煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統的製作方法
2023-04-25 11:53:41 1
專利名稱：煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及煤層氣應用技術領域，尤其是一種煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統。
背景技術：
煤儲層是一種新型的潔淨、清潔的能源。基於煤礦安全和能源利用角度，我國煤炭部門、石油部門、地礦部門、地方政府、國內外煤層氣公司等先後在中國42個含煤區施工了近5000 口煤層氣井(截止2010年底)。但是除山西沁水盆地東南部、遼寧鐵法、山西河東煤田等少數地區實現了局部商業性開發外，大多數地區煤層氣開發試驗結果並不理想。煤層氣能否實現產出以及產出量的多少主要取決於兩個方面，一是有沒有足夠的煤層氣資源；另一方面則是有沒有足夠暢通的通道及能量系統使煤層氣得以從吸附狀態轉變為游離狀態並產出，二者缺一不可。內生裂隙(即在變質過程中由於煤體本身的變化引起的煤內生裂隙)和外生裂隙(即在變質過程中由於構造應力等外力引起的煤體變形所發育出來的裂隙。)哪個對煤層氣產出的貢獻更大一直是煤層氣界具有爭議性的問題。而內生裂隙與外生裂隙的貢獻大小從某種程度上對開發靶區的選擇、開發經濟評價、開發潛力評價、 開發工程工藝具有方向性的指導意義。我國成煤環境的複雜性、構造運動的多期性、煤變質演化的不可重現性、煤內生裂隙和外生裂隙各自測試手段的局限性都導致目前對某一區塊開發評價的不科學性、片面性；用來指導後期的開發工藝技術，在某些地方某種工藝技術較適合，在類似的地區卻發現同樣的工藝技術幾乎是不適合的，實踐中很容易造成人力、物力、財力的巨大浪費。同時，人們對煤層氣開發的積極性一次次受到打擊，其中最重要的是方向性的失誤是我們不能承受之重。煤在成煤過程、成煤後經歷了不同的溫度、壓力和構造應力等作用，不同埋深、不同地質動力作用下煤巖變形和變質程度不同，因此，亟需研製一種裝置，能利用不同地區的煤樣對煤變質演化過程中由於溫度、壓力變化引起煤的變質過程形成的內生裂隙和由於外力作用引起的外生裂隙進行模擬，以便查明不同溫度、壓力、構造運動下煤儲層裂隙的發育程度，以期為目前的煤層氣經濟評價體系、開發工藝技術選擇提供一種改進的思路和手段；但目前沒有出現煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統。
發明內容
本發明的目的在於提供一種煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統，用於模擬測試不同煤樣的內生裂隙和外生裂隙哪個對煤層氣產出貢獻更大，查明不同溫度、壓力、構造運動下煤儲層裂隙的發育程度。為實現上述目的，本發明的煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統包括動力加載系統、煤巖裂隙生成模擬系統和數據顯示系統；(1)動力加載系統包括氣壓裝置和水壓裝置；所述氣壓裝置包括高壓氣泵以及通過各自的出氣管與所述高壓氣泵的進氣口相連通的高壓氮氣瓶、甲烷氣瓶、二氧化碳氣瓶和氦氣瓶，所述高壓氮氣瓶、甲烷氣瓶、二氧化碳氣瓶和氦氣瓶的出氣管上分別設有閥門、壓力表和流量計，所述高壓氣泵的出氣口通過通氣管與所述煤巖裂隙生成模擬系統相連通；所述水壓裝置包括水箱和水泵，所述水泵的進水口與所述水箱相連通，所述水泵的出水口通過通水管與所述煤巖裂隙生成模擬系統相連通；(2)煤巖裂隙生成模擬系統包括內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統，所述內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統中均設有一套圍壓裝置；(2. 