一種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統的制作方法
【專利摘要】一種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統，包括甲烷氣罐、圍壓加載泵、軸壓加載泵、第一三通閥、第二三通閥、第三三通閥、煤樣夾持器、顯示器、壓力跟蹤儀和計算機；甲烷氣罐通過第一氣管與第一三通閥的進口連接，第一三通閥的其中一個出口通過第二氣管與煤樣夾持器的進氣口連接，煤樣夾持器的出氣口通過第三氣管與壓力跟蹤儀的進氣口連接；第一三通閥的另一個出口處密封連接有第一壓力傳感器；第一氣管上設有減壓閥，第三氣管上設有質量流量計；本實用新型過程簡單，操作方便，利用該方法在進行較高壓力滲流實驗時可減少進氣端和出氣端壓差，降低模型誤差；該方法均利用電子技術采集實驗參數，獲取的實驗參數精度高，觀測誤差大大減小。
【專利說明】
-種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統。
【背景技術】
[0002] 在煤層氣、天然氣等領域，煤巖滲透率是極其重要的技術參數，關系到煤儲層開采 價值W及產量估計，但由于煤巖滲透率受多種因素的影響，如應力、瓦斯的吸附、溫度、抽采 工程的擾動等，使煤巖滲透率的測量十分困難，如何準確測量煤巖的滲透率具有重大的意 義。
[0003] 目前，實驗室測試煤樣滲透率的方法主要是在被夾持煤巖試樣一端即進氣端充入 一定壓力氣體，在煤巖試樣的另一端即出氣端采集滲透量，通過達西定律計算滲透率;之前 專家采用運種方法取得了大量的研究成果，并對工程實踐進行了一定的指導，但存在W下 兩個缺陷：
[0004] (OW往對煤巖氣體滲透率的測量出口端為大氣壓，但在進行煤層氣W及天然氣 的抽采過程中，抽采端處于負壓環境，及滲流出口端為負壓狀態，傳統的出口端為大氣壓， 不能很好地模擬抽采時的負壓環境，與實際情況不一致；
[0005] (2)煤巖對瓦斯的吸附作用是影響滲透率的主要因素之一，在進行滲透實驗時，由 于煤巖試樣處于一定的壓力梯度下，吸附壓力往往用平均吸附壓力代替:接S達>:〇帶， 式中，P為吸附壓力，裝據為出氣端壓力即大氣壓，夢1為進氣端壓力，改變吸附壓力是通過調 節進氣端笨i為進氣端壓力來實現，但進氣端和出氣端的壓差越大，用平均吸附壓力來代替 吸附壓力所產生的誤差也就越大，且當兩端壓差較大時，滲透流量增加，采集氣體流量的誤 差也會增大，由此測得滲透率存在較大誤差；
[0006] (3)加載的氣體壓力W及軸壓、圍壓現階段均是通過壓力表的示數人為讀取，獲得 的壓力參數誤差較大。 【實用新型內容】
[0007] 本實用新型為了解決現有技術中的不足之處，提供一種結構簡單、操作方便、通過 對出口壓力的調節實現負壓或正壓、不同吸附壓力等情況下的滲流實驗的一種出口壓力可 調的煤巖滲流實驗系統。
[000引為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案:一種出口壓力可調的煤巖 滲流實驗系統，包括甲燒氣罐、圍壓加載累、軸壓加載累、第一 Ξ通閥、第二Ξ通閥、第ΞΞ 通閥、煤樣夾持器、顯示器、壓力跟蹤儀和計算機；甲燒氣罐通過第一氣管與第一Ξ通閥的 進口連接，第一 Ξ通閥的其中一個出口通過第二氣管與煤樣夾持器的進氣口連接，煤樣夾 持器的出氣口通過第Ξ氣管與壓力跟蹤儀的進氣口連接;第一 Ξ通閥的另一個出口處密封 連接有第一壓力傳感器;第一氣管上設有減壓閥，第Ξ氣管上設有質量流量計；
[0009]煤樣夾持器上設有圍壓加載接口和軸壓加載接口，煤樣夾持器的圍壓加載接口通 過第四氣管與第二Ξ通閥的其中一個出口連接，第二Ξ通閥的進口通過圍壓加壓管與圍壓 加載累的出口連接，第二Ξ通閥的另一個出口處密封連接有第二壓力傳感器;煤樣夾持器 的軸壓加載接口通過第五氣管與第ΞΞ通閥的其中一個出口連接，第ΞΞ通閥的進口通過 軸壓加壓管與軸壓加載累的出口連接，第ΞΞ通閥的另一個出口處密封連接有第Ξ壓力傳 感器；
