CN104655806A - 一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法及装置，测试装置包括储层环境模拟系统、动力致裂系统、数据显示系统及测试系统；储层环境模拟系统包括轴向应力加载系统和围压加载系统；通过储层环境模拟系统可以真实地模拟煤层的受力状态；通过动力致裂系统，可向测试系统中通入气体，对煤样进行致裂；其中测试系统包括多个煤样罐，并可根据情况，选择多个煤样罐贯通或闭合，从而同时对多个煤样进行测试；测试方法包括如下步骤，气密性检测、煤样放置、装置连接及固定、应力加载系统、注气致裂及测试。本发明不仅能够实现单一煤体的储层能量变化以及渗透率测试，而且还能够对不同煤体组合条件下的储层能量以及渗透性测试，测试灵活性以及准确率高。

Description

一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法及装置

技术领域

本发明属于煤层能量变化及渗透率测试技术领域，具体涉及一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法及装置。

背景技术

我国有着丰富的煤层气资源，据最新统计其量为36.81万亿m³，居世界第三位。合理地开发利用这些丰富的煤层气资源一方面可以有效防止煤与瓦斯突出，另一方面可以作为能源加以利用，同时也可以减少温室气体的排放，是一举三得的事情。

我国地面煤层气经过了30余年的勘探开发，2013年的全国地面煤层气产量只有30亿m³，井下抽采量126亿m³，丰富的资源量与实际抽采量之间形成了巨大的反差。究其原因，主要在于我国煤层大多经历了多期构造运动作用，煤体被破坏的相对比较严重，现主要以低渗、低压煤储层为主。储层渗透率低，煤层气运移时阻力大，运移困难；压力低意味着能量低，煤层气从吸附状态转变成游离态困难，产出率低。

因此，如何增加煤储层的能量或提高煤储层裂隙的导流能力是提高煤层气井产气的关键。目前，针对低渗储层，采取了活性水压裂技术，取得了一定的效果，但当储层能量比较低时，改造效果不太好。

研究发现通过向煤层中注氮气同时配合活性水压裂，不仅能够提高储层能量，而且还能提高储层渗透性，应用前景广阔。

现有技术中有通过分别产生内生裂隙以及外生裂隙的方法来测试渗透率的变化，其中通过气水结合的方式进行生成外生裂隙，无法对单一气体的作用进行测试，且其仅能对单一煤样进行测试，当需要对多个煤样进行测试对比时，需要取出上一煤样再次测试。

但针对什么裂隙发育、压力大小的煤储层，注入氮气后能使储层能量增加多少，煤层的导流能力增加多少，目前却不能给出确定的回答。

为了实现针对不同储层的注氮气压裂参数最优化，迫切需要一种试验模拟装置能对氮气致裂煤储层能量变化以及渗透率进行测试，以便更好的指导注氮气压裂施工设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法及装置，能够有效测试出注入氮气后不同煤层的能量以及渗透率变化，可以对多个煤样进行组合性测试。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，包括储层环境模拟系统、动力致裂系统及数据显示系统，还包括测试系统，所述测试系统包括自上而下依次设置的固定式煤样罐、上可活动煤样罐及下可活动煤样罐；

固定式煤样罐底部自上而下设置有均为圆柱状的且通过连接转轴连接的上层隔板、中层隔板及下层隔板，3层隔板上均设置有气孔，上层隔板及下层隔板上的气孔相互贯通，上层隔板及下层隔板均与固定式煤样罐固定连接；中层隔板相对连接转轴转动设置，中层隔板上固定连接有转动把手；下层隔板的底部设置有压力传感器及侧壁上设置有螺纹的螺纹槽；

上可活动式煤样罐底部自上而下设置有均为圆柱状的且通过连接转轴连接的上层隔板、中层隔板及下层隔板，3层隔板上均设置有气孔，上层隔板及下层隔板上的气孔相互贯通，上层隔板及下层隔板均与上可活动式煤样罐固定连接；中层隔板相对连接转轴转动设置，中层隔板上固定连接有转动把手；下层隔板的底部设置有压力传感器及侧壁上设置有螺纹的螺纹槽；上可活动式煤样罐的上部设置有套设于其内部且相对于上可活动式煤样罐滑动设置的活动套筒；活动套筒的侧壁上配合固定式煤样罐底部的螺纹槽内的螺纹设置有对接螺纹；

下可活动式煤样罐的上部设置有套设于其内部且相对于下可活动式煤样罐滑动设置的活动套筒；活动套筒的侧壁上配合上可活动式煤样罐底部的螺纹槽内的螺纹设置有对接螺纹；下可活动式煤样罐的底部设置有与下可其固定连接单层隔板；

