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可增压液氮溶浸煤体致裂增透装置及增透实验方法.pdf

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增压 液氮 溶浸煤体致裂增透 装置 实验 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910036857

申请日:

20190115

公开号:

CN109630087A

公开日:

20190416

当前法律状态:

公开

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: E21B43/28;E21B43/26;E21B49/00;E21B47/00;E21B47/06 主分类号: E21B43/28;E21B43/26;E21B49/00;E21B47/00;E21B47/06
申请人: 河南理工大学
发明人: 李波;魏建平;王泽祺;任永婕;吕小权
地址: 454150 河南省焦作市高新区世纪大道2001号
优先权:
专利代理机构: 41131 代理人: 王金
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910036857

授权公告号:

法律状态公告日:

20190416

法律状态类?#20572;?/td>

公开

摘要

本发明公开了一种可增压液氮溶浸含瓦斯煤体致裂增透装置,包括保温筒,保温筒顶壁中心处向下连接有内筒,内筒底端与保温筒底壁之间具有间隙;内筒中部水平安装有耐压金属网片,耐压金属网片将内筒上下分隔为煤体腔和进液腔;内筒中部安装隔离阀,隔离阀用于分隔内筒且其阀?#25628;?#27700;平方向伸出保温筒;内筒顶端的保温筒顶壁螺纹连接有内筒盖,内筒盖上设?#26032;?#32441;轴体;本发明还公开了增透实验方法,本发明能进行煤体不同瓦斯吸附压力条件下的液氮溶浸煤体实验,还能较好的掌控液氮溶浸煤体的具体尺寸,适于反复多次在不同的实验条件下对煤体进行增透实验,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。

