CN106370822A - 带ct实时扫描的注气驱替煤层气实验系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，包括CT实时扫描系统、储层模拟系统、气体注入与收集系统以及数据采集处理与控制系统；数据采集处理与控制系统包括第一计算机、第一采集卡、第二计算机和第二采集卡，第一计算机通过第一采集卡及数据信号线与储层模拟系统、X光机和气体注入与收集系统连接，第二计算机通过第二采集卡及数据信号线与平板探测器连接。本发明还公开了带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统的实验方法。本发明主要进行不同煤质条件、注气类型、注气压力、注气速率条件下的驱替实验，同时通过CT实时扫描，对不同注气过程中气体吸附/解吸‑扩散‑渗流阶段孔裂隙的演化，煤层气运移过程进行监测。

Description

带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统及其实验方法

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，尤其涉及一种带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统及其实验方法。

背景技术

针对我国低渗煤储层特点，必须进行储层改造才能商业化开发。针对水力压裂改造的局限性，浪费水资源等特点，煤层气注气开采技术的环保性、安全性、高效性等特点，注气提高煤层气采收率( Enhanced coalbed methane，ECBM)受到各大企业的青睐。

煤质条件、注气类型、注气压力、注气速率等参数的差异，造成煤层气运移的差异，进而造成采收率的差异。国内外多位学者进行了注气增产过程中吸附/解吸-扩散-渗流阶段孔裂隙的演化，气体运移的研究，并设计了大量注气实验装置。这些装置的特点，大多数装置只有简单的注气驱替功能，没有设置施加压力、温度等条件的操作结果，并不能很好地模拟原地层温度条件下煤岩中气体渗流以及吸附特性，只能得出最终的注气参数与采收率的关系图，并不能实时的监测注气驱替过程；少数装置把CT扫描技术应用于注气驱替过程，由于注气装置庞大，只能注气-扫描-注气-扫描反复进行，需要对煤样反复加卸载、拆卸安装，容易导致煤样的机械损坏，且操作麻烦，仍无法全程实时监测；极少数装置采用医用螺旋CT进行注气驱替过程的实时扫描，但由于现有的注气装置所用煤样尺寸较大，放大倍数小，分辨率低，扫描不到微米级裂隙，观察效果不理想。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种操作便捷、可全程实时监测、能测试较小煤样、能施加围压、轴压、温度等参数以及提高试验数据精确度的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统及其实验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，包括CT实时扫描系统、储层模拟系统、气体注入与收集系统以及数据采集处理与控制系统；

CT实时扫描系统包括水平设置的底板和位于底板上方的试验平台，底板底部设有支腿，底板上表面左侧和右侧分别设有左升降机构和右升降机构，底板上表面设有前后水平移动机构，前后水平移动机构顶部设有左右水平移动机构，试验平台固定设置在左右水平移动机构上，试验平台上设有旋转驱动机构；

左升降机构和右升降机构的构造相同且左右对称设置；左升降机构和右升降机构均包括空心固定管和升降杆，空心固定管下端垂直并固定设在底板上表面，空心固定管下部与底板上表面之间设有加强筋板，升降杆的外径等于空心固定管的内径，升降杆下部插设在空心固定管内上部，空心固定管上沿径向方向开设有外插孔，外插孔沿空心固定管的长度方向均匀开设有至少三个，升降杆上沿径向方向开设有内插孔，内插孔与外插孔对应并通过一根插销插接配合；

左升降机构的升降杆上端设置有可调节倾角的X光机，右升降机构的升降杆上端左侧设置平板探测器；

储层模拟系统包括煤样室以及分别向煤样室提供轴压、围压和温度的轴压驱动装置、围压驱动装置和温度控制装置；

煤样室包括由耐高压、耐高温纤维制成的圆筒，圆筒外壁设有保温涂层，圆筒的上端和下端分别同轴向设有上连接筒和下连接筒，下连接筒下端外圆周设有安装盘，下连接筒下端同轴向连接有下旋转密封接头；

轴压驱动装置包括固定连接架、上固定块、上导向密封筒、导向限位筒、上压环板、中导向筒、下压筒、活动压套和上旋转密封接头，上固定块固定设在固定连接架上，上固定块中心开设有注气孔，上旋转密封接头与注气孔上端固定连接，圆筒、注气孔、上导向密封筒、导向限位筒、上压环板、中导向筒、下压筒和活动压套具有同一条中心线；导向限位筒、上压环板、中导向筒和下压筒自上而下依次同轴向固定连接为一体，下压筒下部插设并滑动密封配合在上连接筒内，中导向筒外套设有压缩弹簧，压缩弹簧的上端和下端分别与上压环板下表面和上连接筒上端面顶压配合，上导向密封筒上端与上固定块下表面固定连接，上导向密封筒下部伸入到导向限位筒内，上导向密封筒外壁与导向限位筒内壁之间设有密封套，活动压套套在导向限位筒外部，活动压套下端面与上压环板上表面顶压接触，活动压套上端面与上固定块下表面顶压接触，活动压套上端面与上固定块下表面之间设有四组驱动调节机构，四组驱动调节机构沿注气孔的中心线均匀布置；

