CN114720350A - 一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法 - Google Patents
一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114720350A CN114720350A CN202210383193.8A CN202210383193A CN114720350A CN 114720350 A CN114720350 A CN 114720350A CN 202210383193 A CN202210383193 A CN 202210383193A CN 114720350 A CN114720350 A CN 114720350A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coal
- rock
- pressure
- sample
- deformation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 254
- 239000003245 coal Substances 0.000 title claims abstract description 207
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 238000010998 test method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 30
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 26
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 11
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 9
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims description 5
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 241000965478 Darksidea epsilon Species 0.000 claims 1
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 12
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000013102 re-test Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
- G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
- G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
- G01N15/0806—Details, e.g. sample holders, mounting samples for testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
- G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
- G01N3/12—Pressure testing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0001—Type of application of the stress
- G01N2203/0003—Steady
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0014—Type of force applied
- G01N2203/0016—Tensile or compressive
- G01N2203/0019—Compressive
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/003—Generation of the force
- G01N2203/0042—Pneumatic or hydraulic means
- G01N2203/0044—Pneumatic means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/022—Environment of the test
- G01N2203/023—Pressure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/025—Geometry of the test
- G01N2203/0256—Triaxial, i.e. the forces being applied along three normal axes of the specimen
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/026—Specifications of the specimen
- G01N2203/0298—Manufacturing or preparing specimens
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法，通过设置渗流夹持器的结构对煤‑岩组合体样品施加限定位移的边界条件，模拟煤储层气开发过程中煤和顶板相互作用状况，通过测试煤‑岩组合体的在不同压降条件下顶板岩石的挠度以及煤变形量，并比较二者大小确定煤‑岩组合体的边界条件，模拟了煤储层气开发过程中煤和顶板在真实受力状态以及受力后的变形状况；这为建立精细描述煤储层渗透率的数学模型提供了依据，利用模型精准指导煤储层气开发工程，既节省了时间，又降低了试错成本。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气排采工程技术领域，尤其是研究岩石变形对煤储层裂缝渗透率的影响。
背景技术
煤层气是我国储量丰富的非常规地质能源，开发利用煤层气具有资源、安全、环保三重意义，受到高度重视。虽然我国已在局部区块实现煤层气产商业化开发，但仍然存在单井产量低且差异大等问题。而煤储层渗透率是影响煤层产气量的关键参数，煤层渗透率越大，越有利于孔隙流体运移，因此研究煤储层渗透率的影响因素至关重要。
煤层气开发方式是在煤层内进行排水降压，当煤层压力小于吸附气体的临界解吸压力时，煤基质孔隙内的吸附气发生解吸，引起煤基质收缩。与此同时，煤层压力降低也会导致有效应力增加，进一步压缩煤体积。最终导致煤基质渗透率下降，影响了煤层的产气量。围绕煤体骨架变形影响渗透率变化的这个基本科学问题，多数研究是基于弹性力学的半无限空间假设，将层状煤体的变形简化为半平面应变问题，提出了单向变形、三轴应力控制的边界条件，仅有少数研究假设限定体积条件。对于含煤的地层结构，位于煤层顶部的岩层(称为顶板)对煤层施加竖向压力，位于煤层底部的岩层(称为底板)支撑煤层。煤层与顶板、底板构成夹层状结构。煤层压力降低导致煤体积收缩，同时也改变了煤层顶板的下部支撑条件，可诱发顶板发生弯曲变形，改变煤层的约束条件。在实际工程中，为了提高煤储层气开发经济性，需要事先建立描述煤储层渗透率模型来预测产气量，而建立渗透率数学模型必须明确煤层的边界条件，如何判别煤层压力变化导致边界约束条件变化尚不清楚，这给建立能够精细描述煤储层渗透率的数学模型变化带来很大困难。
发明内容
为了判别煤层压力变化导致边界约束条件变化情况以及对煤渗透性的影响，本发明提供一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法，通过该试验方法可以模拟煤储层气开发过程中煤和顶板真实受力状态和受力后的变形状况，以及对煤渗透性的影响。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法，其特征在于，
第一步：准备渗流夹持器
所述的渗流夹持器主要包括外框架和设在外框架内的轴向柱塞、耐压筒体和轴向固定端等，轴向柱塞从耐压筒体一侧插入，轴向固定端与耐压筒体另一侧构成整体，通过轴向固定端和轴向柱塞实现将测试样品夹持在耐压筒体中；在轴向固定端和轴向柱塞轴心分别设有与测试样品相通的气道，分别称为上游气道和下游气道，在上游气道上设有调压阀、压力传感器和气源，在下游气道上设有回压阀和压力传感器；所述耐压筒体上设有对样品施加环向压力的注液口，模拟竖向地应力的压缩效应；所述外框架对轴向柱塞和轴向固定端固定，实现对样品施加限定位移的边界条件，模拟水平层状岩体的受力状态；
第二步：样品准备
根据地质资料中煤层与顶板岩层的厚度比例，切割煤块与岩块，将其加工成多个长方体煤样与顶板岩样，顶板岩样长度略短于煤样长度；
