CN109100487A - 三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验*** - Google Patents

三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验*** Download PDF

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秦雷
翟成
李树刚
林海飞
刘超
张超
成连华
严敏
肖鹏
赵鹏翔
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Abstract

本发明提供了一种三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，包括气体增压***、压力测量***、岩心夹持器、三轴压力控制***。本发明可以模拟真实地层条件低温环境下煤岩体的蠕变渗流和力学演化过程，为低温致裂增透煤岩体抽采瓦斯或页岩气提供一种三轴模拟仿真的实验平台，可以定量研究冻结条件下原位煤岩体的物性参数，为低温致裂增透煤层的现场应用提供科学实验数据和理论依据。

Description

三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***
技术领域
本发明具体涉及一种三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***。
背景技术
随着煤层增透技术的深入开展，无水化煤层低温致裂技术逐渐成为一种重要的致裂手段，主要包括液氮致裂技术、液态二氧化碳致裂技术。低温致裂是一个断裂力学和非均匀径向流耦合的过程，也是一个多相变复杂动力学过程，如何预测这个动态过程是整个工程应用的关键。
从目前的低温致裂技术来说，国内外对三轴围压下煤体低温致裂过程的研究力度相当不足，尤其是低温环境含瓦斯三轴受载条件下的渗流蠕变及力学特征研究更是没有发现。模拟真实地层条件下煤岩体在低温环境中的渗流蠕变和力学性能演化，可对低温致裂增透煤层抽采瓦斯工程应用提供科学依据和理论基础。因此，实现三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境中渗流蠕变及力学性能测试是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，包括气体增压***、压力测量***、岩心夹持器、三轴压力控制***；
所述气体增压***包括空压机、增压泵、气体钢瓶、高压气体储罐，所述空压机、气体钢瓶分别与所述增压泵的进口相连接，所述高压气体储罐与所述增压泵的出口相连接，且在上述连接的管路上分别设有阀门；所述高压气体储罐外接减压阀、调压压力表和减压阀出口阀；
所述压力测量***包括压力传感器一、参考缸、压力传感器二，所述压力传感器一、参考缸、压力传感器二与所述减压阀出口阀相连接，所述压力传感器一、参考缸、压力传感器二通过进气阀与所述岩心夹持器相连接；
所述三轴压力控制***包括伺服控制压力机和自动环压跟踪泵，一上岩心塞的上端固定在所述伺服控制压力机上部的横梁上，所述上岩心塞与的下端安装在所述岩心夹持器内；一下岩心塞安装在所述伺服控制压力机的下部载体上，通过所述下部载体向上移动进行施加轴向压力；在所述上岩心塞中设有气体进口管路，在所述下岩心塞中设有气体出口管路；
所述岩心夹持器包括外壳，在所述外壳的内侧设有岩心胶体套，所述岩心胶体套设置在所述上岩心塞的外侧上；在所述岩心胶体套的外侧设有环压水储腔，所述自动环压跟踪泵与所述环压水储腔相连接。
进一步，在所述空压机与所述增压泵连接的管路上设有驱动调压阀；在所述气体钢瓶与所述增压泵连接的管路上设有气瓶开关阀；在所述高压气体储罐与所述增压泵连接的管路上设有高压气体出口阀。
进一步，所述环压水储腔的上端连接环压水进口，下端连接环压水放空口。