上固定块底部设有底部敞口的环形槽，每组驱动调节机构均包括沿注气孔的径向方向开设在上固定块下部的螺纹孔，螺纹孔内端与环形槽连通，活动压套上端伸到环形槽内，活动压套上端开设有半圆锥孔，半圆锥孔呈外大内小且顶部敞口的圆锥形结构，螺纹孔内螺纹连接有调节螺杆，调节螺杆的内端同轴固定连接有与半圆锥孔顶压配合的锥形压头；

气体注入与收集系统包括甲烷气瓶、氮气气瓶、真空泵、注气管、驱替气体收集管、回气平衡管、真空管、放空管、回气平衡器、排水集气管、排水集气瓶、气相色谱仪、量筒和具有六个连接口的中转容器；

甲烷气瓶的出气口通过甲烷气管与中转容器的第一个连接口连接，氮气气瓶的出气口通过氮气气管与中转容器的第二个连接口连接，注气管的进气口与中转容器的第三个连接口连接，放空管的进气口与中转容器的第四个连接口连接，真空管的进气口与中转容器的第五个连接口连接，回气平衡管的进气口与中转容器的第六个连接口连接；

甲烷气管、氮气气管、注气管、放空管、真空管和回气平衡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；注气管上设有注气流量计；

真空泵的抽气口与真空管的出气口连接，回气平衡管的出气口与回气平衡器的一端连接，驱替气体收集管的出气口和排水集气管的进气口分别与回气平衡器的另一端连接，驱替气体收集管上设有第七阀门，排水集气管的出气口与气相色谱仪连接，排水集气瓶位于排水集气管下方，排水集气瓶的顶部通过排水管与排水集气管连接，排水集气瓶通过溢水管与量筒连接；

安装盘和固定连接架分别固定安装到CT扫描系统上的旋转驱动机构上，注气管的出气口与上旋转密封接头上端的进气口连接，驱替气体收集管的进气口与下旋转密封接头下端的出气口连接；

数据采集处理与控制系统包括第一计算机、第一采集卡、第二计算机和第二采集卡，第一计算机通过第一采集卡及数据信号线与储层模拟系统、X光机和气体注入与收集系统连接，第二计算机通过第二采集卡及数据信号线与平板探测器连接。

回气平衡器包括圆筒形的回流桶，回流桶的圆周内壁滑动密封设有活塞板，回流桶一端部开设有与回气平衡管连接的回流孔，回流桶的另一端部开设有两个连接孔，两个连接孔分别与驱替气体收集管的出气口和排水集气管的进气口连接。

前后水平移动机构包括设在底板上表面的下平板，下平板与底板之间沿前后水平方向设置有燕尾槽式滑轨结构，底板前侧设置有第一步进电机，第一步进电机通过螺母丝杆结构与下平板传动连接。

左右水平移动机构包括移动框架、固定链条、行走齿轮和第二步进电机，固定链条沿左右水平方向设置在下平板的上表面，第二步进电机设置移动框架底部，行走齿轮同轴向设在第二步进电机的主轴上，移动框架底部设有沿下平板上表面左右滚动的支撑滚轮，行走齿轮与固定链条啮合。

试验平台固定设在移动框架上，试验平台上开设有上下通透的下安装孔；旋转驱动机构包括固定架、旋转驱动电机、驱动齿轮和圆盘，固定架设置在试验平台右侧，旋转驱动电机固定设在固定架上，圆盘位于试验平台上方，试验平台上表面开设有与下环形槽，圆盘上表面开设有与下环形槽上下对应的上环形槽，圆盘上开设有上下通透的上安装孔，上安装孔、上环形槽、下环形槽和下安装孔具有同一条中心线，上环形槽和下环形槽之间设有支撑滚珠，圆盘外圆周表面设有齿圈，驱动齿轮同轴向固定设在旋转驱动电机的主轴上并与齿圈啮合。

围压驱动装置包括围压泵、储油箱、围压压力传感器、调节阀、围压膨胀套和围压管，围压膨胀套同轴向设置在圆筒内壁，围压管的一端穿过圆筒与围压膨胀套内部连通，围压管的另一端与围压泵的出口连接，围压泵的进口通过抽油管与储油箱连接，围压压力传感器和调节阀设置在围压管上。

温度控制装置包括电阻丝、温控仪、可拉伸导线和温度传感器，电阻丝沿圆筒的轴向方向预制在圆筒内，可拉伸导线的一端与温控仪连接，可拉伸导线的另一端与电阻丝连接，温度传感器连接在可拉伸导线上，温度传感器设在圆筒内并邻近电阻丝，可拉伸导线通过挂钩连接在围压管上。

带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统的实验方法，包括以下步骤：

（1）将安装盘通过螺栓固定连接到圆盘上，下旋转密封接头向下穿过安装孔与驱替气体收集管连接，固定连接架通过螺栓连接到固定架上，注气管的出气口与上旋转密封接头上端的进气口连接；

（2）将煤样进行蜡封处理后装入围压膨胀套内中，调节左升降机构、右升降机构、前后水平移动机构、左右水平移动机构来调整X光机、煤样室和平板探测器之间的水平间距和垂向高差，确保X光机发出的X射线源穿过煤样室到达平板探测器；

（3）先打开第五阀门和第三阀门，开启真空泵，对储层模拟系统进行抽真空，抽真空结束后，关闭第五阀门和第三阀门；

（4）对圆筒内的煤样施加轴压：依次旋转四根调节螺杆，调节螺杆沿径向方向向内移动，锥形压头也向内移动，锥形压头就向下压活动压套，活动压套向下压上压环板，上压环板克服压缩弹簧的弹力，带动中导向筒和下压筒向下移动，下压筒在上连接筒内向下移动并轴向顶压煤样，这样就可对煤样施加轴向压力；