按照岩-煤-刚体的顺序组合煤样、岩样和刚性支座形成夹层结构，简称煤-岩组合体，在岩样的一个端面粘贴橡胶垫为其弯曲变形提供柔性空间，使岩样与煤样的长度相同；在煤样侧面靠近橡胶垫块位置沿竖向电阻粘贴应变片，在顶板岩石顶面靠近橡胶垫块的位置，沿长度方向粘贴电阻应变片；
第三步：对煤-岩组合体施加组合压力
首先将一组煤-岩组合体插入密封套内，再将密封胶套放入耐压筒体内，煤-岩组合体有橡胶垫块的端面接触渗流夹持器的轴向柱塞，另一端面接触夹持器的轴向固定端；
对煤-岩组合体施加环压，使密封套会挤压煤-岩组合体与轴向柱塞和轴向固定端之间的空隙；再开启气源使用上游压力调节阀控制进入煤样的气体压力，煤样的下游压力值可由回压阀控制，等待煤样排出气体流量趋于稳定后，记录此时压力传感器监测到夹持器的上游压力p上、下游压力p下，以及利用流量计监测到排出气体的流量Q，煤样应变ε煤-竖向与岩石应变ε岩通过布设的电阻应变片监测；
第四步：煤-岩界面的边界条件试验
在某一环压σ环向与压差p上-p下条件下，根据观测的煤应变ε煤-竖向与岩石应变ε岩利用数据分析确定煤-岩界面的边界条件；数据分析时，首先分别计算出在某一测试条件下的煤样的压缩变形量Δd以及顶板岩石弯曲的挠度w；其次比较煤样变形量Δd与顶板岩石挠度w，根据两者的大小关系判定煤-岩界面的边界条件，如果是应力控制条件，需要重新确定煤-岩界面正应力σ煤-岩；
进一步的，具体过程为：
4.1：根据实际地层处于三向压缩状态，顶板岩石在夹持器内受到水平向压力与环向压力；在岩石顶面粘贴应变片的位置选取单元体，该单元体受到三个方向的主应力σ1代表上-下方向主应力、σ2代表前-后方向主应力、σ3代表左-右方向的主应力，由于煤-岩组合体受到耐压筒体内液压σ环向作用，且岩石弯曲变形属于小变形范围，可以判定σ1＝σ2＝σ环向，σ3为岩石的弯曲正应力σ弯曲；
4.2：计算岩石弯曲变形的挠度w
根据广义胡克定律，单元体在σ3方向上的应变ε3＝ε岩可表达为ε3＝[σ3-μ岩(σ2+σ1)]/E岩，由于σ1＝σ2＝σ环向，可得出σ3＝ε3E岩+2μ岩σ环向，其中，μ岩为岩石的泊松比，E岩为岩石的弹性模量；
根据梁弯曲应力表达式σ3＝My/Iz，可以确定岩梁的弯矩M＝σ3Iz/y，其中Iz＝bh3/12是岩梁的惯性矩，h是岩梁截面的高度，b是岩梁截面的宽度，y＝h/2，；
根据岩梁变形的曲率半径ρ＝E岩Iz/M，与岩梁转角θ＝L/ρ，得到岩石弯曲变形的挠度
其中L为煤-岩组合体的长度；
4.3：计算煤变形量Δd
根据固体应变表达式ε煤-竖向＝Δd/d，可计算出煤变形Δd＝d·ε煤-竖向；
其中Δd为煤变形量，d为煤初始厚度；
4.4：判定煤-岩界面的边界条件
比较w与Δd大小，判定煤-岩界面在某一环压σ环向与压差p上-p下条件下的边界条件，即：
(1)如果w＜Δd，煤样品的边界可定义为限定体积条件，说明此时施加在煤-岩组合体上的环压和上、下游气压虽然使顶板岩石发生变形，但岩石没有压缩煤样，该环压和上下游压差组合是有利于煤层气体渗流。
(2)如果w＝Δd，煤样品的边界可认为是应力控制条件，说明此时施加在煤-岩组合体上的环压和上、下游气压不仅使顶板岩石与煤样出现同步变形，而且改变了在煤-岩界面上的正应力，因此，需要重新确定煤-岩界面正应力σ煤-岩；
进一步，确定煤-岩界面正应力σ煤-岩的步骤是：
1)在煤侧面布设应变片的位置选取单元体，该单元体受到三个方向的主应力σ环向代表前-后方向主应力、σ水平代表左-右方向主应力、σ煤-岩代表上-下方向主应力，由于煤样品两端受到轴向柱塞和轴向固定端的约束，沿水平向的煤变形可认为ε煤-水平＝0，根据广义胡克定律，沿水平向的应变可表达为ε煤-水平＝[σ水平-μ(σ环向+σ煤-岩)]/E煤＝0，改写为σ水平＝μ(σ环向+σ煤-岩)；
2)根据胡克定律，实测的煤样品应变ε煤-竖向可表达为ε煤-竖向＝[σ煤-岩-μ(σ环向+σ水平)]/E煤，已知在上述计算步骤1)中σ水平＝μ(σ环向+σ煤-岩)，煤-岩界面正应力σ煤-岩可表达为
其中μ为煤的泊松比，可在实验中测得。
上述公式中E煤为煤样的弹性模量，ε煤-竖向为煤样应变，通过第二步中布设的电阻应变片监测得到；
4.5：改变环压σ环向与压差p上-p下的组合条件按照步骤三和四重新试验，从而得到煤-岩界面在新的环压σ环向与压差p上-p下条件下的边界条件以及对应的煤-岩界面正应力σ煤-岩，以此类推，不断改变环压σ环向与压差p上-p下的组合条件，从而得到煤-岩界面在不同环压σ环向与压差p上-p下的组合条件下的边界条件以及对应的煤-岩界面正应力σ煤-岩，为精细描述煤储层渗透率的数学模型提供依据；
第五步：渗透率测试
根据第三步监测到的排出气体流量Q，根据下式计算不同上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤-岩组合体的渗透率；
