CN108398334B - 一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种液氮结合远红外冻融循环的实验装置及实验方法，涉及非常规天然气开采技术领域，包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样；三轴加压系统包括三轴仪、轴压控制系统和围压控制系统；三轴仪包括上压盖、缸体、下压盖和下压头，下压盖上设有轴压外接口，轴压外接口与轴压控制系统连通；缸体的侧壁上设有围压外接口，围压外接口与围压控制系统连通；远红外热辐射集成控制系统包括远红外热辐射发生端、远红外热辐射控制端、温度传感器和温控表；液氮供给系统位于缸体外部，液氮供给系统包括液氮罐、液氮注入泵和液氮注入管；声发射检测系统位于缸体外部。
Description
技术领域
本发明涉及非常规天然气开采技术领域，特别涉及一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置及实验方法。
背景技术
煤层气，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料，俗称"瓦斯"，主要成分为甲烷，是重要的清洁能源，我国现已探明的煤层气储量非常丰富，但是由于我国特殊的地质条件，决定了我国大部分煤层气储层为高储量、低渗透的特征，导致大部分煤层气抽采困难，严重影响煤层气产量。
为实现煤层气的工业化生产，国内外研究学者提出了高压注水、水力割缝、水力压裂、预裂爆破、注气趋替法等瓦斯增产方法，还有许多新兴技术如电化学法、溶剂萃取法等也相继被提出，但是上述方法都存在一定的局限性。近年来，利用液氮作用煤层冻融循环致裂的增透技术逐渐发展，但是也存在一定的局限性，由于液氮作用下煤层气储层温度大幅度降低，严重影响煤层气的活性，导致气体由吸附态转变为游离态困难，同时，在自然状态下解冻过程速度缓慢，煤中残存的水分还会产生水锁效应，严重影响开采效率。远红外热辐射应用于煤层气增产也是新兴的研究领域，将液氮与远红外结合恰好的相互辅助，实现煤层气的增产目的，因此需要一种实验装置，为实验室研究提供实验平台，进而为应用于现场开采提供理论支撑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置，为验证以液氮和远红外结合的方式实现煤层气增产的开采技术的可行性，为应用于现场开采提供理论支撑。
本发明设计提供了一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置，包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样；
三轴加压系统包括三轴仪、轴压控制系统和围压控制系统；三轴仪包括上压盖、缸体、下压盖和下压头，上压盖与缸体的顶端部固定连接，下压盖与缸体的底端部固定连接，下压头位于缸体内，且下压头的底端与下压盖贴合，煤样位于缸体内，且煤样的一端与下压头的顶端贴合，煤样的另一端与上压盖内表面贴合；下压盖上设有轴压外接口，轴压外接口与轴压控制系统连通，轴压控制系统位于缸体的外部；缸体的侧壁上设有围压外接口，围压外接口与围压控制系统连通，围压控制系统位于缸体的外部；
远红外热辐射集成控制系统包括远红外热辐射发生端、远红外热辐射控制端、温度传感器和温控表；上压盖的顶部设有远红外热辐射外接口，远红外热辐射发生端位于煤样内，远红外热辐射控制端通过穿过远红外热辐射外接口的线路与远红外热辐射发生端相连，温度传感器位于煤样内靠近远红外热辐射发生端处，温控表位于缸体的外部靠近远红外热辐射控制端的位置，温度传感器发出的信号能够传送至温控表；
液氮供给系统位于缸体外部，液氮供给系统包括液氮罐、液氮注入泵和液氮注入管，上压盖的顶部设有液氮注入外接口，液氮注入外接口与远红外热辐射外接口相邻；液氮注入管位于煤样内，且与远红外热辐射发生端并行放置；液氮注入泵与液氮罐通过管路连接，液氮注入泵与液氮注入管通过穿过液氮注入外接口的管路连接；
声发射检测系统位于缸体外部。
所述缸体为圆管形。
所述下压盖顶端设有方形凹槽，所述下压头为方形，且所述下压头位于方形凹槽内；所述下压头的底部设有圆柱底座，所述圆柱底座与方形凹槽形成的空间为液压腔，所述轴压外接口与液压腔连通。
所述声发射检测系统包括声发射检测点和声发射接收器，声发射检测点均位于缸体的侧壁上，声发射接收器位于缸体的外部，声发射检测点的信号能够传送至声发射接收器；
所述煤样为方形，所述煤样的顶部设有预制钻孔，所述远红外热辐射外接口和所述液氮注入外接口均与预制钻孔连通，所述温度传感器、所述液氮注入管和所述远红外热辐射发生端均位于预制钻孔内。
所述围压控制系统包括气罐，气罐上设气压调压阀、气压控制器和气罐内置的气压压力传感器，气压调压阀与气压控制器连接，气罐上连有与所述围压外接口连通的管路；气罐、气压调压阀和气压压力传感器均为现有产品。
所述轴压控制系统包括液压和液压控制器，液压泵上设有液压阀门和内置的液压压力传感器，液压泵连有与所述轴压外接口连通的管路；液压泵、液压控制器、液压阀门和液压压力传感器均为现有产品。
