CN105842036A - 一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，包括顶部敞口的试验箱，试验箱顶部设有封盖，试验箱内设有控制器，试验箱的前侧外表面设有显示屏、电源键、结束键和开始键，试验箱前侧内壁、试验箱后侧内壁、试验箱左侧内壁、试验箱右侧内壁上均开设有圆形的安装槽，四个安装槽的中心线位于同一平面上，其中两个安装槽前后对应设置，另外两个安装槽左右对应设置，试验箱内水平设有分隔板，分隔板将试验箱的内腔分割成上腔体和下腔体，四个安装槽位于上腔体内；本发明结构简单、操作方便、成本低、能够有效地增大煤样孔隙，从而改变提高高煤阶煤的渗透性。

Description

一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置及其试验方法。

背景技术

随着人类对能源需求的日益增长和常规油、气资源的日益递减，煤层气因其埋藏浅和储量大作为非常规气藏越来越为人们所注目。为了减少在油气开发与开采过程中各种因素对储层的损害，前人在应力敏感、速敏、水敏、酸敏、碱敏以及各种化学物质对储层敏感性方面做了大量的研究工作。我国煤层气勘探起步较晚，相对常规油气田，无论是勘探还是开发都存在一定的差距，就煤层气储层损害与保护这样重要的研究领域，还基本上是一片空白。由于煤岩易脆易压缩的物理性质和复杂有机沉积物的化学性质以及特殊的基质孔隙和割理组成的孔隙结构，使得煤层气储层更易随外部应力变化和外来流体侵入导致其渗透性受到损害。因此，有必要开展煤储层的各种敏感性试验，然而，我国目前开发相对成熟的高煤阶煤层气储层渗透率极低，常规钻取的原煤煤心很难完成敏感性试验，针对这种情况，国内煤层气储层敏感性研究大多采用一定粒度的煤粒压制的模拟岩心（人工型煤）来完成各种试验，这显然完全破坏了储层的割理系统，与煤层实际孔隙结构相差甚远，势必会导致试验结果与实际情况不符合的情况发生。因此，如何在基本保持原有煤储层孔裂隙系统基础上，提高高阶煤储层的渗透性，成为亟需解决的技术问题。

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、成本低、能够有效地增大煤样孔隙的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置及其试验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，包括顶部敞口的试验箱，试验箱顶部设有封盖，试验箱内设有控制器，试验箱的前侧外表面设有显示屏、电源键、结束键和开始键，试验箱前侧内壁、试验箱后侧内壁、试验箱左侧内壁、试验箱右侧内壁上均开设有圆形的安装槽，四个安装槽的中心线位于同一平面上，其中两个安装槽前后对应设置，另外两个安装槽左右对应设置，试验箱内水平设有分隔板，分隔板将试验箱的内腔分割成上腔体和下腔体，四个安装槽位于上腔体内，分隔板中心处开设有通孔，分隔板上表面固定设有支撑导筒，支撑导筒上下通透，支撑导筒的中心线与通孔的中心线重合，支撑导筒上沿周向方向均匀设有四个安装孔，其中一个安装孔位于支撑导筒的前侧且其中心线与试验箱前侧内壁上的安装槽的中心线重合，前侧的安装孔和试验箱前侧内壁上的安装槽之间设有超声波发生器，后侧的安装孔和试验箱后侧内壁上的安装槽之间设有超声波接收器，左侧的安装孔和试验箱左侧内壁上的安装槽之间设有左共振超声波发生器，右侧的安装孔和试验箱右侧内壁上的安装槽之间设有右共振超声波发生器；

试验箱内底部设有位于下腔体内的上下往复驱动机构，上下往复驱动机构的动力输出端连接有装煤筒，装煤筒上端敞口、下端封堵，装煤筒上端穿过通孔后伸入到支撑导筒内，装煤筒上端口设有装煤盖，装煤筒外壁开设有若干通气孔；

控制器分别通过信号线路与显示屏、电源键、结束键、开始键、右共振超声波发生器、左共振超声波发生器、超声波接收器和超声波发生器连接。

上下往复驱动机构包括固定在试验箱内底部的电机和支座，支座上转动连接有转轴，电机的主轴与转轴同轴线传动连接，转轴上固定设有曲柄，曲柄与装煤筒之间通过连杆连接，连杆的下端铰接在曲柄上，连杆的上端铰接在装煤筒的底部，电机通过信号线与控制器连接。

