CN102645396B

CN102645396B - 一种提高煤岩渗透率的试验方法及其装置

Info

Publication number: CN102645396B
Application number: CN201210144201.XA
Authority: CN
Inventors: 康天合; 郭俊庆; 柴肇云; 沈玉旭; 康官先
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN102645396A

Abstract

一种提高煤岩渗透率的试验方法及其装置，具体是一种通过电渗作用改变煤岩的孔隙结构和力学性能，提高煤岩渗透率的试验方法及其装置。所述方法是在煤岩试样两端设置阳极和阴极，进行电渗作用，测定作用前后及其过程中煤岩的渗透率，研究电渗作用强化煤岩渗透性机理，优化强化参数，为采用电渗方法提高煤岩渗透率的工程应用提供科学的理论依据。所述装置是由三轴渗流试验室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源构成，该装置结构简单，性能可靠，测量精确，该方法效果显著，作用后可使煤岩试样的渗透率提高65%~128%。

Description

一种提高煤岩渗透率的试验方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种提高煤岩渗透率的试验方法及其装置，具体是一种通过电渗作用提高煤岩渗透率的试验方法及其装置。

背景技术

非常规天然气（如煤层气和页岩气）的开发利用是我国十二五规划的主要内容之一，国家计划在2015年将煤层气利用率提高到60%，页岩气由资源优势转化为产量优势。然而，在将其实现商业化开采的过程中困难重重，主要原因在于我国地质条件复杂，煤岩渗透率低，低于美国2~3个数量级，而渗透率恰恰是反映煤岩中流体运移难易程度的标志，同时，也是地层损害评价与天然气开采设计的重要参数。因此，急需寻求一种能够大幅度提高煤岩渗透率的有效方法，不仅可为改善我国能源结构、保障能源安全做出重要贡献，也对消除煤矿瓦斯隐患和保护大气环境具有十分重要的意义。

目前，国内外提高煤层瓦斯抽采率的主要技术方案有：大直径密集钻孔、水力冲孔、水力压裂加支撑剂技术、水力割缝等，其中，以水力压裂技术为主，但该技术仅适用于那些相对坚硬的裂缝性储层的资源开采，而对于像煤、页岩这一类较软的孔隙裂隙储层，水力压裂的效果十分有限。另外，已有研究表明，一些非卸压方法，如注气驱替、低频振动或超声波振动、外加地电场或电磁场等也可以改变煤岩的渗透性，但这些方法都是从煤与瓦斯的物理特性入手，利用吸附竞争、弛豫效应等原理短暂的改变煤岩的吸附性和渗透性，并不能从根本上长期有效的解决低孔隙率这一关键问题，也不能改变较软煤岩的力学性能，因此收效甚微。

公开号CN102296982A公开了“一种电化学强化煤瓦斯解吸渗流的方法”，其机理是通过外加电场和电解液的共同作用，改变煤的电学、化学、矿物学与岩相学特征，使煤的裂隙与孔隙结构、活化能、吸附势发生变化，从而强化煤瓦斯的解吸渗流性能，提高煤层瓦斯抽采率。但该方法存在以下三方面问题：一是在通过电化学改变煤裂隙与孔隙结构的过程中，煤体会受到较大伤害；二是该方法所用的强碱性溶液腐蚀性较大，不利于施工，另外，该方法对电化学改性参数认识不清，造成施工的盲目性，使其在工程实践中难以推广应用；三是该方法主要从电化学反应改变煤体结构这一角度入手，没有考虑电渗所引起的电动力学作用，而这一驱动作用不仅可以提高煤岩的孔隙率，还可产生脱水固结效应，增强较软煤岩的力学性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是煤岩渗透率低的问题，目的是提供一种提高煤岩渗透率的试验方法及其装置。

