深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种深部原位煤体水锁强度测试装置，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统。本发明专利技术同时提供一种深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法及评价方法。本发明专利技术建立了深部高应力、高地温、高瓦斯压力条件下原位煤体注水水锁强度实验测试装置及测试方法，并提出了煤体渗透率损伤系数λ和煤体瓦斯滞留系数η的双重评价指标，构建了一套水锁强度定量评价方法，能够准确评价深部煤体原位环境含瓦斯煤体注水后水锁强度，掌握水力化措施对煤储层水锁伤害规律，为实际煤层瓦斯强化抽采、瓦斯灾害治理等作业决策提供依据。依据。依据。

【技术实现步骤摘要】
深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法


[0001]本专利技术涉及深部煤层瓦斯水力开采、煤矿瓦斯灾害注水防治
，特别涉及一种深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法。

技术介绍

[0002]深部煤炭原位赋存环境应力增大、地温升高，导致煤体内瓦斯流动阻力大，常利用水力压裂、煤层注水等手段改变煤体透气性，增强瓦斯解吸运移能力，提高煤层瓦斯抽采率。煤体注水过程中，液体进入含气煤体并吸着在煤体有机质表面，储层的含水饱和度上升，液－气界面张力增大，流体粘度增强，进而造成气相流动阻力增大，含气煤体气相渗透率下降，产生严重的水锁伤害。在深部煤与瓦斯资源开采中，煤体注水后的水锁伤害会造成瓦斯抽采能力降低、作业成本增加、气藏开发经济效益差等问题，严重影响了含瓦斯煤体的开发与评价。因此，精准评价含瓦斯煤体水锁强度，对进一步掌握煤炭领域水锁效应以及指导现场应用开发具有重大意义。
[0003]目前，石油储层水锁伤害评价方法比较成熟，常用的静态岩心流动实验法、岩样浸泡法，主要监测岩芯水锁前后渗透率变化规律，进而评价水锁强度。与石油储层相比，煤储层具有极强吸附性，原位煤体在地应力、地温控制下赋存大量吸附、游离瓦斯，在注水作用中含瓦斯煤储层气－液交换原理及水锁性质与石油储层差别显著，因而石油储层水锁评价方法已不能完全适用于含瓦斯煤储层。煤储层注水目标是强化瓦斯抽采、提升采收效率、降低瓦斯含量，那么注水后瓦斯在煤体中的滞留程度可作为水锁评价的宏观效应，更直观表达了水锁后瓦斯抽采能力变化规律，同时结合含气煤储层渗透率水锁损害强度，形成了包括煤储层封堵强度和瓦斯解吸抑制强度的综合水锁评价指标。如公开号为CN215678199U的专利公开了一种水锁伤害测试装置，该装置包括地质环境模拟模块，用于放置样本并提供模拟的地质环境；液相注入模块，用于向样本注入液体；气相注入模块，用于向样本注入气体；测试模块，包括用于获得样本电阻率数据的电阻率测试单元和获取样本纵横波数据的声波测试单元；测试模块与地质环境模拟模块、液相注入模块和气相注入模块相连，用于根据不同环境下测得的电阻率数据和纵横波数据确定样本的水锁伤害数据。该专利提供的水锁伤害测试装置通过模拟样本所处的地质环境、压裂液注入和返排过程、获取样本在不同环境下的电阻率数据和纵横波数据，进而确定样本的水锁伤害数据。该专利中的水锁伤害测试装置测试条件与现场实际不一致、评价指标单一、应用性差以及缺少煤体吸附瓦斯、注水、水锁连续性研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出了一种深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]深部原位煤体水锁强度测试装置，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系
统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统；
[0007]其中，所述增压注气系统包括甲烷气瓶、增压泵、增压泵进气阀、增压泵出气阀、高压储气罐、第一调压阀、第一高压截止阀；所述增压泵与甲烷气瓶通过第一管路连接，在第一管路上设置增压泵进气阀，增压泵与高压储气罐进气口之间通过第二管路连接，在第二管路上设置增压泵出气阀，高压储气罐出气口上设置第一支管路，在第一支管路上设置第一调压阀和第一高压截止阀；
[0008]所述气密性检测系统包括氦气气瓶、第二调压阀、高压截止阀；氦气气瓶通过第二支管路与第一支管路汇合后与第三管路连接，在第二支管路上设置第二调压阀和第二高压截止阀；
