CN102636424A - 测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，首先将煤样试件在约束环形应变下进行密封；将煤样试件放入恒温箱中，保持煤样试件内渗透温度为预设温度值；然后调节流入、出煤样试件内部的气体压力，使测试气体在压差的驱动下于煤样试件内流动，使气体渗透达到稳定流动状态，测量气体流速、进、出压力值和气体流量；最后根据煤样试件进、出口端压力值及气体流量数值计算渗透率和煤岩吸附气体量。还提供一种测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，本发明以多孔介质渗流理论为基础，在约束煤样试件环形应变下同时测定煤样试件气体吸附量和渗透率的方法与装置，符合多孔介质渗流实验的基础；为研究吸附作用对煤岩渗透特性的影响奠定了基础。

Description

测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种煤层气开发领域实验室测量煤岩渗透率的方法与相应装置，特别涉及一种针对煤岩、利用气体在煤岩内的稳定流动测定煤岩气体渗透率和气体吸附量的方法和装置。

背景技术

煤岩渗透率的测定是煤层气开发的基础，尤其是针对煤与煤层气之间的强吸附作用，使得在煤层气开发的过程中煤岩渗透率将发生变化，因此，需针对不同气含量下的煤岩渗透率进行测试分析，以此更好的反映煤层气开发过程中煤岩渗透率的变化特征。

早在20世纪60年代，我国学者就已针对煤岩渗透率的测定方法进行了研究，但只限于对煤样实施了环形密封，所采用的是将热缩管(一般称之为“胶囊”)对煤样进行环形密封。具体实施：首先将热缩管套在煤样环形表面，其长度略大于煤样试件总长度，而后对热缩管进行加热处理，使其紧贴在煤样表面，最后将套有热缩管的煤样放置在渗透装置的入口端与出口端中间，利用管卡将大于煤样长度的热缩管紧卡在带有刻槽的入口端和出口端上，而后对渗透缸体内施加一定压力的油压，且油压的数值略大于煤样入口段气体压力的数值，以此来完成煤样试件的密封。该方法虽然解决了煤样气测实验密封难的问题，但同时使得煤样自入口端开始，沿着内部气体流动的方向承受多余的油压，换言之煤样沿轴线方向上受油压的影响，呈现出压缩的变形，该变形改变了煤样试件的物理力学特性，同时也改变了煤样的孔渗参数，使得该种实验条件下的气体渗透测试失去了研究意义。同时由于煤与瓦斯气体间强烈的吸附作用，使得瓦斯在煤体内的流动极其复杂，因此在研究瓦斯在煤体内的流动规律时，应该同时测定煤岩的吸附气体量，传统的渗透测试方法不能满足以上的研究需要。

因此急需一种约束煤岩试件环形应变下同时测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法与装置。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种约束煤岩试件环形应变下同时测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法与装置。

本发明的目的之一是提出一种约束煤岩试件环形应变下同时测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法；本发明的目的之二是提出一种约束煤岩试件环形应变下同时测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，包括以下步骤：

S1：将煤样试件在约束环形应变下进行密封；

S2：将煤样试件放入恒温箱中，设置煤样试件的测量初始状态；

S3：调节流入和流出煤样试件内部的气体压力，使测试气体在压差的驱动下于煤样试件内流动，使气体渗透达到稳定流动状态，测量稳态渗流时的测试气体渗透量；以及测量煤样试件的入口端压力值和出口端压力值；

S4：通过质量流量计分别测量煤样试件入口端气体流量与出口端气体流量；

S5：根据煤样试件入口端压力值、出口端压力值和流速按以下公式来计算渗透率：

$K_c=\frac{2\mathrm{\μ}{p}_0{Q}_{0}L}{F(p_1^2-p_2^2)},$

式中，K_c为煤样试件在平均气体压力p_m(p_m＝(p₁+p₂)/2)时的实测渗透率；μ为气体的绝对黏度；p₀为实验室大气压；通过空气压力表读取；Q₀为稳态渗流时气体渗透量，通过出口端质量流量计读取；L为煤样试件长度，在煤样试件加工完毕后，利用游标卡尺测定试件长度；F为煤样端面面积，在煤样试件加工完毕后，利用游标卡尺测定试件直径，利用圆面积计算公式得到煤样端面面积；p₁，p₂分别为煤样渗透气体入口端压力值和出口端压力值，通过设置与煤样入口侧与出口侧的压力传感器获取；

