CN105181556A - 一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，它是将煤样测试试件放进一个密闭的夹持腔体中，从而在煤样两端分别形成注气腔和出气腔，将氦气导入注气腔中，氦气先渗流到煤裂隙内，之后开始扩散到煤基质内；绘制气体数量百分数与扩散时间开平方的曲线图，根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式，用最小二乘法拟合曲线的斜率，从而计算出气体扩散率。本发明采用整体煤块作为煤试样，保留了煤体特有的孔隙结构，能真实反映煤复杂的孔隙结构对气体扩散的影响情况，测试计算出的气体扩散率、将对深入认识掌握煤层气运移机理提供了重要技术支持。

Description

一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法

技术领域

本发明涉及煤层气体运移参数测定方法，尤其涉及煤中气体的扩散率测试方法。

背景技术

在煤层气开采或者煤矿瓦斯抽采过程中，煤中气体将会首先从煤基质的微孔隙壁解吸，在浓度梯度的驱动下扩散进入孔隙系统，然后在压力梯度的驱动下流经裂隙系统进入钻孔。因此，煤层气的运移主要受两种参数控制：一种是煤基质中的气体扩散，另一种是裂隙系统的渗透率。在多孔介质中，有三种典型的扩散方式。一种是在大孔隙环境或者高气压状态下的气体分子相互碰撞的Fickian扩散；一种是在气体分子自由程大于孔径时分子与孔隙壁之间相互碰撞的Knudsen碰撞；另一种是沿着孔壁表面移动的强吸附气体分子。对于具有复杂孔隙结构煤来讲，上述三种扩散方式显著影响气体在煤基质中的扩散过程。因此，定量描述气体在煤中扩散特征对于研究煤层气抽采有重要意义。目前，常规测量气体扩散方法主要是对煤粉(颗粒)注入气体后测算煤粉吸收气体数量，并将煤粉(颗粒)直径假设为气体扩散路径长度，最终得到气体的扩散系数。这种测量方式不仅破坏煤体特有的孔隙结构，而且忽视煤层气体的扩散路径是变化的事实。因此，采用煤粉(颗粒)测算的气体扩散系数存在较大误差。因此，发明一种针对具有原生孔隙煤的气体扩散率测试方法，将对深入认识掌握煤层气运移机理有重要技术支持。

发明内容

本发明的目的是为深入认识掌握煤层气运移机理，发明一种针对具有双重孔隙介质中气体扩散特征的测试方法，又称为三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，具体测试步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；将煤样插入橡胶套中间，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞泵连通，并保证夹持腔体与外界密闭；将注气腔和出气腔分别与各自的气压传感器接通；将氦气源用管子与注气腔接通；将真空泵用管子与出气腔接通，将两个气压传感器的导线与外设数据采集电脑相连；至此测试装置组装完成；

第三步，启动柱塞泵向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值σ后；同时启动真空泵对煤样抽真空除气；

第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至预定值P₁后关闭气源；此后注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，当t₁时刻注气腔与出气腔内的气压相等即为P₂时，渗流过程完成；此后注气腔与出气腔内的气压共同平稳下降，直至t₂时刻的恒定值P₃时不再下降为止；

在上述过程中，记录注气腔与出气腔内的气压变化情况，直至停止变化；

上述预定值P₁要求小于环向压力即可；

第五步：计算煤中气体的有效扩散率，计算方法如下：

1、确定注气腔内气体数量

已知注气腔的体积为V_u和初始气压P₁，可以确定在初始时刻注气腔内气体数量为其中R为气体常数，T为温度；

2、从P₁开始，气体从注气腔经过煤样，流入至出气腔内，引起出气腔内压力不断升高，注气腔压力下降；当注气腔与出气腔的压力相等后，即压力P₂，对应时刻为t₁，意味着两腔压力与煤样裂隙压力相等，此时，出气腔内气体数量为其中V_d为出气腔的体积；

3、之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散，导致裂隙内气体数量减少，所以裂隙压力(与两腔压力相等)不断下降，煤基质压力不断升高，当裂隙压力与基质压力相等后，即压力P₃，对应时刻t₂，裂隙内气体停止向基质扩散，认为裂隙与基质之间达到平衡状态；气体渗流过程中，其中：

t₁时刻存留煤试样内的气体数量

t₂时刻扩散进入煤基质的气体总数量为

在整个_t1时刻到_t2时刻扩散阶段内，在不同时刻t时的扩散气体量为对应的气体扩散数量百分数m^t/m_diffusion，其中的P为t时刻的裂隙压力；

4、绘制气体数量百分数m^t/m_diffusion与扩散时间开平方的曲线图，根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式用最小二乘法拟合曲线的斜率该式变换为计算出有效扩散率D_e；

