深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法与流程

1.本发明涉及深部煤层瓦斯水力开采、煤矿瓦斯灾害注水防治技术领域，特别涉及一种深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法。


背景技术：

2.深部煤炭原位赋存环境应力增大、地温升高，导致煤体内瓦斯流动阻力大，常利用水力压裂、煤层注水等手段改变煤体透气性，增强瓦斯解吸运移能力，提高煤层瓦斯抽采率。煤体注水过程中，液体进入含气煤体并吸着在煤体有机质表面，储层的含水饱和度上升，液－气界面张力增大，流体粘度增强，进而造成气相流动阻力增大，含气煤体气相渗透率下降，产生严重的水锁伤害。在深部煤与瓦斯资源开采中，煤体注水后的水锁伤害会造成瓦斯抽采能力降低、作业成本增加、气藏开发经济效益差等问题，严重影响了含瓦斯煤体的开发与评价。因此，精准评价含瓦斯煤体水锁强度，对进一步掌握煤炭领域水锁效应以及指导现场应用开发具有重大意义。
3.目前，石油储层水锁伤害评价方法比较成熟，常用的静态岩心流动实验法、岩样浸泡法，主要监测岩芯水锁前后渗透率变化规律，进而评价水锁强度。与石油储层相比，煤储层具有极强吸附性，原位煤体在地应力、地温控制下赋存大量吸附、游离瓦斯，在注水作用中含瓦斯煤储层气－液交换原理及水锁性质与石油储层差别显著，因而石油储层水锁评价方法已不能完全适用于含瓦斯煤储层。煤储层注水目标是强化瓦斯抽采、提升采收效率、降低瓦斯含量，那么注水后瓦斯在煤体中的滞留程度可作为水锁评价的宏观效应，更直观表达了水锁后瓦斯抽采能力变化规律，同时结合含气煤储层渗透率水锁损害强度，形成了包括煤储层封堵强度和瓦斯解吸抑制强度的综合水锁评价指标。如公开号为cn215678199u的专利公开了一种水锁伤害测试装置，该装置包括地质环境模拟模块，用于放置样本并提供模拟的地质环境；液相注入模块，用于向样本注入液体；气相注入模块，用于向样本注入气体；测试模块，包括用于获得样本电阻率数据的电阻率测试单元和获取样本纵横波数据的声波测试单元；测试模块与地质环境模拟模块、液相注入模块和气相注入模块相连，用于根据不同环境下测得的电阻率数据和纵横波数据确定样本的水锁伤害数据。该专利提供的水锁伤害测试装置通过模拟样本所处的地质环境、压裂液注入和返排过程、获取样本在不同环境下的电阻率数据和纵横波数据，进而确定样本的水锁伤害数据。该专利中的水锁伤害测试装置测试条件与现场实际不一致、评价指标单一、应用性差以及缺少煤体吸附瓦斯、注水、水锁连续性研究。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种深部原位煤体水锁强度测试装置、测试方法及评价方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.深部原位煤体水锁强度测试装置，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系
统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统；
7.其中，所述增压注气系统包括甲烷气瓶、增压泵、增压泵进气阀、增压泵出气阀、高压储气罐、第一调压阀、第一高压截止阀；所述增压泵与甲烷气瓶通过第一管路连接，在第一管路上设置增压泵进气阀，增压泵与高压储气罐进气口之间通过第二管路连接，在第二管路上设置增压泵出气阀，高压储气罐出气口上设置第一支管路，在第一支管路上设置第一调压阀和第一高压截止阀；
8.所述气密性检测系统包括氦气气瓶、第二调压阀、高压截止阀；氦气气瓶通过第二支管路与第一支管路汇合后与第三管路连接，在第二支管路上设置第二调压阀和第二高压截止阀；
9.所述解吸测试系统包括高低温程序控制箱、参考罐、高压煤样罐、第九高压截止阀、第一温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀；参考罐和高压煤样罐置于高低温程序控制箱中，参考罐进气口与第三管路相连接，参考罐出气口与第四管路相连接，高压煤样罐上方设置第五管路及第一温度传感器，高压煤样罐下方与进气管路相连接，在进气管路上设置第九高压截止阀，第九高压截止阀置于高低温程序控制箱内部；
10.所述注水系统包括高压注水泵、第八高压截止阀，所述高压注水泵出水端通过第六管路与进气管路相连接，在第六管路上设置第八高压截止阀；
11.所述渗透率测试系统包括三轴夹持器、硅油、应力泵、恒温水浴槽、第二温度传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第五高压截止阀、第六高压截止阀、第七高压截止阀、第四气动阀；所述三轴夹持器置于恒温水浴槽中，在三轴夹持器内部填充有硅油，三轴夹持器底端设有第一端口和第二端口，所述第一端口通过第七管路与应力泵相连接，所述第二端口通过第八管路与进气管路相连接，在第七管路上设置第五高压截止阀，在第八管路上设置第六高压截止阀，在所述三轴夹持器顶端的出气口与第九管路相连接，在第九管路上设置出气端压力传感器和第四气动阀，进气管路与进气端压力传感器相连接；
12.所述抽真空系统包括真空泵、真空计、第三高压截止阀、第三气动阀；真空泵通过第十管路与真空计进气口相连接，真空计出气口设置有第十一管路，在第十一管路上设置第三高压截止阀和第三气动阀；
13.所述第四管路、第五管路均连接至第十一管路，进气管路与第十一管路第十二管路相连接，在所述第十二管路上设置高压截止阀和第九气动阀；
14.还包括：第十三管路、第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路、第七支管路、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、排空阀、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器；所述第九管路、第十一管路末端均与第十三管路连接，在第十三管路依次连接有第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路及第七支管路，第三支管路末端设置排空阀，在第四支管路上设置有第五气动阀和第一流量传感器，在第五支管路上设置有第六气动阀和第二流量传感器，在第六支管路上设置有第七气动阀和第三流量传感器，在第七支管路上设置有第八气动阀和第四流量传感器；
15.所述第一压力传感器、第二压力传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀、第六气动
阀、第七气动阀、第八气动阀、第九气动阀均与数据采集系统相连接。
16.进一步地，所述甲烷气瓶内的甲烷纯度为99.999％，所述氦气气瓶内的氦气纯度为99.999％。
17.进一步地，所述第二温度传感器置于三轴夹持器腔内，第二温度传感器用于监测三轴夹持器内部温度。
18.进一步地，所述硅油充满三轴夹持器腔内。
19.进一步地，所述第一流量传感器测试流速范围为0～80l/min，精度5％；所述第二流量传感器测试流速范围为0～3000ml/min，精度0.2％；所述第三流量传感器测试流速范围为0～500ml/min，精度0.2％；所述第四流量传感器测试流速范围为0～50ml/min，精度0.2％。
20.本发明同时提供一种深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，采用上述深部原位煤体水锁强度测试装置实现，包括以下步骤：
21.a.制作1号柱煤和2号柱煤并干燥：采集待评价的煤储层煤芯，每个煤芯须制作2套柱煤，编号为1号和2号，分别用于煤体瓦斯含量测试和渗透率测试；将1号柱煤和2号柱煤均置于105℃环境下持续干燥，直至煤重不再变化，视为干燥完成，称取1号柱煤重量为煤重量g
m1
，2号柱煤重量为煤重量g
m2
；
22.b.对测试装置进行气密性检测：关闭测试装置所有高压截止阀、气动阀，依次打开第二高压截止阀、第二调压阀，向参考罐、高压煤样罐充入氦气，读取第一压力传感器、第二压力传感器的氦气压力分别为p
h1
、p
h2
，关闭第二调压阀、第二高压截止阀，持续观察第一压力传感器、第二压力传感器在12h内p
h1
、p
h2
数值不变，确认测试装置气密性良好，可以开始测试工作；
