[发明专利]一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置与试验方法

摘要

一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置及试验方法，属于岩体力学与工程技术领域范畴，其特征在于该装置由真三轴伺服控制实时加载系统（1）、水力压裂系统（2）、超临界CO2压裂系统（3）、渗透系统（4）、循环冷却系统（5）、温度加载及保温控制系统（6）、声发射监测系统（7）、压力‑变形测试系统（8）及数据采集和自动化控制系统（9）九大系统组成，可模拟真实地层的埋藏条件，对试件（19）进行高温加热模拟深度地层温度环境；通过高压水力或超临界CO2进行压裂试验；通过注入高压孔隙水或气体进行煤岩渗透试验以测试压裂效果；通过声发射系统（7）全程监测压裂产生的裂缝的起裂、扩展及开闭合特性，观察和分析掌握裂缝的形成及扩展机理，为压裂开采提供理论基础和实验依据。

主权项

一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，其特征在于是一种可模拟矿物埋藏深度达2000m和温度达400℃的地质环境条件，由真三轴伺服控制实时加载系统(1)、温度加载及保温控制系统(6)、水力压裂系统(2)、超临界CO2压裂系统(3)、渗透系统(4)、循环冷却系统(5)、声发射监测系统(7)、压力‑变形测试系统(8)及数据采集和自动化控制系统(9)九大系统组成的试验装置，所述的真三轴伺服控制实时加载系统(1)是系统的重要组成部分，由五组千斤顶及加载油缸(16)、三组独立的稳压源、伺服油源、传压柱、传压板(14)、多孔槽板(12)、伺服阀、压力传感器、位移传感器和变形传感器组成，通过压力室内的传压板(14)错位布置，实现对试件(19)的刚性加载，对试件(19)施加模拟相应地层的地应力条件，错位布置是指传压板(14)之间改变原有硬连接的布置为相互错位布置，用来解决试件(19)压缩变形时传压板(14)之间的相互挤压问题，以及满足试件(19)的尺寸变化，压力室通过传压板(14)的错位布置实现五面刚性加载，传压板(14)与试件(19)之间嵌置多孔槽板(12)；所述的水力压裂系统(2)，由液体伺服增压泵、压裂管柱(21)、压裂液注入压力传感器、压裂液注入流量计量装置和水力压裂配套组件组成，利用一组液体伺服增压泵通过压裂管柱(21)泵注压裂液对试件(19)进行压裂，通过压裂管柱(21)与真三轴伺服控制实时加载系统(1)联接；所述的超临界CO2压裂系统(3)，由气体伺服增压泵、压裂管柱(21)、温度加载装置、保温管路、注入压力传感器、注入流量计量装置和超临界CO2压裂配套组件组成，利用一组气体伺服增压泵及温度控制装置通过压裂管柱泵注超临界CO2对试件(19)进行压裂，通过保温管路连接压裂管柱(21)与真三轴伺服控制实时加载系统(1)联接；所述的渗透系统(4)，由伺服增压泵、孔隙水/气注入压力传感器、孔隙水/气注入流量传感器、孔隙水/气渗透压力传感器、孔隙水/气渗透流量传感器和密封配套组件组成，利用一组伺服增压泵将孔隙水/气通过压力室的顶部接口泵注到用耐超高温密封胶(13)密封的试件(19)的顶部，在压力室的底部出口经过底部多孔槽板(12)收集渗透过试件(19)的孔隙水/气；所述的循环冷却系统(5)，由循环水泵、冷却管路和循环冷却配套组件组成，在加载油缸靠近传压板的端部采用水冷对油缸进行循环冷却；所述的温度加载及保温控制系统(6)，由保温环境箱(10)、加热棒(22)、温度采集控制仪和加热保温配套组件组成，在压力室的内部四周传压板(14)上打钻孔(15)布置加热棒(22)进行加温，通过多孔槽板(12)对试件(19)传递热量加热，由温度采集控制仪对温度的加载进行采集和控制，设计一个保温环境箱(10)用以提供恒温环境；所述的声发射监测系统(7)，由声发射探头和声发射处理装置组成，在压力室周围传压板(14)上预留有声发射探头(23)布置点，利用声发射仪监测试件(19)的声发射变化，并进行三维声发射定位，用来监测试件(19)内部裂纹的起裂和扩展演化参数；所述的压力‑变形测试系统(8)，主要由各子系统中记录温度、压力、流量、变形和位移的传感器组成，同时在压力室内部设置有压力传感器，记录试件(19)内部的压力变化；所述的数据采集和自动化控制系统(9)，采用面板式的自动化控制和数据显示，通过输入加载过程的控制程序，自动加载；试验完成后，通过程序控制自动卸载；通过温度采集控制仪，输入设定的温度值进行加热；通过伺服增压泵的控制程序，对压力、排量和泵注体积参数进行记录和控制；实时显示试验过程中各传感器测得的温度、压力、流量、变形和位移参数并能够输出数据；生成试验过程中的压力加载过程动态曲线、温度变化动态曲线、压裂过程动态曲线、孔隙压力变化动态曲线和试件(19)内部压力变化动态曲线以便进行控制并能够予以输出。