CN104453878A - 基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置 - Google Patents
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Abstract
基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，包括试验箱体、第一流量计、第二流量计、气相色谱仪、数据采集系统、计算机、真空泵、甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶。本发明通过搭建功能较为完善的气体驱替煤中甲烷的实验平台，能够在不同注气压力和煤样荷载、煤种条件下，实时跟踪和测试气体组分、流量和压力、煤体变形量和渗透率的演化，从而实现对含甲烷煤体注入氮气或二氧化碳过程中煤体变化过程的全程动态跟踪控制及驱替、置换效应单个因素定量化研究。为低透气煤层强化预抽防突提供科学依据，为提出可规模化推广应用的煤层注氮气促排甲烷消突新技术奠定理论基础。
Description
技术领域
本发明属于煤层气开发实验技术领域，具体涉及一种基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置。
背景技术
我国煤矿中蕴含着丰富的煤矿瓦斯（煤层气）资源。随着煤矿开采深度的增加，煤层地应力增高、瓦斯压力增大，再加上煤层透气性低，瓦斯采前抽采困难，瓦斯抽采率和利用率较低，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害日趋严重。煤矿瓦斯（主要成分为甲烷）的开发利用是保障国家能源安全的重要组成部分，是优化我国能源结构的重要内容，是降低煤矿瓦斯事故的重要手段，同时也是实现国家温室气体减排目标的重要途径。
在煤层气开采工业中，注气增产法（Enhanced Coalbed Methane Recovery，ECBM），即向煤层注入CO2或N2以促进CH4回收，是当前提高煤层气采收率的主要方法之一，也是目前国内外煤层气开发重点研究的技术。ECBM的理论基础是多组分吸附。当几种气体共同存在于煤体时，由于煤对吸附质吸附作用力大小有差异，吸附质之间相互竞争，从而影响到总吸附量及各组分吸附量。如果在单组分CH4吸附体系中加入CO2或N2，将减少CH4的吸附量，这就是ECBM技术的基本原理。国内外众多学者提出了多种多组分吸附模型，试图对多组分吸附进行定量分析、计算和预测，得到了许多有效成果。而对ECBM的机理仍不能完全了解，向煤中注入气体以驱替CH4的动力学过程仍需要继续深入研究。
物理模拟实验提供一种更直观的方法让我们在实验室条件下观测到气体驱替提高采收率的过程。这些实验的程序一般是将煤样品放入一个压力容器，充入一定压力的CH4气体并达到吸附平衡，然后从煤样的一端注入更高压力的另一种气体（CO2、N2）及其混合气体，另一端打开阀门让气体流出，监测气体的流量及浓度，用于掌握气体驱替强化抽采的过程。模拟研究大多采用毫米级以下煤粉颗粒或制成的圆柱体标样进行物理化学的吸附解吸研究，或基于理论研究而进行实验室数值模拟研究，或采用松散煤体（渗透率较大10×10-15m2以上）进行驱替实验，而选用大煤样模拟一定地层压力（深部）条件下，从实验设备的一端进行气体的注入、置换、驱替，另一端进行气体的收集、计量、分析实验还鲜有报道。同时没有学者深入研究煤层注气过程中置换和驱替作用的定量贡献。其结果不能完全真实反映向煤层中注入其他气体对煤层吸附CH4的影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，该实验装置拟通过搭建功能较为完善的气体驱替煤中CH4的实验平台，能够在不同注气压力和煤样荷载（即地应力）、煤种条件下，实时跟踪和测试气体组分、流量和压力、煤体变形量和渗透率的演化，从而实现对含CH4煤体注入N2或CO2过程中驱替、置换效应单个因素定量化研究和煤体变化过程的全程动态跟踪控制。