CN210155008U

CN210155008U - 一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置

Info

Publication number: CN210155008U
Application number: CN201921064796.1U
Authority: CN
Inventors: 万军凤; 王飞
Original assignee: Shengli College China University of Petroleum
Current assignee: Shengli College China University of Petroleum
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2029-07-09

Abstract

本实用新型公开了一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，包括地质环境模拟单元、气源供给单元、气水分离单元、回压控制单元以及气体流量计量单元，地质环境模拟单元包括三轴岩心夹持器，气源供给单元接三轴岩心夹持器实验进口，气水分离单元接三轴岩心夹持器实验出口；回压控制单元包括氮气气瓶、氮气气瓶减压器以及回压器，回压器入口接气水分离单元出口；气体流量计量单元包括玻璃皂膜流量计、硅胶管以及转换接头，回压器出口通过转换接头接玻璃皂膜流量计。本实用新型可以在模拟煤地质环境前提下，开展残余水情况下煤岩瓦斯渗透率的测量，可应用于实验室模拟含水煤层瓦斯抽采后期煤岩瓦斯单相流动规律的研究。

Description

一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置

技术领域

本实用新型涉及煤业实验设备领域，具体涉及一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置。

背景技术

煤层气是煤生成过程中产生的一种伴生气体，研究表明煤层气具有很高的商业开采价值。随着我国煤层气资源开采的不断深入，煤矿瓦斯灾害事故一直高居不下。目前防治瓦斯灾害的主要有效措施是瓦斯抽采，煤层的渗透率则是影响瓦斯抽采的关键因素。由于煤层一般都是含水的，且为煤层瓦斯防突进行的水力化技术也会将外来水引入煤层，则瓦斯产出运移一般会经历较短时间的气-水两相流动阶段和较长时间的残余水状态下瓦斯单相流动阶段，因此开展残余水状态下瓦斯单相渗流规律的研究，对于煤层瓦斯抽采及丰富煤层瓦斯渗流理论具有重要的指导意义。目前有关煤岩瓦斯单相渗流实验装置的设计主要针对干燥煤样，残余水状态下实验装置的研究鲜见报道。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种残余水状态下煤岩瓦斯单相渗流实验装置，实现在模拟煤地质环境前提下开展的残余水情况下煤岩瓦斯渗透率的测量。

本实用新型的技术方案是：

一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，包括地质环境模拟单元，所述地质环境模拟单元包括三轴岩心夹持器和温度控制装置，所述三轴岩心夹持器包括腔体以及其内部设有的夹持工位，所述夹持工位的径向外周与腔体之间设有胶筒外围空间，所述胶筒外围空间通过加压管线与围向施压单元连通，所述夹持工位轴向的一端或两端设有轴向加压缸空间，所述轴向加压缸空间通过加压管线与轴向施压单元连通，所述三轴岩心夹持器腔体上分别设有与所述夹持工位连通的实验进口和实验出口，所述温度控制装置包括安装在腔体上的温度传感器、电加热及保温器件，且二者通过温度控制仪联动控制；

还包括气源供给单元、气水分离单元、回压控制单元以及气体流量计量单元，其中：

所述气源供给单元包括甲烷气瓶，所述三轴岩心夹持器实验进口通过管线及甲烷气瓶减压器与所述甲烷气瓶连接；

所述气水分离单元包括精密分析天平、广口瓶，所述精密分析天平上放置所述广口瓶，所述广口瓶内置硅胶，所述广口瓶瓶口设有胶塞，所述三轴岩心夹持器实验出口接所述广口瓶入口管线；

所述回压控制单元包括通过管线依次连接的氮气气瓶、氮气气瓶减压器以及回压器，所述广口瓶出口管线接所述回压器入口；

所述气体流量计量单元包括玻璃皂膜流量计、硅胶管以及转换接头，所述回压器出口通过管线与所述转换接头连接，所述转换接头通过硅胶管接所述玻璃皂膜流量计。

进一步的，还包括数据采集存储单元，所述数据采集存储单元包括用于监控三轴岩心夹持器上游压力的第一压力传感器、用于监控三轴岩心夹持器下游压力的第二压力传感器以及计算机控制系统，所述第一压力传感器设于所述三轴岩心夹持器实验进口的管线上，所述第二压力传感器设于所述三轴岩心夹持器实验出口的管线上，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器通过信号线与所述计算机控制系统连接。

