ICS點擊此處添加ICS號

CCS點擊此處添加CCS號

NB

中華人民共和國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

NB/TXXXXX—202X

煤層氣體滲透率測試方法

Laboratorialtestmethodsforgaspermeabilityincoalseam

(點擊此處添加與國際標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的標(biāo)識)

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

2023-XX-XX發(fā)布2023-XX-XX實施

國家能源局??發(fā)布

NB/TXXXXX—202X

煤層氣體滲透率測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了煤層氣體滲透率測試的術(shù)語和定義、儀器設(shè)備、試樣、滲透氣體、滲透率測試步驟。

本文件適用于高瓦斯煤層地下、地面抽采安全抽采設(shè)計、煤層氣開采產(chǎn)量評估。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T23561.3煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法

MT/T22390煤和巖石滲透率測定方法

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

滲透性Permeability

指一種材料在不損壞介質(zhì)構(gòu)造情況下，能使流體通過的能力，一般采用滲透率表示。

3.2

滲透率Permeability

指單位壓力梯度下的單位氣體或液體流量，表示流體通過材料孔隙骨架的難易程度。

3.3

低滲透性煤層Lowpermeabilitycoalseam

透氣性小于1×10-16m2的煤層。

3.4

上游壓力Upstreampressure

氣體供壓裝置通過氣體儲存容器施加在試樣上游的壓力。

3.5

下游壓力Downstreampressure

試樣下游段壓力。

3.6

穩(wěn)態(tài)法Steady-statemethod

滲透系數(shù)測定過程中，通過保持上下游壓力恒定，建立多孔介質(zhì)內(nèi)部穩(wěn)定的氣壓分布，計算多孔介

質(zhì)的滲透率。

3.7

瞬態(tài)法Transient-flowmethod

一般為壓力脈沖衰減法（簡稱“脈沖法”）。滲透系數(shù)測定過程中，通過在上游施加脈沖壓力和下

游穩(wěn)壓的加載形式，計算多孔介質(zhì)的滲透率。

3.8

圍壓Confiningpressure

試樣周向壓力。

3.9

軸壓Axialcompression

1

NB/TXXXXX—202X

試樣軸向壓力。

4儀器設(shè)備

煤層氣體滲透率測試儀主要包括：氣體供壓裝置，一般為空氣壓縮機或貯氣瓶、夾持器、氣壓傳感

器，測定氣體儲存容器和上下游壓力的傳感器、圍壓傳感器和軸壓傳感器、真空泵、空氣隔離水瓶、天

平和恒溫控制裝置。各構(gòu)成裝置的測量范圍、功率和精度等相關(guān)參數(shù)見表1。

表1設(shè)備構(gòu)成裝置參數(shù)統(tǒng)計

裝置名稱范圍/功率精度

氣體供壓裝置Pg≥0.8MPa-

氣壓傳感器Pr≥30MPa<5kPa

圍壓傳感器Pr≥50MPa<5kPa

軸壓傳感器Pr≥50MPa<5kPa

3

真空泵Vair≥3.6m/h-

空氣隔離水瓶根據(jù)試樣滲透性調(diào)整-

天平G≥3000g<0.01g

恒溫控制裝置5~80℃±1℃

aPg-排氣壓力、Pr-壓力傳感器量程、Vair–抽氣速率、G-天平量程。

5試樣

5.1試樣尺寸。直徑應(yīng)為25mm，長度應(yīng)為50mm。

5.2試樣精度。試件高度最大值和最小值的偏差應(yīng)控制在0.02mm以內(nèi)。上下端直徑偏差不應(yīng)大于0.2

mm，試件表面光滑，軸向偏差不應(yīng)大于0.25°。

5.3試樣數(shù)量。同一試樣每組重復(fù)應(yīng)不少于4次。

5.4試樣狀態(tài)。自然狀態(tài)。

6滲透氣體

煤巖體特別是低滲透性煤巖體滲透性試驗中，滲透氣體的選擇需要避免試驗過程和煤巖發(fā)生作用且

應(yīng)減小潛在的氣體滑脫效應(yīng)。一般宜選用氮氣，溫度作用下氮氣動力粘滯系數(shù)增大，導(dǎo)致滲透過程中煤

巖體孔隙通道內(nèi)氮氣粘滯性增強，氣體流動速度降低，上游氣壓變化速度降低。

氮氣動力粘滯系數(shù)隨溫度的關(guān)系見公式（1）：

·························································(1)

