CN107036953A - 一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置及试验方法。试验装置包括气体储存装置、液体储存装置、气体加压装置、气液注入装置、加载装置、收集计量装置；加载装置包括煤体试件固定装置、试验温度控制装置、围压与轴压加载伺服控制装置、背压控制装置，加载装置一端连接气体储存装置、液体储存装置，另一端连接收集计量装置。本发明利用的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，充分考虑地应力、煤体埋藏倾角与埋藏温度条件，模拟各类地质环境条件，克服了现有试验装置中对煤体原位条件模拟不充分、对试件加载不精确和对于压力及各种渗流参数测量数据不精确的问题，能对地下各种条件下的气液两相渗流进行可行性试验研究。

Description

一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置及试验方法，属于渗流力学技术领域。

背景技术

我国是煤炭资源大国，同时也是煤层气的赋存大国，随着能源结构的调整，煤层气将会成为能源结构的一个重要组成部分，同时煤层气的开发利用还能够有效降低煤矿开采过程中产生瓦斯相关事故的几率。但是由于我国煤层气赋存地质条件复杂，煤层气开发受到了严重制约。

原位条件下的煤层处于水饱和状态，现在较为常用的开采方式为对煤层进行排水，降低储层的压力，从而使得煤层气通过解析扩散以及渗流方式流出，为提高煤层气采出率也出现了水压致裂煤体以及注液驱除煤层瓦斯的手段，在煤层气开发过程中对煤层气进行抽采利用必须考虑煤层中的水分对于煤层气运移的影响。但是对于气液两相相对渗流规律的研究仍不透彻，现有的煤层气试验装置尤其是多相流动试验装置多集中于小煤样试件，而且由于测量精度以及对于原位地层状况的模拟程度并不满足要求，使得试验数据与真实情况相差较大。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置及试验方法，能够有效模拟原始地质条件下煤体中气液两相渗流，为煤层中两相流的运移规律研究提供可靠的试验数据。

本发明提供了一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，包括气体储存装置、液体储存装置、气体加压装置、气液注入装置、加载装置、收集计量装置；加载装置包括煤体试件固定装置、试验温度控制装置、围压与轴压加载伺服控制装置、背压控制装置，加载装置一端连接气体储存装置、液体储存装置，另一端连接收集计量装置；

所述气体储存装置为高压气体储存罐；高压气体储存罐与气源、进气阀连接；

液体储存装置包括液体储存罐；

所述气体加压装置为空气增压泵，空气增压泵与高压气体储存罐连接，为高压气体储存罐增压；

所述气液注入装置为精密注入泵，包括精密气体注入泵和精密液体注入泵，精密气体注入泵与高压气体储存罐连接，精密液体注入泵与液体储存罐连接；

所述煤体试件固定装置，包括入口端压力监测装置、堵头、地层环境模拟器、四分之一圆倾角刻度盘、煤体试件、液压支柱、液压泵及出口端压力监测装置；该装置周壁上设有一个与围压加载伺服控制装置管线相连的圆形围压加载接口；煤体试件两端通过堵头密封，前堵头由卡槽与地层环境模拟器相连，相连部位有圆形接口接出管线与轴压伺服控制装置相连，堵头两侧分别连接入口端压力监测装置及出口端压力监测装置，煤体试件位于地层环境模拟器的中部，轴压通过前后堵头加载，堵头使用卡槽固定；所述煤体试件固定装置通过在地层环境模拟器一端采用液压泵驱动液压支柱抬高，从而使另一端旋转达到调节倾角的目的；

所述试验温度控制装置包括加热保温套及温度监控装置，加热保温套包裹在地层环境模拟器外部，以确保试验的温度条件；

所述围压与轴压加载伺服控制装置包括连接在地层环境模拟器上的轴压加载伺服控制装置及围压加载伺服控制装置；轴压加载伺服控制装置通过管线与前堵头的卡槽位置相连，围压加载伺服控制装置通过管线与地层环境模拟器周壁上的接口相连；

