CN107560993A - 超声波作用下煤层气渗流实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波作用下煤层气渗流实验装置和方法，该装置由气体供给系统、应力加载系统、超声波系统、测量系统、控制系统组成，气体供给系统包括高压甲烷气瓶和减压阀，应力加载系统包括伺服液压泵、三轴压力室、轴向液压缸、升降机、真空泵，超声波系统包括超声波发生器、超声波换能器、恒温水浴槽，测量系统包括轴压传感器、位移传感器、加热管、温度控制器和气体流量传感器，控制系统包括轴压控制器、围压控制器、轴向位移控制器和电脑。本发明能够用于实验室模拟声场、应力场、温度场、渗流场耦合作用下煤层气渗流规律。

Description

超声波作用下煤层气渗流实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种多场耦合作用下瓦斯渗流实验装置和方法，特别涉及一种可模拟声场、应力场、温度场、渗流场耦合作用下煤层气渗流的实验装置和方法。

背景技术

我国煤层气在埋深2000米以浅，储量约36.8万亿立方米，全球排名第三，与我国陆上常规天然气资源量相当，它是一笔可支配的较洁净的能矿资源和化工原料，其次煤层气是煤矿重大灾害事故的有害源，瓦斯事故约占煤矿重大灾害事故的70％。同时，其主要组分CH₄是一种比CO₂高20多倍的强温室效应气体。因此从资源利用、煤矿安全生产和保护环境的角度来看，开发煤层气和提高煤层气的抽采率势在必行，因此我国在“十二五”能源发展规划中明确指出，将大力开发非常规天然气，在“十三五”规划中提出“有序开放开采权，积极开发天然气、煤层气、页岩气”，力争2020年抽采量达400亿m³。

由于我国煤矿地质条件极其复杂，煤层气含量高，达10～30m³/t，吸附态占90％，煤层气压力大，达3～12MPa，煤储层渗透率极低，小于0.001mD，因此煤层气难抽采，全国平均抽采率约30％，国际上许多国家的平均抽采率都在45％以上，个别的达到70％。抽采量少，2014年抽采量约156亿m³，2016年抽采量约170亿m³。为了提高煤层气高效开采，当前国内外主要采用水力压裂、水力割缝、水平井技术、松动爆破、注气、物理场激励等方法，由于我国煤储层地质条件复杂多变，这些方法有一定的适用条件。上世纪五、六十年代，美国、前苏联就开始了利用声波处理油层，取得了很好的效果，能提高岩体的渗透率、降粘、解堵等，从而提高石油的采收率。我国也将声波技术应用到采油工程中，先后在大庆、玉门、胜利油田进行过现场实验，提高原油产量15～50％，采收率提高10～15％，取得了明显的效益。鉴于超声波具有机械振动效应、热效应和空化效应等特点，重庆大学提出了用可控声震法提高煤层气渗流这一新技术，从而提高煤层气的抽采率，目前可控超声波作用下煤层气渗流实验装置很少，因此还需研发专业设备，深入研究超声波高效开采煤层气的渗流机理，为该技术的应用奠定基础。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可控大功率超声波作用下煤层气渗流实验装置和方法，能够用于实验室模拟声场、应力场、温度场、渗流场耦合作用下煤层气渗流规律。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供的一种超声波作用下煤层气渗流实验装置，它由气体供给系统、应力加载系统、超声波系统、测量系统、控制系统组成，气体供给系统包括高压甲烷气瓶和减压阀，应力加载系统包括伺服液压泵、三轴压力室、轴向液压缸、升降机和真空泵，超声波系统包括超声波发生器、超声波换能器、恒温水浴槽，测量系统包括轴压传感器、位移传感器、加热管、温度控制器和气体流量传感器，控制系统包括轴压控制器、围压控制器、轴向位移控制器和电脑，其中：三轴压力室安装在升降机上，其内用于放置煤样，其上设有与高压甲烷气瓶通过减压阀连接的进气端、与真空泵和气体流量传感器分别连接的出气端以及与伺服液压泵连接的围压油口，其上方设有轴向液压缸、位移传感器和轴压传感器，轴向液压缸上设有与伺服液压泵连接的轴压油口，出气端与真空泵间设置气阀Ⅰ，出气端与气体流量传感器间设置气阀Ⅱ和气阀Ⅲ，气阀Ⅲ用于与外界大气连通，超声波换能器和温度控制器设于恒温水浴槽外，加热管设于恒温水浴槽内底部；电脑与气体流量传感器、加热管、温度控制器、超声波发生器、真空泵和伺服液压泵电性连接，超声波发生器与超声波换能器电性连接。

