CN102621043A - 注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置及检测方法，包括样品缸，样品缸设有轴压加载装置和围压加载装置，样品缸的一侧连接有进口气液管线、另一侧连接有出口气液管线，进口气液管线和出口气液管线分别设有阀门、压力表和流量计；进口气液管线连接有高压水泵和高压气泵，高压水泵的进口与反应液池连接，高压气泵的进口与二氧化碳气罐连接；出口气液管线连接有废液池和橡胶气囊；样品缸的内壁设有压力检测装置。可以进行反应液的反应与渗透性测试和二氧化碳的反应与渗透性测试，对不同温度、时间、粘土含量、矿物质含量和/或PH情况下二氧化碳对样品的侵蚀性进行检测和分析。

Description

注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩溶蚀性实验技术，尤其涉及一种注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置及检测方法。

背景技术

随着我国国民经济的发展，对能源的需求越来越大，煤层气作为一种新型的洁净能源越来越受到人们的关注。要把煤层气开发出来，一方面需要有丰富的煤层气资源，另一方面就是要有比较畅通的裂隙通道。我国煤层气资源量非常大，埋深2000m以浅的约为36.8万亿m3，埋深2000-4000m范围的约为50万亿m3，由于开采成本以及开采技术的限制，最近几十年的开采范围主要集中在800m以浅的浅部煤层，大于800m的深部煤层中的煤层气由于成本及技术限制短期内难于利用，但是二氧化碳置换甲烷这项技术的出现为开发深煤层中的煤层气提供了技术支撑。在同样的温度、压力条件下，二氧化碳的吸附能力强于甲烷，因此注二氧化碳来提高甲烷的采收率越来越受到人们的广泛关注。

二氧化碳注入煤层后，二氧化碳会与煤层中的水发生化学反应，造成煤层中水的PH值发生变化，打破原有的化学平衡，因煤中含有粘土矿物、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物以及煤处于地下不同的PH值、温度环境，造成注二氧化碳过程中会对这些粘土矿物等发生化学反应，由于在化学反应过程中会出现一些溶蚀、结晶以及重结晶等现象，因此化学反应结果在一定程度上会引起煤储层裂隙的变化，为了查明注二氧化碳过程中粘土矿物、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物的含量、PH值、温度、矿物成分等与二氧化碳反应后对裂隙的影响，减少工程施工的盲目性，因此，亟需研制一种装置和测试工艺，能针对不同的煤储层条件、水文地质条件，模拟储层的各种条件，进行注二氧化碳对煤岩的溶蚀进行准确测试，以便为不同储层条件的注二氧化碳工艺参数优化提供依据。

现有技术中还没有类似的测试装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种能对不同温度、时间、粘土含量、矿物质含量和/或PH情况下二氧化碳对样品的侵蚀性进行检测和分析的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置及检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，包括样品缸，所述样品缸设有轴压加载装置和围压加载装置，所述样品缸的一侧连接有进口气液管线、另一侧连接有出口气液管线，所述进口气液管线和出口气液管线分别设有阀门、压力表和流量计；

所述进口气液管线连接有高压水泵和高压气泵，所述高压水泵的进口与反应液池连接，所述高压气泵的进口与二氧化碳气罐连接；

所述出口气液管线连接有废液池和橡胶气囊；

所述样品缸的内壁设有压力检测装置。

本发明的上述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置实现注二氧化碳对煤岩溶蚀性检测的方法，包括步骤：

A、将实验用的样品装于样品缸内，并按设定值对样品进行轴压加载和围压加载，并通过高压气泵向样品缸注入高压气体，并封闭一段时间，检验实验装置的气密性良好，并将样品缸的温度调到实验要求的温度；

B、进行反应液的反应与渗透性测试，具体包括：

首先，通过高压水泵将配置好的反应液注入到样品缸中，直到样品缸出口端有较多的液体流出时，关闭高压水泵及样品缸进口气液管线和出口气液管线的阀门，使所述反应液和样品充分反应；