所述背压控制装置由背压阀组成；

所述收集计量装置包括液体收集罐、气体收集罐、两个精密天平。

上述装置中，所述高压气体储存罐与液体储存罐的上部连接阀门，均配有精密注入泵进行注入，采用恒流量或恒压注入的模式。

上述装置中，所述高压气体储存罐与液体储存罐出口处设有流量计进行前期流量测量。

上述装置中，所述煤体试件固定装置通过对其一端进行抬高，调节固定装置的倾斜角度。

上述装置中，在气液注入装置与地层环境模拟器连接处和出口阀门前端对于压力测量采用三种不同量程的压力计交替测量以提高精度。在试验时，本发明的地层环境模拟器前后端均有三个不同量程的精密压力计进行交替的压力测量，可以精密监测注入口与出口端压力，尾部设有背压阀装置，可以模拟不同压力差情况下的两相流动。

本发明提供了一种模拟煤体中气液两相渗流的试验方法，包括以下步骤：

1、将试件圆柱体或长方体件放入地层环境模拟器中，前后用堵头密封堵住。

2、根据所需要模拟煤层埋藏深度计算煤体所在温度环境、压力环境及煤层倾角。设定加热保温套所需温度，观察温度监控装置，待温度稳定后，根据所计算压力使用围压加载伺服控制装置与轴压加载伺服控制装置对煤体试件施加压力。根据煤层倾角，使用液压泵向液压支柱加压，抬高反应釜一端，反应釜另一端随轴旋转，并带动角度指针运动，指示所倾斜角度，通过倾角刻度表盘确定倾斜角度。

3、若模拟原始水饱和状态煤体中瓦斯流动过程，关闭后部出口阀，打开精密液体注入泵，采用恒压方式对前期已润湿处理的煤体进行再次的水饱和处理。待水饱和完毕后根据试验模拟条件运用背压阀增加反应釜尾端背压。打开出口阀，打开气源，使气体进入高压气体储存罐，采用空气增压泵对高压气体储存罐内部气体加压，利用精密气体注入泵向地层环境模拟器注入气体，根据实际试验要求可选择恒压注入或者恒流注入两种方式。

若模拟注水驱煤层气过程中的两相流动过程，关闭后部出口阀，打开气源，使气体进入高压气体储存罐，使用空气增压泵对高压气体储存罐中气体加压，利用精密气体注入泵向地层环境模拟器采用恒压方式注入气体，对煤体试件进行气体饱和处理。待气体饱和完毕后，根据试验模拟条件运用背压阀增加地层环境模拟器尾端背压。打开出口阀，打开精密液体注入泵向地层环境模拟器进行注液，根据实际试验要求可选择恒压注入或者恒流注入两种方式。

4、末端充满除湿剂的液体收集罐收集液体，充满液体的气体收集罐收集气体，收集量由第一精密天平与第二精密天平测量，录入电脑数据库系统。

本发明在使用时，气体源由气瓶提供气体，进入气体储存装置由气体增压装置进行加压，高压气体储存备用，液体源为纯净水，气体或液体通过精密注入泵采用恒压或者恒流方式注入，气液由管线进入固定试件的地质环境模拟器，通过压力加载伺服控制装置可以实现对围压和轴压的分别精确控制并维持稳定，地质环境模拟器倾斜角度可通过抬高其一端实现，测试温度由试验温度控制部分保证，以上手段的实施可以模拟不同压力条件、不同环境温度以及不同倾斜角度的煤层环境，尾部采用称量气液通过除湿剂后增加的质量计算煤体中流出的液体质量，后部采用排水集气装置，通过测量液体减少质量，即排出的液体质量反算排出的气体体积。

本发明的有益效果：与现有煤体渗流试验装置与方法相比，该试验装置充分考虑了大煤样试件在于不同的压力温度以及倾角条件之下的煤体中气液两相相对渗流的情况，并且对于各种数据实现精密测量。本发明不仅是气液两相渗流的模拟试验装置的重要革新，更为原位状态下开采煤层气的理论发展提供切实有效的方法。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图。

图中：1—气源；2—进气阀；3—精密气体注入泵；4—空气增压泵；5—第一阀门；6—高压气体储存罐；7—精密液体注入泵；8—第二阀门；9—液体储存罐；10—流量计；11—入口端压力监测装置；12—堵头；13—地层环境模拟器；14—轴压加载伺服控制装置；15—加热保温套；16—倾角刻度表盘；17—围压加载伺服控制装置；18—煤体试件；19—温度监控装置；20—液压支柱；21—液压泵；22—出口端压力监测装置；23—出口阀；24—背压阀；25—液体收集罐；26—第一精密天平；27—气体收集罐；28—第二精密天平。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

