熱冷沖擊下煤體滲透率測試裝置及測試方法與流程

本發明涉及采煤技術領域，尤其涉及一種煤體滲透率測試裝置及測試方法。

背景技術：

煤層氣壓裂是煤層氣開發利用的核心和關鍵。近年來，煤層壓裂在技術上已有很大進步，在應用上已取得理想效果，但也暴露出一些問題，亟待解決，需要用非常規手段（熱冷沖擊）解決煤層氣開發的技術難題和瓶頸，真正實現煤層氣的增產效果。為了研究溫度沖擊對煤體的壓裂作用，研究人員設計了很多裝置，但鮮有定量測試煤體壓裂效果的裝置，缺少熱冷沖擊下煤的滲透率測試實驗系統。

技術實現要素：

本發明的目的在于解決現有技術中的不足之處，提供一種能夠通過熱冷交替的手段，實現對煤體的增透，并測得破壞煤體的滲透率大小的熱冷沖擊下煤體滲透率測試實驗裝置。

為實現上述目的，本發明的熱冷沖擊下煤體滲透率測試裝置包括熱冷裝置、滲透裝置、氣體流量測試裝置和氣體供給裝置；

熱冷裝置包括液氮罐、熱鼓風機、注冷管和注熱管，熱鼓風機具有風機開關；液氮罐連接所述注冷管，注冷管與液氮罐相連接的一端部設有增壓閥和進液閥；熱鼓風機連接所述注熱管，注熱管上設有第一截止閥；

氣體流量測試裝置包括排氣管，排氣管上設有第二截止閥和氣體流量計；

滲透裝置包括煤樣罐、端蓋、熱冷管、圓板和端蓋內塞，熱冷管的下端垂直向下固定在圓板的正中心處，圓板位于熱冷管徑向外側的部分均勻設置有上下通透的透水孔；端蓋與煤樣罐頂部密封配合，煤樣罐內于側壁與底壁相接處設有環形的支撐臺階，圓板架設在支撐臺階上并與煤樣罐的內側壁相連接；圓板與其下方的煤樣罐底壁圍成透水腔，透水腔側壁連接有氣水排出管，氣水排出管伸出透水腔的部分向上連接有所述排氣管并向下連接有排水管，排水管上設有第三截止閥；端蓋內塞的底部設有上大下小的錐臺部，錐臺部插入熱冷管并與熱冷管壓接密封；

注熱管和注冷管分別穿過端蓋內塞并伸入熱冷管內，注熱管和注冷管均與端蓋內塞密封配合；注熱管和注冷管位于熱冷管內的管段側壁分別均勻設有徑向通孔；端蓋內塞上豎向安裝有用于排放氮氣和熱風的連通管，連通管底端伸入熱冷管且其頂端向上伸出端蓋內塞；

氣體供給裝置包括高壓瓦斯氣瓶，高壓瓦斯氣瓶頂部通過出氣口開關連接有導氣管，導氣管上設有減壓閥和氣壓表。

所述端蓋與煤樣罐頂部通過以下結構密封配合：

端蓋外圓處向下凸設有連接圓環，連接圓環底面設有環形槽，煤樣罐頂部外壁徑向凸起設有環形的連接板，連接板與連接圓環的底面通過螺栓可拆卸固定連接在一起，連接板以上的煤樣罐側壁卡接在環形槽內，煤樣罐的側壁頂端與環形槽的槽壁之間壓設有密封墊圈；密封圈低于端蓋下表面，端蓋下表面與煤樣罐頂端之間圍成進氣腔。

所述導氣管上設有第四截止閥。

本發明的目的還在于提供一種使用上述熱冷沖擊下煤體滲透率測試裝置的煤體滲透率測試方法，該方法依次按以下步驟進行：

第一步驟是制備煤樣；煤樣由以下重量份配比的原料組成：水泥10～30份，煤粉60～90份，加水混合攪拌均勻后倒入煤樣罐內的圓板上，使混合料的高度和煤樣罐頂端相齊平，然后靜置直到混合料凝固；

混合料凝固過程中，混合料中的水透過圓板的透水孔向下流至透水腔；打開第三截止閥，關閉第二截止閥，水通過排水管排出；煤樣制備好后，將端蓋通過螺栓與煤樣罐固定到一起，同時注冷管和注熱管穿過端蓋內塞插入熱冷管；