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，包括试验箱体、第一流量计、第二流量计、气相色谱仪、数据采集系统、计算机、真空泵、甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶，甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶分别通过第一气管、第二气管和第三气管与第一流量计的进口连接，第一流量计的出口通过第四气管与试验箱体的进气端连接，试验箱体的出气端通过第五气管与第二流量计的进口连接，第二流量计的出口通过第六气管与气相色谱仪的进口连接，试验箱体的一侧设有一组取样孔，每个取样孔外分别连接有一根取样管，每个取样管上均设有一个取样阀门，试验箱体的另一侧设有一组测压孔，每个测压孔处均设有伸入到试验箱体内部的压力传感器，气相色谱仪和所有压力传感器信号输出端分别通过第一数据信号线和第二数据信号线与数据采集系统连接，数据采集系统通过第三数据信号线与计算机连接；真空泵的抽气口通过抽气管与第四气管连接，第一气管、第二气管、第三气管、第四气管、第五气管和第六气管上分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，抽气管与第四气管的连接处位于第四阀门与试验箱体之间，抽气管上设有抽气阀门。
所述试验箱体由底板、顶板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板合围而成，底板，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板与底板之间通过下螺栓连接且在连接处设有第一密封圈，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板与顶板之间通过上螺栓连接且在连接处设有第二密封圈，顶板上设有至少两个通孔，通孔内设有导柱，通孔内壁与导柱外表面之间设有第三密封圈，导柱下端水平设有位于试验箱体内的下压板，导柱上端水平设有位于试验箱体外的上压板，下压板的长宽尺寸与箱体内部横截面的长宽尺寸一致；
左侧板上设有一个与第五气管进口连接的甲烷排出孔，右侧板右表面设有凹槽，右侧板上按矩形阵列开设有一组支注气孔，所有支注气孔的两端分别与凹槽和试验箱体内部连通，右侧板右侧设有与凹槽配合的堵头板，堵头板左侧面与凹槽底部之间具有通气间隙，堵头板上设有一个与第四气管连接的主注气孔，主注气孔左端与通气间隙连通。
所述试验箱体的内腔的左右方向的长度为300mm、前后方向的宽度为70mm、高度为70mm，试验箱体的壁厚为40mm，取样孔设在后侧板上，取样孔沿后侧板长度方向均匀设有5个，测压孔设在前侧板上，测压孔沿前侧板长度方向均匀设有5个，取样孔和测压孔前后一一对应，相邻两个取样孔或相邻两个测压孔之间的距离为60mm。
采用上述技术方案，采用本发明进行试验的具体操作步骤如下：
（1）、型煤制作。将取来的块煤经粉碎、筛分，取0.2～0.25mm以下的颗粒煤用于型煤的制作。首先在试验箱体四壁、底板及活动的下压板下面均涂上10mm的密封胶，15天后，密封胶完全凝固。打开顶板，然后将粉煤加入少量的水搅拌均匀放入试验箱体内部，并将煤粉夯实。将试验箱体放置于压力机实验平台上。
（2）、抽真空。将第四阀门、第五阀门关闭，抽气阀门打开，开启真空泵，对试验箱体内部进行抽真空，抽真空时间不少于48h。
（3）、充入甲烷。甲烷气源由高压钢瓶提供，打开第一阀门、第四阀门，关闭第五阀门、抽气阀门，甲烷气体通过第一气管，经第一流量计的计量，再经过第四气管、主注气孔、通气间隙、支注气孔进入到试验箱体内，第一阀门为减压阀，可以设定恒定的气体注入压力，并通过第一流量计计量注入甲烷气体的体积。为了让煤体试件充分吸附甲烷气体，将注入时间（平衡时间）设置为24～48h。
