CN110530773A - 气体渗流及射流用试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体渗流及射流用试验装置，包括煤岩心室、振动器、超声波发生器、吸附气源、解吸气源、手摇泵、电阻率测定仪、储气罐、气控阀、爆破片组件、释放筒、压力传感器、高压阀、干燥剂和气体流量计；振动器为煤岩心室提供振动，超声波发生器为煤岩心室提供超声波，手摇泵为煤岩心室提供环向压力和轴向压力，电阻率测定仪用于测量煤岩样的电阻率，储气罐通过管路连接在排气管路的压力传感器前，排气管路的压力传感器与高压阀之间通过管路依次连接有所述气控阀、爆破片组件和释放筒。既能用于进行气体渗透煤岩心后再成功致裂煤岩样的试验，又能进行气体解吸试验以及煤岩心在高压及气体渗透下的电阻率测定。

Description

气体渗流及射流用试验装置

技术领域

本发明属于煤岩样气体渗流及射流试验装置技术领域，用于进行气体渗透煤岩心后再成功致裂煤岩样的试验，同时还能进行煤岩样气体解吸试验以及煤岩心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。对于煤岩开采来说，煤岩处于地下层，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岩开采，或在开采前进行气体解吸，因此有必要进行气体渗流试验、气体射流以及气体解吸试验，用于指导煤岩安全高效开采。

现目前，在试验室里，常用试件箱来模拟各种气体在煤岩样(“煤样”及“岩样”的统称)中的渗流试验，但现有的试件箱试验条件还相对有限，无法真实模拟煤岩样在不同压力、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岩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，本发明拟提供一种气体渗流及射流用试验装置，能更加真实地模拟煤岩样在不同压力、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：一种气体渗流及射流用试验装置，包括煤岩心室、振动器、超声波发生器、吸附气源、解吸气源、手摇泵、电阻率测定仪、储气罐、气控阀、爆破片组件和释放筒，所述吸附气源、解吸气源通过进气管路并联在煤岩心室的左侧，并能分别为煤岩心室的煤岩心腔提供吸附气体、解吸气体，吸附气源、解吸气源各配备有一个高压阀并共用一个压力传感器，煤岩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岩心室的左端为煤岩心室提供振动，超声波发生器安装在煤岩心室上为煤岩心室提供超声波，所述手摇泵为煤岩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岩心室的煤岩样在高压及气体渗流下的电阻率，所述储气罐通过管路连接在排气管路的压力传感器前，且储气罐配备有高压阀和放空阀，排气管路的压力传感器与高压阀之间通过管路依次连接有所述气控阀、爆破片组件和释放筒。

作为上述方案的优选，所述煤岩心室包括圆钢筒、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型封头之间形成圆柱形的煤岩心腔，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岩心室煤岩样的环向压力，轴向压力传感器用于测煤岩心室煤岩样的轴向压力，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岩心室的左端进口处。

进一步优选为，与所述煤岩心室相连的渗流高压气体管、高压液管均为软管，煤岩心室置于温水浴中。能根据情况调整水温，进行不同温度下气体渗流试验。

进一步优选为，所述爆破片组件包括爆破片、爆破片安装公头、爆破片安装母头和爆破片垫片，所述爆破片、爆破片垫片叠合后通过爆破片安装公头、爆破片安装母头螺接压紧在其中，在爆破片安装公头、爆破片安装母头之间还设置有密封圈。采用新设计的简易爆破片组件，极大地降低了试验成本。

进一步优选为，所述吸附气源为甲烷，解吸气源为二氧化碳或氮气。

本发明的有益效果：

(1)本试验装置能更加真实地模拟煤岩样在不同压力、不同温度以及地下波等地下真实状况下的气体渗流情况，使试验结果具有更高的现实指导意义，对煤岩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岩样微观裂隙的影响；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岩样宏观裂隙的影响，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岩样的宏观裂隙；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岩心后再成功致裂煤岩样的试验，又能进行气体解吸试验以及煤岩心在高压及气体渗透下的电阻率测定；气体渗流试验后的气体不断聚集在储气罐中，当压力超过爆破片组件内爆破片压力时，爆破片破片，气体经释放管放出瞬间致裂煤岩样，同时储气罐收集渗流试验的高压气体及时进行射流试验，有效节约了能源。

附图说明

图1为本发明的连接示意图。

图2为煤岩心室的结构示意图。

图3为爆破片组件的结构示意图。

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，一种气体渗流及射流用试验装置，主要由煤岩心室、支脚13、压力传感器14、高压阀15、放空阀16、干燥剂17、气体流量计18、振动器19、超声波发生器20、吸附气源21、解吸气源22、手摇泵23、电阻率测定仪24、储气罐25、气控阀26、爆破片组件27、释放筒28组成。

其中，煤岩心室主要由圆钢筒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之间形成圆柱形的煤岩心腔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。煤岩心腔A和环向压力施加腔B均为密封腔体，煤岩心腔A用于放置圆柱形的煤样或岩样，环向压力施加腔B用于对煤样或岩样施加环向压力，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对煤岩样施加环向压力，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对煤岩样施加轴向压力。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连接在煤岩心室的左端进口处。圆钢筒1的下方设置有支脚13。