23.c.将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐中，并对解吸测试系统真空脱气：将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐中，关闭第一高压截止阀、第二高压截止阀、第九高压截止阀、第三气动阀、第九气动阀，打开第一气动阀、第二气动阀、第三高压截止阀，启动真空泵、真空计对解吸测试系统进行真空脱气，当真空计显示真空度降至10pa以下，依次关闭第一气动阀、第二气动阀、第三高压截止阀之后，关闭真空泵；
24.d.调节高低温程序控制箱温度至待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t：打开高低温程序控制箱，温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第一温度传感器显示为t；
25.e.甲烷自增压泵增压后输入高压储气罐：启动增压泵，打开增压泵进气阀，甲烷经增压泵加压后，打开增压泵出气阀，将不低于10mpa甲烷气体输入高压储气罐，随后依次关闭增压泵进气阀、增压泵、增压泵出气阀；
26.f.向参考罐充入甲烷：先打开第一高压截止阀，1min后再打开第一调压阀，高压储气罐向参考罐充入甲烷，当第一压力传感器显示为p
c1
时，依次关闭第一调压阀、第一高压截止阀，此时p
c1
不低于模拟待评价煤储层原位环境瓦斯压力p的2倍；
27.g.向高压煤样罐充入甲烷，对高压煤样罐中的1号柱煤进行吸附甲烷平衡，并计算1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量q
sx
：打开第二气动阀，1min后打开第一气动阀快速向高压煤样罐充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀、第二气动阀，期间通过参考罐反复向高压煤样罐补充甲烷气体，当第二压力传感器显示压力持续12h不变，表明1号柱煤吸附甲烷平衡，
此时第二压力传感器示数为p，p为模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；在注气完成后，记录第一压力传感器显示压力为p
c2
；
28.按照公式(1)计算参考罐向高压煤样罐充入甲烷总量，即为1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量q
sx
：
[0029][0030]
式中：q
sx
—1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量，ml/g；vc—参考罐和充气管路的体积和，ml，所述充气管路包括第三高压截止阀至第三气动阀之间的管路、第四管路、第二气动阀至第十一管路之间的管路、第九气动阀至第十一管路之间的管路；p
c1
—向高压煤样罐充气前，第一压力传感器监测参考罐的平衡压力，mpa；p
c2
—注气完成后，第一压力传感器监测参考罐平衡压力，mpa；z
c1
—在压力p
c1
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；z
c2
—在压力p
c2
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；t—高低温程序控制箱设置的实验温度，即待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度，℃；
[0031]
h.向高压煤样罐内吸附甲烷平衡的1号柱煤注水：启动高压注水泵，依次打开第八高压截止阀、第九高压截止阀，向已吸附甲烷平衡的1号柱煤注水，注入水量重量为g
s1
时停止注水，依次关闭第九高压截止阀、第八高压截止阀、高压注水泵；
[0032]
i.注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h，计算煤体瓦斯滞留系数η：完成注水24h后，依次打开排空阀、第三气动阀，高压煤样罐内的游离甲烷沿管路快速向外释放，当第二压力传感器显示压力为零时，迅速关闭排空阀，与此同时数据采集系统发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，解吸时间持续24h，关闭第二气动阀、第三气动阀，解吸流程完成，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器记录的累计解吸量为注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h的解吸量q
sj
；
[0033]
并通过公式(2)～公式(4)计算煤体瓦斯滞留系数η，具体为：
[0034]
通过公式(2)计算常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量为qg：
[0035][0036]
式中：qg—常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量，ml/g；a—吸附常数，ml/g；b—吸附常数，mpa-1
；a
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境灰分，％；m
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境的水分，％；
[0037]
通过公式(3)计算水锁状态下1号柱煤瓦斯含量为qs：
[0038]qs
＝q
sx-q
sj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0039]
式中：qs—水锁状态下1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
sx
—注水前1号柱煤瓦斯吸附量，ml/g；q
sj
—注水后1号柱煤自然解吸24h的解吸量，ml/g；
[0040]
因水锁作用造成煤体瓦斯滞留于孔隙中，常压状态下含水煤体瓦斯含量大于干燥煤体瓦斯含量，通过公式(4)计算煤体瓦斯滞留系数η：
[0041]
[0042]
式中：η—煤体瓦斯滞留系数，％；qs—水锁状态下1号柱煤瓦斯含量，ml/g；qg—常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
sx
—注水前1号柱煤瓦斯吸附量，ml/g；q
sj
—注水后1号柱煤自然解吸24h的解吸量，ml/g；a—吸附常数，ml/g；b—吸附常数，mpa-1
；a
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境灰分，％；m
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境的水分，％；
[0043]
j.对干燥后的2号柱煤进行密封处理，将其置于三轴夹持器内，并进行水浴恒温控制：用热缩管对2号柱煤进行密封处理，然后置于三轴夹持器内，启动恒温水浴槽，将水浴温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第二温度传感器显示为t；
[0044]
k.通过应力泵向2号柱煤施加轴压p
y1
和围压p
y2
，以达到待评价煤储层所处深部原位环境的地应力：打开第五高压截止阀，启动应力泵向2号柱煤施加轴压p
y1
和围压p
y2
，当轴压p
y1
和围压p
y2
达到待评价煤储层所处深部原位环境的地应力后，维持应力泵运行强度不变；
[0045]
l.向三轴夹持器充入甲烷，并对2号柱煤吸附甲烷平衡：打开第六高压截止阀、第九高压截止阀、第七高压截止阀、第九气动阀，1min后打开第一气动阀快速向三轴夹持器充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀、第九气动阀，期间通过参考罐反复向三轴夹持器补充甲烷，当进气端压力传感器、出气端压力传感器同时显示压力持续12h不变，表明2号柱煤吸附甲烷平衡，此时进气端压力传感器、出气端压力传感器示数均达到压力p，p即模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；
