一种新的煤-气多物理场耦合实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种新的煤

【技术实现步骤摘要】
一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置和使用方法，属于煤岩渗流
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变形测试


技术介绍

[0002]渗透率是衡量气体在孔隙介质体内运移难易程度的物理量，是决定煤层气、致密砂岩气和页岩气等非常规天然气开采效果的重要参数。清楚煤岩在不同边界(如：应力边界和位移边界)、不同环境(温度和湿度)、不同气体(吸附性和非吸附性气体)等多物理场耦合下渗透率的控制机理是实现非常规天然气高效开采、石油开采、瓦斯防治、底板水防治的关键。因此，一套能够实现上述多物理场耦合的煤岩渗流测量装置和方法是开展相关研究的基础。
[0003]已有研究表明：煤岩的渗透率与孔隙度呈正相关，且具有明显的时间演化特征。资源开采和灾害防治过程中，煤岩所处的多物理场环境的改变导致煤岩整体和内部裂隙的体积发生改变，进而控制渗透率的变化。许多研究者为探究多物理场耦合条件下渗透率的时间演化规律，建立了一系列多类别应变(整体应变、裂隙应变、基质应变)控制下渗透率模型。因此，为证明这些假设和理论的合理性，一方面，有必要在测量煤岩渗透率的同时，进一步测量煤岩的力学参数(弹性模量、泊松比)、多尺度应变(整体应变、裂隙应变、基质应变)；另一方面，有必要对上述参数进行长时间周期性测量，探究这些参数和渗透率随注气/产气时间的变化规律，这对研究煤岩渗透率的控制机理具有重要意义。
[0004]近些年，随着煤岩渗流领域被广泛关注，煤岩渗透率的测量装置和方法被许多研究者开发和完善。在渗透率的测量装置的改进方面，研究者在三轴加载装置基础上，结合了电子计算机断层扫描仪(CT)、声发射装置、应变分析仪、位移计等设备，实现对煤岩的孔隙结构、整体变形等参数的测量。例如：
①
梁天博,周福建,张梦川,杨凯,曲鸿雁,姚二冬,李奔,胡晓东,王博,左洁.一种基于分流模型与CT扫描的相对渗透率测定系统及方法[P].北京市：CN113295594A,2021
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08
‑
24；
②
梁卫国,姜玉龙,李文达,武鹏飞.一种新的真三轴压裂渗流试验装置与方法[P].山西省：CN111272576A,2020
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06
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12；
③
王汉鹏,刘众众,袁亮,张冰,张强勇,王伟,侯伟涛,章冲,薛阳.岩石三轴力学渗透特性测试仪及测试方法[P].山东省：CN109253952B,2021
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12
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28；
④
赵耀耀,刘继山,崔冬雪,魏明尧.一种煤岩渗透率、整体应变和裂隙应变的测量装置及方法[P].北京市：CN112525791B,2022
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02
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15。上述已公开的渗透率测量方法能够准确测量不同压力、不同围压、不同温度、不同气体等条件下的煤岩渗透率。但无法实现对煤岩渗透率和其他参数的长时间周期性测量。
[0005]因此，在对煤岩渗透率、裂隙应变、整体应变和力学参数随注气时间/产气时间的演化规律的实验研究方面，仍属空白。迫切需要一种能够长时间周期性测量煤岩渗透率和多类别应变的装置和使用方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的就在于克服上述不足，提供一种新的煤
‑
气多物理场耦合实验装置及方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0008]一种新的煤
‑
气多物理场耦合实验装置，包括三轴加载子系统、围压控制子系统、气压控制子系统、数据传输和采集子系统、温度控制子系统，其中三轴加载子系统通过导流管分别与围压控制子系统、气压控制子系统连通，三轴加载子系统外表面和气压控制子系统另与温度控制子系统连接，三轴加载子系统、围压控制子系统、气压控制子系统和温度控制子系统均与数据传输和采集子系统间电气连接，温度控制子系统包括水浴箱、加热毯、温度传感器，水浴箱、加热毯均至少一个，其中加热毯与三轴加载子系统外表面连接，水浴箱与气压控制子系统连接，且各水浴箱、加热毯内均设至少一个温度传感器。