（4）、驱替过程。驱替气体采用二氧化碳、氮气或其它气体。二氧化碳气体钢瓶和氮气气体钢瓶不同时进行试验。打开第二阀门或第三阀门，打开第四阀门、第五阀门、第六阀门，关闭抽气阀门，设定恒定气压，二氧化碳或氮气注入到试验箱体内的煤体试件中，在注入过程中，甲烷气体被驱赶出来，从甲烷排出孔排出，经第五气管、第二流量计和第六气管进入到气相色谱仪中进行分析，气相色谱仪将分析的数据通过第一数据信号线进入到数据采集系统中，数据采集系统再将数据通过第三数据信号线传输到计算机。
（5）、参数测量。驱替实验过程中需要计量一些参数来考证驱替的过程及驱替效果，记录和测量的数据包括：①、5个测压孔处的孔隙压力变化情况，压力传感器通过第二数据信号线将数据传输到数据采集系统当中；②、甲烷排出口及5个取样孔的瓦斯组分测定；③主注气孔处的流速（瞬时流量和累计流量）；④甲烷排出口的气体体积及流速（瞬时流量和累计流量）。
（6）、结束实验。当注入的二氧化碳气体或氮气气体通过甲烷排出口且流速比较稳定时，停止注气。重复进行程序（2）～（6）进行下一组实验。
抽气泵采用JZJX30-4型罗茨真空泵机组，可将煤样中的残余气体抽至真空度＜0.4MPa。
注入二氧化碳气体或氮气定量和析出甲烷气体定量两部分。注入气体由第一流量计计量，流量计的量程是20～200mL/min。注气的流速有调压阀控制，一般控制在100～150mL/min之间。析出气体采用第二流量计串联放气，大量程为100～2000mL/min，小量程为10～100mL/min。每个流量计都显示瞬时流量和累计流量，并配有数据采集系统，用计算机就能采集到不同时间间隔的气体的瞬时流量和累计流量。
气体采样在前侧板上等距离布置了5个取样孔。左右两侧的取样孔分别距离甲烷排出口和支注气孔30mm，取样管上设置取样阀门，实验过程中可以随时连上锡箔取样袋进行取样。
驱替过程中的气样及出口处的气体组分及其浓度由 GC-4000A气相色谱仪进行分析。
综上所述，本发明通过搭建功能较为完善的气体驱替煤中甲烷的实验平台，能够在不同注气压力和煤样荷载（即地应力）、煤种条件下，实时跟踪和测试气体组分、流量和压力、煤体变形量和渗透率的演化，从而实现对含甲烷煤体注入氮气或二氧化碳过程中煤体变化过程的全程动态跟踪控制及驱替、置换效应单个因素定量化研究。为低透气煤层强化预抽防突（防瓦斯突出）提供科学依据，为提出可规模化推广应用的煤层注氮气促排甲烷消突（消除瓦斯突出）新技术奠定理论基础。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，包括试验箱体、第一流量计1、第二流量计2、气相色谱仪3、数据采集系统4、计算机5、真空泵6、甲烷气体钢瓶7、氮气气体钢瓶8和二氧化碳气体钢瓶9，甲烷气体钢瓶7、氮气气体钢瓶8和二氧化碳气体钢瓶9分别通过第一气管10、第二气管11和第三气管12与第一流量计1的进口连接，第一流量计1的出口通过第四气管13与试验箱体的进气端连接，试验箱体的出气端通过第五气管14与第二流量计2的进口连接，第二流量计2的出口通过第六气管15与气相色谱仪3的进口连接，试验箱体的一侧设有一组取样孔16，每个取样孔16外分别连接有一根取样管17，每个取样管17上均设有一个取样阀门18，试验箱体的另一侧设有一组测压孔，每个测压孔处均设有伸入到试验箱体内部的压力传感器，气相色谱仪3和所有压力传感器信号输出端分别通过第一数据信号线19和第二数据信号线20与数据采集系统4连接，数据采集系统4通过第三数据信号线21与计算机5连接；真空泵6的抽气口通过抽气管22与第四气管13连接，第一气管10、第二气管11、第三气管12、第四气管13、第五气管14和第六气管15上分别设有第一阀门23、第二阀门24、第三阀门25、第四阀门26、第五阀门27和第六阀门28，抽气管22与第四气管13的连接处位于第四阀门26与试验箱体之间，抽气管22上设有抽气阀门29。