[0046]
m.计算含瓦斯干燥2号柱煤渗透率kg：依次打开第四气动阀、第九气动阀、第一气动阀，同时启动数据采集系统并发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，当甲烷流经2号柱煤的流量稳定后，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器采集稳定流量为三轴夹持器出气口处气体流量q，进气端压力传感器显示压力值为三轴夹持器第二端口处气体压力p
g1
，出气端压力传感器904显示的压力值为三轴夹持器出气口处气体压力p
g2
；按照公式(5)计算含瓦斯干燥2号柱煤渗透率kg；
[0047][0048]
式中：kg—含瓦斯干燥2号柱煤渗透率，10-15
m2；q—三轴夹持器出气口处气体流量，ml/s；pa—大气压力，mpa；μ—瓦斯流体动力粘度，mpa
·
s；l2—2号柱煤长度，cm；a—2号柱煤的横截面积，cm2；p
g1
—三轴夹持器第二端口处气体压力，mpa；p
g2
—三轴夹持器出气口处气体压力，mpa；
[0049]
n.继续向三轴夹持器中的2号柱煤补充甲烷至2号柱煤吸附甲烷平衡：关闭第四气动阀，利用参考罐继续向三轴夹持器中的2号柱煤补充甲烷，当进气端压力传感器、出气端压力传感器同时显示压力为p且持续12h不变，表明2号柱煤吸附甲烷平衡，随后关闭第一气动阀、第九气动阀、第九高压截止阀、第七高压截止阀；
[0050]
o.向三轴夹持器内已吸附甲烷平衡的2号柱煤注水：开启高压注水泵，打开第八高压截止阀，向已吸附甲烷平衡的2号柱煤注水，注入水量重量为g
s2
时停止注水，依次关闭第八高压截止阀、高压注水泵；
[0051]
p.计算注水后水锁状态下煤体渗透率ks：完成注水24h后，依次打开第四气动阀、第九高压截止阀、第九气动阀、第一气动阀，同时启动数据采集系统，并发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，当甲烷流经2号柱煤的流量稳定后，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器采集稳定流量为三轴夹持器出气口处气体流量q，进气端压力传感器显示压力值为三轴夹持器第二端口处气体压力p
s1
，出气端压力传感器显示的压力值为三轴夹持器出气口处气体压力p
s2
；按照公式(6)计算注水后水锁状态下煤体渗透率ks；
[0052][0053]
式中：ks—注水后水锁状态下煤体渗透率，10-15
m2；q—三轴夹持器出气口处气体流量，ml/s；pa—大气压力，mpa；μ—瓦斯流体动力粘度，mpa
·
s；l2—2号柱煤长度，cm；a—2号柱煤的横截面积，cm2；p
s1
—三轴夹持器第二端口处气体压力，mpa；p
s2
—三轴夹持器出气口处气体压力，mpa；
[0054]
q.计算煤体渗透率损伤系数λ：根据公式(5)和(6)计算得到的kg和ks，按照公式(7)计算煤体渗透率损伤系数λ；
[0055][0056]
式中：λ—煤体渗透率损伤系数，％；kg—含瓦斯干燥2号柱煤渗透率，10-15
m2；ks—注水后水锁状态下煤体渗透率，10-15
m2；
[0057]
r.实验测试流程结束。
[0058]
进一步地，所述步骤h中的注入水量重量g
s1
不大于1号柱煤重量g
m1
的15％。
[0059]
进一步地，所述步骤o中的注入水量重量g
s2
不大于2号柱煤重量g
m2
的15％。
[0060]
进一步地，所述步骤i和步骤m中，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器的原则为：当3000ml/min≤v＜80l/min，第五气动阀自动打开，由第一流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当500ml/min≤v＜3000ml/min，第六气动阀自动打开，由第二流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当50ml/min≤v＜500ml/min，第七气动阀自动打开，由第三流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当0＜v＜50ml/min，第八气动阀自动打开，由第四流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量。
[0061]
本发明同时还提供一种深部原位煤体水锁强度的评价方法，按照前述测试方法得到的煤体瓦斯滞留系数η和煤体渗透率损伤系数λ，根据表1综合评价深部原位煤体水锁强度：
[0062]
表1深部原位煤体水锁强度综合评价表
[0063]
煤体瓦斯滞留系数η(％)煤体渗透率损伤系数λ(％)深部原位煤体水锁强度评价等级≤10≤5无10～405～30弱40～8030～60中等
≥8070～100强
。
[0064]
采用上述技术方案，与现有技术研究相比，本发明具有如下优势：
[0065]
本发明建立了深部高应力、高地温、高瓦斯压力条件下原位煤体注水水锁强度实验测试装置及测试方法，并提出了煤体渗透率损伤系数λ和煤体瓦斯滞留系数η的双重评价指标，构建了一套水锁强度定量评价方法，能够准确评价深部煤体原位环境含瓦斯煤体注水后水锁强度，科学指导煤体实施水力化措施应用。具体的有益效果如下：
[0066]
(1)本发明的深部原位煤体水锁强度测试装置可以通过一套装置实现煤体瓦斯含量测试和渗透率测试，获得煤体瓦斯滞留系数η、煤体渗透率损伤系数λ，实现对煤样水锁强度的综合评价，实验测试及数据采集基本实现了自动化、精密化，操作简便、结果精准、运行高效。
[0067]
(2)本发明建立了煤体瓦斯滞留系数η、煤体渗透率损伤系数λ双重指标及评价规则，煤体瓦斯滞留系数η表征了煤储层注水对瓦斯抽采能力影响强度，煤体渗透率损伤系数λ实现了煤储层在水锁影响下自身属性量化转变，两者结合达到了煤储层水锁强度综合评价，结果更真实、更准确、更可靠。
[0068]
(3)本发明可实现深部高地应力、高地温、高瓦斯压力的原位环境下煤体吸附瓦斯、后置注水、水锁后解吸全流程测试，能够准确反映出含瓦斯煤储层在地层环境影响下注水对瓦斯运移、封堵的影响，能够准确评价不同原位环境煤储层水锁伤害程度，掌握水力化措施对煤储层水锁伤害规律，为实际煤层瓦斯强化抽采、瓦斯灾害治理等作业决策提供依据。
附图说明
[0069]
图1为本发明的深部原位煤体水锁强度测试装置的结构示意图；
[0070]
图2为本发明的深部原位煤体水锁强度测试装置的数据采集系统的连接示意图；
[0071]
图3是本发明的深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法流程图；
[0072]
图中：1－甲烷气瓶；201－增压泵进气阀；202－增压泵出气阀；203－第一高压截止阀；204－第二高压截止阀；205－第三高压截止阀；206－第四高压截止阀；207－第五高压截止阀；208－第六高压截止阀；209－第七高压截止阀；210－第八高压截止阀；211－第九高压截止阀；
[0073]
3－增压泵；401－第一调压阀；402－第二调压阀；5－高压储气罐；6－参考罐；7－高压煤样罐；701－进气管路；8－高低温程序控制箱；901－第一压力传感器；902－第二压力传感器；903－进气端压力传感器；904－出气端压力传感器；10－三轴夹持器；11－硅油；12－应力泵；13－恒温水浴槽；141－第一温度传感器；142－第二温度传感器；15－第一流量传感器；16－第二流量传感器；17－第三流量传感器；18－第四流量传感器；191－第一气动阀；192－第二气动阀；193－第三气动阀；194－第四气动阀；195－第五气动阀；196－第六气动阀；197－第七气动阀；198－第八气动阀；199－第九气动阀；20－排空阀；21—氦气气瓶；22－真空泵；23－真空计；24－数据采集系统；25－高压注水泵；
[0074]
26－第一管路；27－第二管路；28－第三管路；29－第一支管路；30－第二支管路；31－第四管路；32－第五管路；33－第六管路；34－第七管路；35；第八管路；36－第九管路；
37－第十管路；38－第十一管路；39－第十二管路；40－第十三管路；41－第三支管路；42－第四支管路；43－第五支管路；44－第六支管路；45－第七支管路。
