CN110485981B - 可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置及增透实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，包括机架，机架上转动连接有传动轴，传动轴连接有动力机构；传动轴连接有煤样试验装置和液氮罐存放箱，煤样试验装置与液氮罐存放箱分别连接在传动轴的两侧，煤样试验装置与液氮罐存放箱相连通且连通处设有注氮用电磁阀。本发明还公开了使用上述致裂增透装置进行的增透实验方法。本发明能较好的控制液氮倒入液氮腔，而且能利用水循环机构不断给液氮腔体内的液氮加温致使液氮不断气化，从而给实验煤样施加预定的液氮与氮气耦合作用的压力，还能回收液氮，同装置进行三轴应力实验，研究冷浸后煤样的应力‑应变特性，有利于得出最佳的增透方案，为煤层气的开采利用提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气开采领域，具体涉及液氮压裂增透技术以及三轴加压技术。
背景技术
煤层气，是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，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。
国内煤层普遍深埋于地下，填有固体颗粒、受到较大的构造地应力等现象导致了煤层的渗透率急剧下降，渗透性一般在（0.1～0.001）×10-3μm2 。瓦斯抽采过程中由于煤层低渗透性导致其不能顺利进入到气井中，严重影响着其抽采效率，提高煤层渗透性一直是煤层气抽采工程中的关键。水力压裂目前存在返排率低、压裂缝短、污染环境等问题，采用新型压裂技术是改善煤层压裂效果的关键，利用低温流体压裂煤储层，具有增能助排、对煤层伤害小等优点。
在预定的温度条件下及煤样压力下进行煤样的裂缝发育实验为现有技术，但缺乏实验用液氮与氮气耦合压裂实验机构，现有实验设备不能巧妙实现增压效果，不能回收液氮，亦不能同装置施加三轴应力实验，无法方便的研究煤样其它参数一定、不同液氮与氮气耦合作用压力下煤样的裂缝发育情况，亦无法同装置研究不同液氮与氮气压力耦合作用煤样后，煤样的力学特性改变对煤样裂缝发育情况的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，便于进行液氮与氮气耦合致裂增透实验，能够回收未用完的液氮。
为实现上述目的，本发明的可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，包括机架，其特征在于：机架上转动连接有传动轴，传动轴连接有动力机构；传动轴连接有煤样试验装置和液氮罐存放箱，煤样试验装置与液氮罐存放箱分别连接在传动轴的两侧，煤样试验装置与液氮罐存放箱相连通且连通处设有注氮用电磁阀。
所述机架包括底座，底座上左右相对设有左支撑架和右支撑架，左支撑架上设有左滑孔，右支撑架上设有右滑孔，左滑孔转动连接有左转轴；右滑孔转动连接有右转轴；传动轴包括所述的左转轴和右转轴；所述动力机构包括步进电机，步进电机通过齿轮传动机构与传动轴相连接；传动轴在动力机构的带动下具有两个工作角度，传动轴位于第一工作角度时，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正上方，传动轴位于第二工作角度时，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正下方；
煤样试验装置包括煤样容器和水循环机构，煤样容器内设有液氮腔；煤样容器与左转轴和右转轴相连接；以煤样容器与左转轴和右转轴相连接的一端为煤样容器的连接端，煤样容器的连接端的相对端为煤样容器的自由端，煤样容器的自由端螺纹连接有钢盖，钢盖的内表面处设有耐压钢板，耐压钢板粘接有纱布制成的圆柱形煤样袋，煤样袋位于液氮腔内；煤样容器的连接端部设有第一连通孔，第一连通孔一端与液氮腔相连通且另一端与液氮罐存放箱相连通；钢盖一侧设有与液氮腔相通的卸压阀；
