本發(fā)明涉及一種模擬煤體中氣液兩相滲流的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，屬于滲流力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國是煤炭資源大國，同時也是煤層氣的賦存大國，隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤層氣將會成為能源結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，同時煤層氣的開發(fā)利用還能夠有效降低煤礦開采過程中產(chǎn)生瓦斯相關(guān)事故的幾率。但是由于我國煤層氣賦存地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層氣開發(fā)受到了嚴(yán)重制約。

原位條件下的煤層處于水飽和狀態(tài)，現(xiàn)在較為常用的開采方式為對煤層進(jìn)行排水，降低儲層的壓力，從而使得煤層氣通過解析擴(kuò)散以及滲流方式流出，為提高煤層氣采出率也出現(xiàn)了水壓致裂煤體以及注液驅(qū)除煤層瓦斯的手段，在煤層氣開發(fā)過程中對煤層氣進(jìn)行抽采利用必須考慮煤層中的水分對于煤層氣運(yùn)移的影響。但是對于氣液兩相相對滲流規(guī)律的研究仍不透徹，現(xiàn)有的煤層氣試驗(yàn)裝置尤其是多相流動試驗(yàn)裝置多集中于小煤樣試件，而且由于測量精度以及對于原位地層狀況的模擬程度并不滿足要求，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況相差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種模擬煤體中氣液兩相滲流的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，能夠有效模擬原始地質(zhì)條件下煤體中氣液兩相滲流，為煤層中兩相流的運(yùn)移規(guī)律研究提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明提供了一種模擬煤體中氣液兩相滲流的試驗(yàn)裝置，包括氣體儲存裝置、液體儲存裝置、氣體加壓裝置、氣液注入裝置、加載裝置、收集計量裝置；加載裝置包括煤體試件固定裝置、試驗(yàn)溫度控制裝置、圍壓與軸壓加載伺服控制裝置、背壓控制裝置，加載裝置一端連接氣體儲存裝置、液體儲存裝置，另一端連接收集計量裝置；

所述氣體儲存裝置為高壓氣體儲存罐；高壓氣體儲存罐與氣源、進(jìn)氣閥連接；

液體儲存裝置包括液體儲存罐；

所述氣體加壓裝置為空氣增壓泵，空氣增壓泵與高壓氣體儲存罐連接，為高壓氣體儲存罐增壓；

所述氣液注入裝置為精密注入泵，包括精密氣體注入泵和精密液體注入泵，精密氣體注入泵與高壓氣體儲存罐連接，精密液體注入泵與液體儲存罐連接；

所述煤體試件固定裝置，包括入口端壓力監(jiān)測裝置、堵頭、地層環(huán)境模擬器、四分之一圓傾角刻度盤、煤體試件、液壓支柱、液壓泵及出口端壓力監(jiān)測裝置；該裝置周壁上設(shè)有一個與圍壓加載伺服控制裝置管線相連的圓形圍壓加載接口；煤體試件兩端通過堵頭密封，前堵頭由卡槽與地層環(huán)境模擬器相連，相連部位有圓形接口接出管線與軸壓伺服控制裝置相連，堵頭兩側(cè)分別連接入口端壓力監(jiān)測裝置及出口端壓力監(jiān)測裝置，煤體試件位于地層環(huán)境模擬器的中部，軸壓通過前后堵頭加載，堵頭使用卡槽固定；所述煤體試件固定裝置通過在地層環(huán)境模擬器一端采用液壓泵驅(qū)動液壓支柱抬高，從而使另一端旋轉(zhuǎn)達(dá)到調(diào)節(jié)傾角的目的；

所述試驗(yàn)溫度控制裝置包括加熱保溫套及溫度監(jiān)控裝置，加熱保溫套包裹在地層環(huán)境模擬器外部，以確保試驗(yàn)的溫度條件；

所述圍壓與軸壓加載伺服控制裝置包括連接在地層環(huán)境模擬器上的軸壓加載伺服控制裝置及圍壓加載伺服控制裝置；軸壓加載伺服控制裝置通過管線與前堵頭的卡槽位置相連，圍壓加載伺服控制裝置通過管線與地層環(huán)境模擬器周壁上的接口相連；

所述背壓控制裝置由背壓閥組成；

所述收集計量裝置包括液體收集罐、氣體收集罐、兩個精密天平。

上述裝置中，所述高壓氣體儲存罐與液體儲存罐的上部連接閥門，均配有精密注入泵進(jìn)行注入，采用恒流量或恒壓注入的模式。

上述裝置中，所述高壓氣體儲存罐與液體儲存罐出口處設(shè)有流量計進(jìn)行前期流量測量。

上述裝置中，所述煤體試件固定裝置通過對其一端進(jìn)行抬高，調(diào)節(jié)固定裝置的傾斜角度。

上述裝置中，在氣液注入裝置與地層環(huán)境模擬器連接處和出口閥門前端對于壓力測量采用三種不同量程的壓力計交替測量以提高精度。在試驗(yàn)時，本發(fā)明的地層環(huán)境模擬器前后端均有三個不同量程的精密壓力計進(jìn)行交替的壓力測量，可以精密監(jiān)測注入口與出口端壓力，尾部設(shè)有背壓閥裝置，可以模擬不同壓力差情況下的兩相流動。

