CN107576763B - 利用超声波和高温co2促进煤层气抽采的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置及方法，实验装置包括煤岩试样承压组件、围压施加组件、轴压施加组件、模拟煤层气加注组件、超声波发生组件、高温CO₂加注组件、温控组件及流量检测组件。在实验方法中，煤岩试样安装在煤岩试样承压组件内，通过围压施加组件和轴压施加组件对煤岩试样进行模拟地应力加载，通过模拟煤层气加注组件对煤岩试样进行模拟煤层气吸附，通过超声波发生组件对煤岩试样进行超声波加载，通过高温CO₂加注组件对煤岩试样内的模拟煤层气进行驱替，通过温控组件对高温CO₂加注组件和煤岩试样进行温度监控，通过流量检测组件对驱替出煤岩试样的模拟煤层气进行流量检测。

Description

利用超声波和高温CO2促进煤层气抽采的实验装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，特别是涉及一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置及方法。

背景技术

煤层气是一种煤的伴生资源，属于非常规天然气，它主要以吸附状态存储于煤层中，煤层气的主要成分为甲烷，且甲烷占比可达95％以上。

随着国家对新能源的开发利用越来越重视，关于煤层气的开采也逐渐从研究阶段走向开发利用阶段，而煤层气的开发利用对我国的工业发展至关重要，不仅可以缓解我国的能源需求，还可以改善环境污染，更为重要的是能够大大改善煤矿的安全生产条件，可以有效减少甚至杜绝煤矿事故的发生。

我国煤层气的地质条件复杂，区域性差异大，且煤的变质程度、变质作用类型及形成时代与国外多有不同，导致煤储层的渗透率、压力及含气饱和度普遍较低。因此，只有改善煤层的解吸效率，才能够有效增加煤层气的驱替效率。

目前，我国主要采用的促进煤层气抽采的方法为水力压裂法，但是水力压裂法对水资源的消耗量巨大，且应用成本较高，而且对煤层气的开采效率有相对程度的制约，同时压裂液还会对地下水资源造成一定的污染。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置及方法，通过超声波对煤岩体产生致裂效果，可有效促进煤岩体内孔隙裂隙的发育，加快煤层气的运移效率；通过超声波还可加热煤岩体，可有效加快煤层气的扩散效率，同时将高温CO₂注入煤岩体，由于高温CO₂为了达到热平衡，会与煤层气发生热传递和解吸作用，不但可以改善煤层气的解吸效果，还可以进一步促进煤层气的运移效率，最终使煤层气的驱替效率得到显著提高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置，包括煤岩试样承压组件、围压施加组件、轴压施加组件、模拟煤层气加注组件、超声波发生组件、高温CO₂加注组件、温控组件及流量检测组件；所述煤岩试样承压组件用于安装煤岩试样，通过所述围压施加组件和轴压施加组件对煤岩试样进行模拟地应力加载，通过所述模拟煤层气加注组件对煤岩试样进行模拟煤层气吸附，通过所述超声波发生组件对煤岩试样进行超声波加载，通过所述高温CO₂加注组件对煤岩试样内的模拟煤层气进行驱替，通过所述温控组件对高温CO₂加注组件和煤岩试样进行温度监控，通过所述流量检测组件对驱替出煤岩试样的模拟煤层气进行流量检测。

所述煤岩试样承压组件包括上压头、下压头、承压套筒、上封盖及下封盖，煤岩试样位于上压头和下压头之间，且煤岩试样通过热缩套进行密封包覆；在所述上压头上开设有进气口，在所述下压头上开设有出气口；所述承压套筒套装在煤岩试样外部，且承压套筒内筒壁与煤岩试样之间留有围压加载间隙；所述上封盖螺纹密封固装在承压套筒顶端，所述下封盖螺纹密封固装在承压套筒底端；在所述上封盖中部开设有一个通孔，上压头的上半部位于上封盖的通孔内，且上压头的上半部与上封盖的通孔滑动密封配合；在所述下封盖上表面开设有一个盲孔，下压头的下半部位于下封盖的盲孔内，且下压头的下半部与下封盖的盲孔滑动密封配合；所述下压头的下端面与下封盖的盲孔之间留有轴压加载间隙。

