CN111175211B - 一种多功能煤岩模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能煤岩模拟实验装置，包括注入机构、模拟机构以及测量机构，所述注入机构包括注气组件以及注固液组件；所述模拟机构包括可视化模拟装置，所述可视化模拟装置包括煤岩模型、第一温压控制装置以及摄像装置，所述煤岩模型具有孔喉腔；所述摄像装置与所述煤岩模型相对设置；所述测量机构与所述第一出料口连接且用于测量从所述第一出料口排出的气体的体积。本发明提出的技术方案的有益效果是：通过注气组件及注固液组件的配合使用，在传统的气‑液流渗透的基础上增加了固相流，从而能更好地模拟真实煤岩的流体渗流过程；同时，通过可视化模拟装置可直观地展示煤岩中流体渗流过程，从而便于了解煤岩中流体渗透的微观过程。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩模拟实验装置技术领域，尤其是涉及一种多功能煤岩模拟实验装置。
背景技术
现有的煤岩模拟实验装置在模拟煤岩流体渗流过程时，往往只模拟了气-液二相流在煤岩中的渗流过程，而地下真实煤岩流体渗流过程往往是气-液-固三相流，因此现有的煤岩流体渗流模拟装置不能较好地反映煤岩中三相流的渗流过程；
同时，现有的煤岩模拟实验装置往往采用煤岩岩心作为实验样品使用，只能获取相关的实验数据而不能观察到多相流在煤岩中的微观渗流过程，不利于揭示多相流的渗流机理。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能模拟煤岩中三相流渗流过程、同时又能直观观察到多相流在煤岩中的微观渗流过程的一种煤岩模拟实验装置。
一种多功能煤岩模拟实验装置，包括：注入机构、模拟机构以及测量机构，
所述注入机构包括注气组件以及注固液组件，所述注气组件包括气罐以及注气泵，所述气罐具有一密闭的气罐腔，所述注气泵的入口与所述气罐腔连通，所述注固液组件包括搅拌罐以及注固液泵，所述搅拌罐具有一密闭的搅拌腔，所述搅拌腔内设有搅拌装置，所述注固液泵的入口与所述搅拌腔连通；
所述模拟机构包括可视化模拟装置，所述可视化模拟装置包括煤岩模型、第一温压控制装置以及摄像装置，所述煤岩模型具有孔喉腔，所述煤岩模型的一端开设有与所述孔喉腔连通的第一进料口，所述第一进料口处设有第一进料阀，所述第一进料口与所述注气泵的出口及所述注固液泵的出口均连通，所述煤岩模型的另一端开设有与所述孔喉腔连通的第一出料口，所述第一出料口处设有第一出料阀，所述第一温压控制装置与所述煤岩模型连接且用于控制所述煤岩模型所处的温度和压力，以使所述煤岩模型处于预先设定的第一预设温度和第一预设压力条件下；所述摄像装置与所述煤岩模型相对设置；
所述测量机构与所述第一出料口连接且用于测量从所述第一出料口排出的气体的体积。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过注气组件及注固液组件的配合使用，在传统的气-液流渗透的基础上增加了固相流，从而能更好地模拟真实煤岩的流体渗流过程；同时，通过可视化模拟装置可直观地展示煤岩中流体渗流过程，从而便于了解煤岩中流体渗透的微观过程和渗流机理。
附图说明
图1是本发明提供的多功能煤岩模拟实验装置的一实施例的结构示意图；
图2是图1中注入机构的结构示意图；
图3是图1中模拟机构的结构示意图；
图4是图1中测量机构的结构示意图；
图5是图1中可视化模拟装置的结构示意图；
图6是图5中煤岩模型的结构示意图；
图7是图1中煤岩夹持器的结构示意图；
图中：1-注入机构、2-模拟机构、3-测量机构、11-注气组件、111-气罐、112-注气泵、113-标定装置、1131-标准室、1132-第一标定阀、1133-第二标定阀、1134-第三温度检测器、1135-压力检测器、12-注固液组件、121-搅拌罐、122-注固液泵、123-搅拌装置、13-驱替装置、131-第一注液筒、1311-第一切换阀、1312-第二切换阀、133-第二注液筒、1331-第三切换阀、1332-第四切换阀、21-可视化模拟装置、211-煤岩模型、2111-第一进料口、2112-第一进料阀、2113-第一出料口、2114-第一出料阀、212-第一温压控制装置、2121-密封套、21211-壳体、21212-上承压板、21213-下承压板、2122-第一温度检测器、2123-围压恒压泵、22-煤岩模拟装置、221-岩心夹持器、2211-第二进料口、2212-第二进料阀、2213-第二出料口、2214-第二出料阀、222-第二温压控制装置、2221-轴向恒压泵、2222-第二温度检测器、223-回压组件、2231-回压阀、2232-回压泵、31-过滤罐、311-滤网、32-计液罐、33-气体计量装置、331-水槽、332-集气瓶、333-气管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1，本发明提供了一种多功能煤岩模拟实验装置，包括注入机构1、模拟机构2以及测量机构3。