[0009]进一步的，所述气压控制子系统包括动力储气瓶、注气储气瓶、气体压力调节器、上游标准瓶、下游标准瓶、尾气收集器、减压阀、电磁阀、真空泵、压力传感器、流量传感器，所述动力储气瓶、注气储气瓶均至少一个，且动力储气瓶、注气储气瓶间相互并联并分别通过导流管与气体压力调节器连通，所述气体压力调节器通过导流管与真空泵、上游标准瓶及三轴加载子系统的进气端连通，且真空泵、上游标准瓶及三轴加载子系统间相互并联，所述下游标准瓶、尾气收集器间并联，并通过导流管与三轴加载子系统排气端连通，所述上游标准瓶、下游标准瓶间并联，并均嵌于温度控制子系统的水浴箱内，所述上游标准瓶和真空泵之间的导流管管段上设压力传感器，下游标准瓶、尾气收集器之间的导流管管道上设一个压力传感器和一个流量传感器，所述上游标准瓶、下游标准瓶、尾气收集器与导流管间通过减压阀连通，导流管与气体压力调节器、上游标准瓶、下游标准瓶、尾气收集器、真空泵、动力储气瓶、注气储气瓶及三轴加载子系统间通过电磁阀连通，所述气体压力调节器、尾气收集器、减压阀、电磁阀、真空泵、压力传感器、流量传感器均与数据传输和采集子系统电气连接。
[0010]进一步的，所述围压控制子系统包括轴向压力控制泵、环向压力控制泵、环压注流口、轴压注流口及控制阀，所述轴向压力控制泵、环向压力控制泵均一个并相互并联，其中所述轴向压力控制泵通过导流管与轴压注流口连通，环向压力控制泵通过导流管与环压注流口连通，所述环压注流口、轴压注流口均嵌于三轴加载子系统侧表面，并与三轴加载子系统连通，所述导流管与轴向压力控制泵、环向压力控制泵、环压注流口、轴压注流口间通过控制阀连通，所述控制阀另与数据传输和采集子系统电气连接。
[0011]进一步的，所述三轴加载子系统包括外端盖、内端盖、导向缸体、检测缸体、橡胶隔离套、引流管、轴向活塞、上游注气垫块、下游注气垫块、过渡垫块、位移传感器、电阻应变片及压盘，所述导向缸体、检测缸体及橡胶隔离套均为轴向截面呈矩形的空心柱状结构，其检测缸体后端面与外端盖连接，前端面与内端盖连接，所述内端盖与导向缸体连接，并通过导向缸体与外端盖连接，所述外端盖、内端盖、导向缸体、检测缸体间均同轴分布，且外端盖、内端盖上均设与检测缸体同轴分布的透孔，并通过透孔连通，所述橡胶隔离套嵌于检测缸体内并与检测缸体同轴分布，其前端面通过过渡垫块与内端盖相抵，后端面通过内端盖与外端盖相抵，并与透孔连通，所述橡胶隔离套外侧面与检测缸体内侧面间设长度不大于橡胶隔离套长度80％的环压腔，所述环压腔对应的检测缸体侧壁设至少两条环绕检测缸体轴
线均布的导流孔，导流孔与检测缸体轴线垂直分布并相交，且交点位于检测缸体中点位置，所述导流孔另与环压注流口连通，所述压盘共两个，嵌于橡胶隔离套内，与橡胶隔离套同轴分布并与橡胶隔离套内侧面滑动连接，两压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置，其特征在于：所述新的煤
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气多物理场耦合实验装置包括三轴加载子系统、围压控制子系统、气压控制子系统、数据传输和采集子系统、温度控制子系统，其中所述三轴加载子系统通过导流管分别与围压控制子系统、气压控制子系统连通，所述三轴加载子系统外表面和气压控制子系统另与温度控制子系统连接，所述三轴加载子系统、围压控制子系统、气压控制子系统和温度控制子系统均与数据传输和采集子系统间电气连接，其中所述温度控制子系统包括水浴箱、加热毯、温度传感器，其中所述水浴箱、加热毯均至少一个，其中加热毯与三轴加载子系统外表面连接，所述水浴箱与气压控制子系统连接，且各水浴箱、加热毯内均设至少一个温度传感器。2.根据权利要求1所述的一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置，其特征在于：所述气压控制子系统包括动力储气瓶、注气储气瓶、气体压力调节器、上游标准瓶、下游标准瓶、尾气收集器、减压阀、电磁阀、真空泵、压力传感器、流量传感器，所述动力储气瓶、注气储气瓶均至少一个，且动力储气瓶、注气储气瓶间相互并联并分别通过导流管与气体压力调节器连通，所述气体压力调节器通过导流管与真空泵、上游标准瓶及三轴加载子系统的进气端连通，且真空泵、上游标准瓶及三轴加载子系统间相互并联，所述下游标准瓶、尾气收集器间并联，并通过导流管与三轴加载子系统排气端连通，所述上游标准瓶、下游标准瓶间并联，并均嵌于温度控制子系统的水浴箱内，所述上游标准瓶和真空泵之间的导流管管段上设压力传感器，下游标准瓶、尾气收集器之间的导流管管道上设一个压力传感器和一个流量传感器，所述上游标准瓶、下游标准瓶、尾气收集器与导流管间通过减压阀连通，导流管与气体压力调节器、上游标准瓶、下游标准瓶、尾气收集器、真空泵、动力储气瓶、注气储气瓶及三轴加载子系统间通过电磁阀连通，所述气体压力调节器、尾气收集器、减压阀、电磁阀、真空泵、压力传感器、流量传感器均与数据传输和采集子系统电气连接。