[0010] 顯示器內置有顯示控制器，顯示控制器分別通過數據線與第一壓力傳感器、第二 壓力傳感器和第Ξ壓力傳感器連接;計算機分別通過數據線與質量流量計和壓力跟蹤儀連 接。
[0011] 壓力跟蹤儀包括化C控制器、伸縮油缸、密封調壓室和操作箱，密封調壓室固定在 操作箱頂部，密封調壓室的底部敞口且與操作箱內腔連通，密封調壓室頂部設有調壓進氣 口和調壓出氣口，調壓進氣口通過第Ξ氣管與煤樣夾持器的出氣口連接，調壓出氣口通過 第六氣管與外界連通，第六氣管上設有氣動閥，密封調壓室頂壁設有第四壓力傳感器;伸縮 油缸的缸體端部固定在操作箱內的底部，伸縮油缸的活塞桿垂直向上固定有連接桿，連接 桿頂端設有活塞，活塞位于密封調壓室內且活塞外緣與密封調壓室內側壁滑動密封連接； PLC控制器設置在操作箱內，操作箱頂部右側設有操作面板，PLC控制器分別通過數據線與 伸縮油缸、第四壓力傳感器、操作面板和計算機連接。
[0012] -種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統的實驗方法，包括W下步驟：
[0013] (1)將橫截面積為a的煤樣裝填在煤樣夾持器內，接著打開第一Ξ通閥、第二Ξ通 閥和第ΞΞ通閥上的所有閥口 W及氣動閥，通過軸壓加載累對煤樣加載軸壓，并且通過圍 壓加載累對煤樣加載圍壓；
[0014] ( 2)打開氣動閥，在操作面板上輸入設定目標壓力液.2，若目標壓力策.2為負壓，通 過操作操作面板向PLC控制器發出指令，PLC控制器接收到指令后啟動伸縮油缸，伸縮油缸 的活塞桿向上推動連接桿，直至連接桿另一端的活塞達到密封調壓室的頂部，關閉氣動閥， 然后通過操作面板和化C控制器控制伸縮油缸，伸縮油缸向下拉動連接桿，當化C控制器通 過第四壓力傳感器監測到壓力達到設定的目標壓力P:后，向伸縮油缸發出停止動作的指 令；
[0015] 若目標壓力P：：為正壓，通過操作操作面板向化C控制器發出指令，PLC控制器接收 到指令后啟動伸縮油缸，伸縮油缸的活塞桿向下拉動連接桿，直至連接桿另一端的活塞達 到密封調壓室的底部，關閉氣動閥，然后通過操作面板和化C控制器控制伸縮油缸，伸縮油 缸向上推動連接桿，當化C控制器通過第四壓力傳感器監測到壓力達到設定的目標壓力教2 后，向伸縮油缸發出停止動作的指令；
[0016] (3)打開甲燒氣罐和減壓閥，甲燒氣罐內的氣體沿著第一氣管和第二氣管進入煤 樣夾持器內，滲流后的氣體緊接著從煤樣夾持器的出氣口進入第Ξ氣管內，然后氣體進入 到密封調壓室內，同時計算機上開始記錄質量流量計的流量；
[0017] (4)待質量流量計的流量穩定后，在顯示器上讀取第一壓力傳感器上的壓力值夢1 ，然后在計算機上得出穩定后質量流量計的平均流量Q;
[001引巧>計算煤樣的滲透率義:三2;幾巧必謬強C揉f -粋|》。
[0019]采用上述技術方案，本實用新型具有W下有益效果:本實用新型可W在考慮滲透 氣體的吸附解析作用下模擬抽采時的負壓環境，更接近現場實際情況，同時又可w考慮不 同加載狀態、不同應力路徑等因素的影響;利用壓力跟蹤儀產生的負壓環境，也可單獨進行 負壓環境下的煤巖吸附解析特性W及變壓解析等相關研究，實驗系統能實現多樣化研究； 尤其是壓力跟蹤儀能夠使裝置內部產生穩定壓力的負壓環境，運是多數實驗系統所不具備 的功能。
