CN210141126U - 液氮增压装置和使用该装置的增透实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及煤层气开采技术领域，尤其是液氮增压致裂增透技术。本实用新型的液氮增压装置，包括液氮容器、电控装置、顶盖和用于液氮增压的液氮槽，电控装置连接有显示屏。本实用新型还公开了一种增透实验系统，包括上述液氮增压装置和围压系统。本实用新型的液氮增压装置结构简单，能够利用高强度弹簧蓄积弹性势能，并通过瞬间释放弹性势能来迅速提高液氮的压力，极大缓解了供氮管路中液氮蒸发带来的不利影响，降低技术成本，保障稳定、顺利地对煤样进行液氮压裂增透实验。

Description

液氮增压装置和使用该装置的增透实验系统

技术领域

本实用新型涉及煤层气开采技术领域，尤其是液氮增压致裂增透技术。

背景技术

我国煤层透气性系数低，瓦斯抽采难度大，亟需泄压增透方法，泄压增透方法主要有松动爆破、密集钻孔、深孔预裂、开采保护层和水力冲孔等。目前液氮压裂增透技术有待开发，液氮压裂是一种即环保又相对廉价的一种压裂手段，已公开的液氮快速压裂的方法有很多，如使用增压泵为液氮增压。现有的液氮快速压裂技术都存在液氮升压慢的缺陷，很难避免液氮在压裂输送管路里面存在大量气化的现象，为液氮致裂带来不利影响，增加技术成本，因此亟需开发一种大幅减少液氮在输送过程中气化的方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种液氮增压装置，升压速度快，保温效果好，大幅减少致裂用液氮输送过程中的气化现象。

为实现上述目的，本实用新型的液氮增压装置包括液氮容器、电控装置、顶盖和用于液氮增压的液氮槽，电控装置连接有显示屏；

液氮槽的槽口朝上，顶盖扣合在液氮槽上，液氮槽的左侧内壁连接有电磁铁，电磁铁的连接线路密封穿过液氮槽的槽壁并与电控装置相连接；

液氮槽内与电磁铁平行并排设有由软磁材料制成的滑动板，滑动板的顶端与顶盖滑动密封配合；顶盖与液氮槽围成空腔，滑动板将空腔分隔为位于滑动板右侧的液氮腔和位于滑动板左侧的弹簧腔；

滑动板与电磁铁之间连接有高强度弹簧；高强度弹簧位于弹簧腔内；液氮槽右部的顶盖通过进氮管路连接液氮容器，进氮管路上设有上单向阀和上手动阀门；上单向阀的开启方向为由液氮容器朝向液氮腔；

进氮管路与顶盖相连接处正下方的液氮槽的底壁连接有复合管路，

复合管路包括有供氮内管、套设于供氮内管外的液氮保温管和套设于液氮保温管外的真空保温管；供氮内管和液氮保温管之间设有连接筋板，液氮保温管和真空保温管之间设有连接筋板；液氮保温管与供氮内管之间围成液氮保温腔，真空保温管与液氮保温管之间围成真空保温腔；真空保温腔两端均封闭，液氮保温腔和供氮内管均与液氮腔相连通；

液氮保温腔处设有保温用电磁阀，供氮内管于邻近液氮槽处设有下单向阀；保温用电磁阀与电控装置相连接；

滑动板在液氮腔内向左滑动的极限位置与电磁铁相邻，滑动板在液氮腔内向右滑动的极限位置位于进氮管路与顶盖相连接处的左方并与进氮管路与顶盖相连接处相邻。

顶盖与液氮槽之间的扣合结构具体为：

液氮槽的左侧槽壁顶部水平弯折后形成左卡扣板，液氮槽的右侧槽壁顶部水平弯折后形成右卡扣板；顶盖的左侧弯折后形成与左卡扣板相适配的左钩形卡扣部，顶盖的右侧弯折后形成与右卡扣板相适配的右钩形卡扣部；左卡扣板伸入左钩形卡扣部，右卡扣板伸入右钩形卡扣部。