所述围压施加组件包括围压加载气瓶、第一调压阀及第一压力表；所述围压加载气瓶的供气口通过第一调压阀与围压加载间隙相连通，所述第一压力表位于第一调压阀与围压加载间隙之间的通气管路上。

所述轴压施加组件包括轴压加载气瓶、第二调压阀及第二压力表；所述轴压加载气瓶的供气口通过第二调压阀与轴压加载间隙相连通，所述第二压力表位于第二调压阀与轴压加载间隙之间的通气管路上。

所述模拟煤层气加注组件包括模拟煤层气气瓶、第三调压阀及第三压力表；所述模拟煤层气气瓶的供气口通过第三调压阀与上压头的进气口相连通，所述第三压力表位于第三调压阀与进气口之间的通气管路上。

所述超声波发生组件包括超声波发生器和超声波探头；所述超声波探头密封固装在承压套筒上，超声波探头的前端正对煤岩试样，超声波探头的接线端与超声波发生器相连。

所述高温CO₂加注组件包括CO₂气瓶、第四调压阀、第四压力表、单向阀、CO₂加热管及电加热丝；所述CO₂气瓶的供气口通过第四调压阀与单向阀进气端相连通，单向阀出气端与CO₂加热管的一端相连通，CO₂加热管的另一端与与上压头的进气口相连通；所述第四压力表位于第四调压阀与单向阀之间的通气管路上；所述电加热丝缠绕安装在CO₂加热管上。

所述温控组件包括温控仪、第一热电偶及第二热电偶；所述第一热电偶安装在上压头上，用于监测煤岩试样的温度；所述第二热电偶安装在CO₂加热管上，用于监测CO₂加热管内CO₂的温度。

所述流量检测组件包括流量计及第五调压阀；所述流量计通过第五调压阀与下压头的出气口相连通。

一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验方法，采用了所述的实验装置，包括如下步骤：

步骤一：将煤岩试样封装到上压头与下压头之间；

步骤二：将封装了煤岩试样的下压头插入下封盖的盲孔内，旋转下压头，使下压头的出气口连通到流量检测组件的通气管路上；

步骤三：将承压套筒套在煤岩试样外侧，再旋转承压套筒，使承压套筒下端螺纹固连到下封盖上；

步骤四：将上封盖螺纹固连到承压套筒上端，并使上压头插入上封盖的通孔内；

步骤五：将超声波探头连接到超声波发生器上，将上压头的进气口连通到模拟煤层气加注组件和高温CO₂加注组件的通气管路上，将第一热电偶连接到温控仪上；

步骤六：打开第一调压阀，通过围压加载气瓶向围压加载间隙内通入高压气体，以对煤岩试样施加围压，当第一压力表显示的压力值达到设定值后，关闭第一调压阀；

步骤七：打开第二调压阀，通过轴压加载气瓶向轴压加载间隙内通入高压气体，以对煤岩试样施加轴向载荷，当第二压力表显示的压力值达到设定值后，关闭第二调压阀；

步骤八：打开第三调压阀，通过模拟煤层气气瓶向煤岩试样中注入模拟煤层气，当煤岩试样对模拟煤层气达到吸附饱和状态后，关闭第三调压阀；

步骤九：启动超声波发生器，通过超声波探头对煤岩试样进行超声波加载；

步骤十：启动电加热丝，对CO₂加热管进行加热，通过第二热电偶将监测的温度信号传递给温控仪，当温控仪上显示的温度值达到设定值后，电加热丝将维持温度值恒定；

步骤十一：打开第四调压阀，CO₂气瓶内的CO₂通过单向阀首先进入CO₂加热管，并在CO₂加热管内快速升温至高温状态，而呈现高温状态的CO₂会注入煤岩试样中以对模拟煤层气进行驱替；

步骤十二：打开第五调压阀，被驱替出煤岩试样的模拟煤层气会流经流量计，并通过流量计实时显示模拟煤层气的驱替流量值，同时通过第一热电偶实时监测煤岩试样的温度。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，首次通过超声波和高温CO₂的协同作用来促进煤层气的抽采，通过超声波对煤岩体产生致裂效果，可有效促进煤岩体内孔隙裂隙的发育，加快煤层气的运移效率；通过超声波还可加热煤岩体，可有效加快煤层气的扩散效率，同时将高温CO₂注入煤岩体，由于高温CO₂为了达到热平衡，会与煤层气发生热传递和解吸作用，不但可以实现对煤层气的解吸效果，还可以进一步促进煤层气的运移效率，最终使煤层气的驱替效率得到显著提高。