本發(fā)明提供了一種模擬煤體中氣液兩相滲流的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

1、將試件圓柱體或長方體件放入地層環(huán)境模擬器中，前后用堵頭密封堵住。

2、根據(jù)所需要模擬煤層埋藏深度計算煤體所在溫度環(huán)境、壓力環(huán)境及煤層傾角。設(shè)定加熱保溫套所需溫度，觀察溫度監(jiān)控裝置，待溫度穩(wěn)定后，根據(jù)所計算壓力使用圍壓加載伺服控制裝置與軸壓加載伺服控制裝置對煤體試件施加壓力。根據(jù)煤層傾角，使用液壓泵向液壓支柱加壓，抬高反應(yīng)釜一端，反應(yīng)釜另一端隨軸旋轉(zhuǎn)，并帶動角度指針運(yùn)動，指示所傾斜角度，通過傾角刻度表盤確定傾斜角度。

3、若模擬原始水飽和狀態(tài)煤體中瓦斯流動過程，關(guān)閉后部出口閥，打開精密液體注入泵，采用恒壓方式對前期已潤濕處理的煤體進(jìn)行再次的水飽和處理。待水飽和完畢后根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M條件運(yùn)用背壓閥增加反應(yīng)釜尾端背壓。打開出口閥，打開氣源，使氣體進(jìn)入高壓氣體儲存罐，采用空氣增壓泵對高壓氣體儲存罐內(nèi)部氣體加壓，利用精密氣體注入泵向地層環(huán)境模擬器注入氣體，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求可選擇恒壓注入或者恒流注入兩種方式。

若模擬注水驅(qū)煤層氣過程中的兩相流動過程，關(guān)閉后部出口閥，打開氣源，使氣體進(jìn)入高壓氣體儲存罐，使用空氣增壓泵對高壓氣體儲存罐中氣體加壓，利用精密氣體注入泵向地層環(huán)境模擬器采用恒壓方式注入氣體，對煤體試件進(jìn)行氣體飽和處理。待氣體飽和完畢后，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M條件運(yùn)用背壓閥增加地層環(huán)境模擬器尾端背壓。打開出口閥，打開精密液體注入泵向地層環(huán)境模擬器進(jìn)行注液，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求可選擇恒壓注入或者恒流注入兩種方式。

4、末端充滿除濕劑的液體收集罐收集液體，充滿液體的氣體收集罐收集氣體，收集量由第一精密天平與第二精密天平測量，錄入電腦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

本發(fā)明在使用時，氣體源由氣瓶提供氣體，進(jìn)入氣體儲存裝置由氣體增壓裝置進(jìn)行加壓，高壓氣體儲存?zhèn)溆茫后w源為純凈水，氣體或液體通過精密注入泵采用恒壓或者恒流方式注入，氣液由管線進(jìn)入固定試件的地質(zhì)環(huán)境模擬器，通過壓力加載伺服控制裝置可以實(shí)現(xiàn)對圍壓和軸壓的分別精確控制并維持穩(wěn)定，地質(zhì)環(huán)境模擬器傾斜角度可通過抬高其一端實(shí)現(xiàn)，測試溫度由試驗(yàn)溫度控制部分保證，以上手段的實(shí)施可以模擬不同壓力條件、不同環(huán)境溫度以及不同傾斜角度的煤層環(huán)境，尾部采用稱量氣液通過除濕劑后增加的質(zhì)量計算煤體中流出的液體質(zhì)量，后部采用排水集氣裝置，通過測量液體減少質(zhì)量，即排出的液體質(zhì)量反算排出的氣體體積。

本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有煤體滲流試驗(yàn)裝置與方法相比，該試驗(yàn)裝置充分考慮了大煤樣試件在于不同的壓力溫度以及傾角條件之下的煤體中氣液兩相相對滲流的情況，并且對于各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精密測量。本發(fā)明不僅是氣液兩相滲流的模擬試驗(yàn)裝置的重要革新，更為原位狀態(tài)下開采煤層氣的理論發(fā)展提供切實(shí)有效的方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1—?dú)庠矗?—進(jìn)氣閥；3—精密氣體注入泵；4—空氣增壓泵；5—第一閥門；6—高壓氣體儲存罐；7—精密液體注入泵；8—第二閥門；9—液體儲存罐；10—流量計；11—入口端壓力監(jiān)測裝置；12—堵頭；13—地層環(huán)境模擬器；14—軸壓加載伺服控制裝置；15—加熱保溫套；16—傾角刻度表盤；17—圍壓加載伺服控制裝置；18—煤體試件；19—溫度監(jiān)控裝置；20—液壓支柱；21—液壓泵；22—出口端壓力監(jiān)測裝置；23—出口閥；24—背壓閥；25—液體收集罐；26—第一精密天平；27—?dú)怏w收集罐；28—第二精密天平。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

