一种自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验仪器及方法与流程

本公开属于岩土工程领域，特别涉及一种自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验仪器及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

煤岩长期以来都是我国的主体能源，煤炭消费量分别占能源消费总量的较大比例。经过大规模，高强度开采，浅部煤炭资源日渐枯竭，开采深度以每年10-25m的速度增加。进入深部开采后，地应力和瓦斯压力增大、瓦斯含量增高，瓦斯动力灾害风险提高。进行煤层瓦斯抽采不仅能有效防止矿井瓦斯灾害，还有利于煤层气资源的开发与利用，从而调整我国的能源结构，缓解化石能源危机。然而，我国煤层普遍具有低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的性质，不利于直接抽釆，传统的开采手段不能满足现代化开采的要求，需要采用手段实施煤层增透以提高煤层气抽采率。现今较为广泛采用的增透方式为煤层注水或水蒸气，注气驱替等。当煤层注入高压流体后，将与煤层气发生竞争吸附，吸附态瓦斯气体被置换，在高孔隙压力的驱动下排出，从而实现煤层气的开采。在煤层内部流体渗透及驱替煤层气的过程中，煤岩将发生膨胀变形，改变其变形特性，吸附与渗透特性，因此，煤岩三轴加载条件下渗流与驱替试验研究对于我国煤炭安全高效开采与煤层气开发具有重要意义。

据发明人了解，目前，针对煤岩三轴加载渗流与驱替规律，已开展大量的研究工作，研制了一系列试验装置，现状如下：

申请号为201310172572.3的中国专利公开了一种含气页岩应力-渗流-温度耦合及驱替试验的装置，该装置包括三轴压力腔室，轴压、围压加载系统，上下游气体压力加载与收集系统，下游液体收集系统等，能根据实际地应力情况对试样施加三轴应力条件，测试含气页岩变形与渗透性能，并进行定比例、等压混合气体的驱替试验。但是该装置试样密封方式较为繁琐，采用链条式传感器仅能监测试样中部环向变形，采集的数据不够准确，且无法施加轴向动态荷载。

申请号为201610025775.3的中国专利公开了一种煤岩多相不同流体三轴压裂试验装置，包括三轴应力实时加载系统、多相不同流体压裂系统、密封系统、温度控制系统、声发射监测系统及数据采集系统，可对煤岩试件进行不同流体及其多相态下的压裂实验比较，并测量流体增压速率、流体粘度、流体等温压缩系数、流体温度等参数的敏感性进行分析。但是该装置在充入高压气体后，气体对轴向加载活塞杆的反力无法平衡，采用热缩套管密封试样的流程较为繁琐，仅能测量试样中部位置的环向变形，数据采集不够精准。

申请号为201510130087.9的中国专利公开了一种超临界co2注入与煤层气强化驱替模拟试验方法，包括超临界二氧化碳生成与注入系统，加压系统，样品室，参考缸等组成，可实现超临界co2注入与驱替煤中ch4，并测量竞争吸附过程中煤岩样品自由体积膨胀量。但是该方法无法测量煤岩环向变形量，无法施加轴向荷载。

申请号为201811282663.1的中国专利公开了一种岩石功能渗流测试系统，包括恒温箱、三轴岩心夹持器、气体增压系统、吸附驱替试验系统、标准室、抽真空装置和数据采集系统，能够较为真实的模拟页岩赋存的三轴应力条件，提高试样轴压，围压和气体注入的稳定和精确性。但是该装置无法测量试样的环向变形量，无法施加轴向的动态荷载。在轴压加载时，由于无法平衡高压气体作用在活塞杆上的反力将引起数据采集失准。

《煤炭学报》2017年8月第42卷第8期由梁卫国、张倍宁等发表的“超临界co2驱替煤层ch4装置及试验研究”(第2044～2050页)一文中公开了mcq-ⅱ型煤层瓦斯驱替装置，包括轴压与围压加载系统、气体注入与收集系统，数据采集系统等，可模拟不同围岩应力条件下煤样试件中气体的渗流、吸附以及驱替过程，并可以精确测量驱替过程中煤体的膨胀特性。但是该装置无法测量试样的环向变形，无法施加轴向动态荷载，而且试样密封方式复杂，不便于试验。

