CN205229005U - 一种测定煤岩各向渗透率的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测定煤岩各向渗透率的实验装置，包括煤岩夹持机构、流体注入机构和流量计量机构，煤岩夹持机构包括夹持器，所述夹持器具有圆柱状钢质容器外壳，煤样密封块包括立方体状煤样，分别设置于所述立方体状煤样的各个表面上的多个流体管线接头，各流体管线接头上分别连接有与煤样的各个表面相连通的多条流体管线，各流体管线延伸至钢质容器外壳的外部。在圆柱状钢质容器外壳的柱面、顶面和底面分别开设有与各流体管线相对应的多个孔眼。本实用新型可以准确地得到立方体状煤样各向的渗流数据，提高测试及数据处理精度，使得测试装置的流型接近线性流假设，按照多个气水比重复进行实验，最终绘制相对准确地渗透率曲线。

Description

一种测定煤岩各向渗透率的实验装置

技术领域

本实用新型涉及煤层气开发渗流力学技术领域，特别涉及一种测定煤岩各向渗透率的实验装置。

背景技术

煤层气是一种重要的非常规天然气资源，它主要以吸附态赋存于煤岩基质孔隙表面。开发煤层气时，采用排水降压的方式，使吸附气发生解吸，然后通过割理(煤岩中的裂缝主要是割理)渗流到生产井筒。割理是煤层气流到生产井的主要通道，由面割理和端割理组成，二者均与煤层基本垂直，且二者之间也近乎垂直。割理的特征使得煤岩渗透率具有各向异性，即煤岩面割理、端割理和垂向的三个渗透率各不相同。对煤岩各方向的渗透率进行实验测量，是煤层气开发中的一项重要基础工作。

目前测定煤岩渗透率的方法通常是：首先从煤心或煤块上钻取圆柱状的小煤样，其直径为25mm或38mm，长度与直径之比大于或等于1；然后将煤样端面切平整，并将端面和柱面打磨光滑，然后将煤样外围涂上几层硅橡胶，并套上橡胶套放入夹持器中；然后沿着垂直煤端面的方向进行注采；最后利用注入压力、流出压力和流量等数据，根据达西定律计算渗透率。

这种实验方法主要有三个缺陷：(1)测量的渗透率误差较大，因为煤岩是一种比较脆而易碎的物质，从煤心或煤块中钻取圆柱状的小煤样时，容易破坏煤中的割理和其它裂缝；(2)测量煤岩面割理方向、端割理方向和垂向三个方向的渗透率时，实验工作量重复性较大，因为需要沿着三个不同方向分别钻取圆柱状的小煤样，每个煤样只能用于测定一个方向的渗透率；(3)测量的渗透率受煤岩非均质性的影响较大，因为煤的非均质性比较强，钻取的岩心并一定能较好地代表煤块、更不能代表煤层的渗透率。

此外，在常规油气藏渗透率测定实验中，对于各向异性较强的储层的岩心，还有另外一种测定各向渗透率的方法，其主要步骤是：沿柱形岩心轴线钻孔，从中心圆孔注入流体，然后测量岩心外壁各方向的流量，以此数据为基础计算岩心各向异性渗透率的主方向和主值。该方法存在的问题是测取岩心外壁各方向的流量较困难且不太准确，而且在求解时各向异性渗流分析比较困难。

