一種煤巖吸附的自由膨脹體積的測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量煤巖自由膨脹體積的裝置及方法，特別是涉及一種在實驗室內(nèi)測量煤巖吸附014、0)2、隊等氣體或煤巖中多組分氣體競爭吸附的自由膨脹體積的測量裝置及方法，屬于煤層氣開采領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國具有豐富的煤層氣資源，煤層氣開發(fā)對緩解我國油氣資源緊張現(xiàn)狀、減輕礦井災(zāi)害程度、減少溫室氣體排放等具有重要意義。煤巖體是一種含大量吸附煤層氣的多孔介質(zhì)，其力學(xué)性能對煤層氣開采有重要影響。大量研宄證明，煤基質(zhì)吸附N2，CH4，CO2等氣體時將產(chǎn)生膨脹變形，氣體解吸會使煤基質(zhì)收縮，從而改變煤層滲透性、儲存能力，研宄煤巖吸附氣體后的膨脹變形對煤層氣開發(fā)至關(guān)重要，特別是煤層CO2地質(zhì)存儲與CH4強化開采、N2注入與014強化開采過程中，超臨界0)2、隊可與煤中吸附態(tài)CH4發(fā)生競爭吸附，導(dǎo)致吸附態(tài)CH4被置換和驅(qū)替出來，同時，煤中多組分氣體競爭吸附過程中煤基質(zhì)的膨脹變形發(fā)生改變，煤層滲透性、儲存能力進一步變化，對煤層氣強化增產(chǎn)措施的有效性尤為重要。而目前煤吸附CH4、CO2, N2等氣體或煤中多組分氣體競爭吸附的膨脹體積或通過間接方法，測量應(yīng)力改變進而轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量，或直接監(jiān)測樣品中某幾個點的應(yīng)變，而推算整體的形變，無法得到煤巖樣品真實、全面、精確的自由膨脹體積和膨脹系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種煤巖吸附的自由膨脹體積的測量裝置及方法，該裝置及方法能夠得到煤巖樣品真實、全面、精確的自由膨脹體積和膨脹系數(shù)。該裝置及方法的測量精度高，操作簡單，容易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且無需復(fù)雜的換算。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的煤巖吸附的自由膨脹體積的測量裝置，包括樣品室和加熱保溫裝置，環(huán)壓跟蹤泵、回壓緩沖容器、盛液容器、天平、回壓閥，所述的樣品室用夾持器夾持固定在加熱保溫裝置內(nèi)，樣品室包括熱縮管和環(huán)形空間，熱縮管設(shè)有進氣口和出氣口，與出氣口連接的出氣管路上設(shè)有壓力傳感器I ;所述的環(huán)壓跟蹤泵與環(huán)形空間連接，且連接管路上設(shè)有壓力傳感器II和雙向閥I ;所述的回壓緩沖容器分別與環(huán)壓跟蹤泵和回壓閥連接，回壓緩沖容器與環(huán)壓跟蹤泵的連接管路上設(shè)有雙向閥II;所述的回壓閥的另一端與環(huán)形空間連接且其連接管路上設(shè)有閥門II，盛液容器和天平放置在回壓閥的另一個支路出口處。
[0005]進一步的，該裝置還包括若干有一定目數(shù)的孔的型煤墊片，每個型煤墊片設(shè)在熱縮管內(nèi)相鄰的兩段煤樣之間，型煤墊片的軸線與熱縮管的軸線重合。
[0006]進一步的，該裝置還包括與大氣相通的閥門I，該閥門設(shè)在與環(huán)形空間連接管路的出口處。
[0007]進一步的，該裝置還包括設(shè)在回壓緩沖容器和回壓閥之間連接管路上的壓力傳感器 III。
[0008]進一步的，該裝置還包括設(shè)在環(huán)形空間和回壓閥之間連接管路上的壓力傳感器IVo
[0009]進一步的，所述的加熱保溫裝置為恒溫空氣浴。
[0010]本發(fā)明的煤巖吸附的自由膨脹體積的測量方法，步驟如下:
