热冷冲击下煤体渗透率测试装置及测试方法与流程

本发明涉及采煤技术领域，尤其涉及一种煤体渗透率测试装置及测试方法。

背景技术：

煤层气压裂是煤层气开发利用的核心和关键。近年来，煤层压裂在技术上已有很大进步，在应用上已取得理想效果，但也暴露出一些问题，亟待解决，需要用非常规手段（热冷冲击）解决煤层气开发的技术难题和瓶颈，真正实现煤层气的增产效果。为了研究温度冲击对煤体的压裂作用，研究人员设计了很多装置，但鲜有定量测试煤体压裂效果的装置，缺少热冷冲击下煤的渗透率测试实验系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的不足之处，提供一种能够通过热冷交替的手段，实现对煤体的增透，并测得破坏煤体的渗透率大小的热冷冲击下煤体渗透率测试实验装置。

为实现上述目的，本发明的热冷冲击下煤体渗透率测试装置包括热冷装置、渗透装置、气体流量测试装置和气体供给装置；

热冷装置包括液氮罐、热鼓风机、注冷管和注热管，热鼓风机具有风机开关；液氮罐连接所述注冷管，注冷管与液氮罐相连接的一端部设有增压阀和进液阀；热鼓风机连接所述注热管，注热管上设有第一截止阀；

气体流量测试装置包括排气管，排气管上设有第二截止阀和气体流量计；

渗透装置包括煤样罐、端盖、热冷管、圆板和端盖内塞，热冷管的下端垂直向下固定在圆板的正中心处，圆板位于热冷管径向外侧的部分均匀设置有上下通透的透水孔；端盖与煤样罐顶部密封配合，煤样罐内于侧壁与底壁相接处设有环形的支撑台阶，圆板架设在支撑台阶上并与煤样罐的内侧壁相连接；圆板与其下方的煤样罐底壁围成透水腔，透水腔侧壁连接有气水排出管，气水排出管伸出透水腔的部分向上连接有所述排气管并向下连接有排水管，排水管上设有第三截止阀；端盖内塞的底部设有上大下小的锥台部，锥台部插入热冷管并与热冷管压接密封；

注热管和注冷管分别穿过端盖内塞并伸入热冷管内，注热管和注冷管均与端盖内塞密封配合；注热管和注冷管位于热冷管内的管段侧壁分别均匀设有径向通孔；端盖内塞上竖向安装有用于排放氮气和热风的连通管，连通管底端伸入热冷管且其顶端向上伸出端盖内塞；

气体供给装置包括高压瓦斯气瓶，高压瓦斯气瓶顶部通过出气口开关连接有导气管，导气管上设有减压阀和气压表。

所述端盖与煤样罐顶部通过以下结构密封配合：

端盖外圆处向下凸设有连接圆环，连接圆环底面设有环形槽，煤样罐顶部外壁径向凸起设有环形的连接板，连接板与连接圆环的底面通过螺栓可拆卸固定连接在一起，连接板以上的煤样罐侧壁卡接在环形槽内，煤样罐的侧壁顶端与环形槽的槽壁之间压设有密封垫圈；密封圈低于端盖下表面，端盖下表面与煤样罐顶端之间围成进气腔。

所述导气管上设有第四截止阀。

本发明的目的还在于提供一种使用上述热冷冲击下煤体渗透率测试装置的煤体渗透率测试方法，该方法依次按以下步骤进行：

第一步骤是制备煤样；煤样由以下重量份配比的原料组成：水泥10～30份，煤粉60～90份，加水混合搅拌均匀后倒入煤样罐内的圆板上，使混合料的高度和煤样罐顶端相齐平，然后静置直到混合料凝固；

混合料凝固过程中，混合料中的水透过圆板的透水孔向下流至透水腔；打开第三截止阀，关闭第二截止阀，水通过排水管排出；煤样制备好后，将端盖通过螺栓与煤样罐固定到一起，同时注冷管和注热管穿过端盖内塞插入热冷管；

