一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及泥页岩分析领域，特别是一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置。


背景技术：

2.我国页岩气具有巨大的资源潜力，尤其是四川盆地及其周缘、鄂尔多斯盆地、西北地区主要盆地等，但是勘探还处于探索阶段。页岩气主要吸附在富有机质泥页岩及其夹层的孔隙和裂隙中，以吸附或游离状态存在的非常规天然气，成分以甲烷为主，页岩-围岩体系在页岩气压力和页岩共同应力下处于相对平衡状态。当泥页岩地层开挖时，很容易破坏两者之间的平衡，泥页岩地层极易发生页岩气突出事故。页岩气的吸附、解吸都是在一定应力和温度条件下发生，泥页岩所处深度一般越深，所受荷载(地应力)越大，越容易发生爆炸。准确测定并分析加载条件下泥页岩吸附解吸含量和泥页岩损伤的关系，对于评价泥页岩储层开采工作面页岩气涌出量预测以及页岩气爆炸预测等均是重要的依据。
3.目前，考虑温度和应力情况下，测量页岩气吸附解吸含量和泥页岩损伤的仪器研究在我国基本处于空白领域，该装置的缺乏严重阻碍页岩气含量和泥页岩损伤的机理研究。限于研究手段，一些学者单独通过泥页岩监测装置和页岩气吸附解吸试验装置进行测试，这些试验装置中的泥页岩试件很难做到持续加载和保持恒定温度，导致实验载荷和温度不稳定，此外该方法很难得到泥页岩吸附、解吸随泥页岩损伤变化的实时数据，所取得数据往往误差较大，因此急需一种全自动泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，为页岩气灾害的发生机理研究以及指导泥页岩地层安全施工提供技术支持。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于：针对现有技术存在的现有泥页岩监测装置和页岩气吸附解吸试验装置对其中的泥页岩试件很难做到持续加载和保持恒定温度问题，提供一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
6.一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，包括压力室、温控系统和液压千斤顶，所述压力室包括相对设置的上压板和下压板，所述上压板和所述下压板用于卡压泥页岩试件，所述压力室内设有热阻丝，所述热阻丝连接所述温控系统，所述液压千斤顶连接电液伺服压力试验机，所述电液伺服压力试验机电连接试验机控制终端。
7.采用本实用新型所述的一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，通过设置所述液压千斤顶、所述电液伺服压力试验机和所述试验机控制终端能够对所述泥页岩试件自动施加可连续变化的载荷，实现对所述泥页岩试件在连续变化的加载下的受力模拟，通过所述温控系统和所述热阻丝能够控制所述压力室内温度恒定，该装置结构简单，使用方便，效果良好。
8.优选地，该泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置还包括从上至下依次连接的顶
板、框架和底座，所述顶板上设置所述液压千斤顶，所述底座上设置所述压力室。
9.进一步优选地，所述顶板中部套设有固定台，所述固定台中部套设所述液压千斤顶。
10.进一步优选地，该泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置还包括应变片和电阻应变仪，所述泥页岩试件上设置至少一个所述应变片，所述应变片连接所述电阻应变仪。
11.进一步优选地，该泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置还包括超声波探头和超声波检测仪，所述上压板和所述下压板内分别设置一个所述超声波探头，所述超声波探头连接所述超声波检测仪。
12.采用这种结构，通过设置所述应变片和所述超声波探头能够对所述泥页岩试件超声波波速、应力-应变数据的变化过程进行实时监测。
13.进一步优选地，该泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置还包括页岩气储存罐、高精度气体质量流量计和第一真空泵，所述页岩气储存罐通过进气管依次连通所述高精度气体质量流量计、所述第一真空泵和所述压力室。
14.进一步优选地，该泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置还包括废气回收罐和页岩气解吸系统，所述废气回收罐通过出气管依次连接所述页岩气解吸系统和所述压力室。