[0011](a)將試驗樣品裝入熱縮管，在相鄰兩段煤樣之間加具有一定目數(shù)的型煤墊片，用墊塊將熱縮管兩端密封，再對熱縮管進行熱縮后，將O型圈套在熱縮管外與墊塊相對應(yīng)的位置上，將樣品室放入夾持器中，置于加熱保溫裝置內(nèi)；
[0012](b)用環(huán)壓跟蹤泵對環(huán)形空間加圍壓至2MPa，向樣品室注入高純氦氣，再對樣品室及管路抽真空，再向樣品室注入高純試驗氣體，清洗管路，再抽真空，重復(fù)3-5次；
[0013](c)關(guān)閉所有閥門，設(shè)置并調(diào)節(jié)加熱保溫裝置的溫度，對樣品室加熱，使樣品室的溫度穩(wěn)定在試驗溫度；
[0014](d)待樣品室溫度穩(wěn)定，向其注入CH4或其他試驗氣體，使其壓力達(dá)到試驗設(shè)計壓力，同時，由環(huán)壓跟蹤泵根據(jù)壓力傳感器I傳來的壓力數(shù)據(jù)控制增加環(huán)形空間內(nèi)的圍壓，使環(huán)形空間內(nèi)的與熱縮管內(nèi)壓力時刻保持相同，同步上升；
[0015](e)環(huán)形空間內(nèi)的圍壓上升至試驗設(shè)計壓力后停止加壓，由環(huán)壓跟蹤泵控制回壓閥的開啟壓力為試驗設(shè)計壓力，用盛液容器盛裝由于熱縮管內(nèi)的煤樣膨脹變形擠出的環(huán)形空間內(nèi)的液體，天平稱量在常溫常壓下盛液容器中的液體重量；
[0016](f) 一旦熱縮管內(nèi)壓力下降，則繼續(xù)注入CH4或其他試驗氣體，使熱縮管內(nèi)壓力保持在試驗設(shè)計壓力，直至熱縮管內(nèi)壓力穩(wěn)定在試驗設(shè)計壓力，試驗停止；
[0017](g)根據(jù)所排出的液體重量，換算煤的自由膨脹體積和自由膨脹系數(shù)。
[0018]進一步的，所述的樣品室為軸向固定，其軸向與徑向的長度比為20:1。
[0019]進一步的，所述的試驗壓力為0.1MPa?25MPa，試驗溫度為室溫?150°C。
[0020]進一步的，樣品室保壓過程中，管路和容器密封圈無泄漏時，壓力波動范圍在0.05MPa以下，溫度波動在0.5°C以內(nèi)。
[0021]本發(fā)明通過將煤樣放入熱縮管內(nèi)，在熱縮管外有環(huán)形空間，熱縮管不阻礙煤樣的膨脹變形，從而可以通過煤樣膨脹變形排出環(huán)形空間內(nèi)的液體，通過測量常溫常壓下從環(huán)形空間內(nèi)排除液體的質(zhì)量，進而可以換算得到煤巖的精確的膨脹變形量；本發(fā)明采用先升溫后加壓的操作程序，使升壓過程得以控制，確保試驗的安全；本測量裝置及方法簡單、實現(xiàn)容易、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且無需復(fù)雜換算。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中，1、樣品室，1-1、夾持器，1-2、熱縮管，1-3、環(huán)形空間，1-4、型煤墊片；1_5、壓力傳感器I，l_6a、進氣口，1-6b,出氣口，2、加熱保溫裝置，3、環(huán)壓跟蹤泵，4、回壓緩沖容器，
5、盛液容器，6、天平，7、回壓閥，8-la、壓力傳感器II，8_lb、壓力傳感器III，8-lc、壓力傳感器IV;8-2a、雙向閥I，8-2b、雙向閥II，8_3a、閥門I，8_3b、閥門II。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明的煤巖吸附的自由膨脹體積的測量裝置，該裝置包括樣品室I和加熱保溫裝置2，其特征在于，還包括:環(huán)壓跟蹤泵3、回壓緩沖容器4、盛液容器5、天平