进一步，在所述岩心夹持器的外侧设有温度控制***，所述温度控制***包括温度控制器、加热圈和保温层，所述加热圈设置在所述岩心夹持器的***，所述保温层设置在所述加热圈的***，所述温度控制器与所述加热圈相连接。
进一步，还包括气体流量计、干燥器，所述气体流量计与所述干燥器相连接，所述干燥器与所述下岩心塞相连接，在所述干燥器与所述下岩心塞连接的管路上设有气体出口阀。干燥器可以去除气体中的水分等杂质，确保气体流量测试的准确性。
进一步，在所述进气阀的前面设有一进气管路，所述进气管路的末端连接在所述气体出口阀的前面；在所述进气管路上设有传感器阀门和气体阀。
进一步，在所述气体进口管路上设有进气口，在所述气体出口管路上设有出气口；所述进气阀与所述进气口相连接，所述进气阀和气体出口阀与所述出气口相连接。
进一步，所述自动环压跟踪泵分别与环压液和压力传感器三相连接，在所述自动环压跟踪泵与所述环压水储腔连接的管路上设有环压控制阀。通过环压控制阀连接到岩心夹持器中的环压水储腔，其中轴压可实现100Mpa的加载，环压可实现80MPa的加载，蠕变渗流时间可达2个月时长。
进一步，至少有一个气体钢瓶，所述气体钢瓶包括甲烷气瓶、氮气气瓶、氦气气瓶等。
进一步，还包括计算机，所述计算机与所述气体增压***、压力测量***、岩心夹持器、三轴压力控制***相连接。
通过气体增压***中的气体钢瓶、空压机连接增压泵进行增压，然后增压泵连接高压气体储罐，通过减压阀和调压压力表进行压力控制，岩心夹持器内部低温环境下限为-196℃。在岩心夹持器外部设置有温度控制器和保温层，夹持器外部高温上限为120℃。因此，本发明通过气体钢瓶、空压机、增压泵和高压气体储罐对气体进行增压、调压。
本发明通过岩心夹持器、伺服压力控制机、煤岩样品、参考缸和计算机进行岩心夹持器内部体积标定；通过气体管路、低温介质管路进行不同三轴压力、不同温度环境下样品的孔隙度、渗透率测定、瓦斯吸附解吸实验和力学参数测试。
本发明的***的运行压力、温度设有极限值，确保试验安全可靠，操作提示以防误操作。增压泵和自动环压跟踪泵设计极限保护压力，当泵压达到极限保护压力时自动停泵保护，同时相连接的阀门会自动开启，卸载压力。温度控制器设计极限保护温度，当岩心夹持器内温度达到极限保护温度时，各仪器自动切断电源。
本发明可以模拟真实地层条件低温环境下煤岩体的蠕变渗流和力学演化过程，为低温致裂增透煤岩体抽采瓦斯或页岩气提供一种三轴模拟仿真的实验平台，可以定量研究冻结条件下原位煤岩体的物性参数，为低温致裂增透煤层的现场应用提供科学实验数据和理论依据。因此，本发明提供的实验***具有突破创新性和实验迫切性。使用本发明分别开展煤样孔隙率测试、受载含瓦斯煤样解吸特性和含瓦斯煤样的渗流及力学实验研究，通过实验验证了该***在功能上的多样性和在测试上的准确性、可靠性。
附图说明
图1是本发明的连接示意图；
图2是本发明岩心夹持器的结构剖面图；
图3是本发明岩心夹持器和温度控制***的结构剖面图。
标注说明：1、空压机；2、驱动调压阀；3、增压泵；4、气体钢瓶；5、上岩心塞；6、气瓶开关阀；7、下岩心塞；8、高压气体出口阀；9、高压气体储罐；10、减压阀；11、调压压力表；12、减压阀出口阀；13、压力传感器一；14、参考缸；15、压力传感器二；16、传感器阀门；17、进气阀；18、伺服控制压力机；19、温度控制器；20、岩心夹持器；21、应变片；22、煤岩样品；23、气体阀；24、气体出口阀；25、干燥器；26、气体流量计；27、环压控制阀；28、压力传感器三；29、自动环压跟踪泵；30、环压液；31、加热圈；32、保温层；20-1、外壳；20-2、岩心胶体套；20-3、环压水储腔；20-4、环压水进口；20-5、环压水放空口；20-6、进气口；20-7、出气口；20-8、样品室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细介绍。