S6：将入口端气体流量与出口端气体流量相减，得到该压差条件下的煤岩吸附气体量。

进一步，所述步骤S1中煤样试件的密封，具体包括以下步骤：

S11：将煤样试件放入固定钢架中；

S12：将密封试剂导入煤样试件，待密封试剂发生反应，紧固煤样试件后，将煤样试件与固定钢架一体放入密封钢套中；

S13：将密封试剂倒入煤样试件与密封缸套的间隙空间内，待试剂反应充分后，将密封钢套两端分别与带有法兰的气室连接，并通过螺栓将密封缸套与气室紧密相连；

S14：将气体压力控制器数值调制实验所需数值，并通过紫铜管将气体压力控制器与气室相连；

进一步，所述设置煤样试件测量的初始状态，具体包括以下步骤：

S21：分别将两个质量流量计设置于入口端气室和出口端气室两端，并通过三通管将质量流量计与压力控制器相连；

S22：将入口端压力控制器另一端通过三通与高压气瓶的减压阀出口和真空泵接口相连；

S23：将密封缸套与气室连接部分整体放入恒温水浴箱内，并设定好实验温度；

S24：实验进行前，打开真空泵，对煤样试件进行脱气；

S25：打开质量流量计电源开关，然后打开高压气瓶减压阀开关，使气体在压差的驱动下在煤样试件内流动，待气室两端质量流量计示数相等后，读取质量流量计示数。

进一步，所述恒温箱为恒温水浴箱。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，包括密封钢套、入口端气体压力控制器、出口端气体压力控制器、入口端压力传感器、出口端压力传感器入口端质量流量计、出口端质量流量计和恒温箱；

所述密封钢套内装有煤样试件，用于保证煤样试件内部气体均匀流动；

所述密封钢套的两端分别设置有入口端气室和出口端气室，所述入口端气室的一端与密封钢套连通，所述出口端气室的一端与密封钢套连通，所述入口端气室的另一端与入口端质量流量计连接，所述出口端气室的另一端与出口端质量流量计相连接；

所述入口端质量流量计的接口与入口端的三通管相连接；所述该三通管的三个接口分别与入口端质量流量计接口、入口端气体压力控制器接口和入口端压力传感器接口相连；所述入口端气体压力控制器另一端通过三通与测试气体高压气瓶减压阀出口相连接和真空泵相连，所述真空泵接口设置有真空泵阀门；

所述出口端质量流量计的接口与出口端的三通管相连接；所述该三通管的三个接口分别与出口端质量流量计接口、出口端气体压力控制器接口和出口端压力传感器接口相连；

所述密封钢套及设置的入口端气室和出口端气室放入恒温箱中，所述恒温箱用于保持在测试中煤样试件内气体渗透温度。

进一步，所述密封钢套内设置有筛孔托盘，所述筛孔托盘上设置有刚性骨架，所述刚性骨架上放置煤样试件，所述密封钢套内壁注有密封试剂。

进一步，所述入口端气室和出口端气室通过法兰分别与密封钢套连接。

进一步，所述恒温箱为恒温水浴箱。

本发明的优点在于：本发明以多孔介质渗流理论为基础，提出一套约束煤样试件环形应变下同时测定煤样试件气体吸附量和渗透率的方法与装置，本发明的约束煤样试件环形应变下同时测定煤样试件气体吸附量和渗透率的方法与以往的实验方法相比具有以下优点：

(1)本发明以特有的机械结构配合密封剂完成了约束煤样环形应变下的气体渗透测试，符合多孔介质渗流实验的基础；

(2)本发明通过设置于气室两端的气体压力控制器保证了实验过程中煤样试件入口端和出口端的气体压力恒定，可进行相同压差下不同气体吸附量下的煤岩渗透率测试实验，并通过设置于气室两端的质量流量计测定相应压差下的气体吸附量，为研究吸附作用对煤岩渗透特性的影响奠定了基础。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的煤样密封图；