上述公式中，气压和压力的单位为Pa：体积的单位为m³：气体数量单位为mol：时间单位为秒：温度单位为K,R单位为J/(mol*K)。

本发明的积极效果是：研究气体扩散是从化工领域派生的，而化工原料多数是颗粒状，受固有思维限制，长期以来，本领域技术人员一直借用化工原料气体扩散测试方法对煤粉气体扩散率进行测试，可忽略了煤体是一种典型的双重孔隙介质，其孔隙结构是由宏观裂隙与煤基质内的微孔隙组成，传统测量方式不仅破坏煤体特有的孔隙结构，而且忽视煤层气体的扩散路径是变化的事实。本发明打破常规思维，大胆创新，采用整体煤块作为煤试样，保留了煤体特有的孔隙结构，能真实反映煤复杂的孔隙结构对气体扩散的影响情况，测试计算出的气体扩散率、将对深入认识掌握煤层气运移机理提供了重要技术支持，相对于现有技术，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为本发明测试方法所用的装置示意图；

图2为实施例中注气腔与出气腔与时间关系曲线图；

图3是实施例中扩散气体质量百分数与时间关系曲线图。

图例说明1-夹持腔体；2-注气腔；3-橡胶套；4-煤样；5-出气腔；6-柱塞泵；7-注气腔压力传感器；8-出气腔压力传感器；9-数据采集电脑；10-氦气源；11-真空泵。

具体实施方式

下面结合附图和一个实施例进一步说明本发明的技术方案。实施例的测试条件为环向压力6MPa，恒温在293K。

如图1-3所示，本发明的三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，具体测试步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；将煤样4插入橡胶套3中间，再将两个无盖圆筒插进橡胶套3两端，使煤样4两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔2，另一端作为出气腔5，共同组成一个煤样测试试件，如图1所示；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体1，夹持腔体1上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体1中，将夹持腔体1的进气接口用管子与柱塞泵6连通，并保证夹持腔体1与外界密闭；将注气腔2和出气腔5分别与注气腔压力传感器7和出气腔压力传感器8接通；将氦气源10用管子与注气腔2接通；将真空泵11用管子与出气腔5接通，将注气腔压力传感器7和出气腔压力传感器8的导线与外设数据采集电脑9相连；至此测试装置组装完成，如图1所示；

第三步，启动柱塞泵6向夹持腔体1施加气压，使煤样4的环向压力升高至设定值σ后；同时启动真空泵11对煤样4抽真空除气；

第四步：将氦气源10的氦气导入注气腔2中，当注气腔2内气压升至预定值P₁后关闭氦气源10；此后注气腔2内气体向煤样4渗透，并逐渐渗流到出气腔5内，当t₁时刻注气腔2与出气腔5内的气压相等即为P₂时，渗流过程完成；此后注气腔2与出气腔5内的气压共同平稳下降，直至t₂时刻的恒定值P₃时不再下降为止；

在上述过程中，记录注气腔2与出气腔5内的气压变化情况，直至停止变化(见图2)。

第五步：计算煤中气体的有效扩散率，如图3所示，

1、确定注气腔2内气体数量

已知注气腔2的体积为V_u＝800mL和初始气压P₁＝3MPa，可以确定在初始时刻注气腔2内气体数量为 $m_u=\frac{P_1{V}_u}{RT}=\frac{3\×{10}^6\left(Pa\right)\×800\×{10}^{-6}\left(m^3\right)}{8.314\left(J/K\·mol\right)\×293\left(K\right)}=0.985mol,$ 其中R为气体常数，T为温度；

2、注气腔2与出气腔5内气压在t₁时刻平衡即为P₂＝2.1MPa，出气腔5内气体数量为 $m_d=\frac{P_2{V}_d}{RT}=\frac{2.1\×{10}^6\left(Pa\right)\×100\×{10}^{-6}\left(m^3\right)}{8.314(J/K\·mol)\×293\left(K\right)}=0.086mol,$ 其中V_d＝100ml为出气腔5的体积；随着气体不断扩散至煤样内，注气腔2与出气腔6内气压由P₂＝2.1MPa降至P₃＝1.5MPa，对应时刻为t₂；

