[发明专利]一种水力压裂煤层裂纹可视化及增透效果评价方法

摘要

一种水力压裂煤层裂纹可视化及增透效果评价方法，用于实验室中对煤层水力压裂检测。包括前期准备阶段、地应力加载阶段、压裂前抽采瓦斯、水力压裂煤体阶段、压裂后抽采瓦斯和压裂效果评价。其步骤简单，检测效果好，有效模拟不同组合方式下的强化瓦斯抽采过程，同时可同步监测并采集煤层瓦斯压力、温度、表面裂纹形态以及抽采瓦斯流量，为研究不同强化抽采条件下瓦斯抽采效率及优化抽采措施提供了有效手段。

主权项

1.一种水力压裂煤层裂纹可视化及增透效果评价方法，其特征在于包括：前期准备阶段、地应力加载阶段、压裂前抽采瓦斯、水力压裂煤体阶段、压裂后抽采瓦斯和压裂效果评价；其具体步骤为：1a)从待测煤矿区域突出煤层中取样并进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案中地应力、注水速率、压裂位置等试验参数；1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0‑1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，可视化箱体底部设有海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有充气口，可视化箱体顶部以及可视化箱体的左侧壁上和前侧壁上设有多个透明加载板，可视化箱体顶部的透明加载板有六个序号分别为X1‑X6，可视化箱体前侧壁上的透明加载板有六个序号分别为Y1‑Y6，可视化箱体的左侧壁上的透明加载板为Z1，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面设有均匀步骤有多个传感器安装孔，同时布置有一排多功能钻孔，其中多功能钻孔尾部在可视化箱体上设有外接接头，外接接头与可视化箱体的箱体壁之间设有密封垫，多功能钻孔包括封孔段、压裂段，多功能钻孔全长0.5m，封孔段长0.15m，压裂段长0.35m，压裂段管壁周向和径向方向分布有透气孔，给多功能钻孔设置序号为A1‑A6，在可视化箱体利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样分别埋入气压传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20 MPa条件下成型1h后解除所有透明加载板对煤样的加压；1c)利用密封圈和螺钉将可视化箱体的盖板和箱体密封紧固，将高压气瓶、真空泵、流量计Ⅰ顺序连接，流量计Ⅰ的输出端通过管路与多功能金属板的充气口相连接，在可视化箱体后部的序号为A6的多功能钻孔中设置连接接头与流量计Ⅱ相连接，可视化箱体后部的序号为A3的多功能钻孔中设置连接接头与流量计Ⅲ的进气孔相连接，流量计Ⅲ的出气口管路与压裂泵相连接，检测可视化箱体及气管管路连接的密封效果；1d)在可视化箱体外侧安装高速摄像机，用以监测可视化箱体内的变化；2a)对可视化箱体内的煤样进行三轴应力加载操作，其中可视化箱体中煤样上部的序号为X1‑X6的6个压板应力大小均为6 MPa，前侧序号为Y1‑Y6的6个压板应力大小均为8 MPa；左侧序号为Z1的1个压板应力大小为10 MPa；2b)启动真空泵对煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100 Pa关闭真空泵，用时约12h；2c)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为1.0MPa，第一阶段充气12h、充气压力至0.3 MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至0.6 MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气12h、充气压力至0.9 MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第四阶段充气6h、充气并稳定至1.0 MPa，然后关闭气瓶，用时共计约60h，充气过程中通过流量计Ⅰ记录充入瓦斯量；3a)按照试验方案开展水力压裂前瓦斯抽采过程，打开A6钻孔，开始抽采瓦斯，并通过流量计Ⅱ记录瓦斯抽采量；3b)抽采24h后结束抽采，卸载应力，排空瓦斯；4a)重复步骤2a‑2c；4b)控制压裂泵通过序号为A3的多功能钻孔向设置在可视化箱体中煤样内注水，注水速率为10mL/s；4c)通过设置在可视化箱体侧的高速摄像机观察煤样在压裂泵注水过程中的变化，当观测到煤岩表面产生裂隙时，关闭压裂泵停止注水；4d)结束上述压裂，关闭高速摄像机，卸载应力；5a)按照试验方案开展水力压裂后瓦斯抽采过程，打开序号为A6的多功能钻孔抽采瓦斯，并通过流量计Ⅱ记录瓦斯抽采量；5b)抽采24h后结束抽采，卸载应力，排空瓦斯；5c)改变水力压裂钻孔位置、注水速率条件，重复步骤1c‑2c、4a‑5b，开展其他条件下水力压裂及压裂后瓦斯抽采试验。6a)根据高速摄像机拍摄的煤体照片，分析不同条件下水力压裂过程中煤体表面裂纹的生长、扩展规律，并利用PS对裂缝最终形态进行素描处理，分析压裂钻孔位置、注水速率等不同压裂参数与压裂裂纹数量、面积、起裂压力之间的关系；6b)根据瓦斯充入量和抽采量分别计算压裂前瓦斯抽采率包括瓦斯抽采量占充入量比例、不同压裂参数：包括压裂钻孔位置、注水速率压裂后瓦斯抽采率；并分析压裂裂纹数量、面积、起裂压力与瓦斯抽采率之间的关系；6c)基于压裂前后瓦斯抽采率大小定量评价水力压裂增产效果，并优化水力压裂参数。