附图说明

图1为本发明的一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置结构原理图；

图中，1—煤岩试样，2—上压头，3—下压头，4—承压套筒，5—上封盖，6—下封盖，7—热缩套，8—进气口，9—出气口，10—围压加载间隙，11—轴压加载间隙，12—围压加载气瓶，13—第一调压阀，14—第一压力表，15—轴压加载气瓶，16—第二调压阀，17—第二压力表，18—模拟煤层气气瓶，19—第三调压阀，20—第三压力表，21—超声波发生器，22—超声波探头，23—CO₂气瓶，24—第四调压阀，25—第四压力表，26—单向阀，27—CO₂加热管，28—电加热丝，29—温控仪，30—第一热电偶，31—第二热电偶，32—流量计，33—第五调压阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置，包括煤岩试样承压组件、围压施加组件、轴压施加组件、模拟煤层气加注组件、超声波发生组件、高温CO₂加注组件、温控组件及流量检测组件；所述煤岩试样承压组件用于安装煤岩试样1，通过所述围压施加组件和轴压施加组件对煤岩试样1进行模拟地应力加载，通过所述模拟煤层气加注组件对煤岩试样1进行模拟煤层气吸附，通过所述超声波发生组件对煤岩试样1进行超声波加载，通过所述高温CO₂加注组件对煤岩试样1内的模拟煤层气进行驱替，通过所述温控组件对高温CO₂加注组件和煤岩试样1进行温度监控，通过所述流量检测组件对驱替出煤岩试样1的模拟煤层气进行流量检测。

所述煤岩试样承压组件包括上压头2、下压头3、承压套筒4、上封盖5及下封盖6，煤岩试样1位于上压头2和下压头3之间，且煤岩试样1通过热缩套7进行密封包覆；在所述上压头2上开设有进气口8，在所述下压头3上开设有出气口9；所述承压套筒4套装在煤岩试样1外部，且承压套筒4内筒壁与煤岩试样1之间留有围压加载间隙10；所述上封盖5螺纹密封固装在承压套筒4顶端，所述下封盖6螺纹密封固装在承压套筒4底端；在所述上封盖5中部开设有一个通孔，上压头2的上半部位于上封盖5的通孔内，且上压头2的上半部与上封盖5的通孔滑动密封配合；在所述下封盖6上表面开设有一个盲孔，下压头3的下半部位于下封盖6的盲孔内，且下压头3的下半部与下封盖6的盲孔滑动密封配合；所述下压头3的下端面与下封盖6的盲孔之间留有轴压加载间隙11。

所述围压施加组件包括围压加载气瓶12、第一调压阀13及第一压力表14；所述围压加载气瓶12的供气口通过第一调压阀13与围压加载间隙10相连通，所述第一压力表14位于第一调压阀13与围压加载间隙10之间的通气管路上。

所述轴压施加组件包括轴压加载气瓶15、第二调压阀16及第二压力表17；所述轴压加载气瓶15的供气口通过第二调压阀16与轴压加载间隙11相连通，所述第二压力表17位于第二调压阀16与轴压加载间隙11之间的通气管路上。

所述模拟煤层气加注组件包括模拟煤层气气瓶18、第三调压阀19及第三压力表20；所述模拟煤层气气瓶18的供气口通过第三调压阀19与上压头2的进气口8相连通，所述第三压力表20位于第三调压阀19与进气口8之间的通气管路上。

所述超声波发生组件包括超声波发生器21和超声波探头22；所述超声波探头22密封固装在承压套筒4上，超声波探头22的前端正对煤岩试样1，超声波探头22的接线端与超声波发生器21相连。

所述高温CO₂加注组件包括CO₂气瓶23、第四调压阀24、第四压力表25、单向阀26、CO₂加热管27及电加热丝28；所述CO₂气瓶23的供气口通过第四调压阀24与单向阀26进气端相连通，单向阀26出气端与CO₂加热管27的一端相连通，CO₂加热管27的另一端与与上压头2的进气口8相连通；所述第四压力表25位于第四调压阀24与单向阀26之间的通气管路上；所述电加热丝28缠绕安装在CO₂加热管27上。

