[发明专利]一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气体运移参数测定方法，尤其涉及煤中气体的扩散率测试方法。

背景技术

在煤层气开采或者煤矿瓦斯抽采过程中，煤中气体将会首先从煤基质的微孔隙壁解吸，在浓度梯度的驱动下扩散进入孔隙系统，然后在压力梯度的驱动下流经裂隙系统进入钻孔。因此，煤层气的运移主要受两种参数控制：一种是煤基质中的气体扩散，另一种是裂隙系统的渗透率。在多孔介质中，有三种典型的扩散方式。一种是在大孔隙环境或者高气压状态下的气体分子相互碰撞的Fickian扩散；一种是在气体分子自由程大于孔径时分子与孔隙壁之间相互碰撞的Knudsen碰撞；另一种是沿着孔壁表面移动的强吸附气体分子。对于具有复杂孔隙结构煤来讲，上述三种扩散方式显著影响气体在煤基质中的扩散过程。因此，定量描述气体在煤中扩散特征对于研究煤层气抽采有重要意义。目前，常规测量气体扩散方法主要是对煤粉(颗粒)注入气体后测算煤粉吸收气体数量，并将煤粉(颗粒)直径假设为气体扩散路径长度，最终得到气体的扩散系数。这种测量方式不仅破坏煤体特有的孔隙结构，而且忽视煤层气体的扩散路径是变化的事实。因此，采用煤粉(颗粒)测算的气体扩散系数存在较大误差。因此，发明一种针对具有原生孔隙煤的气体扩散率测试方法，将对深入认识掌握煤层气运移机理有重要技术支持。

发明内容

本发明的目的是为深入认识掌握煤层气运移机理，发明一种针对具有双重孔隙介质中气体扩散特征的测试方法，又称为三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种三轴应力条件下煤中气体扩散率测试方法，具体测试步骤如下：

第一步：加工制作煤样测试试件

将整体煤块加工成圆柱形状，其轴向垂直于煤层理方向，环向平行于煤层理方向；将煤样插入橡胶套中间，再将两个无盖圆筒插进橡胶套两端，使煤样两端分别形成密闭的腔体，一端作为注气腔，另一端作为出气腔，共同组成一个煤样测试试件；

第二步，组装测试装置

制作一个能放进煤样测试试件的夹持腔体，夹持腔体上设有进气接口，将煤样测试试件安装在夹持腔体中，将夹持腔体的进气接口用管子与柱塞泵连通，并保证夹持腔体与外界密闭；将注气腔和出气腔分别与各自的气压传感器接通；将氦气源用管子与注气腔接通；将真空泵用管子与出气腔接通，将两个气压传感器的导线与外设数据采集电脑相连；至此测试装置组装完成；

第三步，启动柱塞泵向夹持腔体施加气压，使煤样的环向压力升高至设定值σ后；同时启动真空泵对煤样抽真空除气；

第四步：将氦气源的氦气导入注气腔中，当注气腔内气压升至预定值P₁后关闭气源；此后注气腔内气体向煤样渗透，并逐渐渗流到出气腔内，当t₁时刻注气腔与出气腔内的气压相等即为P₂时，渗流过程完成；此后注气腔与出气腔内的气压共同平稳下降，直至t₂时刻的恒定值P₃时不再下降为止；

在上述过程中，记录注气腔与出气腔内的气压变化情况，直至停止变化；

上述预定值P₁要求小于环向压力即可；

第五步：计算煤中气体的有效扩散率，计算方法如下：

1、确定注气腔内气体数量

已知注气腔的体积为V_u和初始气压P₁，可以确定在初始时刻注气腔内气体数量为其中R为气体常数，T为温度；

2、从P₁开始，气体从注气腔经过煤样，流入至出气腔内，引起出气腔内压力不断升高，注气腔压力下降；当注气腔与出气腔的压力相等后，即压力P₂，对应时刻为t₁，意味着两腔压力与煤样裂隙压力相等，此时，出气腔内气体数量为其中V_d为出气腔的体积；

3、之后，煤裂隙内气体开始向煤基质内扩散，导致裂隙内气体数量减少，所以裂隙压力(与两腔压力相等)不断下降，煤基质压力不断升高，当裂隙压力与基质压力相等后，即压力P₃，对应时刻t₂，裂隙内气体停止向基质扩散，认为裂隙与基质之间达到平衡状态；气体渗流过程中，其中：

t₁时刻存留煤试样内的气体数量

t₂时刻扩散进入煤基质的气体总数量为