3.根据权利要求1所述的一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置，其特征在于：所述围压控制子系统包括轴向压力控制泵、环向压力控制泵、环压注流口、轴压注流口及控制阀，所述轴向压力控制泵、环向压力控制泵均一个并相互并联，其中所述轴向压力控制泵通过导流管与轴压注流口连通，环向压力控制泵通过导流管与环压注流口连通，所述环压注流口、轴压注流口均嵌于三轴加载子系统侧表面，并与三轴加载子系统连通，所述导流管与轴向压力控制泵、环向压力控制泵、环压注流口、轴压注流口间通过控制阀连通，所述控制阀另与数据传输和采集子系统电气连接。4.根据权利要求1所述的一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置，其特征在于：所述三轴加载子系统包括外端盖、内端盖、导向缸体、检测缸体、橡胶隔离套、引流管、轴向活塞、上游注气垫块、下游注气垫块、过渡垫块、位移传感器、电阻应变片及压盘，所述导向缸体、检测缸体及橡胶隔离套均为轴向截面呈矩形的空心柱状结构，其检测缸体后端面与外端盖连接，前端面与内端盖连接，所述内端盖与导向缸体连接，并通过导向缸体与外端盖连接，所述外端盖、内端盖、导向缸体、检测缸体间均同轴分布，且外端盖、内端盖上均设与检测缸体同轴分布的透孔，并通过透孔连通，所述橡胶隔离套嵌于检测缸体内并与检测缸体同轴分布，其前端面通过过渡垫块与内端盖相抵，后端面通过内端盖与外端盖相抵，并与透孔连通，所述橡胶隔离套外侧面与检测缸体内侧面间设长度不大于橡胶隔离套长度80％的环压腔，所述环压腔对应的检测缸体侧壁设至少两条环绕检测缸体轴线均布的导流孔，导流孔与检测缸体轴线垂直分布并相交，且交点位于检测缸体中点位置，所述导流孔另与环压注
流口连通，所述压盘共两个，嵌于橡胶隔离套内，与橡胶隔离套同轴分布并与橡胶隔离套内侧面滑动连接，两压盘对称分布在橡胶隔离套两端面，且两压盘间构成检测腔，同时其中一个压盘通过上游注气垫块与过渡垫块相抵，另一个压盘通过下游注气垫块与过渡垫块相抵，所述电阻应变片至少两个并位于检测腔体内，且其中至少一个电阻应变片检测轴线与检测腔轴线平行分布，至少一个电阻应变片检测轴线与检测腔轴线垂直分布，所述轴向活塞嵌于导向缸体内，与导向缸体同轴分布并与导向缸体内表面滑动连接，且轴向活塞与导向缸体前半部间构成轴压腔，且轴压腔对应的导向缸体侧壁设至少两个环绕导向缸体轴线均布的轴压注流口，同时所述轴向活塞前端面位于外端盖外，后端面与通过透孔位于检测缸体内，并与上游注气垫块相抵，所述轴向活塞、上游注气垫块及下游注气垫块内设与检测缸体连通的导气腔，所述导气腔均与检测腔连通，所述引流管位于检测缸体后端面处，且引流管前半部通过透孔嵌入检测缸体内并与下游注气垫块相抵，且下游注气垫块的导气腔与引流管连通，引流管后端面位于检测缸体外，所述位移传感器至少一个，并与轴向活塞连接，且所述位移传感器另与数据传输和采集子系统电气连接。5.根据权利要求4所述的一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置，其特征在于：所述渡垫块包括弹性密封套、金属导向套，所述弹性密封套为轴向截面呈等腰梯形的圆台结构，所述金属导向套为轴向截面呈矩形的空心管状结构，且金属导向套嵌于弹性密封套后端面内并与弹性密封套同轴分布，所述金属导向套包覆在轴向活塞外，并与轴向活塞滑动连接，所述金属导向套侧壁上设至少两个环绕金属导向套轴线均布的过渡孔，所述过渡孔轴线与金属导向套轴线相交，并呈30
°
—60
°
夹角，且过渡孔与轴向活塞的导气腔连通。6.根据权利要求1所述的一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置，其特征在于：所述数据传输和采集子系统包括数据处理计算机、基于工业计算机的驱动电路、应变分析仪，所述基于工业计算机的驱动电路分别与数据处理计算机、应变分析仪、三轴加载子系统、围压控制子系统、气压控制子系统及温度控制子系统电气连接，所述应变分析仪另与三轴加载子系统电气连接。7.根据权利要求1中所述的一种新的煤
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气多物理场耦合实验装置的使用方法，其特征在于：所述煤
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气多物理场耦合实验装置的使用方法包括以下步骤：S1，设备检测，首先对三轴加载子系统、围压控制子系统、气压控制子系统、数据传输和采集子系统、温度控制子系统进行组装装配，得到多物理场耦合实验装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵耀耀，赵毅鑫，刘继山，魏明尧，李翔，崔冬雪，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：