非平衡状态下煤岩三重孔隙变形耦合规律的测试方法

摘要

本发明公开的非平衡状态下煤岩三重孔隙变形耦合规律的测试方法，涉及煤岩变形测试技术领域。该方法首先，将原煤破碎加工为中部带裂缝的型煤样品；然后，于型煤样品表面粘贴应变片后使用柔软的硅橡胶粘合剂覆盖型煤样品所有的表面，并于裂缝的两端预留注气口；接着，将型煤样品放入压力容器中，再整体放入恒温室中；最后，待恒温室温度稳定后注入气体，同时采集应变片数据，测量气体吸附作用下型煤样品基质压缩或膨胀引起的应变演化。该方法可以直接观察到多重孔隙系统之间相互作用下型煤样品基质不同部分的变形规律，结合数值模拟可以反演出多重孔隙系统的渗透率演化规律。

说明书

技术领域

本发明涉及煤岩变形测试技术领域，具体涉及一种非平衡状态下煤岩三重孔隙变形耦合规律的测试方法。

背景技术

实验研究煤基质-裂隙的相互作用主要通过测量煤渗透率与孔隙压力之间的相关性来开展。但是，在这些渗透率实验中，均忽略了基质系统与裂缝系统之间的压力差，均假设获得的渗透率为平衡状态下的渗透率。基于此，部分学者开展了实验室测量孔裂隙变形耦合实验，但是实验测量煤储层孔裂隙系统之间的耦合现象的实验研究仅限于双重孔隙系统，还没有直接观察到多重孔隙系统之间的相互作用，并且没有清楚地解释多重孔隙系统相互作用下样品基质不同部分的变形分布。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种用于测量多重孔隙系统相互作用下样品不同部分的变形规律的方法，为研究多重孔隙系统的渗透率演化规律提供理论依据。

发明内容

根据本发明的目的提出的非平衡状态下煤岩三重孔隙变形耦合规律的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将原煤破碎加工为中部带裂缝的型煤样品。

步骤二：于型煤样品表面粘贴一系列用于测量型煤样品不同部位应变演化的应变片。

步骤三：使用柔软的硅橡胶粘合剂覆盖型煤样品所有的表面，并于裂缝两端预留注气口。

步骤四：静置型煤样品，待型煤样品表面的硅胶性质稳定后，将被硅橡胶粘合剂包裹的型煤样品放入煤岩气体吸附-解吸变形实验系统中的耐压罐中，随后将耐压罐放入恒温室内，保持温度稳定。

步骤五：以设定的速率将孔隙压力逐渐增加至设定值，并保持设定值，同时采集应变片数据，测量气体吸附作用下型煤样品基质压缩或膨胀引起的应变演化。

优选的，步骤一中，型煤样品的制作方法为：将原煤样压碎至0-50目，添加质量比分别为27.96％、6.52％、0.28％的石膏、水、蛋白粉，然后在250kN的压力下压制40分钟，制成一个圆柱状的煤样；随后从该圆柱状煤样上切下一个高度为9厘米，长度和宽度为3.5厘米长方体型煤样品，型煤样品中部切割出一条深度为0.6厘米，开度为0.1cm的裂缝。

优选的，原煤样破碎加工为型煤样品后，使用Nanotom X射线计算机断层扫描仪以1μm的分辨率扫描型煤样品，对型煤样品中毫米级裂隙以及微米级孔隙进行刻画。

优选的，使用Micromeritics ASAP 2020表面积和孔隙率分析仪，以N

优选的，步骤二中，应变片为粘贴于型煤样品表面的八个，包括一个大应变片和七个小应变片；其中，大应变片用于测量整个型煤样品的平均变形，布置于型煤样品正面中线左侧0.15厘米处；七个小应变片用于测量距裂缝不同距离处型煤样品的变形情况，布置于型煤样品正面中线右侧0.15厘米处，以靠近裂缝0.2厘米处为起点，沿型煤样品高度方向均布，相邻两小应变片的中心距为0.5厘米。

优选的，步骤四中，所述的煤岩气体吸附-解吸变形实验系统包括恒温室、设置于恒温室内用于放置型煤样品的耐压罐、用于调节耐压罐内气压的气压控制系统、用于监测恒温室内温度的温度传感器以及用于与应变片连接、监测型煤样品应变的数据采集系统；所述气压控制系统包括气罐、连通气罐与耐压罐的输气管以及设置于输气管上的减压阀、电子气压控制阀和压力传感器；所述数据采集系统包括与应变片电连接的应变采集仪以及与应变采集仪电连接的电脑；所述型煤样品放置于耐压罐后，连同耐压罐一起放置于恒温室内，调节恒温室内温度至预设值后，保持温度稳定。