15.进一步优选地，所述页岩气解吸系统包括量筒、红外测距传感器、圆形泡沫浮板、水槽、单片机、继电器、第二真空泵和第三真空泵，所述量筒底部连通所述水槽，所述量筒内设置所述圆形泡沫浮板，所述红外测距传感器设在所述量筒内并与所述单片机电连接，所述继电器分别与所述第二真空泵和所述第三真空泵电连接，所述压力室通过所述出气管依次连接所述第二真空泵和所述量筒，所述量筒通过所述出气管依次连接所述第三真空泵和所述废气回收罐。
16.采用这种结构，设置所述页岩气解吸系统，页岩气解吸气体从所述量筒下端进入，微弱的气泡也能引起所述量筒内部液面的变化，带动所述圆形泡沫浮板高度变化，所述红外测距传感器通过测量所述圆形泡沫浮板的高度，对于极其微量的页岩气也能检测到，测量更加精准，与采用高精度气体质量流量计测量页岩气解吸装置的对比，解决了超过气体流量计的量程范围或无法感应微弱的页岩气解吸气体测量不准确的问题。
17.进一步优选地，所述进气管上设有第一控制阀门，所述出气管上设有第二控制阀门。
18.进一步优选地，所述高精度气体质量流量计、所述页岩气解吸系统、所述电阻应变仪、所述超声波检测仪和所述试验机控制终端分别连接计算机终端。
19.优选地，所述液压千斤顶通过导液管连接电液伺服压力试验机，所述电液伺服压力试验机通过控制导线电连接试验机控制终端。
20.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
21.1、本实用新型所述的一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，通过设置所述液压千斤顶、所述电液伺服压力试验机和所述试验机控制终端能够对所述泥页岩试件自动施加可连续变化的载荷，实现对所述泥页岩试件在连续变化的加载下的受力模拟，通过所述温控系统和所述热阻丝能够控制所述压力室内温度恒定，该装置结构简单，使用方便，效果良好；
22.2、本实用新型优选的一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，通过设置所述
应变片和所述超声波探头能够对所述泥页岩试件超声波波速、应力-应变数据的变化过程进行实时监测；
23.3、本实用新型优选的一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，设置所述页岩气解吸系统，页岩气解吸气体从所述量筒下端进入，微弱的气泡也能引起所述量筒内部液面的变化，带动所述圆形泡沫浮板高度变化，所述红外测距传感器通过测量所述圆形泡沫浮板的高度，对于极其微量的页岩气也能检测到，测量更加精准，与采用高精度气体质量流量计测量页岩气解吸装置的对比，解决了超过气体流量计的量程范围或无法感应微弱的页岩气解吸气体测量不准确的问题。
附图说明
24.图1为泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置的结构示意图；
25.图2为压力室的结构示意图。
26.图中标记：1-页岩气储存罐，2-高精度气体质量流量计，3-压力室，4-泥页岩试件，5-压力指示灯，601-第一控制阀门，602-第二控制阀门，701-第一真空泵，702-第二真空泵，703-第三真空泵，8-应变片，9-电阻应变仪，10-超声波探头，11-超声波检测仪，12-限位卡环，13-温控系统，14-热阻丝，15-框架，16-底座，17-顶板，18-固定台，19-液压千斤顶，20-电液伺服压力试验机，21-导液管，22-信号传输线，23-进气管，24-出气管，25-试验机控制终端，26-控制导线，27-第一电磁两位三通阀门，28-量筒，29-红外测距传感器，30-圆形泡沫浮板，31-水槽，32-控制电路盒，33-单片机，34-继电器，35-第二电磁两位三通阀门，36-废气回收罐，37-下压板，38-上压板，39-第三电磁两位三通阀门，40-第四电磁两位三通阀门，41-计算机终端。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
28.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
29.实施例
30.如图1至图2所示，本实用新型所述的一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，包括压力室3，压力室3底部和顶部分别设置有下压板37和上压板38，超声波探头10固定在下压板37和上压板38内部，泥页岩试件4通过限位卡环12固定在上压板38和下压板37之间并整体安置于压力室3，应变片8对称设置泥页岩试件4两侧通过信号传输线22与电阻应变仪9连接，压力指示灯5设置在压力室3一侧，热阻丝14设置在压力室3侧壁并与温控系统13电连接。