第二步骤是对煤样进行温度冲击，包括热冲击和冷冲击；

首先是热冲击，打开热鼓风机上的风机开关，将热鼓风机的出风温度调节至300±10℃，同时打开第一截止阀，热风通过注热管进入热冷管内，并从注热管侧壁的径向通孔均匀吹至热冷管的内壁，热冷管的内壁将热量传导至煤样；热鼓风机加热持续时间10－60分钟；关闭风机开关和第一截止阀，停止送热风；

其次是冷冲击，打开进液阀，液氮经过注冷管进入热冷管内，从注冷管侧壁的径向通孔均匀喷至热冷管的内腔，热冷管将冷量传递给煤样，将煤样迅速冷却下来；液氮在热冷管内气化，气化后的氮气通过连通管排出；注冷30分钟后，关闭进液阀；

热冲击和冷冲击循环进行1－10次，热冲击和冷冲击对煤样产生热冷冲击作用，煤体破坏损伤，煤样渗透性增加；

第三步骤是测试煤样的渗透率；打开高压瓦斯气瓶上的出气口开关，调节减压阀，记录气压表此时显示的进口瓦斯压力p1，p1的单位为mpa；瓦斯气体经过导气管进入到进气腔；保持进气状态10分钟以上，然后打开第二截止阀，瓦斯气体通过煤样上端面进入煤样体，然后向下通过圆板上的透水孔进入到透水腔内，瓦斯气体接着通过气水排出管和排气管流出，在此过程中排气管上的数显气体流量计显示气体流量，待数显气体流量计示数稳定后记录流量值q，流量值q的单位是立方米/秒；

瓦斯气体通过煤样、透水孔、透水腔进入排气管后其压力接近大气压p0，p0的单位为mpa，煤样的高度为h，h的单位为米；瓦斯气体在流动断面的面积为煤样的水平截面的面积s，s的单位为平方米，瓦斯气体粘度系数为常数µ，煤体的渗透率k为：

所述第三步骤中，在保持进气状态10分钟以上之后、打开截止阀之前，通过关闭出气口开关观察气压表的示数是否稳定来检验气密性，如果关闭出气口开关后30分钟，气压表的示数波动范围小于等于0.01mpa，则判断系统气密性良好，此时打开第二截止阀进行后续操作；如果气压表的示数波动范围大于0.01mpa，则中止实验，检查系统气密性，确保系统气密性良好后再打开第二截止阀进行后续操作。

本发明具有如下的优点：

本发明能够通过热冷交替的手段，实现对煤体的增透，并测得破坏煤体的渗透率大小，从而定量说明该压裂技术的增透效果。

通过本发明的装置和方法计算出煤体的渗透率后，可以使用煤体的渗透率来分析评价温度冲击对煤体的增透效果，通过实验得到最佳的温度冲击参数，为煤矿作业提供指导，提高煤矿作业的效率。

为了更好的准确测得煤体的渗透率，煤样罐中的煤并非来自原煤，而是特制的煤样；由于水泥和煤的导热系数很相近，对热量在煤体的传递影响不大，所以按照一定的比例将水泥、煤粉和水混合搅拌，混合物脱水凝固干燥后可近似看作煤，以备实验。混合物凝固过程中产生的水通过圆板上的透水孔流下，通过排水管排出。如果不加水泥，而仅使用煤粉，则难以制备出凝固成整体的煤样，难以在实验室模拟出地下凝固的煤体，从而难以进行渗透率实验。

本发明提出了一种模拟煤样的制作方法，非常便于实验室使用，为煤体的渗透率实验提供基础。

本发明中的密封垫圈起到密封作用，端盖内塞可以堵住热冷管，由此保证了导气管内的瓦斯气体进入到进气腔后，只能通过煤柱上端面渗入煤体，并从煤柱下端面的圆板流出，经过排气管和数显气体流量计排出。本发明很好地解决了渗流气体的渗流途径，确保瓦斯气体只能通过煤样流出，从而为准确计算煤样渗透率提供基础。

