CN112683748A - 一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法，包括单接口高渗垫块、双接口高渗垫块及夹持于两垫块之间的柱形样品，模拟井筒沿柱形样品上端面中心至柱形样品体心布置，下液压头、围压缸内液压头向柱形样品施加轴压，液压油导管向围压缸内注入液压油进而向柱形样品施加围压，目标流体自流体导入管流入单接口高渗垫块和柱形样品，所述压裂液自压裂液导管经由压裂垫块、模拟井筒进入柱形样品，目标流体和压裂液自柱形样品流至双接口高渗垫块，经流体导出管流过流量计，利用流体导出管流量、流体物性参数、柱形样品尺寸计算柱形样品动态渗透率。本发明可测试压裂前、压裂过程中和压裂后三个阶段柱形样品的动态渗透率。

Description

一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及煤层气开发试验技术领域，特别是涉及一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法

背景技术

在煤层气勘探开发过程中，煤储层的渗透率是进行煤层气渗流分析的主要参数，现阶段，业内普遍认为煤储层渗透率是制约煤层气资源开发成败的关键因素之一。由于我国煤储层普遍具有渗透率低的特点，这严重制约了我国煤层气产业的发展。因此，准确测试煤岩样品渗透率对煤层气开发方案制定至关重要。目前业内已开发出测试煤岩样品在特定压力条件下渗透率的装置，如中国发明申请号201811057074.3公开了一种压力室结构和渗透率测试系统，该装置可利用管线气路单元测试煤岩样品在不同压力状态下的气测渗透率。但该装置只是对现有气测渗透率测试装置基于围压自补偿结构的改进，且只能利用气体测试渗透率，无法测试压裂过程中和压裂后样品的渗透率，具有较大的局限性。

目前开发过程中往往对煤储层进行压裂改造，得益于压裂技术的不断完善，我国煤层气产量逐年增加，表现出良好的发展势头。但时至今日，仍然缺乏较为准确的煤储层压裂过程中渗透率测试装置及方法，无法对压裂过程中渗透率进行准确评价，难以准确评估压裂增渗过程及压裂效果的好坏，无法深入研究储层改造过程中压裂技术与储层之间的适应性。虽然中国发明申请号201911030419.0公开了一种天然气水合物矿藏压裂实验装置，该装置可用于观察和评价不同压裂条件下、压裂前后天然气水合物储层的压裂效果，但该装置反应器筒体缺乏围压加载功能，只能利用活塞施加轴向压力挤压天然气水合物使水合物在与反应器筒体接触的部位形成被动围压，因此无法根据储层特征主动调控围压大小，该装置本身的诸多局限性使其并不适用于常温常压下呈固态样品的压裂，而且该装置只可以测量天然气水合物在压裂前、后的气测渗透率，无法跟踪压裂过程中样品渗透率的变化，也无法用液体测试样品渗透率。综合而言，现有压裂装置与渗透率测试装置无法实现在模拟水平地应力、垂向地应力作用下对压裂过程中样品渗透率的同步动态监测，这制约了对煤储层压裂增渗机理的深入研究。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法，可以开展压裂物理模拟前、压裂过程中、压裂后煤岩样品渗透率的动态测试，可以实时记录压裂物理模拟全过程中煤岩样品不同部位的应力-应变参数、压裂参数、渗透率变化参数，可以应用于压裂影响因素的分析、压裂方案优化调整和压裂过程中能量机理的研究，可弥补现有研究设备的不足，在正式施工前先开展物理模拟试验，可以大幅降低开发风险，节约成本，具有很大的经济效益。

本发明所采用的技术方案是：一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，包括动态渗透率测试部件、压裂部件和环形径向应变测量部件。所述动态渗透率测试部件包括单接口高渗垫块、双接口高渗垫块、流体导入管和流体导出管，所述压裂部件包括压裂垫块、压裂液导管和柱形样品内部的模拟井筒，所述环形径向应变测量部件包括多组以连接杆和信号线连接的平行排列的环形径向应变计。