第二步驟是對煤樣進行溫度沖擊，包括熱沖擊和冷沖擊；

首先是熱沖擊，打開熱鼓風機上的風機開關，將熱鼓風機的出風溫度調節至300±10℃，同時打開第一截止閥，熱風通過注熱管進入熱冷管內，并從注熱管側壁的徑向通孔均勻吹至熱冷管的內壁，熱冷管的內壁將熱量傳導至煤樣；熱鼓風機加熱持續時間10－60分鐘；關閉風機開關和第一截止閥，停止送熱風；

其次是冷沖擊，打開進液閥，液氮經過注冷管進入熱冷管內，從注冷管側壁的徑向通孔均勻噴至熱冷管的內腔，熱冷管將冷量傳遞給煤樣，將煤樣迅速冷卻下來；液氮在熱冷管內氣化，氣化后的氮氣通過連通管排出；注冷30分鐘后，關閉進液閥；

熱沖擊和冷沖擊循環進行1－10次，熱沖擊和冷沖擊對煤樣產生熱冷沖擊作用，煤體破壞損傷，煤樣滲透性增加；

第三步驟是測試煤樣的滲透率；打開高壓瓦斯氣瓶上的出氣口開關，調節減壓閥，記錄氣壓表此時顯示的進口瓦斯壓力p1，p1的單位為mpa；瓦斯氣體經過導氣管進入到進氣腔；保持進氣狀態10分鐘以上，然后打開第二截止閥，瓦斯氣體通過煤樣上端面進入煤樣體，然后向下通過圓板上的透水孔進入到透水腔內，瓦斯氣體接著通過氣水排出管和排氣管流出，在此過程中排氣管上的數顯氣體流量計顯示氣體流量，待數顯氣體流量計示數穩定后記錄流量值q，流量值q的單位是立方米/秒；

瓦斯氣體通過煤樣、透水孔、透水腔進入排氣管后其壓力接近大氣壓p0，p0的單位為mpa，煤樣的高度為h，h的單位為米；瓦斯氣體在流動斷面的面積為煤樣的水平截面的面積s，s的單位為平方米，瓦斯氣體粘度系數為常數μ，煤體的滲透率k為：

所述第三步驟中，在保持進氣狀態10分鐘以上之后、打開截止閥之前，通過關閉出氣口開關觀察氣壓表的示數是否穩定來檢驗氣密性，如果關閉出氣口開關后30分鐘，氣壓表的示數波動范圍小于等于0.01mpa，則判斷系統氣密性良好，此時打開第二截止閥進行后續操作；如果氣壓表的示數波動范圍大于0.01mpa，則中止實驗，檢查系統氣密性，確保系統氣密性良好后再打開第二截止閥進行后續操作。

本發明具有如下的優點：

本發明能夠通過熱冷交替的手段，實現對煤體的增透，并測得破壞煤體的滲透率大小，從而定量說明該壓裂技術的增透效果。

通過本發明的裝置和方法計算出煤體的滲透率后，可以使用煤體的滲透率來分析評價溫度沖擊對煤體的增透效果，通過實驗得到最佳的溫度沖擊參數，為煤礦作業提供指導，提高煤礦作業的效率。

為了更好的準確測得煤體的滲透率，煤樣罐中的煤并非來自原煤，而是特制的煤樣；由于水泥和煤的導熱系數很相近，對熱量在煤體的傳遞影響不大，所以按照一定的比例將水泥、煤粉和水混合攪拌，混合物脫水凝固干燥后可近似看作煤，以備實驗。混合物凝固過程中產生的水通過圓板上的透水孔流下，通過排水管排出。如果不加水泥，而僅使用煤粉，則難以制備出凝固成整體的煤樣，難以在實驗室模擬出地下凝固的煤體，從而難以進行滲透率實驗。

本發明提出了一種模擬煤樣的制作方法，非常便于實驗室使用，為煤體的滲透率實驗提供基礎。

本發明中的密封墊圈起到密封作用，端蓋內塞可以堵住熱冷管，由此保證了導氣管內的瓦斯氣體進入到進氣腔后，只能通過煤柱上端面滲入煤體，并從煤柱下端面的圓板流出，經過排氣管和數顯氣體流量計排出。本發明很好地解決了滲流氣體的滲流途徑，確保瓦斯氣體只能通過煤樣流出，從而為準確計算煤樣滲透率提供基礎。