基于上述问题和目的，本发明一种提高煤岩渗透率的试验方法，其特征在于是一种通过电渗作用提高煤岩渗透率的试验方法，具体步骤如下：

（1）加工煤岩试样，高径比为2:1；

（2）搭建试验平台，置入试样和两多孔电极板；

（3）按设定参数加载轴压、围压和孔隙压，采用稳态法测定煤岩渗透率，待试样中溶液达到饱和且流量稳定时，测定试样中的流量并计算渗透率；

（4）设定电位梯度，接通直流电源，其它条件与上述步骤（3）相同，通过两电极板间的电场作用，煤岩试样中的溶液发生电渗现象，作用过程中测定流量并计算渗透率；

（5）断开电源，保持轴压、围压和孔隙压的设定值不变，测定电渗作用后试样中的流量并计算渗透率。

本发明方法所述的煤岩试样上端为电极阳极，下端为电极阴极。

本发明方法所述的溶液为水、NaCl、CaCl₂、AlCl₃，浓度为0.01~0.4mol·l^-1。

本发明方法所述的电位梯度为0.5~4V·cm^-1。

本发明提供一种用于提高煤岩渗透率的试验方法的试验装置，包括有三轴渗流试验室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源；其构成特征在于：

所述三轴渗流试验室连通有柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源，并设置有相应的流量计、截止阀和压力表。

所述三轴渗流试验室是由底座和外筒密封构成，其中：所述底座上设有支撑杆；所述外筒轴向通孔中设有加压活塞杆和导向螺栓，加压活塞杆下部与支撑杆上部设有多孔电极板；所述加压活塞杆与支撑杆中都设有溶液孔与导线孔。

在上述试验装置技术方案中，其附加的技术特征在于所述支撑杆与加压活塞杆的材料为尼龙66；所述电极板为蜂孔状结构，材料为铜或不锈钢，直径等同于煤岩试样，厚度2~3mm。

本发明一种提高煤岩渗透率的试验方法及其装置，与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著的进步是：通过本发明装置可测试电渗作用前后及其过程中煤岩的渗透率，研究作用前后煤岩力学特性、孔隙结构的变化状况，分析强化机理，优化强化参数，为采用电渗方法提高煤岩渗透率的工程应用提供科学的理论依据。

本发明基于电渗作用提高煤岩渗透率的试验方法，对电渗作用前后及其过程中煤岩的渗透率进行了试验，结果表明电渗作用后煤岩渗透率提高了65%~128%。

本发明装置结构简单、性能可靠、测量精度高，适用于煤、页岩渗透率的电渗强化试验研究。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图。

图2是本发明多孔电极板的结构示意图。

图3是本发明图2多孔电极板的A-A剖面结构示意图。

图4是本发明无烟煤在轴压5MPa，围压6MPa，孔隙压3MPa下，溶液为0.05mol·l^-1的AlCl₃时，电渗作用前后的渗透率比值随电位梯度变化的曲线。“□”为电渗作用后试样渗透率与电渗作用前渗透率的比值；“△”为电渗作用过程中试样渗透率与电渗作用前渗透率的比值。

图5是本发明无烟煤在轴压5MPa，围压6MPa，孔隙压3MPa下，溶液为水时，电渗作用前后的渗透率比值随电位梯度变化的曲线。“□”为电渗作用后试样渗透率与电渗作用前渗透率的比值；“△”为电渗作用过程中试样渗透率与电渗作用前渗透率的比值。

图中：1：煤岩试样；2：围压室；3：外筒；4：支撑杆；5：箍圈；6：热缩套；7：多孔电极板；8：加压活塞杆9：密封圈；10：导向螺栓；11：阳极导线孔；12：进液孔；13：排气孔；14：温度传感器孔；15：注水孔；16：出液孔；17：固定螺栓；18：底座；19：法兰；20：阴极导线孔21：三轴渗流试验室；22：电流表；23：直流电源；24：柱塞泵；25：注水泵；26：水槽；27、28：压力表；29：流量计；30、31、32：截止阀；33：导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施方式1

实施本发明所述的一种提高煤岩渗透率的试验方法，以无烟煤为例，具体试验过程如下：

（1）加工试样。根据所需试样，由现场取回块状无烟煤，置于钻孔机上，进行取样，并将两端打磨平滑，试样尺寸加工为Φ50×100。

（2）安装试验装置，将试样置于贴有阴极电极板7的支撑杆4上，依次放置阳极电极板7和加压活塞杆8，即试样上端为阳极，下端为阴极，电渗作用时，可沿溶液的流动方向提高其导流能力，阳极材料选用紫铜，阴极材料选用316L不锈钢。用长30mm的聚四氟乙烯热缩套6双层牢固热封试样1、多孔电极板7以及支撑杆4和加压活塞杆8的侧面，然后用箍圈5紧箍，使其紧密接触，避免溶液从试样侧面流出，保证试验过程中围压与孔隙压的独立性。由法兰19和固定螺栓17将外筒3与底座18固定，然后搭建试验平台。

