专利名称：煤岩强度分布测试装置及煤岩强度分布分析系统和方法
技术领域：
本发明涉及矿山开采、煤层气开发研究领域，尤其是一种煤岩强度分布测试装置及煤岩强度分布分析系统和方法。
背景技术：
储层压裂改造是提高煤储层的渗透性，增加煤层气井产能的一种重要措施。煤岩 裂隙系统分布的不均一性、内部组成的差异性等决定了煤岩强度存在一定的差异性，这些都将导致在压裂过程中裂缝起缝、延伸规律的不同，由于对煤岩本身强度分布的不甚了解，导致水力压裂增透机理不明，许多工程施工一般是基于经验，缺乏理论指导。另一方面，常规煤岩加载实验、渗透率测试实验仪器中，由于实验装置的局限性，只能测试整块煤样的声波，不能从更小的尺度方面对煤岩强度进行测试，因此，无法掌握加载过程中，裂缝的形成、拓展、延伸变化规律。用这样的实验结果指导工程施工，造成理论与现实之间差异性明显，在一定程度上影响了现场储层改造的效果，甚至很多地方导致了工程的失败。如何从小尺度方面对煤岩强度进行精细刻画，查明在不同应力条件下，加载过程中煤岩强度分布与裂隙起裂、延伸、变化规律之间的关系，进而指导现场储层改造，则是摆 在我们面前亟待解决的难题。
发明内容
针对储层改造过程中由于对裂缝起缝、扩展、延伸规律不明，难以根据储层特点有针对性的采取措施以及常规测试装置不能进行不同水平应力下煤岩微观强度测试的问题。本发明的目的在于提供一种煤岩强度分布测试装置，通过该方法和装置可以测试煤岩样在不同水平应力下加载过程中，各部位的煤岩强度分布情况，进而掌握煤岩的裂缝起裂、延伸规律，为储层压裂改造提供指导。同时，本发明的目的还在于提供使用上述装置的煤岩强度分布分析系统以及使用该分析系统分析煤岩强度分布的方法。为了解决上述问题，本发明的煤岩强度分布测试装置采用以下技术方案煤岩强度分布测试装置，包括超声波系统以及用于容纳实验样品的实验缸，所述实验缸包括底壁和围壁，所述围壁包括两个以上固定围壁以及与所述固定围壁相对设置并可沿直线远离或靠近与之相对的固定围壁的活动围壁，所述活动围壁各自连接有用于驱使其活动的水平加载机构，实验缸的上方设有加载体，加载体连接有竖向加载机构；所述超声波系统包括分设于固定围壁和底壁上的超声波发射点和与超声波发射点相对的设在对应的活动围壁和加载体上的超声波接收点。所述水平加载机构为固定设置在对应活动围壁外侧的液压伸缩机构。所述活动围壁的外侧设有敞口的箱座，所述箱座的开口朝向对应的活动围壁，活动围壁的外侧面上设有与对应的箱座插接配合的插板，所述插板与对应的箱座在相应活动围壁的活动方向上导向配合，所述液压伸缩结构由所述插板与对应的箱座构成。
所述活动围壁上的插板及与之对应的箱座中的一个上开设有供另一个插入的插槽，箱座与对应的插舌之间通过所述插槽插接。所述固定围壁和活动围壁各有两个，两个固定围壁相邻且二者之间具有90°的夹角，每个固定围壁和底壁上的超声波发射点各有两个以上，每个固定围壁和底壁上的超声波发射点都均布设置。本发明的煤岩强度分布分析系统采用以下技术方案包括测试装置及数据处理系统，测试装置包括超声波系统及用于容纳实验样品的实验缸，所述实验缸包括底壁和围壁，所述围壁包括两个以上固定围壁以及与所述固定围壁相对设置并可沿直线远离或靠近与之相对的固定围壁的活动围壁，所述活动围壁各自连接有用于驱使其活动的水平加载机构，实验缸的上方设有加载体，加载体连接有竖向加载机构；所述超声波系统包括分设于固定围壁和底壁上的超声波发射点和与超声波发射点相对的设在对应的活动围壁和加载体 上的超声波接收点；所述数据处理系统包括用于记录所述超声波系统的信号并将其转换为实验样品强度参数的数据采集软件以及数据转换软件，所述数据采集软件及数据转换软件位于一个计算机中，所述计算机连接有用于显示实验样品强度参数的显示器。所述水平加载机构为固定设置在对应活动围壁外侧的液压伸缩机构。所述活动围壁的外侧设有敞口的箱座，所述箱座的开口朝向对应的活动围壁，活动围壁的外侧面上设有与对应的箱座插接配合的插板，所述插板与对应的箱座在相应活动围壁的活动方向上导向配合，所述液压伸缩结构由所述插板与对应的箱座构成。