在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置及方法与流程

本发明涉及煤变形测试技术领域，具体的说，涉及一种在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置及方法。

背景技术：

天然气采收、瓦斯灾害防治和温室气体捕获一直都是清洁能源利用、矿井安全生产和大气环境治理的重点研究课题。煤层气作为高效清洁能源，正在逐步替代传统化石燃料，但我国煤层气储层条件复杂，开采技术难度大，因此二氧化碳和氮气压裂技术常被应用于气井的增产增透。

气体注入对储层的影响并非总是有利的，如注入煤层的co2能够吸附并溶解进入煤基质中，并造成煤基质膨胀，引发裂隙收缩甚至闭合，从而减低煤储层渗透率。煤层瓦斯解吸导致煤基质收缩，扩大了流体通道，同时煤层渗透率增加。研究表明二氧化碳注入煤体后能够明显降低煤体的弹性模量和强度，而且烟煤的力学强度降低幅度是褐煤的4.5倍。吸附膨胀和解吸收缩就是气体注入煤基质的典型响应过程。

煤的化学结构复杂多样，其大分子结构主要包含由苯环、脂环、芳香环以及杂环缩聚而成的微晶结构部分和烷基侧链、官能团以及桥键组成的不规则部分，而且煤化作用过程始终伴随着温度、压力和流体等因素的参与。煤大分子与纳米级孔隙结构之间存在着耦合关系，那么吸附/解吸产生的变形必然会对大分子物理、力学性质有影响的，因而非常有必要剖析出煤大分子自身固有的力学性质，而且气体侵入可以影响煤的微晶结构，比如层间距增大，延展度减小。深入理解co2/n2的增产、驱替、环境效应等问题，取决于从微观尺度上对co2/n2与大分子（骨架）作用机理的认识。

由于实验仪器精度和真空环境要求等问题使得微观原位饱气实验较难进行。目前对煤大分子结构的研究仅实现了高温、高压的离线实验，如要对吸附/解吸过程中煤大分子结构的影响进行准确分析，就要在煤吸附/解吸动态过程中进行实时监测大分子结构的变化，然而，这是现阶段研究中需要跨越的一大障碍，也是煤变形机理研究至关重要的一步

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置及方法，本发明操作方便，工作量小，测试准确，在线测试及时有效，测试性能高，为研究在线饱气恒温变压以及恒压变温条件下煤大分子结构变化与煤热解提供实验和理论依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置，

包括抽真空系统、注气系统、拉曼测试系统、气体成分在线检测系统和气体收集系统；

抽真空系统包括真空泵，真空泵的抽气口连接有第一气管，第一气管上沿气体流动方向依次设置有第一截止阀、真空罐和第二截止阀，真空罐上安装有真空表；

注气系统包括储气罐和增压泵，储气罐的出气口连接有第二气管，第二气管的出气口与增压泵的进气口连接，第二气管上沿气体流动方向依次设置有第三截止阀、第一压力表、第一调压阀和第二压力表，增压泵的出气口连接有第三气管，第三气管上沿气体流动方向依次设置有单向阀、第三压力表、第二调压阀和第四压力表；

拉曼测试系统包括拉曼显微镜、样品池和工控机，样品池为开设有进气口和出气口的容器，第三气管的出气口与样品池的进气口连接，第三气管上连接有位于第四压力表和样品池之间的缓冲气罐，第一气管的进气口连接在第三气管上，缓冲气罐上安装有压力传感器，压力传感器与工控机通过导线连接，样品池设置在拉曼显微镜的载物台上，样品池的出气口连接有第四气管，第四气管的出气口分别与气体成分在线检测系统和气体收集系统连接。

气体成分在线检测系统包括检测气管，检测气管的进气口与第四气管的出气口连接，检测气管上沿气体流动方向依次设置有第六压力表、第三调压阀、第七压力表、第四截止阀、冷凝器、干燥器、流量计、气体分析仪和第五截止阀，检测气管的出气口与大气连通；