（3）在室温条件下，将压力加载至轴压5MPa，围压6MPa（模拟煤层的原岩应力状态，埋深取200m，侧压系数取1.2），孔隙压力为3MPa，采用稳态法测定试样渗透率，待试样中溶液达到饱和且流量稳定时，测定试样中的流量并计算渗透率，平均为0.493mD，试验中选用0.05mol·l^-1的AlCl₃溶液。

（4）设定电位梯度（按试验顺序，依次为0.5V·cm^-1，1 V·cm^-1，1.5 V·cm^-1，2 V·cm^-1，2.5 V·cm^-1，3 V·cm^-1，3.5 V·cm^-1，4 V·cm^-1），接通直流电源23，其它条件与上述步骤（3）相同，通过两电极板间的电场作用，使试样中的溶液发生电渗现象，电渗作用过程中测定试样中的流量并计算渗透率，依次为1.06mD、1.188mD、1.292mD、1.41mD、1.499mD、1.548mD、1.597mD、1.671mD。

（5）测试电渗作用后试样中的流量并计算渗透率（按试验顺序，电位梯度依次为0.5V·cm^-1，1 V·cm^-1，1.5 V·cm^-1，2 V·cm^-1，2.5 V·cm^-1，3 V·cm^-1，3.5 V·cm^-1，4 V·cm^-1），试验过程中，测试条件与上述步骤（3）相同，渗透率依次为0.813mD、0.873mD、0.907mD、0.961mD、0.996mD、1.05mD、1.08mD、1.124mD。

图3为无烟煤电渗作用前后的渗透率比值随电位梯度变化的曲线，可以看出，电渗作用后试样渗透率提高了65%~128%。

实施方式2

以水为例，无烟煤电渗作用前后的渗透率比值随电位梯度变化的关系曲线见图4，电渗作用后试样渗透率为作用前的1.4~2.08倍。渗流介质为0.05mol·l^-1NaCl溶液时，电渗作用后无烟煤渗透率提高了42%~110%，渗流介质为0.05mol·l^-1CaCl₂溶液时，电渗作用后无烟煤渗透率提高了56%~120%。可见，溶液为AlCl₃时，作用效果最为显著；另外，对不同浓度的AlCl₃溶液作了试验，依次为0.01 mol·l^-1、0.025 mol·l^-1、0.05 mol·l^-1、0.1 mol·l^-1、0.2 mol·l^-1、0.4 mol·l^-1，结果表明，浓度为0.05mol·l^-1时，效果最为显著。

下面结合附图1和附图2对本发明装置的具体实施方式作进一步的说明：

如图1，实施本发明所提供的一种提高煤岩渗透率的试验装置，主要包括有三轴渗流试验室21、柱塞泵24、注水泵25、水槽26和直流电源23，其中：

所述三轴渗流试验室21连通有柱塞泵24、注水泵25、水槽26和直流电源23，并设置有相应的流量计、截止阀和压力表。

所述三轴渗流试验室21是由底座18和外筒3密封构成，由法兰19和固定螺栓17将外筒3与底座18固定，其中：所述底座18上设有支撑杆4；所述外筒3轴向通孔中设有加压活塞杆8和导向螺栓10，加压活塞杆8与支撑杆4材质均为尼龙66，可起到绝缘作用，并保证刚度；所述加压活塞杆8下部与支撑杆4上部均设有电极板7，电极板7为蜂孔状结构，孔之间开槽，可使液体进出均匀、充分，保证测试过程中的精确度，电极板7直径等同于煤岩试样1，厚2~3mm，防止加载轴压时产生较大变形，损坏热缩套6，材质选用紫铜或不锈钢，保证较高的抗压强度；所述导向螺栓10下部设有密封槽，保证与外筒3之间的密封性能；导向螺栓10内部设有两道密封槽，保证与加压活塞杆8之间的密封性能；所述外筒3上端设有排气孔13和温度传感器孔14，排气孔13位置应高于温度传感器孔14。