式中：β是气体黏度
A是煤样横截面积
L是煤-岩组合体煤样长度
Q是气体流量；
至此，就得到煤-岩组合体在不同上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下对应的边界条件及其对应的渗透率；
第六步：对比不同压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤-岩组合体的边界条件和渗透率差异，优选出限定体积下的环向压力以及气压值，为高效开发煤层气资源提供工艺参数。
本发明的优点是：
1、本发明通过限定体积条件，模拟煤储层气开发过程中煤和顶板相互作用状况，通过测试煤-岩组合体的在不同压降条件下顶板岩石的挠度以及煤变形量，并比较二者大小确定煤-岩组合体的边界条件，模拟了煤储层气开发过程中煤和顶板在真实受力状态以及受力后的变形状况；这为建立精细描述煤储层渗透率的数学模型提供了依据，利用模型精准指导煤储层气开发工程，既节省了时间，又降低了试错成本。
2、本发明通过模拟煤储层压降后地层变形对煤渗透率影响，得到测定限定体积条件对应的环向压力以及气压值；在实际工程中，可以通过控制产气井底压力控制地层变形降低对煤渗透率影响，从而推动高效开发煤层气资源。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所使用的附图作简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例原理图，对于本领域普通技术人员来讲，还可根据这些附图获得其他类似的附图。
图1是本发明试验方法所涉及的渗流夹持器结构示意图；
图2是本发明试验方法中样品安装示意图；
图3是本发明试验方法中涉及到的煤-岩体的力学模型图，图中既反映了顶板岩石-煤-刚性支座的受力情况，又反映了顶板岩石顶面单元煤体应力状态和煤体内单元体应力状态；
图4是顶板岩石弯曲与煤样压缩变形示意图。
图中：1-回压阀，2-下游压力传感器，3-横梁，4-耐压筒体，5-橡胶垫块，6-橡胶套，7-顶板岩样，8-轴向固定端，9-上游压力传感器，10-调压阀，11-煤样，12-刚性体支座，13-管线接口，14-环压泵，15-竖框，16-气源，17-顶板岩石应变片，18-煤样品应变片，19-螺钉，20-轴向柱塞。
具体实施的方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本发明试验方法涉及到的试验装置是一个渗流夹持器，渗流夹持器主要包括耐压筒体4、分别设在耐压筒体4左右端的轴向柱塞20和轴向固定端8，以及限制轴向柱塞20和轴向固定端8发生位移的外框架。所述的轴向柱塞20从夹持器左侧插入耐压筒体，所述的轴向固定端8与耐压筒体4构成一体，通过轴向固定端8和轴向柱塞20将测试样品夹持在耐压筒体4中；耐压筒体4筒壁与样品之间形成环形空腔，所述的环压泵14通过管道从管线接口13往环形空腔注液，模拟竖向地应力的压缩效应；在轴向固定端8和轴向柱塞20的轴心均设有与煤样11相通的气道，分别称为上游气道和下游气道，在上游气道上设有调压阀10、上游压力传感器9和气源16，在下游气道上设有回压阀1和下游压力传感器2；所述的外框架由左右竖框15和上下横梁3组合固定成一体。
下面详述利用渗流夹持器实现评价评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法。
第一步：样品准备
从煤层气开发工程现场选取代表顶板岩层和煤层的样品，切割煤块样品与岩块样品加工成多个长方体煤样与顶板岩样，样与顶板岩样厚度比例与现场煤层与顶板岩层的厚度一致，其中顶板岩样长度略短于煤样长度，短的一节用橡胶垫块代替；
按照试验要求，按照图1-2，将煤样11与顶板岩样6按照岩块-煤样-刚性体(简称煤-岩组合体)顺序组合成夹层结构，图中刚性支座12就是刚性体，在岩样的一端面粘贴橡胶垫块5使岩样与煤样的长度相同，以模拟煤层顶板产生竖向变形条件；在煤样侧面靠近橡胶垫块5位置沿竖向粘贴煤样品应变片18，在顶板岩石顶面靠近橡胶垫块的位置，沿长度方向粘贴顶板岩石应变片17；
第二步：试验准备
参照图2将一组煤-岩组合体插入密封套内，再将带有煤-岩组合体的密封橡胶套6从耐压筒体4左端插入，使得煤-岩组合体有橡胶垫块5的端面接触渗流夹持器的轴向柱塞8，另一端面接触夹持器的轴向固定端20，再用螺钉19将耐压筒体左端固定，然后再用竖框15和横梁3限制轴向固定端20和轴向柱塞8的外侧，从而实现对样品施加限定位移的边界条件。
第三步：对煤-岩组合体施加组合压力