水循环机构包括变频高压泵、水箱、第一导水软管、第二导水软管、设于液氮腔内的导水散热管、左密封螺栓和右密封螺栓；左密封螺栓和右密封螺栓分别设置在钢盖两侧的煤样容器壁上并贯穿煤样容器壁，左密封螺栓和右密封螺栓内均设有内孔，左密封螺栓的内孔向外连接第一导水软管，右密封螺栓的内孔向外连接第二导水软管，左密封螺栓的内孔向内通过管路连接有左接口，右密封螺栓的内孔向内通过管路连接有右接口，导水散热管的左端与左接口相连接，导水散热管的右端与右接口相连接；左密封螺栓和右密封螺栓的内孔的两端均设有用于封闭内孔的密封胶；变频高压泵的进水口与水箱相连通，变频高压泵的出水口与第二导水软管相连接；第一导水软管与水箱相连通。
液氮罐存放箱内设有液氮罐，液氮罐存放箱与左转轴和右转轴相连接；以液氮罐存放箱与左转轴和右转轴相连接的一端为液氮罐存放箱的连接端，液氮罐存放箱的连接端的相对端为液氮罐存放箱的自由端；液氮罐存放箱的连接端连接有与第一连通孔相连接的第一连通管；液氮罐存放箱的侧壁围绕液氮罐均匀间隔螺纹连接有多个周向定位螺栓；液氮罐存放箱的自由端设有与液氮罐存放箱的侧壁螺纹配合的盖板，盖板上螺纹连接有轴向定位螺栓，轴向定位螺栓和各周向定位螺栓均与液氮罐相顶压配合；液氮罐的端部设有开口，液氮罐的开口处固定有环形垫片，环形垫片与第一连通管以胶粘的方式密封连接。
所述钢盖上设有用于检测液氮腔中的压力的压力表。
所述左转轴和右转轴均由两个半轴组合而成，两个半轴通过紧固螺栓固定连接。
所述导水散热管绕过煤样袋的自由端。
第一连通孔与液氮腔的连接处设有过滤用钢板，过滤用钢板上设有若干通液孔；过滤用钢板朝向煤样袋的一侧表面上设有塑料垫片，塑料垫片上开设有与通液孔一一对应连通的通孔。
还包括有三轴加载机构和信号采集机构；
信号采集机构包括电控装置和设置在煤样袋的内壁上的若干电阻应变片，各电阻应变片沿煤样袋的内壁周向均匀分布；
位于煤样袋轴线左侧的电阻应变片的连接导线通过左密封螺栓的内孔伸出煤样试验装置，位于煤样袋轴线右侧的电阻应变片的连接导线通过右密封螺栓的内孔伸出煤样试验装置；各电阻应变片的连接导线均与电控装置相连接；注氮用电磁阀与电控装置相连接；
三轴加载机构包括用于存放加压用液体的液体存放箱、用于液体升压的液压泵、环绕液氮腔设置在煤样容器侧壁内的加压腔、滑动密封连接于加压腔内的3－4个围压加压轴、与围压加压轴固定连接的围压加压板、设置在围压加压板内表面的塑性垫片和设置在钢盖上的液压箱，液压箱与钢盖连接处设有钢块，钢块与液压箱的侧壁围成液压腔，钢块与钢盖上贯穿设有加压孔，加压孔内滑动穿设有轴压加压轴，轴压加压轴伸出钢盖并与所述耐压钢板相连接，耐压钢板与一电阻应变片相接触，该电阻应变片位于煤样顶端，该电阻应变片的连接导线伸出煤样袋并通过左密封螺栓的内孔伸出煤样试验装置后与电控装置相连接；液压箱连接有轴压加压软管，加压腔连接有围压加压软管；液压泵的进口与液体存放箱相连接，液压泵的出口连接有总加压软管，围压加压软管和轴压加压软管分别与总加压软管相连接，围压加压软管上设有第一电磁阀，轴压加压软管上设有第二电磁阀；第一电磁阀和第二电磁阀均与电控装置相连接；
围压加压轴和加压板与加压腔一一对应，各围压加压轴环绕液氮腔均匀设置；各加压板均为与煤样袋相匹配的弧形面，各加压板向中心汇聚在一起时围成与煤样袋相匹配的圆筒形。
本发明还公开了使用上述可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置进行的增透实验方法，按以下步骤进行：
第一步骤是将液氮罐放入液氮罐存放箱内；
第二步骤是将实验煤样放入煤样存放装置内；
第三步骤是启动水循环机构；
第四步骤是将液氮倒入液氮腔内；
第五步骤是在预定压力条件进行液氮与氮气耦合冷浸致裂煤体；
第一步骤具体是打开盛有液氮的液氮罐，将环形垫片用胶粘在液氮罐口周围；旋转取下盖板，旋松各周向定位螺栓，将液氮罐放入液氮罐存放箱，使环形垫片与第一连通管对接在一起并在接口处涂胶密封；旋紧各周向定位螺栓从而对液氮罐进行周向定位；旋转盖板将盖板安装在液氮罐存放箱的自由端，旋紧轴向定位螺栓从而对液氮罐进行轴向定位；
第二步骤具体是旋转取下钢盖，把实验用煤样放入煤样袋内，用胶把煤样袋粘在钢盖上，把导水散热管放入液氮腔内，并使导水散热管的两端分别与左接口和右接口相连接；把钢盖连同煤样袋一起放入煤样容器，煤样袋位于液氮腔中；拧紧钢盖确保钢盖与煤样容器之间的密封性；