本發明的端蓋內塞插有連通管，可以將熱冷管內汽化的氮氣快速排到環境空氣中，避免熱冷管內壓強過大而使液氮倒流，從而保證液氮的持續供應，實現對熱冷管周圍煤體的冷沖擊；當然，連通管也可以將熱風及時排出，保證熱風能夠連續供應。另外，本發明結構簡單，便于安裝和使用。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是圖1中圓板的俯視示意圖；

圖3是圖1中a處的放大圖；

圖4是圖1中b處的放大圖。

具體實施方式

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明的熱冷沖擊下煤體滲透率測試裝置包括熱冷裝置、滲透裝置、氣體流量測試裝置和氣體供給裝置；

熱冷裝置包括液氮罐1、熱鼓風機5、注冷管4和注熱管9，熱鼓風機5具有風機開關6；液氮罐1連接所述注冷管4，注冷管4與液氮罐1相連接的一端部設有增壓閥2和進液閥3；熱鼓風機5連接所述注熱管9，注熱管9上設有第一截止閥8；

氣體流量測試裝置包括排氣管21，排氣管21上設有第二截止閥22和數顯氣體流量計23，用于實時測量氣體的流量。

滲透裝置包括煤樣罐14、端蓋10、熱冷管15、圓板16和端蓋內塞13，熱冷管15的下端垂直向下固定在圓板16的正中心處，圓板16位于熱冷管15徑向外側的部分均勻設置有上下通透的透水孔51；圓板16位于熱冷管15徑向內側的部分未設置透水孔，從而能夠封閉熱冷管15的底端；

端蓋10與煤樣罐14頂部密封配合，煤樣罐14內于側壁與底壁相接處設有環形的支撐臺階52，圓板16架設在支撐臺階52上并與煤樣罐14的內側壁相連接；圓板16與其下方的煤樣罐14底壁圍成透水腔53，透水腔53側壁連接有氣水排出管18，氣水排出管18伸出透水腔53的部分向上連接有所述排氣管21并向下連接有排水管59，排水管59上設有第三截止閥20；端蓋內塞13的底部設有上大下小的錐臺部54，錐臺部54插入熱冷管15并與熱冷管15壓接密封；

注熱管9和注冷管4分別穿過端蓋內塞13并伸入熱冷管15內，注熱管9和注冷管4均與端蓋內塞13密封配合；注熱管9和注冷管4位于熱冷管15內的管段側壁分別均勻設有徑向通孔；在管壁上設置徑向通孔以連通管內空間和管外空間是常規技術，圖未示所述徑向通孔。端蓋內塞13上豎向安裝有用于排放氮氣和熱風的連通管24，連通管24底端伸入熱冷管15且其頂端向上伸出端蓋內塞13；

氣體供給裝置包括高壓瓦斯氣瓶30，高壓瓦斯氣瓶30頂部通過出氣口開關29連接有導氣管25，導氣管25上設有減壓閥28和氣壓表27，為滲透裝置供給瓦斯氣體。

所述端蓋10與煤樣罐14頂部通過以下結構密封配合：

端蓋10外圓處向下凸設有連接圓環55，連接圓環55底面設有環形槽56，煤樣罐14頂部外壁徑向凸起設有環形的連接板57，連接板57與連接圓環55的底面通過螺栓12可拆卸固定連接在一起，連接板57以上的煤樣罐14側壁卡接在環形槽56內，煤樣罐14的側壁頂端與環形槽56的槽壁之間壓設有密封墊圈11；這種密封配合的結構非常牢固，密封程度高且便于安裝和拆卸。密封圈11低于端蓋10下表面，端蓋10下表面與煤樣罐14頂端之間圍成進氣腔58。

所述導氣管25上設有第四截止閥26，在完成測試工作后，同時關閉出氣口開關29和第四截止閥26，可以防止含有微小煤顆粒的氣體返流至氣壓表27處和減壓閥28處，從而保護氣壓表27處和減壓閥28。

