CN112504932A - 一种机械波振动激励煤体增渗实验装置及其实验方法 - Google Patents

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CN112504932A CN202011296953.9A CN202011296953A CN112504932A CN 112504932 A CN112504932 A CN 112504932A CN 202011296953 A CN202011296953 A CN 202011296953A CN 112504932 A CN112504932 A CN 112504932A
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Abstract

本发明公开了一种机械波振动激励煤体增渗实验装置及其实验方法，其涉及煤体增渗实验技术领域，其包括煤样夹持器、激振器、轴压施加装置、围压施加装置、气体施加装置以及数据采集组件，其相互之间的配合可以设置不同轴压、围压以及温度来模拟不同的地层条件，另外，本发明的激振器中，通过驱动杆一和驱动杆二的配合至少能够实现三种频率以及多种振幅的激励，从而测量分析不同振动激励参数对含瓦斯煤的渗流特性影响，对低渗煤层增渗研究和实践具有重要意义。

Description

一种机械波振动激励煤体增渗实验装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及低渗煤层煤体增渗实验技术领域，具体是一种机械波振动激励煤体增渗实验装置及其实验方法。
背景技术
机械波振动激励在破碎煤岩、石油储层增渗、煤层瓦斯(煤层气、页岩气)增渗等领域具有显著的优势，尤其在低渗煤储层改造方面国内外开展了大量前期研究和工程实践。
机械波振动激励煤岩破碎、增渗的理论与实践表明，机械波振动频率与煤岩自振频率(即“固有频率”)相同时，煤岩产生受迫共振，煤岩破裂和增渗效果显著提升。
因此，在不同地层条件下，测量分析不同振动激励参数对含瓦斯煤的渗流特性影响，对低渗煤层增渗研究和实践具有重要意义。
因此，有必要提供一种机械波振动激励煤体增渗实验装置及其实验方法，来进一步研究机械波振动激励低渗煤层增渗的规律。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其包括煤样夹持器、激振器、轴压施加装置、围压施加装置、气体施加装置以及数据采集组件，其中，所述煤样夹持器包括左堵头、加载筒体以及加载轴，其中，所述左堵头与加载筒体之间形成的围压腔室中布设有橡胶密封套，且围压腔室中的围压由所述围压施加装置进行提供；
所述橡胶密封套中放置有煤样，且煤样的一端与左堵头相抵靠，其另一端与加载轴相抵靠，所述加载轴嵌入在加载筒体的内部且由与加载筒体螺纹相连的螺帽二进行锁紧限位，所述加载轴、螺帽二以及加载筒体之间构成轴压腔室，且轴压腔室中的轴压由所述轴压施加装置进行提供；
所述左堵头与加载轴中均开设有通孔，且两组通孔分别对应与进气口和出气口相连，所述进气口由气体施加装置进行施加气体，所述出气口还与数据采集组件相连，从而进行数据采集；
且所述左堵头的左端面为撞击面，在实验时，所述撞击面的位置处设置有激振器，所述激振器能够提供频率、振幅可调，激励能量可控的振动冲击，以便冲击撞击面形成机械振动波。
进一步，作为优选，所述左堵头的侧面布设有围压接口，用于与围压施加装置相连通，所述围压施加装置包括围压油泵、截止阀三以及压力表二，所述围压油泵采用围压导管依次与截止阀三、压力表二以及围压接口相连。
进一步，作为优选，所述加载筒体的侧面固定嵌入有与轴压腔室相连通的轴压接口，用于与轴压施加装置相连通，所述轴压施加装置包括轴压油泵、截止阀四以及压力表三，所述轴压油泵采用轴压导管依次与截止阀四、压力表三以及轴压接口相连。
进一步，作为优选，所述气体施加装置包括气瓶、截止阀一、减压阀、压力表一以及截止阀二，所述气瓶采用气体导管依次与截止阀一、减压阀、压力表一、截止阀二以及进气口相连。
进一步，作为优选，所述左堵头以及加载筒体的外部共同套设有加热保温层，所述加热保温层的一端采用焊接点与左堵头相连，其另一端采用螺帽一固定在加载筒体上，所述加载筒体与左堵头之间布设有“O”型密封圈一，所述加载筒体与加载轴之间布设有“O”型密封圈二，所述加载筒体与螺帽二之间布设有“O”型密封圈三。
