CN110530772A - 煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，包括甲烷气源、二氧化碳气源、应变测量密封容器、压力传感器、高压阀、干燥剂和气体流量计；振动器为煤心室提供振动，超声波发生器为煤心室提供超声波，手摇泵为煤心室提供环向压力和轴向压力，电阻率测定仪用于测量煤样的电阻率，二氧化碳气源通过管路能向应变测量密封容器内注入二氧化碳气体，应变测量密封容器用于盛放外表面贴有应变片的煤样，并通过应变片接口与应变仪相连以读取煤样的应变参数。既能用于进行气体渗透煤样试验，又能进行二氧化碳驱替甲烷试验以及煤样在高压及气体渗透下的电阻率测定，还能进行煤样在高压下的应变测量试验。

Description

煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置

技术领域

本发明属于煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷试验装置技术领域，用于进行煤样高压应变试验、气体渗透煤样的试验，同时还能进行二氧化碳驱替甲烷试验以及煤样在高压及气体渗透下的电阻率测定，使试验结果更接近真实状况。

背景技术

气体渗流是指气体在多孔介质中的流动。气体渗流与液体渗流的根本性区别在于气体具有较大的压缩性，在渗流过程中，体积随温度和压力等发生变化。气体射流是指气体从管口、孔口、狭缝射出的流动。对于煤层开采来说，煤层处于地下层，不可避免受到瓦斯等气体渗流，通常利用气体射流致裂进行煤层开采，或在开采前通过二氧化碳气体进行甲烷气体的驱替实现甲烷抽采，因此有必要进行气体渗流试验、气体射流以及二氧化碳驱替甲烷试验，用于指导煤层安全高效开采。

现目前，在试验室里，常用试件箱来模拟各种气体在煤样中的渗流试验，但现有的试件箱试验条件还相对有限，无法真实模拟煤样在不同压力、不同温度以及地下波等因素影响下的地下真实状况。同时，气体渗流试验、气体射流试验单独进行，造成资源浪费。

发明内容

针对现目前试件箱模拟各种气体在煤样中的渗流试验的局限性，且气体渗流试验与射流试验单独进行浪费资源的缺陷，本发明拟提供一种煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，能更加真实地模拟煤样在不同压力、不同温度以及地下波等地下真实状况下的气体渗流情况，并能同时进行气体射流试验以节约资源。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，包括煤心室、振动器、超声波发生器、甲烷气源、二氧化碳气源、手摇泵、电阻率测定仪、应变测量密封容器，所述甲烷气源、二氧化碳气源通过进气管路并联在煤心室的左侧，并能分别为煤心室的煤心腔提供甲烷气体、二氧化碳气体，甲烷气源、二氧化碳气源各配备有一个高压阀并共用一个压力传感器，煤心室的右侧通过排气管路依次连接有压力传感器、高压阀、干燥剂和气体流量计；所述振动器安装在煤心室的左端为煤心室提供振动，超声波发生器安装在煤心室上为煤心室提供超声波，所述手摇泵为煤心室提供环向压力和轴向压力，所述电阻率测定仪用于测量煤心室的煤样在高压及气体渗流下的电阻率，所述二氧化碳气源通过管路能向应变测量密封容器内注入二氧化碳气体，所述应变测量密封容器用于盛放外表面贴有应变片的煤样，并通过应变片接口与应变仪相连以读取煤样的应变参数，所述应变测量密封容器配备有高压阀和放空阀，所述应变测量密封容器的内腔和煤心腔均为圆柱形，且直径相同。