储层环境模拟系统包括轴向应力加载系统和围压加载系统；

轴向应力加载系统包括连接有轴向加压连杆且位于固定式煤样罐上方的轴向加载机，竖直设置的轴向加压连杆的端部配合固定式煤样罐设置，且其上设置有压力传感器；

围压加载系统包括分别横向固定设置于固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的内部的导轨，导轨上设置有煤样放置槽，煤样放置于煤样放置槽中；煤样放置槽上贯穿设置有出气孔；导轨上滑动设置有2个卡箍，2个卡箍相对设置，卡箍的高度低于煤样的高度；卡箍的外侧设置有与油罐相连的油液冲击室，油罐与油液冲击室之间设置有油压表；卡箍的内侧配合煤样固定设置有挤压壁；3个导轨与固定式煤样罐、上可活动式煤样罐和下可活动式煤样罐的底部之间分别预留有与出气孔连通的间隙，固定式煤样罐、上可活动式煤样罐和下可活动式煤样罐的侧壁上设置有位于间隙内的出气通道，出气通道通过其上设置有测试气压表、测试气体流量表以及出气阀门的测试管道连接气体储集箱；

动力致裂系统包括与固定式煤样罐贯通，并与气罐连接的注气口，注气口与气罐之间设置有气压表以及气体流量计；

数据显示系统包括计算机，压力传感器通过电缆与计算机上的压力传感器连接接口连接。   

油罐上连接有高压油泵，高压油泵上连接有设置有3个出油口的分流器，3个出油口与分流器之间均设置有分流器控制阀门；每个出油口上均设置有2个出油通道，同一个出油口上的2个出油通道分别通过高压油管与位于同一个煤样罐内部的2个油液冲击室连接，油压表设置于高压油管上。

气罐上连接有高压气泵，气压表、气体流量计及进气阀门设置于高压气泵的出气口，高压气泵通过注气孔连接软管与位于轴向加压连杆内部的气体通道连通，气体通道的末端设置有与固定式煤样罐贯通的注气口。

下可活动式煤样罐底部设置有固定台，固定台的两侧设置有安装壁，安装壁上配合轴向加载机竖直设置有滑轨和与固定式煤样罐连接的固定杆。

固定台与下可活动式煤样罐之间设置有液压升降台，液压升降台与下可活动式煤样罐连接。

挤压壁的横截面为半圆形。

上可活动式煤样罐的数量为1或2或3。

本发明还公开了一种进行的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法，依次包括以下步骤：

（1）气密性检测：

首先，形成闭合空间；

然后，注气：关闭固定式煤样罐上的出气阀门，同时打开高压气泵及进气阀门；向固定式煤样罐中注入气体；注入1-5分钟后，停止注气；观察气压表的指针是否变化，若否则气密性良好；若是则气密性不好，需要检查漏气地方；

（2）煤样放置：启动轴向加载机，使轴向加压连杆向上运动，从而将煤样放入固定式煤样罐或上可活动式煤样罐或下可活动式煤样罐中；

（3）装置连接及固定：将液压升降台升至位于固定式煤样罐或下可活动式煤样罐的下部；分别将固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的油液冲击室与高压油泵连接；分别将固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的测试管道与气体储集箱连接将压力传感器与计算机连接；

（4）储层环境模拟：分别为轴向应力的加载和围压的加载；

轴向应力加载，向煤样施加轴向应力；

围压加载：像煤样施加围压，打开油罐和高压油泵，卡箍在高压油液的作用下向煤样的方向移动；最终，卡箍上的挤压壁通过对煤样进行挤压，使煤样受到围压的作用；油压表采集到该围压的大小并显示出来；

（5）注气致裂及测试：首先，开启固定式煤样罐的出气阀门；然后，开启气罐及高压气泵，向固定式煤样罐中注气；气压表以及测试气压表的压力差反映了煤样储层能量的变化；气体流量计和测试气体流量计的差值反映了储层渗透率；

（6）测试结束：首先，取消储层模拟，关闭高压油泵及轴向加载机从而取消围压和轴向应力；关闭高压气泵，停止注气；收回煤样。

步骤（1）中煤样有1个时，检测固定式煤样罐的气密性，形成闭合空间的方法为，开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐上部相接；转动固定式煤样罐底部的中层隔板，使固定式煤样罐底部的隔板上的气孔处于错开状态；

步骤（1）中煤样有数个时，需要依次检测固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的气密性；

上可活动式煤样罐在气密性检测过程中，形成闭合空间的方法为：开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐上部相接；转动固定式煤样罐底部的中层隔板，使固定式煤样罐底部的隔板上的气孔处于贯通状态；转动上可活动式煤样罐的中层隔板，使得上可活动式煤样罐底部的气孔处于错开状态；

