CN105717026A - 一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统，包括甲烷气罐、围压加载泵、轴压加载泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、煤样夹持器、显示器、压力跟踪仪和计算机；甲烷气罐通过第一气管与第一三通阀的进口连接，第一三通阀的其中一个出口通过第二气管与煤样夹持器的进气口连接，煤样夹持器的出气口通过第三气管与压力跟踪仪的进气口连接；第一三通阀的另一个出口处密封连接有第一压力传感器；第一气管上设有减压阀，第三气管上设有质量流量计；本发明过程简单，操作方便，利用该方法在进行较高压力渗流实验时可减少进气端和出气端压差，降低模型误差；该方法均利用电子技术采集实验参数，获取的实验参数精度高，观测误差大大减小。

Description

一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统及方法。
背景技术
在煤层气、天然气等领域，煤岩渗透率是极其重要的技术参数，关系到煤储层开采价值以及产量估计，但由于煤岩渗透率受多种因素的影响，如应力、瓦斯的吸附、温度、抽采工程的扰动等，使煤岩渗透率的测量十分困难，如何准确测量煤岩的渗透率具有重大的意义。
目前，实验室测试煤样渗透率的方法主要是在被夹持煤岩试样一端即进气端充入一定压力气体，在煤岩试样的另一端即出气端采集渗透量，通过达西定律计算渗透率；之前专家采用这种方法取得了大量的研究成果，并对工程实践进行了一定的指导，但存在以下两个缺陷：
（1）以往对煤岩气体渗透率的测量出口端为大气压，但在进行煤层气以及天然气的抽采过程中，抽采端处于负压环境，及渗流出口端为负压状态，传统的出口端为大气压，不能很好地模拟抽采时的负压环境，与实际情况不一致；
（2）煤岩对瓦斯的吸附作用是影响渗透率的主要因素之一，在进行渗透实验时，由于煤岩试样处于一定的压力梯度下，吸附压力往往用平均吸附压力代替：，式中，p为吸附压力，为出气端压力即大气压，为进气端压力，改变吸附压力是通过调节进气端为进气端压力来实现，但进气端和出气端的压差越大，用平均吸附压力来代替吸附压力所产生的误差也就越大，且当两端压差较大时，渗透流量增加，采集气体流量的误差也会增大，由此测得渗透率存在较大误差；
（3）加载的气体压力以及轴压、围压现阶段均是通过压力表的示数人为读取，获得的压力参数误差较大。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、通过对出口压力的调节实现负压或正压、不同吸附压力等情况下的渗流实验的一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统，包括甲烷气罐、围压加载泵、轴压加载泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、煤样夹持器、显示器、压力跟踪仪和计算机；甲烷气罐通过第一气管与第一三通阀的进口连接，第一三通阀的其中一个出口通过第二气管与煤样夹持器的的进气口连接，煤样夹持器的出气口通过第三气管与压力跟踪仪的进气口连接；第一三通阀的另一个出口处密封连接有第一压力传感器；第一气管上设有减压阀，第三气管上设有质量流量计；
煤样夹持器上设有围压加载接口和轴压加载接口，煤样夹持器的围压加载接口通过第四气管与第二三通阀的其中一个出口连接，第二三通阀的进口通过围压加压管与围压加载泵的出口连接，第二三通阀的另一个出口处密封连接有第二压力传感器；煤样夹持器的轴压加载接口通过第五气管与第三三通阀的其中一个出口连接，第三三通阀的进口通过轴压加压管与轴压加载泵的出口连接，第三三通阀的另一个出口处密封连接有第三压力传感器；
显示器内置有显示控制器，显示控制器分别通过数据线与第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器连接；计算机分别通过数据线与质量流量计和压力跟踪仪连接。
