三轴应力条件下气体注入煤岩膨胀及渗透率同时测定装置

摘要

本发明公开了一种三轴应力条件下气体注入煤岩膨胀及渗透率同时测定装置，包括注气系统（1）、围压系统（2）、轴向压力加载机（25）、渗透性测试系统（3）和数据采集系统（4），注气系统（1）的出气口通过高压进气管（43）与围压系统（2）的进气口连接，轴向压力加载机（25）设在围压系统（2）外部，渗透性测试系统（3）通过高压气管与围压系统（2）的出气口连接，数据采集系统（4）通过带有传感器的数据线与围压系统（2）连接。本发明有效解决了不同吸附气体在不同温度、不同压力下煤体变形量以及渗透性变化量的测定问题。有效模拟了煤层气开发过程中，注气置换引起的渗透性及煤体变化规律，有利于进一步指导生产实践。

说明书

技术领域

本发明属于气压测试技术领域，具体涉及一种三轴应力条件下气体注入煤岩膨胀及渗透率同时测定装置。

背景技术

煤层气是一种新型的洁净、清洁能源。基于煤矿安全和能源利用角度，我国煤炭部门、石油部门、地矿部门、地方政府、国内外煤层气公司等先后在中国42个含煤区施工了近5000口煤层气井（截止2010年底）。但是除山西沁水盆地东南部、辽宁铁法、山西河东煤田等少数地区实现了局部商业性开发外，大多数地区煤层气开发试验结果并不理想。

煤层气能否实现产出以及产出量的多少主要取决于两个方面，一是有没有足够的煤层气资源；另一方面则是有没有足够畅通的通道及能量系统使煤层气得以从吸附状态转变为游离状态并产出，二者缺一不可。为了使煤层气从煤储层中产出，人们可以通过排水改变煤储层的压力系统使煤层气从吸附态转变为游离态产出，也可以在煤层中注气，使注入的气体与甲烷气体发生竞争吸附，使甲烷气体从煤储层中从吸附态转变成游离态产出。不管是哪种方式的产出，当甲烷气体从煤基质中解吸产出后，会引起煤基质的收缩，进而引起煤储层渗透率的改变。前人所做的大量研究，一般仅对煤层气开采前物性参数的变化进行了研究，对气体吸附、解吸引起煤岩、膨胀现象及造成的渗透率不能给出定量表达。而随着煤层气开采的进行，气体的吸附、解吸引起煤储层渗透率的改变对产能影响越来越重要。因此，亟需研制一种装置，能对不同围压条件下、不同温度下、气体注入后引起煤岩的膨胀量及煤岩渗透率同时进行测量，以便查明不同温度、压力、不同气体注入后引起煤岩膨胀量及渗透率的变化，以期为煤层气开发工艺、煤层气排采工作制度制定提供理论依据。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种三轴应力条件下气体注入煤岩膨胀及渗透率同时测定装置，该装置可以对不同温度、压力下注气和气体解吸时煤岩膨胀量、收缩量和渗透率定量表达，为煤层气开发工艺选择、排采工作制度提供理论指导。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：三轴应力条件下气体注入煤岩膨胀及渗透率同时测定装置，包括注气系统1、围压系统2、轴向压力加载机25、渗透性测试系统3和数据采集系统4，注气系统1的出气口通过高压进气管43与围压系统2的进气口连接，轴向压力加载机25设在围压系统2外部，渗透性测试系统3通过高压气管与围压系统2的出气口连接，数据采集系统4通过带有传感器的数据线与围压系统2连接。

所述围压系统2包括水槽28、高压水泵29、支座27、样品缸32、恒温水箱26和盖板16，高压水泵29的抽水口通过抽水管40与水槽28连接，高压水泵29的出水口通过通过出水管42与恒温水箱26连接，恒温水箱26与盖板16之间设有第一橡胶垫10并通过紧固螺栓9可拆卸连接，支座27设在轴向压力加载机25当中，恒温水箱26设在支座27上，恒温水箱26内设有加热器13，样品缸32设在恒温水箱26内，样品缸32顶部设有多孔的筛板17。