优选的，步骤五中，待恒温室内温度稳定后，以0.1MPa/5s的速率将孔隙压力逐渐增加至1.0MPa，然后保持恒定在1.0MPa。

与现有技术相比，本发明公开的非平衡状态下煤岩三重孔隙变形耦合规律的测试方法的优点是：

该方法可以直接观察到多重孔隙系统之间相互作用下型煤样品基质不同部分的变形规律，结合数值模拟可以反演出多重孔隙系统的渗透率演化规律。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为煤岩气体吸附-解吸变形实验系统的结构图。

图2为型煤样品上应变片布置结构图。

图中：1-恒温室；2-耐压罐；3-气罐；4-减压阀；5-电子气压控制阀；6-压力传感器；7-温度传感器；8-应变采集仪；9-电脑；10-型煤样品；11-裂缝；12-大应变片；13-小应变片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图2示出了本发明较佳的实施例，对其进行了详细的剖析。

本发明公开的非平衡状态下煤岩三重孔隙变形耦合规律的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将原煤样压碎至0-50目，添加质量比分别为27.96％、6.52％、0.28％的石膏、水、蛋白粉，然后在250kN的压力下压制40分钟，制成一个圆柱状煤样。随后，从该圆柱状煤样上切下一个高度为9厘米，长度和宽度为3.5厘米的长方体型煤样品10，型煤样品10中部切割出一条深度为0.6厘米，开度为0.1cm的裂缝11，以将原煤内部的孔裂隙系统之间的差异性进行扩大，进而实现可以测试三重孔隙系统变形耦合的目的。

步骤二：如图2所示，于型煤样品10表面粘贴八个用于测量型煤样品10不同部位应变演化的应变片。八个应变片包括一个大应变片12和七个小应变片13。其中大应变片12用于测量整个型煤样品10的平均变形，布置于型煤样品10正面中线左侧0.15厘米处。七个小应变片13用于测量距裂缝11不同距离处型煤样品10的变形情况，布置于型煤样品10正面中线右侧0.15厘米处，以靠近裂缝11 0.2厘米处为起点，沿型煤样品10高度方向均布，相邻两小应变片13的中心距为0.5厘米。

步骤三：使用柔软的硅橡胶粘合剂覆盖型煤样品10所有的表面，以保护应变片进行长期稳定测试。同时，于裂缝11两端预留注气口，确保气体只能通过注气口进入型煤样品10。

步骤四，静置型煤样品10，待型煤样品10表面的硅胶性质稳定后，将被硅橡胶粘合剂包裹的型煤样品10放入煤岩气体吸附-解吸变形实验系统中的耐压罐2中，随后将耐压罐2放入恒温室1内，保持温度稳定。具体的，如图1所示，煤岩气体吸附-解吸变形实验系统包括恒温室1、设置于恒温室1内用于放置型煤样品10的耐压罐2、用于调节耐压罐2内气压的气压控制系统、用于监测恒温室1内温度的温度传感器7以及用于与应变片连接、监测型煤样品10应变的数据采集系统。气压控制系统包括气罐3、连通气罐3与耐压罐2的输气管以及设置于输气管上的减压阀4、电子气压控制阀5和压力传感器6。数据采集系统包括与应变片电连接的应变采集仪8以及与应变采集仪8电连接的电脑9。使用该设备进行测试时，将被硅橡胶粘合剂包裹的型煤样品10放入耐压罐2中，并将耐压罐2放置于恒温室1内，调节恒温室1内温度至35℃并保持稳定，以消除温度变化对型煤样品10变形的影响。

步骤五：待恒温室1内温度稳定后，通过气压控制系统以0.1MPa/5s的速率注入气体，将孔隙压力逐渐增加至1.0MPa，随后保持恒定在1.0MPa，同时通过数据采集系统连续采集应变片数据，测量气体吸附作用下型煤样品10基质压缩或膨胀引起的应变演化。由于型煤样品10的所有表面都用柔软的硅橡胶粘合剂覆盖，因此型煤样品10四周施加的气压可以被认为是施加在型煤样品10上的围压，但是型煤样品10内部由于渗透率较低，因此微米级孔隙和纳米级孔隙中的气体压力在一定时间段内低于裂缝11中施加的气体压力。随着实验时间的延长，三个系统之间的压差逐渐缩小系统达到一个新的平衡状态。

进一步的，原煤破碎加工为型煤样品10后，使用Nanotom X射线计算机断层扫描仪以1μm的分辨率扫描型煤样品10，对型煤样品10中毫米级裂隙以及微米级孔隙进行刻画。使用Micromeritics ASAP 2020表面积和孔隙率分析仪，以N

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。