先启动环压泵13对煤-岩组合体施加环压，在环压作用下密封橡胶套6会挤压煤-岩组合体与轴向柱塞20、轴向固定端8之间的空隙；再开启气源16使用上游压力调节阀10控制进入煤样的气体压力，煤样的下游压力值可由回压阀1控制。气体从气源16经过轴向固定端8，流入样品，再从轴向柱塞20流出，等待排出气体流量趋于稳定后，记录上、下压力传感器9和2监测到的夹持器的上游压力p上、下游压力p下，以及利用流量计监测到的排出气体的流量Q，煤样应变ε煤-竖向与岩石应变ε岩通过布设的煤样品应变片18和顶板岩石应变片17监测；
第四步：煤-岩界面的边界条件试验
在某一环压σ环向与压差p上-p下条件下，根据观测的煤应变ε煤-竖向与岩石应变ε岩，利用数据分析确定煤-岩界面的边界条件；首先，分别计算出在某一测试条件下的煤样的压缩变形量Δd以及顶板岩石弯曲的挠度w；其次，比较煤样变形量Δd与顶板岩石挠度w，根据两者的大小关系判定煤-岩界面的边界条件，具体过程为：
4.1：根据实际地层处于三向压缩状态，顶板岩石在夹持器内受到水平向压力与环向压力，受力模型见图3；在岩石顶面粘贴顶板岩石应变片17的位置选取图3所示的单元体，从图中示出的顶板岩石顶面单元煤体应力状态看出，该单元体受到三个方向的主应力σ1代表上-下方向主应力、σ2代表前-后方向主应力、σ3代表左-右方向的主应力，由于煤-岩组合体受到耐压筒体内液压σ环向作用，且岩石弯曲变形属于小变形范围，可以判定σ1＝σ2＝σ环向，σ3＝σ弯曲；
4.2：计算岩石弯曲变形的挠度w
根据广义胡克定律，单元体在σ3方向上的应变ε3＝ε岩可表达为ε3＝[σ3-μ岩(σ2+σ1)]/E岩，由于σ1＝σ2＝σ环向，可得出σ3＝ε3E岩+2μ岩σ环向，其中，μ岩为岩石的泊松比，E岩为岩石的弹性模量；
根据梁弯曲应力表达式σ3＝My/Iz，可以确定岩梁的弯矩M＝σ3Iz/y，其中Iz＝bh3/12是岩梁的惯性矩，h是岩梁截面的高度，b是岩梁截面的宽度，y＝h/2；
根据岩梁变形的曲率半径ρ＝E岩Iz/M，与岩梁转角θ＝L/ρ，见图4，得到岩石弯曲变形的挠度
其中L为煤-岩组合体的长度；
4.3：计算煤变形量Δd
根据固体应变表达式ε煤-竖向＝Δd/d，可计算出煤变形Δd＝d·ε煤-竖向；ε煤-竖向通过布设的煤样品应变片18监测到，d为煤样初始厚度；
4.4：判定煤-岩界面的边界条件
比较w与Δd大小，判定煤-岩界面在某一环压σ环向与压差p上-p下条件下的边界条件，即：
(1)如果w＜Δd，煤样品的边界可定义为限定体积条件；
(2)如果w＝Δd，煤样品的边界可认为是应力控制条件，则需要确定煤-岩界面正应力σ煤-岩，其计算步骤是：
1)在煤侧面布设应变片的位置选取图3所示的单元体，从图所示的煤体内单元体应力状态看出，该单元体受到三个方向的主应力，分别是前-后方向主应力σ环向、左-右方向主应力σ水平和上-下方向主应力σ煤-岩，由于煤样品两端受到轴向柱塞20和轴向固定端8的约束，沿水平向的煤变形可认为ε煤-水平＝0，根据广义胡克定律，沿水平向的应变可表达为ε煤-水平＝[σ水平-μ(σ环向+σ煤-岩)]/E煤＝0，改写为σ水平＝μ(σ环向+σ煤-岩)；
2)根据胡克定律，实测的煤样品应变ε煤-竖向可表达为ε煤-竖向＝[σ煤-岩-μ(σ环向+σ水平)]/E煤，上述计算步骤1)中σ水平＝μ(σ环向+σ煤-岩)，煤-岩界面正应力σ煤-岩可表达为
其中μ为煤的泊松比，可在实验中测得；
上述公式中E煤为煤样的弹性模量，ε煤-竖向为煤样应变，在第3.2步骤中通过布设的煤样品应变片18监测得到；
4.5：更换煤-岩组合体并改变环压σ环向与压差p上-p下的组合条件按照步骤三和四重新试验，从而得到定煤-岩界面在新的环压σ环向与压差p上-p下条件下的边界条件，以此类推，不断改变环压σ环向与压差p上-p下的组合条件重新试验，从而得到煤-岩界面在不同环压σ环向与压差p上-p下的组合条件下的边界条件；
第五步：渗透率测试
在对煤-岩组合体施加不同组合压力试验煤-岩组合体边界条件时，已经监测到不同组合压力下排出的气体流量Q，在此基础上，根据下式计算不同上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤-岩组合体的渗透率；
式中：β是气体黏度，A是煤样横截面积，L是煤-岩组合体长度，Q是气体流量；
至此，就得到煤-岩组合体在不同上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下对应的边界条件下和相对应的渗透率，也就是说，一组上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向，对应一个边界条件和渗透率；
