CN107246255A - 超临界co2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置及方法 - Google Patents

超临界co2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置及方法。模拟装置包括超临界CO2与水力压裂复合致裂装置、密封罐装置、数据采集装置、真空泵、瓦斯气样罐和安全阀；所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置包括超临界CO2致裂部分和水力压裂部分；所述密封罐装置的罐体内放置有煤样；数据采集装置、真空泵和瓦斯气样罐分别与煤样直接连接。本发明通过真空泵对密封罐抽真空，通过压头挤压煤样实现单轴加压，根据实验要求对煤样进行复合致裂，并采集实验数据，分析得出煤矿井下超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的效果。本发明采用相似模拟方法真实模拟了井下煤层周围应力和瓦斯赋存情况，数据科学性、精准度和可靠性更高。

Description

超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置及方法，具体涉及一种煤矿井下超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的实验模拟装置及方法。
背景技术
近年来，我国煤矿事故时有发生，其中瓦斯事故占总事故的百分之八十以上，瓦斯灾害是严重制约煤矿安全高效生产的重要难题。目前，解决瓦斯灾害的最为有效措施之一是瓦斯抽采。随着煤矿采深的增加，煤层瓦斯压力高和低透气性煤层多的问题会越来越显著，单一的水力压裂措施效果会越来越差，难以在煤体内形成大范围的裂隙网，导致瓦斯抽采率低，瓦斯事故频繁。
超临界二氧化碳具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力，同时兼具低粘度、低表面张力的特性，能够迅速渗透进入微孔隙的物质，因此用于萃取时萃取速率比液体快速而有效。水力压裂作为常用的煤体致裂手段，技术成熟可靠，适应范围广，可行性高。水力压裂后煤层含水率升高，容易产生水锁效应，抑制瓦斯逸出，而二氧化碳溶于水可以破除水锁效应。超临界二氧化碳与水力压裂致裂煤体技术同时具有超临界二氧化碳和水力压裂的优点，是对水力压裂这一传统技术进一步优化的合理探索，使其更加适用于高瓦斯低透气性煤层。
目前各国对超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的研究较少，相关的实验装置还不完善。为了避免单纯理论分析和数值模拟所得结果与实际不符，同时以较小成本深入探究超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的机理和影响因素，设计一种煤矿井下超临界二氧化碳和水力压裂致裂煤体模拟装置，并开展相应模拟实验就显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在提供一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置及方法，能真实反映煤矿井下超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的过程。
本发明提供了一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，包括超临界CO2与水力压裂复合致裂装置、密封罐装置、数据采集装置、真空泵、瓦斯气样罐和安全阀；
所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置包括超临界CO2致裂部分和水力压裂部分；所述超临界CO2致裂部分包括二氧化碳储气罐、加压泵和超临界二氧化碳储气罐，三者之间通过不锈钢连通管连接，每段不锈钢连通管之间设有可控开关，超临界二氧化碳储气罐上装有压力表；所述水力压裂部分包括水箱、加压泵和高压水箱，三者之间通过不锈钢连通管连接，每段不锈钢连通管之间设有可控开关，通过水压传感器和水压记录仪监测和控制水压力；
所述密封罐装置，罐体内放置有煤样；所述安全阀可以防止密封罐因腔内气压过大发生事故；所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置通过H型钢管与所述密封罐装置的煤样直接连接，所述数据采集装置、真空泵和瓦斯气样罐分别设置在密封罐装置的外侧，且与密封罐中的煤样直接连接。
上述装置中，所述密封罐装置分为罐盖和罐体，所述罐体采用6cm厚的不锈钢板制成，所述罐体与罐盖通过四个螺栓连接构成内部为空腔的四方体结构，内部空腔为边长40cm的正方体。
上述装置中，所述罐体的左右两侧各有两个孔径为3cm的通孔，分别为左侧上孔、左侧下孔、右侧上孔、右侧下孔，左侧孔中心分别距罐身底部20cm、10cm，右侧孔中心分别距罐身底部30cm、15cm；所述左侧下孔连接真空泵，左侧上孔连接瓦斯气样罐，右侧上孔连接安全阀，右侧下孔连接数据采集装置。
进一步地，所述罐盖中心轴线上设有一直径10cm的通孔，加压泵的压头通过该通孔实现对煤样的单轴加压；所述压头与罐盖之间注入润滑油密封，压头内部有一直径3cm的管路，该管路与连接超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂装置相连接。
上述装置中，所述数据采集装置的探头及电线放入密封罐内，在煤样钻孔面沿径向设有一凹槽，探头及电线固定在该槽内。
