液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统

1.本发明涉及液氮真三轴压裂煤体试验系统技术领域，特别是涉及液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统。


背景技术：

2.煤炭是我国主体能源和兜底能源，相当长一段时期内仍是我国能源安全的稳定器和压舱石。随着煤炭开采强度增加以及开采深度加大，浅部资源日益枯竭，许多矿井进入深部开采阶段。我国大部分深部煤层具有高瓦斯、高应力、低渗透等特点，尤其是低渗煤层普遍微孔隙结构发育，瓦斯吸附能力强，解吸渗流阻力大，严重制约了煤层瓦斯预抽效果。针对目前的现场地下煤层压裂工艺，有学者提出了采用液氮脉冲致裂方式，煤体在水-冰相变冻胀力、液氮气化膨胀力以及低温液氮对煤体的损伤共同作用下，促使宏观裂隙和微观裂隙扩展联通，构成裂隙网络，以增加煤层透气性。
3.液氮具有温度低(-195.8℃)、无污染、制备简单及原料来源广泛等特点，在提高煤层的渗透性方面有较好的应用前景。为研究在液氮作用下，煤体孔隙结构和力学性质的变化规律，国内外学者进行了一些液氮注入煤体的试验室压裂试验，但目前的试验液氮注入压力和流速都较低，由于保冷措施不易控制等原因和保冷不易实现较大的温差隔绝，低流速的液氮和输送管道壁面接触后迅速升温气化，形成较大的压力，存在试验风险。在部分高压液氮注入泵中，由于液氮的低沸点(-147℃)、高挥发性和高相变膨胀性(696倍)，液氮进入注入泵注入容器后，通过高压力推动容器，将液氮推进煤样试件，由于温差较大在中间容器中，不易形成很好的保冷措施和效果，会导致容器压力骤升，对液氮注入泵造成损坏。在煤样液氮注入过程中，由于液氮的低温特性和异常低的沸点，导致很难使其在液态流体状态下注入煤样试件中。且常规的试验传感器在液氮超低温作用下会发生低温收缩变形，灵敏度降低导致其无法直接正常测量，以往的液氮致裂煤样试验中，通常只研究液氮压裂前后煤样的破坏变形，对液氮作用时间和注入速度对损伤演化规律的影响尚不明确，储层温度、应力状态等因素的影响机制研究仍不够深入。因此，有必要提出一个考虑储层应力、温度等因素并实时监测煤样内温度、压力位移等因素的全过程液氮高压多级脉冲试验系统，以满足上述技术要求。


技术实现要素：

4.为解决以上技术问题，本发明提供一种考虑储层应力、温度等因素并可实时监测煤样内温度、压力位移等因素的液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统，包括三轴反应釜，所述三轴反应釜包括反应釜腔体、反应釜密封盖和三轴加载杆；所述反应釜腔体顶部敞口，所述反应釜腔体内部设置有用于盛放试验件的反应釜内腔，所述反应釜密封盖设置于所述反应釜腔体顶部，所述反应釜腔体四周分别设置有一所述三轴加载杆；
7.所述试验件包括方形胶筒，所述方形胶筒顶部敞口，所述方形胶筒用于盛放试验煤样，所述方形胶筒外部四周设置有煤样加载板，所述三轴加载杆的加载端与所述煤样加载板相接触；所述方形胶筒顶部设置有方形压板，所述方形压板上方设置有保温冷腔体；同轴设置的液氮注入杆和氮气反排管路的下端贯通所述保温冷腔体、所述方形压板后伸入所述试验煤样内；所述液氮注入杆的上部与液氮罐相连通；所述保温冷腔体内设置有保温材料；
8.还包括控制箱、数据采集器、数据分析模块、智能控制终端和防爆控制箱；所述数据采集器、所述数据分析模块和所述智能控制终端均设置于所述控制箱内，所述数据采集器、所述数据分析模块和所述智能控制终端通过连接电线与所述防爆控制箱电连接。
9.可选的，所述保温冷腔体顶部设置有管路压紧法兰，所述管路压紧法兰与所述保温冷腔体顶部可拆卸连接，所述管路压紧法兰与所述保温材料之间设置有隔热挡板；所述保温材料为保温隔热棉纱。
