CN110700795A - 一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，包括：整体部分和压力传感器、温度传感器密封结构。整体部分包括箱体、箱体盖板、密封凹槽、注气孔、数据采集孔和抽采孔。压力监测部分包括：压力传感器、数据采集管、不锈钢卡套接头、密封橡圈。温度监测部分包括：无纸记录仪、热电偶测温线、不锈钢卡套接头、数据采集管、密封橡圈、环氧树脂、温度传感器。本发明可以研究瓦斯抽采过程中煤层孔隙压力、温度的变化规律，以实现对煤层状态的实时监测；还可以利用箱体前后分别预设的气孔进行二元或多元气体注气驱替实验，实时监测抽采口的气体组分及浓度的变化。

Description

一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体

技术领域

本发明属于煤层瓦斯抽采实验领域，具体是一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体。

背景技术

煤层气是一种潜在的洁净的能源，在当前能源紧张的局势下，加快煤层气开发利用，对改善我国能源结构、实现能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。虽然我国煤层气资源丰富，但是煤层气多赋存于地质构造复杂，形态多样的煤田中，最常见的煤层气开发方式有井下瓦斯抽采和地面钻井排采。出于安全生产的原则，大部分煤矿煤层气的利用率较低，为了保证煤层气的可采性，并获得一定的经济效益，需要对煤层地质构造、含气量以及煤层气资源量进行必要的合理开发。

煤层瓦斯治理和利用的难度较大，在理论和技术研究方面存在许多关键性难题，尤其在实验方面，无法保证所研究对象及环境是真实的原岩应力场和瓦斯渗流场，这对实验结果造成很大的偏差，无法达到真正意义上的“仿真”。基于此，开发出一种适合研究煤层气开采过程中煤层气赋存条件及煤储层参数的演化规律的物理实验箱体，用于填补理论方面关于煤层气开采物理实验装置的空白，为研究煤层气开采全过程提供一种新的手段。

运用该物理实验箱体，在进行有关相似材料模拟和物理模拟实验时，可以对各个矿区的煤储层中压力和温度进行探究，为完善煤层气开采制度及提高煤储层瓦斯抽采效率提供理论依据。

发明内容

为完善瓦斯赋存及抽采方面的理论研究，达到“仿真”的效果，本发明目的是提供一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，作为模拟煤层瓦斯赋存条件并保证整个过程的密封装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，包括实验箱体（整体部分）及压力监测部分（压力传感器密封结构）、温度监测部分（温度传感器密封结构）。

所述实验箱体上左右相对的两侧面均设置有数据采集孔，实验箱体前后两侧分别设置有一个抽采孔，所述实验箱体上盖有密封盖，所述密封盖中央设有注气孔。

所述压力监测部分为：所述实验箱体左侧的数据采集孔内安装密封卡套，位于传感器柜体内的压力传感器分别连接数据采集管后穿过相应的密封卡套伸入至实验箱体内，所述密封卡套外端通过密封胶圈安装卡套接头后将该数据采集气路管固定。

所述温度监测部分为：所述实验箱体右侧的数据采集孔内安装密封卡套，所述密封卡套内穿过数据采集管，每根数据采集管内通过环氧树脂密封穿过测温线，所述密封卡套外端通过密封胶圈安装卡套接头后将该数据采集管固定，所述测温线一端与埋设于实验箱体的温度传感器连接、其另一端连接无纸记录仪。

进行压力传感器监测时，煤层内各点处气体压力由气体压力传感器监测，由于压力传感器体积大，埋入煤层会影响实验效果，所以在实验过程中采取箱体外测量的方式进行监测，整个监测及密封系统主要由压力传感器、数据采集管、不锈钢卡套接头等组成，数据采集路管末端放置在测点处，将测点处的气体压力传送到实验箱体外侧的压力传感器处进行测量。为减小不锈钢气路管内气体含量的差异对监测结果的影响，不锈钢气路管长度均相等。