装煤筒外壁与支撑导筒内壁之间设有用于导向装煤筒上下滑动的钢珠。

分隔板的上表面、位于分隔板上方的试验箱内壁和封盖的下表面上均设有隔音板。

一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）装填煤样：先打开封盖，再打开装煤盖并将煤样装入装煤筒中，重新将装煤盖盖设在装煤筒上，闭合上封盖；

（2）启动设备：依次打开电源键和开始键，控制器开始工作，控制器向超声波接收器和超声波发生器发出信号指令，超声波接收器和超声波发生器启动；

（3）数据实验采集：超声波发生器和超声波接收器监测装煤筒中煤样的裂隙，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据接收到的信号得出初始共振频率的值；

（4）共振提高高煤阶煤的渗透性：启动电机，电机通过转轴带动曲柄转动，曲柄在转动过程中带动连杆上下运动，与连杆上端铰接的装煤筒沿支撑导筒上下往复运动，然后控制器向右共振超声波发生器和左共振超声波发生器发出指令，命令右共振超声波发生器和左共振超声波发生器发出与步骤（3）中所述的初始共振频率相同的共振频率，超声波发生器和超声波接收器间隔的实时监测测装煤筒中煤样的裂隙，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据接收到的信号改变右共振超声波发生器和左共振超声波发生器的共振频率；

（5）当超声波发生器和超声波接收器监测到煤样的裂隙直径大于10⁷纳米后，按下结束键关闭装置，试验结束。

一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤（3）和步骤（4）中所述的初始共振频率和共振频率的计算方法相同，共振频率的计算方法为：

煤样在简谐力作用下的强迫振动，其运动方程为：

方程式的解由这两部分组成：；

式中常数由初始条件决定：

其中，,

代表阻尼自由振动基，代表阻尼强迫振动项，表示频率，t表示时间，D代表常数，代表质量、代表速度、代表加速度、代表常数、代表频率、为位移、为常数、为常数D与频率的乘积、为重力加速度 ；

自由振动周期：

强迫振动项周期：

强迫振动部分：

通过变换可写成：

式中

设频率比 ，代入公式则振幅

滞后相位角：

因为为弹簧受干扰力峰值作用引起的静位移，所以振幅A可写成：

其中称为动力放大系数：

式中代表频率比，动力放大系数是强迫振动时的动力系数即动幅值与静幅值之比，

当，即强迫振动频率和系统固有频率相等时，动力系数迅速增加，引起系统共振，由式：可知，共振时振幅和相位都有明显变化，通过对这两个参数进行测量，可以判别系统是否达到共振动点，从而确定出系统的各阶振动频率。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本装置的工作原理为：电机通过曲柄连杆带动装煤筒上下往复运动，超声波接收器和超声波发生器实时监测煤样孔隙的直径，并将煤样孔隙的直径的值反馈给控制器，控制器根据反馈信息调节左共振超声波发生器和右共振超声波发生器的共振频率，煤样发生共振，使孔隙直径低于10⁷纳米的孔隙变到10⁷纳米，经过共振试验一端试件高煤阶煤的裂隙增大，高煤阶煤的渗透性得到了提高；另外分隔板的上表面、位于分隔板上方的试验箱内壁和封盖的下表面上均设有隔音板，隔音板用于来减少试验过程中产生的噪音，装煤筒与支撑导筒之间设有钢珠，钢珠用于减少装煤筒与支撑导筒试验中相对运动产生的摩擦，装煤筒上有装煤盖，防止煤样漏出。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是去掉试验箱前侧壁的结构示意图；

图3是图1的内部结构示意图；

图4是本发明的爆炸图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，包括顶部敞口的试验箱1，试验箱1顶部设有封盖2，试验箱1内设有控制器（控制器为PLC控制器，为现有常规技术，图中未示出），试验箱1的前侧外表面设有显示屏3、电源键4、结束键5和开始键6，试验箱1前侧内壁、试验箱1后侧内壁、试验箱1左侧内壁、试验箱1右侧内壁上均开设有圆形的安装槽7，四个安装槽7的中心线位于同一平面上，其中两个安装槽7前后对应设置，另外两个安装槽7左右对应设置，试验箱1内水平设有分隔板8，分隔板8将试验箱1的内腔分割成上腔体9和下腔体10，四个安装槽7位于上腔体9内，分隔板8中心处开设有通孔，分隔板8上表面固定设有支撑导筒10，支撑导筒10上下通透，支撑导筒10的中心线与通孔的中心线重合，支撑导筒10上沿周向方向均匀设有四个安装孔11，其中一个安装孔11位于支撑导筒10的前侧且其中心线与试验箱1前侧内壁的安装槽7的中心线重合，前侧的安装孔11和安装槽7之间设有超声波发生器12，后侧的安装孔11和安装槽7之间设有超声波接收器13，左侧的安装孔11和安装槽7之间设有左共振超声波发生器14，右侧的安装孔11和安装槽7之间设有右共振超声波发生器15；