10.可选的，所述保温冷腔体与所述氮气反排管路之间设置有密封组件。
11.可选的，所述氮气反排管路的下部外壁上设置有盘根锁紧螺纹，所述氮气反排管路与所述方形压板通过所述盘根锁紧螺纹连接。
12.可选的，所述反应釜腔体底部设置有煤样测温测压组件和加热控温组件，所述煤样测温测压组件和所述加热控温组件均与所述数据采集器电连接。
13.可选的，所述液氮罐通过液氮泵进液管路与柱塞液氮泵的进口相连通，所述柱塞液氮泵的出口与所述液氮注入杆相连通；所述柱塞液氮泵与防爆电机传动连接，所述防爆电机与所述防爆控制箱电连接。
14.可选的，所述柱塞液氮泵的控制管路上依次设置有第二回止阀、阻尼器、汽化器、压力表和第一回止阀；所述第一回止阀与所述防爆控制箱电连接。
15.可选的，三轴试验机的加载杆上设置有位移传感器和声发射传感器；三轴试验机的加载杆用于向所述三轴加载杆提供载荷；所述位移传感器和所述声发射传感器均与所述数据采集器电连接。
16.可选的，还包括系统底座，所述三轴反应釜设置于所述系统底座上。
17.可选的，所述方形压板底部与所述试验煤样顶部之间设置于耐低温密封胶。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.1、液氮注入杆为真空隔热管，采用夹层设计，中间为液氮注入管路，隔层为氮气反排管路，形成贯通管路，保证液氮以流体状态下注入到煤样中，也可排出液氮汽化的高压氮气，可以有效解决液氮难以以液态流体状态下注入煤样试件中。
20.2、保温冷腔体进行保冷隔热棉纱填充包裹液氮注入杆，待隔热棉纱填充满之后安装挡圈和o型圈进行密封，用隔热挡板对保冷隔热棉纱进行压实，隔热挡板上依次安装管路压紧法兰和调整螺母对注入杆进行二次锁紧固定，通过顶部锁紧螺柱对保温冷腔体进行周向锁紧固定。除此之外，在三轴反应釜的外侧布置有聚氨酯的绝热层，以保证液氮注入过程中，以最小的热交换减小温度传递交换，减少液氮消耗。
21.3、三轴加载和温度加热，可进行考虑储层应力、温度等因素并实时监测煤样内温度、压力位移等因素的全过程液氮高压多级脉冲致裂实验。
22.4、利用声发射导杆解决了声发射传感器无法直接和煤样接触问题，声发射导杆内
嵌三轴加载杆中，对称布置。通过煤样测温测压组件可实现液氮注入压裂煤样内部裂纹的扩展和温度压力的全过程的实时监测。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统的结构示意图；
25.图2为本发明液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统中三轴反应釜的结构示意图；
26.图3为本发明液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统中保冷注入组件的结构示意图；
27.图4为本发明液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统的俯视结构示意图。
28.附图标记说明：1、控制箱；2、数据采集器；3、数据分析模块；4、智能控制终端；5、位移传感器；6、声发射传感器；7、三轴试验机；8、第一回止阀；9、压力表；10、三轴反应釜；11、氮气反排管路；12、液氮注入杆；13、穿舱组件；14、试验煤样；15、流量表；16、汽化器；17、阻尼器；18、第二回止阀；19、液氮泵进液管路；20、液氮罐；21、柱塞液氮泵；22、防爆电机；23、防爆控制箱；24、连接电线；25、煤样测温测压组件；26、加热控温组件；27、系统底座；28、三轴加载杆；29、反应釜腔体；30、反应釜密封盖；31、调节螺母；32保冷隔热棉纱；33、m36六角螺钉；34、方形胶筒；35、煤样加载板；36、反应釜内腔；37、胶筒底板支撑柱；38、胶筒底板；39、定位螺丝；40、透气接头；41、方形压板；42、盘根锁紧螺纹；43、密封组件；44、保温冷腔体；45、挡圈；46、o型圈；47、顶部锁紧螺柱；48、隔热挡板；49、管路压紧法兰；；50、m12内角螺钉；51、侧向加载油缸；52、轴向加载油缸；53、反应釜o型圈。