用于研究煤岩渗透率的模拟装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于研究煤岩渗透率的模拟装置和方法。模拟装置包括：应力加载腔；密封套，构造成用于设置所述煤岩的密封腔；流体容器，与所述密封腔连通；以及应力加载轴，其设置在所述应力加载腔中，并构造成经挤压所述密封套而对所述煤岩施加应力。该模拟装置可以使在研究煤岩渗透率时更为接近地层中的实际情况。而且模拟应力各向异性条件下分别定量化测量排采过程中基质解吸收缩、裂隙闭合及其综合对渗透率变化影响，从而能够实现模拟测量煤岩各向渗透率及其随排采过程中孔隙压力降低而变化的动态过程。

说明书

技术领域

本发明涉及煤岩开采研究技术领域，特别地涉及一种用于研究煤岩渗透率的模拟装置及方法。

背景技术

由于煤层气开采具有复杂性，而且开采过程中逐渐显现出诸多问题，因此合理模拟和认知储层中的解吸、扩散和渗流过程是实现煤层气高效开采的关键。现有中通常通过研究煤岩渗透率来进行煤层气开采研究。

目前，一种用于研究煤岩渗透率的模拟装置包括用于设置煤岩的应力加载腔，与应力加载腔连通的流体容器，以及设置在应力加载腔中的应力加载轴。当需要测量煤岩的渗透率时，先通过应力加载轴对煤岩进行加压，然后通过流体容器向应力加载腔中加入流体。但是，在应力加载腔中设有用于移动的应力加载轴后，容易导致应力加载腔的密封效果较差。即，容易影响煤岩的密封环境。

因此，如何解决现有的应力加载腔的密封性较差的问题，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种用于研究煤岩渗透率的模拟装置，在煤岩的周围设有密封套，从而能够提高煤岩所处环境的密闭性，进而提高模拟煤岩渗透率时的真实性。

本发明的用于研究煤岩渗透率的模拟装置，包括：应力加载腔；密封套，构造成用于设置所述煤岩的密封腔；流体容器，用于盛放流体并通过流体管路与所述密封腔连通；以及应力加载轴，其设置在所述应力加载腔中，并构造成经挤压所述密封套而对所述煤岩施加应力。

在一个实施例中，所述密封套包括相对的两端成敞口的本体，以及设置在所述本体的敞口处的承压体，其中所述承压体经挤压后而与所述本体间形成密封。

在一个实施例中，所述应力加载轴包括设置在所述本体的敞口端处的X向 轴，其中所述承压体固定在所述X向轴上。

在一个实施例中，在所述应力加载腔中设有用于支撑所述本体的加载通道，并且在所述加载通道中设有所述应力加载轴。

在一个实施例中，所述加载通道包括分别抵接在所述本体的外侧的Y向加载通道和Z向加载通道，以及卡接在所述本体的敞口端的X向加载通道。

在一个实施例中，所述Y向加载通道和Z向加载通道与对应的应力加载轴的外端部之间形成用于推动应力加载轴的液压腔，而所述X向加载通道与对应的应力加载轴的侧部形成用于推动应力加载轴的液压腔。

在一个实施例中，还包括设置在所述流体管路上用于为煤岩的孔隙度测量、吸附量测量和扩散系数测量提供标准的标准容器，以及用于缓冲气体的缓冲容器，其中所述流体管路贯穿所述应力加载轴而与所述煤岩连通。

在一个实施例中，还包括用于对所述密封腔抽真空的真空泵、与所述密封腔连通的气水分离器和气体流量计，以及用于控制所述密封腔内的温度的温度控制器。

本发明的根据上述中任一项所述的模拟装置来研究煤岩渗透率的方法，包括：步骤一，将煤岩放入密封腔中，并完成实验准备工作；步骤二，向所述密封腔中注入需测量气体至压力P，并使所述煤岩平衡吸附时间超过24小时；步骤三，降低所述密封腔中的压力至P₀，并测量煤岩的初始渗透量K₀；步骤四，使所述密封腔中的压力从P₀降低至P_b，并使所述密封腔与外界连通，待2-10分钟后测量煤岩的渗透量K_b，待24小时以后或出口无气体时再次测量煤岩的渗透量K_b′；步骤五，根据实验数据研究煤岩的渗透率。