进一步的，所述玻璃皂膜流量计至少有两种规格，所述不同规格的玻璃皂膜流量计通过蝴蝶夹夹持。

进一步的，所述围向施压单元包括通过管线依次连接的第一手动泵、第一泵压表、第一手动阀以及围压压力表。

进一步的，所述轴向施压单元包括通过管线依次连接的第二手动泵、第二泵压表、第二手动阀以及轴压压力表。

进一步的，所述甲烷气瓶远离所述甲烷气瓶减压器一端设有第二放空阀。

进一步的，所述氮气气瓶靠近所述氮气气瓶减压器一端设有第一放空阀。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点：本实用新型利用甲烷气瓶和甲烷气瓶减压器控制三轴岩心夹持器上游压力的供给，利用氮气气瓶和氮气气瓶减压器控制供给回压器的气体压力的大小来比较精确的控制岩心夹持器的下游压力，以满足实验中严格控制含水煤样两端压差的要求，本实用新型可以在模拟煤地质环境前提下，开展残余水情况下煤岩瓦斯渗透率的测量，可应用于实验室模拟含水煤层瓦斯抽采后期煤岩瓦斯单相流动规律的研究；同时在煤岩渗透率测试过程中，计算机控制系统会自动按照设定程序对含水煤样所处环境的上游压力及下游压力进行实时数据采集，实验结束后完成数据存储。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图中：1、甲烷气瓶，2、甲烷气瓶压力表，3、甲烷气瓶减压器，4、第一压力传感器，5、第一手动泵，6、第一泵压表，7、围压压力表，8、第一手动阀，9、温度传感器，10、温度控制仪，11、三轴岩心夹持器，12、轴压压力表，13、第二手动阀，14、第二泵压表，15、第三手动阀，16、第二压力传感器，17、胶塞，18、广口瓶，19、硅胶，20、精密分析天平，21、回压器，22、氮气气瓶压力表，23、氮气气瓶减压器，24、氮气气瓶，25、转换接头，26、硅胶管，27、1ml玻璃皂膜流量计，28、较大量程玻璃皂膜流量计，29、蝴蝶夹，30、计算机控制系统，31、氮气气体供气阀门，32、第一放空阀，33、第二放空阀，34、甲烷气体供气阀门，35、第二手动泵。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅限于指定视图上的相对位置，而非绝对位置。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

参照图1，一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，包括地质环境模拟单元、气源供给单元、气水分离单元、回压控制单元、气体流量计量单元以及数据采集存储单元；

地质环境模拟单元：主要是根据煤地质环境中不同埋深下的煤储层压力和温度的条件，对原煤煤样施加设定的压力（0~40Mpa）及温度（室温~150℃），以满足模拟煤地质环境的需要。具体包括三轴岩心夹持器11和温度控制装置，三轴岩心夹持器11包括腔体以及其内部设有的夹持工位，夹持工位上放置预制的含水煤样，夹持工位的径向外周与腔体之间设有胶筒外围空间，胶筒外围空间通过加压管线与围压压力表7、第一手动阀8、第一泵压表6以及第一手动泵5连通，夹持工位轴向的一端或两端设有轴向加压缸空间，轴向加压缸空间通过加压管线与轴压压力表12、第二手动阀13、第二泵压表14以及第二手动泵35连通；三轴岩心夹持器11腔体上分别设有与夹持工位连通的实验进口和实验出口，温度控制装置包括安装在腔体上的温度传感器9、电加热及保温器件，且二者分别通过信号线和控制线与温度控制仪10连接构成温控系统，实现温度的自动控制。

气源供给单元：包括通过管线依次连接的甲烷气瓶1、甲烷气瓶压力表2、甲烷气瓶减压器3以及甲烷气体供气阀门4，甲烷气体供气阀门4与三轴岩心夹持器11实验进口连接，甲烷气瓶1上远离甲烷气瓶减压器3一端设有第二放空阀33。实验时通过调整甲烷气瓶减压器3可实现地质环境模拟单元中的三轴岩心夹持器11上游压力的供给, 三轴岩心夹持器11的下游压力则通过回压控制单元控制。

气水分离单元：渗透率测试过程中，考虑到煤样中少量水分会被甲烷气携带流出，在三轴岩心夹持器11下游端专门安装了气水分离单元，其包括精密分析天平20和带胶塞17的广口瓶18，广口瓶18内置硅胶19，能够充分吸收由煤样末端随甲烷气携带出的水分，三轴岩心夹持器11实验出口接广口瓶18入口管线，管线上设有第三手动阀15；高精度精密分析天平20的使用保证了水分测量的精确性，以计算得到实验煤样稳定渗流时的含水率。

回压控制单元：为保证残余水条件下原煤煤样中瓦斯气体的单相流动, 实验中须严格控制煤样两端压差，为此专门设计了回压控制单元，包括通过管路依次连接的氮气气瓶24、氮气气瓶压力表22、氮气气瓶减压器23、氮气气体供气阀门31以及回压器21，广口瓶18出口管线接回压器21入口，氮气气瓶24靠近氮气气瓶减压器23一端设有第一放空阀32。利用氮气气瓶24和氮气气瓶减压器23控制供给回压器21的气体压力的大小来比较精确的控制三轴岩心夹持器11的下游压力，以满足实验中严格控制含水煤样两端压差的要求，控制单元的放空从第一放空阀32放空。