第三步骤具体是启动变频高压泵，设置3-6MPa的出水压力，在第二导水软管、导水散热管、第一导水软管和水箱之间形成快速循环流动的水流；保持变频高压泵处于开启状态并保持变频高压泵提供3-6MPa的出水压力；
第四步骤具体是启动步进电机，齿轮传动机构驱动传动轴旋转至第一工作角度，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正上方；打开注氮用电磁阀，使液氮罐中的液氮流入液氮腔内，然后关闭注氮用电磁阀；
第五步骤具体是在变频高压泵持续运行的过程中，循环水不断通过导水散热管加热液氮腔中的液氮，液氮不断气化，通过压力表观察液氮腔中的压力上升情况，当液氮腔中的压力上升至预定压力的85±1%时，关闭水循环装置的变频高压泵；液氮与氮气的混合物通过煤样袋进入煤样，进行液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验。
还包括用于进行三轴应力实验的第六步骤和第七步骤；
第六步骤是三轴应力实验准备步骤；
第七步骤是三轴应力实验步骤；
第六步骤具体是第五步骤中液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验结束后，打开卸压阀，对液氮腔泄压，观察压力表读数为0至0.05MPa时启动步进电机，使传动轴旋转至第二工作角度，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正下方，从而使未用完的液氮回流入液氮罐存放箱保存备用；
旋转打开钢盖，使待液氮腔内的温度升高至常温后，从左接口和右接口处拆下导水散热管并取出，在煤样袋的内壁上沿煤样袋的内壁周向均匀设置若干电阻应变片；在煤样顶端设置一个电阻应变片；拧紧钢盖确保钢盖与煤样容器之间的密封性；
第七步骤具体是打开轴压加压软管上的第二电磁阀，启动液压泵，在液压腔内的液体压力的作用下，轴压加压轴与耐压钢板向下移动，将煤样袋及其内的煤样压在位于液氮腔底部的所述塑料垫片上从而施加轴向压力；批开第一电磁阀，在加压腔内液体压力的作用下，各围压加压轴沿径向向内推动各加压板紧压煤样袋，对煤样施加围向压力；通过电控装置记录煤样的压力－应变数据。
本发明具有如下的优点：
本发明能通过动力机构驱动煤样试验装置和液氮罐存放箱一体旋转，从而在第二工作角度下方便地进行液氮与氮气耦合致裂增透实验，并能通过水循环机构使液氮气化，既产生液氮和氮气的混合物，又将液氮腔内的压力调节至预定压力，实验操作方便，效率较高。本发明在进行液氮与氮气耦合致裂增透实验之后，能够通过动力机构驱动煤样试验装置和液氮罐存放箱一体旋转，从而在第一工作角度下方便地回收未用完的液氮，节约液氮用量，避免了液氮用不完就浪费掉的现象。
液氮罐存放箱的结构非常便于取出液氮罐加氮以及装入液氮罐并与煤样试验装置相连通，加氮操作和安装液氮罐的操作均无须将液氮罐存放箱整体拆卸下来。
煤样试验装置和水循环机构的设置，系统密封性较好，能够通过高压水加热液氮，实现液氮与氮气耦合条件下对煤样进行溶浸实验。
导水散热管绕过煤样袋的自由端，使得导水散热管在液氮腔内分布得更加均匀，能够理均匀地对液氮进行加热。
过滤用钢板和通液孔的设置，能够避免大块杂质通过通液孔，防止因杂质影响实验效果。塑料垫片具有弹性。
向煤体施加围压时，煤体的变形量十分微小；由于各加压板向中心汇聚在一起时围成与煤样袋相匹配的圆筒形，且各加压板内表面均设有塑性垫片，因此通过塑性垫片的挤压变形，能够向煤样袋施加足够的围压。
重复第二至第五步骤，可以方便地在不同的压力条件下进行液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验。
利用本发明的可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，能够同装置进行液氮与氮气耦合致裂增透实验和三轴应力实验，联合实验大大提高了实验效率，通过得到的应力（压力）-应变曲线（数据），为进一步研究冷浸后煤样的力学变化规律提供基础。
