CN208270382U - 一种测定气体流动时煤体变形过程的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测定气体流动时煤体变形过程的试验装置，所述的试验装置是在三轴压力室的两端对称设置有加载室，两端加载室均由两个连通的柱腔与一个贯穿这两个柱腔的柱塞组成。其中靠近三轴压力室的柱腔是自平衡柱腔，用于抵消流体压力对柱塞产生的不平衡力，另一个柱腔是液压柱腔，用于对柱塞施加轴向压力；在柱塞端面出气/液孔附近另设一条传压管路。这样注入的流体不仅对柱塞端面施加一个压力，还会从传压管路流入自平衡柱腔，对柱塞扩径活塞端面施加一个等值反向压力，从而实现柱塞始终处于受力平衡状态，避免流体压力变化扰动样品外部荷载，可以精确测量样品变形过程。

Description

一种测定气体流动时煤体变形过程的试验装置

技术领域

本实用新型涉及煤层气开采领域气体流动引起的煤孔隙结构变形测量。

背景技术

煤是由裂隙与煤基质组成的双重孔隙地质体。由于气体在裂隙中流速要快于在煤基质微孔隙中流速，通常用煤裂隙渗透率评价煤的宏观渗透率。煤裂隙变形直接影响气体流动快慢，裂隙开度值变化主要受裂隙孔隙压力控制。事实上，煤层气体流动过程会导致煤裂隙与煤基质相互影响。现有实验研究均是测量煤的宏观变形量，未能直接测量煤基质变形与煤裂隙变形。常规渗透率测试方法仅适用于煤-气系统达到平衡状态情况。而无论是煤层气开采，还是二氧化碳地质封存，煤孔隙压力将呈现非线性分布，导致煤体出现非均匀变形，使煤渗透率表现出时空分布特性。因此需要提出一种新的方法来测定煤裂隙-基质变形与气体非稳态流动相互影响规律。

中国专利公开号CN103645129A公开了一种高温超低渗透率测量仪，其结构是三轴压力室连接静水压力加载泵、偏压加载泵以及恒流/恒压控制泵，其中三轴压力室在高温控制箱内，而静水压力加载泵、偏压加载泵以及恒流/恒压控制泵放置在高温控制箱外。三轴压力室包括底座、轴向活塞、三轴压力室，其中轴向活塞穿过三轴压力室顶部，三轴压力室顶部设有两个微型加压室，其中一个加压室与三轴压力室接通，后者与加载泵接通，另外一个加压室接通偏压加载泵。该实验装置存在以下缺陷：

该装置考虑轴向活塞在压力腔内压作用下自平衡，利用自平衡油管将压力腔内压力导入加压室。在这种情况下三轴压力室内轴向活塞端面的压力与加压室轴向活塞端面压力数值相等，作用方向相反。本领域公知：在渗透率实验测试前必须对样品包裹胶套，隔离样品与三轴压力室腔体，其中轴向活塞与样品接触部位被胶套紧密包裹。也就是说，三轴压力室压力不能作用在轴向活塞端面。如果采用该文献公开的结构，一旦流体通过轴向活塞内部管道流入样品时，流体压力会对轴向活塞端面附加一个压力，该压力大小等于流体压强乘以端面的面积。在这个附加压力作用下，轴向活塞对样品施加压力值会相应减小，与设定压力存在偏差。流体注入过程中。因此，本实用新型解决“高温超低渗透率测量仪”的结构缺陷，确保轴向柱塞在流体注入过程中始终处于力学平衡状态，能够测量煤裂隙开度变化与煤基质变形，为研究煤层渗透率提供实验技术支持。

实用新型内容

为了准确测量气体流入煤体过程中煤变形演化过程，本实用新型提供一种测定气体非稳态流动过程煤体变形的试验装置。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术的方案是：

一种测定气体流动时煤体变形过程的试验装置，该装置由三轴压力室与两个加载室构成。其特征在于在三轴压力室的两端对称设置加载室，两端加载室均由两个连通的柱腔与一个贯穿这两个柱腔的柱塞组成。其中靠近三轴压力室的柱腔是自平衡柱腔，用于抵消流体压力对柱塞产生的不平衡力，另一个柱腔是液压柱腔，用于对柱塞施加轴向压力；