单接口高渗垫块、双接口高渗垫块之间夹持柱形样品，所述双接口高渗垫块侧面底部对称设置2个导管接口，所述单接口高渗垫块侧面顶端设置1个导管接口，模拟井筒沿柱形样品上端面中心至柱形样品体心布置，所述压裂垫块底面中心和侧面中心各有一个导管接口，压裂垫块内一体成型的压裂液导管连接两个导管接口；

所述模拟井筒顶端穿过单接口高渗垫块中心预留的圆孔与压裂垫块底面中心部位的导管接口相接，所述压裂垫块侧面的导管接口与压裂液导管相接，所述流体导入管通过导管接口与单接口高渗垫块相接，所述流体导出管两端分别连接双接口高渗垫块的导管接口和流量计；

所述单接口高渗垫块与双接口高渗垫块均采用高强度、高渗透率特殊材质制成，可以承受150MPa轴向应力，所述单接口高渗垫块的内部及底面和双接口高渗垫块的内部及顶面具有网状渗流通道，单接口高渗垫块与双接口高渗垫块其他外表面均不具有渗流通道。

进一步地，所述双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块自下而上叠置于下液压头轴心之上，所述双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块外侧套设有热缩管，所述热缩管顶端和底端均使用密封圈密封，所述热缩管外侧套设有环形径向应变计，所述环形径向应变计和轴向应变计均通过信号线与外接信号接收机相连。

进一步地，所述单接口高渗垫块、双接口高渗垫块、压裂垫块均为圆柱形，且直径均与柱形样品相等。

进一步地，所述环形径向应变计由套设于热缩管外的环形套管组成，所述环形套管前、后、左、右四个方位均连接紧固螺丝，所述紧固螺丝内侧贴近热缩管的位置为应变传感器，所述环形套管之间通过连接杆连接。

进一步地，所述上液压头与轴向液压机采用一体式机身，上液压头与围压缸之间用固定螺丝相接，所述压裂垫块与围压缸内部的内液压头贴合；所述基座与下液压头采用一体式机身，所述主工作台焊接在下液压头上部，所述主工作台与围压缸之间通过密封螺丝连接，所述液压油导管穿过所述主工作台。

进一步地，所述流体导入管既可以向柱形样品内部注入地层水、活性水等液体，也可以导入氮气、二氧化碳、甲烷、氦气等气体；压裂液导管同样可以根据需要向柱形样品模拟井筒内压入地层水、活性水、氮气、二氧化碳、氦气等流体。

进一步地，所述流体导入管在实验过程中也可处于关闭状态，此时测试得到的是干燥样品在不同压裂液注入情况下的动态渗透率参数和应力应变参数。

进一步地，所述一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置还可以在压裂液导管、流体导入管关闭的状态下，在流体导出管处连接真空泵，将柱形样品内部抽真空，然后关闭流体导出管，打开流体导入管，按照设定的含水饱和度与含气饱和度在实验不同阶段先后注入不同成分的流体，将柱形样品含气、含水特征还原至原始储层环境。

一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试方法，包含以下步骤：

步骤一：利用烘干箱在60摄氏度温度下烘干样品24小时，而后每隔2小时从烘干箱中取出柱形样品称重，至重量不发生变化为止，将柱形样品用保鲜膜包裹，待样品冷却至室温后，沿柱形样品上端面中心至体心钻取长度等于1/2样品长度、直径10mm的钻孔，紧贴钻孔内侧安装模拟井筒，钻孔底端预留1/10样品长度左右的裸眼段，作为压裂时压裂液进入柱形样品的通道，用AB胶将模拟井筒外壁与钻孔内壁粘牢固，模拟井筒将作为压裂液进入柱形样品的通道。

步骤二：将双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块自下而上以同轴方向叠置于下液压头轴心处，在双接口高渗垫块中上部、柱形样品、单接口高渗垫块中下部套设一体的热缩管，并用热风枪加热热缩管，使其与双接口高渗垫块中上部、柱形样品、单接口高渗垫块中下部紧贴，用密封圈将热缩管顶端和底端密封，防止后期围压缸内液压油污染柱形样品。