所述温控组件包括温控仪29、第一热电偶30及第二热电偶31；所述第一热电偶30安装在上压头2上，用于监测煤岩试样1的温度；所述第二热电偶31安装在CO₂加热管27上，用于监测CO₂加热管27内CO₂的温度。

所述流量检测组件包括流量计32及第五调压阀33；所述流量计32通过第五调压阀33与下压头3的出气口9相连通。

一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验方法，采用了所述的实验装置，包括如下步骤：

步骤一：将尺寸为φ50×100mm的煤岩试样1封装到上压头2与下压头3之间；

步骤二：将封装了煤岩试样1的下压头3插入下封盖6的盲孔内，旋转下压头3，使下压头3的出气口9连通到流量检测组件的通气管路上；

步骤三：将承压套筒4套在煤岩试样1外侧，再旋转承压套筒4，使承压套筒4下端螺纹固连到下封盖6上；

步骤四：将上封盖5螺纹固连到承压套筒4上端，并使上压头2插入上封盖5的通孔内；

步骤五：将超声波探头22连接到超声波发生器21上，将上压头2的进气口8连通到模拟煤层气加注组件和高温CO₂加注组件的通气管路上，将第一热电偶30连接到温控仪29上；

步骤六：打开第一调压阀13，通过围压加载气瓶12向围压加载间隙10内通入高压气体，以对煤岩试样1施加围压，当第一压力表14显示的压力值达到设定值后，关闭第一调压阀13；

步骤七：打开第二调压阀16，通过轴压加载气瓶15向轴压加载间隙11内通入高压气体，以对煤岩试样1施加轴向载荷，当第二压力表17显示的压力值达到设定值后，关闭第二调压阀16；

步骤八：打开第三调压阀19，通过模拟煤层气气瓶18向煤岩试样1中注入模拟煤层气(甲烷气体)，当煤岩试样1对模拟煤层气(甲烷气体)达到吸附饱和状态后，关闭第三调压阀19；

步骤九：启动超声波发生器21，通过超声波探头22对煤岩试样1进行超声波加载；

步骤十：启动电加热丝28，对CO₂加热管27进行加热，通过第二热电偶31将监测的温度信号传递给温控仪29，当温控仪29上显示的温度值达到设定值后，电加热丝28将维持温度值恒定；

步骤十一：打开第四调压阀24，CO₂气瓶23内的CO₂通过单向阀26首先进入CO₂加热管27，并在CO₂加热管27内快速升温至高温状态，而呈现高温状态的CO₂会注入煤岩试样1中以对模拟煤层气(甲烷气体)进行驱替；