在一个实施例中，在压力为P_b时，煤岩的渗透率综合影响因子δ＝K_b′/K₀；

在压力降低过程中，裂缝闭合引起的渗透率变化影响因子δ_f＝K_b/K₀；

在压力降低过程中，煤岩吸附气体解吸时引起的渗透率变化影响因子δ_d＝(K_b′-K_b)/K₀。

在一个实施例中，重复步骤二至五至少一次，其中在每次操作过程中压力P_b均不同。

相对于现有技术，本发明的模拟装置能够为煤岩提供更加良好的密封环境。这样，可以使在研究煤岩渗透率时更为接近地层中的实际情况，从而使该模拟装置能够与地层的实际情况相接近。而且能够实现在模拟储层条件下利用三向加载 轴来模拟应力各向异性条件下分别定量化测量排采过程中基质解吸收缩、裂隙闭合及其综合对渗透率变化影响，从而能够实现模拟测量煤岩各向渗透率及其随排采过程中孔隙压力降低而变化的动态过程。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的用于研究煤岩渗透率的模拟装置的结构示意图。

图2本发明中的应力加载腔的内部结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的B部局部示意图。

图5是X向的渗透率变化情况。

图6是Y向的渗透率变化情况。

图7是Z向的渗透率变化情况。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的用于研究煤岩渗透率的模拟装置包括用于盛放煤岩106的应力加载腔1，以及分别设置在应力加载腔1中的密封套105和应力加载轴。密封套105形成用于设置煤岩106的密封腔，以能够模拟煤岩106在处于密封状态下的渗透率。应力加载轴经挤压密封套105而对煤岩106施加应力，从而模拟煤岩106在有地层压力时的渗透率。通过上述方式设置，可以使煤岩所处的环境密封性较好，在研究煤岩106渗透率时更为接近地层中的实际情况，从而使该模拟装置能够与地层的实际情况相接近。

在一个实施例中，如图2和图3所示，应力加载轴包括三向正交的X向轴101、Y向轴109和Z向轴103。其中，X向轴101、Y向轴109和Z向轴103各设有两个。两个X向轴101相对设置，分别位于煤岩106的两侧。两个Y向轴109也为相对设置，也分别位于煤岩106的两侧。两个Z向轴103也相对设置， 并分别位于煤岩106的两侧。通过上述结构，能够实现在模拟储层条件下利用三向加载轴来模拟应力各向异性条件下分别定量化测量排采过程中基质解吸收缩、裂隙闭合及其综合对渗透率变化影响，从而能够实现模拟测量煤岩106各向渗透率及其随排采过程中孔隙压力降低而变化的动态过程。

进一步地，在应力加载腔1中还设有用于引导应力加载轴的加载通道。这样，可以通过加载通道为应力加载轴提供一定的支撑力，同时减少应力加载轴在运动过程中发生跑偏的可能性，而且还可以在加载通道与应力加载轴之间形成液压腔。这样可以通过手动加压泵2向液压腔中注入液体来推动应力加载轴运动。如此设置，结构简单、安装方便、省事省力。

当应力加载轴包括X向轴101、Y向轴109和Z向轴103时，加载通道同时包括用于引导X向轴101的X向加载通道102、用于引导Y向轴109的Y向加载通道110，以及用于引导Z向轴103的Z向加载通道104。其中，X向轴101的侧壁与X向加载通道102的侧壁之间形成液压腔107。Y向轴109的端部与Y向加载通道110的端部之间形成液压腔111。Z向轴103的端部与Z向加载通道104的端部之间形成液压腔108。如此设置，结构简单，便于组装应力加载轴。

在一个例子中，当需要安装应力加载轴时，先将两个Y向轴109均从应力加载腔1的内部安装在应力Y向加载通道110内。其次，将两个Z向轴103分别从应力加载腔1的外侧安装在Z向加载通道104内，并通过挡板将用于安装Z向轴103的安装口封堵。然后，先安装一个X向轴101，并将煤岩106放入应力加载腔1中。最后，将另外一个X向轴101卡接在密封套105中，并将X向挡板安装在应力加载腔1上。在安装好X向轴101时，两个X向轴101可以均伸出应力加载腔1，以便于通过X向轴101调节煤岩106在X向的位置。其中，在设有应力加载轴后，应力加载腔1仍构造成密封结构，以进一步提高密封效果。