本发明的端盖内塞插有连通管，可以将热冷管内汽化的氮气快速排到环境空气中，避免热冷管内压强过大而使液氮倒流，从而保证液氮的持续供应，实现对热冷管周围煤体的冷冲击；当然，连通管也可以将热风及时排出，保证热风能够连续供应。另外，本发明结构简单，便于安装和使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中圆板的俯视示意图；

图3是图1中a处的放大图；

图4是图1中b处的放大图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的热冷冲击下煤体渗透率测试装置包括热冷装置、渗透装置、气体流量测试装置和气体供给装置；

热冷装置包括液氮罐1、热鼓风机5、注冷管4和注热管9，热鼓风机5具有风机开关6；液氮罐1连接所述注冷管4，注冷管4与液氮罐1相连接的一端部设有增压阀2和进液阀3；热鼓风机5连接所述注热管9，注热管9上设有第一截止阀8；

气体流量测试装置包括排气管21，排气管21上设有第二截止阀22和数显气体流量计23，用于实时测量气体的流量。

渗透装置包括煤样罐14、端盖10、热冷管15、圆板16和端盖内塞13，热冷管15的下端垂直向下固定在圆板16的正中心处，圆板16位于热冷管15径向外侧的部分均匀设置有上下通透的透水孔51；圆板16位于热冷管15径向内侧的部分未设置透水孔，从而能够封闭热冷管15的底端；

端盖10与煤样罐14顶部密封配合，煤样罐14内于侧壁与底壁相接处设有环形的支撑台阶52，圆板16架设在支撑台阶52上并与煤样罐14的内侧壁相连接；圆板16与其下方的煤样罐14底壁围成透水腔53，透水腔53侧壁连接有气水排出管18，气水排出管18伸出透水腔53的部分向上连接有所述排气管21并向下连接有排水管59，排水管59上设有第三截止阀20；端盖内塞13的底部设有上大下小的锥台部54，锥台部54插入热冷管15并与热冷管15压接密封；

注热管9和注冷管4分别穿过端盖内塞13并伸入热冷管15内，注热管9和注冷管4均与端盖内塞13密封配合；注热管9和注冷管4位于热冷管15内的管段侧壁分别均匀设有径向通孔；在管壁上设置径向通孔以连通管内空间和管外空间是常规技术，图未示所述径向通孔。端盖内塞13上竖向安装有用于排放氮气和热风的连通管24，连通管24底端伸入热冷管15且其顶端向上伸出端盖内塞13；

气体供给装置包括高压瓦斯气瓶30，高压瓦斯气瓶30顶部通过出气口开关29连接有导气管25，导气管25上设有减压阀28和气压表27，为渗透装置供给瓦斯气体。

所述端盖10与煤样罐14顶部通过以下结构密封配合：

端盖10外圆处向下凸设有连接圆环55，连接圆环55底面设有环形槽56，煤样罐14顶部外壁径向凸起设有环形的连接板57，连接板57与连接圆环55的底面通过螺栓12可拆卸固定连接在一起，连接板57以上的煤样罐14侧壁卡接在环形槽56内，煤样罐14的侧壁顶端与环形槽56的槽壁之间压设有密封垫圈11；这种密封配合的结构非常牢固，密封程度高且便于安装和拆卸。密封圈11低于端盖10下表面，端盖10下表面与煤样罐14顶端之间围成进气腔58。

所述导气管25上设有第四截止阀26，在完成测试工作后，同时关闭出气口开关29和第四截止阀26，可以防止含有微小煤颗粒的气体返流至气压表27处和减压阀28处，从而保护气压表27处和减压阀28。