上述装置中，所述的不锈钢连通管外径为3cm。用钢管连接水力压裂设备和超临界二氧化碳致裂设备，这样不但不影响致裂系统正常运行还有节约材料的优点。
本发明提供了一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟方法，采用上述模拟装置，包括以下步骤：
S1：根据实验所需，在尺寸 Φ20cm×20cm 的圆柱体煤样的顶部中心沿竖直方向钻一个Φ3cm×3cm的钻孔，并在煤样钻孔面沿径向刻一小槽；
S2：将实验所用的数据采集装置的探头及电线放入槽内，将安装好探头和电线的煤样放入密封罐装置的中央；
S3：实验测量所对应的数据采集装置的电线通过罐体右侧下孔穿出，电线与密封罐孔壁之间采用薄橡胶片密封，开启压力泵，使压头开始挤压煤样，实现对煤样的单轴加压；
S4：连接真空泵，对密封罐内部进行抽真空处理，之后关闭真空泵气阀，按实验要求压力将瓦斯吸入密封罐，等瓦斯吸附达到平衡后关闭瓦斯气罐气阀；
S5：根据实验要求使用超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体模拟装置对煤样进行复合致裂，并通过数据采集装置采集实验数据，最后根据实验数据分析煤矿井下超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的效果。
本发明的有益效果：本发明是基于超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体技术的一种煤矿井下超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体模拟装置及方法，其中：超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体作为一种新型煤层致裂技术，具有减少温室气体、吸附甲烷效率高、增大煤体裂隙、促进水的运移等优点，是目前解决我国坚硬低透气性煤层瓦斯抽采问题的有效措施之一。本发明首次设计了一套完善的模拟煤矿井下含瓦斯煤层真是赋存状态的超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体模拟实验装置及使用方法；
本发明采用相似模拟的实验方法真实模拟了井下煤层周围应力和瓦斯赋存情况，相比于
数值模拟和理论分析等方法，此方法与真实状况更为接近，并且通过实验使得数据科学性、精准度和可靠性更高。本实验相比于在现场有更好的经济性，且可以通过设置加压大小，更好地模拟实际情况，使实验结果适应性更强。
附图说明
图1是煤矿井下超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置的示意图；
图2是超临界CO2与水力压裂复合致裂装置的示意图；
图3是密封罐装置示意图；
图中1为密封罐装置，2为超临界CO2与水力压裂复合致裂装置，3为数据采集装置，4为真空泵，5为瓦斯气样罐，6为安全阀，7为煤样；2-1、2-2、2-3、2-4为超临界CO2 致裂部分，2-5、2-6、2-7、2-8、2-9为水力压裂部分；2-1为二氧化碳储气罐，2-2为加压泵，2-3为超临界二氧化碳储气罐，2-4为压力表；2-5为水箱，2-6可控开关，2-7为高压水箱，2-8第二加压泵，2-9为水压记录仪和水压传感器，2-10为不锈钢管；3-1为罐盖，3-2为罐体，3-3为螺栓，3-4为左侧上孔，3-5为左侧下孔，3-6为右侧上孔，3-7为右侧下孔，3-8为压头。
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。
实施例1：
如图1，煤矿井下超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，包括密封罐装置1、超临界CO2与水力压裂复合致裂装置2、数据采集装置3、真空泵4、瓦斯气样罐5和安全阀6；所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置2包括超临界CO2 致裂部分（由部件2-1、2-2、2-3、2-4组成）和水力压裂部分（由部件2-5、2-6、2-7、2-8、2-9组成）；所述密封罐装置1内放置有煤样7；所述安全阀6可以防止密封罐装置1因腔内气压过大发生事故；所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置2通过H型钢管将超临界CO2 致裂装置和水力压裂装置与所述密封罐装置1的煤样7直接连接，所述数据采集装置3与所述密封罐装置1中的煤样7直接连接，所述真空泵4和瓦斯气样罐5分别与所述密封罐装置1的煤样7直接连接。
如图2，所述超临界CO2 致裂部分由二氧化碳储气罐2-1、加压泵2-2和超临界二氧化碳储气罐2-3组成，超临界二氧化碳储气罐2-3上装有压力表2-4；上述的二氧化碳储气罐2-1、加压泵2-2和超临界二氧化碳储气罐2-3装置之间通过外径为3cm的不锈钢管2-10连接，上述每段不锈钢管2-10之间设有可控开关2-6。所述水力致裂部分包括水箱2-5、第二加压泵2-8和高压水箱2-7，通过水压传感器和水压记录仪2-9监测和控制水压力；上述的水箱2-5，第二加压泵2-8和高压水箱2-7三个装置之间通过直径为3cm的不锈钢管2-10连接，上述每段不锈钢联通管之间设有可控开关2-6。