对圆筒内的煤样施加围压：开启围压泵，围压泵抽取储油箱内的油液，通过围压管向围压膨胀套内注入高压油液，通过围压压力传感器实施监控所需要压力大小，围压控制在0-15 MPa；

对圆筒内的温度进行调节：轴压与围压逐次交替加载至设计压力值后，再对样品室内的温度进行调节；圆筒外壁涂覆有低密度的保温涂层，温控仪通过可拉伸导线为电阻丝供电，电阻丝发热为煤样加热，最高温度可以达到60 ℃，样品室内的温度通过温度传感器传输到温控仪，温控仪根据调节电阻丝的通电电流；

（5）开启X光机、平板探测器和旋转驱动电机，旋转驱动电机通过驱动齿轮带动齿圈和圆盘转动，圆盘上的储层模拟系统也随着转动，并且可正反向来回转动；X光机、平板探测器对煤样室内的没有进行原始状态下的CT扫描；通过调节第一计算机中的定时器来实现储层模拟系统随X光机进行360°折返旋转，进行样品的CT扫描，扫描后的数据通过平板探测器输送到第一计算机，第一计算机对实验扫描结果进行采集、存储；

（6）接着打开第一阀门和第六阀门，甲烷气瓶释放出来的甲烷依次通过甲烷气管、中转容器、回气平衡管进入到回流桶内，回流桶内达到一定的回压值后关闭第六阀门，打开第三阀门，调节甲烷气瓶上的压力表至模拟设定压力，甲烷依次通过甲烷气管、中转容器、注气管进入到储层模拟系统内，注气流量计记录甲烷注气量，持续注入24h，关闭第一阀门和第三阀门，保证甲烷在储层模拟系统内的样品孔裂中吸附饱和，在整个吸附过程中，设定每1h对储层模拟系统内的样品进行1次CT扫描；

（7）然后打开第七阀门，让圆筒内游离甲烷气体自由释放，游离甲烷气体通过驱替气体收集管流入到回流桶内并驱动活塞板在回流桶内移动，驱替气体收集管与排水集气管连通，游离甲烷气体将排水集气瓶内的水压入到量筒内，通过量筒记录释放体积；

（8）关闭第七阀门，打第二阀门和第三阀门，以设定压力向储层模拟系统注入N₂，由注气流量计记录N₂注入量，持续注入24h；

（9）关闭第三阀门，让N₂在样品中充分吸附、置换。在整个注氮过程中，设定每1h进行1次CT扫描，平板探测器将扫描的图像传输到第二计算机进行采集、图像重建运算和数字图像处理任务；

（10）再打开第七阀门，开启气相色谱仪，进行混合游离气组分的测定，通过排水集气瓶溢出的水在量筒内记录混合气体总量；

（11）最后通过气体甲烷注入与产出来定量研究驱替效果；第一计算机进行数据采集、传达各个电机驱动信号、并协调整个X光机运转，对采集到的数据进行记录同时绘制对应的曲线；

（12）重复步骤（4）-（11），通过操控第一计算机来控制进行不同压力值，不同注入速度条件下的实验；

（13）试验结束后，打开放空管上的第四阀门，将中转容器内以及与其相连的管道内的气体排空放出。

步骤（2）中前后、左右、上下具体调节过程为：第一步进电机控制下平板沿前后方向移动，第二步进电机驱动行走齿轮沿固定链条左右移动，从而使支撑滚轮沿下平板表面左右移动，移动框架和试验平台也随之沿下平板左右移动；

沿前后和左右方向将储层模拟系统移动到位后，若X光机和平板探测器在高度方向上还不合适，就将插销抽出，向上向下移动升降杆，再把插销插到合适的第一插孔和第二插孔内，调整好X光机和平板探测器的高度；通过三维调节X光机、圆筒和平板探测器的相对位置。再通过X光机上的细调旋钮来精确调整对储层模拟系统内样品的扫描范围。

采用上述技术方案，回气平衡器内预先注入一定压力的甲烷气体，用于平衡储层模拟系统内被驱替的气体，平衡储层模拟系统内的压力小于回气平衡器内预先注入的甲烷气体的压力时，平衡储层模拟系统内被驱替的气体是不能被驱替排出的，从而更精确地模拟了储层的情况。

本发明主要进行不同煤质条件、注气类型、注气压力、注气速率条件下的驱替实验，同时通过CT实时扫描，对不同注气过程中气体吸附/解吸-扩散-渗流阶段孔裂隙的演化，煤层气运移过程进行监测。通过对扫描CT切片进行图像处理和三维可视化，可以连续的观察真实地层状态下注氮驱替过程，分析煤样孔裂隙演化特征，解读注气参数与采收率的关系。

本发明在一个微小煤样上进行注气驱替过程中吸附/解吸-扩散-渗流阶段孔裂隙的演化，气体运移过程的CT实时监测，该系统具有一定的创新性，在国内尚无这样的实验系统。

综上所述，本发明可实现了注气驱替实验系统和CT扫描的对接；并进行不同条件下的注气驱替实验；在注气过程中吸附/解吸-扩散渗流方面孔裂隙的演化，煤层气运移过程的CT实时监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中CT实时扫描系统的放大图；