所述顶盖包括位于外层的顶盖保温层和位于内层的滑动连接层，滑动连接层由刚性材料制成；所述液氮槽的槽壁包括位于外层的槽体保温层和位于内层的刚性材料层，滑动板的顶面与滑动连接层滑动密封配合，滑动板的底面与刚性材料层滑动密封配合。

所述液氮保温腔内设有温度传感器，温度传感器通过线路与电控装置相连接。

包括液氮增压装置和围压系统；

复合管路中的供氮内管连接有抽真空管路，抽真空管路连接有真空泵；抽真空管路上设有第一阀门；复合管路中的液氮保温管连接有安全阀，安全阀与液氮保温腔相连通；真空泵与电控装置相连接；真空泵与第一阀门之间的抽真空管路上设有第一压力传感器；

围压系统包括箱体，箱体顶部敞口，箱体顶部连接有水平板，水平板通过螺栓连接有用于封闭箱体的压盖；箱体内设有由弹性材料制成的弹性筒，弹性筒用于存放煤样，弹性筒上端敞口处与压盖相接；弹性筒下方的箱体底板上设有用于向弹性筒施加向上的压力的轴压腔，轴压腔连接有轴向施压管道；弹性筒与箱体侧壁之间围成环形空腔，箱体侧壁连接有用于向弹性筒施加径向压力的径向施压管道，径向施压管道与环形空腔相连通；轴向施压管道和径向施压管道均与一液压泵站相连通；压盖中心处设有上下通透的通孔，该通孔与供氮内管密封适配；下单向阀的开启方向为由液氮腔朝向弹性筒；

轴向施压管道上设有第一电磁阀和第三压力传感器，径向施压管道上设有第二电磁阀和第二压力传感器；第一压力传感器、第一电磁阀、第三压力传感器、第二电磁阀和第二压力传感器均与电控装置相连接。

本实用新型的液氮增压装置结构简单，能够利用高强度弹簧蓄积弹性势能，并通过瞬间释放弹性势能来迅速提高液氮的压力，液氮的增压速度是传统液氮泵的3倍以上，与以往相比减少了向煤样中注入液氮所需要的时间，减少了向煤样注入液氮过程中致裂用液氮向外界散发的冷量。尤其是液氮腔足够大，一次注入的液氮即为实验所需注入煤样的液氮量时，注入液氮的时间缩短的更为明显。

真空保温腔起到第一层保温的作用，减少供氮内管和液氮保温腔向外散失的冷量；液氮保温腔起到第二层保温的作用，将供氮内管的温度维持在液氮的沸点以下。在液氮保温腔中的液氮全部蒸发完毕之前，供氮内管外壁的温度始终处于液氮的沸点以下，因此相比以往的保温手段，大幅减少了供氮管路中液氮蒸发现象。

通过循环执行第七步骤，本实用新型可以适应更大的煤样，甚至可以直接用于实际煤层的致裂增透。当然，制造本实用新型的液氮增压装置时，应根据拟定的实验来选择电磁铁以及液氮腔的大小。

滑动板位于左极限位置时液氮腔容积最大，滑动板位于右极限位置时液氮腔容积最小，液氮腔的最大容积与最小容积之差即为一次输送液氮的体积。

电磁铁磁力越强，一次输送液氮的体积越大，对应的实验用煤样也就越大。根据实验用煤样的大小，可以制作电磁铁一次动作即可输送足够实验用液氮的液氮增压装置。

复合管路结构简单，利用真空保温和液氮保温的双重保温作用，相比以往起到更好的保温效果。顶盖与液氮槽之间的具体扣合结构既便于制作，又便于使用中使顶盖与液氮槽相扣合或相分离。

本实用新型的增透实验系统使用上述液氮增压装置，能够模拟煤层压力，创造实验条件，在实验过程中对实验参数（如围压与轴向压力）进行监控。

本实用新型的实验方法利用增透实验系统来进行，通过弹性筒向煤样传递模拟的围压及轴向压力，第三步骤和第四步骤不分顺序可以同时进行，步骤安排简洁高效，提高实验的效率，大幅减少致裂用液氮输送过程中的气化现象，通过缩短注氮时间以及采用更好的保温措施，本实用新型极大缓解了供氮管路中液氮蒸发带来的不利影响，降低技术成本，保障稳定、顺利地对煤样进行液氮压裂增透实验。