具体实施方式
[0075]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076]
实施例一
[0077]
请参阅图1－图2，深部原位煤体水锁强度测试装置，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统；
[0078]
其中，所述增压注气系统包括甲烷气瓶1、增压泵3、增压泵进气阀201、增压泵出气阀202、高压储气罐5、第一调压阀401、第一高压截止阀203；所述增压泵3与甲烷气瓶1通过第一管路26连接，在第一管路26上设置增压泵进气阀201，增压泵3与高压储气罐5进气口之间通过第二管路27连接，在第二管路27上设置增压泵出气阀202，高压储气罐5出气口上设置第一支管路29，在第一支管路29上设置第一调压阀401和第一高压截止阀203；
[0079]
所述气密性检测系统包括氦气气瓶21、第二调压阀402、第二高压截止阀204；氦气气瓶21通过第二支管路30与第一支管路29汇合后与第三管路28连接，在第二支管路30上设置第二调压阀402和第二高压截止阀204；
[0080]
所述解吸测试系统包括高低温程序控制箱8、参考罐6、高压煤样罐7、第九高压截止阀211、第一温度传感器141、第一压力传感器901、第二压力传感器902、第一气动阀191、第二气动阀192、第三气动阀193；参考罐6和高压煤样罐7置于高低温程序控制箱8中，参考罐6进气口与第三管路28相连接，参考罐6出气口与第四管路31相连接，高压煤样罐7上方设置第五管路32及第一温度传感器141，高压煤样罐7下方与进气管路701相连接，在进气管路701上设置第九高压截止阀211，第九高压截止阀211置于高低温程序控制箱8内部；
[0081]
所述注水系统包括高压注水泵25、第八高压截止阀210，所述高压注水泵25出水端通过第六管路33与进气管路701相连接，在第六管路33上设置第八高压截止阀210；
[0082]
所述渗透率测试系统包括三轴夹持器10、硅油11、应力泵12、恒温水浴槽13、第二温度传感器142、进气端压力传感器903、出气端压力传感器904、第五高压截止阀207、第六高压截止阀208、第七高压截止阀209、第四气动阀194；所述三轴夹持器10置于恒温水浴槽13中，在三轴夹持器10内部填充有硅油11，三轴夹持器10底端设有第一端口和第二端口，所述第一端口通过第七管路34与应力泵12相连接，应力泵12通过第一端口向三轴夹持器10内输入真空泵油，所述第二端口通过第八管路35与进气管路701相连接，通过第二端口向三轴夹持器10内进气，在第七管路34上设置第五高压截止阀207，在第八管路35上设置第六高压截止阀208，在所述三轴夹持器10顶端的出气口与第九管路36相连接，在第九管路36上设置出气端压力传感器904和第四气动阀194，进气管路701与进气端压力传感器903连接；
[0083]
所述抽真空系统包括真空泵22、真空计23、第三高压截止阀205、第三气动阀193；真空泵22通过第十管路37与真空计23进气口相连接，真空计23出气口设置有第十一管路38，在第十一管路38上设置第三高压截止阀205和第三气动阀193；
[0084]
所述第四管路31、第五管路32均连接至第十一管路38，进气管路701与第十一管路38通过第十二管路39相连接，在所述第十二管路39上设置高压截止阀206和第九气动阀199；
[0085]
还包括：第十三管路40、第三支管路41、第四支管路42、第五支管路43、第六支管路44、第七支管路45、第五气动阀195、第六气动阀196、第七气动阀197、第八气动阀198、排空阀20、第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18；所述第九管路36、第十一管路38末端均与第十三管路40连接，在第十三管路40依次连接有第三支管路41、第四支管路42、第五支管路43、第六支管路44及第七支管路45，第三支管路41末端设置排空阀20，在第四支管路42上设置有第五气动阀195和第一流量传感器15，在第五支管路43上设置有第六气动阀196和第二流量传感器16，在第六支管路44上设置有第七气动阀197和第三流量传感器17，在第七支管路45上设置有第八气动阀198和第四流量传感器18；
[0086]
所述第一压力传感器901、第二压力传感器902、进气端压力传感器903、出气端压力传感器904、第一温度传感器141、第二温度传感器142、第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18、第一气动阀191、第二气动阀192、第三气动阀193、第四气动阀194、第五气动阀195、第六气动阀196、第七气动阀197、第八气动阀198、第九气动阀199均与数据采集系统24相连接。
[0087]
所述甲烷气瓶1内的甲烷纯度为99.999％，所述氦气气瓶21内的氦气纯度为99.999％。
[0088]
所述第二温度传感器142置于三轴夹持器10腔内，第二温度传感器142用于监测三轴夹持器10内部温度。
[0089]
所述硅油11充满三轴夹持器10腔内，应力泵12通过硅油11作为动力介质，可向三轴夹持器10同时施加轴压和围压，用于模拟待评价煤储层所处深部原位环境的地应力。
[0090]
所述第一流量传感器15测试流速范围为0～80l/min，精度5％；所述第二流量传感器16测试流速范围为0～3000ml/min，精度0.2％；所述第三流量传感器17测试流速范围为0～500ml/min，精度0.2％；所述第四流量传感器18测试流速范围为0～50ml/min，精度0.2％。
[0091]
本发明中的第一管路26、第二管路27、第三管路28、第一支管路29、第二支管路30、第四管路31、第五管路32、第六管路33、第七管路34、第八管路35、第九管路36、第十管路37、第十一管路38、第十二管路39、第十三管路40、第三支管路41、第四支管路42、第五支管路43、第六支管路44、第七支管路45、进气管路701均为直径2mm的高压管路。
[0092]
实施例二
[0093]
参照图3，一种深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，采用实施例一中的深部原位煤体水锁强度测试装置实现，包括以下步骤：
[0094]
a.制作1号柱煤和2号柱煤并干燥：采集待评价的煤储层煤芯，制作直径5cm、高10cm的柱煤，每个煤芯须制作2套柱煤，编号为1号和2号，分别用于煤体瓦斯含量测试和渗透率测试；将1号柱煤和2号柱煤均置于105℃环境下持续干燥，直至煤重不再变化，视为干燥完成，称取1号柱煤重量为煤重量g
m1
，2号柱煤重量为煤重量g
m2
；
[0095]
b.对测试装置进行气密性检测：关闭测试装置所有高压截止阀、气动阀，依次打开
第二高压截止阀204、第二调压阀402，向参考罐6、高压煤样罐7充入氦气，读取第一压力传感器901、第二压力传感器902的氦气压力分别为p
h1
、p
h2
，关闭第二调压阀402、第二高压截止阀204，持续观察第一压力传感器901、第二压力传感器902在12h内p
h1
、p
h2
数值不变，确认测试装置气密性良好，可以开始测试工作；
[0096]
c.将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐7中，并对解吸测试系统真空脱气：将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐7中，关闭第一高压截止阀203、第二高压截止阀204、第九高压截止阀211、第三气动阀193、第九气动阀199，打开第一气动阀191、第二气动阀192、第三高压截止阀205，启动真空泵22、真空计23对解吸测试系统进行真空脱气，当真空计23显示真空度降至10pa以下，依次关闭第一气动阀191、第二气动阀192、第三高压截止阀205之后，关闭真空泵22；
[0097]
d.调节高低温程序控制箱8温度至待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t：打开高低温程序控制箱8，温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第一温度传感器141显示为t；