31.页岩气储存罐1通过高精度气体质量流量计2、第一真空泵701和进气管23与压力室3连接，压力室3另一侧通过页岩气解吸系统与废气回收罐36连接，页岩气储存罐1至压力室3之间的进气管23路上设置有第一控制阀门601，压力室3至废气回收罐36之间的出气管24路设置有第二控制阀门602。
32.框架15对称固定在底座16两侧，顶板17通过焊接固定在框架15顶部，顶板17中部
套设有固定台18，固定台18中部套设液压千斤顶19，液压千斤顶19的通过导液管21与电液伺服压力试验机20连接，电液伺服压力试验机20通过控制导线26与试验机控制终端25电连接；高精度气体质量流量计2、页岩气解吸系统、电阻应变仪9、超声波检测仪11和试验机控制终端25通过信号传输线22分别与计算机终端41电连接，具体地，计算机终端41为笔记本电脑。
33.在一个具体的实施方式中，页岩气解吸系统包括第一电磁两位三通阀门27、第二电磁两位三通阀门35、第三电磁两位三通阀门39、第四电磁两位三通阀门40、量筒28、红外测距传感器29、圆形泡沫浮板30、水槽31、控制电路盒32、单片机33、继电器34、第二真空泵702、第三真空泵703，量筒28底部通过导管与水槽31连接，且其内部设置圆形泡沫浮板30，红外测距传感器29设置在量筒28内部并通过信号传输线22与单片机33电连接，继电器34通过信号传输线22分别与第二真空泵702、第三真空泵703、第一电磁两位三通阀门27、第二电磁两位三通阀门35、第三电磁两位三通阀门39和第四电磁两位三通阀门40电连接，继电器34和单片机33处于控制电路盒32中，压力室3通过出气管24、第二真空泵702与量筒28连接，废气回收罐36通过出气管24、第三真空泵703与量筒28连接，量筒28包括四个，第一电磁两位三通阀门27连接第二真空泵702、第一个量筒28和第二个量筒28，第二电磁两位三通阀门35连接第一个量筒28、第二个量筒28和第三真空泵703，第三电磁两位三通阀门39连接第二个量筒28、第三个量筒28和第三真空泵703，第四电磁两位三通阀门40连接第三个量筒28、第四个量筒28和第三真空泵703；单片机33为msc—51单片机33芯片，红外测距传感器29的型号为gp2y0e03。
34.在一个具体的实施方式中，页岩气储存罐1至压力室3之间的进气管23路上设置有第一控制阀门601，压力室3至泥页岩废气回收罐36之间的出气管24路设置有第二控制阀门602。
35.在一个具体的实施方式中，第一真空泵701、第二真空泵702和第三真空泵703均为直流dc12v微型真空泵，第一真空泵701、第二真空泵702和第三真空泵703底部的正负极通过导线与电机以及相配套的控制开关、电源电连接，高精度气体质量流量计2为lzb-3wb玻璃转子流量计，高精度气体质量流量计2实时测量页岩气储存罐1中流出的页岩气并通过信号传输线22将数据传递给计算机终端41，页岩气解吸系统实时测量泥页岩试件4解吸的页岩气并通过信号传输线22将数据传递给计算机终端41。
36.在一个具体的实施方式中，电阻应变仪9的型号为lb-iv型多通道数字应变仪，电阻应变仪9通过应变片8测量泥页岩试件4应力-应变值并通过信号传输线22实时传递给计算机终端41，超声波探测仪的型号为zbl-u520型非金属超声波检测仪11，超声波探头10为tct40-16t防水型超声波探头10，超声波探测仪通过超声波探头10测量泥页岩试件4超声波波速值并通过信号传输线22实时传递给计算机终端41。
37.在一个具体的实施方式中，压力室3密闭设置，其顶端设置有固定螺钉和密封环；通过压力室3顶端的螺纹以及相对应的固定螺钉固定压力室3；在压力室3顶端设置密封环，保证压力室3处于封闭环境中。
38.在一个具体的实施方式中，热阻丝14设置在压力室3侧壁并通过导线与温控系统13连接，热阻丝14的外部还设置有包裹在压力室3的侧壁面上的保温层，温控系统13通过热阻丝14和保温层调节并控制压力室3内部的温度。
39.在一个具体的实施方式中，上压板38和下压板37相对的侧面上铺设有绝缘垫，由于应变片8和超声波探头10会向泥页岩试件4通电，通过设置绝缘垫，能够避免上压板38和下压板37影响电阻应变仪9和超声波探测仪的测量，从而能够提高泥页岩试件4的应力应变和超声波速度变化的测量精度。
40.在一个具体的实施方式中，上压板38和下压板37相对的侧面上对称设置有限位卡环12以及配套使用的限位卡环12螺钉，不仅可以有效固定泥页岩试件4，保证测量的准确性，而且通过移动限位卡环12和限位卡环12螺钉可以固定不同规格和不同形状的泥页岩试件4；通过在限位卡环12内侧设置填料环，能够有效限制岩石试件在受液压千斤顶19加载过程中的移动。