附图说明

图1是液氮增压装置的结构示意图；

图2是复合管路的截面图；

图3是增透实验系统的结构示意图；

图4是本实用新型的电控原理图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型中的液氮增压装置29包括液氮容器1、电控装置2、顶盖和用于液氮增压的液氮槽，电控装置2连接有显示屏3；所述顶盖包括位于外层的顶盖保温层4和位于内层的滑动连接层5，滑动连接层5由刚性材料制成；所述液氮槽的槽壁包括位于外层的槽体保温层6和位于内层的刚性材料层7，

液氮槽的槽口朝上，顶盖扣合在液氮槽上，液氮槽的左侧内壁（即刚性材料层7）连接有电磁铁8，电磁铁8的连接线路密封穿过液氮槽的槽壁并与电控装置2相连接；

液氮槽内与电磁铁8平行并排设有由软磁材料制成的滑动板9，滑动板9的顶端与顶盖滑动密封配合；具体地，滑动板9的顶面与滑动连接层5滑动密封配合，滑动板9的底面与刚性材料层7滑动密封配合。顶盖与液氮槽围成空腔，滑动板9将空腔分隔为位于滑动板9右侧的液氮腔10和位于滑动板9左侧的弹簧腔11；

滑动板9与电磁铁8之间连接有高强度弹簧12；高强度弹簧12位于弹簧腔11内；液氮槽右部的顶盖通过进氮管路13连接液氮容器1，进氮管路13上设有上单向阀14和上手动阀门15；上单向阀14的开启方向为由液氮容器1朝向液氮腔10；上手动阀门15是为了防止抽真空时，液氮腔10中的负压使得上单向阀14自动开启而将液氮容器1中的液氮吸出。

进氮管路13与顶盖相连接处正下方的液氮槽的底壁连接有复合管路30，复合管路30包括有供氮内管16、套设于供氮内管16外的液氮保温管17和套设于液氮保温管17外的真空保温管18；供氮内管16和液氮保温管17之间设有连接筋板19，液氮保温管17和真空保温管18之间设有连接筋板19；液氮保温管17与供氮内管16之间围成液氮保温腔20，真空保温管18与液氮保温管17之间围成真空保温腔21；真空保温腔21两端均封闭，液氮保温腔20和供氮内管16均与液氮腔10相连通；真空保温腔21中的真空（负压）为在制作复合管路30时预先抽好，在本实用新型的实验方法进行时无须另外再对真空保温腔21抽真空。

液氮保温腔20处设有保温用电磁阀22，供氮内管16于邻近液氮槽处设有下单向阀23；保温用电磁阀22与电控装置2相连接；

滑动板9在液氮腔10内向左滑动的极限位置与电磁铁8相邻，滑动板9在液氮腔10内向右滑动的极限位置位于进氮管路13与顶盖相连接处的左方并与进氮管路13与顶盖相连接处相邻。这样保证滑动板9在左右移动时其位置不会越过进氮管路13与顶盖相连接处，同时也就不会越过位于该连接处正下方的复合管路30与液氮槽的底壁的连接点，防止液氮进入弹簧腔11中降低增压效果并造成液氮浪费。

所述电控装置2为X86计算机、单片机或集成电路。所述高强度弹簧12在滑动板9与电磁铁8之间平等并排设有三组。

顶盖与液氮槽之间的扣合结构具体为：

液氮槽的左侧槽壁顶部水平弯折后形成左卡扣板24，液氮槽的右侧槽壁顶部水平弯折后形成右卡扣板25；顶盖的左侧弯折后形成与左卡扣板24相适配的左钩形卡扣部26，顶盖的右侧弯折后形成与右卡扣板25相适配的右钩形卡扣部27；左卡扣板24伸入左钩形卡扣部26，右卡扣板25伸入右钩形卡扣部27。