图3是图1中储层模拟系统的放大图；

图4是图1中气体注入与收集系统的放大图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，包括CT实时扫描系统100、储层模拟系统101、气体注入与收集系统102以及数据采集处理与控制系统。

CT实时扫描系统100包括水平设置的底板1和位于底板1上方的试验平台2，底板1底部设有支腿3，底板1上表面左侧和右侧分别设有左升降机构和右升降机构，底板1上表面设有前后水平移动机构，前后水平移动机构顶部设有左右水平移动机构，试验平台2固定设置在左右水平移动机构上，试验平台2上设有旋转驱动机构。

左升降机构和右升降机构的构造相同且左右对称设置；左升降机构和右升降机构均包括空心固定管4和升降杆5，空心固定管4下端垂直并固定设在底板1上表面，空心固定管4下部与底板1上表面之间设有加强筋板6，升降杆5的外径等于空心固定管4的内径，升降杆5下部插设在空心固定管4内上部，空心固定管4上沿径向方向开设有外插孔7，外插孔7沿空心固定管4的长度方向均匀开设有至少三个，升降杆5上沿径向方向开设有内插孔，内插孔与外插孔7对应并通过一根插销8插接配合。

左升降机构的升降杆5上端设置有可调节倾角的X光机9，右升降机构的升降杆5上端左侧设置平板探测器10。

储层模拟系统101包括煤样室以及分别向煤样室提供轴压、围压和温度的轴压驱动装置、围压驱动装置和温度控制装置。

煤样室包括由耐高压、耐高温纤维制成的圆筒30，圆筒30外壁设有保温涂层，圆筒30的上端和下端分别同轴向设有上连接筒31和下连接筒32，下连接筒32下端外圆周设有安装盘33，下连接筒32下端同轴向连接有下旋转密封接头34。

轴压驱动装置包括固定连接架35、上固定块36、上导向密封筒37、导向限位筒38、上压环板39、中导向筒40、下压筒41、活动压套42和上旋转密封接头43，上固定块36固定设在固定连接架35上，上固定块36中心开设有注气孔44，上旋转密封接头43与注气孔44上端固定连接，圆筒30、注气孔44、上导向密封筒37、导向限位筒38、上压环板39、中导向筒40、下压筒41和活动压套42具有同一条中心线；导向限位筒38、上压环板39、中导向筒40和下压筒41自上而下依次同轴向固定连接为一体，下压筒41下部插设并滑动密封配合在上连接筒31内，中导向筒40外套设有压缩弹簧45，压缩弹簧45的上端和下端分别与上压环板39下表面和上连接筒31上端面顶压配合，上导向密封筒37上端与上固定块36下表面固定连接，上导向密封筒37下部伸入到导向限位筒38内，上导向密封筒37外壁与导向限位筒38内壁之间设有密封套46，密封套46起到密封不漏气的作用，活动压套42套在导向限位筒38外部，活动压套42下端面与上压环板39上表面顶压接触，活动压套42上端面与上固定块36下表面顶压接触，活动压套42上端面与上固定块36下表面之间设有四组驱动调节机构，四组驱动调节机构沿注气孔44的中心线均匀布置。

上固定块36底部设有底部敞口的环形槽47，每组驱动调节机构均包括沿注气孔44的径向方向开设在上固定块36下部的螺纹孔，螺纹孔内端与环形槽47连通，活动压套42上端伸到环形槽47内，活动压套42上端开设有半圆锥孔，半圆锥孔呈外大内小且顶部敞口的圆锥形结构，螺纹孔内螺纹连接有调节螺杆48，调节螺杆48的内端同轴固定连接有与半圆锥孔顶压配合的锥形压头49。

气体注入与收集系统102包括甲烷气瓶62、氮气气瓶63、真空泵64、注气管65、驱替气体收集管66、回气平衡管67、真空管68、放空管69、回气平衡器、排水集气管71、排水集气瓶72、气相色谱仪73、量筒74和具有六个连接口的中转容器75。

甲烷气瓶62的出气口通过甲烷气管76与中转容器75的第一个连接口连接，氮气气瓶63的出气口通过氮气气管77与中转容器75的第二个连接口连接，注气管65的进气口与中转容器75的第三个连接口连接，放空管69的进气口与中转容器75的第四个连接口连接，真空管68的进气口与中转容器75的第五个连接口连接，回气平衡管67的进气口与中转容器75的第六个连接口连接。

甲烷气管76、氮气气管77、注气管65、放空管69、真空管68和回气平衡管67上分别设有第一阀门78、第二阀门79、第三阀门80、第四阀门81、第五阀门82和第六阀门83；注气管65上设有注气流量计84。

真空泵64的抽气口与真空管68的出气口连接，回气平衡管67的出气口与回气平衡器的一端连接，驱替气体收集管66的出气口和排水集气管71的进气口分别与回气平衡器的另一端连接，驱替气体收集管66上设有第七阀门70，排水集气管71的出气口与气相色谱仪73连接，排水集气瓶72位于排水集气管71下方，排水集气瓶72的顶部通过排水管85与排水集气管71连接，排水集气瓶72通过溢水管88与量筒74连接。