请参见图1～3，本发明提供了一种三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，包括气体增压***、压力测量***、岩心夹持器20、三轴压力控制***。
气体增压***包括空压机1、增压泵3、气体钢瓶4、高压气体储罐9，至少有一个气体钢瓶4，气体钢瓶4包括甲烷气瓶、氮气气瓶、氦气气瓶等。空压机1、气体钢瓶4分别与增压泵3的进口相连接，高压气体储罐9与增压泵3的出口相连接，且在上述连接的管路上分别设有阀门。
具体的，在空压机1与增压泵3连接的管路上设有驱动调压阀2；在气体钢瓶4与增压泵3连接的管路上设有气瓶开关阀6；在高压气体储罐9与增压泵3连接的管路上设有高压气体出口阀8。高压气体储罐9外接减压阀10、调压压力表11和减压阀出口阀12。
压力测量***包括压力传感器一13、参考缸14、压力传感器二15，压力传感器一13、参考缸14、压力传感器二15与减压阀出口阀12相连接，压力传感器一13、参考缸14、压力传感器二15通过进气阀17与岩心夹持器20相连接。
三轴压力控制***包括伺服控制压力机18和自动环压跟踪泵29，一上岩心塞5的上端固定在伺服控制压力机18上部的横梁上，上岩心塞5与的下端安装在岩心夹持器20内。一下岩心塞7安装在伺服控制压力机18的下部载体上，通过下部载体向上移动进行施加轴向压力，上岩心塞5和下岩心塞7之间形成样品室20-8。在上岩心塞5中设有气体进口管路，在下岩心塞7中设有气体出口管路。
岩心夹持器20包括外壳20-1，在外壳20-1的内侧设有岩心胶体套20-2，岩心胶体套20-2设置在上岩心塞5的外侧上。在岩心胶体套20-2的外侧设有环压水储腔20-3，自动环压跟踪泵29与环压水储腔20-3相连接。环压水储腔20-3的上端连接环压水进口20-4，下端连接环压水放空口20-5。
还包括气体流量计26、干燥器25，气体流量计26与干燥器25相连接，干燥器25与下岩心塞7相连接，在干燥器25与下岩心塞7连接的管路上设有气体出口阀24。干燥器25可以去除气体中的水分等杂质，确保气体流量测试的准确性。
在进气阀17的前面设有一进气管路，进气管路的末端连接在气体出口阀24的前面；在进气管路上设有传感器阀门16和气体阀23。
在气体进口管路上设有进气口20-6，在气体出口管路上设有出气口20-7；进气阀17与进气口20-6相连接，进气阀17和气体出口阀24与出气口20-7相连接。
自动环压跟踪泵29分别与环压液30和压力传感器三28相连接，在自动环压跟踪泵29与环压水储腔20-3连接的管路上设有环压控制阀27。通过环压控制阀27连接到岩心夹持器20中的环压水储腔20-3，其中轴压可实现100Mpa的加载，环压可实现80MPa的加载，蠕变渗流时间可达2个月时长。
在岩心夹持器20的外侧设有温度控制***，温度控制***包括温度控制器19、加热圈31和保温层32，加热圈31设置在岩心夹持器20的***，保温层32设置在加热圈31的***，温度控制器19与加热圈31相连接。
本发明还包括计算机，计算机与上述气体增压***、压力测量***、岩心夹持器20、三轴压力控制***相连接。
本发明可以通过以下步骤来进行相关实验：
A、进行孔隙体积校验，具体包括以下步骤：
(1)通过伺服压力控制机将岩心夹持器20提起，将煤岩样品放在下岩心塞7上。通过伺服压力控制机18将岩心夹持器20缓慢放下，使下岩心塞7从岩心夹持器20底端进入岩心夹持器20内，当上岩心塞5与煤岩样品22顶部接***齐时停止。继续下降岩心夹持器20，如果下岩心塞7偏离，可以用手扶正，当煤岩样品22与上岩心塞5接触时停止动作。根据实验要求在自动环压跟踪泵29上设定环压值，通过给环压水储腔20-3加压，可以让岩心胶体套20-2紧密贴合上岩心塞5和下岩心塞7，起到更好的密封作用。
(2)将位于上岩心塞5中的气体进口管路末端的进气口20-6、位于下岩心塞7中的气体出口管路末端的出气口20-7用管线连接好，打开传感器阀门16。打开减压阀出口阀12向参考缸14中充气，根据压力传感器一13数值调整减压阀10至出口压力100KPa，平衡后关闭减压阀出口阀门12。