试验箱1内底部设有位于下腔体10内的上下往复驱动机构，上下往复驱动机构的动力输出端连接有装煤筒16，装煤筒16上端敞口、下端封堵，装煤筒16上端穿过通孔后伸入到支撑导筒10内，装煤筒16上端口设有装煤盖17，装煤筒16外壁开设有若干通气孔18；

分隔板8的上表面、位于分隔板8上方的试验箱1内壁和封盖2的下表面上均设有隔音板19；

上下往复驱动机构包括固定在试验箱1内底部的电机20和支座21，支座21上转动连接有转轴22，电机20的主轴与转轴22同轴线传动连接，转轴22上固定设有曲柄23，曲柄23与装煤筒16之间通过连杆24连接，连杆24的下端铰接在曲柄23上，连杆24的上端铰接在装煤筒16的底部。

控制器分别通过信号线路与显示屏3、电源键4、结束键5、开始键6、电机20、右共振超声波发生器15、左共振超声波发生器14、超声波接收器13和超声波发生器12连接。

装煤筒16外壁与支撑导筒10内壁之间设有用于导向装煤筒16上下滑动的钢珠。

一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）装填煤样：先打开封盖2，再打开装煤盖17并将煤样装入装煤筒16中，重新将装煤盖17封盖2在装煤筒16上，闭合上封盖2；

（2）启动设备：依次打开电源键4和开始键6，控制器开始工作，控制器向超声波接收器13和超声波发生器12发出信号指令，超声波接收器13和超声波发生器12启动；

（3）数据实验采集：超声波发生器12和超声波接收器13监测装煤筒16中煤样的裂隙，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据接收到的信号得出初始共振频率的值；

（4）共振提高高煤阶煤的渗透性：启动电机20，电机20通过转轴22带动曲柄23转动，曲柄23在转动过程中带动连杆24上下运动，与连杆24上端铰接的装煤筒16沿支撑导筒10上下往复运动，然后控制器向右共振超声波发生器15和左共振超声波发生器14发出指令，使得右共振超声波发生器15和左共振超声波发生器14发出的共振频率为初始共振频率，超声波发生器12和超声波接收器13间隔的实时监测测装煤筒16中煤样的裂隙，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据接收到的信号改变右共振超声波发生器15和左共振超声波发生器14的共振频率；

（5）当超声波发生器12和超声波接收器13监测到煤样的裂隙直径大于10⁷纳米后，按下结束键5关闭装置，试验结束。

步骤（3）和步骤（4）中所述的初始共振频率和共振频率的计算方法相同，共振频率的计算方法为：

煤样在简谐力作用下的强迫振动，其运动方程为：

方程式的解由这两部分组成：

式中常数由初始条件决定：

其中

，,

代表阻尼自由振动基，代表阻尼强迫振动项，表示频率，t表示时间，D代表常数，代表质量、代表速度、代表加速度、代表常数、代表频率、为位移、为常数、为常数D与频率的乘积、为重力加速度 ；

自由振动周期：

强迫振动项周期：

强迫振动部分：

通过变换可写成：

式中

设频率比 ，代入公式则振幅

滞后相位角：

因为为弹簧受干扰力峰值作用引起的静位移，所以振幅A可写成：

其中称为动力放大系数：

式中代表频率比，动力放大系数是强迫振动时的动力系数即动幅值与静幅值之比，

当，即强迫振动频率和系统固有频率相等时，动力系数迅速增加，引起系统共振，由式：可知，共振时振幅和相位都有明显变化，通过对这两个参数进行测量，我们可以判别系统是否达到共振动点，从而确定出系统的各阶振动频率。

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 (6)