试验箱体包括底板30、顶板31、前侧板、后侧板32、左侧板33和右侧板34合围而成，底板30，前侧板、后侧板32、左侧板33和右侧板34与底板30之间通过下螺栓35连接且在连接处设有第一密封圈36，前侧板、后侧板32、左侧板33和右侧板34与顶板31之间通过上螺栓37连接且在连接处设有第二密封圈38，顶板31上设有至少两个通孔，通孔内设有导柱39，通孔内壁与导柱39外表面之间设有第三密封圈40，导柱39下端水平设有位于试验箱体内的下压板41，导柱39上端水平设有位于试验箱体外的上压板42，下压板41的长宽尺寸与箱体内部横截面的长宽尺寸一致。
左侧板33上设有一个与第五气管14进口连接的甲烷排出孔43，右侧板34右表面设有凹槽，右侧板34上按矩形阵列开设有一组支注气孔44，所有支注气孔44的两端分别与凹槽和试验箱体内部连通，右侧板34右侧设有与凹槽配合的堵头板45，堵头板45左侧面与凹槽底部之间具有通气间隙46，堵头板45上设有一个与第四气管13连接的主注气孔47，主注气孔47左端与通气间隙46连通。
试验箱体的内腔的左右方向的长度为300mm、前后方向的宽度为70mm、高度为70mm，试验箱体的壁厚为40mm，取样孔16设在后侧板32上，取样孔16沿后侧板32长度方向均匀设有5个，测压孔设在前侧板上，测压孔沿前侧板长度方向均匀设有5个，取样孔16和测压孔前后一一对应，相邻两个取样孔16或相邻两个测压孔之间的距离为60mm。
本发明中前侧板、测压孔及压力传感器在图中未显示。
本发明进行试验的具体操作步骤如下：
（1）、型煤制作。将取来的块煤经粉碎、筛分，取0.2～0.25mm以下的颗粒煤用于型煤的制作。首先在试验箱体四壁、底板30及活动的下压板41下面均涂上10mm的密封胶，15天后，密封胶完全凝固。打开顶板31，然后将粉煤加入少量的水搅拌均匀放入试验箱体内部，并将煤粉夯实。将试验箱体放置于压力机实验平台上。
（2）、抽真空。将第四阀门26、第五阀门27关闭，抽气阀门29打开，开启真空泵6，对试验箱体内部进行抽真空，抽真空时间不少于48h。
（3）、充入甲烷。甲烷气源由高压钢瓶提供，打开第一阀门23、第四阀门26，关闭第五阀门27、抽气阀门29，甲烷气体通过第一气管10，经第一流量计1的计量，再经过第四气管13、主注气孔47、通气间隙46、支注气孔44进入到试验箱体内，第一阀门23为减压阀，可以设定恒定的气体注入压力，并通过第一流量计1计量注入甲烷气体的体积。为了让煤体试件充分吸附甲烷气体，将注入时间（平衡时间）设置为24～48h。
（4）、驱替过程。驱替气体采用二氧化碳、氮气或其它气体。二氧化碳气体钢瓶9和氮气气体钢瓶8不同时进行试验。打开第二阀门24或第三阀门25，打开第四阀门26、第五阀门27、第六阀门28，关闭抽气阀门29，设定恒定气压，二氧化碳或氮气注入到试验箱体内的煤体试件中，在注入过程中，甲烷气体被驱赶出来，从甲烷排出孔43排出，经第五气管14、第二流量计2和第六气管15进入到气相色谱仪3中进行分析，气相色谱仪3将分析的数据通过第一数据信号线19进入到数据采集系统4中，数据采集系统4再将数据通过第三数据信号线21传输到计算机5。
（5）、参数测量。驱替实验过程中需要计量一些参数来考证驱替的过程及驱替效果，记录和测量的数据包括：①、5个测压孔处的孔隙压力变化情况，压力传感器通过第二数据信号线20将数据传输到数据采集系统4当中；②、甲烷排出口及5个取样孔16的瓦斯组分测定；③主注气孔47处的流速（瞬时流量和累计流量）；④甲烷排出口的气体体积及流速（瞬时流量和累计流量）。
（6）、结束实验。当注入的二氧化碳气体或氮气气体通过甲烷排出口且流速比较稳定时，停止注气。重复进行程序（2）～（6）进行下一组实验。
抽气泵采用JZJX30-4型罗茨真空泵6机组，可将煤样中的残余气体抽至真空度＜0.4MPa。