所述液氮罐上设有液氮开关。
所述煤样的侧壁套有密封套。
采用所述一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置的实验方法包括：
步骤一、安装煤样：将所述煤样安装好密封套，把所述煤样放置在所述缸体内，且将所述煤样与所述下压头对准，将所述上压盖和所述下压盖与所述缸体通过螺栓连接好；
步骤二、进行冻融循环试验：将所述轴压控制系统与所述轴压外接口连通，加载轴压，推动所述下压头；将所述围压控制系统与所述围压外接口连通，加载围压；不同的轴压和围压加载模拟不同的地应力情况，即对煤样实现不同地层情况的模拟；
步骤三、进行液氮的冷冻试验阶段：将所述液氮罐内的液氮，经由所述液氮注入泵，通过所述液氮注入外接口和液氮注入管，输送至所述煤样内，以实现液氮的冷冻试验阶段；
步骤四、进行红外热辐射实验：将所述远红外热辐射发生端由所述远红外热辐射控制端控制输出对所述煤样的红外热辐射，并通过所述温度传感器反馈到所述温控表的信号调节所述远红外热辐射控制端的功率大小；
步骤五、使用声发监测：通过所述声发射检测系统对步骤二、步骤三和步骤四所述的试验过程，即冻融循环过程进行实时监测。
本发明提供的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，将液氮与远红外热辐射结合到一起，多重致裂效果互相辅助作用，加速冻融循环，提高煤层增渗效果，在实验装置中还设置有声发射检测系统，可以实时获得冻融循环过程中煤层结构的变化情况。本发明提供的液氮结合远红外冻融循环的实验装置结构简单，性能可靠，操作方便，在煤层气开发研究领域具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明提供的一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置中三轴仪和煤样的结构分布示意图；
图3是本发明提供的一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置中下压盖和下压头的结构分布示意图；
其中，
1三轴仪，2轴压控制系统，3围压控制系统，4上压盖，5缸体，6下压盖，7 下压头，8轴压外接口，9围压外接口，10远红外热辐射发生端，11远红外热辐射控制端，12温度传感器，13远红外热辐射外接口，14液氮罐，15液氮注入泵，16 液氮注入管，17液氮注入外接口，18圆柱底座，19液压腔，20声发射检测点，21 声发射接收器，22预制钻孔，23液氮开关，99煤样。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……) 仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图3所示，本发明提供了一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置，包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样99；
如图1所示，三轴加压系统包括三轴仪1、轴压控制系统2和围压控制系统3；三轴仪1包括上压盖4、缸体5、下压盖6和下压头7，缸体5为圆管形，上压盖4 与缸体5的顶端部通过螺栓固定连接，下压盖6与缸体5的底端部通过螺栓固定连接；
下压头7位于缸体5内，且下压头7的底端与下压盖6的顶端贴合；下压盖6 顶端设有方形凹槽，下压头7为方形，且下压头7位于方形凹槽内；
煤样99为方形，煤样99位于缸体5内，且煤样99的一端与下压头7的顶端贴合对接，煤样99的另一端与上压盖4内表面贴合对接；圆管形的缸体5对方形的煤样99能够起到夹持作用。煤样99的侧壁套有密封套，煤样99的密封套、上压盖4 和下压头7对煤样99起密封作用，将煤样与外界隔绝，避免外界其它因素的影响。
如图1和图3所示，下压头7的底部设有圆柱底座18，圆柱底座18与方形凹槽形成的空间为液压腔19，
下压盖6上设有轴压外接口8，轴压外接口8与液压腔19连通。
轴压外接口8与轴压控制系统2连通，轴压控制系统2位于缸体5的外部；轴压控制系统2包括液压泵和液压控制器，液压泵上设有液压阀门和液压压力传感器，液压控制器与液压泵连接，液压泵连有与轴压外接口8连通的管路；液压泵、液压阀门、液压控制器和液压压力传感器均为现有产品。轴压控制系统2通过液压控制器设定好液压压力值，当液压压力传感器监测到液压压力值低于设定值时，液压压力传感器将信号反馈给液压控制器，液压控制器控制液压阀门补充压力。
缸体5的侧壁上靠近底部的位置设有围压外接口9，围压外接口9与围压控制系统3连通，围压控制系统3位于缸体5的外部；围压控制系统3包括气罐，气罐上设有气压调压阀、气压控制器和气罐内置的气压压力传感器，气压调压阀与气压控制器连接，气罐上连有与围压外接口9连通的管路；气罐、气压调压阀和气压压力传感器均为现有产品。围压控制系统3可以通过气压控制器设定好压力值，当气压压力传感器监测到压力值低于设定值时，气压压力传感器传递信号给气压控制器来调节气压调压阀补充压力。