步骤三：将环形径向应变计套设在热缩管外侧，多个平行套设的环形径向应变计之间用连接杆和信号线连接，环形径向应变计的数量可根据实验需要和样品尺寸进行调整组合，用紧固螺丝将各个环形径向应变计紧固在热缩管外表面，连接环形径向应变计与外接信号接收端之间的信号线。

步骤四：将模拟井筒顶部与压裂垫块底端的导管接口相接；压裂液导管一端与压裂垫块侧面的导管接口相接，一端与压裂泵相接；流体导入管一端与单接口高渗垫块的导管接口相接，一端与流体泵相接；流体导出管一端与双接口高渗垫块的导管接口相接，一端与流量计相接。

步骤五：用固定螺丝将围压缸与上液压头连接，启动轴向液压机，将上液压头和围压缸缓慢下放，至围压缸底端完全与主工作台相接，用密封螺丝将围压缸与主工作台密封连接，启动轴向液压机，使上液压头驱动围压缸内液压头继续下移，至围压缸内液压头与压裂垫块完全接触，且柱形样品不承受轴向压力。

步骤六：固定轴向应变计，连接信号线，使信号接收端记录轴向应变的初始值；启动液压油泵，将液压油通过液压油导管注入围压缸，待缸体注满油且缸体内柱形样品尚未受围压时同步启动轴向液压机，至样品所受轴压和围压达到设定值，稳定轴压和围压，轴压和围压加载过程中通过轴向应变计和环形径向应变计记录柱形样品的轴向应变和径向应变。

步骤七：将目标流体通过流体导入管注入单接口高渗垫块，流体通过单接口高渗垫块底端与柱形样品的接触面注入柱形样品，流体流经整个样品后自柱形样品底端与双接口高渗垫块的接触面进入双接口高渗垫块，并经流体导出管排出，排出后被流量计计量。

步骤八：待流体导出管流量稳定后，计算柱形样品在单相流体通过下的压裂前单相渗透率(K)。当流体导入管向柱形样品注入气体时计算公式为：

当流体导入管向柱形样品注入液体时计算公式为：K＝q_wμ_wL×10²/A(P₁-P₀)。

步骤九：开启压裂泵，将压裂液沿压裂液导管、模拟井筒注入柱形样品，开始压裂，在压裂过程中，实时记录流体导出管流量、轴向应变计和各环形径向应变计示数，其中，轴向应变计可记录样品在受围压、轴压和压裂液压力影响下的实时长度，实时长度L′＝L+△L；环形径向应变计可记录样品在受围压、轴压和压裂液压力影响下的实时周长，第i个环形径向应变计测得的实时周长C′_i＝(C_i+ΔC_i),样品平均实时周长C′＝((C₁+ΔC₁)+(C₂+ΔC₂)+…+(C_n+ΔC_n))/n，由此可得样品平均实时横截面面积为A′＝π(C′/2π)²。当流体导入管和压裂液导管均向柱形样品注入气体时，压裂实时渗透率计算公式为：

当流体导入管和压裂液导管均向柱形样品注入液体时，压裂实时渗透率计算公式为：K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)。当流体导入管与压裂液导管向柱形样品注入不同相态流体时，可将气相流动视为气相流体在固相和液相组成的混合介质中的流动，此时压裂实时渗透率计算公式为：

亦可将液相流体视为液相流体在固相和气相组成的混合介质中的流动，此时压裂实时渗透率计算公式为：K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)。

步骤十：压裂结束后，关闭压裂泵，待流体导出管流量再次稳定后，计算柱形样品在单相流体通过下的压裂后单相渗透率。当流体导入管向柱形样品注入气体时计算公式为：

当流体导入管向柱形样品注入液体时计算公式为：K″＝q_wμ_wL″×10²/A″(P₁-P₀)。

步骤十一：实验完成后，按照与压裂前相反的顺序将该装置的各部件调整为实验前的状态，整个水力压裂过程中动态渗透率测试作业完成。计算压裂过程中渗透率增大倍数D′＝K′/K,压裂后渗透率增大倍数D″＝K″/K。