下可活动式煤样罐在气密性检测过程中，形成闭合空间的方法为：开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐上部相接；转动固定式煤样罐底部的中层隔板，使固定式煤样罐底部的隔板上的气孔处于贯通状态；转动上可活动式煤样罐的中层隔板，使得上可活动式煤样罐底部的气孔处于贯通状态；

步骤（4）中煤样有1个时，向固定式煤样罐中的煤样加载轴向应力，加载方法为：打开轴向加载机，使得轴向加压连杆向下运动，对煤样施加轴向应力；轴向加压连杆端部的压力传感器采集该轴向应力的大小，并输入到计算机中；通过计算机的显示屏读取轴向应力的大小。

步骤（4）中煤样有多个时，需要向固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中加载轴向应力：依次包括以下步骤：

首先进行固定式煤样罐中煤样的轴向应力加载；然后开启液压升降台，使上可活动式煤样罐中的煤样在固定式煤样罐底部的下层隔板的挤压下受到轴向应力；下可活动式煤样罐中的煤样在上可活动式煤样罐底部的下层隔板的挤压下受到轴向应力；固定式煤样罐的底部的下层隔板及上可活动式煤样罐底部的下层隔板的压力传感器采集到该数值，将该数值输入到计算机中显示。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、通过设置固定式煤样罐、上可活动式煤样罐以及下可活动式煤样罐不仅能够实现单一煤体结构的储层能量变化以及渗透率测试，而且还能够对不同煤体结构组合条件下的储层能量以及渗透性进行测试，测试灵活性较高；2、卡箍以及导轨的配合设置，提高了施加围压的过程中，装置的稳定性，防止了发生倾倒的情况；3、固定式煤样罐、上可活动式煤样罐底部的三层隔板的设置，方便了根据煤样选择煤样罐之间的连通或者封闭，提高了装置的灵活性；4、转动把手的设置方便了中层隔板的转动；5、竖向滑轨的设置方便了对轴向加载机的位置的调整；6、液压升降台的设置可以在需要向上可活动式煤样罐和下可活动式煤样罐中的煤样施加轴向应力时，开启液压升降台使其上升即可，设计巧妙；7、活动套筒保证了上可活动式煤样罐和下可活动式煤样罐的上下滑动；8、提供的测试方法，流程紧凑，准确率高。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图；

图2为固定式煤样罐结构示意图；

图3为上可活动式煤样罐结构示意图；

图4为下可活动式煤样罐结构示意图；

图5为卡箍结构示意图；

图6为图5俯视图；

图7为上层隔板、中层隔板以及下层隔板结构示意图；

图8为单层隔板结构示意图；

图9为本发明所述测试方法流程图。

具体实施方式

实施例1，如图1所示的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，包括储层环境模拟系统、动力致裂系统、数据显示系统和测试系统。

测试系统是整个装置的核心，用于测试煤样在提供的储层环境条件下和动力致裂系统的作用下的能量变化和渗透率变化；包括固定台1，固定台1两侧安装有安装壁12，固定台1的上部设置有液压升降台11，液压升降台11上设置有3个煤样罐，自上而下依次为固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31与下可活动式煤样罐32，上可活动式煤样罐32的数量为1。下可活动式煤样罐32与液压升降台11连接。固定式煤样罐3通过固定杆13与安装壁12固定连接，从而实现固定煤样罐3的固定，防止在测试的过程中出现位置的偏移，影响测试的准确性。设置的液压升降平台11保证了三个煤样罐的稳定性，同时保证了上可活动式煤样罐31以及下可活动式煤样罐32中的煤样能够受到轴向应力，设计巧妙，方便了装置的使用。

如图2所示，固定式煤样罐3内部放置有煤样44，底部设置有三层圆柱状的隔板，分别为上层隔板5、中层隔板51和下层隔板52。三层隔板之间通过连接转轴53连接，三层隔板上均贯穿设置有气孔57，气孔57的数量为4个，从而保证通气的畅通。上层隔板5和下层隔板52上的气孔57相互连通，且上层隔板5以及下层隔板52均与固定式煤样罐3固定连接。中层隔板51相对于连接转轴53转动设置，从而方便了将固定式煤样罐3底部连通或者闭合，方便了装置的使用；中层隔板51上设置有转动把手55，通过设置的转动把手55可以方便地将中层隔板51进行转动；在转动中层隔板51的过程中实现三层隔板上的气孔57的贯通或者错开。下层隔板52的底部设置有螺纹槽54，螺纹槽54的侧壁上设置有螺纹，且下层隔板52的底部设置有压力传感器92，用于感测压力。