另外，现有采用的测定原煤渗透率的实验装置，在煤样的每个面仅连接一个流体管线接头作为流体流动通道，对于常规渗透率实验而言，由于煤样较小，单个管线注入后煤样内流线仍然可以近似为线性流，但如果采用煤样为“不规则大尺寸”样品，若仍采用单个流体管线注入，由于管线与样品接触面积较小，其流型将不在是简单的线性流，而可能呈现放射性的球形流，但由于现有的实验装置可能与常规的一维线性流型存在一定偏差，而球形流公式处理实验数据较为复杂，影响测试及数据处理的精度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种使得测试装置的流型接近线性流假设，提高测试及数据处理精度的测定煤岩各向渗透率的实验装置。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种测定煤岩各向渗透率的实验装置，包括煤岩夹持机构、流体注入机构和流量计量机构，所述流体注入机构和所述流量计量机构分别与所述煤岩夹持机构相连，所述煤岩夹持机构包括夹持器，所述夹持器具有圆柱状钢质容器外壳，在所述钢质容器外壳内容装有煤样密封块，所述煤样密封块包括立方体状煤样，分别设置于所述立方体状煤样的各个表面上的多个流体管线接头，以及包裹于所述煤样和所述流体管线接头外部的环氧树脂密封层，在所述煤样密封块与所述钢质容器外壳的内壁之间的空腔中填充有增压流体，各所述流体管线接头上分别连接有与所述煤样的各个表面相连通的多条流体管线，各所述流体管线经由所述环氧树脂密封层、填充有所述增压流体的所述钢质容器外壳的空腔及所述钢质容器外壳的壳体延伸至所述钢质容器外壳的外部。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，在所述圆柱状钢质容器外壳的柱面、顶面和底面分别开设有与各所述流体管线相对应的多个孔眼，各所述流体管线分别穿过其邻近对应的所述孔眼并延伸至所述钢质容器外壳的外部。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，在所述圆柱状钢质容器外壳的顶面还开设有用于与外部围压泵相连接的围压注入孔。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，所述圆柱状钢质容器外壳的柱面上的孔眼设有30-50个。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，沿所述柱面的周向均匀分布有10-16排孔眼，且每排孔眼由沿轴向设置的3个所述孔眼构成，在各排所述孔眼中相邻的两所述孔眼之间的间距为50mm。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，所述圆柱状钢质容器外壳的顶面的孔眼设有5-10个。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，在所述顶面分布有2-3排孔眼，每排孔眼由等间距设置的3个所述孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两所述孔眼之间的间距为100mm。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，所述圆柱状钢质容器外壳的底面的孔眼设有5-10个。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，在所述底面分布有2-3排孔眼，每排孔眼由等间距设置的3个所述孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两所述孔眼之间的间距为100mm。

如上所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其中，在所述钢质容器外壳的外侧设有旋转支架，所述钢质容器外壳通过枢轴能转动的悬接于所述旋转支架的两端。

本实用新型相比于现有技术的有益效果在于：

由于本实用新型在煤样的各个表面分别设有多条流体管线，且在圆柱状钢质容器外壳的柱面、顶面和底面分别开设有与各流体管线相对应的多个孔眼，使得由外部注入的液体或立方体状煤样的各个表面流出的液体通过在各个表面上设置的流体管线导入立方体状煤样内或导出钢质容器外壳，再收集至流量计量机构进行流量计量，这样从而可以准确地得到立方体状煤样各向的渗流数据，提高测试及数据处理精度，使得测试装置的流型接近线性流假设，按照多个气水比重复进行实验，最终绘制相对准确地渗透率曲线。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。

图1为本实用新型测定煤岩各向渗透率的实验装置的整体流程图；

图2为本实用新型的夹持器的结构示意图；

图3为本实用新型测定煤岩各向渗透率的实验装置使用时的横截面剖视示意图。

附图标记说明：

1-夹持器；2-圆柱状钢质容器外壳；3-煤样密封块；4-立方体状煤样；5-流体管线接头；6-环氧树脂密封层；7-流体管线；8-孔眼；9-围压注入孔；10-旋转支架；11-第一增压泵；12-储罐；13-第一气体增压容器；14-第一液体增压容器；16-第二增压泵；17-第二液体增压容器；18-第三增压泵；19-硅油增压容器；21-气液分离管；22-量筒；23-气体质量流量计；24-定时阀；101-空腔。

具体实施方式

结合附图和本实用新型具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本实用新型的细节。但是，在此描述的本实用新型的具体实施方式，仅用于解释本实用新型的目的，而不能以任何方式理解成是对本实用新型的限制。在本实用新型的教导下，技术人员可以构想基于本实用新型的任意可能的变形，这些都应被视为属于本实用新型的范围。

请参考图1、图2、图3，分别为本实用新型测定煤岩各向渗透率的实验装置的整体流程图；图2为本实用新型的夹持器的结构示意图；图3为本实用新型使用时的横截面剖视示意图。

如图1所示，本实用新型测定煤岩各向渗透率的实验装置，包括煤岩夹持机构、流体注入机构和流量计量机构，流体注入机构和流量计量机构分别与煤岩夹持机构相连，具体地讲，流体注入机构包括第一增压泵11、储罐12、第一气体增压容器13、第一液体增压容器14、第二增压泵16、第二液体增压容器17、第三增压泵18和硅油增压容器19，第一增压泵11可将第一气体增压容器13中的气体和第一液体增压容器14中水进行加压，形成一定的注入气水比和压力；第二增压泵16可将第二液体增压容器17中的水进行加压，形成一定的流出端压力；第三增压泵18可对硅油增压容器19中的硅油加压，将硅油注入到夹持器1中，形成一定的围压。流量计量机构包括气液分离管21、量筒22、气体质量流量计23和定时阀24，以实验方案要求的注入压力、流出压力和围压进行实验，流出物进入气液分离管21发生分离，用量筒22收集计量水，用气体质量流量计23收集计量气的流量，为了提高实验计量的精度，利用定时阀24控制液体收集管线的开关。当测定煤岩的绝对渗透率时，只需注入水；当测定煤岩的气水两相相对渗透率时，需按照多个气水比重复进行实验，最终绘制相对渗透率曲线。上述流体注入机构、流量计量机构与煤岩夹持机构连接结构及工作流程均为已有技术，在此不再详细说明。