所述固定围壁和活动围壁各有两个，两个固定围壁相邻且二者之间具有90°的夹角，所述每个固定围壁和底壁上的超声波发射点各有两个以上，每个固定围壁和底壁上的超声波发射点都均布设置。本发明的用上述分析系统分析煤岩强度分布的方法采用以下技术方案该方法包括以下步骤1)将实验样品放置于实验缸中；2)开启超声波系统及数据处理系统，记录实验前的声波情况；3)开启水平加载机构并逐渐增大加载负荷到设定值；4)在不同的水平加载负荷下开启竖向加载机构；5)通过数据处理系统记录超声波信号并计算，将超声波信号转换为实验样品强度参数；6)通过步骤5)的计算结果分析不同变形阶段实验样品强度分布情况。由于本发明的煤岩强度分布测试装置的实验缸采用固定围壁与活动围壁结合的形式，活动围壁均传动连接有水平加载机构，并且实验缸的上方设有竖向加载机构，实验缸的固定围壁与底壁上设有所述超声波发射点，活动围壁及加载体上设有与超声波发射点对应的超声波接收点；因此，在进行测试时，可通过所述活动围壁及与之对应的水平加载机构模拟煤岩环境，通过竖向加载机构及加载体来模拟压裂状况，同时在试验样品受压变形的过程中通过超声波系统时时监控试验样品的变形情况，从而指示煤岩强度分布情况，进而掌握煤岩的裂缝起裂、延伸规律，为储层压裂改造提供理论指导。
图I是本发明的煤岩强度分布测试装置的实施例I的结构示意 图2是图I的A-A剖视 图3是固定围壁上的超声波发射点的分布示意图；图4是活动围壁上的超声波接收点的分布示意 图5是围压箱的顶部结构示意 图6是本发明的煤岩强度分布分析系统的实施例I的结构示意图。
具体实施例方式本发明的煤岩强度分布测试装置的实施例1，如图1-5所示，包括超声波系统及实验缸11，实验缸11用于放置试验样品12，其包括底壁11-1以及设在底壁ll-ι上的围壁，本实施例中，底壁11-1为固定的，围壁有四个且分为固定围壁11-2和活动围壁11-3，固定围壁11-2和活动围壁11-3各有两个，四个围壁围成正方体形且每个固定围壁均与一活动围壁相对设置，每个活动围壁的外侧均设有一敞口的箱座13，箱座13的开口朝向与之对应的活动围壁，活动围壁可以根据试验样品的变形而发生移动，活动围壁11-3的外侧面上设有向对应的箱座延伸的尾板14，尾板14位于对应活动围壁的边缘处，其中位于顶部的尾板 14上设有护檐14-1，箱座13的箱板中与顶板相连的两个(如图2)采用双层板，双层板之间的夹层形成插槽，箱座13的箱板中位于顶部的一个上设有与对应尾板上的护檐吻合的台阶面，尾板14中与箱座的双层箱板对应的两个插入双层箱板的夹层中，位于上方的一个尾板的护檐与对应的箱座的顶部箱板上的台阶面滑动配合，从而使得当活动围壁11-3在一定范围内活动时仍能保证尾板14与箱座13配合处的密封；为了保证尾板14与对应箱座13配合处的密封性，二者的配合处均设有密封胶条，箱座13还连接有高压水泵15，高压水泵15连接有水箱16，至此，活动围壁11-3的尾板与对应的箱座共同形成围压箱，即液压伸缩机构，该液压伸缩机构形成驱使对应的活动围壁靠近或远离与之相对的固定围壁的水平加载机构，高压水泵15与对应的箱座之间通过管路连接，该管路上串接有调节阀17及压力表18，通过调节阀17可调节对应箱座内的压力的大�。皇笛楦�11的上方设有加载体19，加载体19的上侧连接有竖向加载机构20，竖向加载机构20可采用常规的加载机构如液压缸、气缸丝母丝杠等，本实施例中，竖向加载机构采用液压缸，需要指出的是，为了保证实验缸不会影响到实验样品的变形，活动围壁11-3的长和宽要小于实验样品30的长和宽，同样加载体尺寸也小于样品，在其边缘使用橡胶垫充填空隙；超声波系统包括超声波发生器21(外置，可市购获得)、超声波发射点22及超声波接收点23，超声波发射点22布设在实验缸11的底壁及固定壁上，其中底壁及每个固定壁上的超声波发射点都是均匀布设的，超声波接收点与超声波发射点一一对应并相对设置，其位于活动围壁和加载体上；本实施例中，超声波发射点与超声波接收点各有48个，每个固定围壁和底壁上各有16个超声波发射点，每个活动围壁和加载体上各有16个超声波接收点。