[0020]綜上所述，本實用新型過程簡單，操作方便，利用該方法在進行較高壓力滲流實驗 時可減少進氣端和出氣端壓差，降低模型誤差;該方法均利用電子技術采集實驗參數，獲取 的實驗參數精度高，觀測誤差大大減小。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0022] 圖2是圖1中壓力跟蹤儀的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 如圖1-2所示，本實用新型的一種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統，包括甲燒氣 罐1、圍壓加載累17、軸壓加載累21、第一 Ξ通閥2、第二Ξ通閥3、第ΞΞ通閥4、煤樣夾持器 5、顯示器6、壓力跟蹤儀7和計算機8;甲燒氣罐1通過第一氣管9與第一Ξ通閥2的進氣口連 接，第一 Ξ通閥2的其中一個出口通過第二氣管10與煤樣夾持器5的進氣口連接，煤樣夾持 器5的出氣口通過第Ξ氣管11與壓力跟蹤儀7的進氣口連接;第一Ξ通閥2的另一個出口處 密封連接有第一壓力傳感器12;第一氣管9上設有減壓閥13,第Ξ氣管11上設有質量流量計 14；
[0024] 煤樣夾持器5上設有圍壓加載接口和軸壓加載接口，煤樣夾持器5的圍壓加載接口 通過第四氣管15與第二Ξ通閥3的其中一個出口連接，第二Ξ通閥3的進口通過圍壓加壓管 16與圍壓加載累17的出口連接，第二Ξ通閥3的另一個出口處密封連接有第二壓力傳感器 18;煤樣夾持器5的軸壓加載接口通過第五氣管19與第ΞΞ通閥4的其中一個出口連接，第 ΞΞ通閥4的進口通過軸壓加壓管20與軸壓加載累21的出口連接，第ΞΞ通閥4的另一個出 口處密封連接有第Ξ壓力傳感器22;
[0025] 顯示器6內置有顯示控制器61，顯示控制器61分別通過數據線與第一壓力傳感器 12、第二壓力傳感器18和第Ξ壓力傳感器22連接;計算機8分別通過數據線與質量流量計14 和壓力跟蹤儀7連接。
[0026] 壓力跟蹤儀7包括化C控制器23、伸縮油缸24、密封調壓室25和操作箱26,密封調壓 室25固定在操作箱26頂部，密封調壓室25的底部敞口且與操作箱26內腔連通，密封調壓室 25頂部設有調壓進氣口 27和調壓出氣口 28，調壓進氣口 27通過第Ξ氣管11與煤樣夾持器5 的出氣口連接，調壓出氣口 28通過第六氣管29與外界連通，第六氣管29上設有氣動閥30,密 封調壓室25頂部內側設有第四壓力傳感器31;伸縮油缸24的缸體端部固定在操作箱26內的 底部，伸縮油缸24的活塞桿垂直向上固定有連接桿32，連接桿32頂端設有活塞33，活塞33位 于密封調壓室25內且活塞33外緣與密封調壓室25內壁滑動密封連接;PLC控制器23設置在 操作箱26內部右側，操作箱26頂部右側設有操作面板34，PLC控制器23分別通過數據線與伸 縮油缸24、第四壓力傳感器31、操作面板34和計算機8連接。
[0027] 操作面板34、PLC控制器23、質量流量計14、計算機8、顯示器6及顯示控制器61均為 常規技術，其具體結構不再詳述。
[00%] -種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統的實驗方法，包括W下步驟：
[0029] (1)將橫截面積為a的煤樣裝填在煤樣夾持器5內，接著打開第一 Ξ通閥2、第二Ξ 通閥3和第ΞΞ通閥4上的所有閥口 W及氣動閥30,通過軸壓加載累21對煤樣加載軸壓，并 且通過圍壓加載累17對煤樣加載圍壓；
[0030] (2)打開氣動閥30,在操作面板34上輸入設定目標壓力務2,若目標壓力移S為負 壓，通過操作操作面板34向化C控制器23發出指令，PLC控制器接收到指令后啟動伸縮油缸 24,伸縮油缸24的活塞桿向上推動連接桿32,直至連接桿32另一端的活塞33達到密封調壓 室25的頂部，關閉氣動閥30,然后通過操作面板34和化C控制器23控制伸縮油缸24,伸縮油 缸24向下拉動連接桿32,當化C控制器23通過第四壓力傳感器31監測到壓力達到設定的目 標壓力散a后，向伸縮油缸24發出停止動作的指令；