所述注气系统1包括气瓶7、高压气泵8、第一流量计11和第一压力表12，气瓶7通过高压管5与高压气泵8连接，高压管5上设有第一阀门6，第一流量计11和第一压力表12设在高压进气管43上，高压进气管43通过管接头15与样品缸32顶部的进气口连接，高压进气管43上设有第二阀门41。

所述渗透性测试系统3包括气囊24、真空泵30、第二流量计45、第二压力表46、第三阀门50和第四阀门51，真空泵30通过抽气管47与样品缸32底部的出气口连接，真空泵30通过排气管48与气囊24连接，气囊24通过测试管49与样品缸32底部的出气口连接，第二流量计45、第二压力表46和第三阀门50均设在测试管49上，第四阀门51设在抽气管47上。

所述数据采集系统4包括计算机20、轴向应变传感器14、径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23，轴向应变传感器14设在样品缸32顶部，径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23均设在样品缸32外侧部，恒温水箱31外设有垫板21，计算机20通过穿透恒温水箱31和垫板21的电缆19分别与轴向应变传感器14、径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23连接，电缆19穿透垫板21处通过聚氨酯冷凝膨胀进行密封。

所述样品缸32由六块钢板对接起来而成，各钢板之间留有空隙，该空隙内设有第二橡胶垫52。

所述样品缸32上设有泄压阀33。

采用上述技术方案，注气系统主要是为实验提供所需的各种配比的气体以及进行气密性检查；围压系统主要是提供煤样所需要的围压，同时为实验提供恒温环境；轴向压力加载机主要是为围压系统提供所需要的垂向压力；渗透性测试系统主要是对煤体的渗透性进行测定；数据采集系统主要是进行数据的采集与处理。

围压系统中将煤样装在样品缸内，加热器确保恒温水箱内的水温保持测试的恒定温度，第一橡胶垫起到良好的密封作用，筛板可以避免与样品缸顶部相连的气管接触煤样后堵塞。

注气系统的气瓶设有多个，各气瓶分别装有不同配比的气体，具体配比根据实验目的进行预先配置。对于二氧化碳和甲烷的吸附置换试验，气瓶可以分别装氦气、20%甲烷+80%二氧化碳、40%甲烷+60%二氧化碳、60%甲烷+40%二氧化碳、80%甲烷+20%二氧化碳。当然，为了不同的实验目的，也可以进行其他气体的配置，比如：20%甲烷+20%二氧化碳+60%氮气。实验过程中可以分别注入不同成分的气体，对煤层对吸附气体进行置换时煤体的变形及渗透性变化，进行测定和观察。实验时通过控制各阀门的开启，来控制注入哪一个气瓶中的气体。

渗透性测试系统通过第二压力表和第二流量计测定样品缸出气口的气体压力和流量计算出煤体的渗透性。为了确保实验时，充入煤样中的气体即为气瓶中的气体，没有被污染。则每次试验之前都要通过真空泵将样品缸抽为真空。同时为避免环境污染，通过气囊对试验后的废气进行回收。

数据采集系统通过安装在样品缸上的各种传感器把采集到的信息通过电缆传送到计算机，然后进行处理与解释。只需要将电缆和计算机进行正确连接就可以满足要求。

为了确保样品缸不影响煤样的涨缩，样品缸为为六块钢板对接起来而成的。各钢板之间留有空隙供煤体涨缩，在空隙内安装橡胶垫。在煤样装入样品缸以后，只需用钢丝将样品缸环绕一圈扎紧即可。各种传感器通过焊接安装在样品缸上。

样品缸周围的压力过高时可以通过样品缸上的卸压阀进行卸压。压力的大小可以通过样品缸上的压力传感器感知，然后经过电缆传到计算机。

本发明有效解决了不同吸附气体在不同温度、不同压力下煤体变形量以及渗透性变化量的测定问题。有效模拟了煤层气开发过程中，注气置换引起的渗透性及煤体变化规律，有利于进一步指导生产实践。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1当中样品缸的仰视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的三轴应力条件下气体注入煤岩膨胀及渗透率同时测定装置，包括注气系统1、围压系统2、轴向压力加载机25、渗透性测试系统3和数据采集系统4，注气系统1的出气口通过高压进气管43与围压系统2的进气口连接，轴向压力加载机25设在围压系统2外部，渗透性测试系统3通过高压气管与围压系统2的出气口连接，数据采集系统4通过带有传感器的数据线与围压系统2连接。