进一步，所述超声波换能器在恒温水浴槽的前后、左右及槽底五个面上布置。

进一步，所述超声波发生器设置为三台，一台连接设置在恒温水浴槽槽底面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽前后面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽左右面的超声波换能器。

进一步，所述超声波换能器的频率为25kHz、28kHz、40kHz可调，单台超声波发生器最大功率为3kw，且每台超声波发生器输出功率有10档可调。

进一步，煤样尺寸为φ100×200mm；温度传感器精度为0.1℃；气体流量传感器量程0-5L/min，精度为0.0001L/min；应力加载系统的最大加载轴压为100MPa，最大围压20MPa，最大轴向位移60mm，最大环向变形20mm。

本发明还提供一种超声波作用下煤层气渗流实验方法，利用上述的装置，所述方法具体包括如下步骤：

(1)将加工好的煤样φ100×200mm表面涂上一层硅胶，硅胶自然固化后，将煤样和压头用热缩管密封，然后安装在三轴压力室内；

(2)在煤样表面安装环向位移传感器，连接好传感器接头，然后拧紧螺栓密封三轴压力室；

(3)将三轴压力室通过升降机下放到恒温水浴槽内，关闭气阀Ⅱ、气阀Ⅲ，打开气阀Ⅰ，启动真空泵，对煤样抽真空12h，完成后关闭气阀Ⅰ；

(4)启动温度控制器，将恒温水浴槽加热到实验所需的温度；

(5)启动伺服液压泵、轴压控制器和围压控制器，对煤样施加轴向应力和围压；

(6)关闭气阀Ⅰ、气阀Ⅱ、气阀Ⅲ，开启高压甲烷气瓶和减压阀向煤样中注入甲烷，让煤样吸附甲烷饱和；

(7)设置实验所需的超声波参数，启动超声波发生器对煤样施加声场；

(8)高压甲烷气瓶持继供气，保持进气端压力稳定，关闭气阀Ⅰ、气阀Ⅲ，打开气阀Ⅱ，气体流量传感器将测量出气端的气体流量；

(9)整个实验过程中，电脑将自动采集实验温度、轴向应力、围压、轴向变形、横向变形、气体流量、时间等参数；

(10)计算煤样的渗透率。

本发明有以下有益效果：本发明能够用于实验室模拟声场、应力场、温度场、渗流场耦合作用下煤层气渗流规律。超声波恒温水浴槽内部换能器频率有25kHz、28kHz、40kHz三种可调，单台超声波发生器功率在0～3kw可调，单台超声发生器有10个档，三台超声波发生器可同时运行，即实现超声波的大功率可调性，从而可以实验研究不同频率、不同振幅、不同功率超声波在不同温度、不同应力条件下煤层气的渗流规律。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1：本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，附图中的元件标号1-27分别表示：高压甲烷气瓶1、减压阀2、升降机3、超声波换能器4、加热管5、温度控制器6、真空泵7、伺服液压泵8、超声波发生器9、轴压控制器10、围压控制器11、轴向位移控制器12、电脑13、气体流量传感器14、气阀Ⅱ15、气阀Ⅰ16、出气端17、围压油口18、恒温水浴槽19、煤样20、三轴压力室21、进气端22、轴压传感器23、位移传感器24、轴向液压缸25、轴压油口26、气阀Ⅲ27。

