CN110160885B - 多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置及方法，属于渗流力学实验装置技术领域。所述多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，包括三轴压力室、轴压加载系统、围压加载系统、渗透压加载系统、温度控制系统和数据测量与收集系统，多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验方法包括实验准备、对煤岩试件施加围压、对煤岩试件施加轴压、对煤岩试件加温、对煤岩试件施加渗透压差、采集数据、重复实验和实验结束。所述多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置及方法，利用脉冲法测量煤岩渗透率，通过控制不同的变量来研究低渗透岩石渗透率的变化，能够有效测量低渗透煤岩渗透率。
Description
技术领域
本发明涉及渗流力学实验装置技术领域，特别涉及一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置及方法。
背景技术
随着开采深度的增加，煤岩“三高一扰”特性凸显。深部开采工程在复杂应力和高温、渗流条件下的稳定性问题是开采过程中必须面对和要迫切解决的问题。煤岩的渗透率评定以及渗透率随温度、应力状态的变化规律分析是评价工程长期稳定的前提，特别是低渗透煤岩体尤为重要。
目前精确测量复杂应力、高温条件下低渗透煤岩的渗透率依然是国内外专家学者攻克的难题。由于深部岩石低渗透的特性，岩石渗透率极难测定，在这种背景下发展一种多场耦合作用下利用脉冲法测量煤岩渗透率的实验装置及其使用方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置及方法，利用脉冲法测量煤岩渗透率，通过控制不同的变量来研究低渗透岩石渗透率的变化，能够有效测量低渗透煤岩渗透率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，包括三轴压力室、轴压加载系统、围压加载系统、渗透压加载系统、温度控制系统和数据测量与收集系统；
所述三轴压力室包括缸体、缸盖和带孔底座，所述带孔底座的顶部与煤岩试件接触；
所述轴压加载系统包括液压注入泵、轴压压力室、真空泵、自平衡活塞和轴压传感器，所述液压注入泵与轴压压力室连通，其连通管路上依次设置有第七截止阀、第二压力传感器和第二稳压阀，所述轴压压力室与所述缸盖连接，所述轴压压力室内部下方从上至下依次设置有自平衡活塞、轴压传感器和多孔垫片，所述多孔垫片与煤岩试件接触；
所述围压加载系统包括高压氮气瓶、第十截止阀、第四压力传感器、第四稳压阀和第五截止阀，所述高压氮气瓶与所述三轴压力室连通，其连通管路上依次设置有第十截止阀、第四压力传感器和第四稳压阀；
所述渗透压加载系统包括高压氮气瓶、第三截止阀、第一压力传感器、上游储气瓶、第四截止阀、第一稳压阀、第二截止阀、第三压力传感器、下游储气瓶、第九截止阀和第三稳压阀，所述高压氮气瓶分别与带孔底座和多孔垫片连通，所述高压氮气瓶与带孔底座连通管路上依次设置有第三截止阀、第一压力传感器、上游储气瓶、第四截止阀和第一稳压阀，所述高压氮气瓶与多孔垫片连通管路上依次设置有第二截止阀、第三压力传感器、下游储气瓶、第九截止阀、第三稳压阀和第十一截止阀；
所述温度控制系统包括加热带和温度传感器，所述加热带设置在所述缸体的内壁，所述温度传感器设置在三轴压力室内部，所述加热带和温度传感器均与温度控制装置相连；
所述数据测量与收集系统包括计算机，所述计算机分别与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和轴压传感器相连。
所述三轴压力室通过管路与外部连通，其连通管路设置有第五截止阀，用于卸载围压。
所述高压氮气瓶与带孔底座连通管路上还设置有第六截止阀，用于卸载渗透压加载系统上游的渗透压，所述高压氮气瓶与多孔垫片连通管路上还设置有第十一截止阀，用于卸载渗透压加载系统下游的渗透压。
所述轴压压力室与真空泵连接，用于加油压之前排净轴压压力室的空气，所述轴压压力室与量杯连通，其连通管路设置有第八截止阀，用于卸载轴压。