图2为本发明实施例提供的实验系统图；

图3为本发明实施例提供的测量气体吸附量和煤样试件渗透率的流程图。

图中，密封钢套1、入口端气室2、出口端气室3、恒温箱4、煤样试件5、筛孔托盘11，刚性骨架12、毛毡13、密封试剂14、法兰15。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的煤样密封图；图2为本发明实施例提供的实验系统图，如图所示：本发明实施例提供的测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，用于测定气体吸附量和煤样试件渗透率，包括密封钢套1、入口端气体压力控制器、出口端气体压力控制器、入口端压力传感器、出口端压力传感器入口端质量流量计、出口端质量流量计和恒温箱4；

所述密封钢套1内装有煤样试件5，用于保证煤样试件内部气体均匀流动；

所述密封钢套1的两端分别设置有入口端气室2和出口端气室3，所述入口端气室1的一端与密封钢套连通，所述出口端气室3的一端与密封钢套连通，所述入口端气室2的另一端与入口端质量流量计连接，所述出口端气室3的另一端与出口端质量流量计相连接；

所述入口端质量流量计的接口与入口端的三通管相连接；所述该三通管的三个接口分别与入口端质量流量计接口、入口端气体压力控制器接口和入口端压力传感器接口相连；所述入口端气体压力控制器另一端通过另一三通管与气体高压气瓶减压阀出口相连接和真空泵相连，所述真空泵接口设置有真空泵阀门；所述该三通的三个接口分别与高压气瓶减压阀出口、真空泵和入口端气体压力控制的接口相连接；

所述出口端质量流量计的接口与出口端的三通管相连接；所述该三通管的三个接口分别与出口端质量流量计接口、出口端气体压力控制器接口和出口端压力传感器接口相连；本发明实施例中采用的三通管为紫铜三通管。

所述密封钢套及设置的入口端气室和出口端气室放入恒温箱中，所述恒温箱用于保持在测试中煤样试件内气体渗透温度。

所述密封钢套1内设置有筛孔托盘11，所述筛孔托盘11上设置有刚性骨架12，所述刚性骨架12上放置煤样试件5，所述密封钢套1内壁注有密封试剂14。

所述入口端气室2和出口端气室3通过法兰15分别与密封钢套1连接。

所述入口端气体压力控制器通过三通与压力传感器和质量流量计接口相连，质量流量计出口通过紫铜管与入口端气室相连，所述出口端气体压力控制器通过三通管与压力传感器和出口端质量流量计相连，出口端质量流量计通过紫铜管与出口端气室相连。

所述入口端气体压力控制器通过三通管与气体高压气瓶减压阀出口相连接和真空泵相连，所述真空泵接口设置一阀门。

所述恒温箱为恒温水浴箱。

下面详细描述本发明提供的测试原理：

本发明的煤岩渗透率及气体吸附量测试的目的就是获取煤样试件在相应压差条件下的渗透率及相应气体吸附量数值。其是将圆柱形煤样试件的环形应变通过密封剂和钢架、密封钢套配合的形式进行密封，消除气体自煤样外壁流出对实验测试结果的影响。然后将装有煤样的密封钢套与带有法兰的气室相连接，并用螺栓紧固保证煤样试件两端的气密性。测试前，设置煤样试件的初始状态；开启真空泵，打开真空泵阀门，对煤样试件进行脱气，用以消除常压下煤样吸附空气对实验结果的影响，时间为24h。测试时，打开测试气体气瓶阀门，气体在压差的驱动下在煤样试件内流动，设置于气室两端质量流量计自实验开始便记录气体流量，待测试气体在煤样试件内部流动达到稳定状态后，两个质量流量计的读数相等，记录此时的读数，将入口端流量计的气体流量与出口端的气体流量相减，即可计算出相应压差条件下的煤样试件吸附气体量。同时记录煤样入口端和出口端的气体压力值。

图3为本发明实施例提供的测量气体吸附量和煤样试件渗透率的流程图，如图所示：本发明提供的测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，包括以下步骤：