权利要求书

1.可增压液氮溶浸煤体致裂增透装置,其特征在于:包括空心圆柱形的保温筒,保温筒竖向设置,保温筒轴向两端均封闭,保温筒顶壁中心处向下连接有空心圆柱形的内筒,内筒底端与保温筒底壁之间具有间隙;内筒中部水平安装有耐压金属网片,金属网片将内筒上下分隔为煤体腔和进液腔; 内筒中部安装隔离阀,隔离阀位于耐压金属网片下方并与耐压金属网片相邻,隔离阀用于分隔内筒且其阀?#25628;?#27700;平方向伸出保温筒,所述阀杆与保温筒的侧壁密封配合;耐压金属网片的网孔?#26412;?#20026;3mm~7mm; 内筒顶端的保温筒顶壁螺纹连接有内筒盖,内筒盖上设有用于增加煤体轴向压力的螺纹轴体,螺纹轴体下端安装有压力传感器,内筒盖上还设有除杂气气孔;内筒与保温筒侧壁之间围成液氮腔,液氮腔顶端的保温筒顶壁上设有用于通入液氮的第一阀门。 2.根据权利要求1所述的可增压液氮溶浸煤体致裂增透装置,其特征在于:所述保温筒和内筒均由透明材料制成,且内筒侧壁外表面连接有由透明材料制成的刻度立体板,刻度立体板上下均匀间隔设有水平刻度线,上下相邻的两条水平刻度线之间相隔1毫米,0刻度线位于金属网片处,0刻度线向上线隔1厘米于刻度线的末端刻有单位为厘米的用于指示液氮高度的阿拉伯数?#37073;?#29992;于增加煤体轴向压力的螺纹轴体下端安装有压力传感器;内筒进液腔顶部两侧设置有气孔。 3.利用权利要求2中所述可增压液氮溶浸煤体致裂增透装置进?#26800;?#22686;透实验方法,其特征在于按以下步骤进行: 第一步骤是密封性检测; 第二步骤是加入煤体; 第三步骤是排除杂质气体; 第四步骤是瓦斯吸附; 第五步骤是加入液氮; 第六步骤是煤体轴向加压; 第七步骤是在预定的瓦斯压力条件和液氮液位条件下进行煤体的裂缝发育实验,并作好实验记录; 第二至第七步骤为一个实验循环;实验计划中包含N组预定的液氮的液位高度值及煤体压力值,N为大于等于1的?#21248;?#25968;; ?#23380;?#39044;定的液氮液位高度值及压力值对应一个实验循环,重复进?#26800;?#20108;至第六步骤,每个实验循环中采用一组预定的液氮的液位高度值及瓦斯压力值,直到实验计划中的N组预定的液氮的液位高度值及煤体压力值对应的实验循环均进行完毕后,结束全部实验。 4.根据权利要求3所述的增透实验方法,其特征在于按以下步骤进行: 所述第一步骤具体操作是:关闭排除杂气的气孔,将第一阀门与外置的高压氮气气瓶的气管相连接,外置的高压氮气气瓶的气管与外置的高压氮气气瓶相连接;打开第一阀门?#36879;?#31163;阀,通过高压氮气气瓶和第一阀门向煤体腔中注入氮气,氮气通过内筒底端与保温筒底壁之间的间隙进入进液腔;当压力表显示煤体腔及进液腔中的压力达到预定值?#20445;?#20851;闭第一阀门;如果保压12小时后压力?#26723;?#20540;小于等于0.01MPa,则继续进?#26800;?#20108;步骤;如果保压12小时后压力?#26723;?#20540;大于0.01MPa,则需要对可增压液氮半溶浸致裂增透装置进行密封性维护后,重新进?#26800;?#19968;步骤; 所述第二步骤具体操作是:打开内筒盖,将煤体放入煤体腔,然后将除杂气气孔与外置的真空泵相连接; 所述第三步骤具体操作是:关闭隔离阀通过与除杂气气孔连接的真空泵抽取煤体腔内的杂气,直到看到真空表14显示煤体腔内真空度保持三分钟内稳定; 所述第四步骤具体操作是:将除杂气气孔与外置的高压瓦斯气瓶的气管连接,外置的高压瓦斯气瓶的气管与压力传感器连接,压力传感器通过气管与减压阀相连接,减压阀通过气管与高压瓦斯气瓶连接,关闭第一阀门与隔离阀,打开高压瓦斯气瓶,通过控制减压阀向煤体腔注入瓦斯气体,通过煤体腔的电压传感器控制煤体腔内瓦斯压力,使得煤体更好的吸附瓦斯,当煤体腔内的压力传感器与高压瓦斯气瓶连接的压力传感器数值相等时则煤体吸附瓦斯平衡; 所述第五步骤具体操作是:打开第一阀门?#36879;?#31163;阀,将第一阀门与外置的液氮管路相连,外置的液氮管路与外置的液氮源相连接,通过液氮管路和第一阀门向液氮腔内加入液氮,液氮通过内筒与保温筒底壁之间的间隙?#19978;?#21521;上进入内筒,通过进液腔和耐压金属网片的网孔后进入煤样腔; 工作人员通过透明的保温筒和内筒观察煤体腔中的液氮,根据刻度板上的刻度和数字得到液氮的准确液位;当液氮的液位即将达到实验预定的高度?#20445;?#20851;闭隔离阀,停止第二步骤; 所述第六步骤具体操作是?#21644;?#36807;转动内筒盖上的螺纹轴体向内筒中的煤体施加轴向压力,通过螺纹轴体上连接的压力传感器来控制所给煤体施加的压力预定值。

说明书


可增压液氮溶浸煤体致裂增透装置及增透实验方法
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。


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。煤层渗透性低,严重影响抽采效
率,水力压裂目?#25353;?#22312;返排?#23454;汀?#21387;裂缝短、污染环境?#20219;?#39064;,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储层压力下进行液氮溶浸煤体裂缝发育实验为现有技术,但缺乏实验
用液氮压裂相关装置,现有的设备不能实现含瓦斯煤液氮冷浸增透实验,不能实现固定或
加载条件下的液氮增透实验,亦无法研究压力一定下液氮浸润煤样尺寸对煤样裂缝发育情
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溶浸煤体致裂增透装置,含瓦斯煤条件下
液氮冷浸实验和轴向固定,能够方便地控制液氮液位,对煤样进?#26800;?#28201;裂缝发育实验,并便
于改变液位参数和压力参数后重复进行实验。


为实现上述目的,本发明的可增压液氮溶浸含瓦斯煤体致裂增透装置包括空心圆
柱形的保温筒,保温筒竖向设置,保温筒轴向两端均封闭,保温筒顶壁中心处向下连接有空
心圆柱形的内筒,内筒底端与保温筒底壁之间具有间隙;内筒中部水平安装有耐压金属网
片,金属网片将内筒上下分隔为煤体腔和进液腔;


