(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210746325.9 (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221116 江苏省徐州市铜山区大 学路1 号 (72)发明人 刘世奇　王鹤　桑树勋　高德义　 王冉　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 徐尔东 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01N 13/00(2006.01) G01N 13/04(2006.01) G01M 10/00(2006.01)G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟 试验系统及试验方法 (57)摘要 本发明涉及一种水平井洞穴激励卸压与流 体运移模拟试验系统及试验 方法， 包括水平井洞 穴激励卸压平台、 应力应变与流体场监测系统以 及控制及信息采集平台； 控制及信息采集平台同 时与水平井洞穴激励卸压平台、 应力应变与流体 场监测系统同时连通， 本发明的水平井洞穴激励 卸压平台构造煤原位煤层气开发过程中脉动式 激励卸压的实验 条件， 应力应变与流体场监测系 统动态监测实验中水平井扩展规律 以及激励卸 压过程中应力应变的时空演化规律， 以及复杂渗 流场与水平井段流动状态的动态监测。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 115097104 A 2022.09.23 CN 115097104 A 1.一种水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 包括水平井洞穴 激励卸压平台、 应力应 变与流体场监测系统以及控制及信息采集平台； 控制及信 息采集平台同时与 水平井洞穴激励卸压平台、 应力 应变与流体场 监测系统同 时连通， 所述水平井洞穴激励卸压平台通过控制及信息采集平台发送的指 令构造煤原位煤 层气开发过程中脉动式激励卸压的实验条件， 应力应变与流体场监测系统通过控制及信息 采集平台发送的指令动态监测实验中水平井扩展规律以及激励卸压过程中应力应变的时 空演化规律， 同时应力应变与流体场监测系统将获取的时空演化规律信息传送至控制及信 息采集平台。 2.根据权利要求1所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 所述水平井洞穴激励卸压平台包括密封骨架模 型、 脉动式高压射流动力系统以及高压可伸 缩喷射系统； 所述的密封骨架模型包括模型箱本体， 在模型箱本体内装填煤系地层相似材料， 在模 型箱本体内设置导向管； 前述的脉动式高压射流动力系统包括水箱、 液位传感器、 高压柱塞计量泵、 第 一电动球 阀、 安全阀以及压力传感器， 水箱的进水口通过高压管路与水龙头连通， 在进水口与水龙头之间安装第一电磁球 阀， 同时在水箱内部安装液位传感器， 水箱的出水 口通过高压硬管与高压柱塞计量泵前端 连通， 高压柱塞计量泵后段通过高压硬管与安全阀一端连接， 安全阀的泄压出 口与水箱连 接， 当超压时可直接将压力泄至水箱， 安全阀的出 口端通过高压管线与第二电磁球阀的后 端连接， 第二电磁 球阀的前端与压力传感器的一端连接； 高压柱塞计量泵的水泵电机与控制及信息采集平台连通； 压力传感器的另一端与高压可伸缩喷射系统连通； 其中压力传感器的一端通过高压管 线与第二电磁 球阀连接， 压力传感器的另一端通过高压软 管与高压可伸缩喷射系统连通。 3.根据权利要求2所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 所述的高压可伸缩喷射系统包括第二步进电机、 软管绞盘、 丝杠、 滑台、 可移动喷管以及可 变向喷头， 丝杠连接在直线滑轨上， 且丝杠相对直线滑轨能够发生滑移， 在丝杠的端部通过螺纹 或者滚珠结构安装滑台， 滑台表面固定可移动喷管， 可变向喷头通过螺纹连接在可移动喷 管前端； 所述第二 步进电机通过 联轴器连接 丝杠； 可移动喷管的尾端通过高压软 管与压力传感器的另一端连通； 可变向喷头相对 模型箱本体内导向管的入口。 