所述的柱塞在两个柱腔内分别扩径，柱塞扩径尺寸与柱腔内径紧密配合；沿柱塞轴线设置一条管路，该管路一端用于注入气/液，另一端用于排出气/液；在三轴压力室内柱塞端面的出气/液孔附近设置传压管路，该管路连通自平衡柱腔内扩径段的端面与三轴压力室柱塞端面；柱塞的出气/液端面的直径与测试样品直径一致，柱塞出气/液端的横截面积等于扩径段端面的圆环面积；柱塞的进气/液端伸出液压柱腔，与位移传感器触杆接触。

为了保证密封，在柱塞出气/液段上和柱塞扩径段上均设有密封圈。

为了便于固定试验装置，还包括一个底座。

利用本实用新型试验装置测定气体流动时煤体变形过程的方法为：

第一步：样品制备与安装

先将煤块加工成圆柱状煤样品，其直径与柱塞出气/液端面的直径相同，用橡胶套包裹煤样品，三轴压力室两端柱塞分别与煤样品两个端面接触；

第二步：荷载施加过程

三轴压力室组装完毕后，启动压力泵分别对煤样品施加环向压力与轴向压力。其中环向压力是向三轴压力室内注入液压油增压；轴向压力是对柱塞液压柱腔注液增压后推动柱塞的扩径端面对煤样品施加轴向压力；

第三步：注气过程

通过柱塞轴线管路向煤样品注气，注入气体从柱塞流出后一部分气体流入煤样品，另一部分气体经柱塞内部传压管道进入自平衡柱腔；气体注入引起煤样品膨胀，推动两端柱塞位移，连动两个位移计的触杆记录两个柱塞位移。

本实用新型的优点是：

已有的岩石渗流设备的柱塞只设置一个出气或液孔。注入流体压力会对活塞端面产生一个推力。该推力的存在不仅降低样品承受外部荷载，而且会对样本变形测量造成误差。为了避免产生这个推力，本实用新型在柱塞端面出气/液孔附近另设一条传压管路。注入的流体不仅对柱塞端面施加一个压力，还会从传压管路流入自平衡柱腔，对柱塞扩径活塞端面施加一个等值反向压力，从而实现柱塞始终处于受力平衡状态，避免流体压力变化扰动样品外部荷载，可以精确测量样品变形过程。

附图说明

图1为本实用新型试验装置结构剖面示意图；

图2为图1中柱塞结构立体示意图；

图3为注入吸附性气体过程中煤体变形曲线图；

图4为注入氦气过程中煤体变形曲线图。

图5为煤裂隙变形测试方法原理图。

图中：

1-位移传感器，2-轴向压力布置孔，3-柱塞进气/液段，4-传感器触杆，5-柱塞，6-柱塞中段，7-环向压力注入口，8-液压柱腔，9-传压管路，10-活塞密封圈，11-柱塞出气/液段，12-柱塞密封圈，13-橡胶套，14-煤样品，15-注气通道，16-三轴压力室，17-自平衡柱腔，18-柱塞的扩径端面，19-平衡压力室承压端面。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述测定气体流动时导致煤体变形的试验装置是一个对称结构。具体结构是，在带有环向压力注入口7的三轴压力室16的两端对称设置有加载室，两端加载室均由两个连通的柱腔与一个贯穿这两个柱腔的柱塞5组成。其中靠近三轴压力室16的柱腔是自平衡柱腔17，用于抵消流体压力对柱塞产生的不平衡力，另一个柱腔是液压柱腔8，用于对柱塞施加轴向压力，液压柱腔8侧壁设有轴向压力布置孔2。

所述的柱塞结构见图2：它是在一个变径的圆柱体上设有两个扩径段5，两个扩径段5上均设有活塞密封圈10，且分别处在自平衡柱腔17和液压柱腔8中，两个扩径段5将柱塞分成三部分，分别称为柱塞进气/液段3、柱塞中段6和柱塞出气/液段11，柱塞出气/液段11上设有柱塞密封圈12；柱塞进气/液段3和柱塞中段6直径相等且小于柱塞出气/液段11直径，柱塞出气/液段11直径等于煤样品14的直径；在柱塞出气/液段11端面设有两条对称的传压管路9，传压管路9穿透处于自平衡柱腔17内的柱塞扩径段5与自平衡柱腔17相通；在柱塞圆柱体中心设有用于向煤样品14注气的注气通道15。从图中还可以看出，柱塞的进气/液端伸出液压柱腔5，与位移传感器触杆4接触。