其中，煤样罐14的材料为铝合金，热冷管15的材质优选采用304不锈钢。端盖内塞13采用的材质为聚四氟乙烯。

本发明还公开了使用上述热冷冲击下煤体渗透率测试装置的煤体渗透率测试方法，依次按以下步骤进行：

第一步骤是制备煤样17；煤样17由以下重量份配比的原料组成：水泥10～30份，煤粉60～90份，加适量水混合搅拌均匀后倒入煤样罐14内的圆板16上，使混合料的高度和煤样罐14顶端相齐平，然后静置直到混合料凝固；

混合料凝固过程中，混合料中的水透过圆板16的透水孔51向下流至透水腔53；打开第三截止阀20，关闭第二截止阀22，水通过排水管59排出；混合料脱水凝固干燥后形成物理性质与煤接近的煤样17，以备进行渗透率测试。煤样17制备好后，将端盖10通过螺栓12与煤样罐14固定到一起，同时注冷管4和注热管9穿过端盖内塞13插入热冷管15；

第二步骤是对煤样17进行温度冲击，包括热冲击和冷冲击；

首先是热冲击，打开热鼓风机5上的风机开关6，风机开关6具有调节温控面板7，将热鼓风机5的出风温度调节至300±10℃，同时打开第一截止阀8，热风通过注热管9进入热冷管15内，并从注热管9侧壁的径向通孔均匀吹至热冷管15的内壁，热冷管15的内壁将热量传导至煤样17；热鼓风机5加热持续时间根据测试实验要求在10－60分钟内进行调整；关闭风机开关6和第一截止阀8，停止送热风；

其次是冷冲击，调节液氮罐1上的增压阀2，打开进液阀3，液氮经过注冷管4迅速进入热冷管15内，从注冷管4侧壁的径向通孔均匀喷至热冷管15的内腔，热冷管15将冷量传递给煤样17，将煤样17迅速冷却下来；液氮在热冷管15内气化，气化后的氮气通过连通管24排出；注冷30分钟后，关闭进液阀3；

根据测试实验的要求，热冲击和冷冲击循环进行1－10次，优选的循环次数为1－3次，具体次数由测试实验人员来具体确定，热冲击和冷冲击对煤样17产生热冷冲击作用，煤体破坏损伤，煤样17渗透性增加；

第三步骤是测试煤样17的渗透率；打开高压瓦斯气瓶30上的出气口开关29，调节减压阀28，记录气压表27此时显示的进口瓦斯压力p1，p1的单位为mpa；打开第四截止阀26，瓦斯气体经过导气管25进入到进气腔58；保持进气状态10分钟以上，然后打开第二截止阀22，瓦斯气体通过煤样17上端面进入煤样17体，然后向下通过圆板16上的透水孔51进入到透水腔53内，瓦斯气体接着通过气水排出管18和排气管21流出，在此过程中排气管21上的数显气体流量计23显示气体流量，待数显气体流量计23示数稳定后记录流量值q，流量值q的单位是立方米/秒；

瓦斯气体通过煤样17、透水孔51、透水腔53进入排气管21后其压力接近大气压p0，p0的单位为mpa，煤样17的高度为h，h的单位为米；瓦斯气体在流动断面的面积为煤样17的水平截面的面积s，s的单位为平方米，瓦斯气体粘度系数为常数µ（不同气体的粘度系数均为常数，可通过查表得到），煤体17的渗透率k为：

计算出煤体的渗透率后，可以使用煤体的渗透率来分析评价温度冲击对煤体的增透效果，通过实验得到最佳的温度冲击参数，为煤矿作业提供指导，提高煤矿作业的效率。

所述第三步骤中，在保持进气状态10分钟以上之后、打开截止阀22之前，通过关闭出气口开关29观察气压表27的示数是否稳定来检验气密性，如果关闭出气口开关29后30分钟，气压表27的示数波动范围小于等于0.01mpa，则判断系统气密性良好，此时打开第二截止阀22进行后续操作；如果气压表27的示数波动范围大于0.01mpa，则中止实验，检查系统气密性，确保系统气密性良好后再打开第二截止阀22进行后续操作。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。