安装盘33和固定连接架35分别固定安装到CT扫描系统上的旋转驱动机构上，注气管65的出气口与上旋转密封接头43上端的进气口连接，驱替气体收集管66的进气口与下旋转密封接头34下端的出气口连接。

回气平衡器包括圆筒30形的回流桶86，回流桶86的圆周内壁滑动密封设有活塞板87，回流桶86一端部开设有与回气平衡管67连接的回流孔，回流桶86的另一端部开设有两个连接孔，两个连接孔分别与驱替气体收集管66的出气口和排水集气管71的进气口连接。

前后水平移动机构包括设在底板1上表面的下平板11，下平板11与底板1之间沿前后水平方向设置有燕尾槽式滑轨结构，底板1前侧设置有第一步进电机12，第一步进电机12通过螺母丝杆结构与下平板11传动连接。

左右水平移动机构包括移动框架13、固定链条14、行走齿轮15和第二步进电机16，固定链条14沿左右水平方向设置在下平板11的上表面，第二步进电机16设置移动框架13底部，行走齿轮15同轴向设在第二步进电机16的主轴上，移动框架13底部设有沿下平板11上表面左右滚动的支撑滚轮17，行走齿轮15与固定链条14啮合。

试验平台2固定设在移动框架13上，试验平台2上开设有上下通透的下安装孔18；旋转驱动机构包括固定架19、旋转驱动电机20、驱动齿轮21和圆盘22，固定架19设置在试验平台2右侧，旋转驱动电机20固定设在固定架19上，圆盘22位于试验平台2上方，试验平台2上表面开设有与下环形槽，圆盘22上表面开设有与下环形槽上下对应的上环形槽，圆盘22上开设有上下通透的上安装孔23，上安装孔23、上环形槽、下环形槽和下安装孔18具有同一条中心线，上环形槽和下环形槽之间设有支撑滚珠24，圆盘22外圆周表面设有齿圈25，驱动齿轮21同轴向固定设在旋转驱动电机20的主轴上并与齿圈25啮合。

围压驱动装置包括围压泵50、储油箱51、围压压力传感器52、调节阀53、围压膨胀套54和围压管55，围压膨胀套54同轴向设置在圆筒30内壁，围压管55的一端穿过圆筒30与围压膨胀套54内部连通，围压管55的另一端与围压泵50的出口连接，围压泵50的进口通过抽油管56与储油箱51连接，围压压力传感器52和调节阀53设置在围压管55上。

温度控制装置包括电阻丝57、温控仪58、可拉伸导线59和温度传感器60，电阻丝57沿圆筒30的轴向方向预制在圆筒30内，可拉伸导线59的一端与温控仪58连接，可拉伸导线59的另一端与电阻丝57连接，温度传感器60连接在可拉伸导线59上，温度传感器60设在圆筒30内并邻近电阻丝57，可拉伸导线59通过挂钩61连接在围压管55上。

数据采集处理与控制系统包括第一计算机103、第一采集卡104、第二计算机105和第二采集卡106，第一计算机103通过第一采集卡104及数据信号线与X光机9、气相色谱仪73、第一步进电机12、第二步进电机16、旋转驱动电机20、围压泵50、调节阀53、围压压力传感器52和温控仪58连接，第二计算机105通过第二采集卡106及数据信号线与平板探测器10连接。

带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统的实验方法，包括以下步骤：

（1）将安装盘33通过螺栓固定连接到圆盘22上，下旋转密封接头34向下穿过安装孔与驱替气体收集管66连接，固定连接架35通过螺栓连接到固定架19上，注气管65的出气口与上旋转密封接头43上端的进气口连接；

（2）将煤样进行蜡封处理后装入围压膨胀套54内中，调节左升降机构、右升降机构、前后水平移动机构、左右水平移动机构来调整X光机9、煤样室和平板探测器10之间的水平间距和垂向高差，确保X光机9发出的X射线源穿过煤样室到达平板探测器10；

（3）先打开第五阀门82和第三阀门80，开启真空泵64，对储层模拟系统101进行抽真空，抽真空结束后，关闭第五阀门82和第三阀门80；

（4）对圆筒30内的煤样施加轴压：依次旋转四根调节螺杆48，调节螺杆48沿径向方向向内移动，锥形压头49也向内移动，锥形压头49就向下压活动压套42，活动压套42向下压上压环板39，上压环板39克服压缩弹簧45的弹力，带动中导向筒40和下压筒41向下移动，下压筒41在上连接筒31内向下移动并轴向顶压煤样，这样就可对煤样施加轴向压力；

对圆筒30内的煤样施加围压：开启围压泵50，围压泵50抽取储油箱51内的油液，通过围压管55向围压膨胀套54内注入高压油液，通过围压压力传感器52实施监控所需要压力大小，围压控制在0-15 MPa；

对圆筒30内的温度进行调节：轴压与围压逐次交替加载至设计压力值后，再对样品室内的温度进行调节；圆筒30外壁涂覆有低密度的保温涂层，温控仪58通过可拉伸导线59为电阻丝57供电，电阻丝57发热为煤样加热，最高温度可以达到60 ℃，样品室内的温度通过温度传感器60传输到温控仪58，温控仪58根据调节电阻丝57的通电电流；

