專利名稱：一種提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置，具體是一種通過電滲作用提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置。
背景技術：
非常規天然氣(如煤層氣和頁巖氣)的開發利用是我國十二五規劃的主要內容之一，國家計劃在2015年將煤層氣利用率提高到60%，頁巖氣由資源優勢轉化為產量優勢。然而，在將其實現商業化開采的過程中困難重重，主要原因在于我國地質條件復雜，煤巖滲透率低，低于美國2 3個數量級，而滲透率恰恰是反映煤巖中流體運移難易程度的標志，同時，也是地層損害評價與天然氣開采設計的重要參數。因此，急需尋求一種能夠大幅度提高煤巖滲透率的有效方法，不僅可為改善我國能源結構、保障能源安全做出重要貢獻，也對消除煤礦瓦斯隱患和保護大氣環境具有十分重要的意義。目前，國內外提高煤層瓦斯抽采率的主要技術方案有大直徑密集鉆孔、水力沖孔、水力壓裂加支撐劑技術、水力割縫等，其中，以水力壓裂技術為主，但該技術僅適用于那些相對堅硬的裂縫性儲層的資源開采，而對于像煤、頁巖這一類較軟的孔隙裂隙儲層，水力壓裂的效果十分有限。另外，已有研究表明，一些非卸壓方法，如注氣驅替、低頻振動或超聲波振動、外加地電場或電磁場等也可以改變煤巖的滲透性，但這些方法都是從煤與瓦斯的物理特性入手，利用吸附競爭、弛豫效應等原理短暫的改變煤巖的吸附性和滲透性，并不能從根本上長期有效的解決低孔隙率這一關鍵問題，也不能改變較軟煤巖的力學性能，因此收效甚微。公開號CN102296982A公開了 “一種電化學強化煤瓦斯解吸滲流的方法”，其機理是通過外加電場和電解液的共同作用，改變煤的電學、化學、礦物學與巖相學特征，使煤的裂隙與孔隙結構、活化能、吸附勢發生變化，從而強化煤瓦斯的解吸滲流性能，提高煤層瓦斯抽采率。但該方法存在以下三方面問題一是在通過電化學改變煤裂隙與孔隙結構的過程中，煤體會受到較大傷害；二是該方法所用的強堿性溶液腐蝕性較大，不利于施工，另外，該方法對電化學改性參數認識不清，造成施工的盲目性，使其在工程實踐中難以推廣應用；三是該方法主要從電化學反應改變煤體結構這一角度入手，沒有考慮電滲所引起的電動力學作用，而這一驅動作用不僅可以提高煤巖的孔隙率，還可產生脫水固結效應，增強較軟煤巖的力學性能。
發明內容
本發明要解決的技術問題是煤巖滲透率低的問題，目的是提供一種提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置。基于上述問題和目的，本發明一種提高煤巖滲透率的試驗方法，其特征在于是一種通過電滲作用提高煤巖滲透率的試驗方法，具體步驟如下 (I)加工煤巖試樣，高徑比為2:1 ;(2)搭建試驗平臺，置入試樣和兩多孔電極板；
(3)按設定參數加載軸壓、圍壓和孔隙壓，采用穩態法測定煤巖滲透率，待試樣中溶液達到飽和且流量穩定時，測定試樣中的流量并計算滲透率；
(4)設定電位梯度，接 通直流電源，其它條件與上述步驟(3)相同，通過兩電極板間的電場作用，煤巖試樣中的溶液發生電滲現象，作用過程中測定流量并計算滲透率；
(5)斷開電源，保持軸壓、圍壓和孔隙壓的設定值不變，測定電滲作用后試樣中的流量并計算滲透率。本發明方法所述的煤巖試樣上端為電極陽極，下端為電極陰極。本發明方法所述的溶液為水、NaCl、CaCl2、AlCl3，濃度為O. θΓθ. 4mol · Γ1。本發明方法所述的電位梯度為O. 5"4V · cnT1。本發明提供一種用于提高煤巖滲透率的試驗方法的試驗裝置，包括有三軸滲流試驗室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源；其構成特征在于
