CN106978996A - 自动储能高压注液co2相变脉冲煤岩体致裂装置 - Google Patents
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Abstract
一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，所述装置是由供液系统、自动储能高压注液系统、相变致裂系统及数据采集与控制系统构成，所述供液系统包括液态CO2源、液体增压泵及高压储液控温罐；所述自动储能高压注液系统包括高压注液缸、储能室及相变室；所述相变致裂系统包括相变室及致裂体；所述数据采集与控制系统包括压力传感器、温度传感器、截止阀、安全阀和控制电脑。本发明通过“注液‑油浴加热‑相变‑储能‑致裂”过程的自动循环，实现了连续脉冲高压射流致裂，适用于煤、岩石、混凝土、土壤及冻结物等固体材料快速高效致裂。
Description
技术领域
本发明涉及一种CO2相变脉冲致裂固体装置，具体是一种利用液体CO2相变产生高压气体对煤岩体致裂的装置。
背景技术
液态CO2相变气爆致裂是一种通过加热使液体相变形成气体增压致裂固体材料的新兴技术，可对煤岩体、混凝土、土壤以及冻结体等固体材料实施烈度适中的致裂，近年来在国内得到了快速发展与推广，特别是广泛应用于多种工程领域，尤其是用于低渗透性油气储层的致裂増透。
公开号为CN203083463U的发明专利，公开了一种“二氧化碳开采器”，其结构原理是通过增压泵向组装好的密封爆破管中注入压缩的液态CO2，通电激活管内化学药卷进行加热，液态CO2受热迅速气化膨胀使储液管内压力增加，压力达到200MPa左右时，爆破管的破裂片破裂并通过排气孔释放高压气体，使煤岩体产生裂隙。
辽宁工程技术大学研制了超临界CO2气爆发生系统，主要包括：超临界压力釜和液态CO2瓶构成的储液系统；空气压缩机和CO2增压泵等构成的增压系统；计算机和传感器等部件构成的数字采集控制系统。该系统通过CO2增压泵将液态CO2加压后注入压力釜中，缠绕在压力釜周围的加热带加热，使液态CO2受热气化膨胀升压，达到设定压力后通过电磁阀开闭控制气体的喷射。该系统主要用于实验室致裂试验，致裂压力最高为15MPa左右。
液态CO2相变气爆致裂产生的峰值压力远高于水力压裂及水力割缝的峰值压力，又远小于炸药爆破的峰值压力，在致裂过程中既不会对煤岩体造成过度粉碎又容易产生贯通的裂隙。液态CO2相变致裂过程中无火花，致裂时释放的CO2气体还具有阻燃、防爆的作用，特别适合在易燃易爆的环境中使用。目前，该技术的相关设备已在我国多处煤矿进行了煤岩増透与落煤试验，取得了较好的效果，但现有技术存在以下缺陷：
一是峰值压力持续时间短，不能实现连续作用。二氧化碳爆破管的体积一般约1.2L，能够容纳的液态CO2十分有限，一次致裂过程中持续喷射的时间很短，高压维持的时间更短，仅为几十毫秒，致裂范围小、效果差，致裂效率低。
二是现场施工过程中容易受到干扰，例如：引爆线路容易受煤层中水的干扰导致不能正常导电引爆；爆破后钻孔易坍塌使爆破管回收困难等。
发明内容
本发明的目的是克服现有液态CO2相变致裂装置的缺陷，提供一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置。
实现本发明上述目的是通过以下技术方案实现的。
一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，包括供液系统、自动储能高压注液系统、相变致裂系统以及数据采集与控制系统；其特征在于：
所述供液系统是设置有一高压储液控温室，其一端设置有安全阀并连通有液体增压泵及其截止阀和液态CO2源；另一端设置有真空泵及其截止阀，并通过电磁截止阀连通有高压注液缸与CO2相变室，在高压储液控温罐的外周设置有冷却箱，在高压储液控温罐的内壁面设置有压力传感器和温度传感器；
所述自动储能高压注液系统是设置有一高压注液缸，其无杆腔一端连通过电磁截止阀连通有CO2相变室和储能室；有杆腔一端通过电磁截止阀及安全阀连通有储能室，并在储能室的内壁面设置有压力传感器和温度传感器；
