專利名稱：一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)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(yàn)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
非常規(guī)天然氣(如煤層氣和頁巖氣)的開發(fā)利用是我國十二五規(guī)劃的主要內(nèi)容之一，國家計(jì)劃在2015年將煤層氣利用率提高到60%，頁巖氣由資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。然而，在將其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采的過程中困難重重，主要原因在于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，煤巖滲透率低，低于美國2 3個(gè)數(shù)量級(jí)，而滲透率恰恰是反映煤巖中流體運(yùn)移難易程度的標(biāo)志，同時(shí)，也是地層損害評(píng)價(jià)與天然氣開采設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。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(jié)構(gòu)、保障能源安全做出重要貢獻(xiàn)，也對(duì)消除煤礦瓦斯隱患和保護(hù)大氣環(huán)境具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外提高煤層瓦斯抽采率的主要技術(shù)方案有大直徑密集鉆孔、水力沖孔、水力壓裂加支撐劑技術(shù)、水力割縫等，其中，以水力壓裂技術(shù)為主，但該技術(shù)僅適用于那些相對(duì)堅(jiān)硬的裂縫性儲(chǔ)層的資源開采，而對(duì)于像煤、頁巖這一類較軟的孔隙裂隙儲(chǔ)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(qū)替、低頻振動(dòng)或超聲波振動(dòng)、外加地電場(chǎng)或電磁場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)、弛豫效應(yīng)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(guān)鍵問題，也不能改變較軟煤巖的力學(xué)性能，因此收效甚微。公開號(hào)CN102296982A公開了 “一種電化學(xué)強(qiáng)化煤瓦斯解吸滲流的方法”，其機(jī)理是通過外加電場(chǎng)和電解液的共同作用，改變煤的電學(xué)、化學(xué)、礦物學(xué)與巖相學(xué)特征，使煤的裂隙與孔隙結(jié)構(gòu)、活化能、吸附勢(shì)發(fā)生變化，從而強(qiáng)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(xué)改變煤裂隙與孔隙結(jié)構(gòu)的過程中，煤體會(huì)受到較大傷害；二是該方法所用的強(qiáng)堿性溶液腐蝕性較大，不利于施工，另外，該方法對(duì)電化學(xué)改性參數(shù)認(rèn)識(shí)不清，造成施工的盲目性，使其在工程實(shí)踐中難以推廣應(yīng)用；三是該方法主要從電化學(xué)反應(yīng)改變煤體結(jié)構(gòu)這一角度入手，沒有考慮電滲所引起的電動(dòng)力學(xué)作用，而這一驅(qū)動(dòng)作用不僅可以提高煤巖的孔隙率，還可產(chǎn)生脫水固結(jié)效應(yīng)，增強(qiáng)較軟煤巖的力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)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(yàn)方法及其裝置?；谏鲜鰡栴}和目的，本發(fā)明一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)平臺(tái)，置入試樣和兩多孔電極板；
(3)按設(shè)定參數(shù)加載軸壓、圍壓和孔隙壓，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定煤巖滲透率，待試樣中溶液達(dá)到飽和且流量穩(wěn)定時(shí)，測(cè)定試樣中的流量并計(jì)算滲透率；
(4)設(shè)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(chǎng)作用，煤巖試樣中的溶液發(fā)生電滲現(xiàn)象，作用過程中測(cè)定流量并計(jì)算滲透率；
(5)斷開電源，保持軸壓、圍壓和孔隙壓的設(shè)定值不變，測(cè)定電滲作用后試樣中的流量并計(jì)算滲透率。本發(fā)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(fā)明方法所述的溶液為水、NaCl、CaCl2、AlCl3，濃度為O. θΓθ. 4mol · Γ1。本發(fā)明方法所述的電位梯度為O. 5"4V · cnT1。本發(fā)明提供一種用于提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法的試驗(yàn)裝置，包括有三軸滲流試驗(yàn)室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源；其構(gòu)成特征在于