内筒中部安装隔离阀,隔离阀位于耐压金属网片下方并与耐压金属网片相邻,隔离阀
用于分隔内筒且其阀?#25628;?#27700;平方向伸出保温筒,所述阀杆与保温筒的侧壁密封配合;耐压
金属网片的网孔?#26412;?#20026;3mm~7mm;


内筒顶端的保温筒顶壁螺纹连接有内筒盖,内筒盖上设有用于增加煤体轴向压力的螺
纹轴体(通过转动转轴向煤体施压),螺纹轴体下端安装有压力传感器,内筒盖上还设有除
杂气气孔;内筒与保温筒侧壁之间围成液氮腔,液氮腔顶端的保温筒顶壁上设有用于通入
液氮的第一阀门。


所述保温筒和内筒均由透明材料制成,且内筒侧壁外表面连接有由透明材料制成
的刻度立体板,刻度立体板上下均匀间隔设有水平刻度线,上下相邻的两条水平刻度线之
间相隔1毫米,0刻度线位于金属网片处,0刻度线向上线隔1厘米于刻度线的末端刻有单位
为厘米的用于指示液氮高度的阿拉伯数?#37073;?#29992;于增加煤体轴向压力的螺纹轴体下端安装有
压力传感器;内筒进液腔顶部两侧设置有气孔(保证加入液氮后液氮腔内气体方便外排)。


本发明还公开了使用上述实验用可增压液氮溶浸含瓦斯煤样致裂增透装置进行
的增透实验方法,按以下步骤进行:


第一步骤是密封性检测;


第二步骤是加入煤体;


第三步骤是排除杂质气体;


第四步骤是瓦斯吸附;


第五步骤是加入液氮;


第六步骤是煤体轴向加压;


第七步骤是在预定的瓦斯压力条件和液氮液位条件下进行煤体的裂缝发育实验,并作
好实验记录;


第二至第七步骤为一个实验循环;实验计划中包含N组预定的液氮的液位高度值及煤
体压力值,N为大于等于1的?#21248;?#25968;;


?#23380;?#39044;定的液氮液位高度值及压力值对应一个实验循环,重复进?#26800;?#20108;至第六步骤,
每个实验循环中采用一组预定的液氮的液位高度值及瓦斯压力值,直到实验计划中的N组
预定的液氮的液位高度值及煤体压力值对应的实验循环均进行完毕后,结束全部实验。


所述第一步骤具体操作是:关闭排除杂气的气孔,将第一阀门与外置的高压氮气
气瓶的气管相连接,外置的高压氮气气瓶的气管与外置的高压氮气气瓶相连接;打开第一
阀门?#36879;?#31163;阀,通过高压氮气气瓶和第一阀门向煤体腔中注入氮气,氮气通过内筒底端与
保温筒底壁之间的间隙进入进液腔;当压力表显示煤体腔及进液腔中的压力达到预定值
?#20445;?#20851;闭第一阀门;如果保压12小时后压力?#26723;?#20540;小于等于0.01MPa,则继续进?#26800;?#20108;步骤;
如果保压12小时后压力?#26723;?#20540;大于0.01MPa,则需要对可增压液氮半溶浸致裂增透装置进
行密封性维护后,重新进?#26800;?#19968;步骤;


所述第二步骤具体操作是:打开内筒盖,将煤体放入煤体腔,然后将除杂气气孔与外置
的真空泵相连接。


所述第三步骤具体操作是:关闭隔离阀通过与除杂气气孔连接的真空泵抽取煤体
腔内的杂气,直到看到真空表14显示煤体腔内真空度保持三分钟内稳定;


所述第四步骤具体操作是:将除杂气气孔与外置的高压瓦斯气瓶的气管连接,外置的
高压瓦斯气瓶的气管与压力传感器连接,压力传感器通过气管与减压阀相连接,减压阀通
过气管与高压瓦斯气瓶连接,关闭第一阀门与隔离阀,打开高压瓦斯气瓶,通过控制减压阀
向煤体腔注入瓦斯气体,通过煤体腔的电压传感器控制煤体腔内瓦斯压力,使得煤体更好
的吸附瓦斯,当煤体腔内的压力传感器与高压瓦斯气瓶连接的压力传感器数值相等时则煤
体吸附瓦斯平衡。