1.一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，其特征在于：包括顶部敞口的试验箱，试验箱顶部设有封盖，试验箱内设有控制器，试验箱的前侧外表面设有显示屏、电源键、结束键和开始键，试验箱前侧内壁、试验箱后侧内壁、试验箱左侧内壁、试验箱右侧内壁上均开设有圆形的安装槽，四个安装槽的中心线位于同一平面上，其中两个安装槽前后对应设置，另外两个安装槽左右对应设置，试验箱内水平设有分隔板，分隔板将试验箱的内腔分割成上腔体和下腔体，四个安装槽位于上腔体内，分隔板中心处开设有通孔，分隔板上表面固定设有支撑导筒，支撑导筒上下通透，支撑导筒的中心线与通孔的中心线重合，支撑导筒上沿周向方向均匀设有四个安装孔，其中一个安装孔位于支撑导筒的前侧且其中心线与试验箱前侧内壁上的安装槽的中心线重合，前侧的安装孔和试验箱前侧内壁上的安装槽之间设有超声波发生器，后侧的安装孔和试验箱后侧内壁上的安装槽之间设有超声波接收器，左侧的安装孔和试验箱左侧内壁上的安装槽之间设有左共振超声波发生器，右侧的安装孔和试验箱右侧内壁上的安装槽之间设有右共振超声波发生器；

试验箱内底部设有位于下腔体内的上下往复驱动机构，上下往复驱动机构的动力输出端连接有装煤筒，装煤筒上端敞口、下端封堵，装煤筒上端穿过通孔后伸入到支撑导筒内，装煤筒上端口设有装煤盖，装煤筒外壁开设有若干通气孔；

控制器分别通过信号线路与显示屏、电源键、结束键、开始键、右共振超声波发生器、左共振超声波发生器、超声波接收器和超声波发生器连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，其特征在于：上下往复驱动机构包括固定在试验箱内底部的电机和支座，支座上转动连接有转轴，电机的主轴与转轴同轴线传动连接，转轴上固定设有曲柄，曲柄与装煤筒之间通过连杆连接，连杆的下端铰接在曲柄上，连杆的上端铰接在装煤筒的底部，电机通过信号线与控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，其特征在于：装煤筒外壁与支撑导筒内壁之间设有用于导向装煤筒上下滑动的钢珠。

4.根据权利要求3所述的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置，其特征在于：分隔板的上表面、位于分隔板上方的试验箱内壁和封盖的下表面上均设有隔音板。

5.根据权利要求4所述的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）装填煤样：先打开封盖，再打开装煤盖并将煤样装入装煤筒中，重新将装煤盖盖设在装煤筒上，闭合上封盖；

（2）启动设备：依次打开电源键和开始键，控制器开始工作，控制器向超声波接收器和超声波发生器发出信号指令，超声波接收器和超声波发生器启动；

（3）数据实验采集：超声波发生器和超声波接收器监测装煤筒中煤样的裂隙，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据接收到的信号得出初始共振频率的值；

（4）共振提高高煤阶煤的渗透性：启动电机，电机通过转轴带动曲柄转动，曲柄在转动过程中带动连杆上下运动，与连杆上端铰接的装煤筒沿支撑导筒上下往复运动，然后控制器向右共振超声波发生器和左共振超声波发生器发出指令，命令右共振超声波发生器和左共振超声波发生器发出与步骤（3）中所述的初始共振频率相同的共振频率，超声波发生器和超声波接收器间隔的实时监测测装煤筒中煤样的裂隙，并将监测到的信号反馈给控制器，控制器根据接收到的信号改变右共振超声波发生器和左共振超声波发生器的共振频率；

（5）当超声波发生器和超声波接收器监测到煤样的裂隙直径大于10⁷纳米后，按下结束键关闭装置，试验结束。

6.根据权利要求5所述的一种提高高煤阶煤渗透性的试验装置的试验方法，其特征在于：步骤（3）和步骤（4）中所述的初始共振频率和共振频率的计算方法相同，共振频率的计算方法为：

煤样在简谐力作用下的强迫振动，其运动方程为：

方程式的解由这两部分组成：；

式中常数由初始条件决定：

其中，,

代表阻尼自由振动基，代表阻尼强迫振动项，表示频率，t表示时间，D代表常数，代表质量、代表速度、代表加速度、代表常数、代表频率、为位移、为常数、为常数D与频率的乘积、为重力加速度 ；

自由振动周期：

强迫振动项周期：

强迫振动部分：

通过变换可写成：

式中

设频率比 ，代入公式则振幅

滞后相位角：

因为为弹簧受干扰力峰值作用引起的静位移，所以振幅A可写成：

其中称为动力放大系数：

式中代表频率比，动力放大系数是强迫振动时的动力系数即动幅值与静幅值之比，

当，即强迫振动频率和系统固有频率相等时，动力系数迅速增加，引起系统共振，由式：可知，共振时振幅和相位都有明显变化，通过对这两个参数进行测量，可以判别系统是否达到共振动点，从而确定出系统的各阶振动频率。