反应一段时间后，通过高压水泵向样品缸注水，进行渗透性测试；

之后，再重复注入反应液进行反应和注入水进行渗透性测试，如此反复多次；

C、进行二氧化碳的反应与渗透性测试，具体包括：

首先，通过高压气泵向样品缸注入二氧化碳，当样品缸出口端有较多气体流出时，关闭高压气泵及样品缸进口气液管线和出口气液管线的阀门，使所述二氧化碳与样品充分反应；

反应一段时间后，通过高压水泵向样品缸注水，进行渗透性测试；

之后，再重复注入二氧化碳进行反应和注入水进行渗透性测试，如此反复多次；

D、进行注二氧化碳对煤岩溶蚀性数据的分析。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置及检测方法，由于包括样品缸，样品缸设有轴压加载装置和围压加载装置，样品缸的一侧连接有进口气液管线、另一侧连接有出口气液管线，进口气液管线和出口气液管线分别设有阀门、压力表和流量计；进口气液管线连接有高压水泵和高压气泵，高压水泵的进口与反应液池连接，高压气泵的进口与二氧化碳气罐连接；出口气液管线连接有废液池和橡胶气囊；样品缸的内壁设有压力检测装置。可以进行反应液的反应与渗透性测试和二氧化碳的反应与渗透性测试，对不同温度、时间、粘土含量、矿物质含量和/或PH情况下二氧化碳对样品的侵蚀性进行检测和分析。

附图说明

图1为本发明实施例提供的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中样品缸与千斤顶、钢丝绳的安装状态示意图；

图3为本发明实施例中样品缸的结构示意图；

图4为本发明实施例中样品的结构示意图。

图中：1：反应液池；2：高压水泵；3：高压气泵；4：二氧化碳气罐；5：应变片；6：应力加载装置；7：样品缸；8：恒温缸；9：废液池；10：橡胶气囊；11：阀门；12：计算机；13：压力表；14：流量计；15：厚钢体；16：样品缸前壁；17：样品缸侧壁；18：样品缸后壁；19：样品；20：千斤顶；21：钢丝绳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其较佳的具体实施方式是：

如图1所示，包括样品缸，所述样品缸设有轴压加载装置和围压加载装置，所述样品缸的一侧连接有进口气液管线、另一侧连接有出口气液管线，所述进口气液管线和出口气液管线分别设有阀门、压力表和流量计；

所述进口气液管线连接有高压水泵和高压气泵，所述高压水泵的进口与反应液池连接，所述高压气泵的进口与二氧化碳气罐连接；

所述出口气液管线连接有废液池和橡胶气囊；

所述样品缸的内壁设有压力检测装置。

如图2、图3所示，所述样品缸包括前壁、后壁和侧壁，所述侧壁的内侧面设有凹槽，所述前壁和后壁的侧缘卡入所述凹槽中；

所述轴压加载装置包括应力加载装置，所述应力加载装置的加载头上安装有厚钢体，所述厚钢体的下表面正对所述样品缸的上口；

所述围压加载装置包括千斤顶、钢丝绳，所述千斤顶设于所述侧壁的外表面，所述钢丝绳缠绕在所述千斤顶的端部与所述前壁和后壁的外表面上。

所述围压加载装置可以包括8个千斤顶、两根钢丝绳，每个侧壁的外表面的上部和下部分别设有两个千斤顶，两根钢丝绳分别缠绕在上部4个千斤顶的端部和下部4个千斤顶的端部。

所述前壁和后壁对应所述钢丝绳的位置设有沟槽，所述侧壁上对应所述沟槽端部的位置设有通孔，所述钢丝绳穿过所述通孔缠绕在所述沟槽中。

所述样品缸内设有样品。

如图4所示，所述样品的前面和后面对应样品缸前壁和后壁上的沟槽的部位设有对应的沟槽。

所述样品缸与样品之间及所述前壁和后壁与所述侧壁的凹槽之间分别设有橡胶垫。

所述压力检测装置包括设于所述样品缸的内壁的应变片，所述应变片与计算机电连接。

所述样品缸设于恒温缸内，所述恒温缸设有加热装置和温度计。

本发明的上述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置实现注二氧化碳对煤岩溶蚀性检测的方法，其较佳的具体实施方式包括步骤：

A、将实验用的样品装于样品缸内，并按设定值对样品进行轴压加载和围压加载，并通过高压气泵向样品缸注入高压气体，并封闭一段时间，检验实验装置的气密性良好，并将样品缸的温度调到实验要求的温度；

B、进行反应液的反应与渗透性测试，具体包括：

首先，通过高压水泵将配置好的反应液注入到样品缸中，直到样品缸出口端有较多的液体流出时，关闭高压水泵及样品缸进口气液管线和出口气液管线的阀门，使所述反应液和样品充分反应；