4.根据权利要求3所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 所述高压可伸缩喷射系统还包括第一步进电机与软管绞盘， 软管绞盘上缠绕高压软管， 通 过第一步进电机的启动关停实现软 管绞盘上高压软 管的释放以及回收。 5.根据权利要求4所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 在直线滑轨上靠 近两个端部的位置分别安装限位器， 每 个限位器匹配一个碰触传感器； 在滑台尾端安装位移传感器； 可移动喷管与滑台连接的尾端位置安装配重块；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115097104 A 2在直线滑轨靠近可移动喷管尾端的位置安装固定支架， 且固定支架安装在位于尾端的 限位器上； 在可移动喷管靠近喷射部分的位置、 直线滑轨靠近可移动喷管的底部均安装喷管稳定 器。 6.根据权利要求5所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 所述应力应变与流体场监测系统包括分布式光纤传感系统、 静态应力应变测试分析系统、 分布式光纤声 波传感系统以及摄 像系统， 在模型箱本体内开设预留孔， 模型箱本体上设置密封骨架模型接口， 在密封骨架模型 接口内预留铠装光 缆或者电缆， 且预留的铠装光 缆或者电缆延伸至模型箱本体外 部； 所述静态应力应变测试分析系统包括静态应力 应变测试仪和若干土压力盒， 多个土压 力盒通过信号传输导线串联形成串联结构， 串联结构的信号传输导线通过密封骨架模型接 口预留的铠装光 缆或者电缆与静态应力应 变测试仪连通； 所述分布式光纤传感系统包括光纤应变解调仪， 所述分布式光纤声波传感系统包括 DAS调制解调器， 在分布式光纤传感系统以及分布式光纤声波传感系统内均包含传感光纤， 所述的传感光纤盘成光纤圈， 埋设在模型箱本体内， 传感光纤通过密封骨架模型接口内预 留的铠装光 缆或者电缆同时与光纤应 变解调仪、 DAS调制解调器连通； 所述摄像系统包括高速高清摄像机以及内窥镜， 内窥镜的镜头置于预留孔内壁处， 内 窥镜的尾端与高速高清摄 像机连通； 所述的光前应变解调仪、 静态应力应变测试仪、 DAS调制解调器以及高速高清摄像机同 时与控制及信息采集平台连通。 7.根据权利要求6所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统， 其特征在于： 所述的传感光纤盘成的光纤 圈总长度为1m， 直径小于10 0mm。 8.根据权利要求7所述的水平井洞穴激励卸压与流体运移模拟试验系统的试验方法， 其特征在于： 具体包括以下步骤： Step0： 在模型箱本体内， 根据相似材料原理， 制作顶板以及底板相似材料， 并在模型箱 本体内装填煤系地层相似材料， 在铺设煤系地层相似材料时， 在模型箱本体内布置由多个 土压力盒通过信号传输导线串联形成的串联结构， 以及盘成光纤圈的传感光纤， 串联结构 以及光纤 圈均通过铠装光 缆或者电缆 集成线路引至模型箱本体外 部； Step1： 利用接线端子将土压力盒的信号传输导线与静态应力应变测试仪连接， 并利用 跳线熔接方式连接光纤应变解调仪以及DAS调制解调器， 并将解调信号传输至控制及信息 采集平台处； Step2： 打开入水口处的阀门， 系统上电， 控制 及信息采集平台接收到实验启动命令， 打 开第一电磁球阀， 开启向水供水， 当液位传感器达到预设上限水位时， 系统自动向第一电磁 球阀发送关闭指 令， 同时， 系统继续监测水箱内液位传感器信号， 当水箱内液位高度低于水 箱满量程的1/3箱体高度时， 自动向第一电磁球阀发送开启指令， 第一电磁球阀打开， 向水 箱内注水； Step3： 实验条件预设， 通过控制及信息采集平台中的设置接口， 设定内容包括： 高压柱 塞计量泵的工作状态， 第二电磁球阀的工作模式， 通过控制及信息采集平的RS485通讯， 将 设定数值传导至水泵电机以及第二电磁球阀处， 通过调节水泵电机的转速以及第二电磁球权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115097104 A 3