所述第五步骤具体操作是:打开第一阀门?#36879;?#31163;阀,将第一阀门与外置的液氮管
路相连,外置的液氮管路与外置的液氮源相连接,通过液氮管路和第一阀门向液氮腔内加
入液氮,液氮通过内筒与保温筒底壁之间的间隙?#19978;?#21521;上进入内筒,通过进液腔和耐压金
属网片的网孔后进入煤样腔;


工作人员通过透明的保温筒和内筒观察煤体腔中的液氮,根据刻度板上的刻度和数字
得到液氮的准确液位;当液氮的液位即将达到实验预定的高度?#20445;?#20851;闭隔离阀(隔离阀具有
一定体积),停止第二步骤;


所述第六步骤具体操作是?#21644;?#36807;转动内筒盖上的螺纹轴体向内筒中的煤体施加轴向压
力,通过螺纹轴体上连接的压力传感器来控制所给煤体施加的压力预定值。


本发明具有如下的优点:


本发明不仅可以研究液氮溶浸煤体条件下的低温裂缝发育,而?#19968;?#21487;以研究液氮溶浸
含瓦斯煤体条件下的低温裂缝发育,还可以研究液氮溶浸含瓦斯煤体并轴向施压条件下的
煤体裂缝发育。


本发明结构简单,使用方便,便于实验人员直观地观察并控制液氮的液位高度以
及瓦斯的压力值。


保温筒和内筒以及刻度立体板均由透明材料制成,保证了本发明的可?#26377;裕?#23454;验
人员能够直观而准确地观察到液氮的液位。通过观察压力传感器能有效的控制瓦斯压力。


本发明的增透实验方法能?#29615;?#24120;方便地控制实验压力和液氮的液位高度,并便于
提供不同的实验压力条件和不同的液氮的液位高度条件,为低温裂缝发育实验(增透实验)
提供基础。


本发明的增透实验方法步骤简便,安排合理,如第四步骤,通过观察装置的两个压
力传感器的压力?#36947;?#21028;断瓦斯是否吸附平衡。


总之,本发明能较好的控制瓦斯及液氮压力并掌控液氮浸润煤体的具体尺寸,适
于反复多次在不同的实验条件下对煤体进行增透实验,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。


具体实施方式


如图1所示,本发明的实验用可增压液氮溶浸含瓦斯煤体致裂增透装置包括呈空
心圆柱形的保温筒1,保温筒1竖向设置,保温筒1轴向两端均封闭,保温筒1顶壁中心处向下
连接有空心圆柱形的内筒2,内筒2底端与保温筒1底壁之间具有间隙;内筒2中部水平安装
有耐压金属网片3,耐压金属网片3将内筒2上下分隔为煤体腔4和进液腔5;


内筒2中部安装隔离阀6,隔离阀6位于耐压金属网片3下方并与耐压金属网片3相邻,隔
离阀6用于分隔内筒2且其阀?#25628;?#27700;平方向伸出保温筒1,所述阀杆与保温筒1的侧壁密封配
合;耐压金属网片3的网孔?#26412;?#20026;3mm~7mm;


内筒2顶端的保温筒1顶壁螺纹连接有内筒盖7,内筒盖7上设有用于给煤样施加轴向压
力的螺纹轴体8,螺纹轴体8的底端安装有压力传感器13,除杂气气孔16,与煤样腔相连的真
空表14及真空泵15;内筒2与保温筒1侧壁之间围成液氮腔9,液氮腔9顶端的保温筒1顶壁上
设有用于通入液氮的第一阀门10。


所述保温筒1和内筒2均由透明材料制成(如由耐低温的玻璃或塑料制成),且内筒
2侧壁外表面连接有由透明材料制成的刻度立体板(与保温桶内壁密封相连)11,刻度立体
板11上下均匀间隔设有水平刻度线12,上下相邻的两条水平刻度线12之间相隔1毫米,0刻
度线12位于耐压金属网片3处,0刻度线12向上线隔1厘米于刻度线12的末端刻有单位为厘
米的用于指示液氮高度的阿拉伯数?#37073;?#25152;述煤体腔4侧壁安装有压力传感器17。图1为示意
图,图中刻度线的数量不代表实?#36866;?#37327;,根据实验的需要,本发明的实验用可增压液氮半溶
浸致裂增透装置可以制成不同的尺寸型号,刻度线的数量也相应增减。