吸附气源21、解吸气源22通过进气管路并联在煤岩心室的左侧，并能分别为煤岩心室的煤岩心腔A提供吸附气体、解吸气体，吸附气源21、解吸气源22各配备有一个高压阀15并共用一个压力传感器14。当需要向煤岩心室的煤岩心腔A提供吸附气体时，打开吸附气源21管路上的高压阀15，关闭解吸气源22管路上的高压阀15。当需要向煤岩心室的煤岩心腔A提供解吸气体时，打开解吸气源22管路上的高压阀15，关闭吸附气源21管路上的高压阀15。渗流试验可采用甲烷、氮气、二氧化碳或硫化氢四种气体，射流试验采用二氧化碳气体。

煤岩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。当需要进行气体解吸试验时，若采用二氧化碳作为解吸气体，打开解吸气源22，关闭储气罐25上的高压阀15，防止气体进入储气罐25，被解吸出来的气体只能经干燥剂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解吸效果。增设干燥剂17，通过干燥剂吸附混合气体中的水分，提高混合气体占比测量的准确度。渗流试验或解吸试验结束后，关闭排气管路上的高压阀15，高压气体则聚集到储气罐25中，以备后续的射流试验使用。

振动器19安装在煤岩心室的左端为煤岩心室提供振动，超声波发生器20安装在煤岩心室上为煤岩心室提供超声波，手摇泵23为煤岩心室提供环向压力和轴向压力，电阻率测定仪24用于测量煤岩心室的煤岩样在高压及气体渗流下的电阻率，储气罐25通过管路连接在排气管路的压力传感器14前，且储气罐25配备有高压阀15和放空阀16，排气管路的压力传感器14与高压阀15之间通过管路依次连接有气控阀26、爆破片组件27和释放筒28。

煤岩心室相连的渗流高压气体管、高压液管均为软管，煤岩心室置于温水浴中，以提供合适的环境温度。吸附气源21为甲烷，解吸气源22为二氧化碳或氮气，但不限于此。释放筒28插入煤岩样中，打开储气罐25上的高压阀15，进行高压气体射流致裂试验，假定爆破片的爆破压力为30MPA，当储气罐25的出口压力超过30MPA时爆破片被破坏，30MPA的压力会瞬间致裂煤岩样试件。

如图3所示，爆破片组件27由爆破片27a、爆破片安装公头27b、爆破片安装母头27c和爆破片垫片27d组成。爆破片27a、爆破片垫片27d叠合后通过爆破片安装公头27b、爆破片安装母头27c螺接压紧在其中，在爆破片安装公头27b、爆破片安装母头27c之间还设置有密封圈12。

Claims (6)

1.一种气体渗流及射流用试验装置，其特征在于：包括煤岩心室、振动器(19)、超声波发生器(20)、吸附气源(21)、解吸气源(22)、手摇泵(23)、电阻率测定仪(24)、储气罐(25)、气控阀(26)、爆破片组件(27)和释放筒(28)，所述吸附气源(21)、解吸气源(22)通过进气管路并联在煤岩心室的左侧，并能分别为煤岩心室的煤岩心腔(A)提供吸附气体、解吸气体，吸附气源(21)、解吸气源(22)各配备有一个高压阀(15)并共用一个压力传感器(14)，煤岩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)安装在煤岩心室的左端为煤岩心室提供振动，超声波发生器(20)安装在煤岩心室上为煤岩心室提供超声波，所述手摇泵(23)为煤岩心室提供环向压力和轴向压力，所述电阻率测定仪(24)用于测量煤岩心室的煤岩样在高压及气体渗流下的电阻率，所述储气罐(25)通过管路连接在排气管路的压力传感器(14)前，且储气罐(25)配备有高压阀(15)和放空阀(16)，排气管路的压力传感器(14)与高压阀(15)之间通过管路依次连接有所述气控阀(26)、爆破片组件(27)和释放筒(28)。

2.按照权利要求1所述的气体渗流及射流用试验装置，其特征在于：所述煤岩心室包括圆钢筒(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)之间形成圆柱形的煤岩心腔(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所述的气体渗流及射流用试验装置，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)连接在煤岩心室的左端进口处。

4.按照权利要求1所述的气体渗流及射流用试验装置，其特征在于：与所述煤岩心室相连的渗流高压气体管、高压液管均为软管，煤岩心室置于温水浴中。

5.按照权利要求1所述的气体渗流及射流用试验装置，其特征在于：所述爆破片组件(27)包括爆破片(27a)、爆破片安装公头(27b)、爆破片安装母头(27c)和爆破片垫片(27d)，所述爆破片(27a)、爆破片垫片(27d)叠合后通过爆破片安装公头(27b)、爆破片安装母头(27c)螺接压紧在其中，在爆破片安装公头(27b)、爆破片安装母头(27c)之间还设置有密封圈(12)。

6.按照权利要求1所述的气体渗流及射流用试验装置，其特征在于：所述吸附气源(21)为甲烷，解吸气源(22)为二氧化碳或氮气。