一种低渗煤岩渗流演化规律瞬态测试系统

本发明属于煤岩试样渗透率测定模拟试验设备技术领域，具体涉及一种低渗煤岩渗流演化规律瞬态测试系统。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

煤层由于受构造运动的影响，松软低渗致密煤层普遍发育。现目前，发明人发现，对于低渗致密煤岩试样进行渗透率测试时，试验周期多，耗时长，试验效率低，对于煤岩样的渗流试验的真实模拟程度存在一定的局限性；煤层渗透率为动态渗透率，除受到煤层环境、裂隙系统的发育程度与分布状态等自身环境属性外，还随气体压力、有效应力、储层含水量、解吸导致的基质收缩等多种效应的综合影响，是影响产量和开采效益的重要参数之一，因此准确测定煤层渗透率对提高煤层气抽采率具有重要的工程指导意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种低渗煤岩渗流演化规律瞬态测试系统，该测试系统用于对低渗致密煤岩进行瞬态法量测渗透率演化规律模拟试验，能更加真实的模拟煤层中的气体渗流演化规律，能更加真实反映煤层瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程，从而对提高煤层气抽采率具有重要的工程指导意义。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种低渗煤岩渗流演化规律瞬态测试系统，包括三轴岩心夹持器、上游流体供应装置、下游流体流通装置；上游流体供应装置包括多个串联连接的上游气体标准室，首端的上游气体标准室与气源连接，尾端的上游气体标准室与三轴岩心夹持器的进气端口连接；下游流体流通装置包括多个串联连接的下游气体标准室，首端的下游气体标准室与三轴岩心夹持器的出气端口连接，通过调节上下游气体标准室的体积以测试不同体积对渗透率的影响。

作为进一步的技术方案，所述气源与首端的上游气体标准室之间设置缓冲罐，且气源与缓冲罐之间设置增压泵，气源出口设置压力表和减压阀；所述缓冲罐入口和出口均设置气动阀，缓冲罐还与第一压力传感器连接；所述缓冲罐和首端的上游气体标准室之间设置减压阀和第二压力传感器。

作为进一步的技术方案，首端的上游气体标准室的入口和出口均设置气动阀，尾端的上游气体标准室的出口设置气动阀；首端的上游气体标准室的出口还与抽真空管路连通，抽真空管路与真空泵连通，且抽真空管路设置气动阀；首端的上游气体标准室的出口还与上游放空管路连通，上游放空管路与抽真空管路并列设置，上游放空管路设置上游放空截止阀。

作为进一步的技术方案，所述三轴岩心夹持器的入口端设置上游气体压力传感器，三轴岩心夹持器的出口端设置下游气体压力传感器，通过上下游气体压力传感器监测上下游压力值变化。

作为进一步的技术方案，所述三轴岩心夹持器还与压差监测管路并联，压差监测管路设置压差监测传感器、压差截止阀、压差气动阀；三轴岩心夹持器还与上下游连通管路并联，上下游连通管路将上游流体供应装置和下游流体流通装置连通，上下游连通管路设置气动阀。

作为进一步的技术方案，首端的下游气体标准室入口设置气动阀，首端的下游气体标准室出口与下游放空管路连接，下游放空管路设置下游放空截止阀；尾端的下游气体标准室的入口和出口均设置气动阀。

作为进一步的技术方案，所述三轴岩心夹持器、上游流体供应装置、下游流体流通装置均设置于恒温箱内，且恒温箱设置温度传感器；所述三轴岩心夹持器端部设置位移传感器，用于监测煤岩试样轴向的变形。

作为进一步的技术方案，所述三轴岩心夹持器包括主体钢筒，主体钢筒内设置环压传递胶套，环压传递胶套两端分别与入口压头、出口压头连接，环压传递胶套、入口压头、出口压头之间形成煤岩试样腔，环压传递胶套与主体钢筒侧壁之间形成环压施加腔。

作为进一步的技术方案，所述环压传递胶套两端均与主体钢筒侧壁紧贴设置；所述主体钢筒侧壁设置多个流体入口接口与环压施加腔连通，流体入口接口与环压泵连接，以向三轴岩心夹持器内注入环压流体；主体钢筒侧壁还设置流体出口接口与环压施加腔连通。

