[发明专利]低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统及实验方法

权利要求书

1.低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统，包括煤样夹持器，其特征在于：煤样夹持器用于盛放煤样及吸水海棉；

煤样夹持器的进口连接有注气机构，煤样夹持器的出口连接有排放测量机构，煤样夹持器的侧壁连接有用于产生围压的真三轴加载系统；

注气机构用于向煤样夹持器内先后注入甲烷气体和硫化氢气体，硫化氢气体用于在煤样夹持器内与水反应生成弱酸液。

2.根据权利要求1所述的低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统，其特征在于：

注气机构包括进气总管，以气流方向为下游方向，进气总管的上游端部并联连接有甲烷气瓶和硫化氢气瓶，甲烷气瓶的出口处设有甲烷减压阀，硫化氢气瓶出口处设有硫化氢减压阀；甲烷气瓶和硫化氢气瓶下游方向的进气总管上设有进气压力表，进气压力表与甲烷气瓶和硫化氢气瓶相邻；进气压力表下游的进气总管上设有第一阀门；第一阀门下游方向的进气总管上设有第三阀门，第三阀门下游方向的进气总管上连接有抽真空管路，抽真空管路连接有真空泵，抽真空管路上设有第四阀门；

进气总管的下游端与煤样夹持器的进口相连接，煤样夹持器进口处的进气总管上设有入口压力表和进气流速传感器；抽真空管路与入口压力表之间的进气总管上连接有氦气管路，氦气管路连接有氦气瓶，氦气管路上设有氦气减压阀；

还包括有电控装置，电控装置连接有显示屏，电控装置连接进气压力表、入口压力表和进气流速传感器。

3.根据权利要求2所述的低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统，其特征在于：排放测量机构包括出气总管，出气总管由上游向下游方向依次间隔设有出气流速传感器、出气压力表、第五阀门和气体流量计，出气总管的下游端与大气相通；出气流速传感器、出气压力表和气体流量计均与电控装置相连接。

4.根据权利要求3所述的低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统，其特征在于：真三轴加载系统包括用于在前后方向上对煤样夹持器中的煤样产生围压的第一液压加载系统、用于在左右方向上对煤样夹持器中的煤样产生围压的第二液压加载系统，以及用于在上下方向上对煤样夹持器中的煤样产生围压的第三液压加载系统，

第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统均通过管路与煤样夹持器相通；

真三轴加载系统还包括有用于调节煤样温度的温度调节机构；

第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统分别对应设有应力传感器和控制器，各应力传感器均位于煤样夹持器中；应力传感器和控制器均与电控装置相连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统，其特征在于：第一阀门和第四阀门之间的进气总管上设有参考缸管路，参考缸管路连接有参考缸，参考缸管路连接有第二阀门和参考缸压力表，参考缸压力表连接电控装置。

6.使用权利要求4中所述低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统进行的实验方法，其特征在于按以下步骤进行：

第一步骤是准备低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统；

第二步骤是放入煤样；

第三步骤是抽真空；

第四步骤是向煤样夹持器通入氦气；

第五步骤是记录煤自然状态下时煤样初始渗透率的值ks；

第六步骤是对煤样夹持器的压力进行卸载，再在煤样夹持器内圈设置吸水饱满的海绵管；

第七步骤是向煤样夹持器通入硫化氢气体；

第八步骤是控温并加载围压，海绵管内吸附的水在围压的作用下被挤压出来，与煤样夹持器内的硫化氢气体接触弱酸液，弱酸液使煤样夹持器里的煤样酸化；

第九步骤是向煤样夹持器通入甲烷气体；

第十步骤是计算在酸化时间、地应力和温度多场耦合下的煤样渗透率；

第十一步骤是关闭低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统。

7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于：

实验前，测量被模拟的煤层地应力，得到煤层最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3；

所述第一步骤具体是：通过管路和/或线路连接各设备，形成所述低渗煤层酸化增透受载煤体瓦斯渗流多场耦合实验系统；所有阀门的初始状态均为关闭状态；检查管路有无破损，如有破损则更换管路或者修补管路；

所述第二步骤具体是：打开煤样夹持器，放入煤样后再关闭煤样夹持器；

所述第三步骤具体是：打开第四阀门、第三阀门、第二阀门和第一阀门，打开真空泵对系统进行抽真空，直到进气压力表、参考缸压力表、入口压力表和出气压力表检测到的压力均低于或等于1千帕，关闭真空泵和第四阀门；

所述第四步骤具体是：关闭第三阀门，打开氦气减压阀，使氦气通过进气总管进入煤样夹持器中；

所述第五步骤具体是：操作真三轴加载系统，在室温下，打开第五阀门，通过显示屏持续观测记录进气流速传感器和出气流速传感器的示数，进气流速和出气流速均稳定不变后，计算1秒钟内进气流量和出气流量的差值，并将该差值作为煤样的初始渗透率ks；然后关闭第五阀门；

所述第六步骤具体是：关闭所有阀门，关闭真三轴加载系统，对煤样夹持器的压力进行卸载；打开煤样夹持器取出煤样，然后将煤样包裹在吸水饱满的海绵管内装入煤样夹持器；

所述第七步骤具体是：打开硫化氢减压阀、第一阀门和第三阀门，使硫化氢气瓶中的气体进入煤样夹持器；

所述第八步骤具体是：

首先通过真三轴加载系统设定煤样夹持器的内部温度T与被模拟的煤层温度相同，设定第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统提供的压力值与被模拟的煤层地应力相匹配，操作真三轴加载系统的各控制器使第一液压加载系统、第二液压加载系统和第三液压加载系统按设定压力对煤样夹持器进行加压；

第一液压加载系统的设定压力值为最大主应力σ1；

第二液压加载系统的设定压力值为中间主应力σ2；

第三液压加载系统的设定压力值为最小主应力σ3；

记录真三轴加载系统得到的煤样夹持器内部的温度和压力数据，

σ为有效应力，电控装置根据以下公式计算σ值：σ=(σ₁+σ₂+σ₃)/3-(p₁-p₂)/2；其中p1为入口压力表的测量值，p2为出气压力表的测量值，单位为MP；

待煤样夹持器内部的温度和压力数据达到设定值后进入第九步骤；

所述第九步骤具体是：关闭硫化氢减压阀，打开甲烷减压阀，使甲烷气瓶中的气体进入煤样夹持器；保持5－10分钟后进入第十步骤；第九步骤中，煤样进入吸附解吸状态；

所述第十步骤具体是：在煤样保持吸附解吸状态24±1小时后，电控装置根据其预先存储的公式一计算温度和压力耦合下的煤样渗透率；

公式一：k(σ,T)=k_s×(1+T)^m×e^-ασ；

公式一中，k(σ,T)是温度和压力耦合下的煤样渗透率，单位为mD；ks是第五步骤中得到的煤样初始渗透率，单位为mD；T是第八步骤中设定的煤样夹持器的内部温度T，单位为℃；m是煤样温度影响指数，值为0.4；α为最大主应力和最小主应力的比值，α=σ₁/σ₃；σ为第八步骤中计算得到的有效应力值；

所述第十一步骤具体是：关闭所有阀门，关闭真三轴加载系统，对煤样夹持器的压力进行卸载，此时海绵管自动将煤样夹持器内的剩余液体吸附在内，从而无须排出液体；煤样夹持器的压力卸载后打开第五阀门，记录气体流量计显示的气体流量；气体最终经过气体流量计排入大气。