在本实用新型中，煤岩夹持机构包括夹持器1，夹持器1具有圆柱状钢质容器外壳2，在钢质容器外壳2内容装有煤样密封块3，煤样密封块3包括立方体状煤样4，分别设置于立方体状煤样4的各个表面上的多个流体管线接头5，以及包裹于煤样4和流体管线接头5外部的环氧树脂密封层6，煤样密封块3的具体制作方法为已有技术，在此不再详细说明。在煤样密封块3与钢质容器外壳2的内壁之间的空腔101中填充有增压流体7，起到围压的作用，增压流体7优选为硅油。各流体管线接头5上分别连接有与煤样4的各个表面相连通的多条流体管线7，各流体管线7经由环氧树脂密封层6、填充有硅油的钢质容器外壳2的空腔及钢质容器外壳2的壳体延伸至钢质容器外壳2的外部。这样，由外部注入的液体或立方体状煤样4的各个表面流出的液体通过在各个表面上设置的流体管线7引导至立方体状煤样4内或钢质容器外壳2的外部，再收集至流量计量机构进行流量计量，从而可以准确地得到立方体状煤样4各向的渗流数据，提高测试及数据处理精度，使得测试装置的流型接近线性流假设，按照多个气水比重复进行实验，最终绘制相对准确地渗透率曲线。

如图2所示，在本实用新型中，在圆柱状钢质容器外壳2的柱面、顶面和底面分别开设有与各流体管线7相对应的多个孔眼8，即每条流体管线7对应一个邻近的孔眼8，使得各流体管线7分别穿过其邻近对应的孔眼8并延伸至钢质容器外壳2的外部，从而保证立方体状煤样4的各表面上的渗流液能够顺利的导入或导出进行测量。为了保证图2清楚，在图2中仅选择性的示出了部分流体管线7与孔眼8的连接关系，但不意为仅有图中所示的流体管线7，而应是每个孔眼8可分别对应一条流体管线7。

进一步的，在圆柱状钢质容器外壳2的顶面还开设有用于与外部围压泵相连接的围压注入孔9，使得硅油能够通过围压注入孔9注入柱状钢质容器外壳2的内腔，从而在立方体状煤样4外周形成围压。

进一步的，圆柱状钢质容器外壳2的柱面上的孔眼设有30-50个，优先的，沿该柱面的周向均匀分布有10-16排孔眼，且每排孔眼由沿轴向设置的3个孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两孔眼之间的间距为50mm；进一步的，圆柱状钢质容器外壳2的顶面的孔眼设有5-10个，优先的，在该顶面分布有2-3排孔眼，每排孔眼由等间距设置的3个孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两孔眼之间的间距为100mm；进一步的，圆柱状钢质容器外壳2的底面的孔眼设有5-10个，优先的，在该底面分布有2-3排孔眼，每排孔眼由等间距设置的3个孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两孔眼之间的间距为100mm。当然，在在圆柱状钢质容器外壳2的柱面、顶面和底面上开设的孔眼数量及间距，可根据实际煤样尺寸进行调整，只要能够保证立方体状煤样4的各表面上的渗流液能够顺利的导入或导出，以提供煤样各个方向准确地测量数据即可。

进一步的，如图2所示，在钢质容器外壳2的外侧设有旋转支架10，钢质容器外壳2通过枢轴能转动的悬接于旋转支架10的两端，以便于实验操作。

如图3所示，本实用新型测定煤岩各向渗透率的实验装置的实验方法包括：

首先，从煤层露头或煤矿巷道或全直径煤心中取一大块煤，将其锯成立方体状，煤块的边与割理方向平行或垂直；然后用砂纸将煤块六个面进行打磨，去掉毛刺；然后用环氧树脂在煤块每个面上粘结多个流体管线接头，为了使得注入流体能够流到大煤块的整个截面，接头的直径根据煤块的大小进行制作；