实施例基本如附图所示：本实施例提供一种超声波作用下煤层气渗流实验装置，它由气体供给系统、应力加载系统、超声波系统、测量系统、控制系统组成，气体供给系统包括高压甲烷气瓶1和减压阀2，应力加载系统包括伺服液压泵8、三轴压力室21、轴向液压缸25、升降机3和真空泵7，超声波系统包括超声波发生器9、超声波换能器4、恒温水浴槽19，测量系统包括轴压传感器23、位移传感器24、加热管5、温度控制器6和气体流量传感器14，控制系统包括轴压控制器10、围压控制器11、轴向位移控制器12和电脑13，其中：三轴压力室21安装在升降机3上，其内用于放置煤样20，其上设有与高压甲烷气瓶1通过减压阀2连接的进气端22、与真空泵7和气体流量传感器14分别连接的出气端17以及与伺服液压泵8连接的围压油口18，其上方设有轴向液压缸25、位移传感器24和轴压传感器23，轴向液压缸25上设有与伺服液压泵8连接的轴压油口26，出气端与真空泵7间设置气阀Ⅰ16，出气端与气体流量传感器14间设置气阀Ⅱ15和气阀Ⅲ27，气阀Ⅲ27用于与外界大气连通，超声波换能器4和温度控制器6设于恒温水浴槽19外，加热管5设于恒温水浴槽19内底部；电脑13与气体流量传感器14、加热管5、温度控制器6、超声波发生器9、真空泵7和伺服液压泵8电性连接，超声波发生器9与超声波换能器4电性连接。采用上述方案，本发明能够用于实验室模拟声场、应力场、温度场、渗流场耦合作用下煤层气渗流规律。

本实施例中的超声波换能器4在恒温水浴槽19的前后、左右及槽底五个面上布置；超声波发生器9设置为三台，一台连接设置在恒温水浴槽19槽底面的超声波换能器4，一台连接设置在恒温水浴槽19前后面的超声波换能器4，一台连接设置在恒温水浴槽19左右面的超声波换能器4；且超声波换能器4的频率为25kHz、28kHz、40kHz可调，单台超声波发生器9最大功率为3kw，且每台超声波发生器输出功率有10档可调。从而用于实验室研究对大功率超声波的功率、频率实施可控调节，从而可以实验研究不同频率、不同振幅、不同功率超声波在不同温度、不同应力条件下煤层气的渗流规律。

本实施例中的煤样20尺寸为φ100×200mm；温度传感器6精度为0.1℃；气体流量传感器14量程0-5L/min，精度为0.0001L/min；应力加载系统的最大加载轴压为100MPa，最大围压20MPa，最大轴向位移60mm，最大环向变形20mm。