对于煤层温度的监测需要将温度传感器埋于箱体内部，温度传感器的热电偶测温线需要穿过箱体连接到无纸记录仪上进行监测，温度监测孔的密封方法就是在压力监测孔密封的基础上将热电偶测温线穿过不锈钢气路管注入环氧树脂进行密封。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、可以研究瓦斯抽采过程中煤层孔隙压力、温度的变化规律，以实现对煤层状态的实时监测。

2、可以进行二元或多元气体注气驱替实验，实时监测抽采口的气体组分及浓度的变化。

3、可以研究多场耦合下瓦斯渗流特性和力学特性耦合规律等方面的试验研究。

4、可以将该物理实验装置运用于其它相关领域的流体运移。

本发明可以研究瓦斯抽采过程中煤层孔隙压力、温度的变化规律，以实现对煤层状态的实时监测；还可以利用箱体前后分别预设的气孔进行二元或多元气体注气驱替实验，实时监测抽采口的气体组分及浓度的变化。该物理实验箱体可以对煤层瓦斯抽采运移过程进行实时监测，可以改变注气和抽采口路径，采集监测水平层位及数量，具有操作简单和采集多样性的特点。

附图说明

图1表示多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统的示意图。

图2表示实验箱体、密封盖、抽采管的结构示意图。

图3表示物理实验箱体主视图。

图4表示物理实验箱体侧视图。

图5表示压力传感器密封结构示意图。

图6表示温度传感器密封结构示意图。

图中：1-固定梁，2-液压油缸，3-支柱，4-成型压头，5-工作台，6-液压动力机构，7-控制台，8-油管，9-集成线缆，10-实验箱体，11-固定板，12-气瓶，13-减压阀，14-阀门，15-压力表，16-（不锈钢）气路管，17-抽采主管，17a-抽采支管，18-三通接头，19a-压力传感器，19b-温度传感器（热电偶），20-转子流量计，21-隔膜流量计，22-数据采集管，23-传感器柜体，24-无纸记录仪，25-集成数据线，26-通讯接口，27-计算机；100-密封盖，101-硅胶密封圈，102-密封凹槽，103-数据采集孔，104-抽采孔，105-加强筋，106-螺孔，107-注气孔，108-注气孔圆型气腔，109-箱体内腔，110-（不锈钢）卡套接头，111-密封卡套，112-密封橡圈，113-（热电偶）测温线，114-环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

本发明实施例所述的物理实验箱体应用于如图1所示的多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统中，该系统包括试件成型系统，实验箱体，供气系统，抽采系统和数据采集系统。

如图1所示，试件成型系统包括固定梁1、液压油缸2、支柱3、成型压头4、工作台5、液压动力机构6、控制台7、油管8、集成线缆9；工作台5上通过多根支柱3支撑有固定梁1，固定梁1底面安装液压油缸2，并通过安装于支柱3上的固定板11进一步固定，液压油缸2的伸缩杆端部安装成型压头4；液压油缸2通过油管8连接液压动力机构6，液压动力机构6通过油管8为液压油缸2提供动力。液压动力机构6由控制台7操作，控制台7通过集成线缆9与计算机27连接并对整个试件成型系统进行监测和控制。需要说明的是，试件成型系统中核心部件为500T成型压力机，该压力机可以选用满足该实验要求的任何型号压力机。成型压头4为压力机附属配件，尺寸为1000mm×1000mm×300mm，可以安装在液压油缸2下部，对放入实验箱体10内部的煤相似材料进行压制成型。试件成型过程可被分为三次。