气体流量计量单元：包括不同规格的玻璃皂膜流量计、硅胶管26、转换接头25以及蝴蝶夹29，回压器21出口通过管线与转换接头25连接，转换接头25通过硅胶管26接玻璃皂膜流量计，不同规格的玻璃皂膜流量计通过蝴蝶夹29夹持。当气体流量较小时采用1ml玻璃皂膜流量计27，气流量大时采用100ml玻璃皂膜流量计，介于两者之间的气体流量则采用10ml玻璃皂膜流量计，不同规格皂膜流量计的选用根据实际情况进行调整。以满足低、中、高不同渗透率煤样气体流量的测量。

数据采集存储单元包括用于监控三轴岩心夹持器11上游压力的第一压力传感器4、用于监控三轴岩心夹持器11下游压力的第二压力传感器16以及计算机控制系统30，第一压力传感器4设于三轴岩心夹持器11实验进口的管线上，第二压力传感器16设于三轴岩心夹持器11实验出口的管线上，第一压力传感器4和第二压力传感器16通过信号线与计算机控制系统30连接。在煤岩渗透率测试过程中，计算机控制系统30会自动按照设定程序对煤样所处环境的上游压力及下游压力进行实时数据采集，实验结束后完成数据存储。

煤岩瓦斯渗流实验测试过程：首先，保证所有阀门都关闭，对制备好的含水煤样进行称重，记录质量，同时利用精密分析天平20读取气水分离单元的初始质量，把煤样装入三轴岩心夹持器11中，打开第一手动阀13向煤样施加轴向应力至实验方案中的预定应力，关闭第一手动阀13，打开第二手动阀8向煤样施加围向应力至实验方案中的预定应力，关闭第二手动阀8，在温度控制仪10上设定好实验温度，直至系统温度达到设定温度为止，以满足模拟煤地质环境的需要。打开甲烷气瓶1阀门，打开甲烷气体供气阀门34，利用甲烷气瓶减压器3将夹持器上游压力调至实验注气压力，计算机控制系统30自动监测采集注气压力实验数据，通甲烷气体6小时以上使煤样吸附平衡后，打开氮气气瓶24阀门，打开氮气气体供气阀门31，利用氮气气瓶减压器23将氮气供气压力调节到实验方案中回压的预定压力，打开三轴岩心夹持器11下游的第三手动阀15开始通气，当流量稳定后，利用玻璃皂膜流量计27进行气体计量。如果玻璃皂膜流量计27的液膜上升较快，取下与玻璃皂膜流量计27相连的硅胶管26，将硅胶管26与较大量程玻璃皂膜流量计28相连，利用较大量程玻璃皂膜流量计28再进行气体的计量，选用的玻璃皂膜流量计的量程要根据实际情况适时调整。等本组渗透率实验结束后，再次读取气水分离单元的质量，计算出煤样中随甲烷气体带出的水分质量及稳定渗流时煤样的含水率。

本实用新型并不限于上述的实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化，变化后的内容仍属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，包括地质环境模拟单元，所述地质环境模拟单元包括三轴岩心夹持器和温度控制装置，所述三轴岩心夹持器包括腔体以及其内部设有的夹持工位，所述夹持工位的径向外周与腔体之间设有胶筒外围空间，所述胶筒外围空间通过加压管线与围向施压单元连通，所述夹持工位轴向的一端或两端设有轴向加压缸空间，所述轴向加压缸空间通过加压管线与轴向施压单元连通，所述三轴岩心夹持器腔体上分别设有与所述夹持工位连通的实验进口和实验出口，所述温度控制装置包括安装在腔体上的温度传感器、电加热及保温器件，且二者通过温度控制仪联动控制，其特征在于：还包括气源供给单元、气水分离单元、回压控制单元以及气体流量计量单元，其中：

2.根据权利要求1所述的残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，其特征在于：还包括数据采集存储单元，所述数据采集存储单元包括用于监控三轴岩心夹持器上游压力的第一压力传感器、用于监控三轴岩心夹持器下游压力的第二压力传感器以及计算机控制系统，所述第一压力传感器设于所述三轴岩心夹持器实验进口的管线上，所述第二压力传感器设于所述三轴岩心夹持器实验出口的管线上，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器通过信号线与所述计算机控制系统连接。

3.根据权利要求2所述的残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，其特征在于：所述玻璃皂膜流量计至少有两种规格，所述不同规格的玻璃皂膜流量计通过蝴蝶夹夹持。

4.根据权利要求1所述的残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，其特征在于：所述围向施压单元包括通过管线依次连接的第一手动泵、第一泵压表、第一手动阀以及围压压力表。

5.根据权利要求4所述的残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，其特征在于：所述轴向施压单元包括通过管线依次连接的第二手动泵、第二泵压表、第二手动阀以及轴压压力表。

6.根据权利要求1-5任一项所述的残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，其特征在于：所述甲烷气瓶远离所述甲烷气瓶减压器一端设有第二放空阀。

7.根据权利要求6所述的残余水状态下三轴煤岩瓦斯单相渗流实验装置，其特征在于：所述氮气气瓶靠近所述氮气气瓶减压器一端设有第一放空阀。