请参照图2，所述注入机构1包括注气组件11以及注固液组件12，所述注气组件11包括气罐111以及注气泵112，所述气罐111具有一密闭的气罐腔，所述注气泵112的入口与所述气罐腔连通，所述注固液组件12包括搅拌罐121以及注固液泵122，所述搅拌罐121具有一密闭的搅拌腔，所述搅拌腔内设有搅拌装置123，所述注固液泵122的入口与所述搅拌腔连通，搅拌罐121内用于加入煤粉和水，并通过搅拌装置123搅拌。
请参照图3、图5和图6，所述模拟机构2包括可视化模拟装置21，所述可视化模拟装置21包括煤岩模型211、第一温压控制装置212以及摄像装置(未示出)，所述煤岩模型211具有孔喉腔，所述煤岩模型211的一端开设有与所述孔喉腔连通的第一进料口2111，所述第一进料口2111处设有第一进料阀2112，所述第一进料口2111与所述注气泵112的出口及所述注固液泵122的出口均连通，所述煤岩模型211的另一端开设有与所述孔喉腔连通的第一出料口2113，所述第一出料口2113处设有第一出料阀2114，所述第一温压控制装置212与所述煤岩模型211连接且用于控制所述煤岩模型211所处的温度和压力，以使所述煤岩模型211处于预先设定的第一预设温度和第一预设压力条件下；所述摄像装置与所述煤岩模型211相对设置。
请参照图4，所述测量机构3与所述第一出料口2113连接且用于测量从所述第一出料口2113排出的气体的体积。
本发明提供的多功能煤岩模拟实验装置在使用时，注气组件11向可视化模拟装置21注入气体(如甲烷)，注固液组件12向可视化模拟装置21注入煤粉和水的混合物，从而可以更好地模拟地下真实的气体运移过程；同时，本实验装置采用透明的可视化模型替代煤岩样品，从而可以通过摄像装置直观地展示煤岩中流体渗流过程。
具体地，请参照图3和图5，所述第一温压控制装置212包括密封套2121、第一加热器(未示出)、第一温度检测器2122及围压恒压泵2123，所述密封套2121具有一密闭的密封腔，所述煤岩模型211设置于所述密封腔内，所述密封套2121包括壳体21211、上承压板21212及下承压板21213，所述壳体21211的内部中空且上下两端开口，所述上承压板21212由透明材料制成，所述上承压板21212与所述壳体21211的上端开口相匹配且可在且固定于所述壳体21211的上端开口内滑动处，所述下承压板21213由透明材料制成，所述下承压板21213与所述壳体21211的下端开口相匹配且固定于所述下端开口处；所述第一加热器设置于所述密封腔内且用于对所述密封腔加热；所述第一温度检测器2122用于设置于所述密封腔内且用于检测所述密封腔内的温度；所述围压恒压泵2123与所述密封腔连通且用于通过液体传动控制所述煤岩模型211所受到的围压。
具体地，请参照图3和图7，所述模拟机构2还包括煤岩模拟装置22，所述煤岩模拟装置22包括岩心夹持器221及第二温压控制装置222，所述岩心夹持器221具有一密闭的岩心腔，所述岩心夹持器221的一端开设有与所述岩心腔连通的第二进料口2211，所述第二进料口2211处设有第二进料阀2212，所述第二进料口2211与所述注气泵112的出口及所述注固液泵122的出口均连通，所述岩心夹持器221的另一端开设有与所述岩心腔连通的第二出料口2213，所述第二出料口2213处设有第二出料阀2214，所述第二温压控制装置222与所述岩心夹持器221连接且用于控制所述岩心夹持器221内的煤岩样品所处的温度和压力，以使所述岩心夹持器221内的煤岩样品处于预先设定的第二预设温度和第二预设压力条件下；所述测量机构3与所述第二出料口2213连接且用于测量从所述第二出料口2213排出的气体的体积。