进一步，作为优选，所述数据采集组件包括温度传感器、加速度传感器、计算机一以及计算机二，其中，所述温度传感器布设于加热保温层中，所述加速度传感器布设于左堵头上，且所述温度传感器以及加速度传感器均与信息采集器电连，所述信息采集器与计算机二电连；
所述计算机二用于接收来自于气体流量计的测量数据，所述气体流量计采用出气导管依次与截止阀五以及出气口相连。
进一步，作为优选，所述截止阀五与气体流量计之间还设置有三通阀，所述三通阀还采用抽气导管与真空泵相连。
进一步，作为优选，所述激振器包括安装仓、转盘一、连杆一、驱动杆一以及导向座，其中，所述转盘一转动设置于安装仓中且由固定在安装仓外部的电机进行驱动，所述转盘一靠外的一个圆周上铰接有连杆一，所述连杆一的另一端与驱动杆一相铰接，所述驱动杆一滑动穿过导向座，以便激振撞击面，所述导向座固定嵌入在安装仓中。
进一步，作为优选，所述转盘一上同轴固定有齿轮一，所述齿轮一与齿轮二相啮合传动，所述齿轮二同轴固定在转盘二上，所述转盘二以及齿轮二均转动设置在安装仓中，且所述转盘二靠外的一个圆周上铰接有连杆二，所述连杆二的另一端与驱动杆二相铰接，所述驱动杆二滑动穿过导向座，且所述导向座上固定有能够为驱动杆二以及驱动杆一提供支撑的扶正头。
进一步，作为优选，所述驱动杆一和驱动杆二上均内嵌有伸缩杆，所述伸缩杆的输出端连接有振动头。
一种机械波振动激励煤体增渗实验方法，其包括如下步骤：
S1、检验装置气密性，确保实验装置气密性良好，然后关闭所有减压阀和截止阀。
S2、将长100mm，直径50mm的煤柱放进煤样夹持器中，然后打开截止阀五和真空泵对煤样进行真空脱气8小时；
S3、真空脱气完成以后，关闭截止阀五，打开截止阀三和截止阀四，同时打开围压油泵和轴压油泵，对煤样提供围压和轴压；
S4、打开截止阀一和截止阀二，同时调整减压阀将气瓶内的甲烷气体冲入煤样夹持器中，然后开启截止阀五和气体流量计。
S5、打开激振器，对煤样夹持器进行冲击振动，温度传感器和加速度传感器将采集到的数据传递给计算机二，同时气体流量计将测得的数据传递给计算机一。
S6、数据处理，煤体增渗实验采集的流量数据利用下式计算煤样渗透率：
Figure BDA0002785688850000041
式中：k为试样平均渗透率(mD)；p0为大气压力(0.1MPa)；μ为甲烷气动力黏度(1Pa·s)；L为煤样长度(cm)；Q为渗透过煤样的平均流量(cm3/s)；A为试样底面积大小(cm2)；p1，p2分别为进气端和出气端压力(MPa)。
与现有技术相比，本发明提供了一种机械波振动激励煤体增渗实验装置及其实验方法，具备以下有益效果：
本发明中，可以设置不同轴压、围压以及温度来模拟不同地层条件，另外，本发明的激振器中，通过驱动杆一和驱动杆二的配合至少能够实现三种频率以及多种振幅的激励，从而测量分析不同振动激励参数对含瓦斯煤的渗流特性影响，对低渗煤层增渗研究和实践具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中煤样夹持器的结构示意图；
图3为本发明中激振器的结构示意图；
图中：1、进气口；2、撞击面；3、焊接点；4、加热保温层；5、围压接口；6、橡胶密封套；7、“O”型密封圈一；8、“O”型密封圈二；9、“O”型密封圈三；10、轴压接口；11、螺帽一；12、轴压腔室；13、螺帽二；14、左堵头；15、出气口；16、温度传感器；17、支撑座；18、加载筒体；19、加载轴；20、气瓶；21、截止阀一；22、减压阀；23、压力表一；24、截止阀二；25、围压油泵；26、截止阀三；27、压力表二；28、轴压油泵；29、截止阀四；30、压力表三；31、信息采集器；32、截止阀五；33、三通阀；34、计算机一；35、气体流量计；36、真空泵；37、计算机二；38、安装仓；39、转盘一；40、齿轮一；41、齿轮二；42、转盘二；43、连杆一；44、驱动杆一；45、连杆二；46、驱动杆二；47、导向座；48、扶正头；49、伸缩杆；50、振动头。
具体实施方式