围压系统2包括水槽28、高压水泵29、支座27、样品缸32、恒温水箱26和盖板16，高压水泵29的抽水口通过抽水管40与水槽28连接，高压水泵29的出水口通过通过出水管42与恒温水箱26连接，恒温水箱26与盖板16之间设有第一橡胶垫10并通过紧固螺栓9可拆卸连接，支座27设在轴向压力加载机25当中，恒温水箱26设在支座27上，恒温水箱26内设有加热器13，样品缸32设在恒温水箱26内，样品缸32顶部设有多孔的筛板17。如图2所示，样品缸32由六块钢板对接起来而成，各钢板之间留有空隙，该空隙内设有第二橡胶垫52。样品缸32上设有泄压阀33。

注气系统1包括气瓶7、高压气泵8、第一流量计11和第一压力表12，气瓶7通过高压管5与高压气泵8连接，高压管5上设有第一阀门6，第一流量计11和第一压力表12设在高压进气管43上，高压进气管43通过管接头15与样品缸32顶部的进气口连接，高压进气管43上设有第二阀门41。

渗透性测试系统3包括气囊24、真空泵30、第二流量计45、第二压力表46、第三阀门50和第四阀门51，真空泵30通过抽气管47与样品缸32底部的出气口连接，真空泵30通过排气管48与气囊24连接，气囊24通过测试管49与样品缸32底部的出气口连接，第二流量计45、第二压力表46和第三阀门50均设在测试管49上，第四阀门51设在抽气管47上。

数据采集系统4包括计算机20、轴向应变传感器14、径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23，轴向应变传感器14设在样品缸32顶部，径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23均设在样品缸32外侧部，恒温水箱31外设有垫板21，计算机20通过穿透恒温水箱26和垫板21的电缆19分别与轴向应变传感器14、径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23连接，电缆19穿透垫板21处通过聚氨酯冷凝膨胀进行密封。

具体实验步骤如下：

1）、先检查实验装置的各个系统的性能是否完好。各气瓶7内分别装有不同配比的气体，具体配比根据实验目的进行预先配置。

2）、将准备好的煤样31进行预热，同时备够足量的热水。

3）、正确连接好实验装置，并进行气密性检查。

4）、将煤样31装入样品缸32，盖好恒温水箱26的盖板16，上好紧固螺栓9。

5）、启动高压水泵29将温度合适的热水注入密闭的恒温水箱26内，通过高压水泵29进行加压，使样品缸32周围的压力达到所需的围压，当压力过高时可以通过样品缸32上的卸压阀33进行卸压。压力的大小可以通过样品缸32上的压力传感器23感知，然后经过电缆19传到计算机20。对于实验所需的恒温环境在此通过恒温水箱26实现，根据实验温度要求，使恒温水箱26中的水尽可能接近试验温度，但不能高于试验温度。经高压水泵29注入恒温水箱26以后，通过温度传感器22感知其温度高低，当其低于所需温度时，通过加热器13对其进行加温。直到恒温水箱26内达到所需压力。

6）、关闭第一阀门6和第二阀门41，启动真空泵30，使样品缸32内抽为真空。

7）、关闭第三阀门50和第四阀门51，开启第一阀门6，启动高压气泵8，开始向样品缸32内注入所需注入的气体。

8）、操作轴向压力加载机25向样品缸32施加垂向压力，待样品缸32内达到稳定以后，记录第一流量计11、第一压力表12、第二流量计45和第二压力表46的读数，并使计算机20自动存储轴向应变传感器14、径向应变传感器18、温度传感器22和压力传感器23采集到的信息。

9）、重复上述操作对多种混合气体进行实验。

10）、处理实验数据，整理实验装置。