[0031] 若目標壓力P:為正壓，通過操作操作面板34向化C控制器23發出指令，PLC控制器 23接收到指令后啟動伸縮油缸24,伸縮油缸24的活塞桿向下拉動連接桿32,直至連接桿32 另一端的活塞33達到密封調壓室25的底部，關閉氣動閥30,然后通過操作面板34和化C控制 器23控制伸縮油缸24,伸縮油缸24向上推動連接桿32,當化C控制器通過第四壓力傳感器31 監測到壓力到達設定的目標壓力譽袁后，向伸縮油缸24發出停止動作的指令；
[0032] (3)打開甲燒氣罐1和減壓閥13,甲燒氣罐1內的氣體沿著第一氣管9和第二氣管10 進入煤樣夾持器5內，滲流后的氣體緊接著從煤樣夾持器5的出氣口進入第Ξ氣管11內，然 后氣體進入到密封調壓室25內，同時計算機8上開始記錄質量流量計14的流量；
[0033] (4)待質量流量計14的流量穩定后，在顯示器6上讀取第一壓力傳感器12上的壓力 值!3 i，然后在計算機8上得出穩定后質量流量計14的平均流量Q;
[0034] 巧)計算煤樣的滲透率如(吞f - i;其中，k為煤樣滲透率，單位 πι0;μ為氣體粘度，單位l(T6pa · s;L為試樣長度，單位cm;p日為大氣壓力，單位MPa;Q為平均流 量，單位cm3/s; A為煤樣底面積，單位cm2; P1、p2分別為進氣端和出氣端壓力，單位Mpa。
[0035] 本實施例并非對本實用新型的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據 本實用新型的技術實質對W上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本實 用新型技術方案的保護范圍。
【主權項】
1. 一種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統，其特征在于:包括甲烷氣罐、圍壓加載栗、 軸壓加載栗、第一三通閥、第二三通閥、第三三通閥、煤樣夾持器、顯示器、壓力跟蹤儀和計 算機；甲烷氣罐通過第一氣管與第一三通閥的進口連接，第一三通閥的其中一個出口通過 第二氣管與煤樣夾持器的進氣口連接，煤樣夾持器的出氣口通過第三氣管與壓力跟蹤儀的 進氣口連接;第一三通閥的另一個出口處密封連接有第一壓力傳感器;第一氣管上設有減 壓閥，第三氣管上設有質量流量計； 煤樣夾持器上設有圍壓加載接口和軸壓加載接口，煤樣夾持器的圍壓加載接口通過第 四氣管與第二三通閥的其中一個出口連接，第二三通閥的進口通過圍壓加壓管與圍壓加載 栗的出口連接，第二三通閥的另一個出口處密封連接有第二壓力傳感器;煤樣夾持器的軸 壓加載接口通過第五氣管與第三三通閥的其中一個出口連接，第三三通閥的進口通過軸壓 加壓管與軸壓加載栗的出口連接，第三三通閥的另一個出口處密封連接有第三壓力傳感 器； 顯示器內置有顯示控制器，顯示控制器分別通過數據線與第一壓力傳感器、第二壓力 傳感器和第三壓力傳感器連接;計算機分別通過數據線與質量流量計和壓力跟蹤儀連接。2. 根據權利要求1所述的一種出口壓力可調的煤巖滲流實驗系統，其特征在于:壓力跟 蹤儀包括PLC控制器、伸縮油缸、密封調壓室和操作箱，密封調壓室固定在操作箱頂部，密封 調壓室的底部敞口且與操作箱內腔連通，密封調壓室頂部設有調壓進氣口和調壓出氣口， 調壓進氣口通過第三氣管與煤樣夾持器的出氣口連接，調壓出氣口通過第六氣管與外界連 通，第六氣管上設有氣動閥，密封調壓室頂壁設有第四壓力傳感器;伸縮油缸的缸體端部固 定在操作箱內的底部，伸縮油缸的活塞桿垂直向上固定有連接桿，連接桿頂端設有活塞，活 塞位于密封調壓室內且活塞外緣與密封調壓室內側壁滑動密封連接;PLC控制器設置在操 作箱內，操作箱頂部右側設有操作面板，PLC控制器分別通過數據線與伸縮油缸、第四壓力 傳感器、操作面板和計算機連接。
【文檔編號】G01N15/08GK205449758SQ201620266597
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】李波, 張路路, 張宏圖, 劉華, 孫東輝, 秦恒潔, 賈炳
【申請人】河南理工大學