本发明的结构能所有管路（软管）和连接导线都设置在传动轴内引出，避免煤样试验装置和液氮罐存放箱旋转时，各管路相互缠绕纠结。
本发明的液氮罐存放箱中的第一连通管（即与液氮罐对接的装置）尺寸较大，接口处通过设置弹塑性垫片，保证与各种类型的液氮罐密封对接。由于盖板上螺纹连接有轴向定位螺栓（如直径20mm的螺栓），因而能从底部固定不同尺寸的液氮罐，从而保证液氮罐存放箱的普适性，不同大小的液氮罐均能够通过轴向定位螺栓和周向定位螺栓得到牢固的固定。
总之，本发明能较好的控制液氮倒入液氮腔，而且能利用水循环机构不断给液氮腔体内的液氮加温致使液氮不断气化，从而给实验煤样（或岩样）施加预定的液氮与氮气耦合作用的压力，还能同装置进行三轴应力实验，研究冷浸后煤样（或岩样）的应力-应变特性，从而对比分析岩样的力学特性改变的主要影响因素，有利于得出最佳的增透方案，为煤层气的开采利用提供技术支持。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是液氮罐存放箱的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置包括机架，机架上转动连接有传动轴，传动轴连接有动力机构；传动轴连接有煤样试验装置和液氮罐存放箱26，煤样试验装置与液氮罐存放箱26分别连接在传动轴的两侧，煤样试验装置与液氮罐存放箱26相连通且连通处设有注氮用电磁阀34。
所述机架包括底座1，底座1上左右相对设有左支撑架2和右支撑架3，左支撑架2上设有左滑孔4，右支撑架3上设有右滑孔5，左滑孔4转动连接（如通过轴承转动连接）有左转轴6；右滑孔5转动连接有右转轴7；传动轴包括所述的左转轴6和右转轴7；所述动力机构包括步进电机8，步进电机8通过齿轮传动机构9与右转轴7相连接；齿轮传动机构9为常规技术，具体不再详述。传动轴（左转轴6和右转轴7）在动力机构的带动下具有两个工作角度，传动轴位于第一工作角度时，液氮罐存放箱26位于煤样试验装置的正上方，传动轴位于第二工作角度时，液氮罐存放箱26位于煤样试验装置的正下方；
煤样试验装置包括煤样容器11和水循环机构，煤样容器11内设有液氮腔10；煤样容器11与左转轴6和右转轴7相连接；以煤样容器11与左转轴6和右转轴7相连接的一端为煤样容器11的连接端，煤样容器11的连接端的相对端为煤样容器11的自由端，煤样容器11的自由端螺纹连接有钢盖12，钢盖12的内表面处设有耐压钢板，耐压钢板为常规材料，图中未示，图中钢盖12的下表面处即为耐压钢板所在位置。
耐压钢板粘接有纱布制成的圆柱形煤样袋13，煤样袋13位于液氮腔10内；煤样容器11的连接端部设有第一连通孔14，第一连通孔14一端与液氮腔10相连通且另一端与液氮罐存放箱26相连通；钢盖12一侧设有与液氮腔10相通的卸压阀15；
水循环机构包括变频高压泵16、水箱17、第一导水软管20、第二导水软管19、设于液氮腔10内的铜制导水散热管21、左密封螺栓22和右密封螺栓23；水箱17顶部螺纹连接有水箱盖18。左密封螺栓22和右密封螺栓23分别设置在钢盖12两侧的煤样容器11壁上并贯穿煤样容器11壁，左密封螺栓22和右密封螺栓23内均设有内孔，左密封螺栓22的内孔向外连接第一导水软管20，右密封螺栓23的内孔向外连接第二导水软管19，左密封螺栓22的内孔向内通过管路连接有左接口24，右密封螺栓23的内孔向内通过管路连接有右接口25，导水散热管21的左端与左接口24相连接，导水散热管21的右端与右接口25相连接；左密封螺栓22和右密封螺栓23的内孔的两端均设有用于封闭内孔的密封胶；变频高压泵16的进水口与水箱17相连通，变频高压泵16的出水口与第二导水软管19相连接；第一导水软管20与水箱17相连通。左接口24和右接口25均优选采用螺纹接口。
煤样试验装置和水循环机构的设置，系统密封性较好，能够通过高压水加热液氮，实现液氮与氮气耦合条件下对煤样进行溶浸实验。