如图3所示：上可活动式煤样罐31与固定式煤样罐3的不同之处在于：上可活动式煤样罐31的上部设置有套设于其内部的活动套筒58，活动套筒58相对于上可活动式煤样罐31滑动设置；活动套筒58的侧壁上设置有对接螺纹，该对接螺纹配合固定式煤样罐3底部的下层隔板52上的螺纹槽54内的螺纹设置，从而通过螺纹以及对接螺纹将活动套筒58与固定式煤样罐3的固定连接，设置的活动套筒58实现了上可活动式煤样罐31相对于固定式煤样罐3的活动设置；在对可活动式煤样罐31中的煤样施加轴向应力时，通过向上升液压升降台11，使上可活动式煤样罐31与活动套筒58相对滑动，从而使上可活动式煤样罐31相对于活动套筒58及固定式煤样罐3向上升，最终使固定式煤样罐3的下层隔板52对上可活动式煤样罐31中的煤样施加轴向应力。为了保证上可活动式煤样罐及活动套筒58的连接的气密性，在螺纹与对接螺纹之间设置有密封垫；密封垫为现有技术，在图中无显示，同时为了保证上可活动式煤样罐31的气密性，在活动套筒58与上可活动式煤样罐31的连接处也设置有密封垫，该密封垫也为现有技术，在图中无显示。

如图4所示：下可活动式煤样罐32与固定式煤样罐3的不同之处在于：下可活动式煤样罐32的上部设置有套设于其内部的活动套筒58，活动套筒58相对于下可活动式煤样罐32滑动设置；活动套筒58的侧壁上设置有对接螺纹，该对接螺纹配合上可活动式煤样罐31底部的下层隔板52上的螺纹槽54内的螺纹设置。在对下可活动式煤样罐32中的煤样施加轴向应力时，通过向上升液压升降台11，使得下可活动式煤样罐32与活动套筒58相对滑动，从而使下可活动式煤样罐32向上升，上可活动式煤样罐31的下层隔板52对下可活动式煤样罐32中的煤样施加轴向应力。为了保证两者连接的气密性，在螺纹与对接螺纹之间设置有密封垫，密封垫为现有技术，在图中无显示；为了保证活动套筒58与下可活动式煤样罐32连接处的气密性，在两者的连接处也设置有密封垫，该密封垫作为现有技术在图中也无显示。下可活动式煤样罐32的底部设置有单层隔板56，单层隔板56与下可活动式煤样罐32固定连接；单层隔板56上没有气孔，即为密封状态。

通过选用固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31以及下可活动式煤样罐32，不仅能够实现对单一煤体结构的储层能量变化以及渗透率进行测试，而且还能够对不同煤体结构组合条件下的储层能量以及渗透性进行测试，测试灵活性较高，液压升降台及分别设置于上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中的活动套筒58，保证了上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中的煤样能够受到轴向应力的作用，设计巧妙。

储层环境模拟系统用于模拟煤层储层，为煤样提供轴向应力以及水平应力；包括轴向应力加载系统以及围压加载系统。

如图1所示，轴向应力加载系统用于加载轴向应力，包括设置于固定式煤样罐3上方的轴向应力加载机2，轴向应力加载机2相对于竖直设置于安装壁12上的滑轨滑动设置。通过设置的滑轨提高了装置的灵活性，便于根据固定式煤样罐3的位置调节轴向应力加载机2。轴向应力加载机2上连接有轴向加压连杆21，轴向加压连杆21竖直设置。轴向加压连杆21的端部配合固定式煤样罐3设置，且轴向加压连杆21的端部上设置有压力传感器92。在轴向加压连杆21的端部的侧壁上配合固定式煤样罐的内侧壁设置有密封圈，从而当轴向加压连杆21进入到固定式煤样罐3上部时，可以将固定式煤样罐3密封起来，提高气密性，密封圈为现有技术，在图中无显示。

如图1、图5及图6所示：围压加载系统包括3个分别横向固定设置于固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31与下可活动式煤样罐32内部的导轨4，导轨4中心均设置有煤样放置槽45，用于放置煤样44。煤样放置槽45上贯穿设置有出气孔，该出气孔的形状没有固定限制，通常可以选用圆形，出气孔在图中无显示。

导轨4分别与固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31和下可活动式煤样罐32的底部之间预留有间隙42，间隙42与出气孔连通，固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31和下可活动式煤样罐32的侧壁上均设置有位于间隙42内的出气通道43，出气通道43通过其上设置有测试气压表71、测试气体流量表72以及出气阀门73的测试管道74连接气体储集箱7；气体储集箱7通过气体储集箱75固定架固定。通过设置间隙42以及出气通道43避免了停留于煤样罐中的气体也被当作被煤样吸收到的气体，从而提高测试的准确性。

