饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台及方法

1.饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，包括主体腔室（1）、气体渗透测量系统、外部供压装置、温控系统、数据采集和处理装置（13）；所述主体腔室是装置的试验主体部分，用以放置试样开展气体渗透试验；所述气体渗透测量系统包括上游端气室（2）、下游端气室（3）、真空泵（4）、两个安全阀；控制两个气室容积在10 mL~50 mL 的有效范围内;所述外部供压装置包括气源（8）、增压泵（9）、空气压缩机（10）、气体缓冲罐（11）、调压阀（12）；所述温控系统包括玻璃纤维电热带（5）、温度传感器（6）、温度控制器（7）；所述气体渗透测量系统中：所述上游端气室（2）与主体腔室（1）底部气孔输入口相连，其下游端气室（3）与主体腔室（1）顶部气孔输出口相连；所述上游端气室（2），其一端与外部供压装置的气体缓冲罐（11）相连，所述上游端气室（2）还同时通过第一双通球阀（16-1）和第二双通球阀（16-2）分别连接主体腔室（1）与真空泵（4），上游端气室（2）顶部装有第一安全阀（14-1）和第一高精度气压传感器（15-1）；所述下游端气室（3），其一端与主体腔室（1）的顶部气孔输出口相连，用于储存气体渗透流量，另一端通过第三双通球阀（16-3）连接真空泵（4），下游端气室（3）顶部同样装有第二安全阀（14-2）和第二高精度气压传感器（15-2）；所述真空泵（4）用于在气体渗透试验开始前先抽出上游端气室（2）、下游端气室（3）中杂质气体；试验过程中，在初始阶段，下游端气室（3）内的压力始终小于上游端气室（2）的压力，从而保证气体渗透方向始终沿试样（1-6）底面向试样顶面渗透；所述数据采集和处理装置（13），包括：PC，PC包括软件模块和人机界面；以及包括称重传感器（1-5）和第三A/D转换器（1-9）；称重传感器（1-5）设置贴合在起负载作用的顶板（1-4）的底部，依次与第三A/D转换器（1-9）、PC连接，用于实时监测试验过程中的竖向压力，进而判断气体突破的发生；以及包括两个高精度气压传感器和两个A/D转换器，两个高精度气压传感器分别为第一高精度气压传感器（15-1）、第二高精度气压传感器（15-2）和两个A/D转换器分别为第一A/D转换器（17-1）和第二A/D转换器（17-2）；第一高精度气压传感器（15-1）用于测量气体渗透过程中的上游端气室（2）内压力变化情况；第二高精度气压传感器（15-2）用于测量气体渗透试验过程中的下游端气室（3）内的压力变化情况；所述软件模块，包括气体渗透率计算模块和气体突破压力的计算模块；所述软件模块描述为：L1、通过使用界面执行系统初始化；L2、记录当前施加的第一级气体压力；L3、读取从温度传感器（6）提供的温度变化；L4、读取从上游端气室和下游端气室的高精度气压传感器提供来的两端气室压力变化，即p 1 和p 2 ；L5、读取从称重传感器（1-5）提供来的竖向压力；L6、依据两个计算模型，输出显示实时气体渗透率，即 ：气体渗透率的计算模型一 ，气体渗透率的计算模型二 ，其中， 分别是进口端和出口端的气体渗透率，μ 为气体的动力粘度，单位Pa·s，L 为试样长度，单位m，A 为试样横截面积，单位m 2 ，p 1 和 p 2 分别为试样进口端和出口端的气体压力，单位Pa，V 1 、V 2 为分别对应上游端气室2和下游端气室3的容量；微分形式中 dt为 时间增量， dp 1 为进口端的气体压力增量， dp 2 为出口端的气体压力增量；L7、判断上游端气室、下游端气室压力变化以及竖向压力变化，如若没有发生明显变化，则记录当前施加的下一级气体压力，继续执行L3-L6；如若出现明显突变，则认为气体突破现象发生，在人机界面上输出并显示气体突破压力，结束流程。 2.如权利要求1所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述主体腔室（1），包括底座（1-1）、侧环（1-2）、活塞（1-3）、顶板（1-4），所述底座（1-1）、侧环（1-2）、活塞（1-3）、顶板（1-4）紧密连接在一起以保证试样（1-6）处于恒定体积条件；其中，活塞（1-3）、底座（1-1）和侧环（1-2）之间设置有“O”型圈（1-7），用于保障试验装置的气密性；所述试样（1-6）置于底座（1-1）顶面和活塞（1-3）底面之间的腔体；所述活塞（1-3）内部设置出气管线，所述出气管线通往气体渗透测量系统的下游端气室（3）；底座（1-1）内部设有进气管线，所述进气管线与气体渗透测量系统的上游端气室（2）相连。 