第六步：纵向比较边界条件和渗透率，就可以得到不同压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤-岩组合体的边界条件的变化以及对渗透率的影响，这样就可以优选出限定体积下的环向压力以及气压值，为实现高效开发煤层气资源提供工艺参数。
上述实施例中描述渗流夹持器时用到了左端、右端，上游和下游等词，这是基于图1位置关系所做的陈述，并不是对本发明技术方案的限制，本发明的保护范围应该以权利要求书限定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法，其特征在于，步骤如下：
第一步：准备渗流夹持器
所述的渗流夹持器主要包括外框架和设在外框架内的轴向柱塞、耐压筒体和轴向固定端，轴向柱塞从耐压筒体一侧插入，轴向固定端与耐压筒体另一侧构成整体，通过轴向固定端和轴向柱塞实现将测试样品夹持在耐压筒体中；在轴向固定端和轴向柱塞轴心分别设有与测试样品相通的气道，分别称为上游气道和下游气道，在上游气道上设有调压阀、压力传感器和气源，在下游气道上设有回压阀和压力传感器；所述耐压筒体上设有对样品施加环向压力的注液口，模拟竖向地应力的压缩效应；所述外框架对轴向柱塞和轴向固定端固定，实现对样品施加限定位移的边界条件；
第二步：样品准备
根据地质资料中煤层与顶板岩层的厚度比例，切割煤块与岩块，将其加工成多个长方体煤样与顶板岩样，顶板岩样长度短于煤样长度；
按照岩-煤-刚体的顺序组合煤样、顶板岩样和刚性支座形成夹层结构，简称煤-岩组合体，在顶板岩样的一个端面粘贴橡胶垫为其弯曲变形提供柔性空间，使顶板岩样与煤样的长度相同；在煤样侧面靠近橡胶垫块位置沿竖向电阻粘贴应变片，在顶板岩样顶面靠近橡胶垫块的位置，沿长度方向粘贴电阻应变片；
第三步：对煤-岩组合体施加组合压力
首先将一组煤-岩组合体插入密封套内，再将密封胶套放入耐压筒体内，煤-岩组合体有橡胶垫块的端面接触渗流夹持器的轴向柱塞，另一端面接触夹持器的轴向固定端；
对煤-岩组合体施加环压，使密封套会挤压煤-岩组合体与轴向柱塞和轴向固定端之间的空隙；再开启气源使用上游压力调节阀控制进入煤样的气体压力，煤样的下游压力值可由回压阀控制，等待煤样排出气体流量趋于稳定后，记录此时压力传感器监测到夹持器的上游压力p上、下游压力p下，以及利用流量计监测到排出气体的流量Q，煤样应变ε煤-竖向与岩石应变ε岩通过布设的电阻应变片监测；
第四步：煤-岩界面的边界条件试验
在某一环压σ环向与压差p上-p下条件下，根据观测的煤应变ε煤-竖向与顶板岩样应变ε岩利用数据分析确定煤-岩界面的边界条件；数据分析时，首先分别计算出在某一测试条件下的煤样的压缩变形量Δd以及顶板岩样弯曲的挠度w；其次比较煤样变形量Δd与顶板岩样挠度w，根据两者的大小关系判定煤-岩界面的边界条件，如果是应力控制条件，需要重新确定煤-岩界面正应力σ煤-岩；
4.5：改变环压σ环向与压差p上-p下的组合条件按照步骤三和四重新试验，从而得到煤-岩界面在新的环压σ环向与压差p上-p下条件下的边界条件，以及对应的煤-岩界面正应力σ煤-岩，以此类推，不断改变环压σ环向与压差p上-p下的组合条件，从而得到煤-岩界面在不同环压σ环向与压差p上-p下的组合条件下的边界条件，以及对应的煤-岩界面正应力σ煤-岩；
第五步：渗透率测试
根据第三步监测到的排出气体流量Q，根据下式计算不同上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤-岩组合体的渗透率；
式中：β是气体黏度；
A是煤样横截面积；
L是煤-岩组合体煤样长度；
Q是气体流量；
至此，就得到煤-岩组合体在不同上游压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下对应的边界条件及其对应的渗透率；
第六步：对比不同压力p上、下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤-岩组合体的边界条件和渗透率差异，优选出限定体积下的环向压力以及气压值，为高效开发煤层气资源提供工艺参数。
2.如权利要求1所述的评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法，其特征在于，步骤四中煤-岩界面的边界条件试验的具体过程为：
4.1：根据实际地层处于三向压缩状态，顶板岩石在夹持器内受到水平向压力与环向压力；在顶板岩样顶面粘贴应变片的位置选取单元体，该单元体受到三个方向的主应力σ1代表上-下方向主应力、σ2代表前-后方向主应力、σ3代表左-右方向的主应力，由于煤-岩组合体受到耐压筒体内液压σ环向作用，且岩石弯曲变形属于小变形范围，可以判定σ1＝σ2＝σ环向，σ3为岩石的弯曲正应力σ弯曲；