所述高压氮气瓶的出口设置有第一截止阀，所述第一截止阀远离高压氮气瓶的一端分别与所述第十截止阀、第三截止阀和第二截止阀连接。
所述加热带设置有若干条，若干条加热带串联并等间距贴于缸体内壁。
一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验方法，采用上述多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，包括如下步骤：
步骤一、实验准备，制备煤岩试件，在煤岩试件的外部包裹耐高温橡胶套，并通过上卡箍和下卡箍固定，煤岩试件的上端与多孔垫片接触，煤岩试件的下端与带孔底座接触，连接好所有管路，并检查气密性，使所有截止阀均处于关闭状态；
步骤二、对煤岩试件施加围压，打开第一截止阀和第十截止阀，使高压氮气瓶内的高压氮气进入三轴压力室对煤岩试件施加围压，围压达到设定值时，关闭第十截止阀；
步骤三、对煤岩试件施加轴压，待围压稳定后，打开真空泵抽掉轴压压力室内空气，打开第七截止阀，通过液压注入泵向轴压压力室注入液压油，轴压达到设定值时，关闭第七截止阀；
步骤四、对煤岩试件加温，通过温度控制装置对加热带进行加热至设定温度；
步骤五、对煤岩试件施加渗透压差，待围压、轴压和温度稳定后，打开第二截止阀、第九截止阀、第三截止阀和第四截止阀，高压氮气传导至煤岩试件的两端，使得煤岩试件两端的气体压力大小相同，关闭第二截止阀和第三截止阀，静置使煤岩试件内高压氮气饱和，关闭第四截止阀，打开第三截止阀，增大通过第三截止阀的气体压力到设定压力，关闭第三截止阀，打开第四截止阀，煤岩试件两端形成设定好的渗透压差，实现脉冲加压；
步骤六、采集数据，计算机采集第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和轴压传感器的实验数据；
步骤七、重复步骤二～步骤六，采集煤岩试件在不同温度、应力水平下的实验数据；
步骤八、实验结束，试验完成后先关闭温度控制系统，然后依次卸载轴压、围压和渗透压，待三轴压力室温度降低以后，取出煤岩试件。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)所述三轴压力室包括缸体、缸盖和带孔底座，所述带孔底座的顶部与煤岩试件接触，为进行渗透实验提供环境；
2)采用轴压加载系统、围压加载系统、渗透压加载系统、数据测量与收集系统和温度控制系统，通过控制不同的变量来研究低渗透岩石渗透率的变化，其中，轴压加载通过油压来实现，围压和渗透压的加载通过高压氮气来实现，试验过程中轴压、围压均可实现循环加卸载，温度控制系统通过温度传感器传导出的示数，控制加热带给煤岩试件加热到实验所需温度并保持该温度，实现了改变轴压、围压、温度等变量来研究低渗透岩石的渗透率，突破了从单一影响因素到多因素共同作用的难题；
3)数据测量与收集系统包括计算机，计算机分别与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和轴压传感器相连，计算机收集和处理所有压力传感器传导的数据，自动计算试验过程中的渗透率变化，节约时间，提高效率；
4)实现了模拟深部岩体中“三高”赋存环境，采用脉冲法测得的渗透率更接近于深部低渗透煤岩的渗透率，更具有说服性，通过高轴压、高围压、高温度控制，实现了深部岩体赋存环境还原，为深部岩体低渗透特性研究提供便利。
附图说明
图1是本发明提供的多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置的结构示意图。
图中：1、高压氮气瓶；2、第一截止阀；3、第二截止阀；4、第三截止阀；5、第一压力传感器；6、上游储气瓶；7、第四截止阀；8、第一稳压阀；9、带孔底座；10、下卡箍；11、橡胶套；12、上卡箍；13、煤岩试件；14、缸体；15、加热带；16、温度传感器；17、温度控制装置；18、第五截止阀；19、第六截止阀；20、轴压传感器；21、自平衡活塞；22、第二稳压阀；23、第七截止阀；24、液压注入泵；25、第二压力传感器；26、轴压压力室；27、真空泵；28、第八截止阀；29、量杯；30、第三压力传感器；31、下游储气瓶；32、第九截止阀；33、第三稳压阀；34、第十截止阀；35、第四压力传感器；36、第四稳压阀；37、高强度六角形螺栓；38、多孔垫片；39、第十一截止阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，包括三轴压力室、轴压加载系统、围压加载系统、渗透压加载系统、温度控制系统和数据测量与收集系统，利用脉冲法测量煤岩渗透率，通过控制不同的变量来研究低渗透岩石渗透率的变化，能够有效测量低渗透煤岩渗透率。