远红外热辐射集成控制系统2包括远红外热辐射发生端10、远红外热辐射控制端11、温度传感器12和温控表；上压盖4的顶部设有远红外热辐射外接口13，远红外热辐射发生端10位于煤样99内。
远红外热辐射控制端11通过穿过远红外热辐射外接口13的线路与远红外热辐射发生端10相连，温度传感器12位于煤样99内靠近远红外热辐射发生端10处，温控表位于缸体5的外部靠近远红外热辐射控制端11的位置，温度传感器12发出的信号能够传送至温控表；温度传感器12、温控表、远红外热辐射控制端11和远红外热辐射发生端10均为现有产品，温控表图中未画出。
液氮供给系统位于缸体5外部，液氮供给系统包括液氮罐14、液氮注入泵15 和液氮注入管16，液氮罐14上设有液氮开关23，上压盖4的顶部设有液氮注入外接口17，液氮注入外接口17与远红外热辐射外接口13相邻；液氮注入管16位于煤样99内，且与远红外热辐射发生端10并行放置；液氮注入泵15与液氮罐14通过液氮管路连接，液氮注入泵15与液氮注入管16通过穿过液氮注入外接口17的液氮管路管路连接。液氮罐14和液氮注入泵15均为现有产品，故不做详细介绍。
煤样99的顶部设有预制钻孔22，远红外热辐射外接口13和液氮注入外接口17 均与预制钻孔22连通，温度传感器12、液氮注入管16和远红外热辐射发生端10 均位于预制钻孔22内。
声发射检测系统位于缸体5外部，声发射检测系统包括声发射检测点20和声发射接收器21，声发射检测点20均位于缸体5的侧壁上，声发射接收器21位于缸体 5的外部，声发射检测点20的信号能够传送至声发射接收器21；声发射检测点20 和声发射接收器21均为现有技术，故不做详细描述。本实施例中提及的声发射检测点20可以根据实际需求设置多个，在本实施例中，声发射检测点20的数量为一个。
采用一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置的实验方法包括：
步骤一、安装煤样99：将煤样99安装好密封套，把煤样99放置在缸体5内，且将煤样99与下压头7对准，将上压盖4和下压盖6与缸体5通过螺栓连接好；
步骤二、进行冻融循环试验：将轴压控制系统2与轴压外接口8连通，加载轴压，推动下压头7，下压头7对煤样99产生作用力；将围压控制系统3与围压外接口9连通，加载围压，使煤样99的侧壁受力；不同的轴压和围压加载模拟不同的地应力情况，即对煤样99实现不同地层情况的模拟；
步骤三、进行液氮的冷冻试验阶段：将液氮罐14内的液氮，经由液氮注入泵 15，通过液氮注入外接口17和液氮注入管16，输送至煤样99内，以实现液氮的冷冻试验阶段；
步骤四、进行红外热辐射实验：将远红外热辐射发生端10由远红外热辐射控制端11控制输出对煤样99的红外热辐射，并根据温度传感器12传送到温控表的信号显示的温度调节远红外热辐射控制端11的功率大小，当温度过高时，可以将远红外热辐射控制端11的功率调小，反之温度过低时，将功率调大；
步骤五、使用声发监测：通过声发射检测系统对步骤二、步骤三和步骤四的试验过程，即冻融循环过程进行实时监测。煤样99破碎过程中会产生声发射信号，该信号被声发射检测系统接收，声发射检测系统对声发射信号进行处理，能够得到煤样99结构的变化情况，即煤样的孔隙裂隙的发育情况。，煤样99的结构的变化包括煤样原生孔裂隙的继续扩展以及新的孔裂隙的产生与发育。
本发明提供的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，将液氮与远红外热辐射结合到一起，多重致裂效果互相辅助作用，加速冻融循环，提高煤层增渗效果，在实验装置中还设置有声发射检测系统，可以实时获得冻融循环过程中煤层结构的变化情况。本发明提供的液氮结合远红外冻融循环的实验装置结构简单，性能可靠，操作方便，在煤层气开发研究领域具有广泛的实用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述装置包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样(99)；
三轴加压系统包括三轴仪(1)、轴压控制系统(2)和围压控制系统(3)；三轴仪(1)包括上压盖(4)、缸体(5)、下压盖(6)和下压头(7)，上压盖(4)与缸体(5)的顶端部固定连接，下压盖(6)与缸体(5)的底端部固定连接，下压头(7)位于缸体(5)内，且下压头(7)的底端与下压盖(6)贴合，煤样(99)位于缸体(5)内，且煤样(99)的一端与下压头(7)的顶端贴合，煤样(99)的另一端与上压盖(6)内表面贴合；下压盖(6)上设有轴压外接口(8)，轴压外接口(8)与轴压控制系统(2)连通，轴压控制系统(2)位于缸体(5)的外部；缸体(5)的侧壁上设有围压外接口(9)，围压外接口(9)与围压控制系统(3)连通，围压控制系统(3)位于缸体(5)的外部；