1)所述圍壓裝置包括圍壓缸、套設在圍壓缸內的樣品缸和網片；所述圍壓缸和樣品缸的四周和底部皆密閉設置，頂部設有開口 ；所述網片在所述樣品缸內煤樣的左右兩側各設一片；所述圍壓缸的頂部兩側分別設有接口，所述接口與所述通氣管相連通；所述樣品缸於其左、右側壁的中部分別設有進水口 ；所述通水管密封穿過所述圍壓缸並與所述進水口相連通；所述圍壓缸通過通水管與所述水泵相連通，所述圍壓缸前的通水管上設有閥門、壓力表和流量計； (2. 2)所述內生裂隙生成模擬系統包括加熱裝置、內生加壓裝置和一套圍壓裝置；所述內生加壓裝置包括軸向加載機；所述軸向加載機為液壓裝置且其加壓端的底部形狀與所述樣品缸的頂部開口相適配；所述圍壓缸和所述樣品缸皆設在所述加熱裝置上；(2. 3)所述外生裂隙生成模擬系統包括外生加壓裝置和一套所述的圍壓裝置；外生加壓裝置包括兩套以上的液壓裝置，所述各液壓裝置的加壓端均為加壓柱，所述各加壓柱並排緊貼形成加壓部分， 加壓部分的底部形狀與所述樣品缸的頂部開口相適配；所述樣品缸底部設有彈簧，彈簧上鋪設有高強高彈的隔離薄膜；(3)數據顯示系統用包括傳感裝置和數據顯示裝置，所述傳感裝置包括壓力傳感器和溫度傳感器，所述傳感裝置設置在所述內生裂隙生成模擬系統的樣品缸上以及所述外生裂隙生成模擬系統的樣品缸上，所述壓力傳感器和所述溫度傳感器均與所述數據顯示裝置相連接。所述加熱裝置包括加熱裝置包括加熱器和溫度調節器，所述圍壓缸和所述樣品缸皆設在所述加熱器上。所述數據顯示裝置為通用計算機。本發明具有如下的優點
1.本發明結構簡單，使用方便，能夠模擬煤在不同溫度、壓力條件下變質演化過程中內生裂隙和外生裂隙的形成過程，並對不同變化程度、不同壓力條件下的滲透率進行測試，對裂隙發育系統進行定量化，為煤層氣經濟評價體系、開發工藝的正確選擇、選型提供指導。2.加熱裝置包括加熱器和溫度調節器，便於通過溫度調節器控制加熱器以保持煤樣的溫度。3.數據顯示裝置為通用計算機，便於顯示和記錄測試數據，也便於擴展控制功能。
圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是圖1的A—A剖視圖3是圖1中圍壓缸的放大結構示意圖。
具體實施例方式如圖1、圖2和圖3所示，本發明的煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統包括動力加載系統觀、煤巖裂隙生成模擬系統27和數據顯示系統26。動力加載裝置主要是為煤變質過程中內生裂隙和外生裂隙的生成和發育程度提供動力及對生成裂隙系統發育程度的流量測試提供動力。煤巖裂隙生成模擬系統27是為了更真實再現不同深度、不同溫度、 不同圍壓下煤的變形和變質引起的內生裂隙和外生裂隙發育程度、發育狀況。(1)動力加載系統
動力加載系統觀包括氣壓裝置和水壓裝置。所述氣壓裝置包括高壓氣泵5以及通過各自的出氣管9與所述高壓氣泵5的進氣口相連通的高壓氮氣瓶7、甲烷氣瓶15、二氧化碳氣瓶M和氦氣瓶23，所述高壓氮氣瓶7、 甲烷氣瓶15、二氧化碳氣瓶M和氦氣瓶23的出氣管9上分別設有閥門3、壓力表4和流量計17，所述高壓氣泵5的出氣口通過通氣管35 (通氣管35是圓形的、直徑10 mm的高壓軟管)與所述煤巖裂隙生成模擬系統27相連通。所述水壓裝置包括水箱1和水泵6，所述水泵6的進水口與所述水箱1相連通，所述水泵6的出水口通過通水管36 (通水管36是圓形的、直徑10 mm的高壓軟管)與所述煤巖裂隙生成模擬系統27相連通。水泵6的出水口與高壓氣泵5的出氣口之間通過連通管61相連通，連通管61上設有閥門3。連通管61以及閥門3的作用是使通水管36或通氣管35都能夠單獨對煤巖裂隙生成模擬系統27進行氣相加壓、水相加壓或氣水兩相加壓。(2)煤巖裂隙生成模擬系統