4.2：计算岩石弯曲变形的挠度w
根据广义胡克定律，单元体在σ3方向上的应变ε3＝ε岩可表达为ε3＝[σ3-μ岩(σ2+σ1)]/E岩，由于σ1＝σ2＝σ环向，可得出σ3＝ε3E岩+2μ岩σ环向，其中，μ岩为顶板岩样的泊松比，E岩为顶板岩样的弹性模量；
根据梁弯曲应力表达式σ3＝My/Iz，可以确定顶板岩样的弯矩M＝σ3Iz/y，其中Iz＝bh3/12是顶板岩样的惯性矩，h是顶板岩样截面的高度，b是顶板岩样截面的宽度，y＝h/2；
根据顶板岩样变形的曲率半径ρ＝E岩Iz/M，与顶板岩样转角θ＝L/ρ，得到顶板岩样弯曲变形的挠度
其中L为煤-岩组合体的长度；
4.3：计算煤变形量Δd
根据固体应变表达式ε煤-竖向＝Δd/d，可计算出煤样变形Δd＝d·ε煤-竖向；
其中Δd为煤样变形量，d为煤样初始厚度；
4.4：判定煤-岩界面的边界条件
比较w与Δd大小，判定煤-岩界面在某一环压σ环向与压差p上-p下条件下的边界条件，即：
(1)如果w＜Δd，煤样品的边界可定义为限定体积条件，说明此时施加在煤-岩组合体上的环压和上、下游气压虽然使顶板岩样发生变形，但顶板岩样没有压缩煤样，该环压和上下游压差组合是有利于煤层气体渗流；
(2)如果w＝Δd，煤样的边界可认为是应力控制条件，说明此时施加在煤-岩组合体上的环压和上、下游气压不仅使顶板岩样与煤样出现同步变形，而且改变了在煤-岩界面上的正应力，因此，需要重新确定煤-岩界面正应力σ煤-岩。
3.如权利要求2所述的评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法，其特征在于，确定煤-岩界面正应力σ煤-岩的步骤是：
1)在煤样侧面布设应变片的位置选取单元体，该单元体受到三个方向的主应力σ环向代表前-后方向主应力、σ水平代表左-右方向主应力、σ煤-岩代表上-下方向主应力，由于煤样两端受到轴向柱塞和轴向固定端的约束，沿水平向的煤样变形可认为ε煤-水平＝0，根据广义胡克定律，沿水平向的煤样应变可表达为ε煤-水平＝[σ水平-μ(σ环向+σ煤-岩)]/E煤＝0，改写为σ水平＝μ(σ环向+σ煤-岩)；
2)根据胡克定律，实测的煤样应变ε煤-竖向可表达为ε煤-竖向＝[σ煤-岩-μ(σ环向+σ水平)]/E煤，已知在上述计算步骤1)中σ水平＝μ(σ环向+σ煤-岩)，煤-岩界面正应力σ煤-岩可表达为
其中μ为煤样的泊松比，通过实验测得；
上述公式中E煤为煤样的弹性模量，ε煤-竖向为煤样应变，通过第二步中布设在煤样中的电阻应变片监测得到。
4.一种用于权利要求1所述的评价岩石变形影响煤体渗透性试验方法的渗流夹持器，其特征在于，所述的渗流夹持器主要包括外框架和设在外框架内的轴向柱塞、耐压筒体和轴向固定端等，轴向柱塞从耐压筒体一侧插入，轴向固定端与耐压筒体另一侧构成整体，通过轴向固定端和轴向柱塞实现将测试样品夹持在耐压筒体中；在轴向固定端和轴向柱塞轴心分别设有与测试样品相通的气道，分别称为上游气道和下游气道，在上游气道上设有调压阀、压力传感器和气源，在下游气道上设有回压阀和压力传感器；所述耐压筒体上设有对样品施加环向压力的注液口，模拟竖向地应力的压缩效应；所述外框架对轴向柱塞和轴向固定端固定，实现对样品施加限定位移的边界条件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210383193.8A CN114720350A (zh) | 2022-04-13 | 2022-04-13 | 一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210383193.8A CN114720350A (zh) | 2022-04-13 | 2022-04-13 | 一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114720350A true CN114720350A (zh) | 2022-07-08 |
Family
ID=82243551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210383193.8A Pending CN114720350A (zh) | 2022-04-13 | 2022-04-13 | 一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114720350A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117740662A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-03-22 | 中南大学 | 一种差异条件橡胶密封垫老化试验装置及测试方法 |