如图1所示，一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，包括气体储存装置、液体储存装置、气体加压装置、气液注入装置、加载装置、收集计量装置；加载装置包括煤体试件固定装置、试验温度控制装置、围压与轴压加载伺服控制装置、背压控制装置，加载装置一端连接气体储存装置、液体储存装置，另一端连接收集计量装置；

所述气体储存装置为高压气体储存罐（6）；高压气体储存罐（6）与气源（1）、进气阀（2）连接；

液体储存装置包括液体储存罐（9）；

所述气体加压装置为空气增压泵（4），空气增压泵（4）与高压气体储存罐（6）连接，为高压气体储存罐（6）增压；

所述气液注入装置为精密注入泵，包括精密气体注入泵（3）和精密液体注入泵（7），精密气体注入泵（3）与高压气体储存罐（6）连接，精密液体注入泵（7）与液体储存罐（9）连接；

所述煤体试件固定装置，包括入口端压力监测装置（11）、堵头（12）、地层环境模拟器（13）、四分之一圆倾角刻度盘（16）、煤体试件（18）、液压支柱（20）、液压泵（22）及出口端压力监测装置（22）；该装置周壁上设有一个与围压加载伺服控制装置（17）管线相连的圆形围压加载接口；煤体试件两端通过堵头密封，前堵头由卡槽与地层环境模拟器相连，相连部位有圆形接口接出管线与轴压伺服控制装置（14）相连，堵头两侧分别连接入口端压力监测装置及出口端压力监测装置，煤体试件位于地层环境模拟器的中部，轴压通过前后堵头加载，堵头使用卡槽固定；所述煤体试件固定装置的倾角能通过在地层环境模拟器一端使用液压泵使得液压支柱抬高从而导致另一端沿轴旋转从而变换倾角的方式进行调节；所述倾角刻度盘为四分之一圆，量程为0~90°。

所述试验温度控制装置包括加热保温套（15）及温度监控装置（19），加热保温套（15）包裹在地层环境模拟器（13）外部，以确保试验的温度条件；

所述围压与轴压加载伺服控制装置包括连接在地层环境模拟器上的轴压加载伺服控制装置（14）及围压加载伺服控制装置（17）；轴压加载伺服控制装置（14）通过管线与前堵头的卡槽位置相连，围压加载伺服控制装置（17）通过管线与地层环境模拟器（13）周壁上的接口相连；

所述背压控制装置由背压阀（24）组成；

所述收集计量装置包括液体收集罐（25）、气体收集罐（27）、两个精密天平。

上述装置中，所述高压气体储存罐与液体储存罐的上部连接阀门，均配有精密注入泵进行注入，采用恒流量或恒压注入的模式。

上述装置中，所述高压气体储存罐与液体储存罐出口处设有流量计进行前期流量测量。

上述装置中，所述煤体试件固定装置通过对其一端进行抬高，调节固定装置的倾斜角度。

上述装置中，在气液注入装置与地层环境模拟器（13）连接处和出口阀门（23）前端对于压力测量采用三种不同量程的压力计交替测量以提高精度。在试验时，本发明的地层环境模拟器前后端均有三个不同量程的精密压力计进行交替的压力测量，可以精密监测注入口与出口端压力，尾部设有背压阀装置，可以模拟不同压力差情况下的两相流动。

本发明提供的试验装置可以模拟原始水饱和煤层中气液两相相对的渗透流动，也能模拟注水驱煤层瓦斯过程中的气液相对渗流情况。下面通过实施例具体说明。

实施方式1：模拟原始水饱和状态煤体中瓦斯流动过程中两相渗流情况。

具体操作步骤如下：

1、将试件尺寸为φ25×50mm的圆柱体试件放入地层环境模拟器（13）中，前后用堵头（12）密封堵住。

2、根据所需要模拟煤层埋藏深度计算煤体所在温度环境、压力环境及煤层倾角。设定加热保温套（15）所需温度，观察温度监控装置（19），待温度稳定后，根据所计算压力使用围压加载伺服控制装置（17）与轴压加载伺服控制装置（14）对煤体试件（18）施加压力。根据煤层倾角，使用液压泵（21）向液压支柱（20）加压，抬高反应釜一端，通过倾角刻度表盘（16）确定倾斜角度。