上式中，K——压裂前单相渗透率，10^-3μm²；K′——压裂实时渗透率，10^-3μm²；K″——压裂后单相渗透率，10^-3μm²；P₀——大气压，MPa；q_g——大气压下气流量，cm³/s；μ_g——在测定温度下气体的黏度，MPa·s；L——压裂前样品长度，cm；A——压裂前样品横断面面积，cm²；L′——实时长度，cm；A′——平均实时横断面面积，cm²；C′——样品平均实时周长，cm；n——环形径向应变计数量，个；L″——压裂后样品长度，cm；A″——压裂后样品横断面面积，cm²；C_i——第i个环形径向应变计处样品初始周长，cm；ΔC_i——第i个环形径向应变计测得的样品周长变化值，mm；P₁——进口压力，MPa；q_w——大气压下水流量，cm³/s；μ_w——在测定温度下液体的黏度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明取得了压裂过程中样品渗透率实时动态监测零的突破，进而可以用于评价压裂效果及压裂参数的优劣，对于压裂方案的优化起到重要作用，利用本装置获取的数据可用于指导现场压裂作业，降低工程风险，节约勘探开发成本，具有显著的经济效益。

(2)目前煤层气勘探开发过程中往往需要对储层进行压裂，原始储层渗透率对煤层气井产量的影响小于压裂后渗透率，而现有发明一般仅可测试压裂前样品渗透率，本发明可测试同一柱形样品在压裂前、压裂过程中、压裂后三个阶段的动态渗透率，本发明可以助力本领域研究人员对煤储层渗透率的深入研究，具有显著的社会效益。

附图说明：

图1为本发明一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置及方法的结构示意图。

图2为本发明中主工作台的剖面图。

图3为本发明中环形径向应变计的剖面图。

图4为本发明中单接口高渗垫块的剖面图。

图5为本发明中双接口高渗垫块的剖面图。

其中：1-上液压头，2-围压缸，3-轴向应变计，4-压裂垫块，5-导管接口，6-单接口高渗垫块，7-热缩管，8-模拟井筒，9-柱形样品，10-流体导入管，11-环形径向应变计，11a-环形套管，11b-紧固螺丝，11c-应变传感器，11d-连接杆，12-密封圈，13-液压油导管，14-信号线，15-双接口高渗垫块，16-密封螺丝，17-固定螺丝，18-主工作台，19-压裂液导管，20-流量计，21-下液压头，22-基座，23-流体导出管，24-轴向液压泵，25-内液压头。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1、图4和图5所示，一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，包括动态渗透率测试部件、压裂部件和环形径向应变测量部件。所述动态渗透率测试部件包括单接口高渗垫块、双接口高渗垫块、流体导入管和流体导出管，所述压裂部件包括压裂垫块、压裂液导管和柱形样品内部的模拟井筒，所述环形径向应变测量部件包括多组以连接杆和信号线连接的平行排列的环形径向应变计。

如图1、图3、图4和图5所示，所述单接口高渗垫块、双接口高渗垫块之间夹持柱形样品，所述双接口高渗垫块侧面底部对称设置2个导管接口，所述单接口高渗垫块侧面顶端设置1个导管接口，模拟井筒沿柱形样品上端面中心至柱形样品体心布置，所述压裂垫块底面中心和侧面中心各有一个导管接口，压裂垫块内一体成型的压裂液导管连接两个导管接口；

所述模拟井筒顶端穿过单接口高渗垫块中心预留的圆孔与压裂垫块底面中心部位的导管接口相接，所述压裂垫块侧面的导管接口与压裂液导管相接，所述流体导入管通过导管接口与单接口高渗垫块相接，所述流体导出管两端分别连接双接口高渗垫块的导管接口和流量计；所述单接口高渗垫块与双接口高渗垫块均采用高强度、高渗透率特殊材质制成，可以承受150MPa轴向应力，所述单接口高渗垫块的内部及底面和双接口高渗垫块的内部及顶面具有网状渗流通道，单接口高渗垫块与双接口高渗垫块其他外表面均不具有渗流通道。

所述双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块自下而上叠置于下液压头轴心之上，所述双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块外侧套设有热缩管，所述热缩管顶端和底端均使用密封圈密封，所述热缩管外侧套设有环形径向应变计，所述环形径向应变计和轴向应变计均通过信号线与外接信号接收机相连。