打开进气阀17、气体阀23，压力向岩心夹持器20内扩散，压力平衡后，记录压力传感器尔二15显示压力值P1；通过计算机自动计算校验参数。打开气体出口阀24，放空标定气体。
B、进行孔隙度测定，具体包括以下步骤：
(1)将被测煤岩样品22装入立式夹持器20内，按自动环压跟踪泵29操作步骤根据实验要求设定环压值。
(2)将夹持器进气口20-6、出气口20-7用管线连接好，打开传感器阀门16。打开夹减压阀出口阀门12向参考缸14充气，根据压力传感器一13数值调整减压阀10至出口压力100KPa，平衡后关闭减压阀出口阀门12。
打开进气阀17、气体阀23，压力向立式夹持器20内扩散，压力平衡后，记录压力传感器二15显示压力值P2；计算机自动计算校验参数。打开气体出口阀24，放空标定气体。实验完毕后，根据孔隙度公式计算样品的气体孔隙度。
C、将渗透率所需气体连接到气体增压***上，通过伺服压力控制机将岩心夹持器20提起，将煤岩样品放在下岩心塞7上并贴上应变片21，应变片21用扁平线引出，用热缩套将煤岩样品22和下岩心塞7连接好。
通过伺服压力控制机18将岩心夹持器20缓慢放下，使下岩心塞7从岩心夹持器20底端进入岩心夹持器20内，当上岩心塞5与煤岩样品22顶部接***齐时停止。继续下降岩心夹持器20，如果下岩心塞7偏离，可以用手扶正，当煤岩样品22与上岩心塞5接触时停止动作。用自动环压跟踪泵29加环压，先松开夹持器20上的环压水放空口20-5，用自动环压跟踪泵29加满水后将环压水放空口20-5关闭，当环压达到设定值时自动跟踪环压压力。
D、低温介质冷冻煤样样品，包括：将传感器阀门16和气体阀23上的连接管线拆除，将传感器阀门16连接低温介质储罐，打开传感器阀门16和气体阀23，打开低温介质储罐，低温介质经过煤岩样品22，根据需要设置冻结样品时间。冻结完毕后，关闭传感器阀门16和气体阀23，打开气体出口阀24。
E、气体渗透率测定，包括：打开计算机，在相关计算软件上设置实验所需温度，通过温度控制器19控温。根据实验要求调节增压***出口压力，打开减压阀出口阀门12，打开进气阀17，调节气体出口阀24控制气体流量。当压力、温度、流量显示值稳定后，在通过计算机采集数据，计算机根据压力、流量、岩心尺寸、大气压、气体粘度、温度等计算样品(22)渗透率。量计法测渗透率计算公式为：
式中：μ-氮气粘度，MPa.s；L-岩心长度，cm；P0-当天大气压，KPa；d-岩心直径，cm；P出-岩心出口压力，KPa；K-渗透率，10-3μm2；T-温度，℃。
F、瓦斯吸附解吸测试，包括：连接气体钢瓶4的管路到岩心夹持器20，关闭其他管路阀门，通过温度控制器19调节所需的实验温度，通过伺服压力控制机18和自动环压跟踪泵29控制三轴压力，打开甲烷气体管路减压阀10和减压阀出口阀12调节至所需压力，甲烷气体通过煤岩样品22进行吸附解吸，根据需要设定吸附解吸时间，完毕后打开气体出口阀门24，通过干燥器25和气体流量计26采集数据并计算样品对甲烷的吸附解吸量。
G、力学性能测定，包括：蠕变渗流实验做完后，可进行三轴/单轴下不同温度环境下煤岩样品的力学强度实验，通过伺服压力控制机18对不同压力环境和温度环境下的样品进行压缩破坏实验，并得到煤岩样品22的应力-应变曲线。
以上步骤仅为一种优化步骤，以介绍实验***功能为主，均可根据实验条件进行优化组合和调整测试步骤。
本发明的实验***可实现以下工作的开展和研究：
①三轴加载条件下不同温度(高温和低温)、压力条件下煤岩样品孔隙度、渗透率测试；
②三轴加载条件下不同温度(高温和低温)、压力条件下煤岩样品对甲烷等气体吸附解吸测试；
③三轴加载条件下煤岩蠕变-渗流等的长期加载及力学性能实验。
同时，结合各种辅助分析测试仪器，如扫描电镜、X衍射分析仪、孔径粒度分析仪、核磁共振成像***，获得非常规天然气储层样品孔隙结构、成岩组分以及其他力学性质参数，为理论分析、吸附/解吸过程测试提供较为详实的基础数据。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，包括气体增压***、压力测量***、岩心夹持器、三轴压力控制***；