[0098]
e.甲烷自增压泵增压后输入高压储气罐5：启动增压泵3，打开增压泵进气阀201，甲烷经增压泵3加压后，打开增压泵出气阀202，将不低于10mpa甲烷气体输入高压储气罐5，随后依次关闭增压泵进气阀201、增压泵3、增压泵出气阀202；
[0099]
f.向参考罐6充入甲烷：先打开第一高压截止阀203，1min后再打开第一调压阀401，高压储气罐5向参考罐6充入甲烷，当第一压力传感器901显示为p
c1
时，依次关闭第一调压阀401、第一高压截止阀203，此时p
c1
不低于模拟待评价煤储层原位环境瓦斯压力p的2倍；
[0100]
g.向高压煤样罐7充入甲烷，对高压煤样罐7中的1号柱煤进行吸附甲烷平衡，并计算1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量q
sx
：打开第二气动阀192，1min后打开第一气动阀191快速向高压煤样罐7充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀191、第二气动阀192，期间通过参考罐6反复向高压煤样罐7补充甲烷气体，当第二压力传感器902显示压力持续12h不变，表明1号柱煤吸附甲烷平衡，此时第二压力传感器902示数为p，p为模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；在注气完成后，记录第一压力传感器901显示压力为p
c2
；
[0101]
按照公式(1)计算参考罐6向高压煤样罐7充入甲烷总量，即为1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量q
sx
：
[0102][0103]
式中：q
sx
—1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量，ml/g；vc—参考罐6和充气管路的体积和，ml，所述充气管路包括第三高压截止阀205至第三气动阀193之间的管路、第四管路31、第二气动阀192至第十一管路38之间的管路、第九气动阀199至第十一管路38之间的管路；p
c1
—向高压煤样罐7充气前，第一压力传感器901监测参考罐的平衡压力，mpa；p
c2
—注气完成后，第一压力传感器901监测参考罐6平衡压力，mpa；z
c1
—在压力p
c1
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；z
c2
—在压力p
c2
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；t—高低温程序控制箱8设置的实验温度，即待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度，℃；
[0104]
h.向高压煤样罐7内吸附甲烷平衡的1号柱煤注水：启动高压注水泵25，依次打开第八高压截止阀210、第九高压截止阀211，向已吸附甲烷平衡的1号柱煤注水，注入水量重量为g
s1
时停止注水，依次关闭第九高压截止阀211、第八高压截止阀210、高压注水泵25；
[0105]
i.注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h，计算煤体瓦斯滞留系数η：完成注水24h后，依次打开排空阀20、第三气动阀193，高压煤样罐7内的游离甲烷沿管路快速向外释放，当第二压力传感器902显示压力为零时，迅速关闭排空阀20，与此同时数据采集系统24发出命令控制第五气动阀195、第六气动阀196、第七气动阀197、第八气动阀198，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18，解吸时间持续24h，关闭第二气动阀192、第三气动阀193，解吸流程完成，第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18记录的累计解吸量为注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h的解吸量q
sj
；
[0106]
并通过公式(2)～公式(4)计算煤体瓦斯滞留系数η，具体为：
[0107]
通过公式(2)计算常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量为qg：
[0108][0109]
式中：qg—常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量，ml/g；常压具体为0.1mpa；a—吸附常数，ml/g；b—吸附常数，mpa-1
；a
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境灰分，％；m
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境的水分，％；
[0110]
通过公式(3)计算水锁状态下1号柱煤瓦斯含量为qs：
[0111]qs
＝q
sx-q
sj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0112]
式中：qs—水锁状态下1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
sx
—注水前1号柱煤瓦斯吸附量，ml/g；q
sj
—注水后1号柱煤自然解吸24h的解吸量，ml/g；
[0113]
因水锁作用造成煤体瓦斯滞留于孔隙中，常压状态下含水煤体瓦斯含量大于干燥煤体瓦斯含量，通过公式(4)计算煤体瓦斯滞留系数η：
[0114][0115]
式中：η—煤体瓦斯滞留系数，％；qs—水锁状态下1号柱煤瓦斯含量，ml/g；qg—常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
sx
—注水前1号柱煤瓦斯吸附量，ml/g；q
sj
—注水后1号柱煤自然解吸24h的解吸量，ml/g；a—吸附常数，ml/g；b—吸附常数，mpa-1
；a
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境灰分，％；m
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境的水分，％；
[0116]
j.对干燥后的2号柱煤进行密封处理，将其置于三轴夹持器10内，并进行水浴恒温控制：用热缩管对2号柱煤进行密封处理，然后置于三轴夹持器10内，启动恒温水浴槽13，将水浴温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第二温度传感器142显示为t；
[0117]
k.通过应力泵12向2号柱煤施加轴压p
y1
和围压p
y2
，以达到待评价煤储层所处深部原位环境的地应力：打开第五高压截止阀207，启动应力泵12向2号柱煤施加轴压p
y1
和围压p
y2
，当轴压p
y1
和围压p
y2
达到待评价煤储层所处深部原位环境的地应力后，地应力通过现场实际测试得到，维持应力泵12运行强度不变；
[0118]
l.向三轴夹持器10充入甲烷，并对2号柱煤吸附甲烷平衡：打开第六高压截止阀208、第九高压截止阀211、第七高压截止阀209、第九气动阀199，1min后打开第一气动阀191快速向三轴夹持器10充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀191、第九气动阀199，期间通过参
考罐6反复向三轴夹持器10补充甲烷，当进气端压力传感器903、出气端压力传感器904同时显示压力持续12h不变，表明2号柱煤吸附甲烷平衡，此时进气端压力传感器903、出气端压力传感器904示数均达到压力p，p即模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；
[0119]