式中：

T1——溫度，單位為開（K）；

C——與氮氣性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)102.0K；

D——與氮氣性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)1.385×10-6Pa·s。

氮氣動力粘滯系數(shù)隨溫度變化規(guī)律見表2，供對比參考。

表2不同溫度下氮氣動力粘滯系數(shù)表

溫度

動力粘滯系數(shù)（-6）

℃1×10Pa·s

2017.59

6019.35

10021.01

14022.58

18024.07

2

NB/TXXXXX—202X

表2不同溫度下氮氣動力粘滯系數(shù)表（續(xù)）

溫度

動力粘滯系數(shù)（-6）

℃1×10Pa·s

22025.49

7滲透率測試步驟

7.1試樣預(yù)處理

測試前將自然狀態(tài)下的試樣置于105℃～110℃的干燥箱內(nèi)干燥24h，然后放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。

7.2試樣描述與尺寸測量

試驗開始之前，首先對試樣進(jìn)行描述，包括試樣顏色、層理、裂隙及含水狀態(tài)等。對試樣描述后，

應(yīng)核對試樣編號，測量尺寸，獲取試樣直徑和長度平均值，并記錄。

7.3檢查試驗設(shè)備

打開設(shè)備控制系統(tǒng)，仔細(xì)檢查氣壓及軸壓圍壓加載設(shè)備是否正常，檢查溫度、上游氣壓、下游氣壓、

氣壓傳感器是否正常，檢查氣體供壓裝置、氣動閥、手動閥等控制零件是否正常。

7.4測試系統(tǒng)檢驗

測定前采用鋁合金代替試樣（直徑25mm，高度50mm）對測試系統(tǒng)氣密性進(jìn)行檢驗。將裝入試樣夾持

器，打開液壓泵和氣體供壓裝置，順序加圍壓、軸壓和滲透壓力至選定值。關(guān)閉閥門11和閥門13，保持

5min不漏氣，即確認(rèn)系統(tǒng)氣密性完好。

7.5滲透率測定

7.5.1試樣安裝。在煤塊試樣兩端分別各設(shè)置一片多孔墊塊，三者通過熱塑管緊密連接。為確保氣體

不會通過試樣和夾持器的邊緣縫隙進(jìn)行滲透，試樣通過環(huán)氧樹脂膠固定在試樣夾持器當(dāng)中。要注意等環(huán)

氧樹脂充分固化后進(jìn)行試驗，同時要注意保護(hù)試樣兩端不被環(huán)氧樹脂覆蓋以免影響滲透率測量。

7.5.2圍壓和軸壓施加。打開液壓泵19和閥門20，觀察圍壓傳感器21，圍壓到預(yù)設(shè)值后，打開液壓

泵22和閥門23，觀測軸壓傳感器24直至達(dá)到預(yù)設(shè)軸壓。關(guān)閉閥門20、23以及液壓泵19、20，并穩(wěn)定

30分鐘。

7.5.3溫度控制。打開溫度控制裝置，確保裝置運轉(zhuǎn)正常。依據(jù)試驗計劃設(shè)定控制溫度，保持一段時

間，確保試樣內(nèi)部溫度分布均勻。

7.5.4雜質(zhì)氣體排出。如圖1所示，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥2和閥門11，打開閥門3、閥門4、閥門7和閥門13，