如图1所示，三轴压力室包括缸体14、缸盖和带孔底座9，缸体14为圆柱筒结构，缸盖为圆盘状结构，缸盖上留有两个螺孔，缸盖与缸体14通过高强度六角形螺栓37连接，带孔底座9与缸体14通过高强度六角形螺栓37连接，所有连接处都要做密封处理，防止漏气，带孔底座9的轮廓在附图中采用实线加粗，带孔底座9内部下方为中空结构，其内部上方为实体结构，且实体结构部分设置有孔，带孔底座9的顶部与煤岩试件13接触。
如图1所示，轴压加载系统包括液压注入泵24、轴压压力室26、真空泵27、自平衡活塞21和轴压传感器20，本实施例中轴压压力室26为T型筒状中空结构，有利于液压油的进入和轴压的加载，带孔底座9的轮廓在附图中采用实线加粗。液压注入泵24与轴压压力室26连通，其连通管路上依次设置有第七截止阀23、第二压力传感器25和第二稳压阀22，具体设置方式为：液压注入泵24与第七截止阀23相连，第七截止阀23的另一端与第二压力传感器25相连，第二压力传感器25与第二稳压阀22相连，第二稳压阀22的另一端接入轴压压力室26。轴压压力室26与缸盖连接，本实施例中轴压压力室26与缸盖焊接为一体。轴压压力室26内部下方从上至下依次设置有自平衡活塞21、轴压传感器20和多孔垫片38，具体设置方式为：轴压压力室26的内部下方设置是自平衡活塞21，轴压传感器20通过螺孔旋入自平衡活塞21，轴压传感器20的下方垫有多孔垫片38，多孔垫片38直接接触煤岩试件13，在实验时，液压注入泵24通过管路把液压油注入到轴压压力室26，利用油压推动自平衡活塞21向下运动作用到煤岩试件13上，实现轴压的加载。轴压压力室26的上部与真空泵27连接，用于加油压之前排净轴压压力室26的空气，有利于液压油的进入。轴压压力室26与量杯29连通，其连通管路设置有第八截止阀28，当需要卸载轴压时，打开第八截止阀28使液压油流到量杯29卸载轴压，自平衡活塞21自动回位。
如图1所示，围压加载系统包括高压氮气瓶1、第十截止阀34、第四压力传感器35、第四稳压阀36和第五截止阀18，高压氮气瓶1与三轴压力室连通，其连通管路上依次设置有第十截止阀34、第四压力传感器35和第四稳压阀36，三轴压力室通过管路与外部连通，其连通管路设置有第五截止阀18，用于卸载围压，具体设置方式为：高压氮气瓶1与第一截止阀2通过不锈钢高压管相连，第一截止阀2的另一端分三条支路，其中第一条支路与第十截止阀34相连，第十截止阀34的另一端连有第四压力传感器35、第四压力传感器35的另一端连有第四稳压阀36，第四稳压阀36通过不锈钢高压管接入三轴压力室，所有接口处密封，避免漏气，三轴压力室的下部通过不锈钢高压管连到缸体14外部，接口处做密封处理，三轴压力室外部的管路上设有第五截止阀18，需要卸载围压时，打开第五截止阀18卸载围压。
如图1所示，渗透压加载系统包括高压氮气瓶1、第三截止阀4、第一压力传感器5、上游储气瓶6、第四截止阀7、第一稳压阀8、第二截止阀3、第三压力传感器30、下游储气瓶31、第九截止阀32和第三稳压阀33，高压氮气瓶1分别与带孔底座9和多孔垫片38连通，高压氮气瓶1与带孔底座9连通管路上依次设置有第三截止阀4、第一压力传感器5、上游储气瓶6、第四截止阀7和第一稳压阀8，还设置有第六截止阀19，用于卸载渗透压加载系统上游的渗透压，具体设置方式为：高压氮气瓶1与第一截止阀2通过不锈钢高压管相连，第一截止阀2的另一端分三条支路，其中第二条支路与第三截止阀4相连，第三截止阀4连接第一压力传感器5、之后通过不锈钢高压管依次连上游储气瓶6、第四截止阀7和第一稳压阀8，第一稳压阀8通过不锈钢高压管连接到带孔底座9的孔，所有连接处都要做密封处理，防止漏气。高压氮气瓶1与多孔垫片38连通管路上依次设置有第二截止阀3、第三压力传感器30、下游储气瓶31、第九截止阀32、第三稳压阀33和第十一截止阀39，还设置有第十一截止阀39，用于卸载渗透压加载系统下游的渗透压，具体设置方式为：多孔垫片38的上部空隙处开有导气孔，导气孔与不锈钢高压管相连，不锈钢高压管另一端依次连接有第十一截止阀39、第三稳压阀33、第九截止阀32、下游储气瓶31、第三压力传感器30和第二截止阀3，第二截止阀3与第一截止阀2的另一端的第三条支路连接，所有连接处进行密封处理。