本发明还公开了使用上述实验用可增压液氮溶浸预定含瓦斯煤体致裂增透装置
进?#26800;?#22686;透实验方法,其特征在于按以下步骤进行:


第一步骤是密封性检测;


第二步骤是加入煤样;


第三步骤是排除杂质气体,即对煤体腔进行抽真空。


第四步骤是瓦斯吸附;


第五步骤是加入液氮;


第六步骤是煤体加压;


第七步骤是在预定的压力条件和液氮液位条件下进行煤样的裂缝发育实验,并作好实
验记录;


第二至第七步骤为一个实验循环;实验计划中包含N组预定的液氮的液位高度值及煤
样腔4压力值,N为大于等于1的?#21248;?#25968;;


?#23380;?#39044;定的液氮的液位高度值及煤体压力值条件对应一个实验循环,重复进?#26800;?#20108;至
第六步骤,每个实验循环中采用一组预定的液氮的液位高度值及煤体压力值,直到实验计
划中的N组预定的液氮的液位高度值及煤体压力值对应的实验循环均进行完毕后,结束全
部实验。


所述第一步骤具体操作是:将第一阀门10与外置的高压氮气气瓶的气管相连接,
外置的高压氮气气瓶的气管与外置的高压氮气气瓶相连接;打开第一阀门10?#36879;?#31163;阀6,通
过高压氮气气管和第一阀门10向煤体腔4中注入氮气,氮气通过内筒2底端与保温筒1底壁
之间的间隙进入进液腔5;当压力表17显示煤体腔4及进液腔5中的压力达到预定值?#20445;?#20851;闭
第一阀门10;如果保压12小时后压力?#26723;?#20540;小于等于0.01MPa,则继续进?#26800;?#20108;步骤;如果
保压12小时后压力?#26723;?#20540;大于0.01MPa,则需要对可增压液氮半溶浸致裂增透装置进行密
封性维护后,重新进?#26800;?#19968;步骤;


所述第二步骤具体操作是:打开内筒盖7,将煤体放入煤体腔4,然后将排除杂质气体的
气孔16与外置的真空泵相连接。


所述第三步骤具体操作是:关闭第一阀门10和?#36879;?#31163;阀6,通过与除杂气气孔16连
接的真空泵15抽取煤体腔内的杂气,直到看到真空表14显示煤体腔内真空度保持三分钟内
稳定;


所述第四步骤具体操作是:将除杂质气体的气孔16与外置的高压瓦斯气瓶的气管连
接,外置的高压瓦斯气瓶的气管与压力传感器连接,压力传感器通过气管与减压阀相连接,
减压阀通过气管与高压瓦斯气瓶连接,关闭隔离阀6,打开高压瓦斯气瓶,通过控制减压阀
向煤样腔4注入瓦斯气体,通过煤体腔的压力传感器17控制瓦斯气体压力,使得煤体更好吸
附瓦斯,当煤体腔内的压力传感器17与高压瓦斯气瓶连接的压力传感器数值相等时则煤体
吸附瓦斯平衡。


所述第五步骤具体操作是:打开第一阀门10?#36879;?#31163;阀6,将第一阀门10与外置的液
氮管路相连,外置的液氮管路与外置的液氮源(如液氮罐)相连接,通过液氮管路和第一阀
门10向液氮腔9内加入液氮,液氮通过内筒2与保温筒1底壁之间的间隙?#19978;?#21521;上进入内筒
2,通过进液腔5和耐压金属网片3的网孔后进入煤体腔4;


工作人员通过透明的保温筒1和内筒2观察煤体腔4中的液氮,根据刻度刻度板11上的
刻度和数字得到液氮的准确液位;当液氮的液位将要达到实验预定的高度?#20445;?#20851;闭第一阀
门10?#36879;?#31163;阀6,停止第五步骤;


所述第六步骤具体操作是?#21644;?#36807;转动内筒盖7上的螺纹轴体8向内筒中的煤体施加轴向
压力,通过螺纹轴体8连接的压力传感器13来控制所给煤体施加的压力预定值。


以上实施例仅用?#36816;?#26126;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?#26438;?#26126;,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?#39759;?#20462;改或局部替换,其均应涵盖在本发明的权
利要求范围当中。


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