反应一段时间后，通过高压水泵向样品缸注水，进行渗透性测试；

之后，再重复注入反应液进行反应和注入水进行渗透性测试，如此反复多次；

C、进行二氧化碳的反应与渗透性测试，具体包括：

首先，通过高压气泵向样品缸注入二氧化碳，当样品缸出口端有较多气体流出时，关闭高压气泵及样品缸进口气液管线和出口气液管线的阀门，使所述二氧化碳与样品充分反应；

反应一段时间后，通过高压水泵向样品缸注水，进行渗透性测试；

之后，再重复注入二氧化碳进行反应和注入水进行渗透性测试，如此反复多次；

D、进行注二氧化碳对煤岩溶蚀性数据的分析。

所述样品的配方为石英砂岩+硅酸盐水泥+碳酸盐矿物+粘土+矿物质+水，所述粘土、碳酸盐矿物以及矿物质的含量根据实验需要进行添加；

所述反应液根据实验需要配置pH值；

所述对样品进行轴压加载和围压加载的值根据实验要求确定；

所述数据的分析包括以下任意一项或多项：

不同压力、温度、时间、粘土含量、矿物质含量、pH情况下二氧化碳对样品的侵蚀性数据分析。

本发明针对目前不同煤储层条件、水文地质条件、温度、PH值等条件下注二氧化碳对煤岩溶蚀不能定量测试的问题，通过还原煤储层中粘土矿物、碳酸盐矿物、硅酸盐矿物的含量、PH值、温度等条件，通过注入前后渗透率的测试及注入后溶蚀物的收集，能准确测试不同条件下溶蚀效果的定量表达，为注二氧化碳参数优化提供理论依据。

具体实施例：

一、系统结构：

主要包括加载系统、样品缸系统、渗透性测试系统、实验系统、监测系统以及加热系统等。

其中，加载系统主要包括应力加载装置、千斤顶加载装置以及钢丝绳等；样品缸系统主要包括钢板、橡胶体以及钢制接头等；渗透性测试系统主要包括压力表、流量计以及阀门等；实验系统主要包括高压水泵、高压气泵、各种管线以及阀门等装置；监测系统主要包括计算机、应变片以及电缆等；加热系统主要包括恒温缸以及加热装置等。

下面分别进行详细描述：

1、加载系统：

该系统主要是提供实验过程中样品所需要的轴压以及围压。

该系统所需要的轴压由常规的应力加载装置来实现加压，实验过程中只需要将压力加载至所需压力即可，为了应力加载装置适应于较大的样品，在加载装置上安装厚钢体增大加载装置的受力面积。厚钢体可以通过焊接固定在应力加载装置上，并且厚钢体下表面要保持水平。厚钢体刚好可以盖在样品上，这样就可以对样品施加轴向压力。

实验时所需的围压由自制的装置来实现，合理设计千斤顶位置，在调节千斤顶的升降的过程中，通过计算机监测加载应力的大小。千斤顶安装在样品缸侧壁上，在千斤顶下边垫有钢板，进而实现样品均匀受力。为了避免围压加载过程中钢丝绳对前后侧的样品造成埙害，在样品上开出沟槽，使钢丝绳处于其中。具体千斤顶位于样品缸侧壁的钢板上，通过焊接将其固定在侧壁上，每个侧壁有四个千斤顶，共有8个千斤顶，上部的四个千斤顶和下部的四个千斤顶分别通过钢丝绳环绕。为了避免钢丝绳从千斤顶上滑落，可以在千斤顶上方刻出沟槽。

2、样品缸系统：

该系统主要是盛放样品进行试验。

该系统中通过钢板组成样品缸，合理设计钢板的大小实现加载以及密封的目的。在样品缸与样品之间安装合适的橡胶垫，使气体或者液体不能通过样品缸和样品之间的空隙。四周的样品缸壁高于样品，轴向加载装置的厚钢体表面积稍小于样品上表面积，同时样品缸前后壁的钢体在宽度上稍小于样品，侧向上的样品缸壁钢体宽度稍大于样品宽度，这样在加载过程中，样品不会因受到样品缸限制而不能充分变形。为了确保样品缸的密封性，在钢板与钢板的连接处，都垫上橡胶垫。制样过程中样品要根据设计的配比进行制样。同时应该稍作加工，在样品前后壁刻上沟槽。

该系统中样品缸侧壁宽度大于样品宽度，样品缸前壁宽度小于样品宽度，在侧壁上和前壁对应处刻有小凹槽使前壁刚好可以卡在里边。同时在前壁和侧壁接触处垫橡胶垫确保密封性。

3、渗透性测试系统：

该系统主要是对反应前后样品的渗透性进行测试。

该系统是通过高压水泵注水，通过测试水进入样品前后的压力以及流量，测试样品反应前后渗透性的变化，进而得出不同含量的粘土、矿物质以及PH情况下二氧化碳对煤岩的溶蚀性。