具体地，请参照图3和图7，所述第二温压控制装置222包括轴向恒压泵2221、环压恒压泵、第二加热器(未示出)及第二温度检测器2222，所述轴向恒压泵2221与所述岩心夹持器221连接且用于为所述岩心腔内的煤岩样品施加轴向压力，所述环压恒压泵与所述岩心腔连通且用于通过液体传动控制所述岩心腔内的煤岩样品所受到的环向压力，本实施例中，为了降低设备成本，环压恒压泵与围压恒压泵2123共用，所述第二加热器设置于所述岩心腔内且用于对所述岩心腔加热，所述第二温度检测器2222设置于所述岩心腔内且用于检测所述岩心腔内的温度。
具体地，请参照图4，所述测量机构3包括过滤罐31、计液罐32以及气体计量装置33，所述过滤罐31具有一密闭的过滤腔，所述过滤腔内设有滤网311，所述滤网311将所述过滤腔分隔成上过滤腔及下过滤腔，所述上过滤腔位于所述下过滤腔的上方，所述上过滤腔与所述第二出料口2213及所述第一出料口2113均连通；所述计液罐32具有一密闭的计液腔，所述计液腔与所述下过滤腔连通且位于所述下过滤腔的下方，所述计液罐32的上端还开设有与所述计液腔连通的出气口；所述气体计量装置33包括水槽331、集气瓶332以及气管333，所述水槽331具有一向上开口的水槽腔，所述集气瓶332位于所述水槽腔内，所述集气瓶332具有一下端开口的集气腔，所述气管333的一端与所述出气口连通，所述气管333的另一端与所述集气腔连通。
优选地，请参照图3，所述煤岩模拟装置22还包括回压组件223，所述回压组件223包括回压阀2231及回压泵2232，所述回压阀2231设置于所述第二出料口2213与所述测量机构3的连通通道上；所述回压泵2232与所述回压阀2231连接从而控制所述回压阀2231的开启压力。
优选地，请参照图3，所述注入机构1还包括驱替装置13，所述驱替装置13包括第一注液筒131及驱替泵，所述第一注液筒131具有一密闭的第一注液腔，所述第一注液筒131的一端开设有与所述第一注液腔连通的第一出液口，所述第一出液口与所述第二进料口2211及所述第一进料口2111均连通，所述第一注液筒131的另一端开设有与所述第一注液腔连通的第一进液口；所述驱替泵的出口与所述第一进液口连通，本实施例中，为了节省设备成本，驱替泵与注固液泵122共用。
优选地，请参照图3，所述第一出液口处设有第一切换阀1311，所述第一进液口处设有第二切换阀1312；所述驱替装置13还包括第二注液筒133，所述第二注液筒133具有一密闭的第二注液腔，所述第二注液筒133的一端开设有与所述第二注液腔连通的第二出液口，所述第二出液口处设有第三切换阀1331，所述第二出液口与所述第二进料口2211及所述第一进料口2111均连通，所述第二注液筒133的另一端开设有与所述第二注液腔连通的第二进液口；所述第二进液口处设有第四切换阀1332，所述驱替泵的出口与所述第二进液口连通。在使用时，通过循环使用两个注液筒从而保证注液不间断，从而增加驱替的稳定性。
优选地，所述多功能煤岩模拟实验装置还包括抽真空装置(未示出)，所述抽真空装置包括缓冲容器以及真空泵，所述缓冲容器具有一密闭的缓冲腔，所述缓冲腔用于与所述岩心腔及所述缓冲腔连通；所述真空泵的入口与所述缓冲腔连通。
优选地，请参照图2，所述注气组件11还包括标定装置113，所述标定装置113包括标准室1131，所述标准室1131具有一密闭的标准腔，所述标准腔与所述孔喉腔及所述岩心腔均连通，所述标准腔与所述孔喉腔连通通道上设有第一标定阀1132，所述标准腔与所述岩心腔的连通通道上设有第二标定阀1133，所述标准室1131内设有第三温度检测器1134以及压力检测器1135。
为了更好地理解本发明，下面结合图1-图7来对本发明提供的多功能煤岩模拟实验装置的工作过程进行详细说明。
本多功能煤岩模拟实验装置可进行多种煤岩模拟实验，包括：可视化煤岩流体渗流实验以及煤岩吸附解吸实验。
(1)可视化煤岩流体渗流实验
操作步骤如下：
S11、将煤岩模型211装入密封腔内；
S12、由围压恒压泵2123为设备提供稳定的正压力；
S13、打开第一进料阀2112和第一出料阀2114，多相流体(气-液-固)通过驱替泵132进入煤岩模型211，由第一出料口2113流出，渗流期间的流动特性由置于承压玻璃上部的Micro-PIV高清相机拍摄，并输入计算软件中进行定量计算与表征。为拍得高质量的图像，在煤岩模型211下部预置的稳定冷光源，为Micro-PIV高清相机提供光源。
(2)煤岩吸附解吸实验
操作步骤如下：
