一種三軸應力條件下煤中氣體擴散率測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤層氣體運移參數(shù)測定方法，尤其涉及煤中氣體的擴散率測試方法。
【背景技術】
[0002] 在煤層氣開采或者煤礦瓦斯抽采過程中，煤中氣體將會首先從煤基質的微孔隙壁 解吸，在濃度梯度的驅動下擴散進入孔隙系統(tǒng)，然后在壓力梯度的驅動下流經(jīng)裂隙系統(tǒng)進 入鉆孔。因此，煤層氣的運移主要受兩種參數(shù)控制：一種是煤基質中的氣體擴散，另一種是 裂隙系統(tǒng)的滲透率。在多孔介質中，有三種典型的擴散方式。一種是在大孔隙環(huán)境或者高氣 壓狀態(tài)下的氣體分子相互碰撞的Fickian擴散；一種是在氣體分子自由程大于孔徑時分子 與孔隙壁之間相互碰撞的Knudsen碰撞；另一種是沿著孔壁表面移動的強吸附氣體分子。 對于具有復雜孔隙結構煤來講，上述三種擴散方式顯著影響氣體在煤基質中的擴散過程。 因此，定量描述氣體在煤中擴散特征對于研究煤層氣抽采有重要意義。目前，常規(guī)測量氣體 擴散方法主要是對煤粉（顆粒）注入氣體后測算煤粉吸收氣體數(shù)量，并將煤粉（顆粒）直 徑假設為氣體擴散路徑長度，最終得到氣體的擴散系數(shù)。這種測量方式不僅破壞煤體特有 的孔隙結構，而且忽視煤層氣體的擴散路徑是變化的事實。因此，采用煤粉（顆粒）測算的 氣體擴散系數(shù)存在較大誤差。因此，發(fā)明一種針對具有原生孔隙煤的氣體擴散率測試方法， 將對深入認識掌握煤層氣運移機理有重要技術支持。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為深入認識掌握煤層氣運移機理，發(fā)明一種針對具有雙重孔隙介 質中氣體擴散特征的測試方法，又稱為三軸應力條件下煤中氣體擴散率測試方法。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是：
[0005] -種三軸應力條件下煤中氣體擴散率測試方法，具體測試步驟如下：
[0006] 第一步：加工制作煤樣測試試件
[0007] 將整體煤塊加工成圓柱形狀，其軸向垂直于煤層理方向，環(huán)向平行于煤層理方向； 將煤樣插入橡膠套中間，再將兩個無蓋圓筒插進橡膠套兩端，使煤樣兩端分別形成密閉的 腔體，一端作為注氣腔，另一端作為出氣腔，共同組成一個煤樣測試試件；
[0008] 第二步，組裝測試裝置
[0009] 制作一個能放進煤樣測試試件的夾持腔體，夾持腔體上設有進氣接口，將煤樣測 試試件安裝在夾持腔體中，將夾持腔體的進氣接口用管子與柱塞栗連通，并保證夾持腔體 與外界密閉；將注氣腔和出氣腔分別與各自的氣壓傳感器接通；將氦氣源用管子與注氣腔 接通；將真空栗用管子與出氣腔接通，將兩個氣壓傳感器的導線與外設數(shù)據(jù)采集電腦相連； 至此測試裝置組裝完成；
[0010] 第三步，啟動柱塞栗向夾持腔體施加氣壓，使煤樣的環(huán)向壓力升高至設定值〇 后；同時啟動真空栗對煤樣抽真空除氣；
[0011] 第四步：將氦氣源的氦氣導入注氣腔中，當注氣腔內氣壓升至預定值關閉氣 源；此后注氣腔內氣體向煤樣滲透，并逐漸滲流到出氣腔內，當ti時刻注氣腔與出氣腔內的 氣壓相等即為匕時，滲流過程完成；此后注氣腔與出氣腔內的氣壓共同平穩(wěn)下降，直至扒時 刻的恒定值P3時不再下降為止；
[0012] 在上述過程中，記錄注氣腔與出氣腔內的氣壓變化情況，直至停止變化；
[0013] 上述預定值P1要求小于環(huán)向壓力即可；
[0014] 第五步：計算煤中氣體的有效擴散率，計算方法如下：
[0015] 1、確定注氣腔內氣體數(shù)量