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：其包括煤样夹持器、激振器、轴压施加装置、围压施加装置、气体施加装置以及数据采集组件，其中，所述煤样夹持器包括左堵头14、加载筒体18以及加载轴19，其中，所述左堵头14与加载筒体18之间形成的围压腔室中布设有橡胶密封套6，且围压腔室中的围压由所述围压施加装置进行提供；
所述橡胶密封套6中放置有煤样，且煤样的一端与左堵头14相抵靠，其另一端与加载轴19相抵靠，所述加载轴19嵌入在加载筒体18的内部且由与加载筒体18螺纹相连的螺帽二13进行锁紧限位，所述加载轴19、螺帽二13以及加载筒体18之间构成轴压腔室12，且轴压腔室12中的轴压由所述轴压施加装置进行提供；
所述左堵头14与加载轴19中均开设有通孔，且两组通孔分别对应与进气口1和出气口15相连，所述进气口1由气体施加装置进行施加气体，所述出气口15还与数据采集组件相连，从而进行数据采集；
且所述左堵头14的左端面为撞击面2，在实验时，所述撞击面2的位置处设置有激振器，所述激振器能够提供频率、振幅可调，激励能量可控的振动冲击，以便冲击撞击面2形成机械振动波。
本实施例中，如图1和2，所述左堵头14的侧面布设有围压接口5，用于与围压施加装置相连通，所述围压施加装置包括围压油泵25、截止阀三26以及压力表二27，所述围压油泵25采用围压导管依次与截止阀三26、压力表二27以及围压接口5相连，需要解释的是，围压接口5可以包括围压进口和围压出口，在具体实施时，围压导管与围压进口相连，围压出口为封闭状。
本实施例中，所述加载筒体18的侧面固定嵌入有与轴压腔室相连通的轴压接口10，用于与轴压施加装置相连通，所述轴压施加装置包括轴压油泵28、截止阀四29以及压力表三30，所述轴压油泵28采用轴压导管依次与截止阀四29、压力表三30以及轴压接口10相连。
本实施例中，所述气体施加装置包括气瓶20、截止阀一21、减压阀22、压力表一23以及截止阀二24，所述气瓶20采用气体导管依次与截止阀一21、减压阀22、压力表一23、截止阀二24以及进气口1相连。
作为较佳的实施例，所述左堵头14以及加载筒体18的外部共同套设有加热保温层4，所述加热保温层4的一端采用焊接点3与左堵头14相连，其另一端采用螺帽一11固定在加载筒体18上，所述加载筒体18与左堵头14之间布设有“O”型密封圈一7，所述加载筒体18与加载轴19之间布设有“O”型密封圈二8，所述加载筒体18与螺帽二13之间布设有“O”型密封圈三9，通过设置的加热保温层4能够有效的对煤样夹持器进行控温，以便于实现在不同温度下的煤体增渗实验。
本实施例中，所述数据采集组件包括温度传感器16、加速度传感器、计算机一34以及计算机二37，其中，所述温度传感器16布设于加热保温层4中，所述加速度传感器布设于左堵头14上，且所述温度传感器16以及加速度传感器均与信息采集器31电连，所述信息采集器与计算机二37电连；
所述计算机二37用于接收来自于气体流量计35的测量数据，所述气体流量计35采用出气导管依次与截止阀五32以及出气口15相连，通过计算机一与计算机二相配合能够实现对于煤样夹持器的相关参数的记录。
另外，所述截止阀五32与气体流量计35之间还设置有三通阀33，所述三通阀33还采用抽气导管与真空泵36相连。
本实施例中，如图3，所述激振器包括安装仓38、转盘一39、连杆一43、驱动杆一44以及导向座47，其中，所述转盘一39转动设置于安装仓38中且由固定在安装仓38外部的电机进行驱动，所述转盘一39靠外的一个圆周上铰接有连杆一43，所述连杆一43的另一端与驱动杆一44相铰接，所述驱动杆一44滑动穿过导向座47，以便激振撞击面2，所述导向座47固定嵌入在安装仓38中。
作为较佳的实施例，所述转盘一39上同轴固定有齿轮一40，所述齿轮一40与齿轮二41相啮合传动，所述齿轮二41同轴固定在转盘二42上，所述转盘二以及齿轮二均转动设置在安装仓38中，且所述转盘二42靠外的一个圆周上铰接有连杆二45，所述连杆二45的另一端与驱动杆二46相铰接，所述驱动杆二46滑动穿过导向座47，且所述导向座47上固定有能够为驱动杆二以及驱动杆一提供支撑的扶正头48。
另外，所述驱动杆一和驱动杆二上均内嵌有伸缩杆49，所述伸缩杆49的输出端连接有振动头50，在具体实施时，通过驱动杆一和驱动杆二的配合至少能够实现三种频率以及多种振幅的激励，具体的，利用驱动杆二上的伸缩杆49进行大幅度收缩，使得其上的振动头50不与撞击面2相接触，此时仅驱动杆一产生激励；另外，利用驱动杆一上的伸缩杆49进行大幅度收缩，使得其上的振动头50不与撞击面2相接触，而驱动杆二上的振动头可以与撞击面2相接触，此时仅驱动杆二产生激励；另外，驱动杆一和驱动杆二上的振动头均可以与撞击面2相接触，此时驱动杆一和驱动杆二均可产生激励，并且通过伸缩杆49的伸缩还可改变振幅。
