專利名稱：三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣壓測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置。
背景技術(shù)：
煤層氣是一種新型的潔凈、清潔能源?；诿旱V安全和能源利用角度，我國煤炭部門、石油部門、地礦部門、地方政府、國內(nèi)外煤層氣公司等先后在中國42個含煤區(qū)施工了近 5000 口煤層氣井(截止2010年底)。但是除山西沁水盆地東南部、遼寧鐵法、山西河?xùn)|煤田等少數(shù)地區(qū)實現(xiàn)了局部商業(yè)性開發(fā)外，大多數(shù)地區(qū)煤層氣開發(fā)試驗結(jié)果并不理想。煤層氣能否實現(xiàn)產(chǎn)出以及產(chǎn)出量的多少主要取決于兩個方面，一是有沒有足夠的煤層氣資源；另一方面則是有沒有足夠暢通的通道及能量系統(tǒng)使煤層氣得以從吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)并產(chǎn)出，二者缺一不可。為了使煤層氣從煤儲層中產(chǎn)出，人們可以通過排水改變煤儲層的壓力系統(tǒng)使煤層氣從吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)產(chǎn)出，也可以在煤層中注氣，使注入的氣體與甲烷氣體發(fā)生競爭吸附，使甲烷氣體從煤儲層中從吸附態(tài)轉(zhuǎn)變成游離態(tài)產(chǎn)出。不管是哪種方式的產(chǎn)出，當甲烷氣體從煤基質(zhì)中解吸產(chǎn)出后，會引起煤基質(zhì)的收縮，進而引起煤儲層滲透率的改變。前人所做的大量研究，一般僅對煤層氣開采前物性參數(shù)的變化進行了研究，對氣體吸附、解吸引起煤巖、膨脹現(xiàn)象及造成的滲透率不能給出定量表達。而隨著煤層氣開采的進行，氣體的吸附、解吸引起煤儲層滲透率的改變對產(chǎn)能影響越來越重要。因此，亟需研制一種裝置，能對不同圍壓條件下、不同溫度下、氣體注入后引起煤巖的膨脹量及煤巖滲透率同時進行測量，以便查明不同溫度、壓力、不同氣體注入后引起煤巖膨脹量及滲透率的變化，以期為煤層氣開發(fā)工藝、煤層氣排采工作制度制定提供理論依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供了一種三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置，該裝置可以對不同溫度、壓力下注氣和氣體解吸時煤巖膨脹量、收縮量和滲透率定量表達，為煤層氣開發(fā)工藝選擇、排采工作制度提供理論指導(dǎo)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置，包括注氣系統(tǒng)1、圍壓系統(tǒng)2、軸向壓力加載機25、滲透性測試系統(tǒng)3和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4，注氣系統(tǒng)1的出氣口通過高壓進氣管43與圍壓系統(tǒng)2的進氣口連接，軸向壓力加載機25設(shè)在圍壓系統(tǒng)2外部，滲透性測試系統(tǒng)3通過高壓氣管與圍壓系統(tǒng)2的出氣口連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4通過帶有傳感器的數(shù)據(jù)線與圍壓系統(tǒng)2連接。所述圍壓系統(tǒng)2包括水槽觀、高壓水泵四、支座27、樣品缸32、恒溫水箱沈和蓋板16，高壓水泵四的抽水口通過抽水管40與水槽28連接，高壓水泵四的出水口通過通過出水管42與恒溫水箱沈連接，恒溫水箱沈與蓋板16之間設(shè)有第一橡膠墊10并通過緊固螺栓9可拆卸連接，支座27設(shè)在軸向壓力加載機25當中，恒溫水箱沈設(shè)在支座27上，恒溫水箱沈內(nèi)設(shè)有加熱器13，樣品缸32設(shè)在恒溫水箱沈內(nèi)，樣品缸32頂部設(shè)有多孔的篩板17。所述注氣系統(tǒng)1包括氣瓶7、高壓氣泵8、第一流量計11和第一壓力表12，氣瓶7 通過高壓管5與高壓氣泵8連接，高壓管5上設(shè)有第一閥門6，第一流量計11和第一壓力表 12設(shè)在高壓進氣管43上，高壓進氣管43通過管接頭15與樣品缸32頂部的進氣口連接，高壓進氣管43上設(shè)有第二閥門41。所述滲透性測試系統(tǒng)3包括氣囊對、真空泵30、第二流量計45、第二壓力表46、第三閥門50和第四閥門51，真空泵30通過抽氣管47與樣品缸32底部的出氣口連接，真空泵30通過排氣管48與氣囊M連接，氣囊M通過測試管49與樣品缸32底部的出氣口連接，第二流量計45、第二壓力表46和第三閥門50均設(shè)在測試管49上，第四閥門51設(shè)在抽氣管47上。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4包括計算機20、軸向應(yīng)變傳感器14、徑向應(yīng)變傳感器18、溫度傳感器22和壓力傳感器23，軸向應(yīng)變傳感器14設(shè)在樣品缸32頂部，徑向應(yīng)變傳感器18、 溫度傳感器22和壓力傳感器23均設(shè)在樣品缸32外側(cè)部，恒溫水箱31外設(shè)有墊板21，計算機20通過穿透恒溫水箱31和墊板21的電纜19分別與軸向應(yīng)變傳感器14、徑向應(yīng)變傳感器18、溫度傳感器22和壓力傳感器23連接，電纜19穿透墊板21處通過聚氨酯冷凝膨脹進行密封。所述樣品缸32由六塊鋼板對接起來而成，各鋼板之間留有空隙，該空隙內(nèi)設(shè)有第二橡膠墊52。所述樣品缸32上設(shè)有泄壓閥33。采用上述技術(shù)方案，注氣系統(tǒng)主要是為實驗提供所需的各種配比的氣體以及進行氣密性檢查；圍壓系統(tǒng)主要是提供煤樣所需要的圍壓，同時為實驗提供恒溫環(huán)境；軸向壓力加載機主要是為圍壓系統(tǒng)提供所需要的垂向壓力；滲透性測試系統(tǒng)主要是對煤體的滲透性進行測定；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是進行數(shù)據(jù)的采集與處理。圍壓系統(tǒng)中將煤樣裝在樣品缸內(nèi)，加熱器確保恒溫水箱內(nèi)的水溫保持測試的恒定溫度，第一橡膠墊起到良好的密封作用，篩板可以避免與樣品缸頂部相連的氣管接觸煤樣
后堵塞。注氣系統(tǒng)的氣瓶設(shè)有多個，各氣瓶分別裝有不同配比的氣體，具體配比根據(jù)實驗?zāi)康倪M行預(yù)先配置。對于二氧化碳和甲烷的吸附置換試驗，氣瓶可以分別裝氦氣、20%甲烷+80% 二氧化碳、40%甲烷+60% 二氧化碳、60%甲烷+40% 二氧化碳、80%甲烷+20% 二氧化碳。當然，為了不同的實驗?zāi)康?，也可以進行其他氣體的配置，比如20%甲烷+20% 二氧化碳+60%氮氣。實驗過程中可以分別注入不同成分的氣體，對煤層對吸附氣體進行置換時煤體的變形及滲透性變化，進行測定和觀察。實驗時通過控制各閥門的開啟，來控制注入哪一個氣瓶中的氣體。滲透性測試系統(tǒng)通過第二壓力表和第二流量計測定樣品缸出氣口的氣體壓力和流量計算出煤體的滲透性。為了確保實驗時，充入煤樣中的氣體即為氣瓶中的氣體，沒有被污染。則每次試驗之前都要通過真空泵將樣品缸抽為真空。同時為避免環(huán)境污染，通過氣囊對試驗后的廢氣進行回收。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過安裝在樣品缸上的各種傳感器把采集到的信息通過電纜傳送到計算機，然后進行處理與解釋。只需要將電纜和計算機進行正確連接就可以滿足要求。
為了確保樣品缸不影響煤樣的漲縮，樣品缸為為六塊鋼板對接起來而成的。各鋼板之間留有空隙供煤體漲縮，在空隙內(nèi)安裝橡膠墊。在煤樣裝入樣品缸以后，只需用鋼絲將樣品缸環(huán)繞一圈扎緊即可。各種傳感器通過焊接安裝在樣品缸上。樣品缸周圍的壓力過高時可以通過樣品缸上的卸壓閥進行卸壓。壓力的大小可以通過樣品缸上的壓力傳感器感知，然后經(jīng)過電纜傳到計算機。本發(fā)明有效解決了不同吸附氣體在不同溫度、不同壓力下煤體變形量以及滲透性變化量的測定問題。有效模擬了煤層氣開發(fā)過程中，注氣置換引起的滲透性及煤體變化規(guī)律，有利于進一步指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1當中樣品缸的仰視圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置，包括注氣系統(tǒng)1、圍壓系統(tǒng)2、軸向壓力加載機25、滲透性測試系統(tǒng)3和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4， 注氣系統(tǒng)1的出氣口通過高壓進氣管43與圍壓系統(tǒng)2的進氣口連接，軸向壓力加載機25 設(shè)在圍壓系統(tǒng)2外部，滲透性測試系統(tǒng)3通過高壓氣管與圍壓系統(tǒng)2的出氣口連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4通過帶有傳感器的數(shù)據(jù)線與圍壓系統(tǒng)2連接。圍壓系統(tǒng)2包括水槽觀、高壓水泵四、支座27、樣品缸32、恒溫水箱沈和蓋板16， 高壓水泵四的抽水口通過抽水管40與水槽28連接，高壓水泵四的出水口通過通過出水管42與恒溫水箱沈連接，恒溫水箱沈與蓋板16之間設(shè)有第一橡膠墊10并通過緊固螺栓 9可拆卸連接，支座27設(shè)在軸向壓力加載機25當中，恒溫水箱沈設(shè)在支座27上，恒溫水箱沈內(nèi)設(shè)有加熱器13，樣品缸32設(shè)在恒溫水箱沈內(nèi)，樣品缸32頂部設(shè)有多孔的篩板17。 如圖2所示，樣品缸32由六塊鋼板對接起來而成，各鋼板之間留有空隙，該空隙內(nèi)設(shè)有第二橡膠墊52。樣品缸32上設(shè)有泄壓閥33。注氣系統(tǒng)1包括氣瓶7、高壓氣泵8、第一流量計11和第一壓力表12，氣瓶7通過高壓管5與高壓氣泵8連接，高壓管5上設(shè)有第一閥門6，第一流量計11和第一壓力表12 設(shè)在高壓進氣管43上，高壓進氣管43通過管接頭15與樣品缸32頂部的進氣口連接，高壓進氣管43上設(shè)有第二閥門41。滲透性測試系統(tǒng)3包括氣囊對、真空泵30、第二流量計45、第二壓力表46、第三閥門50和第四閥門51，真空泵30通過抽氣管47與樣品缸32底部的出氣口連接，真空泵30 通過排氣管48與氣囊M連接，氣囊M通過測試管49與樣品缸32底部的出氣口連接，第二流量計45、第二壓力表46和第三閥門50均設(shè)在測試管49上，第四閥門51設(shè)在抽氣管 47上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4包括計算機20、軸向應(yīng)變傳感器14、徑向應(yīng)變傳感器18、溫度傳感器22和壓力傳感器23，軸向應(yīng)變傳感器14設(shè)在樣品缸32頂部，徑向應(yīng)變傳感器18、溫度傳感器22和壓力傳感器23均設(shè)在樣品缸32外側(cè)部，恒溫水箱31外設(shè)有墊板21，計算機 20通過穿透恒溫水箱沈和墊板21的電纜19分別與軸向應(yīng)變傳感器14、徑向應(yīng)變傳感器18、溫度傳感器22和壓力傳感器23連接，電纜19穿透墊板21處通過聚氨酯冷凝膨脹進行密封。具體實驗步驟如下
1)、先檢查實驗裝置的各個系統(tǒng)的性能是否完好。各氣瓶7內(nèi)分別裝有不同配比的氣體，具體配比根據(jù)實驗?zāi)康倪M行預(yù)先配置。2)、將準備好的煤樣31進行預(yù)熱，同時備夠足量的熱水。3 )、正確連接好實驗裝置，并進行氣密性檢查。4)、將煤樣31裝入樣品缸32，蓋好恒溫水箱沈的蓋板16，上好緊固螺栓9。5)、啟動高壓水泵四將溫度合適的熱水注入密閉的恒溫水箱沈內(nèi)，通過高壓水泵四進行加壓，使樣品缸32周圍的壓力達到所需的圍壓，當壓力過高時可以通過樣品缸32上的卸壓閥33進行卸壓。壓力的大小可以通過樣品缸32上的壓力傳感器23感知，然后經(jīng)過電纜19傳到計算機20。對于實驗所需的恒溫環(huán)境在此通過恒溫水箱沈?qū)崿F(xiàn)，根據(jù)實驗溫度要求，使恒溫水箱26中的水盡可能接近試驗溫度，但不能高于試驗溫度。經(jīng)高壓水泵四注入恒溫水箱沈以后，通過溫度傳感器22感知其溫度高低，當其低于所需溫度時，通過加熱器13對其進行加溫。直到恒溫水箱沈內(nèi)達到所需壓力。6)、關(guān)閉第一閥門6和第二閥門41，啟動真空泵30，使樣品缸32內(nèi)抽為真空。7)、關(guān)閉第三閥門50和第四閥門51，開啟第一閥門6，啟動高壓氣泵8，開始向樣品缸32內(nèi)注入所需注入的氣體。8)、操作軸向壓力加載機25向樣品缸32施加垂向壓力，待樣品缸32內(nèi)達到穩(wěn)定以后，記錄第一流量計11、第一壓力表12、第二流量計45和第二壓力表46的讀數(shù)，并使計算機20自動存儲軸向應(yīng)變傳感器14、徑向應(yīng)變傳感器18、溫度傳感器22和壓力傳感器23 采集到的信息。9)、重復(fù)上述操作對多種混合氣體進行實驗。10)、處理實驗數(shù)據(jù)，整理實驗裝置。
權(quán)利要求
1.三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置，其特征在于包括注氣系統(tǒng)(1)、圍壓系統(tǒng)(2)、軸向壓力加載機(25)、滲透性測試系統(tǒng)(3)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)，注氣系統(tǒng)(1)的出氣口通過高壓進氣管(43)與圍壓系統(tǒng)(2)的進氣口連接，軸向壓力加載機 (25)設(shè)在圍壓系統(tǒng)(2)外部，滲透性測試系統(tǒng)(3)通過高壓氣管與圍壓系統(tǒng)(2)的出氣口連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)通過帶有傳感器的數(shù)據(jù)線與圍壓系統(tǒng)(2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置， 其特征在于所述圍壓系統(tǒng)(2)包括水槽(28)、高壓水泵(29)、支座(27)、樣品缸(32)、恒溫水箱(26)和蓋板(16)，高壓水泵(29)的抽水口通過抽水管(40)與水槽(28)連接，高壓水泵(29 )的出水口通過通過出水管(42 )與恒溫水箱(26 )連接，恒溫水箱(26 )與蓋板(16 ) 之間設(shè)有第一橡膠墊(10)并通過緊固螺栓(9)可拆卸連接，支座(27)設(shè)在軸向壓力加載機 (25)當中，恒溫水箱(26)設(shè)在支座(27)上，恒溫水箱(26)內(nèi)設(shè)有加熱器(13)，樣品缸(32) 設(shè)在恒溫水箱(26)內(nèi)，樣品缸(32)頂部設(shè)有多孔的篩板(17)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置， 其特征在于所述注氣系統(tǒng)(1)包括氣瓶(7)、高壓氣泵(8)、第一流量計(11)和第一壓力表 (12)，氣瓶(7)通過高壓管(5)與高壓氣泵(8)連接，高壓管(5)上設(shè)有第一閥門(6)，第一流量計(11)和第一壓力表(12)設(shè)在高壓進氣管(43)上，高壓進氣管(43)通過管接頭(15) 