本发明还利用上述的装置提供一种超声波作用下煤层气渗流实验方法，具体包括如下步骤：

(1)将加工好的煤样20φ100×200mm表面涂上一层硅胶，硅胶自然固化后，将煤样和压头用热缩管密封，然后安装在三轴压力室21内；

(2)在煤样表面安装环向位移传感器，连接好传感器接头，然后拧紧螺栓密封三轴压力室；

(3)将三轴压力室21通过升降机3下放到恒温水浴槽19内，关闭气阀Ⅱ15、气阀Ⅲ27，打开气阀Ⅰ16，启动真空泵7，对煤样抽真空12h，完成后关闭气阀Ⅰ16；

(4)启动温度控制器6，将恒温水浴槽19加热到实验所需的温度；

(5)启动伺服液压泵8、轴压控制器10和围压控制器11，对煤样施加轴向应力和围压；

(6)关闭气阀Ⅰ16、气阀Ⅱ15、气阀Ⅲ27，开启高压甲烷气瓶1和减压阀2向煤样20中注入甲烷，让煤样20吸附甲烷饱和；

(7)设置实验所需的超声波参数，启动超声波发生器9对煤样施加声场；

(8)高压甲烷气瓶1持继供气，保持进气端压力稳定，关闭气阀Ⅰ16、气阀Ⅲ27，打开气阀Ⅱ15，气体流量传感器14将测量出气端的气体流量；

(9)整个实验过程中，电脑将自动采集实验温度、轴向应力、围压、轴向变形、横向变形、气体流量、时间等参数；

(10)计算煤样的渗透率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种超声波作用下煤层气渗流实验装置，其特征在于，它由气体供给系统、应力加载系统、超声波系统、测量系统、控制系统组成，气体供给系统包括高压甲烷气瓶(1)和减压阀(2)，应力加载系统包括伺服液压泵(8)、三轴压力室(21)、轴向液压缸(25)、升降机(3)和真空泵(7)，超声波系统包括超声波发生器(9)、超声波换能器(4)、恒温水浴槽(19)，测量系统包括轴压传感器(23)、位移传感器(24)、加热管(5)、温度控制器(6)和气体流量传感器(14)，控制系统包括轴压控制器(10)、围压控制器(11)、轴向位移控制器(12)和电脑(13)，其中：

三轴压力室安装在升降机上，其内用于放置煤样(20)，其上设有与高压甲烷气瓶通过减压阀连接的进气端(22)、与真空泵和气体流量传感器分别连接的出气端(17)以及与伺服液压泵连接的围压油口(18)，其上方设有轴向液压缸、位移传感器和轴压传感器，轴向液压缸上设有与伺服液压泵连接的轴压油口(26)，出气端与真空泵间设置气阀Ⅰ(16)，出气端与气体流量传感器间设置气阀Ⅱ(15)和气阀Ⅲ(27)，气阀Ⅲ用于与外界大气连通，超声波换能器和温度控制器设于恒温水浴槽外，加热管设于恒温水浴槽内底部；电脑与气体流量传感器、加热管、温度控制器、超声波发生器、真空泵和伺服液压泵电性连接，超声波发生器与超声波换能器电性连接。

2.根据权利要求1所述的超声波作用下煤层气渗流实验装置，其特征在于，所述超声波换能器在恒温水浴槽的前后、左右及槽底五个面上布置。

3.根据权利要求2所述的超声波作用下煤层气渗流实验装置，其特征在于，所述超声波发生器设置为三台，一台连接设置在恒温水浴槽槽底面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽前后面的超声波换能器，一台连接设置在恒温水浴槽左右面的超声波换能器。

4.根据权利要求3所述的超声波作用下煤层气渗流实验装置，其特征在于，所述超声波换能器的频率为25kHz、28kHz、40kHz可调，单台超声波发生器最大功率为3kw，且每台超声波发生器输出功率有10档可调。

5.根据权利要求4所述的超声波作用下煤层气渗流实验装置，其特征在于，煤样尺寸为φ100×200mm；温度控制器精度为0.1℃；气体流量传感器量程为0-5L/min，精度为0.0001L/min；应力加载系统的最大加载轴压为100MPa，最大围压20MPa，最大轴向位移60mm，最大环向变形20mm。

6.一种超声波作用下煤层气渗流实验方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任一项所述的装置，所述方法具体包括如下步骤：

(1)将加工好的煤样φ100×200mm表面涂上一层硅胶，硅胶自然固化后，将煤样和压头用热缩管密封，然后安装在三轴压力室内；

(2)在煤样表面安装环向位移传感器，连接好传感器接头，然后拧紧螺栓密封三轴压力室；

(3)将三轴压力室通过升降机下放到恒温水浴槽内，关闭气阀Ⅱ、气阀Ⅲ，打开气阀Ⅰ，启动真空泵，对煤样抽真空12h，完成后关闭气阀Ⅰ；

(4)启动温度控制器，将恒温水浴槽加热到实验所需的温度；

(5)启动伺服液压泵、轴压控制器和围压控制器，对煤样施加轴向应力和围压；

(6)关闭气阀Ⅰ、气阀Ⅱ、气阀Ⅲ，开启高压甲烷气瓶和减压阀向煤样中注入甲烷，让煤样吸附甲烷饱和；

(7)设置实验所需的超声波参数，启动超声波发生器对煤样施加声场；

(8)高压甲烷气瓶持继供气，保持进气端压力稳定，关闭气阀Ⅰ、气阀Ⅲ，打开气阀Ⅱ，气体流量传感器将测量出气端的气体流量；

(9)整个实验过程中，电脑将自动采集实验温度、轴向应力、围压、轴向变形、横向变形、气体流量、时间等参数；

(10)计算煤样的渗透率。