综合分析上述单位的煤岩三轴加载渗流与驱替试验装置，存在以下不足之处：

1.多数试验仪器内部充入高压气体时，气体将在轴向加载活塞杆上产生巨大推力且无法平衡，导致试样轴向应力数据获取失准并产生安全隐患；

2.仪器进行三轴加载时，轴向气体压力与围压压力的密封方式较为繁琐，操作复杂，试件更换困难；

3.上述仪器多采用引伸计，链式传感器等接触测量试样的环向变形，测点仅限于试样中部位置，无法测量沿试样轴向方向的环向变形量；

4.试验仪器多为低应变率的准静态加载，无法实现轴向高应变率动态荷载的施加。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验仪器及方法，本公开操作简便，又能准确获取相关试验数据，以便更深层次探索煤岩瓦斯渗流与驱替的作用机理，为煤矿瓦斯灾害防治与煤层气开采提供技术支持。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验仪器，包括三轴试验模块、压力加载模块、流体注入模块与数据采集模块，其中：

所述三轴试验模块包括轴向上下设置的自平衡室和三轴加载室，所述自平衡室包括缸盖，缸筒和自平衡活塞杆，所述缸盖位于所述缸筒顶部，保持静态密封，所述自平衡活塞杆从所述缸盖和所述缸筒中穿过，保持与所述缸筒的动态密封，活塞上表面面积与活塞杆底部面积相同，所述自平衡活塞杆内部设置有供流体流经的孔道，流体进入缸筒、缸盖与活塞上表面形成的密封空间，作用在活塞上表面的力与作用在活塞杆底部的力大小相等，方向相反，实现轴向自平衡；

所述三轴加载室为试样提供放置空间，用于试样的三轴加载；

所述压力加载模块能够向三轴加载室内部的放置空间提供轴向和环向压力加载；

所述流体注入模块向放置空间提供注入的流体；

所述数据采集模块采集三轴加载变形过程围压室内容积变化、气体压力和气体组分浓度检测。

作为可能的实施方式，所述缸盖中部开孔，孔内表面设密封槽，孔底外侧设置密封槽；所述缸筒底部中间开孔，孔内表面设密封槽，所述缸筒外侧表面开孔，用于缸内气体自由排出；所述自平衡活塞杆活塞外表面设置密封槽，活塞杆中间有沿轴心方向布设的贯穿孔道作为出气口，活塞上表面设有外切孔道与之连通。

作为可能的实施方式，所述缸盖位于所述缸筒顶部，两者通过紧固件连接固定，通过所述缸盖孔底外侧密封槽实现静态密封；所述自平衡活塞杆从所述缸盖和所述缸筒中穿过，通过缸盖及缸筒内孔密封槽实现动态密封；所述自平衡活塞杆通过活塞表面密封槽与所述缸筒实现动态密封。

作为可能的实施方式，所述三轴加载室包括三轴室、围压室、加热带、密封套和活塞，所述三轴室内部为试样放置区域，所述围压室开设进、出油口，与所述自平衡室的缸筒通过紧固件连接，所述加热带环绕所述围压室，所述密封套位于三轴室内部，用于试样包裹密封；所述活塞内部开设进气通道，与所述三轴室连通。

作为可能的实施方式，所述密封套的顶部设置在所述缸筒与三轴室之间，所述密封套的底部设置在所述三轴室与底部活塞之间，用于试样空间内部高压气体与围压室高压液压油的密封；所述围压室通过进、出油口注入或排出高压液压油，压力通过所述密封套施加到试样表面；所述围压室上下底面设环形槽，以配合所述密封套。

作为可能的实施方式，所述压力加载模块包括轴压加载装置，所述轴压加载装置包括万能试验机，所述万能试验机通过所述金属卡扣与所述自平衡活塞杆连接，采用计算机控制压力数值与加载速率，当施加动态载荷时，所述万能试验机通过动载导杆与所述自平衡活塞杆连接，动载导杆上套设有环形砝码，通过以某一高度释放所述环形砝码的方式施加动态载荷；所述电动增压泵可将液压油加压，通过高压油管与所述围压室进油口接通。

作为可能的实施方式，所述压力加载模块包括围压加载装置，所述围压加载装置包括电动增压泵和高压油管，所述电动增压泵通过高压油管与所述围压室进油口接通。

作为可能的实施方式，所述流体注入模块包括真空泵、流体增压泵、减压阀、气源和液体源，所述真空泵用于试样放置区域抽真空，所述流体增压泵用于向流体增压，所述减压阀用于注入气体的压力调节，所述气源提供高压气体，所述水源提供实验用流体。

作为可能的实施方式，所述数据采集模块包括液体流量计、压力传感器、气体流量计和气相色谱仪，所述液体流量计用于试样变形时排出油量的统计；所述压力传感器用于监测所示底部活塞进气通道和所述自平衡活塞杆出气口的气体压力数值；所述气体流量计用于测量所述自平衡活塞杆出气口气体流量；所述气相色谱仪用于检测所述自平衡活塞杆出气口气体组分浓度。