压力跟踪仪包括PLC控制器、伸缩油缸、密封调压室和操作箱，密封调压室固定在操作箱顶部，密封调压室的底部敞口且与操作箱内腔连通，密封调压室顶部设有调压进气口和调压出气口，调压进气口通过第三气管与煤样夹持器的出气口连接，调压出气口通过第六气管与外界连通，第六气管上设有气动阀，密封调压室顶壁设有第四压力传感器；伸缩油缸的缸体端部固定在操作箱内的底部，伸缩油缸的活塞杆垂直向上固定有连接杆，连接杆顶端设有活塞，活塞位于密封调压室内且活塞外缘与密封调压室内侧壁滑动密封连接；PLC控制器设置在操作箱内，操作箱顶部右侧设有操作面板，PLC控制器分别通过数据线与伸缩油缸、第四压力传感器、操作面板和计算机连接。
一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统的实验方法，包括以下步骤：
（1）将横截面积为a的煤样装填在煤样夹持器内，接着打开第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀上的所有阀门以及气动阀，通过轴压加载泵对煤样加载轴压，并且通过围压加载泵对煤样加载围压；
（2）打开气动阀，在操作面板上输入设定目标压力，若目标压力为负压，通过操作操作面板向PLC控制器发出指令，PLC控制器接收到指令后启动伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆向上推动连接杆，直至连接杆另一端的活塞达到密封调压室的顶部，关闭气动阀，然后通过操作面板和PLC控制器控制伸缩油缸，伸缩油缸向下拉动连接杆，当PLC控制器通过第四压力传感器监测到压力达到设定的目标压力后，向伸缩油缸发出停止动作的指令；
若目标压力为正压，通过操作操作面板向PLC控制器发出指令，PLC控制器接收到指令后启动伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆向下拉动连接杆，直至连接杆另一端的活塞达到密封调压室的底部，关闭气动阀，然后通过操作面板和PLC控制器控制伸缩油缸，伸缩油缸向上推动连接杆，当PLC控制器通过第四压力传感器监测到压力达到设定的目标压力后，向伸缩油缸发出停止动作的指令；
（3）打开甲烷气罐和减压阀，甲烷气罐内的气体沿着第一气管和第二气管进入煤样夹持器内，渗流后的气体紧接着从煤样夹持器的出气口进入第三气管内，然后气体进入到密封调压室内，同时计算机上开始记录质量流量计的流量；
（4）待质量流量计的流量稳定后，在显示器上读取第一压力传感器上的压力值，然后在计算机上得出稳定后质量流量计的平均流量Q；
（5）计算煤样的渗透率。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明可以在考虑渗透气体的吸附解析作用下模拟抽采时的负压环境，更接近现场实际情况，同时又可以考虑不同加载状态、不同应力路径等因素的影响；利用压力跟踪仪产生的负压环境，也可单独进行负压环境下的煤岩吸附解析特性以及变压解析等相关研究，实验系统能实现多样化研究；尤其是压力跟踪仪能够使装置内部产生稳定压力的负压环境，这是多数实验系统所不具备的功能。
综上所述，本发明过程简单，操作方便，利用该方法在进行较高压力渗流实验时可减少进气端和出气端压差，降低模型误差；该方法均利用电子技术采集实验参数，获取的实验参数精度高，观测误差大大减小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中压力跟踪仪的结构示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明的一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统，包括甲烷气罐1、围压加载泵17、轴压加载泵21、第一三通阀2、第二三通阀3、第三三通阀4、煤样夹持器5、显示器6、压力跟踪仪7和计算机8；甲烷气罐1通过第一气管9与第一三通阀2的进气口连接，第一三通阀2的其中一个出口通过第二气管10与煤样夹持器5的的进气口连接，煤样夹持器5的出气口通过第三气管11与压力跟踪仪7的进气口连接；第一三通阀2的另一个出口处密封连接有第一压力传感器12；第一气管9上设有减压阀13，第三气管11上设有质量流量计14；