3、在气体渗流过程中，t₁时刻内煤样内的气体数量

从_t1到_t2时刻气体扩散过程中，在不同时刻t煤样内气体压力对应为_P，扩散进入煤基质内的气体数量为：

$m^t=\frac{(P_2-P)(V_u+V_d)}{RT}=\frac{(2.1-P)\×{10}^6\×(800+100)\×{10}^{-6}}{8.314\×293}=0.37\×(2.1-P)mol$

从t₁到t₂时刻气体扩散进入煤基质中气体的总数量为

$m_{diffusion}=\frac{(P_2-P_3)(V_u+V_d)}{RT}=\frac{(2.1-1.5)\×{10}^6\×(800+100)\×{10}^{-6}}{8.314\×293}=0.22mol;$

实施例中从t₁到t₂时刻选取4个数据点，即t_1-1，t_1-2，t_1-3，t_1-4时刻，相对应扩散气体数量百分数为：

$m^{t_{1-1}}/m_{difusion}=0.37\×(2.1-1.95)/0.22=0.252mol,$ 对应扩散时间τ_D＝4200秒

$m^{t_{1-2}}/m_{diffusion}=0.37\×(2.1-1.83)/0.22=0.454mol,$ 对应扩散时间τ_D＝8700秒

$m^{t_{1-3}}/m_{diffusion}=0.37\×(2.1-1.73)/0.22=0.622mol,$ 对应扩散时间τ_D＝13200秒

$m^{t_{1-4}}/m_{diffusion}=0.37\×(2.1-1.64)/0.22=0.773mol,$ 对应扩散时间τ_D＝19200秒

4、绘制上述4个数据点气体数量百分数m^t/m_diffusion与扩散时间开平方的曲线图(见图3)。

根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式利用最小二乘法拟合出该曲线斜率该式变换为计算出有效扩散率 $D_e={\left(\frac{k}{6}\right)}^2\mathrm{\π}={\left(\frac{0.00503}{6}\right)}^2\mathrm{\π}=2.20E-6.$

Claims (1)

1.一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，其特征在于，具体测试步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；将煤样插入橡胶套中间，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞泵连通，并保证夹持腔体与外界密闭；将注气腔和出气腔分别与各自的气压传感器接通；将氦气源用管子与注气腔接通；将真空泵用管子与出气腔接通，将两个气压传感器的导线与外设数据采集电脑相连；至此测试装置组装完成；

第三步，启动柱塞泵向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值σ后；同时启动真空泵对煤样抽真空除气；

第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至预定值P₁后关闭气源；此后注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，当t₁时刻注气腔与出气腔内的气压相等即为P₂时，渗流过程完成；此后注气腔与出气腔内的气压共同平稳下降，直至t₂时刻的恒定值P₃时不再下降为止；

在上述过程中，记录注气腔与出气腔内的气压变化情况，直至停止变化；

上述预定值P₁要求小于环向压力即可；

第五步：计算煤中气体的有效扩散率，计算方法如下：

第5.1步：确定注气腔内气体数量

已知注气腔的体积为V_u和初始气压P₁，可以确定在初始时刻注气腔内气体数量为其中R为气体常数，T为温度；

第5.2步：从P₁开始，气体从注气腔经过煤样，流入至出气腔内，引起出气腔内压力不断升高，注气腔压力下降；当注气腔与出气腔的压力相等后，即压力P₂，对应时刻为t₁，意味着两腔压力与煤样裂隙压力相等，此时，出气腔内气体数量为其中V_d为出气腔的体积；

第5.3步：之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散，导致裂隙内气体数量减少，所以裂隙压力与两腔压力相等并不断下降，煤基质压力不断升高，当裂隙压力与基质压力相等后，即压力P₃，对应时刻t₂，裂隙内气体停止向基质扩散，认为裂隙与基质之间达到平衡状态；气体渗流过程中，其中：

t₁时刻存留煤试样内的气体数量

t₂时刻扩散进入煤基质的气体总数量为

在整个t₁时刻到t₂时刻扩散阶段内，在不同时刻t时的扩散气体量为对应的气体扩散数量百分数m^t/m_diffusion，其中的P为t时刻的裂隙压力；

第5.4步：绘制气体数量百分数m^t/m_diffusion与扩散时间开平方的曲线图，根据有效扩散率与扩散气体质量的关系式用最小二乘法拟合曲线的斜率该式变换为计算出有效扩散率D_e；

上述公式中，气压和压力的单位为Pa；体积的单位为m³；气体数量单位为mol；时间单位为秒；温度单位为K；R单位为J/(mol*K)。