作为进一步的技术方案，所述入口压头、出口压头的外侧均设置压套结构，入口压头的压套结构设置流体接口与轴压泵连接，以向三轴岩心夹持器内注入轴压流体；入口压头和出口压头均贯通设置流通通路，入口压头的流通通路连通三轴岩心夹持器的进气端口和煤岩试样腔，出口压头的流通通路连通三轴岩心夹持器的出气端口和煤岩试样腔。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的测试系统，能针对低渗致密煤岩渗流演化规律进行瞬态试验测试，通过调整上下游气体压力，可以进行不同原始应力、不同气体压力、不同有效应力、不同温度等多种效应耦合作用下的渗流试验，同时调整上下游气体标准室的体积，可以测试不同体积对渗透率的影响，能更加真实的模拟煤层中的气体渗流演化规律，能更加真实反映煤层瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程，能更加真实的反映低渗致密煤岩在不同加卸载应力路径下的气体渗流情况，能更加真实模拟不同应力环境下有效应力对渗透性变化的互逆过程，对于低渗致密煤岩采用瞬态法测试渗透率可以提高试验精度并能大大减少测试时间，提高试验效率，对提高煤层气抽采率具有重要的工程指导意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的测试系统示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的三轴岩心夹持器的结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1主体钢筒，2入口压头，3出口压头，4样品槽，5环压传递胶套，6环压施加腔，7煤岩试样腔，8环压高压流体入口接口，9环压高压流体出口接口，10上游流体注入口，11下游流体流出口，12第一压套，13第二压套，14轴向高压流体接口，15高压气源，16减压阀，17气体增压泵，18高压气体缓冲罐，19缓冲罐压力传感器，20减压阀，21气体压力传感器，22上游气体压力传感器，23压差监测传感器，24下游气体压力传感器，25下游放空截止阀，26压差截止阀，27压差截止阀，28上游温度传感器，29下游温度传感器，30上游放空截止阀，31真空泵，32压力表，33轴压流体注入阀，34环压流体注入阀，35气动阀，36气动阀，37气动阀，38气动阀，39气动阀，40注气气动阀，41压差气动阀，42压差气动阀，43上下游连通气动阀，44气动阀，45气动阀，46气动阀，47抽真空气动阀，48抽真空管路，49上游放空管路，50下游放空管路；

a1上游气体标准室，a2上游气体标准室，b1下游气体标准室，b2下游气体标准室；c三轴岩心夹持器，d压差监测管路，e轴压泵，f环压泵，g上下游连通管路。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种低渗煤岩渗流演化规律瞬态测试系统。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种低渗煤岩渗流演化规律瞬态测试系统，主要由高压气源15、减压阀16、高压气体缓冲罐18、气动阀、气体压力传感器、标准室、压差传感器、截止阀、三轴岩心夹持器c、真空泵31、环压泵f、轴压泵e等组成。

三轴岩心夹持器c用于放置并夹持低渗煤岩样品进行轴压、环压的加载以及气体的渗流测试，高压气源15、减压阀16、气体增压泵17、高压气体缓冲罐18、缓冲罐减压阀20、上游气体标准室a1、上游气体标准室a2、上游气体压力传感器22依次串联后与三轴岩心夹持器c的进气端相连；三轴岩心夹持器c的出气端依次串联有下游气体压力传感器24、下游气体标准室b2、下游气体标准室b1。

高压气源可以由钢瓶储存。

高压气源15外设置有监测气压进口、出口的压力表32和调整出口压力的减压阀16，高压气源的输出管路与高压气体缓冲罐18连接，且高压气源的输出管路设置气体增压泵17，气体增压泵设置于减压阀16、高压气体缓冲罐18之间，用以对气体进行增压。

高压气体缓冲罐18进口设置气动阀35，高压气体缓冲罐18出口设置气动阀36，高压气体缓冲罐18还设置监测缓冲罐内部气体压力的缓冲罐压力传感器19，高压气体缓冲罐主要用于对经由气体增压泵打压后的气体进行储存。

高压气体缓冲罐18出口设置减压阀20和气体压力传感器21，分别负责调节缓冲罐出口流入到气体标准室内部的出口压力和监测调节后的出口压力。减压阀、气体压力传感器二者配合可以调整并监测高压气体缓冲罐出口压力的大小，从而确保试验所需的气体压力达到准确的数值。

在可选的实施方案中，上游气体标准室设置多个，多个上游气体标准室串联连接，首端的上游气体标准室与高压气体缓冲罐18出口连接，尾端的上游气体标准室与三轴岩心夹持器的进气端口连接；本实施例中设置两个气体标准室，分别为上游气体标准室a1、上游气体标准室a2，高压气体缓冲罐18出口与上游气体标准室a1连接，上游气体标准室a1与上游气体标准室a2连接。