所述三軸滲流試驗室連通有柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源，并設置有相應的流量計、截止閥和壓力表。所述三軸滲流試驗室是由底座和外筒密封構成，其中所述底座上設有支撐桿；所述外筒軸向通孔中設有加壓活塞桿和導向螺栓，加壓活塞桿下部與支撐桿上部設有多孔電極板；所述加壓活塞桿與支撐桿中都設有溶液孔與導線孔。在上述試驗裝置技術方案中，其附加的技術特征在于所述支撐桿與加壓活塞桿的材料為尼龍66 ;所述電極板為蜂孔狀結構，材料為銅或不銹鋼，直徑等同于煤巖試樣，厚度2 3mm。本發明一種提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置，與現有技術相比，其突出的實質性特點和顯著的進步是通過本發明裝置可測試電滲作用前后及其過程中煤巖的滲透率，研究作用前后煤巖力學特性、孔隙結構的變化狀況，分析強化機理，優化強化參數，為采用電滲方法提高煤巖滲透率的工程應用提供科學的理論依據。本發明基于電滲作用提高煤巖滲透率的試驗方法，對電滲作用前后及其過程中煤巖的滲透率進行了試驗，結果表明電滲作用后煤巖滲透率提高了 659^128%。本發明裝置結構簡單、性能可靠、測量精度高，適用于煤、頁巖滲透率的電滲強化試驗研究。
圖I是本發明試驗裝置的結構示意圖。圖2是本發明多孔電極板的結構示意圖。圖3是本發明圖2多孔電極板的A-A剖面結構示意圖。圖4是本發明無煙煤在軸壓5MPa，圍壓6MPa，孔隙壓3MPa下，溶液為0.05mol -Γ1的AlCl3時，電滲作用前后的滲透率比值隨電位梯度變化的曲線。“ □”為電滲作用后試樣滲透率與電滲作用前滲透率的比值；“Λ”為電滲作用過程中試樣滲透率與電滲作用前滲透率的比值。圖5是本發明無煙煤在軸壓5MPa，圍壓6MPa，孔隙壓3MPa下，溶液為水時，電滲作用前后的滲透率比值隨電位梯度變化的曲線。“□”為電滲作用后試樣滲透率與電滲作用前滲透率的比值；“Λ”為電滲作用過程中試樣滲透率與電滲作用前滲透率的比值。圖中1 :煤巖試樣；2 :圍壓室；3 :外筒；4 :支撐桿；5 :植圈；6 :熱縮套；7 :多孔電極板；8 :加壓活塞桿9 :密封圈；10 :導向螺栓；11 :陽極導線孔；12 :進液孔；13 :排氣孔；14 :溫度傳感器孔；15 :注水孔；16 :出液孔；17 :固定螺栓；18 :底座；19 :法蘭；20 :陰極導線孔21 :三軸滲流試驗室；22 :電流表；23 :直流電源；24 :柱塞泵；25 :注水泵；26 :水槽；27,28 :壓力表；29 :流量計;30、31、32 :截止閥；33 :導線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明。實施方式I
實施本發明所述的一種提高煤巖滲透率的試驗方法，以無煙煤為例，具體試驗過程如 下
(I)加工試樣。根據所需試樣，由現場取回塊狀無煙煤，置于鉆孔機上，進行取樣，并將兩端打磨平滑，試樣尺寸加工為Φ 50 X 100。(2)安裝試驗裝置，將試樣置于貼有陰極電極板7的支撐桿4上，依次放置陽極電極板7和加壓活塞桿8，即試樣上端為陽極，下端為陰極，電滲作用時，可沿溶液的流動方向提高其導流能力，陽極材料選用紫銅，陰極材料選用316L不銹鋼。用長30mm的聚四氟乙烯熱縮套6雙層牢固熱封試樣I、多孔電極板7以及支撐桿4和加壓活塞桿8的側面，然后用箍圈5緊箍，使其緊密接觸，避免溶液從試樣側面流出，保證試驗過程中圍壓與孔隙壓的獨立性。由法蘭19和固定螺栓17將外筒3與底座18固定，然后搭建試驗平臺。(3)在室溫條件下，將壓力加載至軸壓5MPa，圍壓6MPa(模擬煤層的原巖應力狀態，埋深取200m，側壓系數取I. 2)，孔隙壓力為3MPa，采用穩態法測定試樣滲透率，待試樣中溶液達到飽和且流量穩定時，測定試樣中的流量并計算滲透率，平均為O. 493mD，試驗中選用