如图1所示，温度控制系统包括加热带15和温度传感器16，加热带15设置在缸体14的内壁，本实施例中加热带15设置有四条，四条加热带15串联并等间距用耐高温胶水贴于缸体14内壁，使加热均匀，温度传感器16设置在三轴压力室内部，四条加热带15串联后与温度传感器16通过缸体14底部出线孔与温度控制装置17相连，实现温度监测和控制，出线孔用橡胶密封，加热带15、温度传感器16和温度控制装置17均可采用现有技术。
数据测量与收集系统包括计算机，计算机分别与第一压力传感器5、第二压力传感器25、第三压力传感器30、第四压力传感器35和轴压传感器20相连，用于监测、控制和采集上述传感器的实验数据，上述传感器均可采用现有技术。
本实施例中，高压氮气瓶1的出口设置有第一截止阀2，第一截止阀2远离高压氮气瓶1的一端分别与第十截止阀34、第三截止阀4和第二截止阀3连接。围压加载系统和渗透压加载系统的施加可以通过同一个高压氮气瓶1提供的氮气完成。
一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验方法，采用上述多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，包括如下步骤：
步骤一、实验准备，制备煤岩试件13，煤岩试件13是直径为5cm，高度为10cm的圆柱形试件，且试件上下端必须平整光滑，在煤岩试件13的外部包裹耐高温橡胶套11，并通过上卡箍12和下卡箍10固定，煤岩试件13的上端与多孔垫片38接触，煤岩试件13的下端与带孔底座9接触，连接好所有管路，并检查气密性，使所有截止阀均处于关闭状态；
步骤二、对煤岩试件13施加围压，先打开第一截止阀2，然后打开第十截止阀34，使高压氮气瓶1内的高压氮气通过不锈钢高压管进入三轴压力室对煤岩试件13施加围压，围压达到设定值时，围压的设定值为0～60Mpa，关闭第十截止阀34；
步骤三、对煤岩试件13施加轴压，待围压稳定后，打开真空泵27抽掉轴压压力室26内空气，打开第七截止阀23，通过液压注入泵24向轴压压力室26注入液压油，轴压达到设定值时，轴压的设定值为0～60Mpa，关闭第七截止阀23；
步骤四、对煤岩试件13加温，通过温度控制装置17对加热带15进行加热至设定温度，设定温度为0～100℃；
步骤五、对煤岩试件13施加渗透压差，待围压、轴压和温度稳定后，依次打开第二截止阀3、第九截止阀32、第三截止阀4和第四截止阀7，高压氮气通过不锈钢高压管传导至煤岩试件13的两端，使得煤岩试件13两端的气体压力大小相同，关闭第二截止阀3和第三截止阀4，静置使煤岩试件13内高压氮气饱和，关闭第四截止阀7，打开第三截止阀4，增大通过第三截止阀4的气体压力到设定压力，关闭第三截止阀4，打开第四截止阀7，煤岩试件13两端形成设定好的渗透压差，实现脉冲加压；
步骤六、采集数据，计算机采集第一压力传感器5、第二压力传感器25、第三压力传感器30、第四压力传感器35和轴压传感器20的实验数据，按照设定间隔时间记录各个传感器的示数，生成数据自动记录计算机表格中；
步骤七、重复步骤二～步骤六，采集煤岩试件13在不同温度、应力水平下的实验数据；
步骤八、实验结束，试验完成后先关闭温度控制系统，然后依次卸载轴压、围压和渗透压，待三轴压力室温度降低以后，取出煤岩试件13。
根据实验数据计算实验过程中煤岩试件13的渗透率：
首先计算渗透压加载系统上下游压力差ΔP(t)＝P1-P2，然后把渗透压加载系统上下游压力差代入下式中ΔP(t)＝ΔP*exp(-αt)，最后根据达西定律计算得
式中P1为第一压力传感器5实测压力值，P2为第三压力传感器30实测压力值，α为衰减系数，ΔP为设置好的初始压差，t为形成上下游压力差所经过的时间，μ为氮气的粘滞系数，L为试件长度，A为试件面积，k为渗透率，V1为渗透系统上游储气瓶6的容量，V2为下游储气瓶31的容量，Pf为渗透系统平衡后的压强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，其特征在于，包括三轴压力室、轴压加载系统、围压加载系统、渗透压加载系统、温度控制系统和数据测量与收集系统；