本实施例中，关于首端、尾端的定义为：沿测试流体的流动方向，测试流体先经过的为首端，后经过的为尾端。

上游气体标准室a1入口设置气动阀37，上游气体标准室a1出口设置气动阀38，可简化气体压力调节的操作流程，同时也确保整个系统的安全运行。

上游气体标准室a2入口并联有抽真空管路48与上游放空管路49，抽真空管路48与上游放空管路49并联后与上游气体标准室a2入口连接。

其中抽真空管路48设置有一个抽真空气动阀47和真空泵31串联，主要用于试验开始前，对管路进行抽真空，防止其他气体的存在影响试验的精度；上游放空管路49设置有上游放空截止阀30，可用于调节试验过程中上游标准室的气体压力以及试验结束后整个系统的气体排空。

上游气体标准室a2出口与三轴岩心夹持器c进气端口连通，上游气体标准室a2出口侧设置气动阀39，且上游气体标准室a2出口与三轴岩心夹持器c进气端口之间设置上游气体压力传感器22，用以监测三轴岩心夹持器c进气端的气体压力值。

三轴岩心夹持器c进气端口前设置了注气气动阀40，当系统气压达到平衡时，关闭注气气动阀，从而可以准确施加上游脉冲压力达到指定值后，再打开注气气动阀，进行渗流试验并实时监测上下游压力差的变化进行渗透率的计算。

在可选的实施方案中，下游气体标准室设置多个，多个下游气体标准室串联连接，首端的下游气体标准室与三轴岩心夹持器c出气端口连接连接；本实施例中设置两个气体标准室，分别为下游气体标准室b1、下游气体标准室b2，三轴岩心夹持器c出气端口与下游气体标准室b1连通，下游气体标准室b1与下游气体标准室b2连通。

三轴岩心夹持器c出气端口与下游气体标准室b1之间设置下游气体压力传感器24，用以监测三轴岩心夹持器c出气端口的气体压力值。

下游气体标准室b1入口设置气动阀44，下游气体标准室b2入口设置气动阀45，用于试验过程中改变上下游的测试计算体积；下游气体标准室b2出口设置气动阀46。

下游气体标准室b1出口还与下游放空管路50连通，下游放空管路设置下游放空截止阀25，可用于调节试验过程中下游标准室的气体压力以及试验结束后整个系统的气体排空。

本申请方案中，上下游均设置两个标准室，其中a1与b1体积大致相同、a2与b2的体积大致相同，在进行系统体积标定的时候，数值上包含了管路的体积，即为上游储层体积(如上游标准室a2的体积在数值上是岩心夹持器中试样上游端与标准室a2之间所有管路体积与标准室体积之和)，在进行渗透率计算的时候是需要考虑上游储层体积的大小的。

本申请方案中，将上下游两个标准室体积设置为不同，是为了可以提供不同体积下的渗透率测试条件，既可以进行定容脉冲衰减法测试，也可以进行变容脉冲衰减法测试。

定容脉冲衰减法测量范围具有一定局限性，一般为2个数量级，无法满足大量程或渗透性大范围变化的测量需求。而采用变容脉冲衰减法，可以根据被测试件的需要调节适当的标准室容积大小，从而在适宜的测量时间内扩大测量量程，理论上可达6个数量级。

三轴岩心夹持器c与压差监测管路d、上下游连通管路g并联，压差监测管路d与三轴岩心夹持器的进气端、出气端连接，上下游连通管路g与三轴岩心夹持器的进气端、出气端连接。

试验开始进行气体压力初始值动态平衡时，打开上下游连通管路，可以缩短气体压力达到平衡的时间。

试验结束后，需要将系统内的空气全部排净，不论是打开上游气体放空口还是下游气体放空口，打开上下游连通管路的阀门都能更快速有效的将系统内的试验气体排净。

其中，压差监测管路d用于监测上、下游气体压差，压差监测管路d依次串联有压差气动阀41、压差截止阀26、压差监测传感器23、压差截止阀27、压差气动阀42，压差监测传感器23主要用于在进行瞬态法测试煤岩试样渗透率时，监测上下游两端的初始压力差以及试验过程中压差的变化情况，能直观反应上下游压力逐渐达到平衡的渗流过程。压差气动阀与压差截止阀可以保护压差监测传感器不超过测试量程。

压差监测管路可以监测试验过程中施加的气体压力小脉冲最大不超过2mpa，且通过阀门能精确控制压差的数值，保证每一阶段气体升压过程中，所施加的气体压力小脉冲都是相同的，从而提高了试验的精度。