导轨4上滑动设置有2个相对设置的卡箍41，卡箍41的高度低于煤样的高度，从而保证了在施加轴向应力时，卡箍41依然可以左右移动。

2个卡箍41的内侧均配合煤样固定设置有半圆形的挤压壁411；在2个挤压壁411的作用下对煤样44施加水平应力。

2个卡箍41的外侧均设置有与油罐8相连的油液冲击室412。油罐8上连接有高压油泵81，高压油泵81上连接有设置有3个出油口的分流器82，3个出油口与分流器82之间均设置有分流器控制阀门83；3个出油口分别连接固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31与下可活动式煤样罐32内部的油液冲击室412，每个出油口上均设置有2个出油通道，同一个出油口上的2个出油通道分别通过高压油管84连接同一个煤样罐的2个油液冲击室412，油压表85设置于高压油管84上，通过油压表85可以读出进入到油液冲击室412内的高压油液的压力，从而得出煤样的围压。

在本装置中通过使用分流器82及分流器控制阀门83，简化了装置的数量，在使用1个油罐及高压油泵的情况下，即可以保证不同压力的油液进入到固定式煤样罐3、上可活动式煤样罐31与下可活动式煤样罐32中。

导轨4以及卡箍41的配合使用，可提高在施加围压时卡箍41的运动的稳定性，防止发生倾斜等情况，提高了装置在使用过程中的稳定性。

如图1所示，动力致裂系统用于对煤样进行致裂，包括设置于轴向加压连杆21内部的气体通道22，气体通道22末端设置于与固定式煤样罐3贯通的注气口23。气体通道22上连接有注气孔连接软管62，注气孔连接软管62与高压气泵61连接，在高压气泵61的出气口设置有进气阀门65、气压表63以及气体流量计64，从而便于观察进入到煤样罐中的气体的压力以及流量。高压气泵61的进气口连接气罐6，气罐6内设置有氮气。通过将注气口23以及气体通道22设置于轴向应力加压连杆21上，避免了在固定式煤样罐3上开设通道，从而提高了整个装置的气密性。

当打开进气阀门65时，氮气依次通过注气孔连接软管62、气体通道22以及注气口23进入固定式煤样罐3中，进行致裂以及渗透率测试。

如图1所示：数据显示系统包括计算机9，分别设置于轴向加压连杆21上、固定式煤样罐3底部的下层隔板52上、上可活动式煤样罐31底部的下层隔板52上的3个压力传感器92通过电缆与计算机9上的压力传感器连接接口91连接，通过计算机9可以显示出施加到煤样上的轴向压力。

如图9所示，本发明还提供了一种利用上述装置进行氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试的方法，在测试的过程中，该方法根据煤样的数量分为以下2种情况：

第一种情况：1个煤样，在此种情况下，煤样放置于固定式煤样罐中即可；测试方法依次包括如下步骤：

（1）气密性检测：检测固定式煤样罐的气密性；

首先，形成闭合空间：开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐相接；从而使固定式煤样罐的上部处于闭合状态；转动固定式煤样罐底部的中层隔板上的转动把手，使固定式煤样罐的中层隔板与上层隔板和下层隔板上的气孔处于错开状态，从而使固定式煤样罐的底部处于闭合状态，最终使固定式煤样罐形成闭合空间；

然后，注气：关闭固定式煤样罐上的出气阀门，同时打开高压气泵及进气阀门；向固定式煤样罐中注入气体；注入1分钟后，固定式煤样罐中有了一定的压力；此时，关闭高压气泵及进气阀门；观察气压表的指针是否变化；若否，则固定式煤样罐的气密性良好，可以进行下面的步骤；若是，则固定式煤样罐的气密性不好，需要对漏气位置进行检查，修整或者直接更换固定式煤样罐。

通过检测固定式煤样罐的气密性，保证了测试的准确性，防止在测试的过程中出现漏气的情形。

（2）煤样放置：启动轴向加载机，使轴向加压连杆向上运动，从而将煤样放入固定式煤样罐的煤样放置槽中，此时固定式煤样罐底部的三层隔板上的气孔处于错开状态，即固定式煤样罐底部为闭合状态。

（3）装置连接及固定：因只有1个煤样，此时的装置中只有固定式煤样罐；

故将液压升降台升至固定式煤样罐的下部，对固定式煤样罐进行固定，防止其在轴向应力或者围压的作用下发生位置的偏移；

然后，通过高压油管将固定式煤样罐中的油液冲击室与高压油泵连接；固定式煤样罐上的测试管道与气体储集箱连接；高压气泵与注气孔连接软管连接；压力传感器与计算机连接；完成装置的连接以及固定；