使用时，首先将试验样品放入实验缸中，然后开启超声波发生器并记录实验前的声波情况，开启高压水泵，以设定的速率逐渐增加水平加载机构的加载力，通过观察对应的压力表使水平加载机构施加的加载力达到实验要求，然后开启竖向加载机构，于此同时，超声波发射点发射的声波信号经过试验样品传播到对应的超声波接收点，从而便可通过检测超声波信号的时差来测试实验样品的强度分布情况。在本发明的煤岩强度分布测试装置的其它实施例中，上述实施例I中所述的水平加载机构还可以采用液压伸缩缸、气缸或丝母丝杠机构等，此种情况下，所述的压力表可用压力传感器来代替；所述实验缸的固定围壁的数量还可以为两个以上，此种情况下，可相应的增加活动围壁的数量并保证活动围壁与固定围壁相对设置；所述水箱及水泵均可以是装置自带的也可以是工作现场的；还可通过将活动围壁上的尾板插入箱座的开口中的方式来使二者形成液压伸缩机构。本发明的煤岩强度分布分析系统的实施例1，如图6所示，该分析系统包括煤岩强度分布测试装置及数据数理系统，所述强度分布测试装置与与上述的煤岩强度分布测试装置的实施例I的结构相同，所述数据处理系统包括通过线缆与测试装置的超声波系统连接的计算机30，计算机中设有据采集软件以及数据转换软件，二者用于记录超声波系统的信号并将其转换为实验样品强度参数，另外，计算机30还连接有显示器，显示器用于显示试验样品强度；系统工作时，计算机30接收并记录超声波系统的声波信号并将其转换为声波时差，根据测试结果得出一系列的方程，再对方程进行相应的推导，转化成矩阵的计算形式，然后主要采用C#语言编制程序，将矩阵计算转化成计算机可以识别的语言，这样通过编程就实现了将声波时差转化为试验样品强度，其中上述得出方程、推导、转化成矩阵的计算形式以及C#语言编程均为现有技术，此处不予赘述。在这里采用平均值的方法，根据临近四个点的测试值的平均值代表中心处的测试值，其中在编程计算过程中为了尽量避免测试的误差，假设同一微小试验样品在任何方向上的声波时差相同，则根据需要将煤样划分成27个小煤样，根据声波时差可以列出27个方程，采用矩阵的计算方法将方程转化成矩阵形式，采用C#开发工具编写程序，进而可以计算出各个小煤样的强度，最后得出竖向加载装置加载过程中，不同阶段试验样品微观强度的分布规律。在本发明的煤岩强度分布分析系统的其它实施例中，上述的煤岩强度分布分析系统的实施例I中所述的水平加载机构还可以采用液压伸缩缸、气缸或丝母丝杠机构等，此种情况下，所述的压力表可用压力传感器来代替；所述实验缸的固定围壁的数量还可以为两个以上，此种情况下，可相应的增加活动围壁的数量并保证活动围壁与固定围壁相对设置；所述水箱及水泵均可以是装置自带的也可以是工作现场的；还可通过将活动围壁上的尾板插入箱座的开口中的方式来使二者形成液压伸缩机构。本发明的煤岩强度分布分析方法的实施例I，米用本发明的煤岩强度分布分析系统的实施例1，包括以下步骤1)将实验样品放置于实验缸中；2)开启超声波系统及数据处理系统，记录实验前的声波情况；3)开启水平加载机构并逐渐增大加载负荷到设定值；4)在不同的水平加载负荷下开启竖向加载机构；5)通过数据处理系统记录超声波信号并计算，将超声波信号转换为实验样品强度参数；6)通过步骤5)的计算结果分析不同变形阶段 实验样品强度分布情况。
权利要求
1.煤岩强度分布测试装置，其特征在于，包括超声波系统以及用于容纳实验样品的实验缸，所述实验缸包括底壁和围壁，所述围壁包括两个以上固定围壁以及与所述固定围壁相对设置并可沿直线远离或靠近与之相对的固定围壁的活动围壁，所述活动围壁各自连接有用于驱使其活动的水平加载机构，实验缸的上方设有加载体，加载体连接有竖向加载机构；所述超声波系统包括分设于固定围壁和底壁上的超声波发射点和与超声波发射点相对的设在对应的活动围壁和加载体上的超声波接收点。
2.根据权利要求I所述的煤岩强度分布测试装置，其特征在于，所述水平加载机构为固定设置在对应活动围壁外侧的液压伸缩机构。