所述相变致裂系统是设置有一CO2相变室，其一端设置有安全阀并通过电磁截止阀和连通有高压注液缸与储能室；另一端通过电磁截止阀连通有煤岩体致裂致裂室，并在CO2相变室周设置有油浴，在CO2相变室的内壁面设置有压力传感器和温度传感器；
所述数据采集与控制系统是设置有一控制电脑，并连接有压力传感器、温度传感器、电磁截止阀、截止阀及安全阀，实现数据采集与电脑控制。
进一步的技术方案如下。
所述CO2相变室的容积是2L～300L，高压注液缸的容积与CO2相变室的容积相等，储能室的容积为CO2相变室的容积的1/3，高压储液控温罐的容积为相变室容积的2倍。
所述真空泵是X型单级旋片真空泵，抽气速率30L/s，极限压力10Pa，功率5kw。
所述液体增压泵是专用的大流量气动液态CO2增压泵，最大输出压力22.5Mpa，流量12.4L/min。
所述截止阀是高压平衡式截止阀，最大耐压20MPa。
所述电磁截止阀是常闭式耐高压截止阀，最大耐压120MPa。
所述高压注液缸的液态压力是10MPa～15MPa。
所述油域的温度是140℃～160℃。
所述储能室的气体压力是80MPa。
所述煤岩体致裂装置的致裂方法是在高压储液控温罐内注入液态CO2，再通过管路注入高压注液缸和相变室，相变室和高压注液缸的液体压力达到15MPa时，电磁截止阀关闭，油浴启动加热，相变室内的液态CO2受热相变压力升高到80MPa时，电磁截止阀打开，相变室内的气态CO2进入储能室，当储能室的压力升到80MPa时，电磁截止阀关闭，完成自动储能；油浴继续加热，相变室的压力继续升高，当其压力达到100MPa时，油浴停止加热，电磁截止阀打开，高压CO2气体进入致裂室；相变室内的CO2气体压力降低至15MPa时，电磁截止阀打开，储能室内储存的80Mpa高压CO2气体经由管路进入高压注液缸的无杆腔，快速推动活塞向右运动，使高压注液缸右腔内的液态CO2经由管路进入相变室，驱赶高压注液缸内剩余的CO2气体进入致裂室，实现二次致裂，同时防止相变室内的剩余气体占据空间影响注液量；活塞移动至最右端，储能室内压力降低至20MPa时，电磁截止阀关闭，完成自动注液；电磁截止阀打开，高压储液控温罐内经过加压的液态CO2再次进入高压注液缸的无杆腔，使其液体压力达到15MPa；重复 “注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，实现连续脉冲高压射流致裂。
本发明上述所提供的一种自动储能注液的CO2相变脉冲致裂固体材料的装置，与现有技术相比，其优点与积极效果如下。
本装置通过设置高压储油控温罐，CO2相变室，高压注油缸，储能室，以及传感器和各种阀构成了一个脉冲系统，实现了“注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，连续产生多脉冲射流，延长了致裂作用时间，扩大致裂作用范围，改善致裂效果。
本装置采用高压推动活塞注液的方式，将高压注液缸内的液态CO2快速注入相变室，驱赶相变室内的剩余气体进入致裂室，实现二次致裂，同时也防止了相变室内的剩余气体占据空间影响注液量。
本装置通过压力传感器实时监测相变室内的压力，到达设定的压力范围后通过电磁截止阀的开闭控制高温及高压气体的喷射，与以往设备中使用的爆破片相比，压力精确可控，并且可以根据致裂固体材料的强度和范围调节射流压力与脉冲次数，以达到更好的致裂效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：1：高压储液控温罐；2：高压注液缸；3：相变室；4：储能室；5：致裂室；6：致裂孔；7：控制电脑；8：液态CO2源；9、10：截止阀；11：液体增压泵；12：冷却箱；13：真空泵；14、15、16：安全阀；17、18、19：压力传感器；20、21、22：温度传感器；23：数据传输线；24、25、26、27、28、29：电磁截止阀；30：保温层；31：油浴；32：排气孔；33：实验试件；34：煤岩储层。