(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 202211033929.5 (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221000 江苏省徐州市南郊翟山 申请人 易安蓝焰煤与煤层气共 采技术有限 责任公司 (72)发明人 康俊强　傅雪海　程鸣　卢杰林　 陈召英　 (74)专利代理 机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 专利代理师 俞晓梅 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种施加非均质应力加载装置及水力压裂 实施方法 (57)摘要 本发明涉及非常规天然气勘探和开发领域， 提供一种施加非均质应力加载装置及水力压裂 实施方法， 该装置由限位固定装置、 膨胀加压橡 胶块以及加压挡板组成； 所述限位固定装置包括 顶部盖板、 侧边挡板、 中间挡板、 分隔挡板和后侧 挡板； 其中， 多块分隔挡板和一块中间挡板将限 位固定装置分割为多个独立加压舱， 多个独立加 压舱用于 单独加压以进行施加非均质应力加载。 本发明采用自主设计的非均质应力辅助装置， 可 以在不改变当前水力压裂装置的条件下可以加 载非均质垂向和水平应力， 具有适用范围广、 实 用性强的特点， 解决了 现有水平压裂装置无法有 效模拟应力显著变化区域条件下的水力压裂模 拟过程。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115372156 A 2022.11.22 CN 115372156 A 1.一种施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 由限位固定装置、 膨胀加压橡胶块(18) 以及加压挡板(14)组成； 所述限位固定装置包括顶部盖板(13)、 侧边挡板(11)、 中间挡板 (15)、 分隔挡板(12)和后侧挡板(19)； 其中， 多块分隔挡板(12)和一块中间挡板(15)将限位 固定装置分割为多个独立加压舱， 多个独立加压舱用于单独加压以进 行施加非均质应力加 载。 2.根据权利要求1所述的施加 非均质应力加载装置， 其特征在于， 所述侧边挡板(11)、 顶部盖板(13)和 后侧挡板(19)相互连接组成限位固定装置， 限位固定装置内部中间位置 设 置一块中间挡板(15)， 中间挡 板(15)两侧 对称分布有分隔挡板(12)， 六块分隔挡 板(12)和 一块中间挡板(15)将限位固定装置 分割为八个独立加压舱， 八个独立加压舱用于单独加压 以进行施加非均质应力加载。 3.根据权利要求2所述的施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 所述中间挡板(15)中 部为注入管线 预留有空间， 所述独立加压舱中存在有从所述后侧挡板(19)中间两侧延伸而 出的金属固定杆， 金属固定杆之间以及金属固定杆与两侧挡板距离相等， 所述金属固定杆 用于连接加压挡板(14)。 4.根据权利要求3所述的施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 所述膨胀加压橡胶块 (18)中间设有两个用于穿过金属连接杆(17)固定的预留孔， 用于使金属固定杆穿过膨胀加 压橡胶块(18)进入独立加压舱， 所述 膨胀加压 橡胶块(18)为可变形不可压缩均质材 料。 5.根据权利要求4所述的施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 所述加压挡板(14)的 长和宽与矩形膨胀加压橡胶块(18)的宽和高相同， 所述加压挡板(14)中间存设有两个预留 孔用于两个螺丝与所述金属固定杆 连接。 6.一种施加非均质应力加载装置的水力 压裂实施方法， 其特征在于， 使用权利要求1 ‑5 任一所述的施加非均质应力加载装置结合常规水力压裂装置， 进 行非均质应力下的水力压 裂过程， 包括以下步骤： 设计实验方案， 通过现场测试和数据分析， 确定储层应力的空间分布特征， 确定垂向应 力， 最大水平主应力和最小水平主应力的大小和变化梯度； 确定储层的破裂压力、 以及注入 速率； 将样品(6)制作为水力压裂装置的设计尺寸， 并将样品(6)放入水力压裂装置的样品舱 (4)处； 在样品(6)的三个方向放置所述非均质应力加载装置(10)， 并在所述非均质应力加载 装置(10)顶部垂向加载或两侧水平加载覆盖固定片， 用螺 丝将所述固定片固定； 将膨胀加压橡胶块(18)分别放入八个独立空间中， 用加压挡板(14)固定； 同时持续旋 转固定螺丝(16)挤压膨胀加压 橡胶块(18)， 膨胀加压 橡胶块(18)受到挤压向下膨胀加压； 通过膨胀加压橡胶块(18)下方压力传感器实施监测压力大小， 直至达到目标压力， 随 后依次加压其 他各腔体以及其 余两个方向应力； 再次检查各个所述腔体的压力， 及时调整所有腔体压力至目标压力； 在注入端向样品(6)井口以目标流 量恒流注入， 直至样品(6)破裂， 观察破裂特 征。 7.一种施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 包括压力加载舱、 承压系统和侧边可拆 卸挡板(30)； 所述压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为多个独立空间， 所述承压系统为设置在压力加载舱上的橡胶筒， 侧边可拆卸挡板(30)上留有管线(29)孔权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115372156 A 2洞， 用于承压系统的管线(2 9)的布设。 8.根据权利要求7所述的施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 所述压力加载舱为矩 形设计， 压力加载舱内部通过金属挡板焊接将压力加载舱分割为六个独立空间， 加压舱中 心位置为钢 管与两片钢板焊接而成， 存在预留孔； 所述加压舱顶部和底部钢板处粘附有密 封橡胶片。 9.根据权利要求8所述的施加非均质应力加载装置， 其特征在于， 所述承压系统包括矩 形橡胶筒(27)、 管线(29)、 压力表(26)和注入开关阀门(28)， 橡胶筒两端 中心存在预留孔， 通过预留孔将橡胶筒与管线(29)连接， 并用螺丝固定密封； 压力表(26)和注入开关阀门 (28)与管线(2 9)相连； 所述侧边可拆卸挡板(30)留有管线(29 )孔洞， 将管线(29 )通过孔洞引出， 并将管线 (29)与侧边可拆卸 挡板(30)用螺丝固定。 10.一种施加非均质应力加载装置的水力 压裂实施方法， 使用如权利要求7 ‑9任一所述 的施加非均质应力加载装置结合常规水力压裂装置， 进行非均质应力下得水力压裂过程， 包括以下步骤： 步骤1： 设计实验方案， 通过现场测试和数据分析， 确定储层应力的空间分布特征， 确定 垂向应力， 最大水平主应力和最小 水平主应力的大小和变化特征； 确定储层的破裂压力、 以 及注入速率； 将样品(6)制作为水力压裂装置的设计尺寸， 并将样品(6)放入水力压裂装置的样品舱 (4)处； 在样品(6)三个方向放置所述非均质应力加载装置(10)， 并在所述非均质应力加载装 置(10)顶部垂向加载或两侧水平加载覆盖固定片， 用螺 丝将所述固定片固定； 将侧边可拆卸挡板(30)固定在承压系统两端； 在所述非均质应力加载装置(10)中的每 一个腔体内注入液压油并排出空气， 利用加压泵持续加压至目标压力， 随后依 次加压其他 各腔体； 再次检查各个所述腔体的压力， 及时调整所有腔体压力至目标压力； 注入端向样品(6) 井口以目标流 量恒流注入， 直至样品(6)破裂。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115372156 A 3