煤样夹持器5上设有围压加载接口和轴压加载接口，煤样夹持器5的围压加载接口通过第四气管15与第二三通阀3的其中一个出口连接，第二三通阀3的进口通过围压加压管16与围压加载泵17的出口连接，第二三通阀3的另一个出口处密封连接有第二压力传感器18；煤样夹持器5的轴压加载接口通过第五气管19与第三三通阀4的其中一个出口连接，第三三通阀4的进口通过轴压加压管20与轴压加载泵21的出口连接，第三三通阀4的另一个出口处密封连接有第三压力传感器22；
显示器6内置有显示控制器61，显示控制器61分别通过数据线与第一压力传感器12、第二压力传感器18和第三压力传感器22连接；计算机8分别通过数据线与质量流量计14和压力跟踪仪7连接。
压力跟踪仪7包括PLC控制器23、伸缩油缸24、密封调压室25和操作箱26，密封调压室25固定在操作箱26顶部，密封调压室25的底部敞口且与操作箱26内腔连通，密封调压室25顶部设有调压进气口27和调压出气口28，调压进气口27通过第三气管11与煤样夹持器5的出气口连接，调压出气口28通过第六气管29与外界连通，第六气管29上设有气动阀30，密封调压室25顶部内侧设有第四压力传感器31；伸缩油缸24的缸体端部固定在操作箱26内的底部，伸缩油缸24的活塞杆垂直向上固定有连接杆32，连接杆32顶端设有活塞33，活塞33位于密封调压室25内且活塞33外缘与密封调压室25内壁滑动密封连接；PLC控制器23设置在操作箱26内部右侧，操作箱26顶部右侧设有操作面板34，PLC控制器23分别通过数据线与伸缩油缸24、第四压力传感器31、操作面板34和计算机8连接。
操作面板34、PLC控制器23、质量流量计14、计算机8、显示器6及显示控制器61均为常规技术，其具体结构不再详述。
一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统的实验方法，包括以下步骤：
（1）将横截面积为a的煤样装填在煤样夹持器5内，接着打开第一三通阀2、第二三通阀3和第三三通阀4上的所有阀门以及气动阀30，通过轴压加载泵21对煤样加载轴压，并且通过围压加载泵17对煤样加载围压；
（2）打开气动阀30，在操作面板34上输入设定目标压力，若目标压力为负压，通过操作操作面板34向PLC控制器23发出指令，PLC控制器接收到指令后启动伸缩油缸24，伸缩油缸24的活塞杆向上推动连接杆32，直至连接杆32另一端的活塞33达到密封调压室25的顶部，关闭气动阀30，然后通过操作面板34和PLC控制器23控制伸缩油缸24，伸缩油缸24向下拉动连接杆32，当PLC控制器23通过第四压力传感器31监测到压力达到设定的目标压力后，向伸缩油缸24发出停止动作的指令；
若目标压力为正压，通过操作操作面板34向PLC控制器23发出指令，PLC控制器23接收到指令后启动伸缩油缸24，伸缩油缸24的活塞杆向下拉动连接杆32，直至连接杆32另一端的活塞33达到密封调压室25的底部，关闭气动阀30，然后通过操作面板34和PLC控制器23控制伸缩油缸24，伸缩油缸24向上推动连接杆32，当PLC控制器通过第四压力传感器31监测到压力到达设定的目标压力后，向伸缩油缸24发出停止动作的指令；
（3）打开甲烷气罐1和减压阀13，甲烷气罐1内的气体沿着第一气管9和第二气管10进入煤样夹持器5内，渗流后的气体紧接着从煤样夹持器5的出气口进入第三气管11内，然后气体进入到密封调压室25内，同时计算机8上开始记录质量流量计14的流量；
（4）待质量流量计14的流量稳定后，在显示器6上读取第一压力传感器12上的压力值，然后在计算机8上得出稳定后质量流量计14的平均流量Q；