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如附图所述，实施本发明上述所提供的一种自动储能高压注液的CO2相变脉冲固体致裂装置，该装置由供液系统、自动储能高压注液系统、相变致裂系统、数据采集与控制系统等4部分组成。所述的供液系统包括液态CO2源8、液体增压泵11、高压储液控温罐1、冷却箱12和真空泵13；所述的自动储能高压注液系统包括高压注液缸2、储能室4、相变室3和油浴31；所述的相变致裂系统包括相变室3、油浴31、致裂室5、和致裂体33；所述的数据采集与控制系统包括压力传感器17、18、19、温度传感器、20、21、22、电磁截止阀24、25、26、27、28、29、截止阀9、10、安全阀14、15、16和控制电脑18；其构成在于：液态CO2源8通过管路与液体增压泵11的进液口连接，连接管路中设有截止阀9，液体增压泵11的高压出液口通过管路与高压储液控温罐1连接，连接管路中设有安全阀14，液态CO2被压缩后储存在高压储液控温罐中；高压储液控温罐1内设有压力传感器17和温度传感器20，用于实时监测其内部压力温度的变化。
真空泵13通过管路与高压储液控温罐1连接，连接管路中设有截止阀10，在装置启动前将高压储液控温罐中的空气抽出。高压储液控温罐1位于冷却箱12内，冷却箱可以防止液态CO2受热气化。
高压储液控温罐1通过管路分别与高压注液缸2、相变室3连接，连接管路中设有电磁截止阀24、25。高压储液控温罐1位于高压注液缸2上方，使液态CO2更容易从高压储液控温罐流入高压注液缸。高压注液缸2与相变室3位于同一水平高度。
相变室3位于油浴31内，油浴可对相变室内的液态CO2自动加热。相变室3内设有压力传感器19和温度传感器22，用于实时监测其内部压力温度的变化。
储能室4通过管路与高压注液缸2连接，连接管路中设有电磁截止阀28；通过管路与相变室3连接，连接管路中设有电磁截止阀26；储能室4及高压注液缸2外围有保温层；储能室4内设有压力传感器18和温度传感器21，用于实时监测其内部压力温度的变化。
相变室3通过管路与致裂室5连接，管路连接位置位于相变室径向最高点，连接管路中设有电截止磁阀29和安全阀16，致裂室5设有排气孔。
压力传感器、温度传感器及电磁截止阀分别通过数据传输线与控制电脑7连接，控制电脑可以远程控制电磁截止阀的开闭。
压缩后的液态CO2的压力在10MPa～15MPa之间；冷却箱12内的温度设置在-5℃～5℃范围内，油域31的温度设置在140℃～160℃范围内；储能室4储存的气体压力为80MPa，高压注液后的压力降至20MPa；相变室3内的压力达到100MPa时脉冲射流致裂，降至15MPa时致裂停止。高压储液控温罐1内的压力高于20MPa后，安全阀14自动泄压；储能室4内的压力高于85MPa后，安全阀15自动泄压；相变室3内的压力高于110MPa后，安全阀16自动泄压。相变室3的容积可设计为2L～300L，以满足实验室试验和工程应用，高压注液缸2的容积与相变室的容积相等，储能室4的容积为相变室容积的1/3，高压储液控温罐1的容积为相变室容积的2倍。相变室、储能室及高压注液缸的制作材料为耐高压的Q460D钢，高压储液控温罐的制作材料为Q235钢。
进一步的具体实施方案一，采用CO2相变室3的容积是2L～300L，相变室容积的大小与致裂物的体积及物理力学性质有关。一般情况下，实验室致裂小型试件时相变室的容积可设计为2L～10L，现场致裂煤岩储层时相变室的容积可设计为200L～300L。高压注液缸2的容积与CO2相变室3的容积相等，高压注液缸内的活塞推进一次就能向相变室内注入适量的液态CO2，在保证注液量的同时也避免了浪费。储能室4的容积为CO2相变室3容积的1/3，使储能过程储存的能量较少，更多的能量用于致裂，同时也能满足高压注液的要求。高压储液控温罐1的容积为相变室3容积的2倍，实现快速、连续的供液。