如图1所示，工作台5上放置有实验箱体10。

如图4所示，实验箱体10上左右相对的两侧面均对称设置有36个（3×12）数据采集孔103，如图3所示，实验箱体10前后两侧分别设置有一个抽采孔104，如图2所示，实验箱体10外围四周有加强筋105，保证在做作煤相似材料和充入高压气体时箱体不会发生变形，实验箱体10上盖有密封盖100，实验箱体10上端面设有密封凹槽102，宽度为1cm的矩形的硅胶密封圈101放置于密封凹槽102内，实验箱体10与密封盖11之间采用硅胶密封圈101通过密封螺钉固定。密封盖100中央设有一个注气孔107，密封盖100内表面位于注气孔107处设有注气孔圆形气腔108，由传统的点对点接触转换为内措式接触，保证了箱体注气过程中的气密性。实验箱体10上部和密封盖100四周都设有螺孔106。需要特别说明的是，实验箱体10材质为钢，采用浇筑工艺制成，实验箱体10的内腔109尺寸为1000mm×1000mm×300mm，壁厚40mm，密封盖100尺寸为1200mm×1200mm，厚度40mm；实验箱体整体材质由QB235钢板加固组成，实验箱体10和密封盖100设置的所有通孔都有内螺纹，在密封盖板上拧上20个螺丝固定于箱体上，实验箱体10为物理模拟实验的主要容器。实验开始时，煤相似材料按照比例混合并被放入实验箱体10的内腔109。将硅胶密封圈101放入密封凹槽102后，用高强度密封螺钉将密封盖100和实验箱体10固定。数据采集孔配套相应尺寸的硅胶圈加密封堵头，可以实现不同路径，不同监测位置的切换。

如图1所示，供气系统包括气瓶12，气瓶12依次通过不锈钢气路管16连接减压阀13、阀门14、压力表15后与密封盖100的注气孔107连接，不锈钢气路管16可以采用螺纹连接方式与注气孔107连接。气瓶12一般使用高纯甲烷气体，为了不同实验目的，也可使用其他气体。

如图2所示，抽采系统包括抽采主管17，抽采主管17通过三通接头18连接若干抽采支管17a，可以实现不同形状抽采管路的组装。本实施例中仅给出其中一种抽采管路形状，可以设计不同的抽采管路形状满足实验需求。抽采主管17两端分别与实验箱体10前后侧的抽采孔104连接，抽采主管17可以采用螺纹连接方式与抽采孔104连接；抽采孔104依次通过不锈钢气路管16连接阀门14、压力表15、转子流量计20和隔膜流量计21，不锈钢气路管16可以采用螺纹连接方式与抽采孔104连接。如图4所示，抽采孔104可以为台阶孔，其大端与抽采主管17螺纹连接、其小端与不锈钢气路管16螺纹连接。需要说明的是，本实施例中所述抽采主管17及抽采支管17a采用的是黄铜管，也可采用其他不易受压变形、耐腐蚀的材质。不锈钢气路管16为钢管，柔韧性比黄铜管弱，易保持形态，不易受压变形。

如图1所示，数据采集系统包括通过集成数据线25依次连接的传感器柜体23、无纸记录仪24、通讯接口26、计算机27，实验箱体10两侧的数据采集孔103分别通过数据采集管22与传感器柜体23内的相应传感器连接，从而实现对实验数据的实时采集。本实施例中采用的有压力传感器19a和温度传感器19b，也可以根据实验目内容使用其他类型传感器。

压力传感器密封结构主要包括压力传感器19a、数据采集管10（钢管）、不锈钢卡套接头110、密封橡圈112等。如图5所示，实验箱体10左侧的数据采集孔103内安装密封卡套111，以保证箱体的气密性，位于传感器柜体23内的每个压力传感器19a分别连接数据采集管22后穿过相应的密封卡套111伸入至实验箱体10内，密封卡套111外端通过密封胶圈112安装卡套接头110后将该数据采集管22固定。采用压力传感器进行监测时，煤层内各点处气体压力由气体压力传感器监测，由于压力传感器体积大，埋入煤层会影响实验效果，所以在实验过程中采取箱体外测量的方式进行监测，数据采集管（不锈钢气路管）末端放置在箱体内测点处，将测点处的气体压力传送到实验箱体外侧的压力传感器处进行测量。为减小不锈钢气路管内气体含量的差异对监测结果的影响，不锈钢气路管长度均相等。