41.在一个具体的实施方式中，应变片8外侧套设有弹性橡胶圈，防止测量泥页岩试件4应变时出现接触不稳引起误差。
42.该泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置的具体操作步骤为：
43.(1)在实际使用中，首先预制符合试验要求的泥页岩试件4，其尺寸可控制在φ100mm
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150mm左右，然后检查液压千斤顶19的加载和卸荷是否正常。
44.(2)将泥页岩试件4两端挖孔放入应变片8并引出信号传输线22，用煤粉铺平压实，再用密封试剂固定好泥页岩试件4，防止测量泥页岩试件4应变时出现接触不稳引起误差，再将泥页岩试件4放到下压板37上并通过限位卡环12固定；再将带有超声波探头10的上压板38放到泥页岩试件4顶端并通过限位卡环12固定，通过压力室3顶端的螺纹以及相对应的固定螺钉固定压力室3并在其顶端设置密封环，把上垫块设置在压力室3上部。
45.(3)启动计算机终端41，根据试验要求，通过电液伺服压力试验机20和液压千斤顶19控制泥页岩试件4的荷载(应力)值，通过温控系统13控制压力室3内部的温度，使得泥页岩试件4处于特定的应力和温度条件下；打开第一控制阀门601，第一真空泵701将页岩气储存罐1中的页岩气体抽入到压力室3中，第一高精度气体质量流量计2实时测量流入的页岩气含量并通过信号传输线22将数据传递给计算机终端41；电阻应变仪9通过应变片8实时测量泥页岩试件4的应力-应变值并将其传递给计算机终端41；超声波探测仪通过超声波探头10实时测量泥页岩试件4的波速变化并通过信号传输线22传递给计算机终端41。
46.(4)当压力室3内的页岩气浓度超过一定范围时，压力指示灯5开始闪烁，当其持续闪烁超过3s时，说明泥页岩试件4已经吸附饱和，关闭第一控制阀门601，打开第二控制阀门602，第二真空泵702启动后将泥页岩试件4开始进行解吸试验，第二真空泵702将压力室3中泥页岩试件4解吸的页岩气抽到量筒28中，量筒28通过不间断排水测量泥页岩试件4页岩气解吸的含量，红外测距波传感器通过发生红外线信号测量其到量筒28内部圆形泡沫浮板30的高度变化，经计算得到泥页岩试件4的页岩气解吸含量，排水体积为排水高度与量筒28横截面积的乘积，单片机33将红外测距波传感器测得数据实时传递给计算机终端41，继电器34通过信号传输线22分别与第二真空泵702、第三真空泵703、第一电磁两位三通阀门27、第二电磁两位三通阀门35、第三电磁两位三通阀门39和第四电磁两位三通阀门40电连接；控制电路盒32预先设置有独立研发程序，可以自动计算泥页岩试件4页岩气解吸的含量，量筒28外部的刻度可以人工随时检查红外测距传感器29测量的数据是否准确。重复上述操作，直至泥页岩试件4无解吸气体产生，或人工中止；单片机33自动记录、储存泥页岩试件4页岩气解吸气体并通过信号传输线22将测量的数据实时传给计算机终端41。
47.(5)温控系统13和热阻丝14可以调节压力室3的温度以模拟不同的温度，电液伺服压力试验机20以及相配套的试验机控制终端25通过控制液压千斤顶19对泥页岩试件4施加荷载以模拟不同的应力条件，重复上述操作，直至泥页岩试件4无解吸气体产生，或人工中止。
48.(6)最后从计算机终端41中提取相关试验数据，并对试验数据进行分析。
49.本实施例所述的一种泥页岩损伤及页岩气吸附解吸测量装置，通过设置所述液压千斤顶19、所述电液伺服压力试验机20和所述试验机控制终端25能够对所述泥页岩试件4自动施加可连续变化的载荷，实现对所述泥页岩试件4在连续变化的加载下的受力模拟，通过所述温控系统13和所述热阻丝14能够控制所述压力室3内温度恒定；通过设置所述应变片8和所述超声波探头10能够对所述泥页岩试件4超声波波速、应力-应变数据的变化过程进行实时监测；设置所述页岩气解吸系统，页岩气解吸气体从所述量筒28下端进入，微弱的气泡也能引起所述量筒28内部液面的变化，带动所述圆形泡沫浮板30高度变化，所述红外测距传感器29通过测量所述圆形泡沫浮板30的高度，对于极其微量的页岩气也能检测到，测量更加精准，与采用高精度气体质量流量计测量页岩气解吸装置的对比，解决了超过气体流量计的量程范围或无法感应微弱的页岩气解吸气体测量不准确的问题；该装置结构简单，使用方便，效果良好。
50.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。