顶盖保温层4和槽体保温层6的设置，避免了实验进行过程中液氮槽中的冷量向外过多散失。

所述液氮保温腔20内设有温度传感器28，温度传感器28通过线路与电控装置2相连接。

本实用新型还公开了使用上述液氮增压装置29的增透实验系统，包括液氮增压装置29和围压系统；

复合管路30中的供氮内管16连接有抽真空管路31，抽真空管路31连接有真空泵32；抽真空管路31上设有第一阀门33；复合管路30中的液氮保温管17连接有安全阀34，安全阀34与液氮保温腔20相连通；真空泵32与电控装置2相连接；真空泵32与第一阀门33之间的抽真空管路31上设有第一压力传感器35；

围压系统包括箱体36，箱体36顶部敞口，箱体36顶部连接有水平板37，水平板37通过螺栓38连接有用于封闭箱体36的压盖39；箱体36内设有由弹性材料制成的弹性筒40，弹性筒40用于存放煤样，弹性筒40上端敞口处与压盖39相接；弹性筒40下方的箱体36底板上设有用于向弹性筒40施加向上的压力的轴压腔41，轴压腔41连接有轴向施压管道42；弹性筒40与箱体36侧壁之间围成环形空腔43，箱体36侧壁连接有用于向弹性筒40施加径向压力的径向施压管道44，径向施压管道44与环形空腔43相连通；轴向施压管道42和径向施压管道44均与一液压泵站45相连通；压盖39中心处设有上下通透的通孔，该通孔与供氮内管16密封适配；下单向阀23的开启方向为由液氮腔10朝向弹性筒40；

轴向施压管道42上设有第一电磁阀46和第三压力传感器47，径向施压管道44上设有第二电磁阀48和第二压力传感器49；第一压力传感器35、第一电磁阀46、第三压力传感器47、第二电磁阀48和第二压力传感器49均与电控装置2相连接。

本实用新型还公开了使用上述增透实验系统进行的实验方法，按以下步骤进行：

第一步骤是系统检查步骤；

第二步骤是放入煤样；

第三步骤是对煤样施加预定的围向压力和轴向压力；

第四步骤是对供氮内管16抽真空；

第五步骤是向液氮保温腔20内注入液氮；

第六步骤是向煤样注入高压液氮进行致裂增透实验。

第一步骤具体是连接好增透实验系统中的各部件，启动电控装置2，控制真空泵32、电磁铁8、保温用电磁阀22、第一电磁阀46和第二电磁阀48动作，确保各部件处于正常状态；

第二步骤具体是在煤样上表面向下钻插入孔，插入孔与供氮内管16相适配；打开压盖39，将煤样放入弹性筒40内，将供氮内管16的出口端部由上至下穿过压盖39上的通孔后插入煤样，供氮内管16的出口端部处设有出口单向阀50，出口单向阀50的导通方向为由供氮内管16通向煤样；

然后盖上压盖39，拧紧螺栓38将压盖39与箱体36及其水平板37连接在一起；液氮保温管17的自由端以及真空保温管18的自由端均封闭设置且分别与压盖39上表面相接；

第三步骤具体是通过电控装置2打开第一电磁阀46和第二电磁阀48，控制液压泵站45通过径向施压管道44向弹性筒40与箱体36侧壁之间的环形空腔43注入液压油，环形空腔43内的液压油沿弹性筒40的周向紧压弹性筒40从而对煤样产生围压；

同时控制液压泵站45通过轴向施压管道42向轴压腔41注入液压油，轴压腔41内的液压油向上紧压弹性筒40从而产生轴向压力；电控装置2将第三压力传感器47和第二压力传感器49检测到的压力值显示在显示屏3上；通过控制控制液压泵站45的输出压力将围压和轴向压力控制在预定值，通过控制第一电磁阀46和第二电磁阀48的开启度实现围压和轴向压力的微调；

