CN115711798A - 一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，包括将煤样加工为立方体样品；对样品中裂缝进行刻画，明确样品裂缝分布规律；测量样品上X、Y、Z方向应变演化；对样品设定温度压力条件得到样品不同方向应变演化全过程曲线；取出样品做防气体进入处理后并对样品开展基质弹性模型K_m测试；本方法可以实现观测双重孔隙系统中难以测量基质系统弹性模量K_m以及基质系统Biot系数α_m的目标。

Description

一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法

技术领域

本发明涉及双重孔隙系统实中测量Biot系数领域，具体涉及一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法。

背景技术

煤作为典型的双重孔隙介质，由多孔基质和周围的裂缝组成。裂缝系统被认为是主要的渗流通道，而基质系统则被认为是多孔系气体储存空间。现有的Biot系数的测试方法主要是针对煤样整体进行测量的，主要是通过研究不同应力、套封条件下的：样品整体变形规律、渗透率变化规律来进行测试分析。

而煤是双重孔隙/渗透率系统，通常假设达西流是裂缝系统中流动的结果，煤基质中流体运移对达西流的贡献可以近似忽略不计。因此，煤层的渗透率是其裂缝系统的函数，无法通过渗透率测试反应基质系统内的变化。同时，在压应力状态下裂缝和基质均会产生变形，无法通过测量整体变形量进行完全区分；而且由于裂缝系统压缩性更强，实验测得的变形量受裂缝系统影响较大。

因此，在双重孔隙系统中，现阶段实验测量Biot系数的测试方法主要可以实现对裂缝系统Biot系数的测量，尚无法准确测量出基质系统Biot系数。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，其可以实现观测双重孔隙系统中难以测量基质系统弹性模量K_m以及基质系统Biot系数α_m的目标。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、将煤样加工为立方体样品，其中样品的上下表面平行于煤样层理面，其余四个垂直表面垂直于煤样层理面；

步骤S2、对样品中裂缝进行刻画，明确样品裂缝分布规律；

步骤S3、选取样品的上表面，布置若干应变片测量水平方向X、水平方向Y上的应变演化，选取相邻的一个侧面布置应变片测量垂直方向Z上的应变演化；

步骤S4、将整个样品放入加压装置中，对样品施加设定的压力以及温度，并实时监测各个应变片的数据；

步骤S5、加压装置内温度稳定后，以1MPa/N₁秒的速率将压力逐渐增加至1.0MPa，然后保持恒定在1.0MPa压力M小时至测得的应变稳定，即基质变形达到平衡状态，获取1MPa条件下样品应变演化曲线，取曲线中的最低点应变值为Δε₁，取曲线平衡阶段应变值为Δε₂；

其中：α_m为基质系统Biot系数；K_m为基质系统弹性模量；γ_f为裂缝系统Biot系数；t为时间；p₁为施加的气体压力；

为施加在样品上的应力；

步骤S6、随后以1MPa/N₁秒的速率将压力由1MPa增加至2MPa，然后保持恒定在2.0MPa的压力M小时，依次类推，将压力逐渐增大至6MPa，最终获取1-6MPa条件下的样品不同方向应变演化全过程曲线；

步骤S7、在上述步骤完成后，缓慢降低加压装置内的压力至大气压力；

步骤S8、将样品从加压装置中取出，在样品表面均匀涂抹一层硅橡胶，以保护应变片，随后在硅橡胶涂层上覆盖一层环氧树脂胶，以防止气体进入样品内；

步骤S9、将完全覆盖环氧树脂的样品重新装入加压装置中，开展基质弹性模型K_m测试，获取不同应力条件下基质内气压为0MPa时的基质应变值Δε₃；

其中Δε₃为基质内气压为0MPa的条件下测得的基质应变值；

步骤S10、联立上述(1.1)-(1.3)求解出基质系统弹性模量K_m、裂缝系统Biot系数γf、基质系统Biot系数α_m。

步骤S11、分别在水平方向X、水平方向Y、垂直方向Z对应的压力点上得出一组相应的Δε₁、Δε₂、以及Δε₃，据此计算出不同方向、不同应力条件下的基质系统弹性模量K_m、裂缝系统Biot系数γ_f、基质系统Biot系数α_m。