（5）计算煤样的渗透率；其中，k为煤样渗透率，单位mD；μ为气体粘度，单位10-6pa·s；L为试样长度，单位cm；p0为大气压力，单位Mpa；Q为平均流量，单位cm3/s；A为煤样底面积，单位cm2；p1、p2分别为进气端和出气端压力，单位Mpa。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统，其特征在于：包括甲烷气罐、围压加载泵、轴压加载泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、煤样夹持器、显示器、压力跟踪仪和计算机；甲烷气罐通过第一气管与第一三通阀的进口连接，第一三通阀的其中一个出口通过第二气管与煤样夹持器的的进气口连接，煤样夹持器的出气口通过第三气管与压力跟踪仪的进气口连接；第一三通阀的另一个出口处密封连接有第一压力传感器；第一气管上设有减压阀，第三气管上设有质量流量计；
煤样夹持器上设有围压加载接口和轴压加载接口，煤样夹持器的围压加载接口通过第四气管与第二三通阀的其中一个出口连接，第二三通阀的进口通过围压加压管与围压加载泵的出口连接，第二三通阀的另一个出口处密封连接有第二压力传感器；煤样夹持器的轴压加载接口通过第五气管与第三三通阀的其中一个出口连接，第三三通阀的进口通过轴压加压管与轴压加载泵的出口连接，第三三通阀的另一个出口处密封连接有第三压力传感器；
显示器内置有显示控制器，显示控制器分别通过数据线与第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器连接；计算机分别通过数据线与质量流量计和压力跟踪仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统，其特征在于：压力跟踪仪包括PLC控制器、伸缩油缸、密封调压室和操作箱，密封调压室固定在操作箱顶部，密封调压室的底部敞口且与操作箱内腔连通，密封调压室顶部设有调压进气口和调压出气口，调压进气口通过第三气管与煤样夹持器的出气口连接，调压出气口通过第六气管与外界连通，第六气管上设有气动阀，密封调压室顶壁设有第四压力传感器；伸缩油缸的缸体端部固定在操作箱内的底部，伸缩油缸的活塞杆垂直向上固定有连接杆，连接杆顶端设有活塞，活塞位于密封调压室内且活塞外缘与密封调压室内侧壁滑动密封连接；PLC控制器设置在操作箱内，操作箱顶部右侧设有操作面板，PLC控制器分别通过数据线与伸缩油缸、第四压力传感器、操作面板和计算机连接。
3.根据权利要求2所述的一种出口压力可调的煤岩渗流实验系统的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将横截面积为a的煤样装填在煤样夹持器内，接着打开第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀上的所有阀门以及气动阀，通过轴压加载泵对煤样加载轴压，并且通过围压加载泵对煤样加载围压；
（2）打开气动阀，在操作面板上输入设定目标压力，若目标压力为负压，通过操作操作面板向PLC控制器发出指令，PLC控制器接收到指令后启动伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆向上推动连接杆，直至连接杆另一端的活塞达到密封调压室的顶部，关闭气动阀，然后通过操作面板和PLC控制器控制伸缩油缸，伸缩油缸向下拉动连接杆，当PLC控制器通过第四压力传感器监测到压力达到设定的目标压力后，向伸缩油缸发出停止动作的指令；
若目标压力为正压，通过操作操作面板向PLC控制器发出指令，PLC控制器接收到指令后启动伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆向下拉动连接杆，直至连接杆另一端的活塞达到密封调压室的底部，关闭气动阀，然后通过操作面板和PLC控制器控制伸缩油缸，伸缩油缸向上推动连接杆，当PLC控制器通过第四压力传感器监测到压力达到设定的目标压力后，向伸缩油缸发出停止动作的指令；
（3）打开甲烷气罐和减压阀，甲烷气罐内的气体沿着第一气管和第二气管进入煤样夹持器内，渗流后的气体紧接着从煤样夹持器的出气口进入第三气管内，然后气体进入到密封调压室内，同时计算机上开始记录质量流量计的流量；
（4）待质量流量计的流量稳定后，在显示器上读取第一压力传感器上的压力值，然后在计算机上得出稳定后质量流量计的平均流量Q；
（5）计算煤样的渗透率。
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