（5）开启X光机9、平板探测器10和旋转驱动电机20，旋转驱动电机20通过驱动齿轮21带动齿圈25和圆盘22转动，圆盘22上的储层模拟系统101也随着转动，并且可正反向来回转动；X光机9、平板探测器10对煤样室内的没有进行原始状态下的CT扫描；通过调节第一计算机103中的定时器来实现储层模拟系统101随X光机9进行360°折返旋转，进行样品的CT扫描，扫描后的数据通过平板探测器10输送到第一计算机103，第一计算机103对实验扫描结果进行采集、存储；

（6）接着打开第一阀门78和第六阀门83，甲烷气瓶62释放出来的甲烷依次通过甲烷气管76、中转容器75、回气平衡管67进入到回流桶86内，回流桶86内达到一定的回压值后关闭第六阀门83，打开第三阀门80，调节甲烷气瓶62上的压力表至模拟设定压力，甲烷依次通过甲烷气管76、中转容器75、注气管65进入到储层模拟系统101内，注气流量计84记录甲烷注气量，持续注入24h，关闭第一阀门78和第三阀门80，保证甲烷在储层模拟系统101内的样品孔裂中吸附饱和，在整个吸附过程中，设定每1h对储层模拟系统101内的样品进行1次CT扫描；

（7）然后打开第七阀门70，让圆筒30内游离甲烷气体自由释放，游离甲烷气体通过驱替气体收集管66流入到回流桶86内并驱动活塞板87在回流桶86内移动，驱替气体收集管66与排水集气管71连通，游离甲烷气体将排水集气瓶72内的水压入到量筒74内，通过量筒74记录释放体积；

（8）关闭第七阀门70，打第二阀门79和第三阀门80，以设定压力向储层模拟系统101注入N₂，由注气流量计84记录N₂注入量，持续注入24h；

（9）关闭第三阀门80，让N₂在样品中充分吸附、置换。在整个注氮过程中，设定每1h进行1次CT扫描，平板探测器10将扫描的图像传输到第二计算机105进行采集、图像重建运算和数字图像处理任务；

（10）再打开第七阀门70，开启气相色谱仪73，进行混合游离气组分的测定，通过排水集气瓶72溢出的水在量筒74内记录混合气体总量；

（11）最后通过气体甲烷注入与产出来定量研究驱替效果；第一计算机103进行数据采集、传达各个电机驱动信号、并协调整个X光机9运转，对采集到的数据进行记录同时绘制对应的曲线；

（12）重复步骤（4）-（11），通过操控第一计算机103来控制进行不同压力值，不同注入速度条件下的实验；

（13）试验结束后，打开放空管69上的第四阀门81，将中转容器75内以及与其相连的管道内的气体排空放出。

步骤（2）中前后、左右、上下具体调节过程为：第一步进电机12控制下平板11沿前后方向移动，第二步进电机16驱动行走齿轮15沿固定链条14左右移动，从而使支撑滚轮17沿下平板11表面左右移动，移动框架13和试验平台2也随之沿下平板11左右移动；

沿前后和左右方向将储层模拟系统101移动到位后，若X光机9和平板探测器10在高度方向上还不合适，就将插销8抽出，向上向下移动升降杆5，再把插销8插到合适的第一插孔和第二插孔内，调整好X光机9和平板探测器10的高度；通过三维调节X光机9、圆筒30和平板探测器10的相对位置。再通过X光机9上的细调旋钮来精确调整对储层模拟系统101内样品的扫描范围。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：包括CT实时扫描系统、储层模拟系统、气体注入与收集系统以及数据采集处理与控制系统；

CT实时扫描系统包括水平设置的底板和位于底板上方的试验平台，底板底部设有支腿，底板上表面左侧和右侧分别设有左升降机构和右升降机构，底板上表面设有前后水平移动机构，前后水平移动机构顶部设有左右水平移动机构，试验平台固定设置在左右水平移动机构上，试验平台上设有旋转驱动机构；

左升降机构和右升降机构的构造相同且左右对称设置；左升降机构和右升降机构均包括空心固定管和升降杆，空心固定管下端垂直并固定设在底板上表面，空心固定管下部与底板上表面之间设有加强筋板，升降杆的外径等于空心固定管的内径，升降杆下部插设在空心固定管内上部，空心固定管上沿径向方向开设有外插孔，外插孔沿空心固定管的长度方向均匀开设有至少三个，升降杆上沿径向方向开设有内插孔，内插孔与外插孔对应并通过一根插销插接配合；

左升降机构的升降杆上端设置有可调节倾角的X光机，右升降机构的升降杆上端左侧设置平板探测器；

储层模拟系统包括煤样室以及分别向煤样室提供轴压、围压和温度的轴压驱动装置、围压驱动装置和温度控制装置；

煤样室包括由耐高压、耐高温纤维制成的圆筒，圆筒外壁设有保温涂层，圆筒的上端和下端分别同轴向设有上连接筒和下连接筒，下连接筒下端外圆周设有安装盘，下连接筒下端同轴向连接有下旋转密封接头；