S21、对设备管路空白体积进行标定，标定方法如下：
S211、在岩心腔(先不放岩心样品)内放满标准钢块(尺寸为45mm×45mm×300mm)，同时在标准室1131内充满100-285psi压力的氦气，然后打开第一标定阀1132，直至标准室1131与岩心腔的压力平衡，检测此时的平衡压力(此时，标准室1131内共有编号1～6的固定体积钢块)；
S212、排空岩心腔及标准室1131内的压力，从岩心腔取出1号钢块，在标准室1131内充满100-285psi压力的氦气，然后打开第一标定阀1132，直至标准室1131与岩心腔的压力平衡，检测此时的平衡压力；
S213、排空岩心腔及标准室1131内的压力，从岩心腔取出2号标准钢块，在标准室1131内充满100-285psi压力的氦气，然后打开标准室1131与岩心腔的阀门，直至标准室1131与岩心腔的压力平衡，检测此时的平衡压力；
S214、空白体积V可通过下式计算得到：
其中，P1—岩心室内压力，MPa；VR—标准室体积，cm3；P2—平衡后的压力，MPa。
S22、将预制好的煤岩样品(外观尺寸为45mm×45mm×45mm或45mm×45mm×90mm或45mm×45mm×300mm)放入岩心夹持器221中；
S23、煤岩吸附-解吸试验过程，具体包括：
S231、通过轴向恒压泵2221及围压恒压泵2123分别对煤岩样品分别施加轴压和围压，并稳压一定时间，最高实验压力设置为储层压力的1.2倍，最低不少于8MPa；
S232、通过真空泵和岩心夹持器221上预留的阀门，对系统进行抽真空；
S233、设定气体吸附压力，打开注气泵112和注固液泵122，开启第二进料阀2212，关闭第二出料阀2214，直至煤岩吸附实验结束；
S24、煤岩解吸试验过程，具体包括：
S241、待煤岩吸附饱和后，打开回压阀2231，利用回压阀2231设定解吸压力；
S242、打开第二出料阀2214并关闭第二进料阀2212，进行煤岩解吸试验；
S243、不同气体压力条件的解吸气体采用排水法进行收集，通过称量排水质量换算解吸气体的体积，并通过末端电子皂沫流量计进行瞬时流速的测量。
综上所述，本发明通过注气组件11及注固液组件12的配合使用，在传统的气-液流渗透的基础上增加了固相流，从而能更好地模拟真实煤岩的流体渗流过程；同时，通过可视化模拟装置21可直观地展示煤岩中流体渗流过程，从而便于了解煤岩中流体渗透地微观过程和渗流机理。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，包括：注入机构、模拟机构以及测量机构，
所述注入机构包括注气组件以及注固液组件，所述注气组件包括气罐以及注气泵，所述气罐具有一密闭的气罐腔，所述注气泵的入口与所述气罐腔连通，所述注固液组件包括搅拌罐以及注固液泵，所述搅拌罐具有一密闭的搅拌腔，所述搅拌罐内用于加入煤粉和水，所述搅拌腔内设有搅拌装置，所述注固液泵的入口与所述搅拌腔连通；
所述模拟机构包括可视化模拟装置，所述可视化模拟装置包括煤岩模型、第一温压控制装置以及摄像装置，所述煤岩模型具有孔喉腔，所述煤岩模型的一端开设有与所述孔喉腔连通的第一进料口，所述第一进料口处设有第一进料阀，所述第一进料口与所述注气泵的出口及所述注固液泵的出口均连通，所述煤岩模型的另一端开设有与所述孔喉腔连通的第一出料口，所述第一出料口处设有第一出料阀，所述第一温压控制装置与所述煤岩模型连接且用于控制所述煤岩模型所处的温度和压力，以使所述煤岩模型处于第一预设温度和第一预设压力条件下；所述摄像装置与所述煤岩模型相对设置；
所述测量机构与所述第一出料口连接且用于测量从所述第一出料口排出的气体的体积；
所述模拟机构还包括煤岩模拟装置，所述煤岩模拟装置包括岩心夹持器及第二温压控制装置，所述岩心夹持器具有一密闭的岩心腔，所述岩心夹持器的一端开设有与所述岩心腔连通的第二进料口，所述第二进料口处设有第二进料阀，所述第二进料口与所述注气泵的出口及所述注固液泵的出口均连通，所述岩心夹持器的另一端开设有与所述岩心腔连通的第二出料口，所述第二出料口处设有第二出料阀，所述第二温压控制装置与所述岩心夹持器连接且用于控制所述岩心夹持器内的煤岩样品所处的温度和压力，以使所述岩心夹持器内的煤岩样品处于第二预设温度和第二预设压力条件下；所述测量机构与所述第二出料口连接且用于测量从所述第二出料口排出的气体的体积；
所述测量机构包括过滤罐、计液罐以及气体计量装置，