为了便于固定试验装置，试验装置还包括一个底座，图中未画出。

下面以从利用本实用新型试验装置测定气体流动时煤体变形过程的方法为：

第一步：样品制备与安装

先将煤块加工成圆柱状煤样品14，其直径与柱塞出气/液端面直径相同，用橡胶套13包裹煤样品14。三轴压力室16两端柱塞分别与煤样品14端面接触。

第二步：荷载施加过程

装置组装完毕后，启动压力泵分别对煤样品14施加环向压力与轴向压力。其中环向压力是通过向三轴压力室16内注入液压油对煤样品侧面施加压力；轴向压力是对柱塞液压柱腔8注液增压，液压推动柱塞的扩径端面18对煤样品14施加轴向压力；

第三步：注气过程

通过柱塞注气通道15向煤样品14注气，注入气体流出柱塞后一部分气体进入煤样品14，另一部分气体经柱塞内部传压管道9进入自平衡柱腔17。两个位移传感器1分别记录两个柱塞位移。

图3示出了注入吸附性气体后的移变化曲线图；图4示出了注入氦气位移变化曲线图。

图5说明本实用新型所述测试方法原理。煤层包含大量裂隙为气体流动提供通道。在微观尺度下，煤基质块被裂隙包围，煤裂隙宽度变化量与其邻近基质块的局部变形量相等。因此，直接观测气体流动过程中煤基质变形可以间接表征煤裂隙开度变化。

在实验中对煤样品施加环向压力模拟水平地应力，施加轴向轴压模拟垂直地应力。所施加的力学边界条件可以模拟实际煤裂隙任意一侧的煤基质的受力状态。利用本实用新型所述柱塞结构，气体压力变化不会对柱塞位移产生影响。注入气体进入煤体后会导致煤体膨胀变形，分别推动注气柱塞与出气柱塞移动。注气柱塞的位移量可以表征裂隙变形，出气柱塞位移变化的时间可以表征气体扩散过程。

下面通过结合图3、4分析注气过程进一步说明本实用新型的优点。

在注气过程中，气体从柱塞流出后会迅速经传压管路9进入自平衡柱腔17，使自平衡腔17内平衡压力室承压端面19压力与柱塞出气端面压力相等，避免气压突变对柱塞5位移扰动。气体持续注入在短时间内会挤压煤样品14端面，柱塞5随之向三轴压力室16移动，其位移量可表征煤裂隙开度增加量。之后，随着气体进入煤样品14孔隙，导致煤样品14先从注气端向外侧膨胀，推动柱塞5向外移动，其位移量由位移传感器记1记录。在此过程，煤样品14另一端并无位移；随着气体不断进入充满煤样品14，煤样品14从一端膨胀转向双端膨胀，推动出气端柱塞5向外侧移动；当气体从煤样品14另一端流出后，经过三轴压力室另一侧的传压管路9进入自平衡柱腔17实现出气端柱塞的力学平衡。

Claims (3)

1.一种测定气体流动时煤体变形过程的试验装置，该装置由三轴压力室与加载室构成，其特征在于，在三轴压力室的两端对称设置有加载室，两端加载室均由两个连通的柱腔与一个贯穿这两个柱腔的柱塞组成，其中靠近三轴压力室的柱腔是自平衡柱腔，用于抵消流体压力对柱塞产生的不平衡力，另一个柱腔是液压柱腔，用于对柱塞施加轴向压力；

所述的柱塞在两个柱腔内分别扩径，柱塞扩径尺寸与柱腔内径紧密配合；沿柱塞轴线设置一条管路，该管路一端用于注入气/液，另一端用于排出气/液；在三轴压力室内柱塞端面的出气/液孔附近设置传压管路，该管路连通自平衡柱腔内扩径段的端面与三轴压力室柱塞端面；柱塞的出气/液端面的直径与测试样品直径一致，柱塞出气/液端的横截面积等于扩径段端面的圆环面积；柱塞的进气/液端伸出液压柱腔，与位移传感器触杆接触。

2.如权利要求1所述的测定气体流动时煤体变形过程的试验装置，其特征在于，在柱塞出气/液段上和柱塞扩径段上均设有密封圈。

3.如权利要求1所述的测定气体流动时煤体变形过程的试验装置，其特征在于，所述的试验装置还包括一个底座。