作为上述方案的优选，所述煤心室包括圆钢筒、环向压力传递套、T型封头、PEEK套、锥形钢套、右活塞套、右第一压套、右第二压套、左第一压套、左第二压套，所述环向压力传递套置于圆钢筒内，环向压力传递套的外径小于圆钢筒的内径，两个所述T型封头左右间隔地相对安装在环向压力传递套内，每个T型封头的杆部各套装有一个所述PEEK套，环向压力传递套的左右两端部直径变大并通过锥形钢套结合密封圈抵紧密封，从而在环向压力传递套、两个T型封头之间形成煤心腔，在环向压力传递套与圆钢筒之间形成环向压力施加腔；所述左第一压套螺接在圆钢筒的左端并抵紧在左侧的锥形钢套后，所述左第二压套的前端螺接在左第一压套内并通过环向垫块抵紧在左侧的PEEK套后；所述右第一压套螺接在圆钢筒的右端并抵紧在右侧的锥形钢套后，右第二压套固设在右第一压套的后方，右活塞套穿过右第二压套、右第一压套后抵紧在右侧的PEEK套后，右活塞套的中部设置有环向凸起并能在右第二压套的大内径段内左右滑动，右第二压套大小内径段的分界面作为右活塞套的右移终止限位面；所述圆钢筒的侧壁上设置有两个环向高压液接口并通过管路与手摇泵相连，右第二压套的侧壁上设置有两个轴向高压液接口并通过管路与手摇泵相连，两个T型封头上各设置有一个渗流高压气体及电阻率测定仪PEEK绝缘接头共用接口。通过环向压力传感器检测煤心室煤样的环向压力，轴向压力传感器用于测量煤心室煤样的轴向压力，压力采集点设置的位置能确保采集数据真实合理。

进一步优选为，所述圆钢筒的侧壁上设置有环向压力传感器安装孔，右第二压套的侧壁上设置有轴向压力传感器安装孔，且轴向压力传感器安装孔与轴向高压液接口分别位于环向凸起的左右两侧；所述圆钢筒的外侧壁中部局部被削平作为超声波发生器的安装平台，所述振动器连接在煤心室的左端进口处。

进一步优选为，与所述煤心室相连的高压气体管、高压液管均为软管，煤心室置于温水浴中。能根据情况调整水温，进行不同温度下气体驱替效果试验。

本发明的有益效果：

(1)本试验装置能更加真实地模拟煤样在不同压力、不同温度以及地下波等地下真实状况下的气体渗流、二氧化碳气体驱替甲烷及煤样高压应变的试验，使试验结果具有更高的现实指导意义，对煤层安全高效开采提供可靠保障。

(2)增设超声波发生器，可进行不同声波条件下高压气体渗流试验，模拟超声波条件下气体渗流对煤样微观裂隙的影响；增设振动器，以空气作为动力源，模拟不同地下波条件下气体渗流对煤样宏观裂隙的影响，振动器产生的横向波且振幅大，比如10HZ左右，用于模拟地下波对煤样的宏观裂隙；通过优化超声波发生器与振动器的布置位置，用于模拟两个方向的耦合作用，使试验结果更接近地下真实状况。

(3)既能用于进行气体渗透煤样试验，又能进行二氧化碳驱替甲烷试验以及煤样在高压及气体渗透下的电阻率测定，还能进行煤样在高压下的应变测量试验。先通过二氧化碳气源向应变测量密封容器充入二氧化碳气体进行应变测量，再将测量后的煤样取出放入煤心室内充入甲烷气体，再充入二氧化碳气体进行渗流试验，最后进行二氧化碳驱替效果试验，在渗流及驱替试验的过程中还可以进行高压及气体渗透下的电阻率测定。

附图说明

图1为本发明的连接示意图。

图2为煤心室的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1、图2所示，一种煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，主要由煤心室、支脚13、压力传感器14、高压阀15、应变测量密封容器16、干燥剂17、气体流量计18、振动器19、超声波发生器20、甲烷气源21、二氧化碳气源22、手摇泵23、电阻率测定仪24、应变仪25、放空阀26组成。

其中，煤心室主要由圆钢筒1、环向压力传递套2、T型封头3、PEEK套4、锥形钢套5、右活塞套6、右第一压套7、右第二压套8、左第一压套9、左第二压套10、环向垫块11、密封圈12组成。

环向压力传递套2置于圆钢筒1内，环向压力传递套2的外径小于圆钢筒1的内径。两个T型封头3左右间隔地相对安装在环向压力传递套2内，两个T型封头3的大头端相对，每个T型封头3的杆部各套装有一个PEEK套4。环向压力传递套2的左右两端部直径变大并通过锥形钢套5结合密封圈12抵紧密封，从而在环向压力传递套2、两个T型封头3之间形成煤心腔A，在环向压力传递套2与圆钢筒1之间形成环向压力施加腔B。煤心腔A和环向压力施加腔B均为密封腔体，煤心腔A用于放置圆柱形的煤样，环向压力施加腔B用于对煤样施加环向压力，环向压力传递套2采用橡胶材质，能变形施压。