远红外热辐射集成控制系统(2)包括远红外热辐射发生端(10)、远红外热辐射控制端(11)、温度传感器(12)和温控表；上压盖(4)的顶部设有远红外热辐射外接口(13)，远红外热辐射发生端(10)位于煤样(99)内，远红外热辐射控制端(11)通过穿过远红外热辐射外接口(13)的线路与远红外热辐射发生端(10)相连，温度传感器(12)位于煤样(99)内靠近远红外热辐射发生端(10)处，温控表位于缸体(5)的外部靠近远红外热辐射控制端(11)的位置，温度传感器(12)发出的信号能够传送至温控表；
液氮供给系统位于缸体(5)外部，液氮供给系统包括液氮罐(14)、液氮注入泵(15)和液氮注入管(16)，上压盖(4)的顶部设有液氮注入外接口(17)，液氮注入外接口(17)与远红外热辐射外接口(13)相邻；液氮注入管(16)位于煤样(99)内，且与远红外热辐射发生端(10)并行放置；液氮注入泵(15)与液氮罐(14)通过管路连接，液氮注入泵(15)与液氮注入管(16)通过穿过液氮注入外接口(17)的管路连接；
声发射检测系统位于缸体(5)外部。
2.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述缸体(5)为圆管形。
3.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述下压盖(6)顶端设有方形凹槽，所述下压头(7)为方形，且所述下压头(7)位于方形凹槽内；所述下压头(7)的底部设有圆柱底座(18)，所述圆柱底座(18)与方形凹槽形成的空间为液压腔(19)，所述轴压外接口(8)与液压腔(19)连通。
4.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述声发射检测系统包括声发射检测点(20)和声发射接收器(21)，声发射检测点(20)均位于缸体(5)的侧壁上，声发射接收器(21)位于缸体(5)的外部，声发射检测点(20)的信号能够传送至声发射接收器(21)。
5.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述煤样(99)为方形，所述煤样(99)的顶部设有预制钻孔(22)，所述远红外热辐射外接口(13)和所述液氮注入外接口(17)均与预制钻孔(22)连通，所述温度传感器(12)、所述液氮注入管(16)和所述远红外热辐射发生端(10)均位于预制钻孔(22)内。
6.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述围压控制系统(3)包括气罐，气罐上设有气压调压阀、气压控制器和气罐内置的气压压力传感器，气压调压阀与气压控制器连接，气罐上连有与所述围压外接口(9)连通的管路；气罐、气压调压阀、气压控制器和气压压力传感器均为现有产品。
7.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述轴压控制系统(2)包括液压泵和液压控制器，液压泵上设有液压阀门和内置的液压压力传感器，液压控制器与液压泵连接，液压泵连有与所述轴压外接口(8)连通的管路；液压泵、液压控制器、液压阀门和液压压力传感器均为现有产品。
8.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述液氮罐(14)上设有液氮开关(23)。
9.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述煤样(99)的侧壁套有密封套。
10.采用权利要求1所述的一种液氮结合远红外冻融循环的实验装置的实验方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、安装煤样(99)：将所述煤样(99)安装好密封套，把所述煤样(99)放置在所述缸体(5)内，且将所述煤样(99)与所述下压头(7)对准，将所述上压盖(4)和所述下压盖(6)与所述缸体(5)通过螺栓连接好；
步骤二、进行冻融循环试验：将所述轴压控制系统(2)与所述轴压外接口(8)连通，加载轴压，推动所述下压头(7)；将所述围压控制系统(3)与所述围压外接口(9)连通，加载围压；不同的轴压和围压加载模拟不同的地应力情况，即对煤样(99)实现不同地层情况的模拟；
步骤三、进行液氮的冷冻试验阶段：将所述液氮罐(14)内的液氮，经由所述液氮注入泵(15)，通过所述液氮注入外接口(17)和液氮注入管(16)，输送至所述煤样(99)内，以实现液氮的冷冻试验阶段；
步骤四、进行红外热辐射实验：将所述远红外热辐射发生端(10)由所述远红外热辐射控制端(11)控制输出对所述煤样(99)的红外热辐射，并通过所述温度传感器(12)反馈到所述温控表的信号调节所述远红外热辐射控制端(11)的功率大小；
步骤五、使用声发监测：通过所述声发射检测系统对步骤二、步骤三和步骤四所述试验过程，即冻融循环过程进行实时监测。
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