第四步骤具体是打开抽真空管路31上的第一阀门33，通过电控装置2打开保温用电磁阀22，关闭上手动阀门15，然后通过电控装置2打开真空泵32对系统进行抽真空；在负压的作用下，下单向阀23开启，液氮保温腔20、液氮腔10和供氮内管16相导通；由于上手动阀门15关闭，因此负压不会通过进氮管路13将液氮容器1中的液氮吸出；真空泵32将液氮保温腔20、液氮腔10、供氮内管16以上手动阀门15下方的进氮管路13中的气体抽出；通过显示屏3观察第一传感器检测到的压力信号，当第一传感器检测到的压力降低到预定值后，关闭真空泵32和第一阀门33，保持保温用电磁阀22处于开启状态；

第三步骤和第四步骤不分先后顺序；

第五步骤具体是打开进氮管路13上的上手动阀门15，液氮容器1中的液氮在负压的作用下，通过上单向阀14和进氮管路13进入液氮腔10，然后通过保温用电磁阀22进入液氮保温腔20中；在此过程中，同样在负压的作用下，下单向阀23打开，出口单向阀50与液氮腔10之间的供氮内管16中充入液氮；在液氮保温腔20中充入液氮后（上手动阀门15打开1分钟后即完成向液氮保温腔20中充入液氮的工作），关闭保温用电磁阀22，防止进行第六步骤时液氮保温腔20中液氮压力过高而致使安全阀34打开、造成液氮流失；

第六步骤具体是通过电控装置2启动电磁铁8（即使电磁铁8通电），电磁铁8产生磁场吸附滑动板9，滑动板9在靠近电磁铁8的过程中压缩高强度弹簧12，高强度弹簧12蓄积弹性势能；滑动板9在向其左极限位置运动的过程中在液氮腔10中产生负压，由于下单向阀23和出口单向阀50的存在，液氮腔10中的负压只能向液氮容器1中传导，将液氮容器1中的液氮吸入液氮腔10中；

电控装置2关闭电磁铁8（即使电磁铁8断电），滑动板9与电磁铁8之间的磁性吸合力消失，高强度弹簧12蓄积的弹性势能在瞬间释放，推动滑动板9迅速向右运动至其右极限位置，缩小液氮腔10的容积并挤压液氮，将液氮的压力迅速升高并成为高压液氮；通过选择电磁铁的磁力大小以及高强度弹簧的弹力大小，可以控制高压液氮的具体压力。

由于上单向阀14的存在，高压液氮不能向液氮容器1流动，高压液氮通过下单向阀23、供氮内管16和出口单向阀50后最终进入煤样，对煤样进行液氮压裂增透实验。

还包括有第七步骤即持续压裂步骤；

第七步骤具体是当煤样较大时，关闭电磁铁0.5±0.1秒后，启动电磁铁1－2秒（包括两端值），重新将滑动板9吸引至其左极限位置并将液氮容器1中的液氮吸入液氮腔10；然后关闭电磁铁1±0.3秒，将高压液氮送入煤样；重复进行本步骤开关电磁铁8的操作，直到向煤样中注入预定量的液氮，然后进行系统保压，对煤样进行液氮压裂增透实验。

在第六步骤和第七步骤进行的过程中，真空保温腔21起到第一层保温的作用，减少供氮内管16和液氮保温腔20向外散失的冷量；液氮保温腔20起到第二层保温的作用，将供氮内管16外壁的温度维持在液氮的沸点以下；

当液氮保温腔20中的液氮受热蒸发、液氮保温腔20中的压力高于安全阀34的开启压力时，安全阀34开启，高压氮气释放入环境中，降低液氮保温腔20中的压力，直到液氮保温腔20中的压力低于安全阀34的开启压力时，安全阀34自动关闭。

安全阀34的设置避免了氮气受热蒸发、压力过高带来的安全隐患。

在实验方法进行的过程中，电控装置2将温度传感器28、第一至第三压力传感器35、49和47的检测数据显示在显示屏3上，供实验者监控实验过程。

以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.液氮增压装置，其特征在于：包括液氮容器、电控装置、顶盖和用于液氮增压的液氮槽，电控装置连接有显示屏；