气体收集系统包括集气袋和第五气管，第五气管的进气口连接在第七压力表和第四截止阀之间的检测气管上，第五气管的出气口与集气袋的进气口连接，第五气管上设置有第六截止阀。

样品池包括池体、池盖和温度传感器，池体放置在拉曼显微镜的载物台上，池体内部设有上侧敞口的样品槽，池体和池盖均为圆柱状结构，池盖的四周通过固定螺丝固定安装在池体的顶部，池盖覆盖样品槽的上端口，池盖的中部开设有位于样品槽正上方且上下通透的圆形窗口，圆形窗口上安装有圆形窗口片，圆形窗口片通过耐高温环氧树脂粘接在圆形窗口处，池体上开设有与样品槽连通的进气口和出气口，池体的进气口与第三气管的出气口连接，池体的出气口与第四气管的进气口连接，池体的进气口内端和出气口内端均设置有滤网，温度传感器固定安装在样品槽的下部，温度传感器与工控机通过导线连接，池体的外侧部缠绕有陶瓷电热圈，池盖与池体之间结合处设有耐高温密封圈。

圆形窗口片由石英、蓝宝石或金刚石制成。

在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置的测试方法，包括两种测试模式：

第一种测试模式：储气罐中储存吸附用气体，做恒温变压条件下气体吸附/解吸过程煤体大分子结构变化测试；

第二种测试模式：储气罐中储存he气，做恒压变温条件下煤体大分子结构热解演化及热解气体成分分析测试。

第一种测试模式的具体步骤为：

（1）安装煤样：将制备好的块状煤样或粉状煤样放置于池体的样品槽内，然后将池盖用固定螺丝固定安装在池体的顶部，再将池体固定在拉曼显微镜的载物台上，拉曼显微镜的镜头朝下对准圆形窗口片，最后，分别将第三气管和第四气管连接在池体的进气口和出气口；

（2）对整个装置进行抽真空：首先，关闭所有阀门，然后依次打开第一调压阀、第二调压阀、第一截止阀和第二截止阀，启动真空泵对真空罐、缓冲气罐和样品池抽真空，直至真空表的读值达到-0.1mpa，关闭真空泵，维持60min后关闭第一截止阀；

（3）打开第三截止阀，调节第一调压阀使储气罐中的吸附用气体以一定压力进入增压泵，开启增压泵，调节第二调压阀使气路按照0.1mpa/min的加压速率进行缓慢增压，当缓冲气罐内压力达到0.1mpa时维持该压力60min，重复上述步骤直至缓冲气罐内压力达到16mpa，在开始加压的同时接通陶瓷电热圈，调节陶瓷电热圈并观测工控机上的温度指数，将池体内的温度维持在指定温度，同步打开拉曼显微镜，设置拉曼显微镜使其按照一定的时间间隔对煤样进行测试，记录下从加压开始到结束整个过程中的拉曼测试数据及该数据对应的温度、压力和时间，完成恒温变压条件下气体吸附过程煤体大分子结构变化测试；

（4）缓冲气罐内压力达到16mpa时调节第二调压阀维持该压力条件60min，数据记录完成后关闭储气罐开关、第三截止阀、第一调压阀、增压泵和第二调压阀，然后打开第六截止阀并调节第三调压阀使气路内气压按照0.1mpa/min的减压速率缓慢降压，吸附用气体通过第五气管进入集气袋中被收集起来，当缓冲气罐内压力达到15.9mpa时维持该压力条件60min，重复上述步骤直至缓冲气罐内压力为0mpa，拉曼显微镜记录下从减压开始到结束整个过程中的拉曼测试数据及该数据对应的温度、压力和时间，完成恒温变压条件下气体解析过程煤体大分子结构变化测试；此时拉曼显微镜已经记录从吸附开始到解吸结束的拉曼测试数据和该数据对应的温度、压力和时间，关闭拉曼显微镜、第三调压阀和第六截止阀，结束测试。