0.05mol · Γ1 的 AlCl3 溶液。(4)設定電位梯度(按試驗順序，依次為O. 5V · cnT1,1 V · cm-1,1. 5 V · cm-1, 2
V· cm_1,2. 5 V · cm_1,3 V · cm_1,3. 5 V · cm_1,4 V · cnT1)，接通直流電源 23，其它條件與上述步驟(3)相同，通過兩電極板間的電場作用，使試樣中的溶液發生電滲現象，電滲作用過程中測定試樣中的流量并計算滲透率，依次為I. 06mD、L 188mD、L 292mD、L 41mD、L 499mD、
1.548mD、l. 597mD、l. 67ImD0(5)測試電滲作用后試樣中的流量并計算滲透率(按試驗順序，電位梯度依次為O. 5V ·cm-1,1 V .cnT1,1. 5 V .cnT1, 2 V ·cm-1, 2. 5 V ·cm-1, 3 V ·cm-1, 3. 5 V ·cm-1,4 V .cnT1),試驗過程中，測試條件與上述步驟(3)相同，滲透率依次為O. 813mD、0. 873mD、0. 907mD、O. 961mD、0. 996mD、l. 05mD、l. 08mD、l. 124mD。圖3為無煙煤電滲作用前后的滲透率比值隨電位梯度變化的曲線，可以看出，電滲作用后試樣滲透率提高了 65°/Γ 28%。實施方式2
以水為例，無煙煤電滲作用前后的滲透率比值隨電位梯度變化的關系曲線見圖4，電滲作用后試樣滲透率為作用前的I. 4^2. 08倍。滲流介質為O. 05mol -F1NaCl溶液時，電滲作用后無煙煤滲透率提高了 429Γ110%，滲流介質為O. 05mol · F1CaCl2溶液時，電滲作用后無煙煤滲透率提高了 569^120%。可見，溶液為AlCl3時，作用效果最為顯著；另外，對不同濃度的 AlCl3 溶液作了試驗，依次為 O. Ol mol ·Γ\θ. 025 mol ·Γ\θ. 05 mol ·Γ\θ. I mol .Γ1、
O.2 mol · Γ\θ. 4 mol · Γ1,結果表明，濃度為O. 05mol · Γ1時,效果最為顯著。下面結合附圖I和附圖2對本發明裝置的具體實施方式
作進一步的說明
如圖1，實施本發明所提供的一種提高煤巖滲透率的試驗裝置，主要包括有三軸滲流試驗室21、柱塞泵24、注水泵25、水槽26和直流電源23，其中
所述三軸滲流試驗室21連通有柱塞泵24、注水泵25、水槽26和直流電源23，并設置有 相應的流量計、截止閥和壓力表。所述三軸滲流試驗室21是由底座18和外筒3密封構成，由法蘭19和固定螺栓17將外筒3與底座18固定，其中所述底座18上設有支撐桿4 ;所述外筒3軸向通孔中設有加壓活塞桿8和導向螺栓10，加壓活塞桿8與支撐桿4材質均為尼龍66，可起到絕緣作用，并保證剛度；所述加壓活塞桿8下部與支撐桿4上部均設有電極板7，電極板7為蜂孔狀結構，孔之間開槽，可使液體進出均勻、充分，保證測試過程中的精確度，電極板7直徑等同于煤巖試樣1，厚2 3mm，防止加載軸壓時產生較大變形，損壞熱縮套6，材質選用紫銅或不銹鋼，保證較高的抗壓強度；所述導向螺栓10下部設有密封槽，保證與外筒3之間的密封性能；導向螺栓10內部設有兩道密封槽，保證與加壓活塞桿8之間的密封性能；所述外筒3上端設有排氣孔13和溫度傳感器孔14，排氣孔13位置應高于溫度傳感器孔14。