进一步的具体实施方案二，采用的真空泵13可以为X型单级旋片真空泵、W型往复真空泵或者H型滑阀真空泵。在本具体实施方案中，采用X型单级旋片真空泵，抽气速率30L/s，极限压力10Pa，功率5kw。
采用的液体增压泵11可以为普通液体增压泵或者专用的液态CO2增压泵，
在本具体实施方案中，采用专用的大流量气动液态CO2增压泵，最大输出压力22.5Mpa，流量12.4L/min。
采用的截止阀9、10可以为直通式截止阀、直角式截止阀或者直流式斜截止阀，在本具体实施方案中，采用高压直通式截止阀，最大耐压20MPa。
采用的电磁截止阀24、25、26、27、28、29可以为常闭式气动高压截止阀或常闭式电动高压截止阀，在本具体实施方案中，采用常闭式电动耐高压截止阀，最大耐压120MPa。
采用的高压注液缸2内的液体压力是10MPa～15MPa，与高压储液控温罐内液体压力一致。
采用的油域31的温度是140℃～160℃，使低温压缩的液态CO2受热相变升压，在储能室储存一部分能量后，还能够使相变室内的压力达到100MPa。
采用的储能室4的气体压力是80MPa，实现高压注液与二次致裂。
煤岩体致裂装置的致裂方法是在高压储液控温罐1内注入液态CO2，再通过管路注入高压注液缸2和相变室3，相变室2和高压注液缸3的液体压力达到15MPa时，电磁截止24、25阀关闭，油浴31启动加热，相变室3内的液态CO2受热相变压力升高到80MPa时，电磁截止阀打开，相变室3内的气态CO2进入储能室4，当储能室的压力升到80MPa时，电磁截止阀26关闭，完成自动储能；油浴31继续加热，相变室3的压力继续升高，当其压力达到100MPa时，油浴31停止加热，电磁截止阀29打开，高压CO2气体进入致裂室；相变室内的CO2气体压力降低至15MPa时，电磁截止阀28打开，储能室内储存的80Mpa高压CO2气体经由管路进入高压注液缸2的无杆腔，快速推动活塞向右运动，使高压注液缸2右腔内的液态CO2经由管路进入相变室3，驱赶相变室3内剩余的CO2气体进入致裂室，实现二次致裂，同时防止相变室3内的剩余气体占据空间影响注液量；活塞移动至最右端，储能室内压力降低至20MPa时，电磁截止阀25关闭，完成自动注液；电磁截止阀27打开，高压储液控温罐内经过加压的液态CO2再次进入高压注液缸的无杆腔，使其液体压力达到15MPa；重复 “注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，实现连续脉冲高压射流致裂。
Claims (10)
1.一种自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，包括供液系统、自动储能高压注液系统、相变致裂系统以及数据采集与控制系统；其特征在于：
所述供液系统是设置有高压储液控温室（1），其一端设置有安全阀（14）并连通有液体增压泵（11）及其截止阀（9）和液态CO2源（8）；另一端设置有真空泵（13）及其截止阀（10），并通过电磁截止阀（24）连通有高压注液缸（2）与CO2相变室（3），在高压储液控温罐（1）的外周设置有冷却箱（12），在高压储液控温罐（1）的内壁面设置有压力传感器（17）和温度传感器（20）；
所述自动储能高压注液系统是设置有一高压注液缸（2），其无杆腔一端连通过电磁截止阀（25）和（26）连通有CO2相变室（3）和储能室（4）；有杆腔一端通过电磁截止阀（28）及安全阀（15）连通有储能室（4），并在储能室（4）的内壁面设置有压力传感器（18）和温度传感器（21）；
所述相变致裂系统是设置有一CO2相变室（3），其一端设置有安全阀（16）并通过电磁截止阀（25）和（26）连通有高压注液缸（2）与储能室（4）；另一端通过电磁截止阀（29）连通有致裂室（5）/致裂孔（6），并在CO2相变室（3）外周设置有油浴（31），在CO2相变室（3）的内壁面设置有压力传感器（19）和温度传感器（22）；
所述数据采集与控制系统是设置有一控制电脑（7），并连接有压力传感器（17、18、19）、温度传感器（20、21、22）、电磁截止阀（24、25、26、27、28、29）、截止阀（9、10）及安全阀（14、15、16），实现数据采集与电脑控制。