步骤十二：打开第五调压阀33，被驱替出煤岩试样1的模拟煤层气(甲烷气体)会流经流量计32，并通过流量计32实时显示模拟煤层气(甲烷气体)的驱替流量值，同时通过第一热电偶30实时监测煤岩试样1的温度。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验装置，其特征在于：包括煤岩试样承压组件、围压施加组件、轴压施加组件、模拟煤层气加注组件、超声波发生组件、高温CO₂加注组件、温控组件及流量检测组件；所述煤岩试样承压组件用于安装煤岩试样，通过所述围压施加组件和轴压施加组件对煤岩试样进行模拟地应力加载，通过所述模拟煤层气加注组件对煤岩试样进行模拟煤层气吸附，通过所述超声波发生组件对煤岩试样进行超声波加载，通过所述高温CO₂加注组件对煤岩试样内的模拟煤层气进行驱替，通过所述温控组件对高温CO₂加注组件和煤岩试样进行温度监控，通过所述流量检测组件对驱替出煤岩试样的模拟煤层气进行流量检测；所述煤岩试样承压组件包括上压头、下压头、承压套筒、上封盖及下封盖，煤岩试样位于上压头和下压头之间，且煤岩试样通过热缩套进行密封包覆；在所述上压头上开设有进气口，在所述下压头上开设有出气口；所述承压套筒套装在煤岩试样外部，且承压套筒内筒壁与煤岩试样之间留有围压加载间隙；所述上封盖螺纹密封固装在承压套筒顶端，所述下封盖螺纹密封固装在承压套筒底端；在所述上封盖中部开设有一个通孔，上压头的上半部位于上封盖的通孔内，且上压头的上半部与上封盖的通孔滑动密封配合；在所述下封盖上表面开设有一个盲孔，下压头的下半部位于下封盖的盲孔内，且下压头的下半部与下封盖的盲孔滑动密封配合；所述下压头的下端面与下封盖的盲孔之间留有轴压加载间隙；所述围压施加组件包括围压加载气瓶、第一调压阀及第一压力表；所述围压加载气瓶的供气口通过第一调压阀与围压加载间隙相连通，所述第一压力表位于第一调压阀与围压加载间隙之间的通气管路上；所述轴压施加组件包括轴压加载气瓶、第二调压阀及第二压力表；所述轴压加载气瓶的供气口通过第二调压阀与轴压加载间隙相连通，所述第二压力表位于第二调压阀与轴压加载间隙之间的通气管路上；所述模拟煤层气加注组件包括模拟煤层气气瓶、第三调压阀及第三压力表；所述模拟煤层气气瓶的供气口通过第三调压阀与上压头的进气口相连通，所述第三压力表位于第三调压阀与进气口之间的通气管路上；所述超声波发生组件包括超声波发生器和超声波探头；所述超声波探头密封固装在承压套筒上，超声波探头的前端正对煤岩试样，超声波探头的接线端与超声波发生器相连；所述高温CO₂加注组件包括CO₂气瓶、第四调压阀、第四压力表、单向阀、CO₂加热管及电加热丝；所述CO₂气瓶的供气口通过第四调压阀与单向阀进气端相连通，单向阀出气端与CO₂加热管的一端相连通，CO₂加热管的另一端与上压头的进气口相连通；所述第四压力表位于第四调压阀与单向阀之间的通气管路上；所述电加热丝缠绕安装在CO₂加热管上；所述温控组件包括温控仪、第一热电偶及第二热电偶；所述第一热电偶安装在上压头上，用于监测煤岩试样的温度；所述第二热电偶安装在CO₂加热管上，用于监测CO₂加热管内CO₂的温度；所述流量检测组件包括流量计及第五调压阀；所述流量计通过第五调压阀与下压头的出气口相连通。

2.一种利用超声波和高温CO₂促进煤层气抽采的实验方法，采用了权利要求1所述的实验装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将煤岩试样封装到上压头与下压头之间；

步骤二：将封装了煤岩试样的下压头插入下封盖的盲孔内，旋转下压头，使下压头的出气口连通到流量检测组件的通气管路上；

步骤三：将承压套筒套在煤岩试样外侧，再旋转承压套筒，使承压套筒下端螺纹固连到下封盖上；

步骤四：将上封盖螺纹固连到承压套筒上端，并使上压头插入上封盖的通孔内；

步骤五：将超声波探头连接到超声波发生器上，将上压头的进气口连通到模拟煤层气加注组件和高温CO₂加注组件的通气管路上，将第一热电偶连接到温控仪上；

步骤六：打开第一调压阀，通过围压加载气瓶向围压加载间隙内通入高压气体，以对煤岩试样施加围压，当第一压力表显示的压力值达到设定值后，关闭第一调压阀；

步骤七：打开第二调压阀，通过轴压加载气瓶向轴压加载间隙内通入高压气体，以对煤岩试样施加轴向载荷，当第二压力表显示的压力值达到设定值后，关闭第二调压阀；

步骤八：打开第三调压阀，通过模拟煤层气气瓶向煤岩试样中注入模拟煤层气，当煤岩试样对模拟煤层气达到吸附饱和状态后，关闭第三调压阀；

步骤九：启动超声波发生器，通过超声波探头对煤岩试样进行超声波加载；

步骤十：启动电加热丝，对CO₂加热管进行加热，通过第二热电偶将监测的温度信号传递给温控仪，当温控仪上显示的温度值达到设定值后，电加热丝将维持温度值恒定；

步骤十一：打开第四调压阀，CO₂气瓶内的CO₂通过单向阀首先进入CO₂加热管，并在CO₂加热管内快速升温至高温状态，而呈现高温状态的CO₂会注入煤岩试样中以对模拟煤层气进行驱替；

步骤十二：打开第五调压阀，被驱替出煤岩试样的模拟煤层气会流经流量计，并通过流量计实时显示模拟煤层气的驱替流量值，同时通过第一热电偶实时监测煤岩试样的温度。