所述底座18設有注水孔15，外部與注水泵25相連，管路上接有截止閥31和壓力表28,用于提供試驗所需圍壓。所述加壓活塞桿8設置有進液孔12和陽極導線孔11 ;所述支撐桿4和底座18設置有出液孔16和陰極導線孔20，其中，進液孔12、出液孔16由液壓管將三軸滲流試驗室21分別與外部的柱塞泵24和水槽26相連，管路上附設有壓力表27、流量計29和截止閥30、32，導線孔11和20由導線33將三軸滲流試驗室21與外部的直流電源23和電流表22相連。
權利要求
1.一種提高煤巖滲透率的試驗方法，其所述方法按下列步驟進行 (1)加工煤巖試樣，高徑比為2:1; (2)搭建試驗平臺，置入試樣和兩多孔電極板； (3)按設定參數加載軸壓、圍壓和孔隙壓，采用穩態法測定煤巖滲透率，待試樣中溶液達到飽和且流量穩定時，測定試樣中的流量并計算滲透率； (4)設定電位梯度，接通直流電源，其它條件與上述步驟(3)相同，通過兩電極板間的電場作用，煤巖試樣中的溶液發生電滲現象，作用過程中測定流量并計算滲透率； (5)斷開電源，保持軸壓、圍壓和孔隙壓的設定值不變，測定電滲作用后試樣中的流量并計算滲透率。
2.根據權利要求I所述的試驗方法，其所述煤巖試樣上端為電極陽極，下端為電極陰極。
3.根據權利要求I所述的試驗方法，其所述溶液為水、NaCl,CaCl2、AlCl3，濃度為O.01^0. 4mol · I L
4.根據權利要求I所述的試驗方法，其所述電位梯度為O.5^4V · cm—1。
5.一種應用于提高煤巖滲透率的試驗方法的試驗裝置，包括有三軸滲流試驗室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源；其特征在于 所述三軸滲流試驗室連通有柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源，并設置有相應的流量計、截止閥和壓力表； 所述三軸滲流試驗室是由底座和外筒密封構成，其中底座上設有支撐桿，外筒軸向通孔中設有加壓活塞桿和導向螺栓；加壓活塞桿下部與支撐桿上部均設有多孔電極板；加壓活塞桿與支撐桿中均設有溶液孔與導線孔。
6.根據權利要求5所述的試驗裝置，其所述支撐桿與加壓活塞桿的材料為尼龍66。
7.根據權利要求5所述的試驗裝置，其所述電極板為蜂孔狀結構，材料為銅或不銹鋼，直徑等同于煤巖試樣，厚度為2 3_。
全文摘要
一種提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置，具體是一種通過電滲作用改變煤巖的孔隙結構和力學性能，提高煤巖滲透率的試驗方法及其裝置。所述方法是在煤巖試樣兩端設置陽極和陰極，進行電滲作用，測定作用前后及其過程中煤巖的滲透率，研究電滲作用強化煤巖滲透性機理，優化強化參數，為采用電滲方法提高煤巖滲透率的工程應用提供科學的理論依據。所述裝置是由三軸滲流試驗室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源構成，該裝置結構簡單，性能可靠，測量精確，該方法效果顯著，作用后可使煤巖試樣的滲透率提高65%~128%。
文檔編號G01N15/08GK102645396SQ20121014420
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者康天合, 康官先, 柴肇云, 沈玉旭, 郭俊慶 申請人:太原理工大學