轴压驱动装置包括固定连接架、上固定块、上导向密封筒、导向限位筒、上压环板、中导向筒、下压筒、活动压套和上旋转密封接头，上固定块固定设在固定连接架上，上固定块中心开设有注气孔，上旋转密封接头与注气孔上端固定连接，圆筒、注气孔、上导向密封筒、导向限位筒、上压环板、中导向筒、下压筒和活动压套具有同一条中心线；导向限位筒、上压环板、中导向筒和下压筒自上而下依次同轴向固定连接为一体，下压筒下部插设并滑动密封配合在上连接筒内，中导向筒外套设有压缩弹簧，压缩弹簧的上端和下端分别与上压环板下表面和上连接筒上端面顶压配合，上导向密封筒上端与上固定块下表面固定连接，上导向密封筒下部伸入到导向限位筒内，上导向密封筒外壁与导向限位筒内壁之间设有密封套，活动压套套在导向限位筒外部，活动压套下端面与上压环板上表面顶压接触，活动压套上端面与上固定块下表面顶压接触，活动压套上端面与上固定块下表面之间设有四组驱动调节机构，四组驱动调节机构沿注气孔的中心线均匀布置；

上固定块底部设有底部敞口的环形槽，每组驱动调节机构均包括沿注气孔的径向方向开设在上固定块下部的螺纹孔，螺纹孔内端与环形槽连通，活动压套上端伸到环形槽内，活动压套上端开设有半圆锥孔，半圆锥孔呈外大内小且顶部敞口的圆锥形结构，螺纹孔内螺纹连接有调节螺杆，调节螺杆的内端同轴固定连接有与半圆锥孔顶压配合的锥形压头；

气体注入与收集系统包括甲烷气瓶、氮气气瓶、真空泵、注气管、驱替气体收集管、回气平衡管、真空管、放空管、回气平衡器、排水集气管、排水集气瓶、气相色谱仪、量筒和具有六个连接口的中转容器；

甲烷气瓶的出气口通过甲烷气管与中转容器的第一个连接口连接，氮气气瓶的出气口通过氮气气管与中转容器的第二个连接口连接，注气管的进气口与中转容器的第三个连接口连接，放空管的进气口与中转容器的第四个连接口连接，真空管的进气口与中转容器的第五个连接口连接，回气平衡管的进气口与中转容器的第六个连接口连接；

甲烷气管、氮气气管、注气管、放空管、真空管和回气平衡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；注气管上设有注气流量计；

真空泵的抽气口与真空管的出气口连接，回气平衡管的出气口与回气平衡器的一端连接，驱替气体收集管的出气口和排水集气管的进气口分别与回气平衡器的另一端连接，驱替气体收集管上设有第七阀门，排水集气管的出气口与气相色谱仪连接，排水集气瓶位于排水集气管下方，排水集气瓶的顶部通过排水管与排水集气管连接，排水集气瓶通过溢水管与量筒连接；

安装盘和固定连接架分别固定安装到CT扫描系统上的旋转驱动机构上，注气管的出气口与上旋转密封接头上端的进气口连接，驱替气体收集管的进气口与下旋转密封接头下端的出气口连接；

数据采集处理与控制系统包括第一计算机、第一采集卡、第二计算机和第二采集卡，第一计算机通过第一采集卡及数据信号线与储层模拟系统、X光机和气体注入与收集系统连接，第二计算机通过第二采集卡及数据信号线与平板探测器连接。

2.根据权利要求1所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：回气平衡器包括圆筒形的回流桶，回流桶的圆周内壁滑动密封设有活塞板，回流桶一端部开设有与回气平衡管连接的回流孔，回流桶的另一端部开设有两个连接孔，两个连接孔分别与驱替气体收集管的出气口和排水集气管的进气口连接。

3.根据权利要求2所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：前后水平移动机构包括设在底板上表面的下平板，下平板与底板之间沿前后水平方向设置有燕尾槽式滑轨结构，底板前侧设置有第一步进电机，第一步进电机通过螺母丝杆结构与下平板传动连接。

4.根据权利要求3所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：左右水平移动机构包括移动框架、固定链条、行走齿轮和第二步进电机，固定链条沿左右水平方向设置在下平板的上表面，第二步进电机设置移动框架底部，行走齿轮同轴向设在第二步进电机的主轴上，移动框架底部设有沿下平板上表面左右滚动的支撑滚轮，行走齿轮与固定链条啮合。

5.根据权利要求4所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：试验平台固定设在移动框架上，试验平台上开设有上下通透的下安装孔；旋转驱动机构包括固定架、旋转驱动电机、驱动齿轮和圆盘，固定架设置在试验平台右侧，旋转驱动电机固定设在固定架上，圆盘位于试验平台上方，试验平台上表面开设有与下环形槽，圆盘上表面开设有与下环形槽上下对应的上环形槽，圆盘上开设有上下通透的上安装孔，上安装孔、上环形槽、下环形槽和下安装孔具有同一条中心线，上环形槽和下环形槽之间设有支撑滚珠，圆盘外圆周表面设有齿圈，驱动齿轮同轴向固定设在旋转驱动电机的主轴上并与齿圈啮合。

6.根据权利要求5所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：围压驱动装置包括围压泵、储油箱、围压压力传感器、调节阀、围压膨胀套和围压管，围压膨胀套同轴向设置在圆筒内壁，围压管的一端穿过圆筒与围压膨胀套内部连通，围压管的另一端与围压泵的出口连接，围压泵的进口通过抽油管与储油箱连接，围压压力传感器和调节阀设置在围压管上。

7.根据权利要求6所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统，其特征在于：温度控制装置包括电阻丝、温控仪、可拉伸导线和温度传感器，电阻丝沿圆筒的轴向方向预制在圆筒内，可拉伸导线的一端与温控仪连接，可拉伸导线的另一端与电阻丝连接，温度传感器连接在可拉伸导线上，温度传感器设在圆筒内并邻近电阻丝，可拉伸导线通过挂钩连接在围压管上。