液氮罐存放箱26内设有液氮罐27，液氮罐存放箱26与左转轴6和右转轴7相连接；以液氮罐存放箱26与左转轴6和右转轴7相连接的一端为液氮罐存放箱26的连接端，液氮罐存放箱26的连接端的相对端为液氮罐存放箱26的自由端；液氮罐存放箱26的连接端连接有与第一连通孔14相连接的第一连通管28；液氮罐存放箱26的侧壁围绕液氮罐27均匀间隔螺纹连接有多个周向定位螺栓29；液氮罐存放箱26的自由端设有与液氮罐存放箱26的侧壁螺纹配合的盖板30，盖板30上螺纹连接有轴向定位螺栓31，轴向定位螺栓31和各周向定位螺栓29均与液氮罐27相顶压配合；液氮罐27的端部设有开口，液氮罐27的开口处固定有环形垫片32，环形垫片32与第一连通管28以胶粘的方式密封连接。液氮罐27邻近盖板30的一端优选设置有透气单向阀33。
液氮罐存放箱26的结构非常便于取出液氮罐27加氮以及装入液氮罐27并与煤样试验装置相连通，加氮操作和安装液氮罐27的操作均无须将液氮罐存放箱26整体拆卸下来。
所述钢盖12上设有用于检测液氮腔10中的压力的压力表35。所述左转轴6和右转轴7均由两个半轴组合而成，两个半轴通过紧固螺栓36固定连接。
所述导水散热管21绕过煤样袋13的自由端（即朝向煤样容器11的连接端的一端）。
导水散热管21绕过煤样袋13的自由端，使得导水散热管21在液氮腔10内分布得更加均匀，能够理均匀地对液氮进行加热。
第一连通孔14与液氮腔10的连接处设有过滤用钢板37，过滤用钢板37上设有若干通液孔38；过滤用钢板37朝向煤样袋13的一侧表面上设有塑料垫片，塑料垫片上开设有与通液孔38一一对应连通的通孔。塑料垫片为常规材料，图未示。
过滤用钢板37和通液孔38的设置，能够避免大块杂质通过通液孔38，防止因杂质影响实验效果。塑料垫片具有弹性。
本发明还包括有三轴加载机构和信号采集机构；信号采集机构包括电控装置39和设置在煤样袋13的内壁上的若干（如4个）电阻应变片40，各电阻应变片40沿煤样袋13的内壁周向均匀分布；
位于煤样袋13轴线左侧的电阻应变片40的连接导线通过左密封螺栓22的内孔伸出煤样试验装置，位于煤样袋13轴线右侧的电阻应变片40的连接导线通过右密封螺栓23的内孔伸出煤样试验装置；各电阻应变片40的连接导线均与电控装置39相连接；电控装置39为笔记本计算机或台式计算机或带有显示屏的单片机。注氮用电磁阀34的连接导线与电控装置39相连接；
三轴加载机构包括用于存放加压用液体（如液压油或水）的液体存放箱41、用于液体升压的液压泵42、环绕液氮腔10设置在煤样容器11侧壁内的加压腔44、滑动密封连接于加压腔44内的3－4个围压加压轴45、与围压加压轴45固定连接的围压加压板46、设置在围压加压板46内表面的塑性垫片47和设置在钢盖12上的液压箱48。液体存放箱41的顶部螺纹连接有液箱盖43。液压箱48与钢盖12的连接处设有钢块49，钢块49与液压箱48的侧壁围成液压腔50，钢块49与钢盖12上贯穿设有加压孔，加压孔内滑动密封穿设有轴压加压轴51，轴压加压轴51伸出钢盖12并与所述耐压钢板相连接，耐压钢板与一电阻应变片40相接触，该电阻应变片40位于煤样顶端，该电阻应变片40的连接导线伸出煤样袋13并通过左密封螺栓22的内孔伸出煤样试验装置后与电控装置39相连接；液压箱48连接有轴压加压软管52，加压腔44连接有围压加压软管53；液压泵42的进口与液体存放箱41相连接，液压泵42的出口连接有总加压软管54，围压加压软管53和轴压加压软管52分别与总加压软管54相连接，围压加压软管53上设有第一电磁阀55，轴压加压软管52上设有第二电磁阀56；第一电磁阀55和第二电磁阀56均与电控装置39相连接；
围压加压轴45和加压板与加压腔44一一对应，各围压加压轴45环绕液氮腔10均匀设置；各加压板均为与煤样袋13相匹配的弧形面，各加压板向中心汇聚在一起时围成与煤样袋13相匹配的圆筒形。
向煤体施加围压时，煤体的变形量十分微小；由于各加压板向中心汇聚在一起时围成与煤样袋13相匹配的圆筒形，且各加压板内表面均设有塑性垫片47，因此通过塑性垫片47的挤压变形，能够向煤样袋13施加足够的围压。
本发明还公开了使用上述可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置进行的增透实验方法，按以下步骤进行：
第一步骤是将液氮罐27放入液氮罐存放箱26内；
第二步骤是将实验用煤样放入煤样存放装置内；
第三步骤是启动水循环机构；
第四步骤是将液氮倒入液氮腔10内；