煤巖裂隙生成模擬系統27包括內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統，所述內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統中均設有一套圍壓裝置。(2. 1)所述圍壓裝置包括圍壓缸8、套設在圍壓缸8內的樣品缸11 (圍壓缸8和樣品缸11皆由立方形的鋼板焊接而成)和網片10 (網片10為鐵製網片，用於防止在進行滲透率測試時加壓氣流直接衝擊在煤樣37無裂隙的部位而導致滲透率測試結果失敗或失真，其寬度與樣品缸11的寬度一致，其高度為樣品缸11高度的2/3);所述圍壓缸8和樣品缸11的四周和底部皆密閉設置，頂部設有開口 ；所述網片10在所述樣品缸11內煤樣37的左右兩側各設一片；所述圍壓缸8的頂部兩側分別焊接設有鋼製接口 18，所述接口 18與所述通氣管35相連通；所述樣品缸11於其左、右側壁的中部分別焊接設有鋼製進水口(即鋼製接頭)38 ；所述通水管36密封穿過所述圍壓缸8並與所述進水口(鋼製接頭)38相連通 (通水管36與圍壓缸8的缸壁之間最好設置密封圈以增強密封效果。利用橡膠圈進行密封為現有技術，橡膠圈圖未示。為使附圖簡潔起見，圖中右側進水口即鋼製接頭38處的通水管36未全部畫出)；所述圍壓缸8通過通水管36與所述水泵6相連通，所述圍壓缸8前的通水管36和通氣管35上分別設有閥門3、壓力表4和流量計17。(2. 2)所述內生裂隙生成模擬系統用來模擬不同變質程度的煤的內生裂隙發育狀況，包括加熱裝置、內生加壓裝置和一套圍壓裝置。所述內生加壓裝置包括軸向加載機14 ；所述軸向加載機14為液壓裝置且其加壓端14A的截面呈「凸」字形，「凸」字形加壓端14A的底部形狀與所述樣品缸11的頂部開口相適配並用來對煤樣37的整個頂部進行加壓操作。所述加熱裝置包括加熱器13和溫度調節器42，所述圍壓缸8和所述樣品缸11皆設在所述加熱器13上；加熱器13用於加熱煤樣37，溫度調節器42用於控制加熱器13以保持煤樣37的溫度。
(2. 3)所述外生裂隙生成模擬系統包括外生加壓裝置和一套所述的圍壓裝置。所述外生加壓裝置包括三套液壓裝置39(當然加壓裝置也可以設置兩套或四套以上的液壓裝置39)，三套液壓裝置39的加壓端均為加壓柱16，所述三個加壓柱16並排緊貼形成加壓部分，加壓部分的底部形狀與所述外生裂隙生成模擬系統的樣品缸11的頂部開口相適配；
所述外生裂隙生成模擬系統的樣品缸11的底部設有彈簧12，彈簧12上鋪設有高強高彈的隔離薄膜41，模擬測試時煤樣37放置在薄膜41上，使薄膜41起到隔離彈簧12與煤樣 37的作用。(3)數據顯示系統
數據顯示系統沈包括傳感裝置和數據顯示裝置22，所述傳感裝置包括壓力傳感器19 和溫度傳感器20，所述傳感裝置設置在所述內生裂隙生成模擬系統的樣品缸11上以及所述外生裂隙生成模擬系統的樣品缸11上，所述壓力傳感器19和所述溫度傳感器20均通過電纜21與所述數據顯示裝置22 (數據顯示裝置22採用通用計算機，便於顯示和記錄測試數據，也便於擴展控制功能)相連接，用於把採集的數據在計算機上進行顯示。