所述三軸滲流試驗(yàn)室連通有柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源，并設(shè)置有相應(yīng)的流量計(jì)、截止閥和壓力表。所述三軸滲流試驗(yàn)室是由底座和外筒密封構(gòu)成，其中所述底座上設(shè)有支撐桿；所述外筒軸向通孔中設(shè)有加壓活塞桿和導(dǎo)向螺栓，加壓活塞桿下部與支撐桿上部設(shè)有多孔電極板；所述加壓活塞桿與支撐桿中都設(shè)有溶液孔與導(dǎo)線孔。在上述試驗(yàn)裝置技術(shù)方案中，其附加的技術(shù)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(jié)構(gòu)，材料為銅或不銹鋼，直徑等同于煤巖試樣，厚度2 3mm。本發(fā)明一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法及其裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步是通過本發(fā)明裝置可測(cè)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(xué)特性、孔隙結(jié)構(gòu)的變化狀況，分析強(qiáng)化機(jī)理，優(yōu)化強(qiáng)化參數(shù)，為采用電滲方法提高煤巖滲透率的工程應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。本發(fā)明基于電滲作用提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法，對(duì)電滲作用前后及其過程中煤巖的滲透率進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明電滲作用后煤巖滲透率提高了 659^128%。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、測(cè)量精度高，適用于煤、頁巖滲透率的電滲強(qiáng)化試驗(yàn)研究。


圖I是本發(fā)明試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明多孔電極板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明圖2多孔電極板的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)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(shí)，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(fā)明無煙煤在軸壓5MPa，圍壓6MPa，孔隙壓3MPa下，溶液為水時(shí)，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(dǎo)向螺栓；11 :陽極導(dǎo)線孔；12 :進(jìn)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(dǎo)線孔21 :三軸滲流試驗(yàn)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(jì);30、31、32 :截止閥；33 :導(dǎo)線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明。實(shí)施方式I
實(shí)施本發(fā)明所述的一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法，以無煙煤為例，具體試驗(yàn)過程如 下
(I)加工試樣。根據(jù)所需試樣，由現(xiàn)場(chǎng)取回塊狀無煙煤，置于鉆孔機(jī)上，進(jìn)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(yàn)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(shí)，可沿溶液的流動(dòng)方向提高其導(dǎo)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(cè)面，然后用箍圈5緊箍，使其緊密接觸，避免溶液從試樣側(cè)面流出，保證試驗(yàn)過程中圍壓與孔隙壓的獨(dú)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(yàn)平臺(tái)。(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(yīng)力狀態(tài)，埋深取200m，側(cè)壓系數(shù)取I. 2)，孔隙壓力為3MPa，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定試樣滲透率，待試樣中溶液達(dá)到飽和且流量穩(wěn)定時(shí)，測(cè)定試樣中的流量并計(jì)算滲透率，平均為O. 493mD，試驗(yàn)中選用
0.05mol · Γ1 的 AlCl3 溶液。(4)設(shè)定電位梯度(按試驗(yàn)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(chǎng)作用，使試樣中的溶液發(fā)生電滲現(xiàn)象，電滲作用過程中測(cè)定試樣中的流量并計(jì)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(cè)試電滲作用后試樣中的流量并計(jì)算滲透率(按試驗(yàn)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(yàn)過程中，測(cè)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(shí)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(guān)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(zhì)為O. 05mol -F1NaCl溶液時(shí)，電滲作用后無煙煤滲透率提高了 429Γ110%，滲流介質(zhì)為O. 05mol · F1CaCl2溶液時(shí)，電滲作用后無煙煤滲透率提高了 569^120%。可見，溶液為AlCl3時(shí)，作用效果最為顯著；另外，對(duì)不同濃度的 AlCl3 溶液作了試驗(yàn)，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(jié)果表明，濃度為O. 05mol · Γ1時(shí),效果最為顯著。下面結(jié)合附圖I和附圖2對(duì)本發(fā)明裝置的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明