该系统在进水管上依次安装阀门、压力表以及流量计，在出水水管上一次安装流量计、压力表以及阀门等。

4、试验系统：

该系统主要是提供试验所需要的各种液体以及二氧化碳气体。

该系统主要是将不同PH的溶液注入样品中，确定出该溶液对样品的溶蚀作用，然后当其溶蚀作用很小几乎可以忽略不记时，在通过该溶液为二氧化碳反应提供所需要的环境，为二氧化碳的反应提供条件。高压气泵可以提供反应所需要的高压气体，以便于二氧化碳充分反应。同时高压水泵还可以提供渗透性测试时所需要的较高的水压。

该系统主要是将高压水泵以及气泵通过管线和反应液池连接起来，最终将管线通过钢制接头和样品缸连接起来。

5、监测系统：

该系统主要是测定加载装置所提供的围压。

该系统通过应变片的变形测定出样品所受到的围压，并将压力通过电缆传输到计算机，然后可以根据计算机记录的数据调节围压系统，使压力达到实验所要求的压力。

该系统是将应变片分别安装在样品缸侧壁和样品接触处，然后通过电缆和计算机连接。

6、加热系统：

该系统主要是提供实验所需要的温度。

通过加热系统使恒温缸保持温度不变，并可以通过温度计实时监测温度变化。恒温缸在样品缸的外侧，加热系统可以采用常规的加热系统既可以。

二、测试工艺：

主要包括样品制备以及反应液的配置、反应液的反应与测试、二氧化碳的反应与测试、数据的分析等。

下面进行详细描述：

1、样品的制备：

为了准确确定矿物质以及粘土矿物的含量，实验样品采用相似材料进行制样，样品配方为石英砂岩+硅酸盐水泥+碳酸盐矿物+粘土+矿物质+水。其中石英砂岩为高纯度的石英砂，粘土矿物、碳酸盐矿物以及矿物质的含量根据实验需要进行添加，水的含量应该适量，使其混合以后刚好可以良好胶结。

将胶结好的不同配比的相似材料，通过各种加工设备将其加工成多组符合试验要求的规格的样品并编号，以备实验用。同时根据实验目的配置不同PH值的反应液备用。

2、反应液的反应与测试：

该操作主要是为了避免反应液和二氧化碳同时参加反应，对于二氧化碳的溶蚀性难以辨别，通过该操作可以去除反应液的反应干扰，进而使测出的变化直接反应二氧化碳的溶蚀性。

连接好实验仪器，并检查装置的气密性，关闭各阀门，只打开进气阀门以及样品缸进气口阀门，通过高压气泵注入高压气体，然后关闭阀门，压力在一定时间内不下降说明气密性良好。将恒温缸的温度调到实验要求的温度。

打开高压水泵，将配置好的反应液注入到样品缸中，直到样品缸出口处有较多的液体流出时，关闭高压水泵以及样品缸进出口阀门，使反应液和样品充分反应，反应一段时间后，用水泵注水进行渗透性测试、记录。再注入反应液进行反应，然后进行渗透性测试、记录，如此反复直到渗透性几乎不再发生变化为止。

3、二氧化碳的反应与测试：

该操作是整个实验的核心，通过该操作可以直接了解到不同粘土含量、矿物质、温度以及PH下，二氧化碳对煤岩的溶蚀性。

在该操作中反应液已经和煤岩充分反应，煤岩的渗透性不再发生变化，此时再通入二氧化碳进行反应，反应前后样品渗透性的变化就是二氧化碳在该条件下的溶蚀作用造成的。

在该程序中关闭反应液注入阀门，打开二氧化碳注入阀门，当样品缸出口端有较多气体流出时，关闭高压气泵阀门以及样品缸进出口阀门，使二氧化碳与样品充分反应，反应一段时间后，打开样品缸进出口阀门，启动高压水泵，进行渗透性测试、记录。再次注入二氧化碳进行反应，然后进行渗透性测试、记录，如此反复直到渗透性几乎不再发生变化为止。

4、数据的分析：

不同温度、时间、粘土含量、矿物质以及PH情况下二氧化碳对样品的侵蚀性试验。同一试验中，对比第二步结束记录的数据与第三步中不同阶段测定的数据，进而可以得出在一定条件下，不同的反应阶段，二氧化碳对煤岩的溶蚀性。通过注入不同PH反应液的试验，可以了解二氧化碳在不同环境下的对样品的溶蚀性。通过不同粘土含量以及矿物质含量的多组样品进行试验可以了解在不同粘土含量以及矿物质含量的情况下，二氧化碳对样品的溶蚀性。

