(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210383193.8 (22)申请日 2022.04.13 (71)申请人 山东科技大 学 地址 266590 山东省青岛市经济技 术开发 区前湾港路579号 申请人 青岛环海 湾开发建 设有限公司 　 平顶山天安煤业股份有限公司八矿 (72)发明人 王春光　孙源晖　李丙乾　张伟　 宋伟强　范坤坤　于海洋　李秉芮　 周萌　 (74)专利代理 机构 济南金迪知识产权代理有限 公司 37219 专利代理师 赵龙群 (51)Int.Cl. G01N 15/08(2006.01)G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验 方法 (57)摘要 本发明公开了一种评价岩石变形影响煤体 渗透性的试验 方法， 通过设置渗流夹持器的结构 对煤‑岩组合体样品施加限定位移的边界条件， 模拟煤储层气开发过程中煤和顶板相互作用状 况， 通过测试煤 ‑岩组合体的在不同压降条件下 顶板岩石的挠度以及煤变形量， 并比较二者大小 确定煤‑岩组合体的边界条件， 模拟了煤储层气 开发过程中煤和顶板在真实受力状态以及受力 后的变形状况； 这为建立精细描述煤储层渗透率 的数学模型提供了依据， 利用模 型精准指导煤储 层气开发工程， 既节省了时间， 又降低了试错成 本。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 114720350 A 2022.07.08 CN 114720350 A 1.一种评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法， 其特 征在于， 步骤如下： 第一步： 准备渗 流夹持器 所述的渗流夹持器主要包括外框架和设在外框架内的轴向柱塞、 耐压筒体和轴向固定 端， 轴向柱塞从耐压筒体一侧插入， 轴向固定端与耐压筒体另一侧构成整体， 通过轴向固定 端和轴向柱塞实现将测试样品夹持在耐压筒体中； 在轴向固定端和轴向柱塞轴心分别设有 与测试样品相通的气道， 分别称为上游气道和下游气道， 在上游气道上设有调压阀、 压力 传 感器和气源， 在下游气道上设有回压阀和压力传感器； 所述耐压筒体上设有对样品施加环 向压力的注液口， 模拟竖向地应力的压缩效应； 所述外框架对轴向柱塞和轴向固定端固定， 实现对样品施加限定位移的边界条件； 第二步： 样品准备 根据地质资料中煤层与顶板岩层的厚度比例， 切割煤块与岩块， 将其加工成多个长方 体煤样与顶板岩 样， 顶板岩 样长度短于 煤样长度； 按照岩‑煤‑刚体的顺序组合煤样、 顶板岩样和刚性支座形成夹层结构， 简称煤 ‑岩组合 体， 在顶板岩样的一个端面粘贴橡胶垫为其弯曲变形提供柔性空间， 使顶板岩样与煤样的 长度相同； 在煤样侧 面靠近橡胶垫块位置沿竖向电阻粘贴应变片， 在顶板岩样顶面靠近橡 胶垫块的位置， 沿长度方向粘贴电阻应 变片； 第三步： 对煤‑岩组合体施加组合压力 首先将一组煤 ‑岩组合体插入密封套内， 再将密封胶套放入耐压筒体内， 煤 ‑岩组合体 有橡胶垫块的端面接触渗 流夹持器的轴向柱塞， 另一端面接触夹持器的轴向固定端； 对煤‑岩组合体施加环压， 使密封套会挤压煤 ‑岩组合体与轴向柱塞和轴向固定端之间 的空隙； 再开启气源使用上游压力调节阀控制进入煤样的气体压力， 煤样的下游压力值可 由回压阀控制， 等待煤样排出气体流量趋于稳定后， 记录此时压力传感器监测到夹持器的 上游压力p上、 下游压力p下， 以及利用流量计监测到排出气体的流量Q， 煤样应变ε煤‑竖 向与岩石 应变 ε岩通过布设的电阻应 变片监测； 第四步： 煤 ‑岩界面的边界条件试验 在某一环 压σ环 向与压差p上‑p下条件下， 根据观测的煤应变 ε煤‑竖 向与顶板岩样应变 ε岩利用数 据分析确定煤 ‑岩界面的边界条件； 数据分析时， 首先分别计算出在某一测试条件下的煤样 的压缩变形量Δd以及顶板岩样弯曲的挠度w； 其次比较煤样变形量Δd与顶板岩样挠度w， 