基于上述仪器的工作方法，包括以下步骤：

组装仪器，并进行气密性检测，检测合格后，进行真空脱气处理；

进行加压，将围压加到预定数值，从活塞进气通道注入一定压力的高压气体，其压力应小于围压压力；

稳压一定时间，待自平衡活塞杆出气口气体流量稳定后，采集气体流量数据，计算仅围压加载条件下试样渗透率；

设定加载速率后对试样进行轴向持续加载或加载至某一压力值，测量加载过程中出气口流量，计算轴压、围压加载条件下试样渗透率；

重复上述步骤，对试样进行加热至一定温度，提供供气和流体增压；

将不同气体或水增压后注入底部活塞进气通道，间隔一定时间收集出气口出气体，采用气相色谱仪分析气体组分浓度，得到煤岩流体驱替规律。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开设有自平衡结构，实现了高压气体注入后加载活塞杆受力平衡，实现压力数据的精准测量，与此同时消除了试验安全隐患；

2.本公开通过三轴室与一体式密封套实现了一体式的试样密封结构，将高压气体与围压压力密封有机结合统一，极大简化了试样密封操作；

3.本公开采用排油法测量试样环向变形，可得到试样沿中轴线方向的环向变形总量，提高了试验数据测量的准确性；

4.本公开设有自平衡结构和一体式密封结构，可进行煤岩试样的准静态和动态加载试验，根据试验目的可调整动态载荷大小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例的整体结构示意图；

图2是本实施例结构原理图；

图3是本实施例三轴加载室剖面示意图；

其中：1三轴试验模块；1-1自平衡活塞杆；1-2缸盖；1-3缸筒；1-4排气口；1-5密封槽；1-6流体流出管道；1-7外切孔道；1-8活塞；1-9充气面板；1-10三轴室；1-11围压室；1-12一体式密封套；1-13密封槽；1-14加热带；1-15底部活塞；1-16流体注入管道；2压力加载模块；2-1万能试验机；2-2金属卡扣；2-3动载导杆；2-4环形砝码；2-5电动增压泵；2-6注油口；2-7出油口；3流体注入模块；3-1真空泵；3-2流体增压泵；3-3气源；3-4水源；3-5、3-6减压阀；4数据采集模块；4-1液体流量计；4-2气体流量计；4-3、4-4压力传感器；4-5气相色谱仪。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示：一种自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验仪，该仪器包括三轴试验模块1，压力加载模块2，流体注入模块3和数据采集模块4；三轴试验模块1为核心部件，用于提供煤岩试样三轴加载的密闭空间和渗流试验空间；压力模块2用于试样轴向和环向压力加载与控制；流体注入模块3用于控制气/水等流体注入试验空间；数据采集模块4用于试验过程中相关数据的监测与采集。

如图2，3所示，三轴试验模块1包括自平衡活塞杆1-1，缸盖1-2，缸筒1-3，排气口1-4，密封槽1-5，流体流出管道1-6，活塞1-7，外切孔道1-8，充气面板1-9，三轴室1-10，围压室1-11，一体式密封套1-12，密封槽1-13，加热带1-14，底部活塞1-15和流体注入管道1-16；缸盖1-2中部开孔，孔内表面设密封槽1-5，孔底外侧设置密封槽1-5；缸筒底部中间开孔，孔内表面设密封槽1-5，缸筒1-3外侧表面开孔，用于缸内气体自由排出；自平衡活塞杆1-1活塞外表面设置密封槽1-5，活塞杆中间有沿轴心方向的“l”型贯穿孔道作为出气口，活塞1-7上表面设有外切孔道与之联通，缸盖1-2通过螺栓固定在缸筒1-3上，自平衡活塞杆1-1穿过缸盖1-2和缸筒1-3，通过密封槽1-5进行密封；自平衡活塞杆1-1内部设置流体流出管道1-6，在充入高压流体后，流体通过外切孔道1-8进入缸筒1-3和活塞1-7上表面围成的密闭空间，活塞1-7上表面与流体的接触面积等于自平衡活塞杆1-1底部面积，流体作用在活塞杆不同位置的反力大小相等，方向相反，实现自平衡。

自平衡活塞杆1-1上部通过金属卡扣2-2依次与动载导杆2-3和万能试验机压头2-1相连，活塞杆向下移动时，缸筒1-3与活塞1-7下表面形成的密闭空间内空气通过排气口1-4流出；一体式密封套1-12位于三轴室1-10内部，密封套1-12顶部和底部分别放入密封槽1-13内，当缸筒1-3、三轴室1-10和底部活塞1-15依次连接固定时，即实现了试样轴向注入流体压力与围压压力的密封；加热带1-14缠绕在三轴室1-10外部，可将试样加热到指定温度；流体注入管道1-16位于底部活塞1-15内部，呈“l”型，试验中高压流体从此处进入试样，并从流体流出管道1-6中排出。