所述底座18设有注水孔15，外部与注水泵25相连，管路上接有截止阀31和压力表28，用于提供试验所需围压。

所述加压活塞杆8设置有进液孔12和阳极导线孔11；所述支撑杆4和底座18设置有出液孔16和阴极导线孔20，其中，进液孔12、出液孔16由液压管将三轴渗流试验室21分别与外部的柱塞泵24和水槽26相连，管路上附设有压力表27、流量计29和截止阀30、32，导线孔11和20由导线33将三轴渗流试验室21与外部的直流电源23和电流表22相连。

Claims

1.一种提高煤岩渗透率的试验方法，所述方法按下列步骤进行：

（1）加工煤岩试样，高径比为2:1；

（2）安装试验装置；试验装置包括有三轴渗流室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源，所述三轴渗流室是由底座和外筒密封构成，并由法兰和固定螺栓将外筒与底座固定，其中：底座上设有支撑杆，外筒轴向通孔中设有加压活塞杆和导向螺栓；安装时首先将试样置于贴有阴极电极板的支撑杆上，依次放置阳极电极板和加压活塞杆，即试样上端为阳极，下端为阴极，电渗作用时，可沿溶液的流动方向提高其导流能力；然后用聚四氟乙烯热缩套双层牢固热封试样、阳极电极板、阴极电极板以及支撑杆和加压活塞杆的侧面，并用箍圈紧箍，使其紧密接触，避免溶液从试样侧面流出，保证试验过程中围压与孔隙压的独立性；最后将所述三轴渗流室与柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源相连，并设置有相应的流量计、截止阀和压力表；

（3）按设定参数加载轴压、围压和孔隙压，采用稳态法测定煤岩渗透率，待试样中溶液达到饱和且流量稳定时，测定电渗作用前试样中的溶液流量并计算渗透率；所述溶液为水、NaCl、CaCl₂或AlCl₃，浓度为0.01~0.4mol·L^-1；

（4）设定电位梯度为0.5~4V·cm^-1，接通直流电源，其它条件与上述步骤（3）相同，通过两电极板间的电场作用，煤岩试样中的溶液发生电渗现象，测定电渗作用过程中试样中的溶液流量并计算渗透率，进而得到不同电位梯度条件下煤岩电渗作用过程中渗透率与电渗作用前渗透率的比值；

（5）断开电源，保持轴压、围压和孔隙压的设定值不变，测定电渗作用后试样中的溶液流量并计算渗透率，进而得到不同电位梯度条件下煤岩电渗作用后渗透率与电渗作用前渗透率的比值。

2.一种应用于提高煤岩渗透率的试验方法的试验装置，包括有三轴渗流试验室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源；其特征在于：

所述三轴渗流试验室连通有柱塞泵、注水泵、水槽和直流电源，并设置有相应的流量计、截止阀和压力表；

所述三轴渗流试验室是由底座和外筒密封构成，并由法兰和固定螺栓将外筒与底座固定，其中：底座上设有支撑杆，外筒轴向通孔中设有加压活塞杆和导向螺栓，外筒上侧设有温度传感器孔和排气孔，并且排气孔位置高于温度传感器孔；加压活塞杆下部与支撑杆上部均设有多孔电极板；加压活塞杆中设有进液孔和阳极导线孔，支撑杆和底座中设有出液孔与阴极导线孔；

所述支撑杆与加压活塞杆的材料为尼龙66，在保证刚度的同时可起到绝缘作用；

所述导向螺栓下部设有密封槽，保证与外筒之间的密封性能；导向螺栓内部设有两道密封槽，保证与加压活塞杆之间的密封性能；

所述电极板为蜂孔状结构，蜂孔之间开槽，可使液体进出均匀、充分，电极板的材料为紫铜或不锈钢，保证较高的抗压强度，电极板直径等于煤岩试样直径，厚度为2~3mm，防止加载轴压时产生较大变形；

所述柱塞泵和水槽分别经液压管与三轴渗流试验室上的进液孔和出液孔相连，管路上接有压力表、截止阀和流量计；

所述三轴渗流室的底座设有注水孔，所述注水泵经管路与注水孔相连，用于提供试验所需围压，管路上接有压力表和截止阀；

所述直流电源经导线与三轴渗流试验室上的阳极导线孔和阴极导线孔相连，导线线路上接有电流表。