：本发明涉及煤体水力压裂，特别是一种现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验方法及装置。
背景技术
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背景技术：
1、我国煤层气资源丰富且赋存条件复杂，煤体内部瓦斯流动性较差导致不能高效的实现瓦斯抽采。水力压裂技术是一种重要的含瓦斯煤层改造增产技术，由于该技术使用条件简便且成本较低而被应用于煤矿井下区域煤体增透，以此来达到煤与瓦斯共采、降低瓦斯突出事故危险性的目的。在水力压裂作用下，煤体裂缝产生及扩展情况复杂，如果能对井下煤体水力压裂裂缝产生及扩展路径进行监测，可进一步探明水力压裂作用下裂缝的产生及扩展机理，为水力压裂煤体增透技术的发展提供科学依据。
2、目前能够对现场煤层进行水力压裂裂缝产生及扩展观测的技术较少，主要分为以下两类：
3、第一类是通过实验室模拟现场煤层进行裂缝产生及扩展观测，但该方法弊端明显。例如，室内试验一般通过人工钻孔来模拟井眼，这种情况下无应力加载，但在现场煤层中，钻孔时煤层受原始应力场的作用，在钻孔阶段就与实际情况出现偏差。因此，通过模拟技术来进行实验研究所得结果不能准确的描述井下的实际情况。
4、第二类是采用声发射技术对水力压裂裂缝的产生及扩展进行观测，但该方法也存在一定弊端，例如，在现场煤层水力压裂过程中，煤层会出现弱面破坏现象，但该现象不属于水力压裂所产生的裂缝部分，同时，声发射技术无法区分水力压裂产生的破裂和弱面破坏产生的破裂信号。因此，该方法也不能较好的对现场煤层水力压裂裂缝的产生及扩展进行监测。
5、经上述分析可知，现有研究结果并不能满足目前对现场煤层观测裂缝起裂及扩展的实际需求，要想准确实现对现场煤层水力压裂裂缝起裂及扩展的监测还需要新的实验装置和实验方法。
技术实现思路
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技术实现要素：
1、本发明的目的是提供一种可以在现场煤层水力压裂过程中实时监测裂缝起裂及扩展的试验装置，用以改进上述现有技术的不足。该装置能够在煤体水力压裂过程中，实现对压裂所造成的裂缝起裂及扩展的实时监测，同时本发明也提出了一种该实验装置的实验方法。
2、为达到上述目的，本发明提供了一种现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，该装置由向煤层内部注水的脉动式注水系统、对裂缝产生及扩展进行观测的三维荧光成像系统、放射性示踪剂成像系统组成。
3、所述向煤层内部注水的脉动式注水系统包括储液箱、脉动式加压泵、不锈钢金属软管。储液箱内部加入特定压裂液，且该压裂液中混有荧光物质和放射性物质。脉动式加压泵左侧与储液箱通过转接口连接，便于后续拆卸和存放，不锈钢金属软管与脉动式加压泵右侧通过转接口连接，且该脉动式加压泵可通过按钮调节压力大小，该泵表面带有显示屏，可实时显示压力大小及所加压时间。加压泵带动储液箱内的压裂液进入不锈钢金属软管内；不锈钢金属软管尾端与压裂管通过转接口进行连接，压裂管预先放置于压裂孔内部并完成封孔；该压裂管内嵌入一透明管，且该透明管上端开设一小孔，供图像采集装置移入透明管内部并观测裂缝产生及扩展情况。
4、所述对裂缝产生及扩展观测的三维荧光成像系统包括荧光信号探测器、导线、计算机。该荧光信号探测器通过透明管开口处放置于透明管底部，通过导线与计算机相连。该荧光信号探测器可接受荧光信号，荧光物质发出的信号被荧光信号探测器监测，获取到激发波长、发射波长、荧光强度等参数信息，通过计算机内三维荧光光谱数据软件平台对相关参数进行校正，通过计算机内origin软件可将煤体内部小范围起裂区域的液体流动轨迹进行三维重构。
5、所述对裂缝产生及扩展进行观测的放射性示踪剂成像系统包括放射性探测器、导线、计算机。在距压裂孔10cm处的对称位置分别钻取四个定位孔，放射性探测器置于定位孔中，当混有放射性示踪剂的压裂液在裂缝中流动时，放射性物质发出的信号被放射性探测器监测，并通过最小二乘法和gauss-seidel迭代算法对数据进行处理，基于源活度反演计算进行辐射场重构，实现对煤体内部液体流动轨迹的三维重构。
6、所述内嵌式透明管与压裂管为一体式设计，透明管长度可根据压裂管的实际长度进行调整，且透明管下端为弧线设计，便于荧光信号探测器顺利进入透明管底部并在管内移动。
7、所述脉动式加压泵可通过按钮调节压力大小，且该泵表面带有显示屏，可实时显示压力大小及所加压时间，部分装置通过转接口进行连接，便于装置的安装、拆卸及存放，在出现故障时便于维修。
8、所述荧光物质采用异硫氰酸荧光素，放射性物质为醋酸铀铣。
9、一种现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置的实验方法，包括以下步骤：
10、步骤一：对需要进行水力压裂的煤层进行打孔，打孔尺寸根据压裂管大小而定，待打孔完毕后，对距压裂管10cm处的位置打四个定位孔，四个孔呈对称形状，相邻两孔距离保持相等。
11、步骤二：打孔完毕后，将压裂管预先放置于压裂孔中，运用相应的封孔材料进行封孔，保证其密封性良好。