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1至4所示，本实施例提供液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统，包括三轴反应釜10，三轴反应釜10包括反应釜腔体29、反应釜密封盖30和三轴加载杆28；反应釜腔体29顶部敞口，反应釜腔体29内部设置有用于盛放试验件的反应釜内腔36，反应釜密封盖30设置于反应釜腔体29顶部，反应釜腔体29四周分别设置有三轴加载杆28；试验件包括方形胶筒34，方形胶筒34顶部敞口，方形胶筒34用于盛放试验煤样14，方形胶筒34外部四周设置有煤样加载板35，三轴加载杆28的加载端与煤样加载板35相接触；方形胶筒34顶部设置有方形压板41，方形压板41上方设置有保温冷腔体44；同轴设置的液氮注入杆12和氮气反排管路11的下端贯通保温冷腔体44、方形压板41后伸入试验煤样14内；液氮注入杆12的上部与液氮罐20相连通；保温冷腔体44内设置有保温材料；还包括控制箱1、数据采集器
2、数据分析模块3、智能控制终端4和防爆控制箱23；数据采集器2、数据分析模块3和智能控制终端4均设置于控制箱1内，数据采集器2、数据分析模块3和智能控制终端4通过连接电线24与防爆控制箱23电连接。
31.于更具体的实施例中，反应釜腔体29和反应釜密封盖30之间设置有反应釜o型圈53，通过m36六角螺钉33连接。
32.方形压板41底部设置有多个透气接头40，在试样煤样安装密封和试验时排除多余或超压气体。
33.方形胶筒34底部设置有胶筒底板38，煤样加载板35底部与胶筒底板38的顶部之间设置有胶筒底板38，胶筒底板38用于对试验煤样14的位置进行固定。胶筒底板38周围设置有胶筒底板支撑柱37，胶筒底板支撑柱37底部与反应釜腔体29内底部相连接，以支撑方形胶筒34。
34.保温冷腔体44顶部设置有管路压紧法兰49，管路压紧法兰49与保温冷腔体44顶部通过m12内角螺钉50连接，管路压紧法兰49与保温材料之间设置有隔热挡板48；保温材料为保温隔热棉纱。更具体的，管路压紧法兰49外侧顶部为法兰盘，法兰盘下部设置有罩型结构，法兰盘与保温冷腔体44顶部通过m12内角螺钉50连接，罩型结构的外壁与保温冷腔体44内壁之间设置有密封圈，隔热挡板48设置于罩型结构内。更进一步的，隔热挡板48顶部与罩型结构内顶部之间设置有一调整螺母50，调整螺母50与氮气反排管路11之间螺纹连接。
35.保温冷腔体44外壁上部设置有挡圈45和o型圈46，用于与三轴反应釜10之间的密封。
36.保温冷腔体44与氮气反排管路11之间设置有密封组件43。
37.氮气反排管路11的下部外壁上设置有盘根锁紧螺纹42，氮气反排管路11与方形压板41通过盘根锁紧螺纹42连接。
38.反应釜腔体29底部设置有煤样测温测压组件25和加热控温组件26，煤样测温测压组件25和加热控温组件26均与数据采集器2电连接。更具体的，煤样测温测压组件25贯通胶筒底板38和方形胶筒34的底部，加热控温组件26贯通反应釜腔体29，且加热控温组件26位于胶筒底板38四周。
39.液氮罐20通过液氮泵进液管路19与柱塞液氮泵21的进口相连通，柱塞液氮泵21的出口与液氮注入杆12相连通；柱塞液氮泵21与防爆电机22传动连接，防爆电机22与防爆控制箱23电连接。