如图3，所述密封罐装置分为罐盖3-1和罐体3-2两部分，所述罐体3-2采用6cm厚的不锈钢板制成，所述罐体3-2与罐盖3-1通过四个螺栓3-3连接构成内部为空腔的四方体结构，内部空腔为边长40cm的正方体。所述罐体3-2的左右两侧各有两个孔径为3cm的通孔，分别为左侧上孔3-4、左侧下孔3-5、右侧上孔3-6、右侧下孔3-7，左侧通孔中心分别距罐身底部20cm、10cm，右侧通孔中心分别距罐身底部30cm、15cm。所述左侧下孔3-5连接真空泵4，左侧上孔3-4连接瓦斯气样罐5，右侧上孔3-6连接安全阀6，右侧下孔3-7连接数据采集装置3。所述罐盖3-1中心轴线上设有一直径10cm的通孔，Z轴自动加压泵的压头3-8可通过该通孔实现对煤样7的单轴加压。所述压头3-8与罐盖3-1之间注入润滑油密封，压头3-8内部有一直径3cm的管路，该管路与连接超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂装置1端部的外径3cm的钢管相连。
如图1~3，煤矿井下超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体模拟装置的实验方法，包括以下步骤：
S1：根据实验所需，在尺寸 Φ20cm×20cm 的圆柱体煤样7的顶部中心沿竖直方向钻一个Φ3cm×3cm的钻孔，并在试样钻孔面沿径向刻一小槽；
S2：将实验所用的数据采集装置3的探头及电线放入槽内，将安装好探头和电线的煤样7放入密封罐装置1的中央；
S3：实验测量所对应的数据采集装置3的电线通过罐体右侧下孔3-7穿出，电线与密封罐孔壁之间采用薄橡胶片密封，开启压力泵，使压头3-8开始挤压煤样7，实现对煤样7的单轴加压；
S4：连接真空泵4，对密封罐装置1内部进行抽真空处理，之后关闭真空泵气阀，按实验要求压力将瓦斯吸入密封罐装置1，等瓦斯吸附达到平衡后关闭瓦斯气罐气阀；
S5：根据实验要求使用超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体模拟装置对煤样进行复合致裂，并通过数据采集装置3采集实验数据，最后根据实验数据分析煤矿井下超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于：包括超临界CO2与水力压裂复合致裂装置、密封罐装置、数据采集装置、真空泵、瓦斯气样罐和安全阀；
所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置包括超临界CO2致裂部分和水力压裂部分；所述超临界CO2致裂部分包括二氧化碳储气罐、加压泵和超临界二氧化碳储气罐，三者之间通过不锈钢连通管连接，每段不锈钢连通管之间设有可控开关，超临界二氧化碳储气罐上装有压力表；所述水力压裂部分包括水箱、加压泵和高压水箱，三者之间通过不锈钢连通管连接，每段不锈钢连通管之间设有可控开关，通过水压传感器和水压记录仪监测和控制水压力；
所述密封罐装置包括罐盖和罐体，罐体内放置有煤样；所述超临界CO2与水力压裂复合致裂装置通过H型钢管与所述密封罐装置的煤样直接连接，所述数据采集装置、真空泵和瓦斯气样罐分别设置在密封罐装置的外侧，且与密封罐中的煤样直接连接。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于：所述密封罐装置的罐体采用6cm厚的不锈钢板制成，所述罐体与罐盖通过四个螺栓连接构成内部为空腔的四方体结构，内部空腔为边长40cm的正方体。
3.根据权利要求2所述的超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于：所述罐体的左右两侧各有两个孔径为3cm的通孔，分别为左侧上孔、左侧下孔、右侧上孔、右侧下孔，左侧孔中心分别距罐身底部20cm、10cm，右侧孔中心分别距罐身底部30cm、15cm；所述左侧下孔连接真空泵，左侧上孔连接瓦斯气样罐，右侧上孔连接安全阀，右侧下孔连接数据采集装置。
4.根据权利要求2所述的超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于：所述罐盖中心轴线上设有一直径10cm的通孔，加压泵的压头通过该通孔实现对煤样的单轴加压；所述压头与罐盖之间注入润滑油密封，压头内部有一直径3cm的管路，该管路与连接超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂装置相连接。
5.根据权利要求1所述的超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于：所述数据采集装置的探头及电线放入密封罐内，在煤样钻孔面沿径向设有一凹槽，探头及电线固定在该槽内。
6.根据权利要求1所述的超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于：所述的不锈钢连通管外径为3cm。
7.一种超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟方法，采用权利要求1~6任一项所述的超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体的模拟装置，其特征在于包括以下步骤：
S1：根据实验所需，在圆柱体煤样的顶部中心沿竖直方向钻一个圆形孔，并在煤样钻孔面沿径向刻一小槽；
S2：将实验所用的数据采集装置的探头及电线放入槽内，将安装好探头和电线的煤样放入密封罐装置的中央；
S3：实验测量所对应的数据采集装置的电线通过罐体右侧下孔穿出，电线与密封罐孔壁之间采用薄橡胶片密封，开启压力泵，使压头开始挤压煤样，实现对煤样的单轴加压；
S4：连接真空泵，对密封罐内部进行抽真空处理，之后关闭真空泵气阀，按实验要求压力将瓦斯吸入密封罐，等瓦斯吸附达到平衡后关闭瓦斯气罐气阀；
S5：根据实验要求使用超临界CO2与水力压裂复合致裂煤体模拟装置对煤样进行复合致裂，并通过数据采集装置采集实验数据，最后根据实验数据分析煤矿井下超临界二氧化碳与水力压裂复合致裂煤体的效果。
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