[发明专利]一种真三轴多孔导向压裂实验装置

说明书

本发明公开了一种真三轴多孔导向压裂实验装置，包括加载杆、加载压板和套设于试样外部的密封胶套，在试样设有压裂孔的一侧与密封胶套之间设有分流组件，所述分流组件包括第一压板、第二压板和分流板，第一压板顶面与密封胶套贴合，第二压板底面与试样贴合，分流板设于第一压板和第二压板之间，分流板上设有相互垂直连通的第一通道和第二通道，第一通道的进液口与进液压裂管连接，根据实际工作需要将第一通道的出液口或第二通道两端的出液口与试样上的压裂孔连通。其能够根据导向压裂实验设计方案布置压裂孔的位置、数目和大小，能够对试样进行刚性加载和柔性同步压缩，实现不同地应力条件下的真三轴导向压裂物理模拟。

技术领域

本发明涉及岩体力学与工程技术，具体涉及一种真三轴多孔导向压裂实验装置。

背景技术

煤层气属非常规天然气，是优质的清洁能源，同时也是我国煤矿重特大灾害事故的首要致灾因素。由于我国大部分矿井的煤层都属于低透气性煤层，抽采难度大，为了提高煤层透气性，相关学者进行了大量的研究，如密集钻孔、深孔预裂爆破、水力冲孔、高压水射流割缝、水力压裂等，其中水力压裂技术作为油气井增产的主要措施，已广泛应用于地面煤层气的开发中，近年来也开始应用于煤矿井下，初步显示煤岩体水力压裂可大范围的实现煤岩体卸压，增加煤岩体的透气性，提高瓦斯抽采率，释放煤层瓦斯压力，改变煤体物理力学性质，从而降低煤与瓦斯突出危险性，为低透气性、无保护层开采的突出煤层瓦斯治理提供了一条新的途径。

在进行水力压裂时，压裂孔周围煤体受到压裂，高压水会向着裂隙的扩展方向延伸，从而引起煤层内瓦斯发生运移。受煤层地应力分布复杂影响，通过钻孔实施压裂时，裂缝的起始位置及延伸方向不明确，在地层复杂煤层中裂缝会出现转向或向顶底板延伸，造成裂隙无序扩展，不能对煤层实施有效压裂。另外常规水力压裂形成的裂缝面往往是一条主裂缝，在煤层中沿着单一方向增透，导致裂缝两侧形成增透空白带。随着煤层开采深度增加，地应力增加导致水力压裂起裂压力越来越高，容易对煤层顶底板造成损伤，后续煤炭开采时巷道支护困难。在某些条件下（如石门揭煤、条带掘进等）需要对水压裂缝在煤层中定向、有序的扩展，实现对煤层精准化的定向或定位增透。如何在地下“黑箱”复杂环境下实现水压裂缝的高连通率，使水压裂缝能够有序、定向的增加煤层透气性是突破常规压裂技术的关键难题。煤矿井下导向压裂的目的是在减少对顶底板损伤的情况下，尽可能实现均衡增透。由于导向孔的存在，水力压裂过程中，压裂孔与导向孔之间所需克服的阻力比其他方向上要小的多，因此使得裂纹的起裂方向向着两者之间连线的方向发展，阻止了向其他方向扩展的可能性。富向、刘洪磊等（穿煤层钻孔定向水压致裂的数值仿真[J]. 东北大学学报(自然科学版). 2011(10): 1480-1483.）利用F-RFPA2D数值软件模拟了穿层钻孔定向水力压裂全过程，分析了应力、水压的分布与变化规律，研究了损伤区域、卸压区域的形成与扩展过程。李全贵、翟成、林柏泉等（定向水力压裂技术研究与应用[J].西安科技大学学报，2011,31(6):735-739.）针对井下水力压裂后煤层会出现应力集中的问题提出了定向控制孔导向压裂的必要性，针对控制孔的作用机制，研究了不同控制孔的间距、位置对导向压裂的控制效果影响。

真三轴应力条件下的水力压裂物理模拟实验能为试件还原真实的应力、骨架支撑，模拟煤岩体在地层中的实际受力情况，使水压裂缝逼近真实情况。该设备用于模拟真实条件下的三轴实验环境，能够在试件全密封状态下，在水力压裂过程中对裂隙起裂、扩展发育特性，声发射特性、流量、温度、应力应变等多方面检测。

CN104655495B和CN107576562A都对这种真三轴多功能物理模拟系统进行了描述，但现有的压裂系统都只能实现单孔压裂，不能进行多孔导向压裂实验，无法对多孔导向理论研究进行实验验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种真三轴多孔导向压裂实验装置，其能够根据导向压裂实验设计方案布置压裂孔的位置、数目和大小，能够对试样进行刚性加载和柔性同步压缩，实现不同地应力条件下的真三轴导向压裂物理模拟。