其中，煤樣罐14的材料為鋁合金，熱冷管15的材質優選采用304不銹鋼。端蓋內塞13采用的材質為聚四氟乙烯。

本發明還公開了使用上述熱冷沖擊下煤體滲透率測試裝置的煤體滲透率測試方法，依次按以下步驟進行：

第一步驟是制備煤樣17；煤樣17由以下重量份配比的原料組成：水泥10～30份，煤粉60～90份，加適量水混合攪拌均勻后倒入煤樣罐14內的圓板16上，使混合料的高度和煤樣罐14頂端相齊平，然后靜置直到混合料凝固；

混合料凝固過程中，混合料中的水透過圓板16的透水孔51向下流至透水腔53；打開第三截止閥20，關閉第二截止閥22，水通過排水管59排出；混合料脫水凝固干燥后形成物理性質與煤接近的煤樣17，以備進行滲透率測試。煤樣17制備好后，將端蓋10通過螺栓12與煤樣罐14固定到一起，同時注冷管4和注熱管9穿過端蓋內塞13插入熱冷管15；

第二步驟是對煤樣17進行溫度沖擊，包括熱沖擊和冷沖擊；

首先是熱沖擊，打開熱鼓風機5上的風機開關6，風機開關6具有調節溫控面板7，將熱鼓風機5的出風溫度調節至300±10℃，同時打開第一截止閥8，熱風通過注熱管9進入熱冷管15內，并從注熱管9側壁的徑向通孔均勻吹至熱冷管15的內壁，熱冷管15的內壁將熱量傳導至煤樣17；熱鼓風機5加熱持續時間根據測試實驗要求在10－60分鐘內進行調整；關閉風機開關6和第一截止閥8，停止送熱風；

其次是冷沖擊，調節液氮罐1上的增壓閥2，打開進液閥3，液氮經過注冷管4迅速進入熱冷管15內，從注冷管4側壁的徑向通孔均勻噴至熱冷管15的內腔，熱冷管15將冷量傳遞給煤樣17，將煤樣17迅速冷卻下來；液氮在熱冷管15內氣化，氣化后的氮氣通過連通管24排出；注冷30分鐘后，關閉進液閥3；

根據測試實驗的要求，熱沖擊和冷沖擊循環進行1－10次，優選的循環次數為1－3次，具體次數由測試實驗人員來具體確定，熱沖擊和冷沖擊對煤樣17產生熱冷沖擊作用，煤體破壞損傷，煤樣17滲透性增加；

第三步驟是測試煤樣17的滲透率；打開高壓瓦斯氣瓶30上的出氣口開關29，調節減壓閥28，記錄氣壓表27此時顯示的進口瓦斯壓力p1，p1的單位為mpa；打開第四截止閥26，瓦斯氣體經過導氣管25進入到進氣腔58；保持進氣狀態10分鐘以上，然后打開第二截止閥22，瓦斯氣體通過煤樣17上端面進入煤樣17體，然后向下通過圓板16上的透水孔51進入到透水腔53內，瓦斯氣體接著通過氣水排出管18和排氣管21流出，在此過程中排氣管21上的數顯氣體流量計23顯示氣體流量，待數顯氣體流量計23示數穩定后記錄流量值q，流量值q的單位是立方米/秒；

瓦斯氣體通過煤樣17、透水孔51、透水腔53進入排氣管21后其壓力接近大氣壓p0，p0的單位為mpa，煤樣17的高度為h，h的單位為米；瓦斯氣體在流動斷面的面積為煤樣17的水平截面的面積s，s的單位為平方米，瓦斯氣體粘度系數為常數μ（不同氣體的粘度系數均為常數，可通過查表得到），煤體17的滲透率k為：

計算出煤體的滲透率后，可以使用煤體的滲透率來分析評價溫度沖擊對煤體的增透效果，通過實驗得到最佳的溫度沖擊參數，為煤礦作業提供指導，提高煤礦作業的效率。

所述第三步驟中，在保持進氣狀態10分鐘以上之后、打開截止閥22之前，通過關閉出氣口開關29觀察氣壓表27的示數是否穩定來檢驗氣密性，如果關閉出氣口開關29后30分鐘，氣壓表27的示數波動范圍小于等于0.01mpa，則判斷系統氣密性良好，此時打開第二截止閥22進行后續操作；如果氣壓表27的示數波動范圍大于0.01mpa，則中止實驗，檢查系統氣密性，確保系統氣密性良好后再打開第二截止閥22進行后續操作。

以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。