一种机械波振动激励煤体增渗实验方法，其包括如下步骤：
S1、检验装置气密性，确保实验装置气密性良好，然后关闭所有减压阀和截止阀。
S2、将长100mm，直径50mm的煤柱放进煤样夹持器中，然后打开截止阀五32和真空泵对煤样进行真空脱气8小时；
S3、真空脱气完成以后，关闭截止阀五32，打开截止阀三26和截止阀四29，同时打开围压油泵25和轴压油泵28，对煤样提供围压和轴压；
S4、打开截止阀一21和截止阀二24，同时调整减压阀22将气瓶20内的甲烷气体冲入煤样夹持器中，然后开启截止阀五32和气体流量计35。
S5、打开激振器，对煤样夹持器进行冲击振动，温度传感器和加速度传感器将采集到的数据传递给计算机二37，同时气体流量计35将测得的数据传递给计算机一34。
S6、数据处理，煤体增渗实验采集的流量数据利用下式计算煤样渗透率：
Figure BDA0002785688850000091
式中：k为试样平均渗透率(mD)；p0为大气压力(0.1MPa)；μ为甲烷气动力黏度(1Pa·s)；L为煤样长度(cm)；Q为渗透过煤样的平均流量(cm3/s)；A为试样底面积大小(cm2)；p1，p2分别为进气端和出气端压力(MPa)。
通过改变实验过程中的围压、轴压、振动频率、振幅等条件可以得出不同实验条件下含瓦斯煤渗流特性及规律。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：其包括煤样夹持器、激振器、轴压施加装置、围压施加装置、气体施加装置以及数据采集组件，其中，所述煤样夹持器包括左堵头(14)、加载筒体(18)以及加载轴(19)，其中，所述左堵头(14)与加载筒体(18)之间形成的围压腔室中布设有橡胶密封套(6)，且围压腔室中的围压由所述围压施加装置进行提供；
所述橡胶密封套(6)中放置有煤样，且煤样的一端与左堵头(14)相抵靠，其另一端与加载轴(19)相抵靠，所述加载轴(19)嵌入在加载筒体(18)的内部且由与加载筒体(18)螺纹相连的螺帽二(13)进行锁紧限位，所述加载轴(19)、螺帽二(13)以及加载筒体(18)之间构成轴压腔室(12)，且轴压腔室(12)中的轴压由所述轴压施加装置进行提供；
所述左堵头(14)与加载轴(19)中均开设有通孔，且两组通孔分别对应与进气口(1)和出气口(15)相连，所述进气口(1)由气体施加装置进行施加气体，所述出气口(15)还与数据采集组件相连，从而进行数据采集；
且所述左堵头(14)的左端面为撞击面(2)，在实验时，所述撞击面(2)的位置处设置有激振器，所述激振器能够提供频率、振幅可调，激励能量可控的振动冲击，以便冲击撞击面(2)形成机械振动波。
2.根据权利要求1所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述左堵头(14)的侧面布设有围压接口(5)，用于与围压施加装置相连通，所述围压施加装置包括围压油泵(25)、截止阀三(26)以及压力表二(27)，所述围压油泵(25)采用围压导管依次与截止阀三(26)、压力表二(27)以及围压接口(5)相连。
3.根据权利要求1所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述加载筒体(18)的侧面固定嵌入有与轴压腔室相连通的轴压接口(10)，用于与轴压施加装置相连通，所述轴压施加装置包括轴压油泵(28)、截止阀四(29)以及压力表三(30)，所述轴压油泵(28)采用轴压导管依次与截止阀四(29)、压力表三(30)以及轴压接口(10)相连。
4.根据权利要求1所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述气体施加装置包括气瓶(20)、截止阀一(21)、减压阀(22)、压力表一(23)以及截止阀二(24)，所述气瓶(20)采用气体导管依次与截止阀一(21)、减压阀(22)、压力表一(23)、截止阀二(24)以及进气口(1)相连。