-
2022
- 2022-04-13 CN CN202210383193.8A patent/CN114720350A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117740662A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-03-22 | 中南大学 | 一种差异条件橡胶密封垫老化试验装置及测试方法 |
| CN117740662B (zh) * | 2024-02-18 | 2024-05-14 | 中南大学 | 一种差异条件橡胶密封垫老化试验装置及测试方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102323159B (zh) | 高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪的测试方法 | |
| CN103389247B (zh) | 一种用于模拟高水压下混凝土构件水力劈裂的试验系统 | |
| CN106018748A (zh) | 一种单裂隙岩体流-固耦合试验系统及试验方法 | |
| CN108982228A (zh) | 一种可燃冰沉积物真三轴试验装置 | |
| CN201803962U (zh) | 非均质模型ct扫描模拟装置 | |
| CN105403498A (zh) | 可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置 | |
| CN110006764B (zh) | 岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法 | |
| CN109946215A (zh) | 一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置 | |
| CN101881715A (zh) | 水泥土平面应变试验仪 | |
| CN114720350A (zh) | 一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法 | |
| CN107219128A (zh) | 多期构造运动作用下煤系地层应力分布模拟装置及方法 | |
| CN110044799B (zh) | 非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置及方法 | |
| CN114088918B (zh) | 一种煤系岩石相似材料试样成型与加载一体化装置及方法 | |
| CN115372222A (zh) | 一种用于变开度网络裂隙岩体渗流实验的装置 | |
| CN111896384B (zh) | 一种三轴应力下混凝土构件水力劈裂试验装置及试验方法 | |
| CN105547539B (zh) | 基于经纬应变线的地应力方向测量系统及方法 | |
| CN209878515U (zh) | 岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置 | |
| CN116067803A (zh) | 高温高渗化学耦合下真三向动静组合剪切实验设备和方法 | |
| CN201697841U (zh) | 水泥土平面应变试验仪 | |
| CN108507922B (zh) | 让压锚注耦合支护下岩体注浆渗流及加固特性试验方法 | |
| CN115749708B (zh) | 一种稠油直井-水平井连通建立模拟装置及方法 | |
| CN216208442U (zh) | 渗透仪 | |
| CN113607633B (zh) | 轴对称应力条件下顶管泥浆套减阻性能测定装置及方法 | |
| Reis et al. | Performance of a cubical triaxial apparatus for testing saturated and unsaturated soils | |
| CN214403549U (zh) | 一种测量致密油气储层裂缝发育对产能影响的装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |