CN105043920A - 一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法及仪器 - Google Patents

Abstract

一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法及仪器，属于岩体恒温和岩体应变的测试方法及仪器。该测试方法，通过间接重力法测试岩体的恒温吸附能力，同时可在所测样品侧面贴横向以及纵向应变片，在岩样达到吸附平衡的过程中同时监测岩样的应变情况，便于分析岩体吸附与岩体微观应力之间的关系；增设多个吸附罐同时对不同粒径范围内的岩样进行吸附测试，岩体样品粒径测量范围广，粒径测试范围覆盖100μm-20mm。本测试方法通过高精度天平称重来计算样品的吸附量，与以往的体积法测吸附量不同。可用于实验室、测试企业以及政府部门确定岩石对气体的吸附量。测试仪器单一，连接处少，增强了***的密封性，操作较为简单、计算方法简单可靠、精确度高。

Description

一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法及仪器

技术领域

本发明涉及一种岩体恒温和岩体应变的测试方法及仪器，特别是一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法及仪器。

背景技术

对于煤层吸附瓦斯的能力及煤层气成分、压力更深入的理解对于煤炭及煤层气工业有重要的推动作用。多年来，煤样的等温吸附测试一直作为评价煤层赋存瓦斯及其它气体的能力的标准。

传统上，岩体恒温吸附的测试一般采用体积法(容量法)，但传统的体积法测试的岩体样品多为粉末状，质量较少，而且测试方法和计算复杂。此外还有重力法和排水取气法等。

传统体积法和重力法均需要两个罐，即样品罐和参考罐，特别是体积法，需要精准地校核参考罐(与吸附罐对应，用来求算注气量)的体积，然后通过气体方程算出注入气体的气体量。这种方法的主要问题是参考罐的精确校核比较困难，操作比较繁琐，计算过程比较复杂。而传统的排水取气法测量，具有精度较低、测试步骤繁琐等缺点。同时传统的方法样品罐与其他罐体和注气设备连接较多，也具有***密封性比较差的缺点。

发明内容

本发明的目的是要提供一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法及仪器，解决通过煤样等温吸附测试来为煤层瓦斯赋存能力提供评价标准的问题。

本发明的目的是这样实现的：该岩体恒温和岩体应变的测试方法：通过间接重力法测试岩体的恒温吸附能力，同时可在所测样品侧面贴横向以及纵向应变片，在岩样达到吸附平衡的过程中同时监测岩样的应变情况，便于分析岩体吸附与岩体微观应力之间的关系；

方法的具体步骤：

1、气源钢瓶1接进气流量阀2与吸附罐10相连，真空泵4接排气流量阀与吸附罐相连；

2、吸附罐10安装在水浴恒温室7内，保证岩样吸附测试过程中的温度恒定；

3、吸附罐10上部的压力传感器8外接数据采集与分析仪9，实时监测吸附罐10内气体压力；

4、所测岩样侧面贴横向与纵向应变片11，并接入数据采集与分析仪9，监测并记录岩样恒温吸附过程中的应变；

5、当吸附罐10内气体压力不再变化时即测试岩样达到吸附平衡，将吸附罐从试验台上分解下来，然后用高精度天平对其称重；

6、水浴恒温室7可同时安装多个吸附罐10，便于对不同粒径范围内的岩样同时做对比测量；

7、吸附罐10内达到吸附平衡后，关闭进气流量阀2，断开压力传感器接口与应变线接口，关闭吸附罐10上部的封闭阀门，然后取出吸附罐，用精确天平对整个吸附罐称重，包括岩样质量与高压气体质量，最后可推算出吸附罐内游离态气体的物质的量。

所述的吸附罐10上部设有气体压力传感器8，压力传感器8将吸附罐内部气体压力数据传输至数据采集与分析***，当吸附罐内气体压力到达设定压力点时，关闭进气流量阀2。

进一步的，当数据采集与分析仪9显示吸附罐内压力达到预定值时，手动关闭进气流量阀2，同时关闭封闭阀5，此后由于煤样对气体的吸附作用导致吸附罐内压力逐渐降低，即数据采集与分析仪9上读数逐渐降低，当压力读数趋于稳定时，即可认为吸附罐10内达到吸附平衡；

水浴恒温控制***主要包括恒温控制器6和水浴恒温室7；整个吸附罐10处于水浴环境中，保证动态吸附是在同一温度下进行；

压力传感器8采集到的压力信号通过数模转换后最终在数据采集与分析仪9上显示出读数；应变片采集的应变信息通过数模转换后存储在数据采集与分析仪9内部。

测试仪器包括：气源钢瓶1、进气流量阀2、排气流量阀3、真空泵4、恒温控制器6、水浴恒温室7、压力传感器8、数据采集与分析仪9、吸附罐10和应变片11；气源钢瓶1通过进气流量阀2与吸附罐10相连，真空泵4通过排气流量阀3与吸附罐10相连；吸附罐10置于热封闭隔绝腔体内部，吸附罐10上部设有气体压力传感器8，气体压力传感器8与数据采集与分析仪9相连，贴在岩样侧面上的应变片11通过吸附罐10上部与数据采集与分析仪9相连；恒温控制器6连接在水浴恒温室上。

所述的吸附罐10设有应变连接线接口，岩样侧面的横向与纵向应变片11通过接线口外接至数据采集与分析仪9，进而得到岩样吸附过程中岩体应变数据。

所述的吸附罐10上部设有气体压力传感器8，压力传感器8将吸附罐10内部气体压力数据传输至数据采集与分析***，当吸附罐内气体压力到达设定压力点时，关闭进气流量阀2。

有益效果，由于采用了上述方案，当数据采集与分析仪9显示吸附罐10内压力达到预定值时，手动关闭进气流量阀2，同时关闭封闭阀5，此后由于煤样对气体的吸附作用导致吸附罐10内压力逐渐降低，即数据采集与分析仪9上读数逐渐降低，当压力读数趋于稳定时，即可认为吸附罐内达到吸附平衡；整个吸附罐处于水浴环境中，保证动态吸附是在同一温度下进行；压力传感器8采集到的压力信号通过数模转换后最终在数据采集与分析仪9上显示出读数；应变片11采集的应变信息通过数模转换后存储在数据采集与分析仪9内部。

优点：本测试方法通过高精度天平直接称量得出注气量，避免了参考罐高精度校核的困难。测试方法简单，测试过程可靠性高。

在一定程度上避免了传统相对体积法的复杂计算、样品罐和参考罐连接的密封性问题与繁琐的参考罐体积校核步骤，避免了传统排水取气法测量精度较低与测试步骤繁琐等问题，相比于传统的重力法又增加了通过真实气态方程计算死体积气体量的优点。本方法只使用单一吸附罐进行实验，注气吸附平衡后，直接采用高精度天平称量得出吸附罐中高压气体的总的气体量，通过真实体态方程精确计算死体积中的气体量，两者之差即为吸附的气体量，本测试仪器单一，连接处少，增强了***的密封性，同时操作较为简单、计算方法简单可靠、精确度高。

附图说明

为了更清楚地声明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，而描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1是本发明的恒温吸附测试方法结构示意图结构图。

图2是本发明的高精度天平称重示意图图。

图中，1、气源钢瓶；2、进气流量阀；3、排气流量阀；4、真空泵；5、封闭阀；6、恒温控制器；7、水浴恒温室；8、压力传感器；9、数据采集与分析仪；10、吸附罐；11、应变片；12、测试煤样。

具体实施方式

下面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的保护范围。

该岩体恒温和岩体应变的测试方法：通过间接重力法测试岩体的恒温吸附能力，同时可在所测样品侧面贴横向以及纵向应变片，在岩样达到吸附平衡的过程中同时监测岩样的应变情况，便于分析岩体吸附与岩体微观应力之间的关系；

方法的具体步骤：

1、气源钢瓶1接进气流量阀2与吸附罐10相连，真空泵4接排气流量阀与吸附罐相连；

2、吸附罐10安装在水浴恒温室7内，保证岩样吸附测试过程中的温度恒定；

3、吸附罐10上部的压力传感器8外接数据采集与分析仪9，实时监测吸附罐10内气体压力；

4、所测岩样侧面贴横向与纵向应变片11，并接入数据采集与分析仪9，监测并记录岩样恒温吸附过程中的应变；

5、当吸附罐10内气体压力不再变化时即测试岩样达到吸附平衡，将吸附罐从试验台上分解下来，然后用高精度天平对其称重；

6、水浴恒温室7可同时安装多个吸附罐10，便于对不同粒径范围内的岩样同时做对比测量；

7、吸附罐10内达到吸附平衡后，关闭进气流量阀2，断开压力传感器接口与应变线接口，关闭吸附罐上部的封闭阀门，然后取出吸附罐，用精确天平对整个吸附罐称重，包括岩样质量与高压气体质量，最后可推算出吸附罐内游离态气体的物质的量。

所述的吸附罐10上部设有气体压力传感器8，压力传感器8将吸附罐内部气体压力数据传输至数据采集与分析***，当吸附罐10内气体压力到达设定压力点时，关闭进气流量阀2。

进一步的，当数据采集与分析仪9显示吸附罐内压力达到预定值时，手动关闭进气流量阀2，同时关闭封闭阀5，此后由于煤样对气体的吸附作用导致吸附罐10内压力逐渐降低，即数据采集与分析仪9上读数逐渐降低，当压力读数趋于稳定时，即可认为吸附罐10内达到吸附平衡；

水浴恒温控制***主要包括恒温控制器6和水浴恒温室7；整个吸附罐处于水浴环境中，保证动态吸附是在同一温度下进行；

压力传感器8采集到的压力信号通过数模转换后最终在数据采集与分析仪9上显示出读数；应变片11采集的应变信息通过数模转换后存储在数据采集与分析仪9内部。

测试仪器包括：气源钢瓶1、进气流量阀2、排气流量阀3、真空泵4、恒温控制器6、水浴恒温室7、压力传感器8、数据采集与分析仪9、吸附罐10和应变片11；气源钢瓶1通过进气流量阀2与吸附罐10相连，真空泵4通过排气流量阀3与吸附罐10相连；吸附罐10置于热封闭隔绝腔体内部，吸附罐10上部设有气体压力传感器8，气体压力传感器8与数据采集与分析仪9相连，贴在岩样侧面上的应变片11通过吸附罐10上部与数据采集与分析仪9相连；恒温控制器6连接在水浴恒温室上。

所述的吸附罐10设有应变连接线接口，岩样侧面的横向与纵向应变片11通过接线口外接至数据采集与分析仪9，进而得到岩样吸附过程中岩体应变数据。

所述的吸附罐10上部设有气体压力传感器8，压力传感器8将吸附罐10内部气体压力数据传输至数据采集与分析***，当吸附罐内气体压力到达设定压力点时，关闭进气流量阀2。

当数据采集与分析仪9显示吸附罐10内压力达到预定值时，手动关闭进气流量阀2，同时关闭封闭阀5，此后由于煤样对气体的吸附作用导致吸附罐10内压力逐渐降低，即数据采集与分析仪9上读数逐渐降低，当压力读数趋于稳定时，即可认为吸附罐内达到吸附平衡。

水浴恒温控制***包括恒温控制器6和水浴恒温室7；整个吸附罐处于水浴环境中，保证动态吸附是在同一温度下进行。

压力传感器8采集到的压力信号通过数模转换后最终在数据采集与分析仪9上显示出读数；应变片11采集的应变信息通过数模转换后存储在数据采集与分析仪9内部。

实施例1：以测试煤芯恒温吸附甲烷为例(1到4MPa)，测试步骤包括：

1)制备圆柱形煤芯(岩心直径小于吸附罐内径，煤芯高度小于吸附罐高度)，对煤芯进行称重，记录煤样质量M_coal，在其表面贴好横向和纵向的应变片；

2)将制备好的煤芯放入吸附罐，并将应变片和罐内的应变线连接；

3)密封吸附罐，通过罐上部接口，将吸附罐与真空泵相连，对其抽真空，并对含有岩心的吸附罐进行称重，记录质量M_coal+cell；

4)将吸附罐放入恒温水浴中，设置水浴温度到需要的测定值，连接吸附罐上部的应变线接口与应变数据采集器相连；

5)通过连接注气装置和吸附罐，向罐内注入氦气，直到达到平衡，气体压力恒定；

6)气体压力恒定后，记录恒定压力并对吸附罐进行再次称重；

7)重复步骤5和6，对吸附罐注氦气到不同的压力点，大致为0.5，1,2,3,4MPa，在不同的压力点分别称重，并分别记录质量为M_He-0.5、M_He-1、M_He-2、M_He-3、M_He-4。这些数据将会被用来计算吸附罐中的死体积大小，为计算煤样吸附瓦斯的是游离态瓦斯量提供数据；

8)测得吸附罐的死体积大小后，再次对吸附罐抽真空；

9)甲烷气体通过管路，注入吸附罐，直到达到平衡，气体压力恒定，此过程中通过应变测试仪器对煤芯的应变进行监测；

10)煤样吸附平衡后，气体压力恒定后，记录恒定压力并对吸附罐进行再次称重；

11)重复步骤9和10，对吸附罐注甲烷气到不同的压力点，大致为0.5，1,2,3,4MPa，以得到完整的恒温吸附曲线。在不同的压力点分别称重，并分别记录质量为M_CH4-0.4、M_CH4-1、M_CH4-2、M_CH4-3、M_CH4-4；