液氮槽的槽口朝上，顶盖扣合在液氮槽上，液氮槽的左侧内壁连接有电磁铁，电磁铁的连接线路密封穿过液氮槽的槽壁并与电控装置相连接；

液氮槽内与电磁铁平行并排设有由软磁材料制成的滑动板，滑动板的顶端与顶盖滑动密封配合；顶盖与液氮槽围成空腔，滑动板将空腔分隔为位于滑动板右侧的液氮腔和位于滑动板左侧的弹簧腔；

滑动板与电磁铁之间连接有高强度弹簧；高强度弹簧位于弹簧腔内；液氮槽右部的顶盖通过进氮管路连接液氮容器，进氮管路上设有上单向阀和上手动阀门；上单向阀的开启方向为由液氮容器朝向液氮腔；

进氮管路与顶盖相连接处正下方的液氮槽的底壁连接有复合管路，

复合管路包括有供氮内管、套设于供氮内管外的液氮保温管和套设于液氮保温管外的真空保温管；供氮内管和液氮保温管之间设有连接筋板，液氮保温管和真空保温管之间设有连接筋板；液氮保温管与供氮内管之间围成液氮保温腔，真空保温管与液氮保温管之间围成真空保温腔；真空保温腔两端均封闭，液氮保温腔和供氮内管均与液氮腔相连通；

液氮保温腔处设有保温用电磁阀，供氮内管于邻近液氮槽处设有下单向阀；保温用电磁阀与电控装置相连接；

滑动板在液氮腔内向左滑动的极限位置与电磁铁相邻，滑动板在液氮腔内向右滑动的极限位置位于进氮管路与顶盖相连接处的左方并与进氮管路与顶盖相连接处相邻。

2.根据权利要求1所述的液氮增压装置，其特征在于：顶盖与液氮槽之间的扣合结构具体为：

液氮槽的左侧槽壁顶部水平弯折后形成左卡扣板，液氮槽的右侧槽壁顶部水平弯折后形成右卡扣板；顶盖的左侧弯折后形成与左卡扣板相适配的左钩形卡扣部，顶盖的右侧弯折后形成与右卡扣板相适配的右钩形卡扣部；左卡扣板伸入左钩形卡扣部，右卡扣板伸入右钩形卡扣部。

3.根据权利要求2所述的液氮增压装置，其特征在于：所述顶盖包括位于外层的顶盖保温层和位于内层的滑动连接层，滑动连接层由刚性材料制成；所述液氮槽的槽壁包括位于外层的槽体保温层和位于内层的刚性材料层，滑动板的顶面与滑动连接层滑动密封配合，滑动板的底面与刚性材料层滑动密封配合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的液氮增压装置，其特征在于：所述液氮保温腔内设有温度传感器，温度传感器通过线路与电控装置相连接。

5.使用权利要求4所述的液氮增压装置的增透实验系统，其特征在于：包括液氮增压装置和围压系统；

复合管路中的供氮内管连接有抽真空管路，抽真空管路连接有真空泵；抽真空管路上设有第一阀门；复合管路中的液氮保温管连接有安全阀，安全阀与液氮保温腔相连通；真空泵与电控装置相连接；真空泵与第一阀门之间的抽真空管路上设有第一压力传感器；

围压系统包括箱体，箱体顶部敞口，箱体顶部连接有水平板，水平板通过螺栓连接有用于封闭箱体的压盖；箱体内设有由弹性材料制成的弹性筒，弹性筒用于存放煤样，弹性筒上端敞口处与压盖相接；弹性筒下方的箱体底板上设有用于向弹性筒施加向上的压力的轴压腔，轴压腔连接有轴向施压管道；弹性筒与箱体侧壁之间围成环形空腔，箱体侧壁连接有用于向弹性筒施加径向压力的径向施压管道，径向施压管道与环形空腔相连通；轴向施压管道和径向施压管道均与一液压泵站相连通；压盖中心处设有上下通透的通孔，该通孔与供氮内管密封适配；下单向阀的开启方向为由液氮腔朝向弹性筒；

轴向施压管道上设有第一电磁阀和第三压力传感器，径向施压管道上设有第二电磁阀和第二压力传感器；第一压力传感器、第一电磁阀、第三压力传感器、第二电磁阀和第二压力传感器均与电控装置相连接。

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