3、关闭后部出口阀（23），打开精密液体注入泵（7），采用恒压方式对前期已润湿处理的煤体进行再次的水饱和处理，持续时间为72小时。

4、待水饱和完毕后根据试验模拟条件运用背压阀（24）增加反应釜尾端背压。

5、打开出口阀（23），打开气源（1），使气体进入高压气体储存罐（6），采用空气增压泵（4）对高压气体储存罐（6）内部气体加压，利用精密气体注入泵（3）向地层环境模拟器（13）注入气体，根据实际试验要求可选择恒压注入或者恒流注入两种方式。

6、末端充满除湿剂的液体收集罐（25）收集液体，充满液体的气体收集罐（27）收集气体，收集量由第一精密天平（26）与第二精密天平（28）测量，录入电脑数据库系统。

实施方式2：模拟注水驱煤层气过程中的两相流动状况。

具体实施操作步骤如下：

1、将试件尺寸为100×100×200mm的长方体试件放入地层环境模拟器（13）中，前后用堵头（12）密封堵住。

2、根据所需要模拟煤层埋藏深度计算煤体所在温度环境、压力环境及煤层倾角。设定加热保温套（15）所需温度，观察温度监控装置（19），待温度稳定后，根据所计算压力使用围压加载伺服控制装置（17）与轴压加载伺服控制装置（14）对煤体（18）施加压力。根据煤层倾角，使用液压泵（21）向液压支柱（20）加压，抬高反应釜一端，通过倾角刻度表盘（16）确定倾斜角度。

3、关闭后部出口阀（23），打开气源（1），使气体进入高压气体储存罐（6），使用空气增压泵（4）对高压气体储存罐（6）中气体加压，利用精密气体注入泵（3）向地层环境模拟器（13）采用恒压方式注入气体，对煤体试件（18）进行气体饱和处理，持续时间为72小时。

4、待气体饱和完毕后，根据试验模拟条件运用背压阀（24）增加地层环境模拟器（13）尾端背压。

5、打开出口阀（23），打开精密液体注入泵（7）向地层环境模拟器（13）进行注液，根据实际试验要求可选择恒压注入或者恒流注入两种方式。

6、末端充满除湿剂的液体收集罐（25）收集液体，充满满液体的气体收集罐（27）收集气体，收集量由第一精密天平（26）与第二精密天平（28）测量，录入电脑数据库系统。

该试验装置能够模拟不同的应力条件、温度条件以及煤层倾角的煤体中气液两相相对渗流问题，但是以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的实施方式已经对本发明进行了描述，但本领域的科研技术人员应当明白，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。

Claims (7)

1.一种模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：包括气体储存装置、液体储存装置、加载装置、收集计量装置；加载装置包括煤体试件固定装置、试验温度控制装置、围压与轴压加载伺服控制装置、背压控制装置，加载装置一端连接气体储存装置、液体储存装置、气体加压装置、气液注入装置，另一端连接收集计量装置；

所述气体储存装置为高压气体储存罐（6）；高压气体储存罐（6）与气源（1）、进气阀（2）连接；

液体储存装置包括液体储存罐（9）；

所述气体加压装置为空气增压泵（4），空气增压泵（4）与高压气体储存罐（6）连接，为高压气体储存罐（6）增压；

所述气液注入装置为精密注入泵，包括精密气体注入泵（3）和精密液体注入泵（7），精密气体注入泵（3）与高压气体储存罐（6）连接，精密液体注入泵（7）与液体储存罐（9）连接；

所述煤体试件固定装置，包括入口端压力监测装置（11）、堵头（12）、地层环境模拟器（13）、倾角刻度盘（16）、煤体试件（18）、液压支柱（20）、液压泵（22）及出口端压力监测装置（22）；该装置周壁上设有一个与围压加载伺服控制装置（17）管线相连的圆形围压加载接口；煤体试件两端通过堵头密封，前堵头由卡槽与地层环境模拟器相连，相连部位有圆形接口接出管线与轴压伺服控制装置（14）相连，堵头两侧分别连接入口端压力监测装置及出口端压力监测装置，煤体试件位于地层环境模拟器的中部，轴压通过前后堵头加载，堵头使用卡槽固定；所述煤体试件固定装置通过在地层环境模拟器一端采用液压泵驱动液压支柱抬高，从而使另一端旋转达到调节倾角的目的；