优选地，步骤2中通过X射线CT成像对型煤样品中裂缝进行刻画。

优选地，步骤S5中时间M根据不同样品达到变形平衡所需的时间进行选定。

本发明还提供一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的装置，包括放置在恒温室内的耐压罐，所述耐压罐内部用于放置试样并作密封处理；

所述耐压罐通过管路连通氦气罐，所述管路靠近耐压罐处设有用于检测其内部气体压力的压力传感器；

所述氦气罐出口的管路上还依次设有减压阀和电子气压控制阀；

所述恒温室内设有温度传感器，所述试样上设置的应变片与外部应变采集仪电性连接；

所述压力传感器、温度传感器以及应变采集仪分别电性连接外部处理器。

本发明的有益效果在于：现有的Biot系数的测试方法主要是针对煤样整体进行测量的，主要是通过研究不同应力、套封条件下的样品整体变形规律、渗透率变化规律来进行测试分析。而煤是双重孔隙/渗透率系统，通常假设达西流是裂缝系统中流动的结果，煤基质中流体运移对达西流的贡献可以近似忽略不计。因此，煤层的渗透率是其裂缝系统的函数，无法通过渗透率测试反应基质系统内的变化。同时，在压应力状态下裂缝和基质均会产生变形，无法通过测量整体变形量进行完全区分；而且由于裂缝系统压缩性更强，实验测得的变形量受裂缝系统影响较大。因此，在双重孔隙系统中，现阶段实验测量Biot系数的测试方法主要可以实现对裂缝系统Biot系数的测量，尚无法准确测量出基质系统Biot系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的试样放置应变片的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的装置连接示意图；

图3为本发明实施例提供的1MPa条件下应变演化曲线；

图4为本发明实施例提供的1-6MPa条件下的整体应变演化曲线；

图5为本发明实施例提供的基质系统弹性模量Km测试流程中应变值-时间曲线图。

附图标记说明：

1、X方向应变片；2、Y方向应变片；3、Z方向应变片；4、水平方向X；5、水平方向Y；6、垂直方向Z；7、氦气罐；8、减压阀；9、电子气压控制阀；10、恒温室；11、耐压罐；12、试样；13、压力传感器；14、温度传感器；15、应变采集仪；16、外部处理器。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、将煤样加工为3立方厘米的立方体样品，其中样品的上下表面平行于煤样层理面，其余四个侧面垂直于煤样层理面；

步骤S2、通过X射线CT成像对样品中裂缝进行刻画，明确样品裂缝分布规律；

步骤S3、选取样品的上表面，布置两个应变片测量水平方向X、水平方向Y上的应变演化，选取相邻的一个侧面布置Z方向应变片3测量垂直方向Z上的应变演化；参见图1，X、Y方向两个应变片为X方向应变片1和Y方向应变片2；

步骤S4、将整个样品放入加压装置中，对样品施加设定的压力以及温度，并实时监测各个应变片的数据；

参见图2，本实施例提供的加压装置为一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的装置，包括放置在恒温室10内的耐压罐11，所述耐压罐11内部用于放置试样12并作密封处理；

所述耐压罐7通过管路连通氦气罐7，所述管路靠近耐压罐11处设有用于检测其内部气体压力的压力传感器13；

所述氦气罐7出口的管路上还依次设有减压阀8和电子气压控制阀9；

所述恒温室10内设有温度传感器14，所述试样12上设置的应变片与外部应变采集仪15电性连接；

所述压力传感器13、温度传感器14以及应变采集仪15分别电性连接外部处理器16。

步骤S5、加压装置内温度稳定后，以1MPa/N₁秒的速率将压力逐渐增加至1.0MPa，然后保持恒定在1.0MPa压力M小时至测得的应变稳定，即基质变形达到平衡状态，获取1MPa条件下样品应变演化曲线，参见图3，取曲线中的最低点应变值为Δε₁，取曲线平衡阶段应变值为Δε₂；

其中：α_m为基质系统Biot系数；K_m为基质系统弹性模量；γ_f为裂缝系统Biot系数；t为时间；p₁为施加的气体压力；

为施加在样品上的应力；

步骤S6、随后以1MPa/N₁秒的速率将压力由1MPa增加至2MPa，然后保持恒定在2.0MPa的压力M小时，依次类推，将压力逐渐增大至6MPa，最终获取1-6MPa条件下的样品不同方向应变演化全过程曲线；参见图4；