根据两者的大小关系判定煤 ‑岩界面的边界条件， 如果是应力控制条件， 需要重新确定煤 ‑ 岩界面正应力σ煤‑岩； 4.5： 改变环压σ环向与压差p上‑p下的组合条件按照步骤三和四重新试验， 从而得到煤 ‑岩 界面在新的环压σ环 向与压差p上‑p下条件下的边界条件， 以及对应的煤 ‑岩界面正应力σ煤‑岩， 以 此类推， 不断改变环压σ环向与压差p上‑p下的组合条件， 从而得到煤 ‑岩界面在不同环压σ环向与 压差p上‑p下的组合条件下的边界条件， 以及对应的煤 ‑岩界面正应力σ煤‑岩； 第五步： 渗透率测试 根据第三步监测到的排出气体流量Q， 根据下式计算不同上游压力p上、 下游压力p下与环 向压力σ环 向条件下煤 ‑岩组合体的渗透率； 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114720350 A 2式中： β 是气体黏度； A是煤样横截面积； L是煤‑岩组合体煤样长度； Q是气体流 量； 至此， 就得到煤 ‑岩组合体在不同上游压力p上、 下游压力p下与环向压力σ环向条件下对应 的边界条件及其对应的渗透率； 第六步： 对比不同压力p上、 下游压力p下与环向压力σ环向条件下煤 ‑岩组合体的边界条件 和渗透率差异， 优选出限定体积下 的环向压力以及气压值， 为高效开发煤层气资源提供工 艺参数。 2.如权利要求1所述的评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法， 其特征在于， 步骤四 中煤‑岩界面的边界条件试验的具体过程 为： 4.1： 根据实际地层处于三向压缩状态， 顶板岩石在夹持器 内受到水平向压力与环向压 力； 在顶板岩样顶面粘贴应变片的位置选取单元体， 该单元体受到三个方向的主应力σ1代 表上‑下方向主应力、 σ2代表前‑后方向主应力、 σ3代表左‑右方向的主应力， 由于煤 ‑岩组合 体受到耐压筒体内液压σ环 向作用， 且岩石弯曲变形属于小变形范围， 可以判定σ1＝σ2＝σ环 向， σ3为岩石的弯曲正应力σ弯 曲； 4.2： 计算岩石弯曲变形的挠度w 根据广义胡克定律， 单元体在σ3方向上的应变ε3＝ε岩可表达为ε3＝[σ3‑μ岩( σ2+σ1)]/E岩， 由于σ1＝σ2＝σ环 向， 可得出σ3＝ε3E岩+2 μ岩σ环 向， 其中， μ岩为顶板岩样的泊松比， E岩为顶板岩样的 弹性模量； 根据梁弯曲应力表达式σ3＝My/Iz， 可以确定顶板岩样的弯矩M＝σ3Iz/y， 其中Iz＝bh3/ 12是顶板岩 样的惯性矩， h是顶板岩 样截面的高度， b是顶板岩 样截面的宽度， y＝h /2； 根据顶板岩样变形的曲率半径ρ ＝E岩Iz/M， 与顶板岩样转角 θ＝L/ρ， 得到顶板岩样弯曲 变形的挠度 其中L为煤‑岩组合体的长度； 4.3： 计算煤变形量Δd 根据固体 应变表达式ε煤‑竖 向＝Δd/d， 可计算出煤样变形Δd＝d ·ε煤‑竖 向； 其中Δd为煤样变形量， d为煤样初始厚度； 4.4： 判定 煤‑岩界面的边界条件 比较w与Δd大小， 判定 煤‑岩界面在某一环压σ环 向与压差p上‑p下条件下的边界条件， 即： (1)如果w＜Δd， 煤样品的边界可定义为限定体积条件， 说明此时施加在煤 ‑岩组合体 上的环压和上、 下游气压虽然使顶板岩样发生变形， 但顶板岩样没有压缩煤样， 该环压和上 下游压差组合是有利于 煤层气体渗 流； (2)如果w＝Δd， 煤样的边界可认为是应力控制条件， 说明此时施加在煤 ‑岩组合体上 的环压和上、 下游气 压不仅使顶板岩样与煤样出现同步变形， 而且改变了在煤 ‑岩界面上的 正应力， 因此， 需要重新确定 煤‑岩界面正应力σ煤‑岩。 3.如权利要求2所述的评价岩石变形影响煤体渗透性的试验方法， 其特征在于， 确定 煤‑岩界面正应力σ煤‑岩的步骤是： 1)在煤样侧面布设应变片的位置选取单元体， 该单元体受到三个方向的主应力σ环向代权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114720350 A 3