（4）储层环境模拟：需要向煤样加载应力，分别为轴向应力和围压；

轴向应力的加载：打开轴向加载机，使得轴向加压连杆向下运动，利用轴向加压连杆的端部对煤样施加轴向应力；设置于轴向加压连杆端部的压力传感器采集到该应力，并将该数值输入到计算机中进行显示；

围压加载：打开油罐和高压油泵，油液冲击室在高压油液的作用下，推动卡箍向煤样的方向移动，卡箍上的挤压壁对煤样进行挤压从而产生围压，该围压的大小可以通过高压油管上的油压表读出；

（5）注气致裂及测试：开启固定式煤样罐的出气阀门；同时，打开气罐和高压气泵，通过注气口向固定式煤样罐中注入气体，通过气压表读取注气压力，通过气体流量计记录注气量；读取测试管道上的测试气压表及测试气体流量计，气压表以及测试气压表的压力差反映了煤样储层能量的变化；气体流量计和测试气体流量计的差值反映了储层渗透率；

（6）测试结束：测试结束后，取消储层模拟，实施方法为：分别关闭高压油泵及轴向加载机；关闭高压气泵，停止注气；将固定式煤样罐中的气体及油液冲击室中的油液放出，收回煤样。

第二种情况，有多个煤样，以煤样有3个为例，在此情况下，上可活动式煤样罐有1个，3个煤样分别放置于固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中；测试方法依次包括如下步骤：

（1）气密性检测：检测方法为：

首先，检测固定式煤样罐的气密性，方法同第一种情况中的步骤（1）；

然后，检测上可活动式煤样罐的气密性，方法依次包括如下步骤：

1，形成闭合空间：开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐相接，从而使固定式煤样罐上部处于闭合状态；转动固定式煤样罐底部的中层隔板上的转动把手，使固定式煤样罐的中层隔板与上层隔板和下层隔板的气孔处于贯通状态，从而使固定式煤样罐的底部与上可活动式煤样罐连通；转动上可活动式煤样罐底部的中层隔板上的转动把手，使上可活动式煤样罐的中层隔板与上层隔板和下层隔板的气孔处于错开状态；

2，注气，方法第一种情况的步骤（1）中的注气步骤；

最后，检测下可活动式煤样罐的气密性，方法依次包括如下步骤：

1，形成闭合空间：开启轴向加载机，使轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐相接，从而使固定式煤样罐的上部处于闭合状态；转动固定式煤样罐底部的中层隔板上的转动把手，使固定式煤样罐的中层隔板与上层隔板和下层隔板的气孔处于贯通状态，从而使固定式煤样罐的底部与上可活动式煤样罐连通；转动上可活动式煤样罐底部的中层隔板上的转动把手，使上可活动式煤样罐的中层隔板与上层隔板和下层隔板的气孔处于贯通状态；由于下可活动式煤样罐的底部的隔板为不带气孔的单层隔板，从而将下可活动式煤样罐、上可活动式煤样罐以及固定式煤样罐围合成闭合空间；

2，注气，方法第一种情况的步骤（1）中的注气步骤。

（2）煤样放置，向固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中放入煤样，向固定式煤样罐中放入煤样的方法同第一种情况的步骤（2）；向上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中放入煤样需要先将上可活动式煤样罐与固定式煤样罐拆开，将下可活动式煤样罐与上可活动式煤样罐拆开进行放置；

（3）装置连接及固定：故将液压升降台升至下可活动式煤样罐的下部，对下可活动式煤样罐进行固定，防止其在轴向应力或者围压的作用下发生位置的偏移；

然后，分别通过高压油管将固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中的油液冲击室与高压油泵连接；固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐上的测试管道与气体储集箱连接；高压气泵与注气孔连接软管连接；压力传感器与计算机连接；完成装置的连接以及固定；

（4）储层模拟：向煤样加载应力，分别为轴向应力和围压；

轴向应力加载，根据情况需要向煤样施加轴向应力，对放置有煤样的煤样罐进行即可，没有放置煤样的不必进行；

首先，进行固定式煤样罐中煤样的轴向应力加载，方法同第一种情况的步骤（4）中的轴向应力加载；

然后，进行上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的轴向应力的加载；开启液压升降台，上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐相对于固定式煤样罐向上升，从而上可活动式煤样罐中的煤样受到固定式煤样罐底部的下层隔板的挤压，受到轴向应力；下可活动式煤样罐中的煤样受到上可活动式煤样罐底部的下层隔板的挤压，受到轴向应力；分别设置于固定式煤样罐的底部的下层隔板及上可活动式煤样罐底部的下层隔板上的压力传感器采集到轴向应力，并将该数值输入到计算机中显示；