第二种测试模式的具体步骤为：

（1）安装煤样：将制备好的块状煤样或粉状煤样放置于池体的样品槽内，然后将池盖用固定螺丝固定安装在池体的顶部，再将池体固定在拉曼显微镜的载物台上，拉曼显微镜的镜头朝下对准圆形窗口片，最后，分别将第三气管和第四气管连接在池体的进气口和出气口；

（2）对整个装置进行抽真空：首先，关闭所有阀门，然后依次打开第一调压阀、第二调压阀、第一截止阀和第二截止阀，启动真空泵对真空罐、缓冲气罐和样品池抽真空，直至真空表的读值达到-0.1mpa，关闭真空泵，维持60min后关闭第一截止阀；

（3）打开储气罐、第三截止阀、增压泵、第四截止阀和第五截止阀，调节第一调压阀、第二调压阀和第三调压阀使储气罐中的he气进入缓冲气罐内的压力达到预定值（标准大气压），he气通过检测气管排出到大气中，当流量计显示流速稳定时记下流量计读数并将气体分析仪上显示的各参数归零；陶瓷电热圈通电，对池体进行加热，加热速率为15℃/min，加热至550℃即停止加热；

（4）开始加热的同时开启拉曼显微镜，设置拉曼显微镜参数使拉曼显微镜按照一定的时间间隔对煤样进行测试；

（5）待工控机显示温度达到550℃时，陶瓷电热圈断电，停止加热；（6）继续通气，观测气体分析仪直至气体成分全为he气，在线记录每个时间间隔所对应的温度、流量值、气体分析仪数据和拉曼数据，完成恒压变温条件下煤体大分子结构热解演化及热解气体成分分析测试；

（7）关闭储气罐开关、第三截止阀、第五截止阀、拉曼显微镜和气体分析仪，结束测试。

采用上述技术方案，本发明具有以下优异效果：本发明通过抽真空系统、注气系统、拉曼测试系统、气体成分在线检测及气体收集系统之间的紧密衔接和配合可以分别进行两种测试模式，第一种测试模式：储气罐中储存吸附用气体，做恒温变压条件下气体吸附/解吸过程煤体大分子结构变化测试；第二种测试模式：储气罐中储存he气，做恒压变温条件下煤体大分子结构热解演化及热解气体成分分析测试。

通过对在线恒温变压以及恒压变温条件下煤拉曼光谱测试数据及气体成分数据的收集与整理，从而研究恒温变压条件下的煤大分子结构特性的演化以及恒压变温条件下的煤热解产气特征，能够为煤层气储层物性及开采提供理论支持。

综上所述，本发明操作方便，工作量小，测试准确，在线测试及时有效，测试性能高，为研究在线饱气恒温变压以及恒压变温条件下煤大分子结构变化与煤热解提供实验和理论依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中样品池的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1和图2所示，在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置，包括抽真空系统、注气系统、拉曼测试系统、气体成分在线检测系统和气体收集系统；

抽真空系统包括真空泵1，真空泵1的抽气口连接有第一气管2，第一气管2上沿气体流动方向依次设置有第一截止阀3、真空罐4和第二截止阀5，真空罐4上安装有真空表6；

注气系统包括储气罐7和增压泵8，储气罐7的出气口连接有第二气管9，第二气管9的出气口与增压泵8的进气口连接，第二气管9上沿气体流动方向依次设置有第三截止阀10、第一压力表11、第一调压阀12和第二压力表13，增压泵8的出气口连接有第三气管14，第三气管14上沿气体流动方向依次设置有单向阀15、第三压力表16、第二调压阀17和第四压力表18；