一体式密封套1-12内部为试样空间，一体式密封套1-12的顶部与底部分别夹在所述缸筒1-3、三轴室1-10，三轴室1-10与底部活塞1-15之间，用于试样空间内部高压气体与围压室高压液压油的密封；围压室1-11通过进、出油口注入或排出高压液压油，压力通过一体式密封套1-12施加到试样表面，围压室1-11上下底面设环形槽，将一体式密封套1-12装入后形成一体式密封结构；底部1-15活塞“l”型进气口提供流体注入试样放置区域的通道。

如图2所示，压力加载模块2用于试样轴向和环向压力加载，包括万能试验机2-1，金属卡扣2-2，动载导杆2-3，环形砝码2-4，电动增压泵2-5，注油口2-6和出油口2-7，万能试验机2-1与动载导杆2-3和自平衡活塞杆1-1之间通过金属卡扣2-2依次连接，将万能试验机产生的压力传递至试样；动载导杆2-3上安装环形砝码2-4，当砝码提升至一定高度后释放，从而对试样施加动态载荷；电动增压泵2-5可输出高压液压油，从注油口2-6进入围压室1-11，溢出液压油可从出油口2-7流出。

如图2所示，流体注入模块3包括真空泵3-1，流体增压泵3-2，气源3-3，水源3-4以及减压阀3-5，3-6；真空泵3-1用于试样放置区域抽真空，流体增压泵3-2用于试验用气、水等流体增压；减压阀3-5，3-6用于注入气体的压力调节；气源3-3为试验用提供各种高压气体；水源3-4为试验提供用水。真空泵3-1连接流体注入管道1-13，当减压阀3-5打开时，可对三轴室内抽真空；流体增压泵3-2连接流体注入管道1-13，当减压阀3-6打开时，可将气源3-3，水源3-4提供的流体增压后注入三轴室。

如图2所示，数据采集模仿4包括液体流量计4-1，气体流量计4-2，压力传感器4-3、4-4和气相色谱仪4-5，液体流量计4-1用于测量围压室1-8内经由出油口2-7排出的液压油油量；气体流量计4-2用于测量流体流出管道1-6内气体质量流量；压力传感器4-3、4-4用于监测流体注入管道1-16和流体流出管道1-6内部压力；气相色谱仪4-5用于检测流体流出管道1-6内部气体组分浓度。在试验三轴加载变形过程，围压室注油口压力恒定，试样变形引起所述围压室内容积变化，液体流量计4-1可测量因所述围压室容积变化而排出的液压油体积；压力传感器4-3、4-4通过连接所述底部活塞进气口与所述自平衡活塞杆出气口测量气体压力；气相色谱仪4-5可对所述自平衡活塞杆出气口气体进行组分浓度检测。

一种自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验方法，主要包括不同流体注入条件下煤岩渗透率测定和注入其他流体进行驱替的效果测定，具体方法如下：

(1)将自平衡式煤岩三轴加载渗流与驱替试验仪组装完毕，完成各模块之间的连接；

(2)安装一体式密封套1-12，放入试样，将三轴室1-10和缸筒1-3，底部活塞1-15依次连接固定；

(3)打开流体增压泵3-2和气源3-3，注入高压气体进行密封性查；

(4)气密性满足要求后，打开真空泵3-1和减压阀3-5，对三轴室内部进行真空脱气；

(5)启动电动增压泵2-5，从注油口2-6注入液压油，并将压力稳定在某一定值；启动流体增压泵3-2，气源3-3，打开减压阀3-6，从流体注入管道1-16注入一定压力的气体，其压力值应小于液压油压力；

(6)稳定一段时间，当流体流出管道1-6内流量稳定后，使用气体流量计4-2和压力传感器4-4采集压力和流量数据，计算渗透率；

(7)启动万能试验机2-1，设定加载速率后进行加载，测量煤样应力-应变过程中流体流出管道1-6内部压力和流量，计算渗透率；

(8)重复步骤(1)～(5)，启动加热带1-14，将试样加温至一定温度，关闭流体增压泵3-2；

(9)切换气体种类或打开水源3-4，启动流体增压泵3-2，打开减压阀3-6，从流体注入管道1-16注入一定压力的气体或水；

(10)间隔一定时间，启动气相色谱仪检测流体流出管道1-6内部气体组分浓度，可得煤岩流体驱替规律。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。