详情

原文传递用于水力压裂实验的煤岩试样及其制作方法

专利名称：	用于水力压裂实验的煤岩试样及其制作方法
摘要：	本发明涉及一种用于水力压裂实验的煤岩试样，煤岩试样为由煤粉与煤矸石粉分层压制而成的正方体结构，其中：煤粉层和煤矸石层交替出现，根据实验目的和要求可以对煤粉层和煤矸石粉层的厚度进行调整，在煤岩试样正方体顶面中心竖直向下开设圆孔，圆孔内安装有圆管短节，圆管短节底端均匀对称地分布割缝，圆管短节与圆孔之间的孔隙采用密封胶填充，圆管短节与圆孔牢固地粘结在一起，圆管短节顶部安装有转换接头。本发明适用范围广，可以用于正方体、长方体、圆柱体以及其他形状煤岩试样的压制；原理简洁、明确、可操作性强，可以实现对煤岩结构和物性参数进行较为精准的控制，易于批量化生产。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	武汉理工大学
发明人：	姜婷婷;张建华;任高峰;张春阳;宣德全;齐鹏;徐冰冰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-11T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910290193.1
公开号：	CN110044671A
代理机构：	北京思格颂知识产权代理有限公司
代理人：	李中奎
分类号：	G01N1/28(2006.01);G;G01;G01N;G01N1
申请人地址：	430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路122号
主权项：	1.一种用于水力压裂实验的煤岩试样，煤岩试样为由煤粉与煤矸石粉分层压制而成的正方体结构，其特征在于：煤粉层和煤矸石层交替出现，根据实验目的和要求可以对煤粉层和煤矸石粉层的厚度进行调整，在煤岩试样正方体顶面中心竖直向下开设圆孔，圆孔内安装有圆管短节，圆管短节底端均匀对称地分布割缝，圆管短节与圆孔之间的孔隙采用密封胶填充，圆管短节与圆孔牢固地粘结在一起，圆管短节顶部安装有转换接头。 2.根据权利要求1所述的用于水力压裂实验的煤岩试样，其特征在于：转换接头采用阶梯型结构。 3.根据权利要求1-2所述的用于水力压裂实验的煤岩试样，其特征在于：煤岩试样长宽高均为30cm，煤岩试样共有五层，由上至下依次为煤粉层、煤矸石粉层、煤粉层、煤矸石粉层和煤粉层，厚度分别为9cm、1.5cm、9cm、1.5cm和9cm，煤粉和煤矸石粉颗粒直径为50-70目。 4.根据权利要求1-3所述的用于水力压裂实验的煤岩试样，其特征在于：圆孔直径为3cm、深度为18cm，圆孔孔壁粗糙度为0.03cm；圆管短节外径为2cm、壁厚为2mm、长度为17.5cm，圆管短节底端均匀对称地分布有四条宽度为0.2mm、长度为20mm的割缝；圆管短节底部与圆孔底部有1cm的间隙，间隙被砂子填充。 5.权利要求1-4之一所述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)、制作煤粉和煤矸石粉 (2)、制作模具 (3)、煤岩试样压制与烘干 (4)、钻孔 (5)、安装圆管短节和转换接头。 6.根据权利要求5所述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，其特征在于：步骤(1)具体如下：分别选取50公斤煤岩和煤矸石的块状体，调整粉碎机粉碎参数使得粉碎后颗粒直径主要分布在50-70目之间，提高粉碎后颗粒的利用率；利用筛孔尺寸为70目的筛子对粉碎后的煤岩和煤矸石进行筛分，保留颗粒直径为70目以上的部分进行第二次筛分；利用筛孔尺寸为50目的筛子对上次筛选得到的70目以上的颗粒再次进行筛分，保留粒径为50目以下的部分，得到粒径为50-70目粒径的煤粉和煤矸石粉。 7.根据权利要求5所述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，其特征在于：步骤(2)具体如下：利用壁厚为2cm的钢板组装成一个内部尺寸分别为30cm×30cm×32cm的长方体模具，其中模具高度为32cm；钢板承载100MPa时，变形量不大于0.01mm；该模具只有底板和四个垂直壁面板，没有顶盖，用于向模具中加注煤岩、煤矸石颗粒和施加压制荷载；模具底板和四个垂直壁面板上分布有直径为2mm的贯穿圆孔，用于试样压制过程中排水。 8.