拉曼测试系统包括拉曼显微镜19、样品池和工控机20，样品池为开设有进气口和出气口的容器，第三气管14的出气口与样品池的进气口连接，第三气管14上连接有位于第四压力表18和样品池之间的缓冲气罐21，第一气管2的进气口连接在第三气管14上，缓冲气罐21上安装有压力传感器22，压力传感器22与工控机20通过导线连接，样品池设置在拉曼显微镜19的载物台上，样品池的出气口连接有第四气管43，第四气管43的出气口分别与气体成分在线检测系统和气体收集系统连接。

气体成分在线检测系统包括检测气管45，检测气管45的进气口与第四气管43的出气口连接，检测气管45上沿气体流动方向依次设置有第六压力表27、第三调压阀28、第七压力表29、第四截止阀30、冷凝器23、干燥器24、流量计25、气体分析仪26和第五截止阀31，检测气管45的出气口与大气连通；

气体收集系统包括集气袋32和第五气管33，第五气管33的进气口连接在第七压力表29和第四截止阀30之间的检测气管45上，第五气管33的出气口与集气袋32的进气口连接，第五气管33上设置有第六截止阀34。

样品池包括池体35、池盖36和温度传感器37，池体35放置在拉曼显微镜19的载物台上，池体35内部设有上侧敞口的样品槽38，池体35和池盖37均为圆柱状结构，池盖36的四周通过固定螺丝44固定安装在池体35的顶部，池盖36覆盖样品槽38的上端口，池盖36的中部开设有位于样品槽38正上方且上下通透的圆形窗口，圆形窗口上安装有圆形窗口片39，圆形窗口片39通过耐高温环氧树脂粘接在圆形窗口处，池体35上开设有与样品槽38连通的进气口和出气口，池体35的进气口与第三气管14的出气口连接，池体35的出气口与第四气管43的进气口连接，池体35的进气口内端和出气口内端均设置有滤网40，温度传感器37固定安装在样品槽38的下部，温度传感器37与工控机20通过导线连接，池体35的外侧部缠绕有陶瓷电热圈41，池盖36与池体35之间结合处设有耐高温密封圈42。滤网40用于防止粉样堵塞第三气管14和第四气管43。

圆形窗口片39由石英、蓝宝石或金刚石制成，耐高温高压性能好。

在线恒温变压及恒压变温煤拉曼光谱测试装置的测试方法，包括两种测试模式：

第一种测试模式：储气罐7中储存吸附用气体，做恒温变压条件下气体吸附/解吸过程煤体大分子结构变化测试；

第二种测试模式：储气罐7中储存he气，做恒压变温条件下煤体大分子结构热解演化及热解气体成分分析测试。

本发明中吸附用气体采用甲烷、二氧化碳或氮气等，为单一气体，通常为煤层气中含有的气体。

第一种测试模式的具体步骤为：

（1）安装煤样：将制备好的块状煤样或粉状煤样放置于池体35的样品槽38内，然后将池盖36用固定螺丝固定安装在池体35的顶部，再将池体35固定在拉曼显微镜19的载物台上，拉曼显微镜19的镜头朝下对准圆形窗口片39，最后，分别将第三气管14和第四气管43连接在池体35的进气口和出气口；

（2）对整个装置进行抽真空：首先，关闭所有阀门，然后依次打开第一调压阀12、第二调压阀17、第一截止阀3和第二截止阀5，启动真空泵1对真空罐4、缓冲气罐21和样品池抽真空，直至真空表6的读值达到-0.1mpa，关闭真空泵1，维持60min后关闭第一截止阀3；

（3）打开第三截止阀10，调节第一调压阀12使储气罐7中的吸附用气体以一定压力进入增压泵8，开启增压泵8，调节第二调压阀17使气路按照0.1mpa/min的加压速率进行缓慢增压，当缓冲气罐21内压力达到0.1mpa时维持该压力60min，重复上述步骤直至缓冲气罐21内压力达到16mpa，在开始加压的同时接通陶瓷电热圈41，调节陶瓷电热圈41并观测工控机20上的温度指数，将池体35内的温度维持在指定温度，同步打开拉曼显微镜19，设置拉曼显微镜19使其按照一定的时间间隔对煤样进行测试，记录下从加压开始到结束整个过程中的拉曼测试数据及该数据对应的温度、压力和时间，完成恒温变压条件下气体吸附过程煤体大分子结构变化测试；

