過程中煤層用壓制的型煤模擬，頂板用水泥或石膏澆筑模擬，所述外 管預(yù)埋安裝在頂板中；并且在步驟五的同組其他試驗中改變外管與煤層之間的法向距離。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多場耦合低滲煤層水力壓裂模擬試驗方法，包括以下步驟：前期準(zhǔn)備、應(yīng)力加載、水力壓裂、結(jié)束一次試驗、同組其他試驗。從而在實驗室內(nèi)模擬現(xiàn)場工況的低滲煤層水力壓裂，再現(xiàn)實際工況中煤層參數(shù)的變化情況，研究水力壓裂應(yīng)力場、裂隙場、滲流場、溫度場的變化，分析水力壓裂與壓裂區(qū)域的位置、壓裂段的長度之間的關(guān)系，分析水力壓裂裂隙通道與煤層瓦斯流動耦合的時空演化規(guī)律。并且，對于低滲松軟煤層，在試件成型過程中煤層用壓制的型煤模擬，頂板用水泥或石膏等材料模擬，外管預(yù)先埋在頂板中，通過改變外管與煤層之間的法向距離可以研究低滲松軟煤層頂板壓裂的合適距離。
【IPC分類】G01N33/24
【公開號】CN105181927
【申請?zhí)枴緾N201510474673
【發(fā)明人】馬耕, 彭守建, 陶云奇, 尹光志, 劉曉, 許江, 劉 東, 唐勖培, 王維忠, 馮丹, 武雪鋒, 張超林
【申請人】河南能源化工集團研究院有限公司, 重慶大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月5日