m.计算含瓦斯干燥2号柱煤渗透率kg：依次打开第四气动阀194、第九气动阀199、第一气动阀191，同时启动数据采集系统24并发出命令控制第五气动阀195、第六气动阀196、第七气动阀197、第八气动阀198，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18，当甲烷流经2号柱煤的流量稳定后，第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18采集稳定流量为三轴夹持器10出气口处气体流量q，进气端压力传感器903显示压力值为三轴夹持器10第二端口处气体压力p
g1
，出气端压力传感器904显示的压力值为三轴夹持器10出气口处气体压力p
g2
；按照公式(5)计算含瓦斯干燥2号柱煤渗透率kg；
[0120][0121]
式中：kg—含瓦斯干燥2号柱煤渗透率，10-15
m2；q—三轴夹持器10出气口处气体流量，ml/s；pa—大气压力，mpa，取值0.1mpa；μ—瓦斯流体动力粘度，mpa
·
s；l2—2号柱煤长度，cm，取值10cm；a—2号柱煤的横截面积，cm2，取值19.625cm2；p
g1
—三轴夹持器10第二端口处气体压力，mpa；p
g2
—三轴夹持器10出气口处气体压力，mpa；
[0122]
n.继续向三轴夹持器10中的2号柱煤补充甲烷至2号柱煤吸附甲烷平衡：关闭第四气动阀194，利用参考罐6继续向三轴夹持器10中的2号柱煤补充甲烷，当进气端压力传感器903、出气端压力传感器904同时显示压力为p且持续12h不变，表明2号柱煤吸附甲烷平衡，随后关闭第一气动阀191、第九气动阀199、第九高压截止阀211、第七高压截止阀209；
[0123]
o.向三轴夹持器10内已吸附甲烷平衡的2号柱煤注水：开启高压注水泵25，打开第八高压截止阀210，向已吸附甲烷平衡的2号柱煤注水，注入水量重量为g
s2
时停止注水，依次关闭第八高压截止阀210、高压注水泵25；
[0124]
p.计算注水后水锁状态下煤体渗透率ks：完成注水24h后，依次打开第四气动阀194、第九高压截止阀211、第九气动阀199、第一气动阀191，同时启动数据采集系统24，并发出命令控制第五气动阀195、第六气动阀196、第七气动阀197、第八气动阀198，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18，当甲烷流经2号柱煤的流量稳定后，第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18采集稳定流量为三轴夹持器10出气口处气体流量q，进气端压力传感器903显示压力值为三轴夹持器10第二端口处气体压力p
s1
，出气端压力传感器904显示的压力值为三轴夹持器10出气口处气体压力p
s2
；按照公式(6)计算注水后水锁状态下煤体渗透率ks；
[0125][0126]
式中：ks—注水后水锁状态下煤体渗透率，10-15
m2；q—三轴夹持器10出气口处气体流量，ml/s；pa—大气压力，mpa，取值0.1mpa；μ—瓦斯流体动力粘度，mpa
·
s；l2—2号柱煤长度，cm，取值10cm；a—2号柱煤的横截面积，cm2，取值19.625cm2；p
s1
—三轴夹持器10第二端
口处气体压力，mpa；p
s2
—三轴夹持器10出气口处气体压力，mpa；
[0127]
q.计算煤体渗透率损伤系数λ：根据公式(5)和(6)计算得到的kg和ks，按照公式(7)计算煤体渗透率损伤系数λ；
[0128][0129]
式中：λ—煤体渗透率损伤系数，％；kg—含瓦斯干燥2号柱煤渗透率，10-15
m2；ks—注水后水锁状态下煤体渗透率，10-15
m2；
[0130]
r.实验测试流程结束。
[0131]
所述步骤h中的注入水量重量g
s1
不大于1号柱煤重量g
m1
的15％。
[0132]
所述步骤o中的注入水量重量g
s2
不大于2号柱煤重量g
m2
的15％。
[0133]
所述步骤i和步骤m中，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器15、第二流量传感器16、第三流量传感器17、第四流量传感器18的原则为：当3000ml/min≤v＜80l/min，第五气动阀195自动打开，由第一流量传感器15监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当500ml/min≤v＜3000ml/min，第六气动阀196自动打开，由第二流量传感器16监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当50ml/min≤v＜500ml/min，第七气动阀197自动打开，由第三流量传感器17监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当0＜v＜50ml/min，第八气动阀198自动打开，由第四流量传感器18监测并记录瓦斯气体流量与解吸量。
[0134]
实施例三
[0135]
一种深部原位煤体水锁强度的评价方法，按照前述实施例二中的测试方法得到的煤体瓦斯滞留系数η和煤体渗透率损伤系数λ，根据表1综合评价深部原位煤体水锁强度：
[0136]
表1深部原位煤体水锁强度综合评价表
[0137]
煤体瓦斯滞留系数η(％)煤体渗透率损伤系数λ(％)深部原位煤体水锁强度评价等级≤10≤5无10～405～30弱40～8030～60中等≥8070～100强
。
[0138]
当煤体瓦斯滞留系数η和煤体渗透率损伤系数λ的测试结果不在表1中同一行的数值范围内时，则按照两者测试结果中数值最大的一项所属深部原位水锁强度评价等级作为判定结果。例如，当煤体瓦斯滞留系数η测试结果为50％，煤体渗透率损伤系数λ测试结果为20％时，按照煤体瓦斯滞留系数η所属深部原位水锁强度评价等级作为判定结果，即深部原位煤体水锁强度评价等级为“中等”。
[0139]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统；其中，所述增压注气系统包括甲烷气瓶、增压泵、增压泵进气阀、增压泵出气阀、高压储气罐、第一调压阀、第一高压截止阀；所述增压泵与甲烷气瓶通过第一管路连接，在第一管路上设置增压泵进气阀，增压泵与高压储气罐进气口之间通过第二管路连接，在第二管路上设置增压泵出气阀，高压储气罐出气口上设置第一支管路，在第一支管路上设置第一调压阀和第一高压截止阀；所述气密性检测系统包括氦气气瓶、第二调压阀、高压截止阀；氦气气瓶通过第二支管路与第一支管路汇合后与第三管路连接，在第二支管路上设置第二调压阀和第二高压截止阀；所述解吸测试系统包括高低温程序控制箱、参考罐、高压煤样罐、第九高压截止阀、第一温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀；参考罐和高压煤样罐置于高低温程序控制箱中，参考罐进气口与第三管路相连接，参考罐出气口与第四管路相连接，高压煤样罐上方设置第五管路及第一温度传感器，高压煤样罐下方与进气管路相连接，在进气管路上设置第九高压截止阀，第九高压截止阀置于高低温程序控制箱内部；所述注水系统包括高压注水泵、第八高压截止阀，所述高压注水泵出水端通过第六管路与进气管路相连接，在第六管路上设置第八高压截止阀；所述渗透率测试系统包括三轴夹持器、硅油、应力泵、恒温水浴槽、第二温度传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第五高压截止阀、第六高压截止阀、第七高压截止阀、第四气动阀；所述三轴夹持器置于恒温水浴槽中，在三轴夹持器内部填充有硅油，三轴夹持器底端设有第一端口和第二端口，所述第一端口通过第七管路与应力泵相连接，所述第二端口通过第八管路与进气管路相连接，在第七管路上设置第五高压截止阀，在第八管路上设置第六高压截止阀，在所述三轴夹持器顶端的出气口与第九管路相连接，在第九管路上设置出气端压力传感器和第四气动阀，进气管路与进气端压力传感器相连接；所述抽真空系统包括真空泵、真空计、第三高压截止阀、第三气动阀；真空泵通过第十管路与真空计进气口相连接，真空计出气口设置有第十一管路，在第十一管路上设置第三高压截止阀和第三气动阀；所述第四管路、第五管路均连接至第十一管路，进气管路与第十一管路第十二管路相连接，在所述第十二管路上设置高压截止阀和第九气动阀；还包括：第十三管路、第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路、第七支管路、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、排空阀、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器；所述第九管路、第十一管路末端均与第十三管路连接，在第十三管路依次连接有第三支管路、第四支管路、第五支管路、第六支管路及第七支管路，第三支管路末端设置排空阀，在第四支管路上设置有第五气动阀和第一流量传感器，在第五支管路上设置有第六气动阀和第二流量传感器，在第六支管路上设置有第七气动阀和第三流量传感器，在第七支管路上设置有第八气动阀和第四流量传感器；所述第一压力传感器、第二压力传感器、进气端压力传感器、出气端压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流