温度传感器密封结构主要包括热电偶测温线113、不锈钢卡套接头111、密封橡圈112、环氧树脂114、温度传感器19b。如图6所示，实验箱体10右侧的数据采集孔103内安装密封卡套111，以保证箱体的气密性，密封卡套111内穿过数据采集管22（可以采用不锈钢气路管），每根数据采集管22内通过环氧树脂114密封穿过测温线113，密封卡套111外端通过密封胶圈112安装卡套接头110后将该数据采集管22固定，测温线113一端与埋设于实验箱体10的温度传感器19b连接、其另一端连接无纸记录仪24。需说明的是，对于煤层温度的监测需要将温度传感器埋于箱体内部，温度传感器19b的热电偶测温线113需要穿过箱体连接到无纸记录仪24上进行监测，温度监测孔的密封方法就是在压力监测孔密封的基础上将热电偶测温线穿过不锈钢气路管注入环氧树脂进行密封。在箱体中埋设温度传感器时，应避免传感器触头与箱体外壳碰触，以免影响实验误差。温度传感器较长，在安装中应避免触头发生弯曲与碰撞。温度传感器为易损坏物件，在固定传感器时切勿用力过大。

实验时，首先在实验箱体内放入煤储层相似材料，设置压力参数，通过试件成型系统压制成型，之后通过气瓶注入实验气体，然后通过抽采系统进行试验。

上述多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统可以制作大尺寸煤储层相似材料，其物理性质相似程度有可控制、相似度高的优点。利用本发明不仅可以在模拟真实条件下煤层多分支井的瓦斯抽采过程，研究煤储层的渗流-温度-应力耦合物理场变化规律，还可以通过对系统的改进研究其他煤储层瓦斯抽采、驱替、增透等宏观实验，用途广泛。该实验系统操作简便，煤层相似材料的相似性高，可以实时采集多样、准确的实验数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，其特征在于：包括实验箱体（10）及压力监测部分、温度监测部分；

所述实验箱体（10）上左右相对的两侧面均设置有数据采集孔（103），实验箱体（10）前后两侧分别设置有一个抽采孔（104），所述实验箱体（10）上盖有密封盖（100），所述密封盖（100）中央设有注气孔（107）；

所述压力监测部分为：所述实验箱体（10）左侧的数据采集孔（103）内安装密封卡套（111），位于传感器柜体（23）内的压力传感器（19a）分别连接数据采集管（22）后穿过相应的密封卡套（111）伸入至实验箱体（10）内，所述密封卡套（111）外端通过密封胶圈（112）安装卡套接头（110）后将该数据采集气路管（22）固定；

所述温度监测部分为：所述实验箱体（10）右侧的数据采集孔（103）内安装密封卡套（111），所述密封卡套（111）内穿过数据采集管（22），每根数据采集管（22）内通过环氧树脂（114）密封穿过测温线（113），所述密封卡套（111）外端通过密封胶圈（112）安装卡套接头（110）后将该数据采集管（22）固定，所述测温线（113）一端与埋设于实验箱体（10）的温度传感器（19b）连接、其另一端连接无纸记录仪（24）。

2.根据权利要求1所述的一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，其特征在于：所述实验箱体（10）上左右两侧面对称均设置有36个数据采集孔（103）。

3.根据权利要求2所述的一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，其特征在于：所述实验箱体（10）外围四周设有加强筋（105）。

4.根据权利要求1所述的一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，其特征在于：所述实验箱体（10）上端面设有密封凹槽（102），所述实验箱体（10）与密封盖（11）之间采用硅胶密封圈（101）通过密封螺钉固定。

5.根据权利要求1所述的一种用于多分支水平井瓦斯抽采的物理实验箱体，其特征在于：所述密封盖（100）内表面位于注气孔（107）处设有注气孔圆形气腔（108）。

Images