與樣品缸(32 )頂部的進氣口連接，高壓進氣管(43 )上設(shè)有第二閥門(41)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置， 其特征在于所述滲透性測試系統(tǒng)(3)包括氣囊(24)、真空泵(30)、第二流量計(45)、第二壓力表(46)、第三閥門(50)和第四閥門(51)，真空泵(30)通過抽氣管(47)與樣品缸(32) 底部的出氣口連接，真空泵(30)通過排氣管(48)與氣囊(24)連接，氣囊(24)通過測試管 (49)與樣品缸(32)底部的出氣口連接，第二流量計(45)、第二壓力表(46)和第三閥門(50) 均設(shè)在測試管(49)上，第四閥門(51)設(shè)在抽氣管(47)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置， 其特征在于所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)包括計算機(20)、軸向應(yīng)變傳感器(14)、徑向應(yīng)變傳感器(18)、溫度傳感器(22)和壓力傳感器(23)，軸向應(yīng)變傳感器(14)設(shè)在樣品缸(32)頂部， 徑向應(yīng)變傳感器(18)、溫度傳感器(22)和壓力傳感器(23)均設(shè)在樣品缸(32)外側(cè)部，恒溫水箱(31)外設(shè)有墊板(21)，計算機(20)通過穿透恒溫水箱(31)和墊板(21)的電纜(19) 分別與軸向應(yīng)變傳感器(14)、徑向應(yīng)變傳感器(18)、溫度傳感器(22)和壓力傳感器(23)連接，電纜(19)穿透墊板(21)處通過聚氨酯冷凝膨脹進行密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置， 其特征在于所述樣品缸(32)由六塊鋼板對接起來而成，各鋼板之間留有空隙，該空隙內(nèi)設(shè)有第二橡膠墊(52)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置， 其特征在于所述樣品缸(32)上設(shè)有泄壓閥(33)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三軸應(yīng)力條件下氣體注入煤巖膨脹及滲透率同時測定裝置，包括注氣系統(tǒng)(1)、圍壓系統(tǒng)(2)、軸向壓力加載機(25)、滲透性測試系統(tǒng)(3)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)，注氣系統(tǒng)(1)的出氣口通過高壓進氣管(43)與圍壓系統(tǒng)(2)的進氣口連接，軸向壓力加載機(25)設(shè)在圍壓系統(tǒng)(2)外部，滲透性測試系統(tǒng)(3)通過高壓氣管與圍壓系統(tǒng)(2)的出氣口連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)通過帶有傳感器的數(shù)據(jù)線與圍壓系統(tǒng)(2)連接。本發(fā)明有效解決了不同吸附氣體在不同溫度、不同壓力下煤體變形量以及滲透性變化量的測定問題。有效模擬了煤層氣開發(fā)過程中，注氣置換引起的滲透性及煤體變化規(guī)律，有利于進一步指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。
文檔編號G01N15/08GK102288529SQ20111026430
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者倪小明, 劉成龍, 王向浩, 王延斌, 王晉 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)