所述试验温度控制装置包括加热保温套（15）及温度监控装置（19），加热保温套（15）包裹在地层环境模拟器（13）外部，以确保试验的温度条件；

所述围压与轴压加载伺服控制装置包括连接在地层环境模拟器上的轴压加载伺服控制装置（14）及围压加载伺服控制装置（17）；轴压加载伺服控制装置（14）通过管线与前堵头的卡槽位置相连，围压加载伺服控制装置（17）通过管线与地层环境模拟器（13）周壁上的接口相连；

所述背压控制装置由背压阀（24）组成；

所述收集计量装置包括液体收集罐（25）、气体收集罐（27）、两个精密天平。

2.根据权利要求1所述的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：所述高压气体储存罐与液体储存罐的上部连接阀门，均配有精密注入泵进行注入，采用恒流量或恒压注入的模式。

3.根据权利要求1所述的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：所述高压气体储存罐与液体储存罐出口处设有流量计进行前期流量测量。

4.根据权利要求1所述的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：所述煤体试件固定装置通过对其一端进行抬高，调节固定装置的倾斜角度。

5.根据权利要求1所述的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：气液注入装置连接处和出口阀门（23）前端对于压力测量采用三种不同量程的压力计交替测量以提高精度。

6.根据权利要求1所述的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：所述倾角刻度盘为四分之一圆，量程为0~90°。

7.一种模拟煤体中气液两相渗流的试验方法，采用权利要求1~6任一项所述的模拟煤体中气液两相渗流的试验装置，其特征在于：能模拟原始水饱和煤层中气液两相相对的渗透流动，也能模拟注水驱煤层瓦斯过程中的气液相对渗流情况，其具体实施步骤为：

a、将圆柱体或长方体试件放入地层环境模拟器（13）中，前后用堵头（12）密封堵住；

b、根据所需要模拟煤层埋藏深度计算煤体所在温度环境、压力环境及煤层倾角；设定加热保温套（15）所需温度，观察温度监控装置（19），待温度稳定后，根据所计算压力使用围压加载伺服控制装置（17）与轴压加载伺服控制装置（14）对煤体试件（18）施加压力；根据煤层倾角，使用液压泵（21）向液压支柱（20）加压，抬高反应釜一端，反应釜另一端随轴旋转，并带动角度指针运动，指示所倾斜角度，通过倾角刻度表盘（16）确定倾斜角度；

c、若模拟原始水饱和状态煤体中瓦斯流动过程，关闭后部出口阀（23），打开精密液体注入泵（7），采用恒压方式对前期已润湿处理的煤体进行再次的水饱和处理；待水饱和完毕后根据试验模拟条件运用背压阀（24）增加反应釜尾端背压；打开出口阀（23），打开气源（1），使气体进入高压气体储存罐（6），采用空气增压泵（4）对高压气体储存罐（6）内部气体加压，利用精密气体注入泵（3）向地层环境模拟器（13）注入气体，根据实际试验要求可选择恒压注入或者恒流注入两种方式；

若模拟注水驱煤层气过程中的两相流动过程，关闭后部出口阀（23），打开气源（1），使气体进入高压气体储存罐（6），使用空气增压泵（4）对高压气体储存罐（6）中气体加压，利用精密气体注入泵（3）向地层环境模拟器（13）采用恒压方式注入气体，对煤体试件（18）进行气体饱和处理；待气体饱和完毕后，根据试验模拟条件运用背压阀（24）增加地层环境模拟器（13）尾端背压；打开出口阀（23），打开精密液体注入泵（7）向地层环境模拟器（13）进行注液，根据实际试验要求可选择恒压注入或者恒流注入两种方式；

d、末端充满除湿剂的液体收集罐（25）收集液体，充满液体的气体收集罐（27）收集气体，收集量由第一精密天平（26）与第二精密天平（28）测量，录入电脑数据库系统。