40.柱塞液氮泵21的控制管路上依次设置有第二回止阀18、阻尼器17、汽化器16、压力表9和第一回止阀8；第一回止阀8与防爆控制箱23电连接。
41.三轴试验机7的加载杆上设置有位移传感器5和声发射传感器6；三轴试验机7的加载杆用于向三轴加载杆28提供载荷；位移传感器5和声发射传感器6均与数据采集器2电连接。更进一步的，三轴试验机7的一个侧向加载油缸51上同时设置有位移传感器5和声发射传感器6，三轴试验机7的另一个侧向加载油缸51上设置有声发射传感器6，三轴试验机7的一个轴向加载油缸52上设置有位移传感器5。
42.本实施例中的液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统还包括系统底座27，三轴反应釜10设置于系统底座27上。
43.方形压板41底部与试验煤样14顶部之间设置于耐低温密封胶。
44.氮气反排管路11的出口端依次设置有压力表9和第一回止阀8。
45.防爆控制箱23上设置有压力表9和流量表15，用于监测试验过程中的氮气压力和流量。
46.于更进一步的具体实施例中，液氮注入杆12为真空隔热管，采用夹层设计，中间为液氮注入管路，隔层为氮气反排管路11，形成贯通管路，保证液氮以流体状态下注入到煤样中，也可排出液氮汽化的高压氮气，可以有效解决液氮难以以液态流体状态下注入煤样试件中。
47.反应釜腔体29上贯通的设置有多个穿舱组件13，穿舱组件13用于将一些连接线从外部引入到反应釜内腔36内，还可以预留接口和进气接口，可以外接一些进气管路与透气接头40配合，后续可进行煤样渗透率测试实验，和其他功能的实验。
48.煤样测温测压组件25置于9个测温测压孔内，每个钻孔内竖直方向各有3压力和温度探头，共计3*9＝27个测点，可实现液氮压裂全过程煤样内部压力温度的全方位立体实时监测。
49.保温冷腔体44进行保冷隔热棉纱32填充，待隔热棉纱填充满之后安装挡圈45和o型圈46进行密封，用隔热挡板48对保冷隔热棉纱32进行压实，隔热挡板48上依次安装管路压紧法兰49和调整螺母50对注入杆进行二次锁紧固定，通过顶部锁紧螺柱对保温冷腔体44进行周向锁紧固定，m12内角螺钉50进行轴向锁紧固定。之后通过反应釜o型圈53对反应釜密封盖30和反应釜腔体29进行密封，m36六角螺钉33进行二者的锁紧。除此之外，在三轴反应釜10的外侧布置有绝热层，以保证液氮注入过程中，以最小的热交换减小温度传递交换，减少液氮消耗。
50.煤样尺寸为150mm*150mm*150mm；o型圈46密、筒材质为耐低温的聚四氟乙烯，轴向实验力为1500kn，三轴最大加载压力为25mpa，试件模拟温度为-196℃～200℃，可进行考虑储层应力、温度等因素并实时监测煤样内温度、压力位移等因素的全过程液氮高压多级脉冲致裂实验。
51.液氮注入泵采用防爆电机22控制系统控制电机转速，防爆电机22采用伺服电机，进而可以精准的调节液氮的注入速度以及计量液氮的注入量。柱塞液氮泵21为卧式活塞型真空泵，流量：0-70l/h(气化量)，进口压力：0.02～1.2mpa，出口压力：0～45mpa，设计温度：-196℃。
52.系统采用低温自增压液氮罐20保存工业液氮，液氮罐20容量为1000l自增压液氮罐20由优质不锈钢制造，容器配有升压系统，能自身产生压力连续排液。由控制系统和罐体组成，控制系统主要由、进/排液阀，增压阀，放空阀，双安全阀，液位计，压力表9，4只独立刹车的脚轮组成。
53.设有位移传感器5、声发射传感器6，声发射传感器6和位移传感器5内嵌三轴加载杆28中，声发射传感器6对称布置，位移传感器5相邻布置。