6、回壓閥7，所述的樣品室I用夾持器1-1夾持固定在加熱保溫裝置2內(nèi)，樣品室I包括熱縮管1-2和環(huán)形空間1-3，熱縮管1-2設(shè)有進氣口 l-6a和出氣口 l_6b，與出氣口 l_6b連接的出氣管路上設(shè)有壓力傳感器11-5 ;所述的環(huán)壓跟蹤泵3與環(huán)形空間1-3連接，且連接管路上設(shè)有壓力傳感器118-la和雙向閥I8-2a ;所述的回壓緩沖容器4分別與環(huán)壓跟蹤泵3和回壓閥7連接，回壓緩沖容器4與環(huán)壓跟蹤泵3的連接管路上設(shè)有雙向閥II8-2b ;所述的回壓閥7的另一端與環(huán)形空間1-3連接且其連接管路上設(shè)有閥門II8-3b，與回壓閥7連接的另一個支路出口處放置有盛液容器5和天平6 ;樣品室I為本裝置的反應(yīng)室，用于裝入試驗樣品及模擬地層高溫、高壓、密封環(huán)境，熱縮管1-2遇熱時徑向上可自由形變，不阻礙煤巖樣品的形變；加熱保溫裝置2為樣品室I提供溫度環(huán)境，并且其加熱功率可調(diào)，自動恒溫；環(huán)壓跟蹤泵3用于為樣品室的環(huán)形空間1-3內(nèi)注入硅油以增大圍壓并控制回壓閥7的閉合和開啟，回壓緩沖容器4用于使流體平穩(wěn)流出；回壓閥7用于控制液體排出，并能夠防止液體蒸發(fā)以提高計量精度；盛液容器5選用燒杯，用于容納排出的液體，且使用清洗方便；天平6選用高精度的電子天平，以精確計量常溫常壓下排出的液體的質(zhì)量；壓力傳感器11-5用于監(jiān)測熱縮管1-2內(nèi)的壓力，壓力傳感器118-la用于監(jiān)測環(huán)形空間1-3內(nèi)的壓力；雙向閥I8-2a和雙向閥II8-3b用于控制管路的閉合和開啟，必要時，可以允許管路中的液體雙向流動，閥門II8-3b用于控制管路的閉合和開啟。
[0026]該裝置還包括若干有一定目數(shù)的孔的型煤墊片1-4，型煤墊片1-4設(shè)在熱縮管1-2內(nèi)相鄰的兩段煤樣之間，型煤墊片1-4的軸線與熱縮管1-2的軸線重合，相鄰的兩端煤樣之間放置型煤墊片1-4可隔斷煤樣，促進其體快速充滿整個熱縮管1-2的空間。
[0027]該裝置還包括與大氣相通的閥門I8_3a，該閥門設(shè)在與環(huán)形空間1_3連接管路的出口處，環(huán)形空間1-3中的硅油可通過閥門I8-3a直接流出，實現(xiàn)對環(huán)形空間1-3的卸壓以確保系統(tǒng)安全。
[0028]該裝置還包括設(shè)在回壓緩沖容器4和回壓閥7之間連接管路上的壓力傳感器III8-lb，用來實時監(jiān)測管路中的壓力，以更精確的控制試驗過程。
[0029]該裝置還包括設(shè)在環(huán)形空間1-3和回壓閥7之間連接管路上的壓力傳感器IVS-lc，用來實時監(jiān)測管路中的壓力，以更精確的控制試驗過程。
[0030]所述的加熱保溫裝置為恒溫空氣浴，使用恒溫空氣浴使得安裝樣品室I更加方便，且試驗結(jié)束后可以采用空氣對流直接冷卻，也無需處理加熱介質(zhì)。
[0031]所述的樣品室I為軸向固定，其軸向與徑向的長度比為20:1，本發(fā)明中樣品室I所使用的熱縮管1-2的內(nèi)徑為50mm，長度為1000± 10mm，樣品室I軸向固定，可使軸向變形部分轉(zhuǎn)化為徑向變形，軸向與徑向的長度比為20:1，可忽略剩余軸向變形的影響，測徑向變形量即為煤巖的自由膨脹體積，簡化了測量。
[0032]所述的試驗壓力為0.1MPa?25MPa，試驗溫度為室溫?150°C，使得試驗過程中模擬不同深部煤層的壓力和溫度，增強試驗數(shù)據(jù)的可信度。
[0033]所述的樣品室I保壓過程中，管路和容器密封圈無泄漏時，壓力波動范圍在
0.05MPa以下，溫度波動在0.5°C以內(nèi)，使得樣品室I內(nèi)的壓力和溫度環(huán)境穩(wěn)定，保證試驗的精度。
[0034]一種煤巖吸附的自由膨脹體積的測量方法，步驟如下:
[0035](a)將型煤或煤柱裝入熱縮管1-2，在相鄰兩段煤樣之間加具有一定目數(shù)的型煤墊片1-4，促進氣體的流動，用墊塊將熱縮管1-2兩端密封，