本發明的煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統的工作過程為 (1)樣品採集製備
選擇變質程度低、成煤時和成煤後構造運動相對緩和的地區，採集褐煤煤樣37。在鑽石機、鋸石機和磨石機上製作成IOcmX 10 cmX 10 cm的立方體煤樣37。(2)原始滲透率測試、計算
把煤樣37品裝入樣品缸11，連接通氣管35，將各流量計17與計算機信號連接在一起， 檢查裝置的氣密性後，根據實驗所需，打開所需氣體(氦氣或甲烷或二氧化碳或氮氣)的氣瓶出氣口上的閥門3，啟動高壓氣泵5，加到所需圍壓以模擬不同的儲層壓力，測試並計算褐煤原始的滲透率。(3)設置圍壓
根據實驗所需通過控制高壓氣泵5和水泵6調節氣、水比例(可進行單一氣相或單一水相加壓，也可以氣、水兩相加壓；氣、水兩相加壓時，按照實驗所需調整氣相壓力和水相壓力)，把圍壓設置到預定壓力(模擬不同的儲層壓力以及不同儲層的氣、水環境)。(4)內生裂隙生成模擬
根據實驗所需，調節加熱器13的溫度和時間，對煤體進行加熱；在加熱過程中，軸向加載機14也要進行加載。加熱器13最高能將煤樣37溫度加熱到800°C，加熱器13的溫度是由溫度調節器42控制的，設定好實驗所需溫度後，溫度調節器42在溫度低於設定溫度時自動開啟加熱器13，高於設定溫度時自動關閉加熱器13，從而將煤樣37保持在恆定的溫度範圍內。加熱後，煤樣37內部發生變化，產生內生裂隙。(5)內生裂隙生成後進行滲透率測試、計算並進行數據採集
將氣壓裝置通過通氣管35與圍壓裝置的樣品缸11相連通，打開所需氣體(氦氣或甲烷或二氧化碳或氮氣)的氣瓶出氣口上的閥門3，啟動高壓氣泵5進行加壓，測試內生裂隙模擬生成後的壓差、流量等，實驗過程中通過計算機及時收集壓力、流量變化，採集加壓過程中的各種數據，並將數據記錄為數據文件。取出煤樣37，測試煤樣37的寬度、高度和長度，對內生裂隙生成後的滲透率進行測試、計算。(6)外生裂隙生成模擬並數據採集
把取出的煤樣37置於外生裂隙生成模擬系統的樣品缸11內，把根據需要調節氣、水比例，將圍壓設置到預定壓力。啟動三套液壓裝置39，通過三個加壓柱16對煤樣37不同部分實行不同壓力加載，使煤體在不同區域產生不同的位移，從而模擬由地質構造產生的外生裂隙。實驗過程中通過計算機及時收集壓力、流量變化，採集加壓過程中的各種數據，並將數據記錄為數據文件，完成外生裂隙生成模擬。(7)外生裂隙生成後滲透率測試、計算
將氣壓裝置通過通氣管35與圍壓裝置的樣品缸11相連通，打開所需氣體(氦氣或甲烷或二氧化碳或氮氣)的氣瓶出氣口上的閥門3，啟動高壓氣泵5進行加壓模擬不同的儲層壓力，測試外生裂隙模擬後的壓差、流量等，取出煤樣37，測試煤樣37的寬度、高度和長度，對外生裂隙生成後的滲透率進行測試、計算。(8)數據處理
根據收集到的各種數據，做出不同圍壓下壓差與溫度、氣、水流量與滲透率的關係圖。(9)耦合分析
耦合分析不同圍壓下壓差與溫度、氣、水流量與滲透率的關係，得出不同變形程度、變質程度煤的內生裂隙和外生裂隙對氣、水流量的貢獻，為煤層氣經濟評價體系、開發工藝技術選擇提供改進的思路和選擇手段，避免所選擇的開發工藝不適合當地的煤質所帶來的巨大浪費。
權利要求