S1：将煤样试件在约束环形应变下进行密封；具体包括以下步骤：

S11：将煤样试件放入固定钢架中；

S12：将密封试剂导入煤样试件，待密封试剂发生反应，紧固煤样试件后，将煤样试件与固定钢架一体放入密封钢套中；密封钢套的用途是将煤样进行约束环形应变下的密封，其主要由以下两个部分：筛孔托盘，用于在煤样进行初步密封时固定煤样，并且在放置煤样试件前应在煤样底部放置一定厚度的毛毡13，用于保证煤样试件端部气体流动的均匀性。筛孔托盘11直径为60mm，煤样在筛孔托盘11后在煤样外壁与筛孔托盘边沿的空隙处均匀注入一定量的密封试剂14。所述密封试剂14采用环氧树脂和糠酮树脂采用共混、共混复合而成，并加入了聚氨酯改性增韧；刚性骨架，用于对煤样试件形成支撑。在对煤样试件底部进行初步密封后，将钢性骨架放入密封钢套内，并在煤样外壁与钢套内壁的空间内注入密封试剂。待密封试剂反应充分后，在未加筛孔托盘的端头放置一毛毡，然后将带有法兰的气室与密封钢套两端相连，法兰15与密封钢套两端采用螺栓固定。

S13：将密封试剂倒入煤样试件与密封缸套的间隙空间内，待试剂反应充分后，将密封钢套两端分别与带有法兰的气室连接，并通过螺栓将密封缸套与气室紧密相连；

所述气室法兰端面刻有内径10cm，外径11cm，深度7mm的环形凹槽，在将气室与密封钢套进行连接时，将一环形塑胶圈放入该环形凹槽内，采用螺栓固定时，法兰端面与气室端面对该塑胶圈施压，以此完成煤样端头部分的气体密封。

S14：将气体压力控制器数值调制实验所需数值，并通过三通将气体压力控制器与质量流量计和压力传感器相连；

S2：将煤样试件放入恒温箱中，保持煤样试件内渗透温度为预设温度值；所述恒温箱为恒温水浴箱。所述恒温水浴箱用于保持实验过程中煤样内气体渗透的温度一致。

S3：实验前，开启真空泵，打开真空泵阀门，对煤样进行脱气，用以消除常压下煤样吸附空气对实验结果的影响，时间为24h。打开调节流入和流出煤样试件内部的气体压力，使测试气体在压差的驱动下于煤样试件内流动，使气体渗透达到稳定流动状态，测量气体稳态渗流时气体渗透量；以及测量煤样试件的入口端压力值和出口端压力值；

S4：通过质量流量计分别测量煤样试件入口端气体流量与出口端气体流量；

所述煤样试件测量具体包括以下步骤：

S21：分别将两个质量流量计设置于气室两端，并通过三通将质量流量计与压力控制器和压力传感器相连；

S22：将其中一个压力控制器与高压气瓶的减压阀出口和真空泵通过三通相连，并将密封缸套与气室连接部分整体放入恒温水浴箱内，并设定好实验温度；温度一般取30度。实验前，打开真空泵对煤样进行脱气，用以消除常压下煤样吸附空气对实验结果的影响，时间为24h。

S23：打开质量流量计电源开关，然后打开高压气瓶减压阀开关，使气体在压差的驱动下在煤样试件内流动，待气室两端质量流量计示数相等后，读取质量流量计示数。

S5：根据煤样试件入口端压力值、出口端压力值和流速按以下公式来计算渗透率：

$K_c=\frac{2\mathrm{\μ}{p}_0{Q}_{0}L}{F(p_1^2-p_2^2)},$

式中，K_c为煤样试件在平均气体压力p_m(p_m＝(p₁+p₂)/2)时的实测渗透率，其单位为10^-3μm²；μ为气体的绝对黏度，其单位为Pa·s；p₀为实验室大气压，通过空气压力表读取，其单位为MPa；Q₀为稳态渗流时气体渗透量，通过设置于出口端的质量流量计读取，其单位为cm³/s；L为煤样试件长度，在煤样试件加工完毕后，利用游标卡尺测定试件长度，其单位为cm；F为煤样端面面积，在煤样试件加工完毕后，利用游标卡尺测定试件直径，利用圆面积计算公式得到煤样端面面积，其单位为cm²；p₁，p₂分别为煤样渗透气体入口端压力值和出口端压力值，通过设置与煤样入口侧与出口侧的压力传感器获取，其单位为MPa。

S6：将入口端气体流量与出口端气体流量相减，得到该压差条件下的煤岩吸附气体量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将煤样试件在约束环形应变下进行密封；