本发明提出了一种模拟二氧化碳在不同温度、粘土含量、矿物质以及PH下，对煤岩溶蚀性的实验模拟方法。能根据储层条件、煤体条件、储层特征，对注入二氧化碳后对煤的溶蚀效果进行定量测试，减少了工程施工的盲目性，节省工程成本，提高了效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，包括样品缸，所述样品缸设有轴压加载装置和围压加载装置，所述样品缸的一侧连接有进口气液管线、另一侧连接有出口气液管线，所述进口气液管线和出口气液管线分别设有阀门、压力表和流量计；

所述进口气液管线连接有高压水泵和高压气泵，所述高压水泵的进口与反应液池连接，所述高压气泵的进口与二氧化碳气罐连接；

所述出口气液管线连接有废液池和橡胶气囊；

所述样品缸的内壁设有压力检测装置。

2.根据权利要求1所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述样品缸包括前壁、后壁和侧壁，所述侧壁的内侧面设有凹槽，所述前壁和后壁的侧缘卡入所述凹槽中；

所述轴压加载装置包括应力加载装置，所述应力加载装置的加载头上安装有厚钢体，所述厚钢体的下表面正对所述样品缸的上口；

所述围压加载装置包括千斤顶、钢丝绳，所述千斤顶设于所述侧壁的外表面，所述钢丝绳缠绕在所述千斤顶的端部与所述前壁和后壁的外表面上。

3.根据权利要求2所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述围压加载装置包括8个千斤顶、两根钢丝绳，每个侧壁的外表面的上部和下部分别设有两个千斤顶，两根钢丝绳分别缠绕在上部4个千斤顶的端部和下部4个千斤顶的端部。

4.根据权利要求3所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述前壁和后壁对应所述钢丝绳的位置设有沟槽，所述侧壁上对应所述沟槽端部的位置设有通孔，所述钢丝绳穿过所述通孔缠绕在所述沟槽中。

5.根据权利要求4所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述样品缸内设有样品，所述样品的前面和后面对应前壁和后壁上的沟槽的部位设有对应的沟槽。

6.根据权利要求5所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述样品缸与样品之间及所述前壁和后壁与所述侧壁的凹槽之间分别设有橡胶垫。

7.根据权利要求1所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述压力检测装置包括设于所述样品缸的内壁的应变片，所述应变片与计算机电连接。

8.根据权利要求1所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置，其特征在于，所述样品缸设于恒温缸内，所述恒温缸设有加热装置和温度计。

9.一种权利要求1至8任一项所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性实验装置实现注二氧化碳对煤岩溶蚀性检测的方法，其特征在于，包括步骤：

A、将实验用的样品装于样品缸内，并按设定值对样品进行轴压加载和围压加载，并通过高压气泵向样品缸注入高压气体，并封闭一段时间，检验实验装置的气密性良好，并将样品缸的温度调到实验要求的温度；

B、进行反应液的反应与渗透性测试，具体包括：

首先，通过高压水泵将配置好的反应液注入到样品缸中，直到样品缸出口端有较多的液体流出时，关闭高压水泵及样品缸进口气液管线和出口气液管线的阀门，使所述反应液和样品充分反应；

反应一段时间后，通过高压水泵向样品缸注水，进行渗透性测试；

之后，再重复注入反应液进行反应和注入水进行渗透性测试，如此反复多次；

C、进行二氧化碳的反应与渗透性测试，具体包括：

首先，通过高压气泵向样品缸注入二氧化碳，当样品缸出口端有较多气体流出时，关闭高压气泵及样品缸进口气液管线和出口气液管线的阀门，使所述二氧化碳与样品充分反应；

反应一段时间后，通过高压水泵向样品缸注水，进行渗透性测试；

之后，再重复注入二氧化碳进行反应和注入水进行渗透性测试，如此反复多次；

D、进行注二氧化碳对煤岩溶蚀性数据的分析。

10.根据权利要求9所述的注二氧化碳对煤岩溶蚀性检测的方法，其特征在于，所述样品的配方为石英砂岩+硅酸盐水泥+碳酸盐矿物+粘土+矿物质+水，所述粘土、碳酸盐矿物以及矿物质的含量根据实验需要进行添加；

所述反应液根据实验需要配置pH值；

所述对样品进行轴压加载和围压加载的值根据实验要求确定；

所述数据的分析包括以下任意一项或多项：

不同压力、温度、时间、粘土含量、矿物质含量、pH情况下二氧化碳对样品的侵蚀性数据分析。

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