[0016] 已知注氣腔的體積為Vu和初始氣壓P i，可以確定在初始時刻注氣腔內氣體數(shù)量為
，其中R為氣體常數(shù)，T為溫度；
[0017] 2、從P i開始，氣體從注氣腔經(jīng)過煤樣，流入至出氣腔內，引起出氣腔內壓力不斷 升高，注氣腔壓力下降；當注氣腔與出氣腔的壓力相等后，即壓力P2，對應時刻為h，意味著 兩腔壓力與煤樣裂隙壓力相等，此時，出氣腔內氣體數(shù)量為
，其中Vd為出氣腔的 體積；
[0018] 3、之后，煤裂隙內氣體開始向煤基質內擴散，導致裂隙內氣體數(shù)量減少，所以裂隙 壓力（與兩腔壓力相等）不斷下降，煤基質壓力不斷升高，當裂隙壓力與基質壓力相等后， 即壓力P3，對應時刻t2，裂隙內氣體停止向基質擴散，認為裂隙與基質之間達到平衡狀態(tài)； 氣體滲流過程中，其中：
[0019] ^時刻存留煤試樣內的氣體數(shù)量
[0020] 一時刻擴散進入煤基質的氣體總數(shù)量為
[0021] 在整個tl時刻到12時刻擴散階段內，在不同時刻t時的擴散氣體量為
3寸應的氣體擴散數(shù)量百分數(shù)HiVmdlffuslcin，其中的P為t時刻的裂隙 壓力；
[0022] 4、繪制氣體數(shù)量百分數(shù)HitAidlffuslcJ^擴散時間開平方&的曲線圖，根據(jù)有 效擴散率與擴散氣體質量的關系式
，用最小二乘法擬合曲線的斜率
,該式變換為.
，計算出有效擴散率隊；
[0023] 上述公式中，氣壓和壓力的單位為Pa :體積的單位為m3:氣體數(shù)量單位為mol :時 間單位為秒：溫度單位為K, R單位為X/(mol*K)。
[0024] 本發(fā)明的積極效果是：研究氣體擴散是從化工領域派生的，而化工原料多數(shù)是顆 粒狀，受固有思維限制，長期以來，本領域技術人員一直借用化工原料氣體擴散測試方法對 煤粉氣體擴散率進行測試，可忽略了煤體是一種典型的雙重孔隙介質，其孔隙結構是由宏 觀裂隙與煤基質內的微孔隙組成，傳統(tǒng)測量方式不僅破壞煤體特有的孔隙結構，而且忽視 煤層氣體的擴散路徑是變化的事實。本發(fā)明打破常規(guī)思維，大膽創(chuàng)新，采用整體煤塊作為煤 試樣，保留了煤體特有的孔隙結構，能真實反映煤復雜的孔隙結構對氣體擴散的影響情況， 測試計算出的氣體擴散率、將對深入認識掌握煤層氣運移機理提供了重要技術支持，相對 于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有突出的實質性特點和顯著的進步。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明測試方法所用的裝置示意圖；
[0026] 圖2為實施例中注氣腔與出氣腔與時間關系曲線圖；
[0027] 圖3是實施例中擴散氣體質量百分數(shù)與時間關系曲線圖。
[0028] 圖例說明1-夾持腔體；2-注氣腔；3-橡膠套；4-煤樣；5-出氣腔；6-柱塞栗； 7_注氣腔壓力傳感器；8-出氣腔壓力傳感器；9-數(shù)據(jù)采集電腦；10-氦氣源；11-真空栗。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖和一個實施例進一步說明本發(fā)明的技術方案。實施例的測試條件為 環(huán)向壓力6MPa，恒溫在293K。
[0030] 如圖1-3所示，本發(fā)明的三軸應力條件下煤中氣體擴散率測試方法，具體測試步 驟如下：
[0031] 第一步：加工制作煤樣測試試件
[0032] 將整體煤塊加工成圓柱形狀，其軸向垂直于煤層理方向，環(huán)向平行于煤層理方向； 將煤樣4插入橡膠套3中間，再