[發明專利]一種測定氣體流動時煤體變形過程的試驗裝置及試驗方法

在審

• 申請號: 201810377615.4
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN108398370A
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 王春光;臧玉曉;王林森;陳中偉;蔣宇靜;李曜辰;張吉東
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N33/24
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 段毅凡

本發明公開了一種測定氣體流動時煤體變形過程的試驗裝置及試驗方法，所述的試驗裝置是在三軸壓力室的兩端對稱設置有加載室，兩端加載室均由兩個連通的柱腔與一個貫穿這兩個柱腔的柱塞組成。其中靠近三軸壓力室的柱腔是自平衡柱腔，用于抵消流體壓力對柱塞產生的不平衡力，另一個柱腔是液壓柱腔，用于對柱塞施加軸向壓力；在柱塞端面出氣/液孔附近另設一條傳壓管路。這樣注入的流體不僅對柱塞端面施加一個壓力，還會從傳壓管路流入自平衡柱腔，對柱塞擴徑活塞端面施加一個等值反向壓力，從而實現柱塞始終處于受力平衡狀態，避免流體壓力變化擾動樣品外部荷載，可以精確測量樣品變形過程。

技術領域

本發明涉及煤層氣開采領域氣體流動引起的煤孔隙結構變形測量。

背景技術

煤是由裂隙與煤基質組成的雙重孔隙地質體。由于氣體在裂隙中流速要快于在煤基質微孔隙中流速，通常用煤裂隙滲透率評價煤的宏觀滲透率。煤裂隙變形直接影響氣體流動快慢，裂隙開度值變化主要受裂隙孔隙壓力控制。事實上，煤層氣體流動過程會導致煤裂隙與煤基質相互影響。現有實驗研究均是測量煤的宏觀變形量，未能直接測量煤基質變形與煤裂隙變形。常規滲透率測試方法僅適用于煤-氣系統達到平衡狀態情況。而無論是煤層氣開采，還是二氧化碳地質封存，煤孔隙壓力將呈現非線性分布，導致煤體出現非均勻變形，使煤滲透率表現出時空分布特性。因此需要提出一種新的方法來測定煤裂隙-基質變形與氣體非穩態流動相互影響規律。

中國專利公開號CN103645129A公開了一種高溫超低滲透率測量儀，其結構是三軸壓力室連接靜水壓力加載泵、偏壓加載泵以及恒流/恒壓控制泵，其中三軸壓力室在高溫控制箱內，而靜水壓力加載泵、偏壓加載泵以及恒流/恒壓控制泵放置在高溫控制箱外。三軸壓力室包括底座、軸向活塞、三軸壓力室，其中軸向活塞穿過三軸壓力室頂部，三軸壓力室頂部設有兩個微型加壓室，其中一個加壓室與三軸壓力室接通，后者與加載泵接通，另外一個加壓室接通偏壓加載泵。該實驗裝置存在以下缺陷：

該裝置考慮軸向活塞在壓力腔內壓作用下自平衡，利用自平衡油管將壓力腔內壓力導入加壓室。在這種情況下三軸壓力室內軸向活塞端面的壓力與加壓室軸向活塞端面壓力數值相等，作用方向相反。本領域公知：在滲透率實驗測試前必須對樣品包裹膠套，隔離樣品與三軸壓力室腔體，其中軸向活塞與樣品接觸部位被膠套緊密包裹。也就是說，三軸壓力室壓力不能作用在軸向活塞端面。如果采用該文獻公開的結構，一旦流體通過軸向活塞內部管道流入樣品時，流體壓力會對軸向活塞端面附加一個壓力，該壓力大小等于流體壓強乘以端面的面積。在這個附加壓力作用下，軸向活塞對樣品施加壓力值會相應減小，與設定壓力存在偏差。流體注入過程中。因此，本發明解決“高溫超低滲透率測量儀”的結構缺陷，確保軸向柱塞在流體注入過程中始終處于力學平衡狀態，能夠測量煤裂隙開度變化與煤基質變形，為研究煤層滲透率提供實驗技術支持。

發明內容

為了準確測量氣體流入煤體過程中煤變形演化過程，本發明提供一種測定氣體非穩態流動過程煤體變形的試驗裝置以及試驗方法。

為達到上述目的，本發明采取的技術的方案是：

一種測定氣體流動時煤體變形過程的試驗裝置，該裝置由三軸壓力室與兩個加載室構成。其特征在于在三軸壓力室的兩端對稱設置加載室，兩端加載室均由兩個連通的柱腔與一個貫穿這兩個柱腔的柱塞組成。其中靠近三軸壓力室的柱腔是自平衡柱腔，用于抵消流體壓力對柱塞產生的不平衡力，另一個柱腔是液壓柱腔，用于對柱塞施加軸向壓力；

所述的柱塞在兩個柱腔內分別擴徑，柱塞擴徑尺寸與柱腔內徑緊密配合；沿柱塞軸線設置一條管路，該管路一端用于注入氣/液，另一端用于排出氣/液；在三軸壓力室內柱塞端面的出氣/液孔附近設置傳壓管路，該管路連通自平衡柱腔內擴徑段的端面與三軸壓力室柱塞端面；柱塞的出氣/液端面的直徑與測試樣品直徑一致，柱塞出氣/液端的橫截面積等于擴徑段端面的圓環面積；柱塞的進氣/液端伸出液壓柱腔，與位移傳感器觸桿接觸。

為了保證密封，在柱塞出氣/液段上和柱塞擴徑段上均設有密封圈。