[0009]所述解吸测试系统包括高低温程序控制箱、参考罐、高压煤样罐、第九高压截止阀、第一温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀；参考罐和高压煤样罐置于高低温程序控制箱中，参考罐进气口与第三管路相连接，参考罐出气口与第四管路相连接，高压煤样罐上方设置第五管路及第一温度传感器，高压煤样罐下方与进气管路相连接，在进气管路上设置第九高压截止阀，第九高压截止阀置于高低温程序控制箱内部；
[0010]所述注水系统包括高压注水泵、第八高压截止阀，所述高压注水泵出水端通过第六管路与进气管路相连接，在第六管路上设置第八高压截止阀；
[0011]所述渗透率测试系统包括三轴夹持器、硅油、应力泵、恒温水浴槽、第二温度传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第五高压截止阀、第六高压截止阀、第七高压截止阀、第四气动阀；所述三轴夹持器置于恒温水浴槽中，在三轴夹持器内部填充有硅油，三轴夹持器底端设有第一端口和第二端口，所述第一端口通过第七管路与应力泵相连接，所述第二端口通过第八管路与进气管路相连接，在第七管路上设置第五高压截止阀，在第八管路上设置第六高压截止阀，在所述三轴夹持器顶端的出气口与第九管路相连接，在第九管路上设置出气端压力传感器和第四气动阀，进气管路与进气端压力传感器相连接；
[0012]所述抽真空系统包括真空泵、真空计、第三高压截止阀、第三气动阀；真空泵通过第十管路与真空计进气口相连接，真空计出气口设置有第十一管路，在第十一管路上设置第三高压截止阀和第三气动阀；
[0013]所述第四管路、第五管路均连接至第十一管路，进气管路与第十一管路第十二管路相连接，在所述第十二管路上设置高压截止阀和第九气动阀；
[0014]还包括：第十三管路、第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路、第七支管路、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、排空阀、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器；所述第九管路、第十一管路末端均与第十三管路连接，在第十三管路依次连接有第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路及第七支管路，第三支管路末端设置排空阀，在第四支管路上设置有第五气动阀和第一流量传感器，在第五支管路上设置有第六气动阀和第二流量传感器，在第六支管路上设置有第七气动阀和第三流量传感器，在第七支管路上设置有第八气动阀和第四流量传感器；
[0015]所述第一压力传感器、第二压力传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀、第六气动
阀、第七气动阀、第八气动阀、第九气动阀均与数据采集系统相连接。
[0016]进一步地，所述甲烷气瓶内的甲烷纯度为99.999％，所述氦气气瓶内的氦气纯度为99.999％。
[0017]进一步地，所述第二温度传感器置于三轴夹持器腔内，第二温度传感器用于监测三轴夹持器内部温度。
[0018]进一步地，所述硅油充满三轴夹持器腔内。
[0019]进一步地，所述第一流量传感器测试流速范围为0～80L/min，精度5％；所述第二流量传感器测试流速范围为0～3000mL/min，精度0.2％；所述第三流量传感器测试流速范围为0～500mL/min，精度0.2％；所述第四流量传感器测试流速范围为0～50mL/min本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统；其中，所述增压注气系统包括甲烷气瓶、增压泵、增压泵进气阀、增压泵出气阀、高压储气罐、第一调压阀、第一高压截止阀；所述增压泵与甲烷气瓶通过第一管路连接，在第一管路上设置增压泵进气阀，增压泵与高压储气罐进气口之间通过第二管路连接，在第二管路上设置增压泵出气阀，高压储气罐出气口上设置第一支管路，在第一支管路上设置第一调压阀和第一高压截止阀；所述气密性检测系统包括氦气气瓶、第二调压阀、高压截止阀；氦气气瓶通过第二支管路与第一支管路汇合后与第三管路连接，在第二支管路上设置第二调压阀和第二高压截止阀；所述解吸测试系统包括高低温程序控制箱、参考罐、高压煤样罐、第九高压截止阀、第一温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀；参考罐和高压煤样罐置于高低温程序控制箱中，参考罐进气口与第三管路相连接，参考罐出气口与第四管路相连接，高压煤样罐上方设置第五管路及第一温度传感器，高压煤样罐下方与进气管路相连接，在进气管路上设