另外，如图2和图3所示，密封套105包括在沿X向上成敞口状态的本体1051，以及固定在X向轴101端部的承压体1052。承压体1052在被X向轴101挤压后，朝向两侧延伸，从而与本体1051之间形成密封状态，进而由本体1051和承压体1052形成密封腔。这样，可以减少密封套105在受压后而发生损坏的可能性，从而有效地提高密封套105的使用寿命。

本体1051大致成与煤岩106的形状相同的矩形。在将本体1051放置在应力 加载腔1中时，本体1051抵接在Y向加载通道110和Z向加载通道104上。这样，在安装时，通过Y向加载通道110和Z向加载通道104对本体1051起到一定的限位作用。

进一步地，本体1051上设有沿X向延伸的延伸部。延伸部的内孔成锥状。X向加载通道102的外侧也成锥状。通过延伸部设置X向加载通道102中来定位本体1051，以便于安装、定位本体1051和煤岩106，从而防止煤岩106在X向发生跑偏。密封套105的材质可以为橡胶等。

另外，如图1所示，模拟装置还包括通过流体管路10与密封腔连通的流体容器。流体容器包括设有氦气气瓶7、甲烷气瓶7、氮气气瓶7和二氧化碳气瓶7中的一种或多种。当需要使用气瓶7时，打开控制对应于气瓶7的阀门9，使气瓶7与密封腔保持导通。流体容器还可以同时包括有用于存放液体的中间容器3和用于注入流体的平流泵4。平流泵4设置在流体管路10上。平流泵4和中间容器3注入液体的方法与现有技术相同，此处不再赘述。

流体管路10贯穿应力加载轴而设置，以便于设置。在一个例子中，在应力加载轴的中部和密封套105上设有与流体管路10连通的通孔。进一步地，在流体管路10上还设有减压阀8和压力表11。通过减压阀8调节模拟装置中的压力，从而研究在不同压力下的渗透率。压力表11用于测量密封腔中的压力值。压力表11可以通过例如六通阀12与流体管路10连通。

此外，模拟装置还包括分别设置在流体容器和应力加载腔1之间并与流体管路10连通的缓冲容器6和标准容器5。通过标准容器5为煤岩106的孔隙度测量、吸附量测量和扩散系数测量提供参照。通过缓冲容器6对气体排放时起到一定的稳定作用，减少气体的波动。其中，标准容器5的使用方法与现有技术中标准容器5的使用方法相同，本文不再赘述。

模拟装置可以包括设置在应力加载腔1外侧的温度控制器14，以便于控制应力加载腔1中的温度。模拟装置还可以包括气水分离器17和气体流量计16。气水分离器17和气体流量计16通过测量管路18与密封腔的内部连通，以通过气水分离器17和气体流量计16监测渗透率测量或气水两相渗流时的气体流量。

模拟装置还进一步包括用于对密封腔进行抽真空的真空泵13，以能够在充入需要的流体之前，通过真空泵13将模拟装置中的空气或其他介质排出，以减少 其他气体的干扰。与真空泵13连接的抽真空管路15同时与流体管路10和测量管路18连接。

在一个例子中，使用该模拟装置研究煤岩106渗透率的方法，包括：

步骤一，标定煤岩106，测量制作好的煤岩106置于煤岩106应力加载系统中，连接好测试装置；

步骤二，通过三个手动泵调节应力加载轴，调节煤岩106在三个方向的压力，模拟煤岩106在储层状态下所处的三轴应力状态。

步骤三，关闭模拟装置的阀门9，开启真空泵13，实现系模拟装置内及煤岩106的基质和裂隙中的原始吸附气体脱附。其中，抽真空时间根据煤岩106尺寸选择相应的时间，以保证煤岩106基质中原始吸附的气体从煤岩106中解吸。

步骤四，选择一种需要被测量的气体类型(He、CO₂、N₂、CH₄)，通过调节减压阀8使缓冲容器6达到模拟储层原始吸附条件下的压力P，并保持缓冲容器6和密封腔连通超过24小时，实现在模拟应力状态下煤岩106吸附高压气体达到模拟储层煤岩106近似原始状态。