所述单接口高渗垫块、双接口高渗垫块、压裂垫块均为圆柱形，且直径均与柱形样品相等。

所述环形径向应变计由套设于热缩管外的环形套管组成，所述环形套管前、后、左、右四个方位均连接紧固螺丝，所述紧固螺丝内侧贴近热缩管的位置为应变传感器，所述环形套管之间通过连接杆连接。

如图1和图2所示，所述上液压头与轴向液压机采用一体式机身，上液压头与围压缸之间用固定螺丝相接，所述压裂垫块与围压缸内部的内液压头贴合；所述基座与下液压头采用一体式机身，所述主工作台焊接在下液压头上部，所述主工作台与围压缸之间通过密封螺丝连接，所述液压油导管穿过所述主工作台。

所述流体导入管既可以向柱形样品内部注入地层水、活性水等液体，也可以导入氮气、二氧化碳、甲烷、氦气等气体；压裂液导管同样可以根据需要向柱形样品模拟井筒内压入地层水、活性水、氮气、二氧化碳、氦气等流体。

所述流体导入管在实验过程中也可处于关闭状态，此时测试得到的是干燥样品在不同压裂液注入情况下的动态渗透率参数和应力应变参数。

所述一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置还可以在压裂液导管、流体导入管关闭的状态下，在流体导出管处连接真空泵，将柱形样品内部抽真空，然后关闭流体导出管，打开流体导入管，按照设定的含水饱和度与含气饱和度在实验不同阶段先后注入不同成分的流体，将柱形样品含气、含水特征还原至原始储层环境。

当流体导入管和压裂液导管向柱形样品注入相同流体时，可计算得到压裂过程中柱形样品对于该流体的单相渗透率。当流体导入管与压裂液导管向柱形样品注入不同相态流体时，可计算压裂过程中柱形样品对于每相流体的相渗透率。

此处以直径100mm，高度200mm的柱形样品为例，以活性水为压裂液，以地层水为流体导入管注入液体，一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试方法的实施步骤如下：

步骤一：利用烘干箱在60摄氏度温度下烘干样品24小时，而后每隔2小时从烘干箱中取出柱形样品称重，至重量不发生变化为止，将柱形样品用保鲜膜包裹，待样品冷却至室温后，沿柱形样品上端面中心至体心钻取长度100mm、直径10mm的钻孔，紧贴钻孔内侧安装模拟井筒，钻孔底端预留20mm裸眼段，作为压裂时压裂液进入柱形样品的通道，用AB胶将模拟井筒外壁与钻孔内壁粘牢固，模拟井筒将作为压裂液进入柱形样品的通道。

步骤二：将双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块自下而上以同轴方向叠置于下液压头轴心处，在双接口高渗垫块中上部、柱形样品、单接口高渗垫块中下部套设一体的热缩管，并用热风枪加热热缩管，使其与双接口高渗垫块中上部、柱形样品、单接口高渗垫块中下部紧贴，用密封圈将热缩管顶端和底端密封，防止后期围压缸内液压油污染柱形样品。

步骤三：根据实验需要及样品尺寸，将3个环形径向应变计套设在热缩管外侧，3个平行套设的环形径向应变计之间用连接杆和信号线连接，连接杆和信号线长度取70mm，用紧固螺丝将各个环形径向应变计紧固在热缩管外表面，连接环形径向应变计与外接信号接收端之间的信号线。

步骤四：将模拟井筒顶部与压裂垫块底端的导管接口相接；压裂液导管一端与压裂垫块侧面的导管接口相接，一端与压裂泵相接；流体导入管一端与单接口高渗垫块的导管接口相接，一端与流体泵相接；流体导出管一端与双接口高渗垫块的导管接口相接，一端与流量计相接。

步骤五：用固定螺丝将围压缸与上液压头连接，启动轴向液压机，将上液压头和围压缸缓慢下放，至围压缸底端完全与主工作台相接，用密封螺丝将围压缸与主工作台密封连接，启动轴向液压机，使上液压头驱动围压缸内液压头继续下移，至围压缸内液压头与压裂垫块完全接触，且柱形样品不承受轴向压力。