所述过滤罐具有一密闭的过滤腔，所述过滤腔内设有滤网，所述滤网将所述过滤腔分隔成上过滤腔及下过滤腔，所述上过滤腔位于所述下过滤腔的上方，所述上过滤腔与所述第二出料口及所述第一出料口均连通；
所述计液罐具有一密闭的计液腔，所述计液腔与所述下过滤腔连通且位于所述下过滤腔的下方，所述计液罐的上端还开设有与所述计液腔连通的出气口；
所述气体计量装置包括水槽、集气瓶以及气管，所述水槽具有一向上开口的水槽腔，所述集气瓶位于所述水槽腔内，所述集气瓶具有一下端开口的集气腔，所述气管的一端与所述出气口连通，所述气管的另一端与所述集气腔连通。
2.如权利要求1所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述第一温压控制装置包括密封套、第一加热器、第一温度检测器及围压恒压泵，
所述密封套具有一密闭的密封腔，所述煤岩模型设置于所述密封腔内，所述密封套包括壳体、上承压板及下承压板，所述壳体的内部中空且上下两端开口，所述上承压板由透明材料制成，所述上承压板与所述壳体的上端开口相匹配且固定于所述上端开口处，所述下承压板由透明材料制成，所述下承压板与所述壳体的下端开口相匹配且固定于所述下端开口处；
所述第一加热器设置于所述密封腔内且用于对所述密封腔加热；
所述第一温度检测器设置于所述密封腔内且用于检测所述密封腔内的温度；
所述围压恒压泵与所述密封腔连通且用于通过液体传动控制所述煤岩模型所受到的围压。
3.如权利要求1所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述第二温压控制装置包括轴向恒压泵、环压恒压泵、第二加热器及第二温度检测器，所述轴向恒压泵与所述岩心夹持器连接且用于为所述岩心腔内的煤岩样品施加轴向压力，所述环压恒压泵与所述岩心腔连通且用于通过液体传动控制所述岩心腔内的煤岩样品所受到的环向压力，所述第二加热器设置于所述岩心腔内且用于对所述岩心腔加热，所述第二温度检测器设置于所述岩心腔内且用于检测所述岩心腔内的温度。
4.如权利要求1所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述煤岩模拟装置还包括回压组件，所述回压组件包括回压阀及回压泵，
所述回压阀设置于所述第二出料口与所述测量机构的连通通道上；
所述回压泵与所述回压阀连接从而控制所述回压阀的开启压力。
5.如权利要求1所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述注入机构还包括驱替装置，所述驱替装置包括第一注液筒及驱替泵，
所述第一注液筒具有一密闭的第一注液腔，所述第一注液筒的一端开设有与所述第一注液腔连通的第一出液口，所述第一出液口与所述第二进料口及所述第一进料口均连通，所述第一注液筒的另一端开设有与所述第一注液腔连通的第一进液口；
所述驱替泵的出口与所述第一进液口连通。
6.如权利要求5所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述第一出液口处设有第一切换阀，所述第一进液口处设有第二切换阀；
所述驱替装置还包括第二注液筒，所述第二注液筒具有一密闭的第二注液腔，所述第二注液筒的一端开设有与所述第二注液腔连通的第二出液口，所述第二出液口处设有第三切换阀，所述第二出液口与所述第二进料口及所述第一进料口均连通，所述第二注液筒的另一端开设有与所述第二注液腔连通的第二进液口；所述第二进液口处设有第四切换阀，所述驱替泵的出口与所述第二进液口连通。
7.如权利要求1所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述多功能煤岩模拟实验装置还包括抽真空装置，所述抽真空装置包括缓冲容器以及真空泵，
所述缓冲容器具有一密闭的缓冲腔，所述缓冲腔用于与所述岩心腔及所述缓冲腔连通；
所述真空泵的入口与所述缓冲腔连通。
8.如权利要求1所述的多功能煤岩模拟实验装置，其特征在于，所述注气组件还包括标定装置，所述标定装置包括标准室，所述标准室具有一密闭的标准腔，所述标准腔与所述孔喉腔及所述岩心腔均连通，所述标准腔与所述孔喉腔连通通道上设有第一标定阀，所述标准腔与所述岩心腔的连通通道上设有第二标定阀，所述标准室内设有第三温度检测器以及压力检测器。
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