1.煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統，其特徵在於包括動力加載系統、煤巖裂隙生成模擬系統和數據顯示系統；(1)動力加載系統包括氣壓裝置和水壓裝置；所述氣壓裝置包括高壓氣泵以及通過各自的出氣管與所述高壓氣泵的進氣口相連通的高壓氮氣瓶、甲烷氣瓶、二氧化碳氣瓶和氦氣瓶，所述高壓氮氣瓶、甲烷氣瓶、二氧化碳氣瓶和氦氣瓶的出氣管上分別設有閥門、壓力表和流量計，所述高壓氣泵的出氣口通過通氣管與所述煤巖裂隙生成模擬系統相連通；所述水壓裝置包括水箱和水泵，所述水泵的進水口與所述水箱相連通，所述水泵的出水口通過通水管與所述煤巖裂隙生成模擬系統相連通；(2)煤巖裂隙生成模擬系統包括內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統，所述內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統中均設有一套圍壓裝置；(2. 1)所述圍壓裝置包括圍壓缸、套設在圍壓缸內的樣品缸和網片；所述圍壓缸和樣品缸的四周和底部皆密閉設置，頂部設有開口 ；所述網片在所述樣品缸內煤樣的左右兩側各設一片；所述圍壓缸的頂部兩側分別設有接口，所述接口與所述通氣管相連通；所述樣品缸於其左、右側壁的中部分別設有進水口 ；所述通水管密封穿過所述圍壓缸並與所述進水口相連通；所述圍壓缸通過通水管與所述水泵相連通，所述圍壓缸前的通水管上設有閥門、 壓力表和流量計；(2. 2)所述內生裂隙生成模擬系統包括加熱裝置、內生加壓裝置和一套圍壓裝置；所述內生加壓裝置包括軸向加載機；所述軸向加載機為液壓裝置且其加壓端的底部形狀與所述樣品缸的頂部開口相適配；所述圍壓缸和所述樣品缸皆設在所述加熱裝置上；(2. 3)所述外生裂隙生成模擬系統包括外生加壓裝置和一套所述的圍壓裝置；外生加壓裝置包括兩套以上的液壓裝置，所述各液壓裝置的加壓端均為加壓柱，所述各加壓柱並排緊貼形成加壓部分，加壓部分的底部形狀與所述樣品缸的頂部開口相適配；所述樣品缸底部設有彈簧，彈簧上鋪設有高強高彈的隔離薄膜；(3)數據顯示系統用包括傳感裝置和數據顯示裝置，所述傳感裝置包括壓力傳感器和溫度傳感器，所述傳感裝置設置在所述內生裂隙生成模擬系統的樣品缸上以及所述外生裂隙生成模擬系統的樣品缸上，所述壓力傳感器和所述溫度傳感器均與所述數據顯示裝置相連接。
2.根據權利要求1所述的煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統，其特徵在於所述加熱裝置包括加熱裝置包括加熱器和溫度調節器，所述圍壓缸和所述樣品缸皆設在所述加熱器上。
3.根據權利要求1或2所述的煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統，其特徵在於 所述數據顯示裝置為通用計算機。
全文摘要
本發明公開了一種煤變質演化裂隙系統發育模擬測試系統，包括動力加載系統、煤巖裂隙生成模擬系統和數據顯示系統；動力加載系統包括氣壓裝置和水壓裝置；煤巖裂隙生成模擬系統包括內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統，所述內生裂隙生成模擬系統和外生裂隙生成模擬系統中均設有一套圍壓裝置；數據顯示系統用包括傳感裝置和數據顯示裝置。本發明結構簡單，使用方便，能夠模擬煤在不同溫度、壓力條件下變質演化過程中內生裂隙和外生裂隙的形成過程，並對不同變化程度、不同壓力條件下的滲透率進行測試，對裂隙發育系統進行定量化，為煤層氣經濟評價體系、開發工藝的正確選擇、選型提供指導。
文檔編號E21B43/26GK102279420SQ20111009512
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月15日 優先權日2011年4月15日
發明者倪小明, 夏大平, 李金海, 沈毅, 蘇現波, 賈炳 申請人:河南理工大學