步骤六：固定轴向应变计，连接信号线，使信号接收端记录轴向应变的初始值；启动液压油泵，将液压油通过液压油导管注入围压缸，待缸体注满油且缸体内柱形样品尚未受围压时同步启动轴向液压机，根据研究区煤储层平均水平主应力与轴向应力实际值，将样品所受轴压和围压分别缓慢加载至20MPa和25MPa，稳定轴压和围压，轴压和围压加载过程中通过轴向应变计和环形径向应变计记录柱形样品的轴向应变和径向应变。

步骤七：将目标流体通过流体导入管注入单接口高渗垫块，流体通过单接口高渗垫块底端与柱形样品的接触面注入柱形样品，流体流经整个样品后自柱形样品底端与双接口高渗垫块的接触面进入双接口高渗垫块，并经流体导出管排出，排出后被流量计计量。

步骤八：待流体导出管流量稳定后，计算柱形样品在单相流体通过下的压裂前单相渗透率(K)，计算公式为：K＝q_wμ_wL×10²/A(P₁-P₀)。

步骤九：开启压裂泵，将压裂液沿压裂液导管、模拟井筒注入柱形样品，开始压裂，在压裂过程中，实时记录流体导出管流量、轴向应变计和各环形径向应变计示数，其中，轴向应变计可记录样品在受围压、轴压和压裂液压力影响下的实时长度，实时长度L′＝L+△L；环形径向应变计可记录样品在受围压、轴压和压裂液压力影响下的实时周长，第i个环形径向应变计测得的实时周长C′_i＝(C_i+ΔC_i),样品平均实时周长C′＝((C₁+ΔC₁)+(C₂+ΔC₂)+(C₃+ΔC₃))/3，由此可得样品平均实时横截面面积为A′＝π(C′/2π)²。计算压裂实时渗透率K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)。

步骤十：压裂结束后，关闭压裂泵，待流体导出管流量再次稳定后，计算柱形样品在地层水通过下的压裂后单相渗透率(K″)，计算公式为：K″＝q_wμ_wL″×10²/A″(P₁-P₀)。

步骤十一：实验完成后，按照与压裂前相反的顺序将该装置的各部件调整为实验前的状态，整个水力压裂过程中动态渗透率测试作业完成。计算压裂过程中渗透率增大倍数D′＝K′/K,压裂后渗透率增大倍数D″＝K″/K。

上式中，K——压裂前单相渗透率，10^-3μm²；K′——压裂实时渗透率，10^-3μm²；K″——压裂后单相渗透率，10^-3μm²；P₀——大气压，MPa；L——压裂前样品长度，cm；A——压裂前样品横断面面积，cm²；L′——实时长度，cm；A′——平均实时横断面面积，cm²；C′——样品平均实时周长，cm；L″——压裂后样品长度，cm；A″——压裂后样品横断面面积，cm²；C_i——第i个环形径向应变计处样品初始周长，cm；ΔC_i——第i个环形径向应变计测得的样品周长变化值，mm；P₁——进口压力，MPa；q_w——大气压下水流量，cm³/s；μ_w——在测定温度下液体的黏度。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，其特征在于，包括动态渗透率测试部件、压裂部件和环形径向应变测量部件。所述动态渗透率测试部件包括单接口高渗垫块(6)、双接口高渗垫块(15)、流体导入管(10)和流体导出管(23)，所述压裂部件包括压裂垫块(4)、压裂液导管(19)和柱形样品(9)内部的模拟井筒(8)，所述环形径向应变测量部件包括若干组以连接杆(11d)和信号线(14)连接的平行排列的环形径向应变计(11)。