置第九高压截止阀，第九高压截止阀置于高低温程序控制箱内部；所述注水系统包括高压注水泵、第八高压截止阀，所述高压注水泵出水端通过第六管路与进气管路相连接，在第六管路上设置第八高压截止阀；所述渗透率测试系统包括三轴夹持器、硅油、应力泵、恒温水浴槽、第二温度传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第五高压截止阀、第六高压截止阀、第七高压截止阀、第四气动阀；所述三轴夹持器置于恒温水浴槽中，在三轴夹持器内部填充有硅油，三轴夹持器底端设有第一端口和第二端口，所述第一端口通过第七管路与应力泵相连接，所述第二端口通过第八管路与进气管路相连接，在第七管路上设置第五高压截止阀，在第八管路上设置第六高压截止阀，在所述三轴夹持器顶端的出气口与第九管路相连接，在第九管路上设置出气端压力传感器和第四气动阀，进气管路与进气端压力传感器相连接；所述抽真空系统包括真空泵、真空计、第三高压截止阀、第三气动阀；真空泵通过第十管路与真空计进气口相连接，真空计出气口设置有第十一管路，在第十一管路上设置第三高压截止阀和第三气动阀；所述第四管路、第五管路均连接至第十一管路，进气管路与第十一管路第十二管路相连接，在所述第十二管路上设置高压截止阀和第九气动阀；还包括：第十三管路、第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路、第七支管路、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、排空阀、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器；所述第九管路、第十一管路末端均与第十三管路连接，在第十三管路依次连接有第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路及第七支管路，第三支管路末端设置排空阀，在第四支管路上设置有第五气动阀和第一流量传感器，在第五支管路上设置有第六气动阀和第二流量传感器，在第六支管路上设置有第七气动阀和第三流量传感器，在第七支管路上设置有第八气动阀和第四流量传感器；所述第一压力传感器、第二压力传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流
量传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、第九气动阀均与数据采集系统相连接。2.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，所述甲烷气瓶内的甲烷纯度为99.999％，所述氦气气瓶内的氦气纯度为99.999％。3.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，所述第二温度传感器置于三轴夹持器腔内，第二温度传感器用于监测三轴夹持器内部温度。4.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，所述硅油充满三轴夹持器腔内。5.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，其特征在于，所述第一流量传感器测试流速范围为0～80L/min，精度5％；所述第二流量传感器测试流速范围为0～3000mL/min，精度0.2％；所述第三流量传感器测试流速范围为0～500mL/min，精度0.2％；所述第四流量传感器测试流速范围为0～50mL/min，精度0.2％。6.深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，采用上如权利要求1
‑
5中任意一项所述的深部原位煤体水锁强度测试装置实现，其特征在于，包括以下步骤：a.制作1号柱煤和2号柱煤并干燥：采集待评价的煤储层煤芯，每个煤芯须制作2套柱煤，编号为1号和2号，分别用于煤体瓦斯含量测试和渗透率测试；将1号柱煤和2号柱煤均置于105℃环境下持续干燥，直至煤重不再变化，视为干燥完成，称取1号柱煤重量为煤重量G
m1
，2号柱煤重量为煤重量G
m2
；b.对测试装置进行气密性检测：关闭测试装置所有高压截止阀、气动阀，依次打开第二高压截止阀、第二调压阀，向参考罐、高压煤样罐充入氦气，读取第一压力传感器、第二压力传感器的氦气压力分别为P
h1
、P
h2
，关闭第二调压阀、第二高压截止阀，持续观察第一压力传感器、第二压力传感器在12h内P
h1
、P
h2