上下游连通管路g将上下游连通，上下游连通管路g设置有上下游连通气动阀43，主要用于试验开始前整个系统气体压力快速达到平衡以及试验后整个系统的快速放气。

进一步的方案中，上游气体标准室a1与上游气体标准室a2的体积分别为50ml、5ml；下游气体标准室b1、下游气体标准室b2，体积分别为50ml、5ml。气体标准室主要用于进行瞬态法测量计算渗透率时，上下游容器计算体积的选择有多种组合，同时此处也为本试验系统的创新之处，上下游体积可以有不同的组合选择形式，用于后期研究计算体积的不同对渗透率、试验准确度等方面的影响。

如图2所示，三轴岩心夹持器c主要由主体钢筒1、入口压头2、出口压头3、环压传递胶套5、第一压套12、第二压套13等组成。

第一压套、第二压套可以均采用钢材质制成。

入口压头和出口压头分别位于主体钢筒1的左右两端进行封堵，主体钢筒1、入口压头、出口压头共同围成放置煤岩试样的样品槽4。

主体钢筒内部安装有包裹煤岩样品的环压传递胶套5，且环压传递胶套两端分别与入口压头、出口压头连接，从而将煤岩样品槽分割为环压施加腔6和煤岩试样腔7，与煤岩样品形成紧密结合的“三明治”结构。

其中，环压传递胶套5与两端的入口压头和出口压头围成长条形的煤岩试样腔，煤岩试样腔内放置的样品长度为50mm-80mm，直径为φ25mm，使用不同标定长度的多孔纹路不锈钢垫块从而可以满足范围许可内不同长度试样的要求。

环压传递胶套5与主体钢筒1之间形成环压施加腔6，在主体钢筒的外壁上设置有正对环压施加腔的3个环向高压流体接口，其具体设置时，在主体钢筒的外壁一侧设置一个环压高压流体出口接口9，用于连接环压流体排出堵头，以供试验结束后环压施加腔内部气体排出；在主体钢筒的外壁另一侧设置两个环压高压流体入口接口8，用于连接外部环压泵管路，以供环向高压流体的注入后施加环压，避免损坏环压传递胶套。由于环压传递胶套受压能产生变形，从而将环压传递到煤岩试样上。

环压泵f与环压高压流体入口接口8连通，环压泵f、环压高压流体入口接口8之间设置环压流体注入阀34，可以向三轴岩心夹持器内注入环压流体。

入口压头接有上游流体注入口10，上游流体注入口10设置于三轴岩心夹持器的进气端口，入口压头贯通设置流通通路，流通通路与上游流体注入口连接，上游流体注入口10通过流通通路与煤岩试样腔7连通；出口压头接有下游流体流出口11，下游流体流出口11设置于三轴岩心夹持器的出气端口，出口压头贯通设置流通通路，流通通路与下游流体流出口连接，下游流体流出口11通过流通通路与煤岩试样腔7连通。

入口压头、出口压头的外侧均设置压套结构，具体的，入口压头、出口压头外侧套设第二压套13，第二压套13外侧套设第一压套12，入口压头、出口压头的第一压套固定在主体钢筒的端部；其中，入口压头的第一压套外壁设置有一个轴向高压流体接口14，轴压泵e与轴向高压流体接口14连通，轴压泵e与轴向高压流体接口14之间设置轴压流体注入阀33，可以向三轴岩心夹持器内注入轴压流体。

在三轴岩心夹持器的左侧端头处设置有lvdt位移传感器用于监测煤岩试样轴向的变形。

高压气体缓冲罐、上游气体标准室a1、上游气体标准室a2、上游气体压力传感器、三轴岩心夹持器、压差监测管路、下游气体压力传感器、下游气体标准室b1、下游气体标准室b2以及控制管路开关的气动阀、减压阀和截止阀等组成部分共同放置于恒温箱内部，分别设置上游温度传感器28、下游温度传感器29共同监测整个系统的温度，恒温箱温度变化范围是室温-150℃，从而保证进行恒温试验时温度保持恒定状态，进行变温试验时温度在变化范围内可根据试验所需的采取不同的调整。

本发明的三轴岩心夹持器，由于设置了两个环压流体注入口，可以用于在向环压腔打压时排出内部的空气，由一个环压流体注入口向内注入环压流体，同时另一个环压流体注入口将堵头松开，随着高压流体的不断注入，内部的空气也将不断被排出，当该注入口有环压流体溢出时，表明环压腔内空气排净，从而将堵头拧紧后继续后续的压力加载；其样品槽可用于放置50mm-80mm长度之间的试样；将与试样两端直接接触的端头和不锈钢垫块均制作成多孔纹路，从而保证气体能充分从试样端面流入或流出，更加真实的反应了煤岩的渗流情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。