第五步骤是在预定压力条件进行液氮与氮气耦合冷浸致裂煤体；
第一步骤具体是打开盛有液氮的液氮罐27，将环形垫片32用胶粘在液氮罐27口周围；旋转取下盖板30，旋松各周向定位螺栓29，将液氮罐27放入液氮罐存放箱26，使环形垫片32与第一连通管28对接在一起并在接口处涂胶密封；旋紧各周向定位螺栓29从而对液氮罐27进行周向定位；旋转盖板30将盖板30安装在液氮罐存放箱26的自由端，旋紧轴向定位螺栓31从而对液氮罐27进行轴向定位；
第二步骤具体是旋转取下钢盖12，把实验用煤样放入煤样袋13内，用胶把煤样袋13粘在钢盖12上，把导水散热管21放入液氮腔10内，并使导水散热管21的两端分别与左接口24和右接口25相连接；把钢盖12连同煤样袋13一起放入煤样容器11，煤样袋13位于液氮腔10中；拧紧钢盖12确保钢盖12与煤样容器11之间的密封性；
第三步骤具体是启动变频高压泵16，设置3-6MPa的出水压力，在第二导水软管19、导水散热管21、第一导水软管20和水箱17之间形成快速循环流动的水流；由于水流速度快，因而不会结冰。低温水沿第一导水软管20流动时会吸收外界热量，水箱17中的大量水稳定了水温，防止水温过低而结冰。保持变频高压泵16处于开启状态并保持变频高压泵16提供3-6MPa的出水压力；
第四步骤具体是启动步进电机8，齿轮传动机构9驱动传动轴旋转至第一工作角度，液氮罐存放箱26位于煤样试验装置的正上方；打开注氮用电磁阀34，使液氮罐27中的液氮流入液氮腔10内，然后关闭注氮用电磁阀34；
第五步骤具体是在变频高压泵16持续运行的过程中，循环水不断通过导水散热管21加热液氮腔10中的液氮，液氮不断气化（液氮在常压下温度高于-196.56℃就会挥发为气态氮），通过压力表35观察液氮腔10中的压力上升情况，当液氮腔10中的压力上升至预定压力的85±1%时，关闭水循环装置的变频高压泵16；液氮与氮气的混合物通过煤样袋13进入煤样，进行液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验。
重复第二至第五步骤，可以方便地在不同的压力条件下进行液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验。
还包括用于进行三轴应力实验的第六步骤和第七步骤；
第六步骤是三轴应力实验准备步骤；
第七步骤是三轴应力实验步骤；
第六步骤具体是第五步骤中液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验结束后，打开卸压阀15，对液氮腔10泄压，观察压力表35读数为0至0.05MPa时启动步进电机8，使传动轴旋转至第二工作角度，液氮罐存放箱26位于煤样试验装置的正下方，从而使未用完的液氮回流入液氮罐存放箱26保存备用；
旋转打开钢盖12，使待液氮腔10内的温度升高至常温后，从左接口24和右接口25处拆下导水散热管21并取出，在煤样袋13的内壁上沿煤样袋13的内壁周向均匀设置若干电阻应变片40；在煤样顶端设置一个电阻应变片40；拧紧钢盖12确保钢盖12与煤样容器11之间的密封性；
第七步骤具体是打开轴压加压软管52上的第二电磁阀56，启动液压泵42，在液压腔50内的液体压力的作用下，轴压加压轴51与耐压钢板向下移动，将煤样袋13及其内的煤样压在位于液氮腔10底部的所述塑料垫片上从而施加轴向压力（即轴压）；批开第一电磁阀55，在加压腔44内液体压力的作用下，各围压加压轴45沿径向向内推动各加压板紧压煤样袋13，对煤样施加围向压力（即围压）；通过电控装置39记录煤样的压力－应变数据，优选制作成压力－应变曲线图。煤样受到的压力用于模拟煤样在地层中的应力。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，包括机架，其特征在于：机架上转动连接有传动轴，传动轴连接有动力机构；传动轴连接有煤样试验装置和液氮罐存放箱，煤样试验装置与液氮罐存放箱分别连接在传动轴的两侧，煤样试验装置与液氮罐存放箱相连通且连通处设有注氮用电磁阀；