5.根据权利要求1所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述左堵头(14)以及加载筒体(18)的外部共同套设有加热保温层(4)，所述加热保温层(4)的一端采用焊接点(3)与左堵头(14)相连，其另一端采用螺帽一(11)固定在加载筒体(18)上，所述加载筒体(18)与左堵头(14)之间布设有“O”型密封圈一(7)，所述加载筒体(18)与加载轴(19)之间布设有“O”型密封圈二(8)，所述加载筒体(18)与螺帽二(13)之间布设有“O”型密封圈三(9)。
6.根据权利要求5所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述数据采集组件包括温度传感器(16)、加速度传感器、计算机一(34)以及计算机二(37)，其中，所述温度传感器(16)布设于加热保温层(4)中，所述加速度传感器布设于左堵头(14)上，且所述温度传感器(16)以及加速度传感器均与信息采集器(31)电连，所述信息采集器与计算机二(37)电连；
所述计算机二(37)用于接收来自于气体流量计(35)的测量数据，所述气体流量计(35)采用出气导管依次与截止阀五(32)以及出气口(15)相连。
7.根据权利要求6所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述截止阀五(32)与气体流量计(35)之间还设置有三通阀(33)，所述三通阀(33)还采用抽气导管与真空泵(36)相连。
8.根据权利要求1所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述激振器包括安装仓(38)、转盘一(39)、连杆一(43)、驱动杆一(44)以及导向座(47)，其中，所述转盘一(39)转动设置于安装仓(38)中且由固定在安装仓(38)外部的电机进行驱动，所述转盘一(39)靠外的一个圆周上铰接有连杆一(43)，所述连杆一(43)的另一端与驱动杆一(44)相铰接，所述驱动杆一(44)滑动穿过导向座(47)，以便激振撞击面(2)，所述导向座(47)固定嵌入在安装仓(38)中。
9.根据权利要求8所述的一种机械波振动激励煤体增渗实验装置，其特征在于：所述转盘一(39)上同轴固定有齿轮一(40)，所述齿轮一(40)与齿轮二(41)相啮合传动，所述齿轮二(41)同轴固定在转盘二(42)上，所述转盘二以及齿轮二均转动设置在安装仓(38)中，且所述转盘二(42)靠外的一个圆周上铰接有连杆二(45)，所述连杆二(45)的另一端与驱动杆二(46)相铰接，所述驱动杆二(46)滑动穿过导向座(47)，且所述导向座(47)上固定有能够为驱动杆二以及驱动杆一提供支撑的扶正头(48)；所述驱动杆一和驱动杆二上均内嵌有伸缩杆(49)，所述伸缩杆(49)的输出端连接有振动头(50)。
10.一种机械波振动激励煤体增渗实验方法，其特征在于：其包括如下步骤：
S1、检验装置气密性，确保实验装置气密性良好，然后关闭所有减压阀和截止阀。
S2、将长100mm，直径50mm的煤柱放进煤样夹持器中，然后打开截止阀五(32)和真空泵对煤样进行真空脱气8小时；
S3、真空脱气完成以后，关闭截止阀五(32)，打开截止阀三(26)和截止阀四(29)，同时打开围压油泵(25)和轴压油泵(28)，对煤样提供围压和轴压；
S4、打开截止阀一(21)和截止阀二(24)，同时调整减压阀(22)将气瓶(20)内的甲烷气体冲入煤样夹持器中，然后开启截止阀五(32)和气体流量计(35)。
S5、打开激振器，对煤样夹持器进行冲击振动，温度传感器和加速度传感器将采集到的数据传递给计算机二(37)，同时气体流量计(35)将测得的数据传递给计算机一(34)。
S6、数据处理，煤体增渗实验采集的流量数据利用下式计算煤样渗透率：
Figure FDA0002785688840000041
式中：k为试样平均渗透率(mD)；p0为大气压力(0.1MPa)；μ为甲烷气动力黏度(1Pa·s)；L为煤样长度(cm)；Q为渗透过煤样的平均流量(cm3/s)；A为试样底面积大小(cm2)；p1，p2分别为进气端和出气端压力(MPa)。
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