量传感器、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀、第九气动阀均与数据采集系统相连接。2.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，所述甲烷气瓶内的甲烷纯度为99.999％，所述氦气气瓶内的氦气纯度为99.999％。3.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，所述第二温度传感器置于三轴夹持器腔内，第二温度传感器用于监测三轴夹持器内部温度。4.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，所述硅油充满三轴夹持器腔内。5.如权利要求1所述的深部原位煤体水锁强度测试装置，其特征在于，其特征在于，所述第一流量传感器测试流速范围为0～80l/min，精度5％；所述第二流量传感器测试流速范围为0～3000ml/min，精度0.2％；所述第三流量传感器测试流速范围为0～500ml/min，精度0.2％；所述第四流量传感器测试流速范围为0～50ml/min，精度0.2％。6.深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，采用上如权利要求1-5中任意一项所述的深部原位煤体水锁强度测试装置实现，其特征在于，包括以下步骤：a.制作1号柱煤和2号柱煤并干燥：采集待评价的煤储层煤芯，每个煤芯须制作2套柱煤，编号为1号和2号，分别用于煤体瓦斯含量测试和渗透率测试；将1号柱煤和2号柱煤均置于105℃环境下持续干燥，直至煤重不再变化，视为干燥完成，称取1号柱煤重量为煤重量g
m1
，2号柱煤重量为煤重量g
m2
；b.对测试装置进行气密性检测：关闭测试装置所有高压截止阀、气动阀，依次打开第二高压截止阀、第二调压阀，向参考罐、高压煤样罐充入氦气，读取第一压力传感器、第二压力传感器的氦气压力分别为p
h1
、p
h2
，关闭第二调压阀、第二高压截止阀，持续观察第一压力传感器、第二压力传感器在12h内p
h1
、p
h2
数值不变，确认测试装置气密性良好，可以开始测试工作；c.将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐中，并对解吸测试系统真空脱气：将干燥后的1号柱煤置于高压煤样罐中，关闭第一高压截止阀、第二高压截止阀、第九高压截止阀、第三气动阀、第九气动阀，打开第一气动阀、第二气动阀、第三高压截止阀，启动真空泵、真空计对解吸测试系统进行真空脱气，当真空计显示真空度降至10pa以下，依次关闭第一气动阀、第二气动阀、第三高压截止阀之后，关闭真空泵；d.调节高低温程序控制箱温度至待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t：打开高低温程序控制箱，温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第一温度传感器显示为t；e.甲烷自增压泵增压后输入高压储气罐：启动增压泵，打开增压泵进气阀，甲烷经增压泵加压后，打开增压泵出气阀，将不低于10mpa甲烷气体输入高压储气罐，随后依次关闭增压泵进气阀、增压泵、增压泵出气阀；f.向参考罐充入甲烷：先打开第一高压截止阀，1min后再打开第一调压阀，高压储气罐向参考罐充入甲烷，当第一压力传感器显示为p
c1
时，依次关闭第一调压阀、第一高压截止阀，此时p
c1
不低于模拟待评价煤储层原位环境瓦斯压力p的2倍；g.向高压煤样罐充入甲烷，对高压煤样罐中的1号柱煤进行吸附甲烷平衡，并计算1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量q
sx
：打开第二气动阀，1min后打开第一气动阀快速向高压
煤样罐充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀、第二气动阀，期间通过参考罐反复向高压煤样罐补充甲烷气体，当第二压力传感器显示压力持续12h不变，表明1号柱煤吸附甲烷平衡，此时第二压力传感器示数为p，p为模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；在注气完成后，记录第一压力传感器显示压力为p
c2
；按照公式(1)计算参考罐向高压煤样罐充入甲烷总量，即为1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量q
sx
：式中：q
sx
—1号柱煤在注水前的煤体瓦斯吸附量，ml/g；v
c
—参考罐和充气管路的体积和，ml，所述充气管路包括第三高压截止阀至第三气动阀之间的管路、第四管路、第二气动阀至第十一管路之间的管路、第九气动阀至第十一管路之间的管路；p
c1
—向高压煤样罐充气前，第一压力传感器监测参考罐的平衡压力，mpa；p
c2
—注气完成后，第一压力传感器监测参考罐平衡压力，mpa；z
c1
—在压力p
c1
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；z
c2
—在压力p
c2
和温度t下甲烷的压缩因子，无量纲；t—高低温程序控制箱设置的实验温度，即待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度，℃；h.向高压煤样罐内吸附甲烷平衡的1号柱煤注水：启动高压注水泵，依次打开第八高压截止阀、第九高压截止阀，向已吸附甲烷平衡的1号柱煤注水，注入水量重量为g
s1
时停止注水，依次关闭第九高压截止阀、第八高压截止阀、高压注水泵；i.注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h，计算煤体瓦斯滞留系数η：完成注水24h后，依次打开排空阀、第三气动阀，高压煤样罐内的游离甲烷沿管路快速向外释放，当第二压力传感器显示压力为零时，迅速关闭排空阀，与此同时数据采集系统发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，解吸时间持续24h，关闭第二气动阀、第三气动阀，解吸流程完成，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器记录的累计解吸量为注水后1号柱煤自然解吸甲烷24h的解吸量q
sj
；并通过公式(2)～公式(4)计算煤体瓦斯滞留系数η，具体为：通过公式(2)计算常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量为q
g
：式中：q
g
—常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量，ml/g；a—吸附常数，ml/g；b—吸附常数，mpa-1
；a
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境灰分，％；m
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境的水分，％；通过公式(3)计算水锁状态下1号柱煤瓦斯含量为q
s
：q
s
＝q
sx-q
sj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：q
s