12)通过计算，将测试结果转化为单位质量的煤吸附的甲烷量，得出此煤样的恒温吸附曲线，并得出在吸附过程中煤样的应变。

吸附量的计算方法：

在每一个气体压力点，吸附罐中的气体总量可以通过高精度天平进行称量获得，那么罐内总气体的物质的量就是：

$n_{total}=\frac{M_{total}}{M_{gas}}$

其中n_total是罐内总气体的物质的量，M_total是罐内气体的总质量，M_gas是测试气体的摩尔质量。

死体积中气体的物质的量可以通过下面的公式进行计算，此处需要气体的真密度(下面的公式以SRK方程计算的气体真密度为例)：

PV_void＝n_voidZ_SRKRT

其中n_void是吸附罐死体积中的气体的物质的量，V_void是死体积的实际大小，是通过注入氦气的方法测得的，P是吸附平衡后吸附罐中气体的压力，T是恒温测试的温度，R气体常数,Z_SRK是指测试气体的压缩系数(可通过指定的压力和温度带入气体SRK方程进行求得)。通过参数n_total和n_void，气体的Gibbs吸附量(物质的量)可通过下面的公式求得：

n_adsorbed＝n_total-n_void

恒温曲线通常是在常温常压下(NTP)，吸附的体积量表达的，所以吸附量可通过下面的公式求得：

v_adsorbed＝n_adsorbedV_m

其中V_adsorbed是指吸附气体的体积，V_m是指在常温常压(NTP)下气体的摩尔体积，在每一个吸附点，Gibbs气体吸附量是通过Gibbs吸附体积量v_adsorbed除以岩体质量求得的。

具体实施例的计算

一般理论认为煤样对氦气是不吸附的，所以吸附罐死体积的测量是通过注入氦气来计算的。

$n_{He-0.5}=\frac{M_{He-0.5}-M_{coal+cell}}{M_{He}}$

$n_{He-1}=\frac{M_{He-1}-M_{coal+cell}}{M_{He}}$

$n_{He-2}=\frac{M_{He-2}-M_{coal+cell}}{M_{He}}$

$n_{He-3}=\frac{M_{He-3}-M_{coal+cell}}{M_{He}}$

$n_{He-4}=\frac{M_{He-4}-M_{coal+cell}}{M_{He}}$

其中，n_He-0.5、n_He-1、n_He-2、n_He-3、n_He-4为不同压力点下吸附罐内氦气的物质的量，M_He为氦气的摩尔质量。

然后根据公式3-12可求得吸附罐内的死体积。

PV_void-0.5＝n_He-0.5Z_SRKRT

$V_{void-0.5}=\frac{n_{He-0.5}{Z}_{SRK}RT}{P_{0.5}}$

$V_{void-1}=\frac{n_{He-1}{Z}_{SRK}RT}{P_1}$

$V_{void-2}=\frac{n_{He-2}{Z}_{SRK}RT}{P_2}$

$V_{void-3}=\frac{n_{He-3}{Z}_{SRK}RT}{P_3}$

$V_{void-4}=\frac{n_{He-4}{Z}_{SRK}RT}{P_4}$

$V_{void}=\frac{V_{void-0.5}+V_{void-1}+V_{void-2}+V_{void-3}+V_{void-4}}{5}$

吸附罐内的死体积计算出来后，再次通过公式3-12可以反算出不同压力点下吸附罐内游离态瓦斯的物质的量。

$n_{{\mathrm{CH}}_4-free-0.5}=\frac{P_{0.5}{V}_{void}}{Z_{SRK}RT}$

同理可计算出

吸附罐内甲烷的总量可通过下式求出：

$n_{{\mathrm{CH}}_4-total-0.5}=\frac{M_{{\mathrm{CH}}_4-0.5}-M_{coal+cell}}{M_{{\mathrm{CH}}_4}}$

其中，为甲烷的摩尔质量；

同理可求出

吸附状态下的甲烷量可以通过式3-13求得：

$n_{{\mathrm{CH}}_4-absorbed-0.5}=n_{{\mathrm{CH}}_4-total-0.5}-n_{{\mathrm{CH}}_4-free-0.5}$