3.如权利要求2所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述底座（1-1）、侧环（1-2）、活塞（1-3）、顶板（1-4）由不锈钢材料制成，通过外六角螺栓紧密连接在一起。 4.如权利要求2所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述底座（1-1）和活塞（1-3）的端面均嵌入不锈钢多孔板（1-8），以保证气流均匀地从试样（1-6）表面流入或流出。 5.如权利要求1所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述外部供压装置中：所述增压泵（9）与空气压缩机（10）、气源（8）和气体缓冲罐（11）相连，所述空气压缩机（10）输出的空气压力为增压泵（9）提供驱动力，增压泵（9）将气源（8）中的气体增压至预设值后送入气体缓冲罐（11）；所述空气压缩机（10）和增压泵（9）之间设置有第五双通球阀（16-5）；所述气体缓冲罐（11）一端连接增压泵（9），另一端通过调压阀（12）连接上游端气室（2），用于储存增压泵（9）送来的高压气体，并在试验过程中使用调压阀（12）逐级增大上游端气室（2）内的气体压力。 6.如权利要求1所述的饱和超低渗介质气体全过程渗透参数测量研究平台，其特征在于，所述温控系统中，所述温度控制器（7）分别连接玻璃纤维电热带（5）和温度传感器（6），所述玻璃纤维电热带（5）紧密缠绕在主体腔室外壳表面用于提供热源，温度传感器（6）嵌入主体腔室（1）外壳用于采集主体腔室外壳表面的实时温度；温度控制器（7）通过比较温度传感器（6）测定的主体腔室外壳表面温度数值与预设值来控制玻璃纤维电热带（5）的通断，三者构成温度闭路控制，以间接实现试验过程中的试样（1-6）温度的恒定。 7.一种基于权利要求1-6任一所述平台的研究方法，其特征在于，步骤如下：S1、启动温度控制器（7）加热主体腔室（1），建立试样（1-6）内部温度与温度控制器（7）设置温度二者之间的校正关系；S2、关闭调压阀（12）和设置于下游端气室（3）的第四双通球阀（16-4），同时打开第一双通球阀（16-1）、第二双通球阀（16-2）和第三双通球阀（16-3），随后开启真空泵（4），将整套试验装置抽真空，保证操作结束后的上游端气室（2）和下游端气室（3）处于真空状态；抽真空结束后，断开第一双通球阀（16-1）、第二双通球阀（16-2）和第三双通球阀（16-3）；S3、打开第五双通球阀（16-5），开启气源（8），向增压泵（9）中补充气体，同时启动空气压缩机（10），向增压泵（9）持续输出驱动压力，缓慢将气体缓冲罐（11）内的气体增压至气压设定值，所述的气压设定值高于预估的试样气体突破压力；S4、关闭气源（8）、增压泵（9）和空气压缩机（10），同时断开第五双通球阀（16-5）；随后，利用调压阀（12）将气体缓冲罐（11）内的气体输出至上游端气室（2），当上游端气室（2）内的气压达到预设的第一级压力时，关闭调压阀（12），使上游端气室（2）与气体缓冲罐（11）保持断开；S5、开启上游端气室（2）与主体腔室（1）之间的第一双通球阀（16-1），开始气体渗透试验；渗透过程中，所述数据采集和处理装置（13）实时记录上游端气室（2）和下游端气室（3）内的气体压力数据以及称重传感器（1-5）测取的竖向应力数据；若上游端气室（2）、下游端气室（3）中的气压以及称重传感器（1-5）测量的竖向压力均未出现明显突变时，打开调压阀（12），将上游端气室（2）内的气压调增至第二级气体压力，并继续监测上述数据，逐级试验；所述第二级气体压力高于第一级气体压力；S6、重复S5步骤，直至上游端气室（2）和下游端气室（3）内的气体压力，以及称重传感器（1-5）测量的竖向压力出现突变，即出现了气体突破现象，停止试验；S7、根据步骤S5和步骤S6得到气压时程曲线，以及竖向压力曲线，确定试样（1-6）的气体渗透率和气体突破压力。