左第一压套9螺接在圆钢筒1的左端并抵紧在左侧的锥形钢套5后，左第二压套10的前端螺接在左第一压套9内并通过环向垫块11抵紧在左侧的PEEK套4后。

右第一压套7螺接在圆钢筒1的右端并抵紧在右侧的锥形钢套5后，右第二压套8固设在右第一压套7的后方，右活塞套6穿过右第二压套8、右第一压套7后抵紧在右侧的PEEK套4后。右第二压套8分为大内径段和小内径段，右活塞套6的中部设置有环向凸起6a并能在右第二压套8的大内径段内左右滑动，右第二压套8大小内径段的分界面作为右活塞套6的右移终止限位面，右活塞套6右移至抵在大小内径段的分界面时为止。

圆钢筒1的侧壁上设置有两个环向高压液接口a并通过管路与手摇泵23相连，两个环向高压液接口a一进一出，用于向环向压力施加腔B内注入高压液体，并通过环向压力传递套2对煤样施加环向压力，也用于在试验前注水检测试验设备是否存在泄漏。右第二压套8的侧壁上设置有两个轴向高压液接口b(其中一个未示出)并通过管路与手摇泵23相连，两个轴向高压液接口b一进一出，用于向右第二压套8的小内径段注入高压液体，并通过右活塞套6对煤样施加轴向压力。两个T型封头3上各设置有一个渗流高压气体及电阻率测定仪PEEK绝缘接头共用接口d，既能作为电阻率测定仪PEEK绝缘接头的插接口，又能作为渗流高压气体的插接口，先进行渗流气体试验，完成后取下高压气体的插接头，装上电阻率测定仪PEEK绝缘接头，即可进行电阻率测定。电阻率测定仪可选用品牌“Tonghui”，型号TH2810D，配4个PEEK绝缘接头，其中2个PEEK绝缘接头为备用，满足在高压状态下测定的能力。

圆钢筒1的侧壁上设置有环向压力传感器安装孔c；右第二压套8的侧壁上设置有轴向压力传感器安装孔d，轴向压力传感器安装孔d与轴向高压液接口b分别位于环向凸起6a的左右两侧。圆钢筒1的外侧壁中部局部被削平作为超声波发生器20的安装平台，振动器19连接在煤心室的左端进口处。圆钢筒1的下方设置有支脚13。

甲烷气源21、二氧化碳气源22通过进气管路并联在煤心室的左侧，并能分别为煤心室的煤心腔A提供甲烷气体、二氧化碳气体，甲烷气源21、二氧化碳气源22各配备有一个高压阀15并共用一个压力传感器14。当需要向煤心室的煤心腔A提供甲烷气体时，打开甲烷气源21管路上的高压阀15，关闭二氧化碳气源22管路上的高压阀15。当需要向煤心室的煤心腔A提供二氧化碳气体时，打开二氧化碳气源22管路上的高压阀15，关闭甲烷气源21管路上的高压阀15。

煤心室的右侧通过排气管路依次连接有压力传感器14、高压阀15、干燥剂17和气体流量计18。当需要进行驱替试验时，打开二氧化碳气源22，被驱替出来的气体能经干燥剂17、气体流量计18，增设压力传感器14和气体流量计18，能测量不同压力下的气体驱替效果。增设干燥剂17，通过干燥剂干燥混合气体中的水分，提高混合气体占比测量的准确度。

振动器19安装在煤心室的左端为煤心室提供振动，超声波发生器20安装在煤心室上为煤心室提供超声波，手摇泵23为煤心室提供环向压力和轴向压力，电阻率测定仪24用于测量煤心室的煤样在高压及气体渗流下的电阻率。

二氧化碳气源22通过管路能向应变测量密封容器16内注入二氧化碳气体，应变测量密封容器16用于盛放外表面贴有应变片的煤样，并通过应变片接口16a与应变仪25相连以读取煤样的应变参数。应变测量密封容器16配备有高压阀15和放空阀26，应变测量密封容器16的内腔和煤心腔A均为圆柱形，且直径相同，采用同一煤样先进行应变测试，再进行渗流及二氧化碳驱替甲烷的试验。渗流试验可采用甲烷、氮气、二氧化碳或硫化氢四种气体。