围压加载，方法同第一种情况的步骤（4）中的围压加载；

（5）注气致裂及测试：方法同第一种情况的步骤（5）；

（6）测试结束：方法同第一种情况的步骤（6）。

实施例2，本实施例与实施例1的不同之处在于：气密性检测过程中，向固定式煤样罐中注气的时间为3分钟，上可活动式煤样罐31的数量为2。

实施例3，本实施例与实施例1的不同之处在于：气密性检测过程中，向固定式煤样罐中注气的时间为5分钟，上可活动式煤样罐31的数量为3。

当需要测试的煤样数量较多时，还可以根据煤样的数量选择多个上可活动式煤样罐31，与实施例1的区别仅在于，将多个上可活动式煤样罐31之间通过螺纹以及对接螺纹连接后，再与固定式煤样罐3以及下可活动式煤样罐32连接。

本发明所述的装置能够较真实的模拟煤层的实际赋存情况及受力状态，通过设置多个煤样罐，不仅能够实现单一煤体结构的储层能量变化以及渗透率测试，而且还能够对不同煤体结构组合条件下的储层能量以及渗透性进行测试，测试灵活性以及准确度较高。

Claims (10)

1.一种氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，包括储层环境模拟系统、动力致裂系统及数据显示系统，其特征在于：还包括测试系统，所述测试系统包括自上而下依次设置的固定式煤样罐、上可活动煤样罐及下可活动煤样罐；

固定式煤样罐底部自上而下设置有均为圆柱状的且通过连接转轴连接的上层隔板、中层隔板及下层隔板，3层隔板上均设置有气孔，上层隔板及下层隔板上的气孔相互贯通，上层隔板及下层隔板均与固定式煤样罐固定连接；中层隔板相对连接转轴转动设置，中层隔板上固定连接有转动把手；下层隔板的底部设置有压力传感器及侧壁上设置有螺纹的螺纹槽；

上可活动式煤样罐底部自上而下设置有均为圆柱状的且通过连接转轴连接的上层隔板、中层隔板及下层隔板，3层隔板上均设置有气孔，上层隔板及下层隔板上的气孔相互贯通，上层隔板及下层隔板均与上可活动式煤样罐固定连接；中层隔板相对连接转轴转动设置，中层隔板上固定连接有转动把手；下层隔板的底部设置有压力传感器及侧壁上设置有螺纹的螺纹槽；上可活动式煤样罐的上部设置有套设于其内部且相对于上可活动式煤样罐滑动设置的活动套筒；活动套筒的侧壁上配合固定式煤样罐底部的螺纹槽内的螺纹设置有对接螺纹；

下可活动式煤样罐的上部设置有套设于其内部且相对于下可活动式煤样罐滑动设置的活动套筒；活动套筒的侧壁上配合上可活动式煤样罐底部的螺纹槽内的螺纹设置有对接螺纹；下可活动式煤样罐的底部设置有与下可其固定连接单层隔板；

储层环境模拟系统包括轴向应力加载系统和围压加载系统；

轴向应力加载系统包括连接有轴向加压连杆且位于固定式煤样罐上方的轴向加载机，竖直设置的轴向加压连杆的端部配合固定式煤样罐设置，且其上设置有压力传感器；

围压加载系统包括分别横向固定设置于固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的内部的导轨，导轨上设置有煤样放置槽，煤样放置于煤样放置槽中；煤样放置槽上贯穿设置有出气孔；导轨上滑动设置有2个卡箍，2个卡箍相对设置，卡箍的高度低于煤样的高度；卡箍的外侧设置有与油罐相连的油液冲击室，油罐与油液冲击室之间设置有油压表；卡箍的内侧配合煤样固定设置有挤压壁；3个导轨与固定式煤样罐、上可活动式煤样罐和下可活动式煤样罐的底部之间分别预留有与出气孔连通的间隙，固定式煤样罐、上可活动式煤样罐和下可活动式煤样罐的侧壁上设置有位于间隙内的出气通道，出气通道通过其上设置有测试气压表、测试气体流量表以及出气阀门的测试管道连接气体储集箱；

动力致裂系统包括与固定式煤样罐贯通，并与气罐连接的注气口，注气口与气罐之间设置有气压表以及气体流量计；

数据显示系统包括计算机，压力传感器通过电缆与计算机上的压力传感器连接接口连接。

2.如权利要求1所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，其特征在于：油罐上连接有高压油泵，高压油泵上连接有设置有3个出油口的分流器，3个出油口与分流器之间均设置有分流器控制阀门；每个出油口上均设置有2个出油通道，同一个出油口上的2个出油通道分别通过高压油管与位于同一个煤样罐内部的2个油液冲击室连接，油压表设置于高压油管上。