2.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述CO2相变室（3）的容积是2L～300L，高压注液缸（2）的容积与CO2相变室的容积相等，储能室（4）的容积为CO2相变室容积的1/3，高压储液控温罐（1）的容积为相变室容积的2倍。
3.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述真空泵（13）是X型单级旋片真空泵，抽气速率30L/s，极限压力10Pa，功率5kw。
4.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述液体增压泵（11）是专用的大流量气动液态CO2增压泵，最大输出压力22.5Mpa，流量12.4L/min。
5.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述截止阀（9、10）是高压直通式截止阀，最大耐压20MPa。
6.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述电磁截止阀（24、25、26、27、28、29）是常闭式电动高压截止阀，最大耐压120MPa。
7.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述高压注液缸（2）内的液体压力是10MPa～15MPa。
8.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述油域（31）的温度是140℃～160℃。
9.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述储能室（4）的气体压力是80MPa。
10.如权利要求1所述的自动储能高压注液CO2相变脉冲煤岩体致裂装置，其特征在于：所述煤岩体致裂装置的致裂方法如下：
（一）供液系统的供液方法：开启真空泵（13）对高压储液控温罐（1）抽真空，后启动液体增压泵（11）和冷却箱（12）向高压储液控温罐（1）注入压缩液态CO2，压力传感器（17）、温度传感器（20）和采集控制系统自动监测高压储液控温罐（1）的温度和压力，通过液体增压泵（11）和冷却箱（12），保持高压储液控温罐（1）的温度在-5℃~5℃、压力在10MPa~15MPa范围内；
（二）自动储能高压注液系统的自动储能高压注液方法：高压储液控温罐（1）内低温压缩的液态CO2进入高压注液缸（2）的右腔和相变室（3），油浴（31）加热，相变室（3）内的液态CO2受热相变压力升高到80MPa时，相变室（3）内的气态CO2进入储能室（4），储能室（4）内的压力升高到80MPa后停止，完成自动储能；油浴（31）继续加热，相变室（3）的压力继续升高，当压力达到100MPa时，油浴（31）停止加热，高压CO2气体经由管路进入致裂室（5）或者致裂孔（6）致裂实验试样（33）或者煤岩体层（34）；相变室（3）内CO2气体的压力降低至15MPa时，储能室（4）内储存的80Mpa高压CO2气体经由管路进入高压注液缸（2）的左腔，快速推动活塞向右移动，使高压注液缸（2）右腔内的液态CO2进入相变室（3），驱赶相变室（3）内剩余的CO2气体进入致裂室（5）或者致裂孔（6），进行二次致裂，同时防止相变室（3）内的剩余气体占据空间影响注液量；高压注液缸（2）内的活塞移动至右端，储能室（4）内压力降低至20MPa时，完成自动注液；释放高压注液缸（2）内气态CO2，高压储液控温罐（1）内经过加压的液态CO2再次进入高压注液缸（2）的右腔，使其液体压力达到15MPa；重复上述“注液-油浴加热-相变-储能-致裂”循环，实现连续脉冲高压射流致裂。
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