根据权利要求5所述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，其特征在于：步骤(3)具体如下： S1、从下至上，第一煤岩层压制将煤岩颗粒与水充分混合，加入到模具中至模具底板10cm高度位置处，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，卸掉载荷，拿掉加载板，测量压制后煤岩颗粒高度；根据测量压制后煤岩颗粒高度调整加入煤岩颗粒与水充分混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量压制后煤岩颗粒高度；重复上述过程，直至压制后煤岩颗粒高度约为9cm，允许±0.5cm误差； S2、从下至上，第一煤矸石层压制加入与水充分混合后的煤矸石粉颗粒至模具高度12cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；根据厚度测量值调整加入煤矸石粉颗粒与水混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；重复上述过程，直至煤矸石粉层厚度高度约为1.5cm，允许±0.2cm误差，此时试样总高度约为10.5cm； S3、从下至上，第二煤岩层压制加入与水充分混合后的煤岩颗粒至模具高度20.5cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，卸掉载荷，拿掉加载板，测量压制后煤岩颗粒高度；根据测量压制后煤岩颗粒高度调整加入煤岩颗粒与水充分混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量压制后煤岩颗粒高度；重复上述过程，直至压制后煤岩颗粒高度约为9cm(允许±0.5cm误差)，此时试样总高度约为19.5cm； S4、从下至上，第二煤矸石层压制加入与水充分混合后的煤矸石粉颗粒至模具高度22.5cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；根据厚度测量值调整加入煤矸石粉颗粒与水混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量煤矸石粉层高度；重复上述过程，直至煤矸石粉层厚度高度约为1.5cm(允许±0.2cm误差)，此时试样总高度约为21cm； S5、从下至上，第三煤岩层压制加入与水充分混合后的煤岩颗粒至模具高度31cm处，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，卸掉载荷，拿掉加载板，测量压制后煤岩颗粒高度；根据测量压制后煤岩颗粒高度调整加入煤岩颗粒与水充分混合物的量，让颗粒均匀平铺在模具内，放上加载板，以速度为0.001mm/s速度加载至100MPa，保压24小时，测量压制后煤岩颗粒高度；重复上述过程，直至压制后煤岩颗粒高度约为9cm(允许±0.1cm误差)，此时试样总高度约为30cm； S6、试样脱模和烘干试样压制完成后，脱模，将试样放入烘干箱内进行烘干，烘干温度设定为105℃、时间为24小时，烘干结束后取出试样进行称重，密封，留作后续实验使用。 9.根据权利要求5所述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，其特征在于：步骤(4)具体如下：采用固定式水钻在压制完成的试样顶面中心竖直向下钻一个直径为3cm、深度为18cm的圆孔，孔壁粗糙度为0.03cm；钻孔完成后将该试样放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为105℃、时间为24小时；烘干结束后，取出试样，密封，留作后续实验使用。 10.根据权利要求5所述的用于水力压裂实验的煤岩试样的制作方法，其特征在于：步骤(5)具体如下：制作一个长度为17.5cm、外直径为2cm的钢管短节，钢管短节壁厚为2mm，短节一端均匀对称地分布着四条割缝；割缝长度为2cm、宽度为0.2mm；用棉絮将割缝及割缝端管口堵住，确保密封胶不会进行割缝和管内；圆管短节另外一端安装上转换接头，用于实验过程中与压裂液注入管相连，注入压裂液；向圆孔内注入石英砂，高度为1cm；然后向圆孔内注入密封胶至圆孔口，将圆管短节缓缓插入圆孔中，直至不能插入为止，并确保圆管短节中轴线与圆孔相重合；候凝24小时，对圆孔边缘的密封胶进行打磨使之与试样端面平齐。
所属类别：	发明专利