（4）缓冲气罐21内压力达到16mpa时调节第二调压阀17维持该压力条件60min，数据记录完成后关闭储气罐7开关、第三截止阀10、第一调压阀12、增压泵8和第二调压阀17，然后打开第六截止阀34并调节第三调压阀28使气路内气压按照0.1mpa/min的减压速率缓慢降压，吸附用气体通过第五气管33进入集气袋32中被收集起来，当缓冲气罐21内压力达到15.9mpa时维持该压力条件60min，重复上述步骤直至缓冲气罐21内压力为0mpa，拉曼显微镜19记录下从减压开始到结束整个过程中的拉曼测试数据及该数据对应的温度、压力和时间，完成恒温变压条件下气体解析过程煤体大分子结构变化测试；此时拉曼显微镜19已经记录从吸附开始到解吸结束的拉曼测试数据和该数据对应的温度、压力和时间，关闭拉曼显微镜19、第三调压阀28和第六截止阀34，结束测试。

第二种测试模式的具体步骤为：

（1）安装煤样：将制备好的块状煤样或粉状煤样放置于池体35的样品槽38内，然后将池盖36用固定螺丝固定安装在池体35的顶部，再将池体35固定在拉曼显微镜19的载物台上，拉曼显微镜19的镜头朝下对准圆形窗口片39，最后，分别将第三气管14和第四气管43连接在池体35的进气口和出气口；

（2）对整个装置进行抽真空：首先，关闭所有阀门，然后依次打开第一调压阀12、第二调压阀17、第一截止阀3和第二截止阀5，启动真空泵1对真空罐4、缓冲气罐21和样品池抽真空，直至真空表6的读值达到-0.1mpa，关闭真空泵1，维持60min后关闭第一截止阀3；

（3）打开储气罐7、第三截止阀10、增压泵8、第四截止阀30和第五截止阀31，调节第一调压阀12、第二调压阀17和第三调压阀28使储气罐7中的he气进入缓冲气罐21内的压力达到预定值（标准大气压），he气通过检测气管45排出到大气中，当流量计25显示流速稳定时记下流量计25读数并将气体分析仪26上显示的各参数归零；陶瓷电热圈41通电，对池体35进行加热，加热速率为15℃/min，加热至550℃即停止加热；

（4）开始加热的同时开启拉曼显微镜19，设置拉曼显微镜19参数使拉曼显微镜19按照一定的时间间隔对煤样进行测试；

（5）待工控机20显示温度达到550℃时，陶瓷电热圈41断电，停止加热；

（6）继续通气，观测气体分析仪26直至气体成分全为he气，在线记录每个时间间隔所对应的温度、流量值、气体分析仪数据和拉曼数据，完成恒压变温条件下煤体大分子结构热解演化及热解气体成分分析测试；

（7）关闭储气罐7开关、第三截止阀10、第五截止阀31、拉曼显微镜19和气体分析仪26，结束测试。

本发明通过抽真空系统、注气系统、拉曼测试系统、气体成分在线检测及气体收集系统之间的紧密衔接和配合可以分别进行两种测试模式，第一种测试模式：储气罐7中储存吸附用气体，做恒温变压条件下气体吸附/解吸过程煤体大分子结构变化测试；第二种测试模式：储气罐7中储存he气，做恒压变温条件下煤体大分子结构热解演化及热解气体成分分析测试。

通过对在线恒温变压以及恒压变温条件下煤拉曼光谱测试数据及气体成分数据的收集与整理，从而研究恒温变压条件下的煤大分子结构特性的演化以及恒压变温条件下的煤热解产气特征，能够为煤层气储层物性及开采提供理论支持。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。