使用真空泵14排除容器和試樣中含有的雜質(zhì)氣體。當(dāng)真空泵真空度達(dá)到設(shè)定值后，保持一定時間，然

后關(guān)閉閥門13。

7.5.5壓力平衡。打開調(diào)節(jié)閥2，使用氣體供壓裝置以略高于大氣壓的壓力供應(yīng)少量的高純度氣體，

打開閥門11，看到有氣泡從水瓶底部不斷緩慢冒出，關(guān)閉閥門11。保持一段時間，發(fā)現(xiàn)水瓶底部不再

有氣泡產(chǎn)生，同時水瓶液面不發(fā)生變化。

7.5.6滲透率測試。

對于非低滲透性煤層，一般采用穩(wěn)態(tài)法測試其氣體滲透率。步驟1：施加滲透壓力。關(guān)閉閥門3、閥

門4和閥門13，打開氣體供壓裝置，觀察壓力計8并控制調(diào)節(jié)閥2達(dá)到預(yù)設(shè)的滲透壓力值；步驟2：依次打

開閥門7和閥門11，含水瓶中的液面開始上升，待上升速率穩(wěn)定后記錄壓力計12讀數(shù)，記為。同時，利

用排水法量測并記錄一定時間內(nèi)排出的氣體流量。

對于低滲透性煤層，一般應(yīng)采用瞬態(tài)法（脈沖法）測試其氣體滲透率。步驟1：施加上游壓力。打

開調(diào)節(jié)閥2和閥門3，關(guān)閉閥門7，使用氣體供壓裝置向上游氣體儲存容器輸入一定壓力（脈沖壓力，一

般為200kPa）的高純度氣體，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥2。根據(jù)煤巖試樣大小和滲透率大小，決定上游氣體儲存容器

體積大小，打開或者關(guān)閉閥門4。步驟2：施加脈沖壓力。打開閥門7，試樣兩端形成上下游壓力差，一

3

NB/TXXXXX—202X

定時間后水瓶底部將有氣泡緩慢產(chǎn)生，同時上游氣體儲存容器中壓力慢慢降低，采集不同時間上游壓力

變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后可以結(jié)束該階段脈沖法試驗并關(guān)閉所有閥門。

7.5.7測試結(jié)束后，依次關(guān)閉氣體供壓裝置、調(diào)節(jié)閥2、閥門3、閥門4和閥門7，使?jié)B透壓力歸零（即

壓力計8無讀數(shù)）；打開閥門23卸軸壓至軸壓傳感器無讀數(shù)；打開閥門20卸圍壓至圍壓傳感器無讀數(shù)。

圖1煤層氣體滲透率測試儀示意圖

標(biāo)引序號說明：

1——氣體供壓裝置；

2——調(diào)節(jié)閥；

3——閥門；

4——閥門；

5——氣體儲存容器；

6——氣體儲存容器；

7——閥門；

8——壓力計；

9——墊塊；

10——試樣；

11——閥門；

12——壓力計；

13——閥門；

14——真空泵；

15——含水瓶；

16——天平；

17——溫度控制裝置；

18——熱塑管；

19——液壓泵；

4

NB/TXXXXX—202X

20——閥門；

21——圍壓傳感器；

22——液壓泵；

23——閥門；

24——軸壓傳感器。

7.6滲透率計算

7.6.1穩(wěn)態(tài)法單個試樣滲透率

穩(wěn)態(tài)法試驗過程中，氮氣在煤巖試樣中的運動可視同于單相牛頓流體通過連續(xù)多孔介質(zhì)的運動，符

合達(dá)西滲流定律。因此，煤層氣體滲透率可由公式（2）計算得出：

······················································(1)

式中：

Ka——試樣的滲透率，單位為平方米（m2）；

μg——孔隙氣體的動態(tài)粘滯系數(shù)，單位為帕·秒（Pa·s）；

L——試樣長度，單位為米（m）；

A——試樣橫截面積，單位為平方米（m2）；

Pu——表示上游氣體壓力，單位為帕（Pa）；

Pd——表示下游氣體壓力，單位為帕（Pa）；

3

Qd——下游氣體流量，單位為立方米每秒（m/s）。

7.6.2瞬態(tài)法單個試樣滲透率

脈沖法上下游氣體壓力變化曲線如圖2所示。

圖2脈沖法上游氣體壓力變化關(guān)系曲線

5

NB/TXXXXX—202X

隨著時間的變化，上游端的壓力逐漸降低，根據(jù)試驗過程中測得的不同時間對應(yīng)的上游氣體壓力

Pu(t)，采用下列的非線性擬合公式（3）計算上游氣壓衰減因子：

··············