2.根据权利要求1所述的一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，其特征在于，所述单接口高渗垫块(6)、双接口高渗垫块(15)之间夹持柱形样品(9)，所述双接口高渗垫块(15)侧面底部对称设置2个导管接口(5)，所述单接口高渗垫块(6)侧面顶端设置1个导管接口(5)，模拟井筒(8)沿柱形样品(9)上端面中心至柱形样品(9)体心布置，所述压裂垫块(4)底面中心和侧面中心各有一个导管接口(5)，压裂垫块(4)内一体成型的压裂液导管(19)连接两个导管接口(5),所述模拟井筒(8)顶端穿过单接口高渗垫块(6)中心预留的圆孔与压裂垫块(4)底面中心部位的导管接口(5)相接，所述压裂垫块(4)侧面的导管接口(5)与压裂液导管(19)相接，所述流体导入管(10)通过导管接口(5)与单接口高渗垫块(6)相接，所述流体导出管(23)两端分别连接双接口高渗垫块(15)的导管接口(5)和流量计(20),所述单接口高渗垫块(6)的内部及底面和双接口高渗垫块(15)的内部及顶面具有网状渗流通道，单接口高渗垫块(6)与双接口高渗垫块(15)其他外表面均不具有渗流通道。

3.根据权利要求1所述的一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，其特征在于，所述双接口高渗垫块(15)、柱形样品(9)、单接口高渗垫块(6)自下而上叠置于下液压头(21)轴心之上，所述双接口高渗垫块(15)、柱形样品(9)、单接口高渗垫块(6)外侧套设有热缩管(7)，所述热缩管(7)顶端和底端均使用密封圈(12)密封，所述热缩管(7)外侧套设有环形径向应变计(11)，所述环形径向应变计(11)和轴向应变计(3)均通过信号线(14)与外接信号接收机相连。

4.根据权利要求1所述的一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，其特征在于，所述单接口高渗垫块(6)、双接口高渗垫块(15)、压裂垫块(4)均为圆柱形，且直径均与柱形样品(9)相等。

5.根据权利要求1和权利要求3所述的一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，其特征在于，所述环形径向应变计(11)由套设于热缩管(7)外的环形套管(11a)组成，所述环形套管(11a)前、后、左、右四个方位均连接紧固螺丝(11b)，所述紧固螺丝(11b)内侧贴近热缩管的位置为应变传感器(11c)，所述环形套管(11a)之间通过连接杆(11d)连接。

6.根据权利要求1所述的一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试装置，其特征在于，所述上液压头(1)与轴向液压机(24)采用一体式机身，上液压头(1)与围压缸(2)之间用固定螺丝(17)相接，所述压裂垫块(4)与围压缸(2)内部的内液压头(25)贴合；所述基座(22)与下液压头(21)采用一体式机身，所述主工作台(18)焊接在下液压头(21)上部，所述主工作台(18)与围压缸(2)之间通过密封螺丝(16)连接，所述液压油导管(13)穿过所述主工作台(18)。

7.一种压裂物理模拟过程中煤岩动态渗透率测试方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：将柱形样品干燥恒重，薄膜包裹，冷却至室温后，沿柱形样品上端面中心至体心钻取长度等于1/2样品长度、直径10mm的钻孔，钻孔内侧安装模拟井筒，钻孔底端预留1/10样品长度左右的裸眼段，用胶将模拟井筒外壁与钻孔内壁粘牢固；

步骤二：将双接口高渗垫块、柱形样品、单接口高渗垫块自下而上以同轴方向叠置于下液压头轴心处，在双接口高渗垫块中上部、柱形样品、单接口高渗垫块中下部套设一体的热缩管，并用热风枪加热热缩管，使其与双接口高渗垫块中上部、柱形样品、单接口高渗垫块中下部紧贴，用密封圈将热缩管顶端和底端密封；

步骤三：将环形径向应变计紧固在热缩管外侧，多个平行套设的环形径向应变计之间用连接杆和信号线连接，再与外接信号接收端之间的信号线相接；

步骤四：将模拟井筒顶部与压裂垫块底端的导管接口相接；压裂液导管一端与压裂垫块侧面的导管接口相接，一端与压裂泵相接；流体导入管一端与单接口高渗垫块的导管接口相接，一端与流体泵相接；流体导出管一端与双接口高渗垫块的导管接口相接，一端与流量计相接；