3.根据权利要求2所述的煤岩强度分布测试装置，其特征在于，所述活动围壁的外侧设有敞口的箱座，所述箱座的开口朝向对应的活动围壁，活动围壁的外侧面上设有与对应的箱座插接配合的插板，所述插板与对应的箱座在相应活动围壁的活动方向上导向配合，所述液压伸缩结构由所述插板与对应的箱座构成。
4.根据权利要求3所述的煤岩强度分布测试装置，其特征在于，所述活动围壁上的插板及与之对应的箱座中的一个上开设有供另一个插入的插槽，箱座与对应的插舌之间通过所述插槽插接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的煤岩强度分布测试装置，其特征在于，所述固定围壁和活动围壁各有两个，两个固定围壁相邻且二者之间具有90°的夹角，每个固定围壁和底壁上的超声波发射点各有两个以上，每个固定围壁和底壁上的超声波发射点都均布设置。
6.煤岩强度分布分析系统，其特征在于，包括测试装置及数据处理系统，测试装置包括超声波系统及用于容纳实验样品的实验缸，所述实验缸包括底壁和围壁，所述围壁包括两个以上固定围壁以及与所述固定围壁相对设置并可沿直线远离或靠近与之相对的固定围壁的活动围壁，所述活动围壁各自连接有用于驱使其活动的水平加载机构，实验缸的上方设有加载体，加载体连接有竖向加载机构；所述超声波系统包括分设于固定围壁和底壁上的超声波发射点和与超声波发射点相对的设在对应的活动围壁和加载体上的超声波接收点；所述数据处理系统包括用于记录所述超声波系统的信号并将其转换为实验样品强度参数的数据采集软件以及数据转换软件，所述数据采集软件及数据转换软件位于一个计算机中，所述计算机连接有用于显示实验样品强度参数的显示器。
7.根据权利要求6所述的煤岩强度分布分析系统，其特征在于，所述水平加载机构为固定设置在对应活动围壁外侧的液压伸缩机构。
8.根据权利要求7所述的煤岩强度分布分析系统，其特征在于，所述活动围壁的外侧设有敞口的箱座，所述箱座的开口朝向对应的活动围壁，活动围壁的外侧面上设有与对应的箱座插接配合的插板，所述插板与对应的箱座在相应活动围壁的活动方向上导向配合，所述液压伸缩结构由所述插板与对应的箱座构成。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的煤岩强度分布分析系统，其特征在于，所述固定围壁和活动围壁各有两个，两个固定围壁相邻且二者之间具有90°的夹角，所述每个固定围壁和底壁上的超声波发射点各有两个以上，每个固定围壁和底壁上的超声波发射点都均布设置。
10.用权利要求6所述的装置分析煤岩强度分布的方法，其特征在于，包括以下步骤I)将实验样品放置于实验缸中；2)开启超声波系统及数据处理系统，记录实验前的声波情况；3)开启水平加载机构并逐渐增大加载负荷到设定值；4)在不同的水平加载负荷下开启竖向加载机构；5)通过数据处理 系统记录超声波信号并计算，将超声波信号转换为实验样品强度参数；6)通过步骤5)的计算结果分析不同变形阶段实验样品强度分布情况。
全文摘要
本发明涉及矿山开采、煤层气开发研究领域，尤其是一种煤岩强度分布测试装置及煤岩强度分布分析系统和方法。装置包括用于容纳实验样品的实验缸以及超声波系统，所述实验缸包括底壁和围壁，所述围壁包括两个以上固定围壁以及与所述固定围壁相对设置并可沿直线远离或靠近与之相对的固定围壁的活动围壁，所述活动围壁各自连接有用于驱使其活动的水平加载机构，实验缸的上方设有加载体，加载体连接有竖向加载机构；所述超声波系统包括分设于固定围壁和底壁上的超声波发射点和与超声波发射点相对的设在对应的活动围壁和加载体上的超声波接收点；该装置可指示煤岩强度分布情况，进而掌握煤岩的裂缝起裂、延伸规律，为储层压裂改造提供理论指导。
文档编号G01N29/07GK102830172SQ201210309728
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者倪小明, 贾炳, 胡海洋, 李全中, 靳建 申请人:河南理工大学
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