所述气体增压***包括空压机、增压泵、气体钢瓶、高压气体储罐，所述空压机、气体钢瓶分别与所述增压泵的进口相连接，所述高压气体储罐与所述增压泵的出口相连接，且在上述连接的管路上分别设有阀门；所述高压气体储罐外接减压阀、调压压力表和减压阀出口阀；
所述压力测量***包括压力传感器一、参考缸、压力传感器二，所述压力传感器一、参考缸、压力传感器二与所述减压阀出口阀相连接，所述压力传感器一、参考缸、压力传感器二通过进气阀与所述岩心夹持器相连接；
所述三轴压力控制***包括伺服控制压力机和自动环压跟踪泵，一上岩心塞的上端固定在所述伺服控制压力机上部的横梁上，所述上岩心塞与的下端安装在所述岩心夹持器内；一下岩心塞安装在所述伺服控制压力机的下部载体上，在所述上岩心塞中设有气体进口管路，在所述下岩心塞中设有气体出口管路；
所述岩心夹持器包括外壳，在所述外壳的内侧设有岩心胶体套，所述岩心胶体套设置在所述上岩心塞的外侧上；在所述岩心胶体套的外侧设有环压水储腔，所述自动环压跟踪泵与所述环压水储腔相连接。
2.根据权利要求1所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，在所述空压机与所述增压泵连接的管路上设有驱动调压阀；在所述气体钢瓶与所述增压泵连接的管路上设有气瓶开关阀；在所述高压气体储罐与所述增压泵连接的管路上设有高压气体出口阀。
3.根据权利要求1所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，所述环压水储腔的上端连接环压水进口，下端连接环压水放空口。
4.根据权利要求1所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，在所述岩心夹持器的外侧设有温度控制***，所述温度控制***包括温度控制器、加热圈和保温层，所述加热圈设置在所述岩心夹持器的***，所述保温层设置在所述加热圈的***，所述温度控制器与所述加热圈相连接。
5.根据权利要求1所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，还包括气体流量计、干燥器，所述气体流量计与所述干燥器相连接，所述干燥器与所述下岩心塞相连接，在所述干燥器与所述下岩心塞连接的管路上设有气体出口阀。
6.根据权利要求5所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，在所述进气阀的前面设有一进气管路，所述进气管路的末端连接在所述气体出口阀的前面；在所述进气管路上设有传感器阀门和气体阀。
7.根据权利要求1所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，在所述气体进口管路上设有进气口，在所述气体出口管路上设有出气口；所述进气阀与所述进气口相连接，所述进气阀和气体出口阀与所述出气口相连接。
8.根据权利要求1所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，所述自动环压跟踪泵分别与环压液和压力传感器三相连接，在所述自动环压跟踪泵与所述环压水储腔连接的管路上设有环压控制阀。
9.根据权利要求2所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，至少有一个气体钢瓶，所述气体钢瓶包括甲烷气瓶、氮气气瓶、氦气气瓶。
10.根据权利要求1～9所述的三轴受载含瓦斯煤岩体低温环境渗流蠕变及力学实验***，其特征在于，还包括计算机，所述计算机与所述气体增压***、压力测量***、岩心夹持器、三轴压力控制***相连接。
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