—水锁状态下1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
sx
—注水前1号柱煤瓦斯吸附量，ml/g；q
sj
—注水后1号柱煤自然解吸24h的解吸量，ml/g；因水锁作用造成煤体瓦斯滞留于孔隙中，常压状态下含水煤体瓦斯含量大于干燥煤体瓦斯含量，通过公式(4)计算煤体瓦斯滞留系数η：
式中：η—煤体瓦斯滞留系数，％；q
s
—水锁状态下1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
g
—常压状态下干燥1号柱煤瓦斯含量，ml/g；q
sx
—注水前1号柱煤瓦斯吸附量，ml/g；q
sj
—注水后1号柱煤自然解吸24h的解吸量，ml/g；a—吸附常数，ml/g；b—吸附常数，mpa-1
；a
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境灰分，％；m
ad
—待评价煤储层所处深部原位环境的水分，％；j.对干燥后的2号柱煤进行密封处理，将其置于三轴夹持器内，并进行水浴恒温控制：用热缩管对2号柱煤进行密封处理，然后置于三轴夹持器内，启动恒温水浴槽，将水浴温度设置为待评价煤储层所处深部原位环境的地层温度t，此时第二温度传感器显示为t；k.通过应力泵向2号柱煤施加轴压p
y1
和围压p
y2
，以达到待评价煤储层所处深部原位环境的地应力：打开第五高压截止阀，启动应力泵向2号柱煤施加轴压p
y1
和围压p
y2
，当轴压p
y1
和围压p
y2
达到待评价煤储层所处深部原位环境的地应力后，维持应力泵运行强度不变；l.向三轴夹持器充入甲烷，并对2号柱煤吸附甲烷平衡：打开第六高压截止阀、第九高压截止阀、第七高压截止阀、第九气动阀，1min后打开第一气动阀快速向三轴夹持器充入甲烷，随后依次关闭第一气动阀、第九气动阀，期间通过参考罐反复向三轴夹持器补充甲烷，当进气端压力传感器、出气端压力传感器同时显示压力持续12h不变，表明2号柱煤吸附甲烷平衡，此时进气端压力传感器、出气端压力传感器示数均达到压力p，p即模拟待评价煤储层原位环境的瓦斯压力；m.计算含瓦斯干燥2号柱煤渗透率k
g
：依次打开第四气动阀、第九气动阀、第一气动阀，同时启动数据采集系统并发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，当甲烷流经2号柱煤的流量稳定后，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器采集稳定流量为三轴夹持器出气口处气体流量q，进气端压力传感器显示压力值为三轴夹持器第二端口处气体压力p
g1
，出气端压力传感器904显示的压力值为三轴夹持器出气口处气体压力p
g2
；按照公式(5)计算含瓦斯干燥2号柱煤渗透率k
g
；式中：k
g
—含瓦斯干燥2号柱煤渗透率，10-15
m2；q—三轴夹持器出气口处气体流量，ml/s；p
a
—大气压力，mpa；μ—瓦斯流体动力粘度，mpa
·
s；l2—2号柱煤长度，cm；a—2号柱煤的横截面积，cm2；p
g1
—三轴夹持器第二端口处气体压力，mpa；p
g2
—三轴夹持器出气口处气体压力，mpa；n.继续向三轴夹持器中的2号柱煤补充甲烷至2号柱煤吸附甲烷平衡：关闭第四气动阀，利用参考罐继续向三轴夹持器中的2号柱煤补充甲烷，当进气端压力传感器、出气端压力传感器同时显示压力为p且持续12h不变，表明2号柱煤吸附甲烷平衡，随后关闭第一气动阀、第九气动阀、第九高压截止阀、第七高压截止阀；o.向三轴夹持器内已吸附甲烷平衡的2号柱煤注水：开启高压注水泵，打开第八高压截止阀，向已吸附甲烷平衡的2号柱煤注水，注入水量重量为g
s2
时停止注水，依次关闭第八高
压截止阀、高压注水泵；p.计算注水后水锁状态下煤体渗透率k
s
：完成注水24h后，依次打开第四气动阀、第九高压截止阀、第九气动阀、第一气动阀，同时启动数据采集系统，并发出命令控制第五气动阀、第六气动阀、第七气动阀、第八气动阀，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器，当甲烷流经2号柱煤的流量稳定后，第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器采集稳定流量为三轴夹持器出气口处气体流量q，进气端压力传感器显示压力值为三轴夹持器第二端口处气体压力p
s1
，出气端压力传感器显示的压力值为三轴夹持器出气口处气体压力p
s2
；按照公式(6)计算注水后水锁状态下煤体渗透率k
s
；式中：k
s
—注水后水锁状态下煤体渗透率，10-15
m2；q—三轴夹持器出气口处气体流量，ml/s；p
a
—大气压力，mpa；μ—瓦斯流体动力粘度，mpa
·
s；l2—2号柱煤长度，cm；a—2号柱煤的横截面积，cm2；p
s1
—三轴夹持器第二端口处气体压力，mpa；p
s2
—三轴夹持器出气口处气体压力，mpa；q.计算煤体渗透率损伤系数λ：根据公式(5)和(6)计算得到的k
g
和k
s
，按照公式(7)计算煤体渗透率损伤系数λ；式中：λ—煤体渗透率损伤系数，％；k
g
—含瓦斯干燥2号柱煤渗透率，10-15
m2；k
s
—注水后水锁状态下煤体渗透率，10-15
m2；r.实验测试流程结束。7.如权利要求6所述的深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤h中的注入水量重量g
s1
不大于1号柱煤重量g
m1
的15％。8.如权利要求6所述的深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤o中的注入水量重量g
s2
不大于2号柱煤重量g
m2
的15％。9.如权利要求6所述的深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤i和步骤m中，按照甲烷流量v大小分别自动切换控制第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器的原则为：当3000ml/min≤v＜80l/min，第五气动阀自动打开，由第一流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当500ml/min≤v＜3000ml/min，第六气动阀自动打开，由第二流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当50ml/min≤v＜500ml/min，第七气动阀自动打开，由第三流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量；当0＜v＜50ml/min，第八气动阀自动打开，由第四流量传感器监测并记录瓦斯气体流量与解吸量。10.深部原位煤体水锁强度的评价方法，按照如权利要求6-9中任意一项所述的深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法得到的煤体瓦斯滞留系数η和煤体渗透率损伤系数λ，根据表1综合评价深部原位煤体水锁强度：表1深部原位煤体水锁强度综合评价表
煤体瓦斯滞留系数η(％)煤体渗透率损伤系数λ(％)深部原位煤体水锁强度评价等级≤10≤5无10～405～30弱40～8030～60中等≥8070～100强。

技术总结
本发明公开了一种深部原位煤体水锁强度测试装置，包括增压注气系统、气密性检测系统、抽真空系统、解吸测试系统、注水系统、渗透率测试系统、数据采集系统。本发明同时提供一种深部原位煤体水锁强度测试装置的测试方法及评价方法。本发明建立了深部高应力、高地温、高瓦斯压力条件下原位煤体注水水锁强度实验测试装置及测试方法，并提出了煤体渗透率损伤系数λ和煤体瓦斯滞留系数η的双重评价指标，构建了一套水锁强度定量评价方法，能够准确评价深部煤体原位环境含瓦斯煤体注水后水锁强度，掌握水力化措施对煤储层水锁伤害规律，为实际煤层瓦斯强化抽采、瓦斯灾害治理等作业决策提供依据。依据。依据。


技术研发人员：秦玉金 苏伟伟 周睿 任少魁 李杰 郑忠宇 郭怀广 闫循强 邹永洺 闫比男
受保护的技术使用者：中煤科工集团沈阳研究院有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/9/23