54.进行实验前，首先进行实验煤样取芯制作，实验煤样为150*150*150mm的立方体煤样，然后通过钻头在试件上开孔，钻孔直径15mm孔深为70mm。钻孔下方开9个测温测压孔，测压孔3*3进行布置，煤样制作完成后，将煤样放在胶筒内部，注入管路通过方形压板41嵌入实验煤样中，注入管路和顶板组合成组件后，紧紧贴合煤样试件，盘根锁紧螺纹42固定紧注入管路，然后通过耐低温密封胶对方形压板41和胶筒间缝隙进行密封，之后将组件放置于
阴凉通风处进行晾干，放置时间36小时左右，待密封胶晾干后，将方形胶筒34放置于三轴反应釜10内的胶筒底板38上，胶筒底板38通过胶筒底板支撑柱37和下方的胶筒底板38进行胶筒位置固定。安装过程中打开透气接头40，待胶筒位置固定后关闭透气接头40。之后将煤样测温测压组件25置于9个测温测压孔内，每个钻孔内竖直方向各有3压力和温度探头，共计3*9＝27个测点，可实现液氮压裂全过程煤样内部压力温度的全方位立体实时监测。胶筒位置固定完成后，密封组件43、保温冷腔体44依次穿过注入管路进行安装，保温冷腔体44进行保冷隔热棉纱32填充，待隔热棉纱填充满之后安装挡圈45和o型圈46进行密封，用隔热挡板48对保冷隔热棉纱32进行压实，隔热挡板48上依次安装管路压紧法兰49和调整螺母50对注入杆进行二次锁紧固定，通过顶部锁紧螺柱对保温冷腔体44进行周向锁紧固定，m12内角螺钉50进行轴向锁紧固定。之后通过反应釜o型圈53对反应釜密封盖30和反应釜腔体29进行密封，m36六角螺钉33进行二者的锁紧。除此之外，在三轴反应釜10的外侧布置有绝热层，以保证液氮注入过程中，以最小的热交换减小温度传递交换。待煤样安装完毕通过穿舱组件对反应釜内腔36进行注水测压，测压完成后打开三轴试验机7，侧向加载油缸51和轴向加载油缸52通过三轴加载杆28共同对试件胶筒外侧的加载板加载，提供最大主应力和中间主应力，反应釜内腔36提供净水压加载，为试件外部的胶筒提供围压密封环境，打开加热控温组件26模拟储层温度。
55.待地应力加载系统和煤样安装完成后进行液氮注入系统的调试运行，首先打开液氮罐20进液，液氮泵向容器内充液，请先开启放空阀，将输液的金属软管接在进液阀上，打开进液阀，即可以从进液阀加入液氮，并观察压力表9，充液完毕后，关闭进液阀。开启防爆控制箱23和防爆电机22，调节电机转速，奖转速升到600rpm以上，然后依次打开连阻尼器17、汽化器16和回止阀，进行液氮泵预冷，同时开启控制箱1的数据采集器2、数据分析模块3、智能控制终端4、压力表9、流量表15、位移传感器5和声发射传感器6进数据采集分析，当液氮泵外部管路结霜3分钟以后，表示液氮泵冷却完毕。后续打开进液阀进行真三轴加载下液氮高压多级脉冲致裂全过程实验，实验过程中打开反排管路上的压力表9和回止阀，形成贯通管路，保证液氮以流体状态下注入到煤样中，也可排出液氮汽化的高压氮气。
56.本发明中的液氮高压多级脉冲致裂全过程真三轴试验系统，通过在试样煤岩预制钻孔，并向预制钻孔内注入高压液氮，通过高压液氮压裂试样，裂缝走向及扩展会与裂缝诱导孔的深度、位置、高压液氮注入有关，裂缝的起裂和裂缝的走向裂缝走向可通过预埋声波探头实现实时来检测，通过位移-应变监测技术系统检测煤岩位移、应变，通过煤样测温测压组件25对压裂全过程煤样的温度压力进行检测，并通过控制箱1的数据采集器2、数据分析模块3和智能控制终端4对实验数据进行记录分析。该实验系统不仅可研究不同注入压力、流速的影响，还可研究不同注入时间/次数下液氮压裂研究，系统功能强大，实用性强。
57.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
58.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。