[发明专利]测量煤体吸附和解吸煤层气过程温度及热量的系统及方法

权利要求书

1.一种测量煤体吸附和解吸煤层气过程温度及热量的方法，其采用的测量系统包括：三轴压力腔、三轴应力加载装置、温度检测装置、气体量测装置和数据处理装置；

三轴压力腔包括第一腔体(1)和第二腔体(2)，第一腔体(1)位于第二腔体(2)之上，第一腔体(1)内设有上压头(3)和下压头(4)，上压头(3)固定在第一腔体(1)顶部，煤样(5)的一端固定在上压头(3)上，另一端固定在下压头(4)上，轴压头(6)位于第二腔体(2)内，且轴压头(6)的一端伸入第一腔体(1)与下压头(4)连接，煤样(5)、上压头(3)和下压头(4)外套有热塑套；

三轴应力加载装置包括油缸(7)、油泵(8)、多通阀(9)和瓦斯高压气瓶(10)，油缸(7)和油泵(8)连接，油泵(8)和多通阀(9)连接，第一腔体(1)顶部设有围压孔(11)，围压孔(11)与多通阀(9)的一个阀门通过第一管路(12)连接；第二腔体(2)底部设有轴压孔(13)，轴压孔(13)与多通阀(9)的另一个阀门通过第二管路(14)连接；上压头(3)上设有进气孔(15)，进气孔(15)在上压头(3)内延伸至上压头(3)与煤样(5)接触的端面，进气孔(15)与瓦斯高压气瓶(10)通过第三管路(16)连接，第三管路(16)上设有进气阀(17)和高压调节阀(18)；

温度检测装置包括宽带光源(19)、光纤耦合器(20)、光纤布拉格光栅传感器阵列(21)和光纤解调器(22)，煤样(5)内设有传感器安装孔，光纤布拉格光栅传感器阵列(21)安装在传感器安装孔内，光纤耦合器(20)通过光纤与光纤布拉格光栅传感器阵列(21)中的每个光纤布拉格光栅传感器连接，每个光纤布拉格光栅传感器的检测点的位置均不同，宽带光源(19)与光纤耦合器(20)通过光纤连接，光纤耦合器(20)与光纤解调器(22)通过光纤连接；

气体测量装置包括量筒(23)，下压头(4)上设有第一出气孔(24)，轴压头(6)上设有第二出气孔(25)，第一出气孔(24)、第二出气孔(25)和量筒(23)通过第四管路(26)连接，第四管路(26)上设有出气阀(27)；

数据处理装置包括单片机(28)和显示器(29)，单片机(28)通过数据线和光纤解调器(22)连接，显示器(29)与单片机(28)通过数据线连接；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、开启所述油泵(8)和所述多通阀(9)，通过所述围压孔(11)向所述第一腔体(1)内通入液压油，进行围压加载，通过所述轴压孔(13)向所述第二腔体(2)内施加液压油，第二腔体(2)内的液压油向上挤压所述轴压头(6)，使所述上压头(3)和所述下压头(4)挤压所述煤样(5)，进行轴压加载；

步骤2、达到设定围压和轴压后，关闭所述多通阀(9)和所述油泵(8)，打开所述进气阀(17)和所述高压调节阀(18)，高压瓦斯气体通过所述进气孔(15)施加给所述煤样(5)，进行孔隙压力加载，所述煤样(5)在所述孔隙压力作用下对高压瓦斯气体进行吸附，在施加

孔隙压力的同时，打开所述宽带光源(19)，宽带光源(19)发出的光信号经所述光纤耦合器(20)分至每个所述光纤布拉格光栅传感器内；

步骤3、在吸附过程中，所述煤样(5)的温度发生变化，每个所述光纤布拉格光栅传感器均实时检测所述煤样(5)的温度并产生温度变化光信号，并将温度变化光信号反射给所述光纤耦合器(20)，所述光纤耦合器(20)将每个所述光纤布拉格光栅传感器反射的温度变化光信号耦合成一路光信号后反射给所述光纤解调器(22)；

步骤4、所述光纤调节器(22)根据接收的光信号实时跟踪每个光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅共振光谱，对每个光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅共振光谱进行全光谱扫描和数据采集，分析温度引起的光纤光栅光谱变化，获得每个光纤布拉格光栅传感器的绝对共振光谱峰值波长，再根据共振光谱峰值波长与温度的线性对应关系，得到每个光纤布拉格光栅传感器测得的温度值T₁，T₂，T₃，…T_n，n为检测点的数量；

步骤5、所述光纤解调器(22)将每个光纤布拉格光栅传感器测得的温度值T₁至T_n发送给所述单片机(28)，单片机(28)对吸附过程的某一时刻j测得n组温度值取算术平均值得到该时刻煤样(5)的平均温度T_j，再计算两个瞬时时刻j和j+1之间煤样(5)的平均温度的改变量ΔT_j，ΔT_j＝T_j+1-T_j，根据公式ΔQ_j＝C·M·ΔT_j获得三轴应力条件下，煤层气吸附过程的瞬态微分吸附热量ΔQ_j，C为所述煤样(5)的比热容，M为所述煤样(5)的质量，再对所有瞬态微分吸附热量ΔQ_j求和得到整个过程的吸附热Q，并通过所述显示屏将各个时刻对应的煤样(5)的平均温度T_j以及整个吸附过程的吸附热Q显示出来，吸附热测量完成；

步骤6、关闭所述进气阀(17)，打开所述出气阀(27)，孔隙压力进行瞬间泄压，所述煤样(5)开始解吸煤层气，在解吸过程中，所述煤样(5)的温度发生变化，每个所述光纤布拉格光栅传感器均实时检测所述煤样(5)的温度并产生温度变化光信号，并将温度变化光信号反射给所述光纤耦合器(20)，所述光纤耦合器(20)将每个所述光纤布拉格光栅传感器反射的温度变化光信号耦合成一路光信号后反射给所述光纤解调器(22)；

步骤7、所述光纤解调器(22)根据接收的光信号实时跟踪每个光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅共振光谱，对每个光纤布拉格光栅传感器的光纤光栅共振光谱进行全光谱扫描和数据采集，分析温度引起的光纤光栅光谱变化，获得每个光纤布拉格光栅传感器的绝对共振

光谱峰值波长，再根据共振光谱峰值波长与温度的线性对应关系，得到每个光纤布拉格光栅传感器测得的温度值T₁′，T₂′，T₃′，…T_n′，n为检测点的数量；

步骤8、所述光纤解调器(22)将每个光纤布拉格光栅传感器测得的温度值T₁′至T_n′发送给所述单片机(28)，单片机(28)对解吸过程的某一时刻j测得n组温度值取算术平均值得到该时刻的煤样(5)的平均温度度T_j′，再计算两个瞬时时刻j和j+1之间煤样(5)的平均温度的改变量ΔT_j′，ΔT_j′＝T_j+1′-T_j′，根据公式ΔQ_j′＝C·M·ΔT_j′获得三轴应力条件下，煤层气吸附过程的瞬态微分解吸热量ΔQ_j′，C为所述煤样(5)的比热容，M为所述煤样(5)的质量，再对所有瞬态微分解吸热量ΔQ_j′求和得到整个解吸过程的解吸热Q′，并通过所述显示屏将解吸过程中各个时刻对应的煤样(5)的平均温度T_j′以及整个解吸过程的解吸热Q′显示出来，解吸热测量完成。