煤心室相连的高压气体管、高压液管均为软管，煤心室置于温水浴中，以提供合适的环境温度。

Claims (4)

1.一种煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，其特征在于：包括煤心室、振动器(19)、超声波发生器(20)、甲烷气源(21)、二氧化碳气源(22)、手摇泵(23)、电阻率测定仪(24)、应变测量密封容器(16)，所述甲烷气源(21)、二氧化碳气源(22)通过进气管路并联在煤心室的左侧，并能分别为煤心室的煤心腔(A)提供甲烷气体、二氧化碳气体，甲烷气源(21)、二氧化碳气源(22)各配备有一个高压阀(15)并共用一个压力传感器(14)，煤心室的右侧通过排气管路依次连接有压力传感器(14)、高压阀(15)、干燥剂(17)和气体流量计(18)；所述振动器(19)安装在煤心室的左端为煤心室提供振动，超声波发生器(20)安装在煤心室上为煤心室提供超声波，所述手摇泵(23)为煤心室提供环向压力和轴向压力，所述电阻率测定仪(24)用于测量煤心室的煤样在高压及气体渗流下的电阻率，所述二氧化碳气源(22)通过管路能向应变测量密封容器(16)内注入二氧化碳气体，所述应变测量密封容器(16)用于盛放外表面贴有应变片的煤样，并通过应变片接口(16a)与应变仪(25)相连以读取煤样的应变参数，所述应变测量密封容器(16)配备有高压阀(15)和放空阀(26)，所述应变测量密封容器(16)的内腔和煤心腔(A)均为圆柱形，且直径相同。

2.按照权利要求1所述的煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，其特征在于：所述煤心室包括圆钢筒(1)、环向压力传递套(2)、T型封头(3)、PEEK套(4)、锥形钢套(5)、右活塞套(6)、右第一压套(7)、右第二压套(8)、左第一压套(9)、左第二压套(10)，所述环向压力传递套(2)置于圆钢筒(1)内，环向压力传递套(2)的外径小于圆钢筒(1)的内径，两个所述T型封头(3)左右间隔地相对安装在环向压力传递套(2)内，每个T型封头(3)的杆部各套装有一个所述PEEK套(4)，环向压力传递套(2)的左右两端部直径变大并通过锥形钢套(5)结合密封圈(12)抵紧密封，从而在环向压力传递套(2)、两个T型封头(3)之间形成煤心腔(A)，在环向压力传递套(2)与圆钢筒(1)之间形成环向压力施加腔(B)；所述左第一压套(9)螺接在圆钢筒(1)的左端并抵紧在左侧的锥形钢套(5)后，所述左第二压套(10)的前端螺接在左第一压套(9)内并通过环向垫块(11)抵紧在左侧的PEEK套(4)后；所述右第一压套(7)螺接在圆钢筒(1)的右端并抵紧在右侧的锥形钢套(5)后，右第二压套(8)固设在右第一压套(7)的后方，右活塞套(6)穿过右第二压套(8)、右第一压套(7)后抵紧在右侧的PEEK套(4)后，右活塞套(6)的中部设置有环向凸起(6a)并能在右第二压套(8)的大内径段内左右滑动，右第二压套(8)大小内径段的分界面作为右活塞套(6)的右移终止限位面；

所述圆钢筒(1)的侧壁上设置有两个环向高压液接口(a)并通过管路与手摇泵(23)相连，右第二压套(8)的侧壁上设置有两个轴向高压液接口(b)并通过管路与手摇泵(23)相连，两个T型封头(3)上各设置有一个渗流高压气体及电阻率测定仪PEEK绝缘接头共用接口(d)。

3.按照权利要求2所述的煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，其特征在于：所述圆钢筒(1)的侧壁上设置有环向压力传感器安装孔(c)，右第二压套(8)的侧壁上设置有轴向压力传感器安装孔(d)，且轴向压力传感器安装孔(d)与轴向高压液接口(b)分别位于环向凸起(6a)的左右两侧；所述圆钢筒(1)的外侧壁中部局部被削平作为超声波发生器(20)的安装平台，所述振动器(19)连接在煤心室的左端进口处。

4.按照权利要求1所述的煤样高压应变及二氧化碳驱替煤层甲烷一体试验装置，其特征在于：与所述煤心室相连的高压气体管、高压液管均为软管，煤心室置于温水浴中。