数值不变，确认测试装置气密性良好，可以开始测试工作；c.将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐中，并对解吸测试系统真空脱气：将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐中，关闭第一高压截止阀、第二高压截止阀、第九高压截止阀、第三气动阀、第九气动阀，打开第一气动阀、第二气动阀、第三高压截止阀，启动真空泵、真空计对解吸测试系统进行真空脱气，当真空计显示真空度降至10Pa以下，依次关闭第一气动阀、第二气动阀、第三高压截止阀之后，关闭真空泵；d.调节高低温程序控制箱温度至待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t：打开高低温程序控制箱，温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第一温度传感器显示为t；e.甲烷自增压泵增压后输入高压储气罐：启动增压泵，打开增压泵进气阀，甲烷经增压泵加压后，打开增压泵出气阀，将不低于10MPa甲烷气体输入高压储气罐，随后依次关闭增压泵进气阀、增压泵、增压泵出气阀；f.向参考罐充入甲烷：先打开第一高压截止阀，1min后再打开第一调压阀，高压储气罐向参考罐充入甲烷，当第一压力传感器显示为P
c1
时，依次关闭第一调压阀、第一高压截止阀，此时P
c1
不低于模拟待评价煤储层原位环境瓦斯压力P的2倍；g.向高压煤样罐充入甲烷，对高压煤样罐中的1号柱煤进行吸附甲烷平衡，并计算1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量Q
sx
：打开第二气动阀，1min后打开第一气动阀快速向高压
煤样罐充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀、第二气动阀，期间通过参考罐反复向高压煤样罐补充甲烷气体，当第二压力传感器显示压力持续12h不变，表明1号柱煤吸附甲烷平衡，此时第二压力传感器示数为P，P为模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；在注气完成后，记录第一压力传感器显示压力为P
c2
；按照公式(1)计算参考罐向高压煤样罐充入甲烷总量，即为1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量Q
sx
：式中：Q
sx
—1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量，ml/g；V
c
—参考罐和充气管路的体积和，ml，所述充气管路包括第三高压截止阀至第三气动阀之间的管路、第四管路、第二气动阀至第十一管路之间的管路、第九气动阀至第十一管路之间的管路；P
c1
—向高压煤样罐充气前，第一压力传感器监测参考罐的平衡压力，MPa；P
c2
—注气完成后，第一压力传感器监测参考罐平衡压力，MPa；Z
c1
—在压力P
c1
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；Z
c2
—在压力P
c2
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；t—高低温程序控制箱设置的实验温度，即待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度，℃；h.向高压煤样罐内吸附甲烷平衡的1号柱煤注水：启动高压注水泵，依次打开第八高压截止阀、第九高压截止阀，向已吸附甲烷平衡的1号柱煤注水，注入水量重量为G
s1
时停止注水，依次关闭第九高压截止阀、第八高压截止阀、高压注水泵；i.注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h，计算煤体瓦斯滞留系数η：完成注水24h后，依次打开排空阀、第三气动阀，高压煤样罐内的游离甲烷沿管路快速向外释放，当第二压力传感器显示压力为零时，迅速关闭排空阀，与此同时数据采集系统发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量V大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，解吸时间持续24h，关闭第二气动阀、第三气动阀，解吸流程完成，第一流量传...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦玉金，苏伟伟，周睿，任少魁，李杰，郑忠宇，郭怀广，闫循强，邹永洺，闫比男，
申请(专利权)人：中煤科工集团沈阳研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：