所述机架包括底座，底座上左右相对设有左支撑架和右支撑架，左支撑架上设有左滑孔，右支撑架上设有右滑孔，左滑孔转动连接有左转轴；右滑孔转动连接有右转轴；传动轴包括所述的左转轴和右转轴；所述动力机构包括步进电机，步进电机通过齿轮传动机构与传动轴相连接；传动轴在动力机构的带动下具有两个工作角度，传动轴位于第一工作角度时，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正上方，传动轴位于第二工作角度时，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正下方；
煤样试验装置包括煤样容器和水循环机构，煤样容器内设有液氮腔；煤样容器与左转轴和右转轴相连接；以煤样容器与左转轴和右转轴相连接的一端为煤样容器的连接端，煤样容器的连接端的相对端为煤样容器的自由端，煤样容器的自由端螺纹连接有钢盖，钢盖的内表面处设有耐压钢板，耐压钢板粘接有纱布制成的圆柱形煤样袋，煤样袋位于液氮腔内；煤样容器的连接端部设有第一连通孔，第一连通孔一端与液氮腔相连通且另一端与液氮罐存放箱相连通；钢盖一侧设有与液氮腔相通的卸压阀；
水循环机构包括变频高压泵、水箱、第一导水软管、第二导水软管、设于液氮腔内的导水散热管、左密封螺栓和右密封螺栓；左密封螺栓和右密封螺栓分别设置在钢盖两侧的煤样容器壁上并贯穿煤样容器壁，左密封螺栓和右密封螺栓内均设有内孔，左密封螺栓的内孔向外连接第一导水软管，右密封螺栓的内孔向外连接第二导水软管，左密封螺栓的内孔向内通过管路连接有左接口，右密封螺栓的内孔向内通过管路连接有右接口，导水散热管的左端与左接口相连接，导水散热管的右端与右接口相连接；左密封螺栓和右密封螺栓的内孔的两端均设有用于封闭内孔的密封胶；变频高压泵的进水口与水箱相连通，变频高压泵的出水口与第二导水软管相连接；第一导水软管与水箱相连通；
液氮罐存放箱内设有液氮罐，液氮罐存放箱与左转轴和右转轴相连接；以液氮罐存放箱与左转轴和右转轴相连接的一端为液氮罐存放箱的连接端，液氮罐存放箱的连接端的相对端为液氮罐存放箱的自由端；液氮罐存放箱的连接端连接有与第一连通孔相连接的第一连通管；液氮罐存放箱的侧壁围绕液氮罐均匀间隔螺纹连接有多个周向定位螺栓；液氮罐存放箱的自由端设有与液氮罐存放箱的侧壁螺纹配合的盖板，盖板上螺纹连接有轴向定位螺栓，轴向定位螺栓和各周向定位螺栓均与液氮罐相顶压配合；液氮罐的端部设有开口，液氮罐的开口处固定有环形垫片，环形垫片与第一连通管以胶粘的方式密封连接；
所述钢盖上设有用于检测液氮腔中的压力的压力表；
所述左转轴和右转轴均由两个半轴组合而成，两个半轴通过紧固螺栓固定连接。
2.根据权利要求1所述的可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，其特征在于：所述导水散热管绕过煤样袋的自由端。
3.根据权利要求2所述的可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，其特征在于：第一连通孔与液氮腔的连接处设有过滤用钢板，过滤用钢板上设有若干通液孔；过滤用钢板朝向煤样袋的一侧表面上设有塑料垫片，塑料垫片上开设有与通液孔一一对应连通的通孔。
4.根据权利要求3所述的可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置，其特征在于：还包括有三轴加载机构和信号采集机构；
信号采集机构包括电控装置和设置在煤样袋的内壁上的若干电阻应变片，各电阻应变片沿煤样袋的内壁周向均匀分布；
位于煤样袋轴线左侧的电阻应变片的连接导线通过左密封螺栓的内孔伸出煤样试验装置，位于煤样袋轴线右侧的电阻应变片的连接导线通过右密封螺栓的内孔伸出煤样试验装置；各电阻应变片的连接导线均与电控装置相连接；注氮用电磁阀与电控装置相连接；
