[发明专利]一种煤岩吸附的自由膨胀体积的测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量煤岩自由膨胀体积的装置及方法，特别是涉及一种在实验室内测量煤岩吸附CH₄、CO₂、N₂等气体或煤岩中多组分气体竞争吸附的自由膨胀体积的测量装置及方法，属于煤层气开采领域。

背景技术

我国具有丰富的煤层气资源，煤层气开发对缓解我国油气资源紧张现状、减轻矿井灾害程度、减少温室气体排放等具有重要意义。煤岩体是一种含大量吸附煤层气的多孔介质，其力学性能对煤层气开采有重要影响。大量研究证明，煤基质吸附N₂，CH₄，CO₂等气体时将产生膨胀变形，气体解吸会使煤基质收缩，从而改变煤层渗透性、储存能力，研究煤岩吸附气体后的膨胀变形对煤层气开发至关重要，特别是煤层CO₂地质存储与CH₄强化开采、N₂注入与CH₄强化开采过程中，超临界CO₂、N₂可与煤中吸附态CH₄发生竞争吸附，导致吸附态CH₄被置换和驱替出来，同时，煤中多组分气体竞争吸附过程中煤基质的膨胀变形发生改变，煤层渗透性、储存能力进一步变化，对煤层气强化增产措施的有效性尤为重要。而目前煤吸附CH₄、CO₂、N₂等气体或煤中多组分气体竞争吸附的膨胀体积或通过间接方法，测量应力改变进而转换为应变量，或直接监测样品中某几个点的应变，而推算整体的形变，无法得到煤岩样品真实、全面、精确的自由膨胀体积和膨胀系数。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种煤岩吸附的自由膨胀体积的测量装置及方法，该装置及方法能够得到煤岩样品真实、全面、精确的自由膨胀体积和膨胀系数。该装置及方法的测量精度高，操作简单，容易实现，数据准确，且无需复杂的换算。

为了达到上述目的，本发明的煤岩吸附的自由膨胀体积的测量装置，包括样品室和加热保温装置，环压跟踪泵、回压缓冲容器、盛液容器、天平、回压阀，所述的样品室用夹持器夹持固定在加热保温装置内，样品室包括热缩管和环形空间，热缩管设有进气口和出气口，与出气口连接的出气管路上设有压力传感器I；所述的环压跟踪泵与环形空间连接，且连接管路上设有压力传感器II和双向阀I；所述的回压缓冲容器分别与环压跟踪泵和回压阀连接，回压缓冲容器与环压跟踪泵的连接管路上设有双向阀II；所述的回压阀的另一端与环形空间连接且其连接管路上设有阀门II，盛液容器和天平放置在回压阀的另一个支路出口处。

进一步的，该装置还包括若干有一定目数的孔的型煤垫片，每个型煤垫片设在热缩管内相邻的两段煤样之间，型煤垫片的轴线与热缩管的轴线重合。

进一步的，该装置还包括与大气相通的阀门I，该阀门设在与环形空间连接管路的出口处。

进一步的，该装置还包括设在回压缓冲容器和回压阀之间连接管路上的压力传感器III。

进一步的，该装置还包括设在环形空间和回压阀之间连接管路上的压力传感器IV。

进一步的，所述的加热保温装置为恒温空气浴。

本发明的煤岩吸附的自由膨胀体积的测量方法，步骤如下：

(a)将试验样品装入热缩管，在相邻两段煤样之间加具有一定目数的型煤垫片，用垫块将热缩管两端密封，再对热缩管进行热缩后，将O型圈套在热缩管外与垫块相对应的位置上，将样品室放入夹持器中，置于加热保温装置内；

(b)用环压跟踪泵对环形空间加围压至2MPa，向样品室注入高纯氦气，再对样品室及管路抽真空，再向样品室注入高纯试验气体，清洗管路，再抽真空，重复3-5次；

(c)关闭所有阀门，设置并调节加热保温装置的温度，对样品室加热，使样品室的温度稳定在试验温度；

(d)待样品室温度稳定，向其注入CH₄或其他试验气体，使其压力达到试验设计压力，同时，由环压跟踪泵根据压力传感器I传来的压力数据控制增加环形空间内的围压，使环形空间内的与热缩管内压力时刻保持相同，同步上升；

(e)环形空间内的围压上升至试验设计压力后停止加压，由环压跟踪泵控制回压阀的开启压力为试验设计压力，用盛液容器盛装由于热缩管内的煤样膨胀变形挤出的环形空间内的液体，天平称量在常温常压下盛液容器中的液体重量；