步骤五，调节减压阀8使密封腔中的压力降低至某一设定压力P₀，并测量在X向、Y向和Z向的初始渗透率量K_x0、K_y0、K_z0。

步骤六，通过调节减压阀8使密封腔的压力降低至P_b，并使与气体流量计16连接的管路的出口开启，以使密封腔与外界连通。当然还可以使其他的出口(大小可根据具体情况设定)开启，以使密封腔与外界连通。待2-10分钟时通过气体流量计16测量煤岩106在X向、Y向、Z向的渗透量K_xb、K_yb、K_zb。待平衡时间达到24小时以后或出口无气体时(保证煤岩106中的吸附气体解吸)，再次测量在X向、Y向和Z向的渗透量K_xb′、K_yb′、K_zb′；

步骤七，根据实验数据研究煤岩106的渗透率。

在一个例子中，在压力为P_b时，煤岩106的渗透率综合影响因子δ_x(X向)＝K_xb′/K_x0；δ_y(Y向)＝K_yb′/K_y0；δ_z(Z向)＝K_zb′/K_z0。

在压力降低过程中，裂缝闭合引起的渗透率变化影响因子δ_fx(X向)＝K_xb/K_x0；δ_fy(Y向)＝K_yb/K_y0；δ_fz(Z向)＝K_zb/K_z0。

在压力降低过程中，吸附气体解吸时引起的渗透率变化影响因子δ_dx(X向)＝(K_xb′-K_xb)/K_x0；δ_dy(Y向)＝(K_yb′-K_yb)/K_y0；δ_dz(Z向)＝(K_zb′-K_zb) /K_z0。

当然，在实验过程中可以重复步骤三至七至少一次。其中在每次实验中压力P_b均不相同，以能够模拟在降低至不同压力时的煤岩106的渗透率变化。

此外，在测量数据时，还可以测量在X向、Y向和Z向其中一个方向的渗透量或者测量总体的渗透量。其中，分开测量煤岩106在X向、Y向和Z向的渗透量的方法与现有的测量方法相同，本文不再赘述。

由于整个过程中保持煤岩106三轴压力保持某一定值，通过改变减压阀的压力可以控制煤岩106孔隙压力，实现模拟三轴应力不变环境下，孔隙压力降低过程中，煤岩106吸附气体解吸、裂隙闭合及其综合对渗透率变化影响。

在一个具体的实施例中，将制作好的10×10×10cm的煤岩106置于应力加载腔1，分别装配各加载轴和密封腔。经加压泵2进行加压至1MPa后，系统抽真空后，而后围压(通过通入实验气体实现)加载至15MPa，保持煤岩各向应力加载大小相同，均为15MPa。

选择CO2气体作为测量介质，通过调节减压阀8使缓冲容器6达到模拟储层原始吸附条件下的压力14MPa，并保持缓冲容器6和密封腔连通超过24小时，实现在模拟应力状态下煤岩106吸附高压气体达到模拟储层煤岩106近似稳定状态。调节减压阀8使密封腔中至某一设定压力，并测量在X向、Y向和Z向的初始渗透率量K_x0、K_y0、K_z0。

然后，通过调节减压阀8使密封腔的压力降低至系统围压0.5MPa，并使与气体流量计16连接的管路的出口开启。待2-10分钟时通过气体流量计16测量煤岩106在X向、Y向、Z向的渗透量计算渗透率K_xb、K_yb、K_zb。待平衡时间达到24小时以后或出口无气体时(保证煤岩106中的吸附气体解吸)，再次测量在X向、Y向和Z向的渗透量K_xb′、K_yb′、K_zb′；

依次调节减压阀8得到围压为14、12、10、8、6、4、2MPa条件下、模拟三轴应力不变环境下，孔隙压力降低过程中，煤岩吸附气体解吸、裂隙闭合及其综合对渗透率变化影响。

分析结果如图5至图7(曲线c表示裂缝闭合引起的渗透率变化曲线，曲线d表示煤岩吸附气体解吸引起的渗透率变化曲线)所示，测试结果表明在围压降低过程中吸附气体解吸、裂隙闭合对煤岩渗透率的影响逐渐变化的，各个阶段对渗 透率的贡献也是不同的，这给煤层气开发过程中渗透率动态预测提供了方法和手段。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。