然后，将煤块放入立方体模具中，向煤块与模具的间隙中注入液态环氧树脂；然后将模具放入加热箱中，使温度升高至适于液态环氧树脂固化的温度，例如50℃左右，使液态环氧树脂固化，将煤块进行密封，并将流体管线接头进一步粘结牢固。

上述实验方法中的煤样夹持步骤为：拆开模具，将密封后的煤块放入夹持器的钢质容器中，容器下部的煤块支架与煤块的一角对齐；然后调整钢质容器内的上部煤块支架的位置，并调整支架支杆的长度，使夹持器的上部支架与煤块的另一角对齐，即可将煤块固定。

上述实验方法中的面割理方向渗透率测试步骤：向夹持器的钢质容器中注入硅油，用以提供实验方案所需要的围压；将沿着面割理方向的多个流体管线接头与注入、流出计量系统分别相连，并暂时封堵住其它多个流体管线接头；按照所需的注入、流出压力进行注采(当只注水时即测定绝对渗透率，当以不同的气水比混合注入时即测定气水相对渗透率，仅以注水为例介绍本实用新型)；根据注采压差和计量的流量数据等，结合达西定律解释面割理方向的渗透率。

上述实验方法中的端割理方向渗透率测试步骤：释放围压和注采压力；将沿着端割理方向的多个流体管线接头与注入、流出计量系统分别相连，并暂时封堵住其它多个流体管线接头；按照所需的注入、流出压力进行注采；根据注采压差和计量的流量数据等，结合达西定律解释端割理方向的渗透率。

上述实验方法中的垂直方向渗透率测试步骤：释放围压和注采压力，将垂直煤块方向的多个流体管线接头与注入、流出计量系统分别相连，并暂时封堵住其它多个流体管线接头；选择夹持器的钢质容器，使其中心线保持水平；按照所需的注入、流出压力进行注采；根据注采压差和计量的流量数据等，结合达西定律解释垂直方向的渗透率。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测定煤岩各向渗透率的实验装置，包括煤岩夹持机构、流体注入机构和流量计量机构，所述流体注入机构和所述流量计量机构分别与所述煤岩夹持机构相连，其特征在于，所述煤岩夹持机构包括夹持器，所述夹持器具有圆柱状钢质容器外壳，在所述钢质容器外壳内容装有煤样密封块，所述煤样密封块包括立方体状煤样，分别设置于所述立方体状煤样的各个表面上的多个流体管线接头，以及包裹于所述煤样和所述流体管线接头外部的环氧树脂密封层，在所述煤样密封块与所述钢质容器外壳的内壁之间的空腔中填充有增压流体，各所述流体管线接头上分别连接有与所述煤样的各个表面相连通的多条流体管线，各所述流体管线经由所述环氧树脂密封层、填充有所述增压流体的所述钢质容器外壳的空腔及所述钢质容器外壳的壳体延伸至所述钢质容器外壳的外部。

2.根据权利要求1所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，在所述圆柱状钢质容器外壳的柱面、顶面和底面分别开设有与各所述流体管线相对应的多个孔眼，各所述流体管线分别穿过其邻近对应的所述孔眼并延伸至所述钢质容器外壳的外部。

3.根据权利要求2所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，在所述圆柱状钢质容器外壳的顶面还开设有用于与外部围压泵相连接的围压注入孔。

4.根据权利要求2或3所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，所述圆柱状钢质容器外壳的柱面上的孔眼设有30-50个。

5.根据权利要求4所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，沿所述柱面的周向均匀分布有10-16排孔眼，且每排孔眼由沿轴向设置的3个所述孔眼构成，在各排所述孔眼中相邻的两所述孔眼之间的间距为50mm。

6.根据权利要求2或3所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，所述圆柱状钢质容器外壳的顶面的孔眼设有5-10个。

7.根据权利要求6所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，在所述顶面分布有2-3排孔眼，每排孔眼由等间距设置的3个所述孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两所述孔眼之间的间距为100mm。

8.根据权利要求2或3所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，所述圆柱状钢质容器外壳的底面的孔眼设有5-10个。

9.根据权利要求8所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，在所述底面分布有2-3排孔眼，每排孔眼由等间距设置的3个所述孔眼构成，在各排孔眼中相邻的两所述孔眼之间的间距为100mm。

10.根据权利要求1所述的测定煤岩各向渗透率的实验装置，其特征在于，在所述钢质容器外壳的外侧设有旋转支架，所述钢质容器外壳通过枢轴能转动的悬接于所述旋转支架的两端。