如圖1，實(shí)施本發(fā)明所提供的一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)裝置，主要包括有三軸滲流試驗(yàn)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(yàn)室21連通有柱塞泵24、注水泵25、水槽26和直流電源23，并設(shè)置有 相應(yīng)的流量計(jì)、截止閥和壓力表。所述三軸滲流試驗(yàn)室21是由底座18和外筒3密封構(gòu)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(shè)有支撐桿4 ;所述外筒3軸向通孔中設(shè)有加壓活塞桿8和導(dǎo)向螺栓10，加壓活塞桿8與支撐桿4材質(zhì)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(shè)有電極板7，電極板7為蜂孔狀結(jié)構(gòu)，孔之間開槽，可使液體進(jìn)出均勻、充分，保證測(cè)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(shí)產(chǎn)生較大變形，損壞熱縮套6，材質(zhì)選用紫銅或不銹鋼，保證較高的抗壓強(qiáng)度；所述導(dǎo)向螺栓10下部設(shè)有密封槽，保證與外筒3之間的密封性能；導(dǎo)向螺栓10內(nèi)部設(shè)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(shè)有排氣孔13和溫度傳感器孔14，排氣孔13位置應(yīng)高于溫度傳感器孔14。所述底座18設(shè)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(yàn)所需圍壓。所述加壓活塞桿8設(shè)置有進(jìn)液孔12和陽極導(dǎo)線孔11 ;所述支撐桿4和底座18設(shè)置有出液孔16和陰極導(dǎo)線孔20，其中，進(jìn)液孔12、出液孔16由液壓管將三軸滲流試驗(yàn)室21分別與外部的柱塞泵24和水槽26相連，管路上附設(shè)有壓力表27、流量計(jì)29和截止閥30、32，導(dǎo)線孔11和20由導(dǎo)線33將三軸滲流試驗(yàn)室21與外部的直流電源23和電流表22相連。
權(quán)利要求
1.一種提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法，其所述方法按下列步驟進(jìn)行 (1)加工煤巖試樣，高徑比為2:1; (2)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，置入試樣和兩多孔電極板； (3)按設(shè)定參數(shù)加載軸壓、圍壓和孔隙壓，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定煤巖滲透率，待試樣中溶液達(dá)到飽和且流量穩(wěn)定時(shí)，測(cè)定試樣中的流量并計(jì)算滲透率； (4)設(shè)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(chǎng)作用，煤巖試樣中的溶液發(fā)生電滲現(xiàn)象，作用過程中測(cè)定流量并計(jì)算滲透率； (5)斷開電源，保持軸壓、圍壓和孔隙壓的設(shè)定值不變，測(cè)定電滲作用后試樣中的流量并計(jì)算滲透率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)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(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)方法，其所述溶液為水、NaCl,CaCl2、AlCl3，濃度為O.01^0. 4mol · I L
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)方法，其所述電位梯度為O.5^4V · cm—1。
5.一種應(yīng)用于提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法的試驗(yàn)裝置，包括有三軸滲流試驗(yàn)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(yàn)室連通有柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源，并設(shè)置有相應(yīng)的流量計(jì)、截止閥和壓力表； 所述三軸滲流試驗(yàn)室是由底座和外筒密封構(gòu)成，其中底座上設(shè)有支撐桿，外筒軸向通孔中設(shè)有加壓活塞桿和導(dǎo)向螺栓；加壓活塞桿下部與支撐桿上部均設(shè)有多孔電極板；加壓活塞桿與支撐桿中均設(shè)有溶液孔與導(dǎo)線孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的試驗(yàn)裝置，其所述支撐桿與加壓活塞桿的材料為尼龍66。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的試驗(yàn)裝置，其所述電極板為蜂孔狀結(jié)構(gòu)，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(yàn)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，提高煤巖滲透率的試驗(yàn)方法及其裝置。所述方法是在煤巖試樣兩端設(shè)置陽極和陰極，進(jìn)行電滲作用，測(cè)定作用前后及其過程中煤巖的滲透率，研究電滲作用強(qiáng)化煤巖滲透性機(jī)理，優(yōu)化強(qiáng)化參數(shù)，為采用電滲方法提高煤巖滲透率的工程應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。所述裝置是由三軸滲流試驗(yàn)室、柱塞泵、注水泵、水槽和直流電源構(gòu)成，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，測(cè)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(hào)G01N15/08GK102645396SQ20121014420
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者康天合, 康官先, 柴肇云, 沈玉旭, 郭俊慶 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)