所述三轴压力室包括缸体、缸盖和带孔底座，所述带孔底座的顶部与煤岩试件接触；
所述轴压加载系统包括液压注入泵、轴压压力室、真空泵、自平衡活塞和轴压传感器，所述液压注入泵与轴压压力室连通，其连通管路上依次设置有第七截止阀、第二压力传感器和第二稳压阀，所述轴压压力室与所述缸盖连接，所述轴压压力室内部下方从上至下依次设置有自平衡活塞、轴压传感器和多孔垫片，所述多孔垫片与煤岩试件接触；
所述围压加载系统包括高压氮气瓶、第十截止阀、第四压力传感器、第四稳压阀和第五截止阀，所述高压氮气瓶与所述三轴压力室连通，其连通管路上依次设置有第十截止阀、第四压力传感器和第四稳压阀；
所述渗透压加载系统包括高压氮气瓶、第三截止阀、第一压力传感器、上游储气瓶、第四截止阀、第一稳压阀、第二截止阀、第三压力传感器、下游储气瓶、第九截止阀和第三稳压阀，所述高压氮气瓶分别与带孔底座和多孔垫片连通，所述高压氮气瓶与带孔底座连通管路上依次设置有第三截止阀、第一压力传感器、上游储气瓶、第四截止阀和第一稳压阀，所述高压氮气瓶与多孔垫片连通管路上依次设置有第二截止阀、第三压力传感器、下游储气瓶、第九截止阀、第三稳压阀和第十一截止阀；
所述温度控制系统包括加热带和温度传感器，所述加热带设置在所述缸体的内壁，所述温度传感器设置在三轴压力室内部，所述加热带和温度传感器均与温度控制装置相连；
所述数据测量与收集系统包括计算机，所述计算机分别与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和轴压传感器相连；
所述轴压压力室与真空泵连接，用于加油压之前排净轴压压力室的空气，所述轴压压力室与量杯连通，其连通管路设置有第八截止阀，用于卸载轴压；
所述高压氮气瓶的出口设置有第一截止阀，所述第一截止阀远离高压氮气瓶的一端分别与所述第十截止阀、第三截止阀和第二截止阀连接；
所述加热带设置有若干条，若干条加热带串联并等间距贴于缸体内壁；
所述三轴压力室通过管路与外部连通，其连通管路设置有第五截止阀，用于卸载围压；
所述高压氮气瓶与带孔底座连通管路上还设置有第六截止阀，用于卸载渗透压加载系统上游的渗透压，所述高压氮气瓶与多孔垫片连通管路上还设置有第十一截止阀，用于卸载渗透压加载系统下游的渗透压。
2.一种多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验方法，采用权利要求1所述的多场耦合作用下测量低渗透煤岩渗透率的实验装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、实验准备，制备煤岩试件，在煤岩试件的外部包裹耐高温橡胶套，并通过上卡箍和下卡箍固定，煤岩试件的上端与多孔垫片接触，煤岩试件的下端与带孔底座接触，连接好所有管路，并检查气密性，使所有截止阀均处于关闭状态；
步骤二、对煤岩试件施加围压，打开第一截止阀和第十截止阀，使高压氮气瓶内的高压氮气进入三轴压力室对煤岩试件施加围压，围压达到设定值时，关闭第十截止阀；
步骤三、对煤岩试件施加轴压，待围压稳定后，打开真空泵抽掉轴压压力室内空气，打开第七截止阀，通过液压注入泵向轴压压力室注入液压油，轴压达到设定值时，关闭第七截止阀；
步骤四、对煤岩试件加温，通过温度控制装置对加热带进行加热至设定温度；
步骤五、对煤岩试件施加渗透压差，待围压、轴压和温度稳定后，打开第二截止阀、第九截止阀、第三截止阀和第四截止阀，高压氮气传导至煤岩试件的两端，使得煤岩试件两端的气体压力大小相同，关闭第二截止阀和第三截止阀，静置使煤岩试件内高压氮气饱和，关闭第四截止阀，打开第三截止阀，增大通过第三截止阀的气体压力到设定压力，关闭第三截止阀，打开第四截止阀，煤岩试件两端形成设定好的渗透压差，实现脉冲加压；
步骤六、采集数据，计算机采集第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和轴压传感器的实验数据；
步骤七、重复步骤二～步骤六，采集煤岩试件在不同温度、应力水平下的实验数据；
步骤八、实验结束，试验完成后先关闭温度控制系统，然后依次卸载轴压、围压和渗透压，待三轴压力室温度降低以后，取出煤岩试件。
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