步骤五：将围压缸与上液压头连接，启动轴向液压机，将上液压头和围压缸缓慢下放，至围压缸底端完全与主工作台相接，将围压缸与主工作台密封连接，启动轴向液压机，使上液压头驱动围压缸内液压头继续下移，至围压缸内液压头与压裂垫块完全接触，且柱形样品不承受轴向压力；

步骤六：固定轴向应变计，连接信号线，使信号接收端记录轴向应变的初始值；启动液压油泵，将液压油通过液压油导管注入围压缸，待缸体注满油且缸体内柱形样品尚未受围压时同步启动轴向液压机，至样品所受轴压和围压达到设定值，稳定轴压和围压，轴压和围压加载过程中通过轴向应变计和环形径向应变计记录柱形样品的轴向应变和径向应变；

步骤七：将目标流体通过流体导入管注入单接口高渗垫块，流体通过单接口高渗垫块底端与柱形样品的接触面注入柱形样品，流体流经整个样品后自柱形样品底端与双接口高渗垫块的接触面进入双接口高渗垫块，并经流体导出管排出，排出后被流量计计量；

步骤八：待流体导出管流量稳定后，计算柱形样品在单相流体通过下的压裂前单相渗透率(K)；当流体导入管向柱形样品注入气体时计算公式为：

当流体导入管向柱形样品注入液体时计算公式为：K＝q_wμ_wL×10²/A(P₁-P₀)。

步骤九：开启压裂泵，将压裂液沿压裂液导管、模拟井筒注入柱形样品，开始压裂，在压裂过程中，实时记录流体导出管流量、轴向应变计和各环形径向应变计示数，其中，轴向应变计记录样品在受围压、轴压和压裂液压力影响下的实时长度，实时长度L′＝L+△L；环形径向应变计记录样品在受围压、轴压和压裂液压力影响下的实时周长，第i个环形径向应变计测得的实时周长C′_i＝(C_i+ΔC_i),样品平均实时周长C′＝((C₁+ΔC₁)+(C₂+ΔC₂)+…+(C_n+ΔC_n))/n，由此可得样品平均实时横截面面积为A′＝π(C′/2π)²；

当流体导入管和压裂液导管均向柱形样品注入气体时，压裂实时渗透率计算公式为：

当流体导入管和压裂液导管均向柱形样品注入液体时，压裂实时渗透率计算公式为：K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)；当流体导入管与压裂液导管向柱形样品注入不同相态流体时，将气相流动视为气相流体在固相和液相组成的混合介质中的流动，此时压裂实时渗透率计算公式为：

将液相流体视为液相流体在固相和气相组成的混合介质中的流动，此时压裂实时渗透率计算公式为：K′＝q_wμ_wL′×10²/A′(P₁-P₀)。

步骤十：压裂结束后，关闭压裂泵，待流体导出管流量再次稳定后，计算柱形样品在单相流体通过下的压裂后单相渗透率；当流体导入管向柱形样品注入气体时计算公式为：

当流体导入管向柱形样品注入液体时计算公式为：K″＝q_wμ_wL″×10²/A″(P₁-P₀)。

步骤十一：实验完成后，按照与压裂前相反的顺序将该装置的各部件调整为实验前的状态，整个水力压裂过程中动态渗透率测试作业完成；计算压裂过程中渗透率增大倍数D′＝K′/K,压裂后渗透率增大倍数D″＝K″/K。

上式中，K——压裂前单相渗透率，10^-3μm²；K′——压裂实时渗透率，10^-3μm²；K″——压裂后单相渗透率，10^-3μm²；P₀——大气压，MPa；q_g——大气压下气流量，cm³/s；μ_g——在测定温度下气体的黏度，MPa·s；L——压裂前样品长度，cm；A——压裂前样品横断面面积，cm²；L′——实时长度，cm；A′——平均实时横断面面积，cm²；C′——样品平均实时周长，cm；n——环形径向应变计数量，个；L″——压裂后样品长度，cm；A″——压裂后样品横断面面积，cm²；C_i——第i个环形径向应变计处样品初始周长，cm；ΔC_i——第i个环形径向应变计测得的样品周长变化值，mm；P₁——进口压力，MPa；q_w——大气压下水流量，cm³/s；μ_w——在测定温度下液体的黏度。

Images