3.如权利要求2所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，其特征在于：气罐上连接有高压气泵，气压表、气体流量计及进气阀门设置于高压气泵的出气口，高压气泵通过注气孔连接软管与位于轴向加压连杆内部的气体通道连通，气体通道的末端设置有与固定式煤样罐贯通的注气口。

4.如权利要求3所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，其特征在于：下可活动式煤样罐底部设置有固定台，固定台的两侧设置有安装壁，安装壁上配合轴向加载机竖直设置有滑轨和与固定式煤样罐连接的固定杆。

5.如权利要求4所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，其特征在于：固定台与下可活动式煤样罐之间设置有液压升降台，液压升降台与下可活动式煤样罐连接。

6.如权利要求5所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，其特征在于：挤压壁的横截面为半圆形。

7.如权利要求2至6任意一项所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试装置，其特征在于：上可活动式煤样罐的数量为1或2或3。

8.一种利用权利要求1所述的装置进行的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

（1）气密性检测：

首先，形成闭合空间；

然后，注气：关闭固定式煤样罐上的出气阀门，同时打开高压气泵及进气阀门；向固定式煤样罐中注入气体；注入1-5分钟后，停止注气；观察气压表的指针是否变化，若否则气密性良好；若是则气密性不好，需要检查漏气地方；

（2）煤样放置：启动轴向加载机，使轴向加压连杆向上运动，从而将煤样放入固定式煤样罐或上可活动式煤样罐或下可活动式煤样罐中；

（3）装置连接及固定：将液压升降台升至位于固定式煤样罐或下可活动式煤样罐的下部；分别将固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的油液冲击室与高压油泵连接；分别将固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的测试管道与气体储集箱连接将压力传感器与计算机连接；

（4）储层环境模拟：分别为轴向应力的加载和围压的加载；

轴向应力加载，向煤样施加轴向应力；

围压加载：像煤样施加围压，打开油罐和高压油泵，卡箍在高压油液的作用下向煤样的方向移动；最终，卡箍上的挤压壁通过对煤样进行挤压，使煤样受到围压的作用；油压表采集到该围压的大小并显示出来；

（5）注气致裂及测试：首先，开启固定式煤样罐的出气阀门；然后，开启气罐及高压气泵，向固定式煤样罐中注气；气压表以及测试气压表的压力差反映了煤样储层能量的变化；气体流量计和测试气体流量计的差值反映了储层渗透率；

（6）测试结束：首先，取消储层模拟，关闭高压油泵及轴向加载机从而取消围压和轴向应力；关闭高压气泵，停止注气；收回煤样。

9.如权利要求8所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法，其特征在于：步骤（1）中煤样有1个时，检测固定式煤样罐的气密性，形成闭合空间的方法为，开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐上部相接；转动固定式煤样罐底部的中层隔板，使固定式煤样罐底部的隔板上的气孔处于错开状态；

步骤（1）中煤样有数个时，需要依次检测固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐的气密性；

上可活动式煤样罐在气密性检测过程中，形成闭合空间的方法为：开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐上部相接；转动固定式煤样罐底部的中层隔板，使固定式煤样罐底部的隔板上的气孔处于贯通状态；转动上可活动式煤样罐的中层隔板，使得上可活动式煤样罐底部的气孔处于错开状态；

下可活动式煤样罐在气密性检测过程中，形成闭合空间的方法为：开启轴向加载机，使得轴向加压连杆向下移动，与固定式煤样罐上部相接；转动固定式煤样罐底部的中层隔板，使固定式煤样罐底部的隔板上的气孔处于贯通状态；转动上可活动式煤样罐的中层隔板，使得上可活动式煤样罐底部的气孔处于贯通状态。

10.如权利要求8所述的氮气致裂煤层能量变化及渗透率测试方法，其特征在于： 步骤（4）中煤样有1个时，向固定式煤样罐中的煤样加载轴向应力，加载方法为：打开轴向加载机，使得轴向加压连杆向下运动，对煤样施加轴向应力；轴向加压连杆端部的压力传感器采集该轴向应力的大小，并输入到计算机中；通过计算机的显示屏读取轴向应力的大小；

步骤（4）中煤样有多个时，需要向固定式煤样罐、上可活动式煤样罐及下可活动式煤样罐中加载轴向应力：依次包括以下步骤：

首先进行固定式煤样罐中煤样的轴向应力加载；然后开启液压升降台，使上可活动式煤样罐中的煤样在固定式煤样罐底部的下层隔板的挤压下受到轴向应力；下可活动式煤样罐中的煤样在上可活动式煤样罐底部的下层隔板的挤压下受到轴向应力；固定式煤样罐的底部的下层隔板及上可活动式煤样罐底部的下层隔板的压力传感器采集到该数值，将该数值输入到计算机中显示。