注入二氧化碳气体或氮气定量和析出甲烷气体定量两部分。注入气体由第一流量计1计量，流量计的量程是20～200mL/min。注气的流速有调压阀控制，一般控制在100～150mL/min之间。析出气体采用第二流量计2串联放气，大量程为100～2000mL/min，小量程为10～100mL/min。每个流量计都显示瞬时流量和累计流量，并配有数据采集系统4，用计算机5就能采集到不同时间间隔的气体的瞬时流量和累计流量。
气体采样在前侧板上等距离布置了5个取样孔16。左右两侧的取样孔16分别距离甲烷排出口和支注气孔4430mm，取样管17上设置取样阀门18，实验过程中可以随时连上锡箔取样袋进行取样。
驱替过程中的气样及出口处的气体组分及其浓度由 GC-4000A气相色谱仪3进行分析。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，其特征在于：包括试验箱体、第一流量计、第二流量计、气相色谱仪、数据采集系统、计算机、真空泵、甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶，甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶分别通过第一气管、第二气管和第三气管与第一流量计的进口连接，第一流量计的出口通过第四气管与试验箱体的进气端连接，试验箱体的出气端通过第五气管与第二流量计的进口连接，第二流量计的出口通过第六气管与气相色谱仪的进口连接，试验箱体的一侧设有一组取样孔，每个取样孔外分别连接有一根取样管，每个取样管上均设有一个取样阀门，试验箱体的另一侧设有一组测压孔，每个测压孔处均设有伸入到试验箱体内部的压力传感器，气相色谱仪和所有压力传感器信号输出端分别通过第一数据信号线和第二数据信号线与数据采集系统连接，数据采集系统通过第三数据信号线与计算机连接；真空泵的抽气口通过抽气管与第四气管连接，第一气管、第二气管、第三气管、第四气管、第五气管和第六气管上分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，抽气管与第四气管的连接处位于第四阀门与试验箱体之间，抽气管上设有抽气阀门。
2.根据权利要求1所述的基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，其特征在于：所述试验箱体由底板、顶板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板合围而成，底板，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板与底板之间通过下螺栓连接且在连接处设有第一密封圈，前侧板、后侧板、左侧板和右侧板与顶板之间通过上螺栓连接且在连接处设有第二密封圈，顶板上设有至少两个通孔，通孔内设有导柱，通孔内壁与导柱外表面之间设有第三密封圈，导柱下端水平设有位于试验箱体内的下压板，导柱上端水平设有位于试验箱体外的上压板，下压板的长宽尺寸与箱体内部横截面的长宽尺寸一致；
左侧板上设有一个与第五气管进口连接的甲烷排出孔，右侧板右表面设有凹槽，右侧板上按矩形阵列开设有一组支注气孔，所有支注气孔的两端分别与凹槽和试验箱体内部连通，右侧板右侧设有与凹槽配合的堵头板，堵头板左侧面与凹槽底部之间具有通气间隙，堵头板上设有一个与第四气管连接的主注气孔，主注气孔左端与通气间隙连通。
3.根据权利要求2所述的基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，其特征在于：所述试验箱体的内腔的左右方向的长度为300mm、前后方向的宽度为70mm、高度为70mm，试验箱体的壁厚为40mm，取样孔设在后侧板上，取样孔沿后侧板长度方向均匀设有5个，测压孔设在前侧板上，测压孔沿前侧板长度方向均匀设有5个，取样孔和测压孔前后一一对应，相邻两个取样孔或相邻两个测压孔之间的距离为60mm。
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