步骤S7、在上述步骤完成后，缓慢降低加压装置内的压力至大气压力；

步骤S8、将样品从加压装置中取出，在样品表面均匀涂抹一层704硅橡胶，以保护应变片，随后在硅橡胶涂层上覆盖一层2mm厚环氧树脂胶，以防止气体进入样品内；

步骤S9、将完全覆盖环氧树脂的样品重新装入加压装置中，开展基质弹性模型K_m测试，获取不同应力条件下基质内气压为0MPa时的基质应变值Δε₃；参见图5；

其中Δε₃为基质内气压为0MPa的条件下测得的基质应变值；

步骤S10、联立上述(1.1)-(1.3)求解出基质系统弹性模量K_m、裂缝系统Biot系数γf、基质系统Biot系数α_m。

步骤S11、分别在水平方向X、水平方向Y、垂直方向Z对应的压力点上得出一组相应的Δε₁、Δε₂、以及Δε₃，据此计算出不同方向、不同应力条件下的基质系统弹性模量K_m、裂缝系统Biot系数γ_f、基质系统Biot系数α_m。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、将煤样加工为立方体样品，其中样品的上下表面平行于煤样层理面，其余四个侧面垂直于煤样层理面；

步骤S2、对样品中裂缝进行刻画，明确样品裂缝分布规律；

步骤S3、选取样品的上表面，布置若干应变片测量水平方向X、水平方向Y上的应变演化，选取相邻的一个侧面布置应变片测量垂直方向Z上的应变演化；

步骤S4、将整个样品放入加压装置中，对样品施加设定的压力以及温度，并实时监测各个应变片的数据；

步骤S5、加压装置内温度稳定后，以1MPa/N₁秒的速率将压力逐渐增加至1.0MPa，然后保持恒定在1.0MPa压力M小时至测得的应变稳定，即基质变形达到平衡状态，获取1MPa条件下样品应变演化曲线，取曲线中的最低点应变值为Δε₁，取曲线平衡阶段应变值为Δε₂；

其中：α_m为基质系统Biot系数；K_m为基质系统弹性模量；γ_f为裂缝系统Biot系数；t为时间；p₁为施加的气体压力；

为施加在样品上的应力；

步骤S6、随后以1MPa/N₁秒的速率将压力由1MPa增加至2MPa，然后保持恒定在2.0MPa的压力M小时，依次类推，将压力逐渐增大至6MPa，最终获取1-6MPa条件下的样品不同方向应变演化全过程曲线；

步骤S7、在上述步骤完成后，缓慢降低加压装置内的压力至大气压力；

步骤S8、将样品从加压装置中取出，在样品表面均匀涂抹一层硅橡胶，以保护应变片，随后在硅橡胶涂层上覆盖一层环氧树脂胶，以防止气体进入样品内；

步骤S9、将完全覆盖环氧树脂的样品重新装入加压装置中，开展基质弹性模型K_m测试，获取不同应力条件下基质内气压为0MPa时的基质应变值Δε₃；；

其中Δε₃为基质内气压为0MPa的条件下测得的基质应变值；

步骤S10、联立上述(1.1)-(1.3)求解出基质系统弹性模量K_m、裂缝系统Biot系数γf、基质系统Biot系数α_m。

步骤S11、分别在水平方向X、水平方向Y、垂直方向Z对应的压力点上得出一组相应的Δε₁、Δε₂、以及Δε₃，据此计算出不同方向、不同应力条件下的基质系统弹性模量K_m、裂缝系统Biot系数γ_f、基质系统Biot系数α_m。

2.如权利要求1所述的一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，其特征在于：步骤2中通过X射线CT成像对型煤样品中裂缝进行刻画。

3.如权利要求1所述的一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的测试方法，其特征在于：步骤S5中时间M根据不同样品达到变形平衡所需的时间进行选定。

4.一种测量双重孔隙煤岩基质系统Biot系数的装置，其特征在于：包括放置在恒温室内的耐压罐，所述耐压罐内部用于放置试样并作密封处理；

所述耐压罐通过管路连通氦气罐，所述管路靠近耐压罐处设有用于检测其内部气体压力的压力传感器；

所述氦气罐出口的管路上还依次设有减压阀和电子气压控制阀；

所述恒温室内设有温度传感器，所述试样上设置的应变片与外部应变采集仪电性连接；

所述压力传感器、温度传感器以及应变采集仪分别电性连接外部处理器。

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