12、步骤三：将储液箱内装入适量清水，分别将荧光物质和放射性物质按相应比例加入储液箱内并搅拌，使其充分混合。
13、步骤四：将储液箱、脉动式加压泵、不锈钢金属软管、压裂管通过转接口进行连接，将荧光信号探测器放置于压裂管内部，放射性探测器置于四个定位孔中，通过导线与计算机相连。
14、步骤五：检查所有装置是否紧密连接，确认连接无误后启动计算机、荧光信号探测器和放射性探测器，待计算机内信号接受软件打开后启动脉动式加压泵，当压裂液进入定位孔内后停止实验。
15、步骤六：将计算机内接收的信号进行保存，取出定位孔内的放射性探测器和压裂管内的荧光信号探测器，将各装置通过转接口进行拆解并放置于相应区域。
16、步骤七：通过计算机内的信号处理软件及相关算法，将裂缝的起裂区域和压裂液在煤层内部流动时的流动轨迹分别进行三维成像。
17、本发明采用上述结构，与常见煤层水力压裂裂缝观测装置相比具有以下有益效果：
18、本发明优化了现有井下煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试中存在的问题，提出了在压裂液内添加荧光物质异硫氰酸荧光素和放射性物质醋酸铀铣，该放射物质具有微弱放射性，可大大减少对实验人员的伤害，运用三维荧光成像系统和放射性示踪剂成像系统来实现煤层水力压裂裂缝产生及扩展的液体流动路径可视化。三维荧光成像系统用来观测水力压裂过程中裂缝的起裂区域并成像，放射性示踪剂成像系统来观测液体在煤层内部流动时的流动轨迹，通过将两者结合来实现对现场煤层水力压裂过程中裂缝的产生及扩展进行观测。压裂管内嵌的透明管下端为弧线设计，便于该相机顺利进入透明管底部并在管内移动。所述试验系统各组件均通过转接口相连接，便于安装和拆卸，实验所采用的成像机及计算机均具有防爆功能。
1.一种现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，其特征在于：包括向煤层内部注水的脉动式注水系统包括储液箱4、脉动式加压泵3、不锈钢金属软管8，储液箱4内部加入特定压裂液，且该压裂液中混有荧光物质和放射性物质，脉动式加压泵左侧与储液箱通过转接口5连接，便于后续拆卸和存放，不锈钢金属软管与脉动式加压泵右侧通过转接口7连接，且该脉动式加压泵3可通过按钮2调节压力大小，该泵表面带有显示屏6，可实时显示压力大小及所加压时间；加压泵3带动储液箱4内的压裂液进入不锈钢金属软管8内；不锈钢金属软管尾端8与压裂管10通过转接口9进行连接，压裂管10预先放置于压裂孔14内部并完成封孔；该压裂管10内嵌入一透明管15，且该透明管15上端开设一小孔，供图像采集装置移入透明管15内部并观测裂缝产生及扩展情况。
2.如权利要求1所述的现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，其特征在于：所述对裂缝产生及扩展观测的三维荧光成像系统包括荧光信号探测器16、导线11、计算机1；该荧光信号探测器16通过透明管15开口处放置于透明管15底部，通过导线11与计算机1相连；该荧光信号探测器16可接受荧光信号，获取到激发波长、发射波长、荧光强度等参数信息，通过计算机内三维荧光光谱数据软件平台对相关参数进行校正，通过计算机1内origin软件可将煤体内部小范围起裂区域的液体流动轨迹进行三维重构。
3.如权利要求1所述的现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，其特征在于：所述对裂缝产生及扩展进行观测的放射性示踪剂成像系统包括放射性探测器17、导线11、计算机1；在距压裂孔10cm处的对称位置分别钻取四个定位孔13，放射性探测器17置于定位孔13中，当混有放射性示踪剂的压裂液在裂缝中流动时，放射性物质发出的信号被放射性探测器17监测，运用最小二乘法和gauss-seidel迭代算法对数据进行处理，基于源活度反演计算的辐射场重构，实现对煤体内部液体流动轨迹的三维重构。
4.如权利要求1或2所述的现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，其特征在于：所述内嵌式透明管15与压裂管10为一体式设计，透明管15长度可根据压裂管10的实际长度进行调整，且透明管15下端为弧线设计，便于荧光信号探测器16顺利进入透明管15底部并在管内移动。
5.如权利要求1所述的现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，其特征在于：所述脉动式加压泵3可通过按钮2调节压力大小，且该泵3表面带有显示屏6，可实时显示压力大小及所加压时间，部分装置通过转接口进行连接，便于装置的安装、拆卸及存放，在出现故障时便于维修。
6.如权利要求2或3所述的现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置，其特征在于：所述荧光物质采用异硫氰酸荧光素，放射性物质为醋酸铀铣。
7.一种现场煤层水力压裂裂缝产生及扩展测试实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