三轴加载机构包括用于存放加压用液体的液体存放箱、用于液体升压的液压泵、环绕液氮腔设置在煤样容器侧壁内的加压腔、滑动密封连接于加压腔内的3－4个围压加压轴、与围压加压轴固定连接的围压加压板、设置在围压加压板内表面的塑性垫片和设置在钢盖上的液压箱，液压箱与钢盖连接处设有钢块，钢块与液压箱的侧壁围成液压腔，钢块与钢盖上贯穿设有加压孔，加压孔内滑动穿设有轴压加压轴，轴压加压轴伸出钢盖并与所述耐压钢板相连接，耐压钢板与一电阻应变片相接触，该电阻应变片位于煤样顶端，该电阻应变片的连接导线伸出煤样袋并通过左密封螺栓的内孔伸出煤样试验装置后与电控装置相连接；液压箱连接有轴压加压软管，加压腔连接有围压加压软管；液压泵的进口与液体存放箱相连接，液压泵的出口连接有总加压软管，围压加压软管和轴压加压软管分别与总加压软管相连接，围压加压软管上设有第一电磁阀，轴压加压软管上设有第二电磁阀；第一电磁阀和第二电磁阀均与电控装置相连接；
围压加压轴和加压板与加压腔一一对应，各围压加压轴环绕液氮腔均匀设置；各加压板均为与煤样袋相匹配的弧形面，各加压板向中心汇聚在一起时围成与煤样袋相匹配的圆筒形。
5.使用权利要求4中所述可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置进行的增透实验方法，其特征在于按以下步骤进行：
第一步骤是将液氮罐放入液氮罐存放箱内；
第二步骤是将实验煤样放入煤样存放装置内；
第三步骤是启动水循环机构；
第四步骤是将液氮倒入液氮腔内；
第五步骤是在预定压力条件进行液氮与氮气耦合冷浸致裂煤体；
第一步骤具体是打开盛有液氮的液氮罐，将环形垫片用胶粘在液氮罐口周围；旋转取下盖板，旋松各周向定位螺栓，将液氮罐放入液氮罐存放箱，使环形垫片与第一连通管对接在一起并在接口处涂胶密封；旋紧各周向定位螺栓从而对液氮罐进行周向定位；旋转盖板将盖板安装在液氮罐存放箱的自由端，旋紧轴向定位螺栓从而对液氮罐进行轴向定位；
第二步骤具体是旋转取下钢盖，把实验用煤样放入煤样袋内，用胶把煤样袋粘在钢盖上，把导水散热管放入液氮腔内，并使导水散热管的两端分别与左接口和右接口相连接；把钢盖连同煤样袋一起放入煤样容器，煤样袋位于液氮腔中；拧紧钢盖确保钢盖与煤样容器之间的密封性；
第三步骤具体是启动变频高压泵，设置3-6MPa的出水压力，在第二导水软管、导水散热管、第一导水软管和水箱之间形成快速循环流动的水流；保持变频高压泵处于开启状态并保持变频高压泵提供3-6MPa的出水压力；
第四步骤具体是启动步进电机，齿轮传动机构驱动传动轴旋转至第一工作角度，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正上方；打开注氮用电磁阀，使液氮罐中的液氮流入液氮腔内，然后关闭注氮用电磁阀；
第五步骤具体是在变频高压泵持续运行的过程中，循环水不断通过导水散热管加热液氮腔中的液氮，液氮不断气化，通过压力表观察液氮腔中的压力上升情况，当液氮腔中的压力上升至预定压力的85±1%时，关闭水循环装置的变频高压泵；液氮与氮气的混合物通过煤样袋进入煤样，进行液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验。
6.使用权利要求5中所述可增压液氮与氮气耦合致裂增透装置进行的增透实验方法，其特征在于：还包括用于进行三轴应力实验的第六步骤和第七步骤；
第六步骤是三轴应力实验准备步骤；
第七步骤是三轴应力实验步骤；
第六步骤具体是第五步骤中液氮与氮气耦合冷浸致裂增透煤体实验结束后，打开卸压阀，对液氮腔泄压，观察压力表读数为0至0.05MPa时启动步进电机，使传动轴旋转至第二工作角度，液氮罐存放箱位于煤样试验装置的正下方，从而使未用完的液氮回流入液氮罐存放箱保存备用；
旋转打开钢盖，使待液氮腔内的温度升高至常温后，从左接口和右接口处拆下导水散热管并取出，在煤样袋的内壁上沿煤样袋的内壁周向均匀设置若干电阻应变片；在煤样顶端设置一个电阻应变片；拧紧钢盖确保钢盖与煤样容器之间的密封性；
第七步骤具体是打开轴压加压软管上的第二电磁阀，启动液压泵，在液压腔内的液体压力的作用下，轴压加压轴与耐压钢板向下移动，将煤样袋及其内的煤样压在位于液氮腔底部的所述塑料垫片上从而施加轴向压力；打开第一电磁阀，在加压腔内液体压力的作用下，各围压加压轴沿径向向内推动各加压板紧压煤样袋，对煤样施加围向压力；通过电控装置记录煤样的压力－应变数据。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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