同理可求出

恒温曲线通常是在常温常压下(NTP)，吸附的体积量表达的，所以吸附量通常需要通过式3-14进行换算，即：

$V_{{\mathrm{CH}}_4-absorbed-0.5}=n_{{\mathrm{CH}}_4-absorbed-0.5}{V}_m$

同理可求出

求出煤样在不同压力点的绝对吸附量后，也可以求出相对吸附量，即：

$R_{{\mathrm{CH}}_4-absorbed-0.5}=\frac{V_{{\mathrm{CH}}_4-absorbed-0.5}}{M_{coal}}$

同理可求得其他压力点下的煤样对甲烷的相对吸附量。

Claims (6)

1.一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法，其特征是：该岩体恒温和岩体应变的测试方法：通过间接重力法测试岩体的恒温吸附能力，同时可在所测样品侧面贴横向以及纵向应变片，在岩样达到吸附平衡的过程中同时监测岩样的应变情况，便于分析岩体吸附与岩体微观应力之间的关系；

方法的具体步骤：

1）气源钢瓶1接进气流量阀2与吸附罐10相连，真空泵4接排气流量阀与吸附罐相连；

2）吸附罐10安装在水浴恒温室7内，保证岩样吸附测试过程中的温度恒定；

3）吸附罐10上部的压力传感器8外接数据采集与分析仪，实时监测吸附罐内气体压力；

4）所测岩样侧面贴横向与纵向应变片11，并接入数据采集与分析仪9，监测并记录岩样恒温吸附过程中的应变；

5）当吸附罐10内气体压力不再变化时即测试岩样达到吸附平衡，将吸附罐10从试验台上分解下来，然后用高精度天平对其称重；

6）水浴恒温室7可同时安装多个吸附罐10，便于对不同粒径范围内的岩样同时做对比测量；

7）吸附罐10内达到吸附平衡后，关闭进气流量阀2，断开压力传感器8接口与应变线接口，关闭吸附罐10上部的封闭阀门，然后取出吸附罐，用精确天平对整个吸附罐称重，包括岩样质量与高压气体质量，最后可推算出吸附罐内游离态气体的物质的量。

2.根据权利要求1所述的一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试仪器，其特征是：所述的吸附罐上部设有气体压力传感器，压力传感器将吸附罐内部气体压力数据传输至数据采集与分析***，当吸附罐内气体压力到达设定压力点时，关闭进气流量阀。

3.根据权利要求1所述的一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试方法，其特征是：当数据采集与分析仪9显示吸附罐10内压力达到预定值时，手动关闭进气流量阀2，同时关闭封闭阀5，此后由于煤样对气体的吸附作用导致吸附罐内压力逐渐降低，即数据采集与分析仪9上读数逐渐降低，当压力读数趋于稳定时，即可认为吸附罐10内达到吸附平衡；

水浴恒温控制***主要包括恒温控制器6和水浴恒温室7；整个吸附罐处于水浴环境中，保证动态吸附是在同一温度下进行；

压力传感器8采集到的压力信号通过数模转换后最终在数据采集与分析仪9上显示出读数；应变片采集的应变信息通过数模转换后存储在数据采集与分析仪9内部。

4.权利要求1所述的一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试仪器，其特征是：测试仪器包括：气源钢瓶1、进气流量阀2、排气流量阀3、真空泵4、恒温控制器6、水浴恒温室7、压力传感器8、数据采集与分析仪9、吸附罐10和应变片11；气源钢瓶1通过进气流量阀2与吸附罐10相连，真空泵4通过排气流量阀3与吸附罐10相连；吸附罐10置于热封闭隔绝腔体内部，吸附罐10上部设有气体压力传感器8，气体压力传感器8与数据采集与分析仪9相连，贴在岩样侧面上的应变片11通过吸附罐10上部与数据采集与分析仪相连；恒温控制器6连接在水浴恒温室7上。

5.根据权利要求4所述的一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试仪器，其特征是：所述的吸附罐10设有应变连接线接口，岩样侧面的横向与纵向应变片11通过接线口外接至数据采集与分析仪9，进而得到岩样吸附过程中岩体应变数据。

6.根据权利要求4所述的一种测量岩体恒温吸附和监测岩体应变的测试仪器，其特征是：所述的吸附罐10上部设有气体压力传感器8，压力传感器8将吸附罐内部气体压力数据传输至数据采集与分析***，当吸附罐内气体压力到达设定压力点时，关闭进气流量阀2。