[發(fā)明專利]低滲煤層氣微波-液氮循環(huán)凍融促解增滲實驗裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911191115.2
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110823757A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊新樂;姜濤;蘇暢;李惟慷;徒君;王亞鵬;鞏天白;姜亮
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01N7/16
• 分類號: G01N7/16;G01N7/00;G01N25/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

低滲煤層氣微波?液氮循環(huán)凍融促解增滲實驗裝置及方法，包括試樣三軸加載裝置、液氮制冷系統(tǒng)、微波加熱裝置、溫度檢測裝置和氣體測量裝置。實驗方法包括以下步驟：安裝煤樣，對煤樣三軸加壓，進(jìn)行吸附實驗，為煤樣進(jìn)行液氮致冷，對處于低溫環(huán)境中的煤樣施加微波高溫?zé)彷d，煤樣處于高低溫交替循環(huán)狀態(tài)，最后進(jìn)行含瓦斯煤樣的解吸實驗。微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波經(jīng)波導(dǎo)傳輸至三軸儀內(nèi)直接對含瓦斯煤樣進(jìn)行輻射加熱，加熱效果極佳；液氮通過注入裝置直接注入三軸儀內(nèi)與含瓦斯煤樣直接接觸，可誘發(fā)微裂隙的萌生或者原生裂隙的擴(kuò)展，致裂效果尤為明顯。此裝置有效地模擬煤巖在極速凍融循環(huán)環(huán)境下吸附解吸規(guī)律，加載軸壓和圍壓模擬煤巖真實受力狀態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及低滲煤層氣微波-液氮循環(huán)凍融促解增滲實驗裝置及方法。

背景技術(shù)

我國大部分地區(qū)煤層屬于高儲量低滲透煤層,煤層氣的抽采效率極低，煤層氣的產(chǎn)量不容樂觀，無法進(jìn)行常規(guī)工業(yè)化開采。為實現(xiàn)煤層氣的工業(yè)化生產(chǎn)，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了壓裂、注熱、趨替等瓦斯增產(chǎn)方法，還有許多新興技術(shù)如電化學(xué)法、溶劑萃取法等也相繼被提出，但是上述方法都存在一定的局限性。近年來，聲震、電磁場激勵等促進(jìn)煤層瓦斯解吸與擴(kuò)散來提高煤層瓦斯抽采率的物理場激勵法得到了廣泛關(guān)注，但對煤巖體的影響基本上是一致的，在一定程度上具有促進(jìn)煤層瓦斯解吸、運移的作用。

與常規(guī)瓦斯增產(chǎn)方法相比，微波具有加熱速率快的優(yōu)點，液氮超低溫致裂明顯，那么在這兩種情況雙重作用下，煤巖體解吸特性極有可能大幅度增加，為明確上述對煤層氣吸附解吸特性的影響，需要開展對應(yīng)的吸附解吸實驗。本專利提出的一種低滲煤層氣微波-液氮循環(huán)凍融促解增滲實驗裝置，其作用實質(zhì)是利用高低溫溫度變化來改變煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得煤原有孔隙擴(kuò)展和產(chǎn)生一些新的孔隙，最終形成更加順暢的甲烷運移通道，從而有效增加甲烷解吸效率。由于微波和液氮結(jié)合的復(fù)雜性，無法使用現(xiàn)有的吸附解吸實驗裝置直接進(jìn)行實驗研究。

在現(xiàn)有技術(shù)中，CN107091798A公開了急式冷熱交替煤層氣儲層改造模擬裝置，由旋轉(zhuǎn)的微波天線形成高頻變化的磁場加熱煤體。微波天線一般用于信號通訊，其加熱作用通常不明顯。該裝置液氮降溫時，采用玻璃腔內(nèi)液氮預(yù)熱汽化的方法來達(dá)到降溫目的，此方法高溫煤體降溫速度緩慢，煤樣致裂效果不明顯。本專利中微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波通過波導(dǎo)管傳輸至三軸儀內(nèi)，直接輻射于煤體，加熱效果明顯。本專利中裝置注入液氮采取的是液氮與煤體直接接觸的方式，接觸時液態(tài)氮會進(jìn)入原有孔隙，導(dǎo)致與液氮接觸的媒體表面溫度驟降，引起煤體顆粒收縮并產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過煤樣的強(qiáng)度時可誘發(fā)微裂隙的萌生或者原生裂隙的擴(kuò)展，致裂效果尤為明顯。CN108398334A公開了一種液氮結(jié)合遠(yuǎn)紅外輻射凍融循環(huán)的實驗裝置及方法，使用遠(yuǎn)紅外對低溫煤體進(jìn)行升溫，遠(yuǎn)紅外加熱實質(zhì)是利用熱源發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線照射物體，靠輻射對物體表面進(jìn)行加熱，再通過熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)物體內(nèi)部。而微波穿透能力強(qiáng)，可穿透介質(zhì)將能量直接傳導(dǎo)介質(zhì)分子中，由分子的震動摩擦產(chǎn)生熱量，熱源來自物體內(nèi)部，加熱更均勻，加熱效率更高。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種低滲煤層氣微波-液氮循環(huán)凍融促解增滲實驗裝置，該裝置液氮流體接觸煤樣迅速冷凍致裂，然后將微波作用煤樣實現(xiàn)快速加熱解凍，能夠讓煤樣迅速持續(xù)地處于冷熱交替系統(tǒng)中，并且具有三軸加載功能，模擬煤樣應(yīng)力狀態(tài)及氣體吸附解吸過程，從而獲得微波—液氮極速凍融循環(huán)下煤層氣解吸規(guī)律，為應(yīng)用于現(xiàn)場開采提供理論支撐。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種低滲煤層氣微波-液氮循環(huán)凍融促解增滲實驗裝置，包括試樣三軸加載裝置、液氮制冷系統(tǒng)、微波加熱裝置、溫度檢測裝置和氣體測量裝置，所述試樣三軸加載裝置通過其上的液氮注入外接口與液氮制冷系統(tǒng)相連，試驗三軸加載裝置通過其上的溫度測量孔與溫度檢測裝置相連，試驗三軸加載裝置通過套筒與微波加熱裝置相連，試驗三軸加載裝置通過其上的出氣外接孔與氣體測量裝置相連。