S2：将煤样试件放入恒温箱中，设置煤样试件的测量初始状态；

S3：调节流入和流出煤样试件内部的气体压力，使测试气体在压差的驱动下于煤样试件内流动，使气体渗透达到稳定流动状态，测量稳态渗流时的测试气体渗透量；以及测量煤样试件的入口端压力值和出口端压力值；

S4：通过质量流量计分别测量煤样试件入口端气体流量与出口端气体流量；

S5：根据煤样试件入口端压力值、出口端压力值和流速按以下公式来计算渗透率：

$K_c=\frac{2\mathrm{\μ}{p}_0{Q}_{0}L}{F(p_1^2-p_2^2)},$

式中，K_c为煤样试件在平均气体压力p_m(p_m＝(p₁+p₂)/2)时的实测渗透率；μ为气体的绝对黏度；P₀为实验室大气压；Q₀为稳态渗流时气体渗透量；L为煤样试件长度；F为煤样端面面积；p₁，p₂分别为煤样渗透气体入口端压力值和出口端压力值；

S6：将入口端气体流量与出口端气体流量相减，得到该压差条件下的煤岩吸附气体量。

2.根据权利要求1所述的测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，其特征在于：所述步骤S1中煤样试件的密封，具体包括以下步骤：

S11：将煤样试件放入固定钢架中；

S12：将密封试剂导入煤样试件，待密封试剂发生反应，紧固煤样试件后，将煤样试件与固定钢架一体放入密封钢套中；

S13：将密封试剂倒入煤样试件与密封缸套的间隙空间内，待试剂反应充分后，将密封钢套两端分别与带有法兰的气室连接，并通过螺栓将密封缸套与气室紧密相连；

S14：将气体压力控制器数值调制实验所需数值，并通过三通管将气体压力控制器与质量流量计相连。

3.根据权利要求2所述的测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，其特征在于：所述设置煤样试件测量的初始状态，具体包括以下步骤：

S21：分别将两个质量流量计设置于入口端气室和出口端气室两端，并通过三通管将质量流量计与压力控制器相连；

S22：将入口端压力控制器另一端通过三通与高压气瓶的减压阀出口和真空泵接口相连；

S23：将密封缸套与气室连接部分整体放入恒温水浴箱内，并设定好实验温度；

S24：实验进行前，打开真空泵，对煤样试件进行脱气；

S25：打开质量流量计电源开关，然后打开高压气瓶减压阀开关，使气体在压差的驱动下在煤样试件内流动，待气室两端质量流量计示数相等后，读取质量流量计示数。

4.根据权利要求3所述的测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，其特征在于：所述恒温箱为恒温水浴箱。

5.测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，其特征在于：包括密封钢套、入口端气体压力控制器、出口端气体压力控制器、入口端压力传感器、出口端压力传感器入口端质量流量计、出口端质量流量计和恒温箱；

所述密封钢套内装有煤样试件，用于保证煤样试件内部气体均匀流动；

所述密封钢套的两端分别设置有入口端气室和出口端气室，所述入口端气室的一端与密封钢套连通，所述出口端气室的一端与密封钢套连通，所述入口端气室的另一端与入口端质量流量计连接，所述出口端气室的另一端与出口端质量流量计相连接；

所述入口端质量流量计的接口与入口端的三通管相连接；所述该三通管的三个接口分别与入口端质量流量计接口、入口端气体压力控制器接口和入口端压力传感器接口相连；所述入口端气体压力控制器另一端通过另一三通管与测试气体高压气瓶减压阀出口和真空泵接口相连接；所述真空泵接口处设置有真空泵阀门；

所述出口端质量流量计的接口与出口端的三通管相连接；所述该三通管的三个接口分别与出口端质量流量计接口、出口端气体压力控制器接口和出口端压力传感器接口相连；

所述密封钢套及设置的入口端气室和出口端气室放入恒温箱中，所述恒温箱用于保持在测试中煤样试件内气体渗透温度。

6.根据权利要求5所述的测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，其特征在于：所述密封钢套内设置有筛孔托盘，所述筛孔托盘上设置有刚性骨架，所述刚性骨架上放置煤样试件，所述密封钢套内壁注有密封试剂。

7.根据权利要求6所述的测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，其特征在于：所述入口端气室和出口端气室通过法兰分别与密封钢套连接。

8.根据权利要求7所述的测定煤岩吸附气体量和渗透率的装置，其特征在于：所述恒温箱为恒温水浴箱。

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