8.根据权利要求7所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将安装盘通过螺栓固定连接到圆盘上，下旋转密封接头向下穿过安装孔与驱替气体收集管连接，固定连接架通过螺栓连接到固定架上，注气管的出气口与上旋转密封接头上端的进气口连接；

（2）将煤样进行蜡封处理后装入围压膨胀套内中，调节左升降机构、右升降机构、前后水平移动机构、左右水平移动机构来调整X光机、煤样室和平板探测器之间的水平间距和垂向高差，确保X光机发出的X射线源穿过煤样室到达平板探测器；

（3）先打开第五阀门和第三阀门，开启真空泵，对储层模拟系统进行抽真空，抽真空结束后，关闭第五阀门和第三阀门；

（4）对圆筒内的煤样施加轴压：依次旋转四根调节螺杆，调节螺杆沿径向方向向内移动，锥形压头也向内移动，锥形压头就向下压活动压套，活动压套向下压上压环板，上压环板克服压缩弹簧的弹力，带动中导向筒和下压筒向下移动，下压筒在上连接筒内向下移动并轴向顶压煤样，这样就可对煤样施加轴向压力；

对圆筒内的煤样施加围压：开启围压泵，围压泵抽取储油箱内的油液，通过围压管向围压膨胀套内注入高压油液，通过围压压力传感器实施监控所需要压力大小，围压控制在0-15 MPa；

对圆筒内的温度进行调节：轴压与围压逐次交替加载至设计压力值后，再对样品室内的温度进行调节；圆筒外壁涂覆有低密度的保温涂层，温控仪通过可拉伸导线为电阻丝供电，电阻丝发热为煤样加热，最高温度可以达到60 ℃，样品室内的温度通过温度传感器传输到温控仪，温控仪根据调节电阻丝的通电电流；

（5）开启X光机、平板探测器和旋转驱动电机，旋转驱动电机通过驱动齿轮带动齿圈和圆盘转动，圆盘上的储层模拟系统也随着转动，并且可正反向来回转动；X光机、平板探测器对煤样室内的没有进行原始状态下的CT扫描；通过调节第一计算机中的定时器来实现储层模拟系统随X光机进行360°折返旋转，进行样品的CT扫描，扫描后的数据通过平板探测器输送到第一计算机，第一计算机对实验扫描结果进行采集、存储；

（6）接着打开第一阀门和第六阀门，甲烷气瓶释放出来的甲烷依次通过甲烷气管、中转容器、回气平衡管进入到回流桶内，回流桶内达到一定的回压值后关闭第六阀门，打开第三阀门，调节甲烷气瓶上的压力表至模拟设定压力，甲烷依次通过甲烷气管、中转容器、注气管进入到储层模拟系统内，注气流量计记录甲烷注气量，持续注入24h，关闭第一阀门和第三阀门，保证甲烷在储层模拟系统内的样品孔裂中吸附饱和，在整个吸附过程中，设定每1h对储层模拟系统内的样品进行1次CT扫描；

（7）然后打开第七阀门，让圆筒内游离甲烷气体自由释放，游离甲烷气体通过驱替气体收集管流入到回流桶内并驱动活塞板在回流桶内移动，驱替气体收集管与排水集气管连通，游离甲烷气体将排水集气瓶内的水压入到量筒内，通过量筒记录释放体积；

（8）关闭第七阀门，打第二阀门和第三阀门，以设定压力向储层模拟系统注入N₂，由注气流量计记录N₂注入量，持续注入24h；

（9）关闭第三阀门，让N₂在样品中充分吸附、置换，在整个注氮过程中，设定每1h进行1次CT扫描，平板探测器将扫描的图像传输到第二计算机进行采集、图像重建运算和数字图像处理任务；

（10）再打开第七阀门，开启气相色谱仪，进行混合游离气组分的测定，通过排水集气瓶溢出的水在量筒内记录混合气体总量；

（11）最后通过气体甲烷注入与产出来定量研究驱替效果；第一计算机进行数据采集、传达各个电机驱动信号、并协调整个X光机运转，对采集到的数据进行记录同时绘制对应的曲线；

（12）重复步骤（4）-（11），通过操控第一计算机来控制进行不同压力值，不同注入速度条件下的实验；

（13）试验结束后，打开放空管上的第四阀门，将中转容器内以及与其相连的管道内的气体排空放出。

9.根据权利要求8所述的带CT实时扫描的注气驱替煤层气实验系统的实验方法，其特征在于：步骤（2）中前后、左右、上下具体调节过程为：第一步进电机控制下平板沿前后方向移动，第二步进电机驱动行走齿轮沿固定链条左右移动，从而使支撑滚轮沿下平板表面左右移动，移动框架和试验平台也随之沿下平板左右移动；

沿前后和左右方向将储层模拟系统移动到位后，若X光机和平板探测器在高度方向上还不合适，就将插销抽出，向上向下移动升降杆，再把插销插到合适的第一插孔和第二插孔内，调整好X光机和平板探测器的高度；通过三维调节X光机、圆筒和平板探测器的相对位置；再通过X光机上的细调旋钮来精确调整对储层模拟系统内样品的扫描范围。