如圖1所示，一種模擬煤體中氣液兩相滲流的試驗(yàn)裝置，包括氣體儲存裝置、液體儲存裝置、氣體加壓裝置、氣液注入裝置、加載裝置、收集計量裝置；加載裝置包括煤體試件固定裝置、試驗(yàn)溫度控制裝置、圍壓與軸壓加載伺服控制裝置、背壓控制裝置，加載裝置一端連接氣體儲存裝置、液體儲存裝置，另一端連接收集計量裝置；

所述氣體儲存裝置為高壓氣體儲存罐（6）；高壓氣體儲存罐（6）與氣源（1）、進(jìn)氣閥（2）連接；

液體儲存裝置包括液體儲存罐（9）；

所述氣體加壓裝置為空氣增壓泵（4），空氣增壓泵（4）與高壓氣體儲存罐（6）連接，為高壓氣體儲存罐（6）增壓；

所述氣液注入裝置為精密注入泵，包括精密氣體注入泵（3）和精密液體注入泵（7），精密氣體注入泵（3）與高壓氣體儲存罐（6）連接，精密液體注入泵（7）與液體儲存罐（9）連接；

所述煤體試件固定裝置，包括入口端壓力監(jiān)測裝置（11）、堵頭（12）、地層環(huán)境模擬器（13）、四分之一圓傾角刻度盤（16）、煤體試件（18）、液壓支柱（20）、液壓泵（22）及出口端壓力監(jiān)測裝置（22）；該裝置周壁上設(shè)有一個與圍壓加載伺服控制裝置（17）管線相連的圓形圍壓加載接口；煤體試件兩端通過堵頭密封，前堵頭由卡槽與地層環(huán)境模擬器相連，相連部位有圓形接口接出管線與軸壓伺服控制裝置（14）相連，堵頭兩側(cè)分別連接入口端壓力監(jiān)測裝置及出口端壓力監(jiān)測裝置，煤體試件位于地層環(huán)境模擬器的中部，軸壓通過前后堵頭加載，堵頭使用卡槽固定；所述煤體試件固定裝置的傾角能通過在地層環(huán)境模擬器一端使用液壓泵使得液壓支柱抬高從而導(dǎo)致另一端沿軸旋轉(zhuǎn)從而變換傾角的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述傾角刻度盤為四分之一圓，量程為0~90°。

所述試驗(yàn)溫度控制裝置包括加熱保溫套（15）及溫度監(jiān)控裝置（19），加熱保溫套（15）包裹在地層環(huán)境模擬器（13）外部，以確保試驗(yàn)的溫度條件；

所述圍壓與軸壓加載伺服控制裝置包括連接在地層環(huán)境模擬器上的軸壓加載伺服控制裝置（14）及圍壓加載伺服控制裝置（17）；軸壓加載伺服控制裝置（14）通過管線與前堵頭的卡槽位置相連，圍壓加載伺服控制裝置（17）通過管線與地層環(huán)境模擬器（13）周壁上的接口相連；

所述背壓控制裝置由背壓閥（24）組成；

所述收集計量裝置包括液體收集罐（25）、氣體收集罐（27）、兩個精密天平。

上述裝置中，所述高壓氣體儲存罐與液體儲存罐的上部連接閥門，均配有精密注入泵進(jìn)行注入，采用恒流量或恒壓注入的模式。

上述裝置中，所述高壓氣體儲存罐與液體儲存罐出口處設(shè)有流量計進(jìn)行前期流量測量。

上述裝置中，所述煤體試件固定裝置通過對其一端進(jìn)行抬高，調(diào)節(jié)固定裝置的傾斜角度。

上述裝置中，在氣液注入裝置與地層環(huán)境模擬器（13）連接處和出口閥門（23）前端對于壓力測量采用三種不同量程的壓力計交替測量以提高精度。在試驗(yàn)時，本發(fā)明的地層環(huán)境模擬器前后端均有三個不同量程的精密壓力計進(jìn)行交替的壓力測量，可以精密監(jiān)測注入口與出口端壓力，尾部設(shè)有背壓閥裝置，可以模擬不同壓力差情況下的兩相流動。

本發(fā)明提供的試驗(yàn)裝置可以模擬原始水飽和煤層中氣液兩相相對的滲透流動，也能模擬注水驅(qū)煤層瓦斯過程中的氣液相對滲流情況。下面通過實(shí)施例具體說明。

實(shí)施方式1：模擬原始水飽和狀態(tài)煤體中瓦斯流動過程中兩相滲流情況。

具體操作步驟如下：

1、將試件尺寸為φ25×50mm的圓柱體試件放入地層環(huán)境模擬器（13）中，前后用堵頭（12）密封堵住。

2、根據(jù)所需要模擬煤層埋藏深度計算煤體所在溫度環(huán)境、壓力環(huán)境及煤層傾角。設(shè)定加熱保溫套（15）所需溫度，觀察溫度監(jiān)控裝置（19），待溫度穩(wěn)定后，根據(jù)所計算壓力使用圍壓加載伺服控制裝置（17）與軸壓加載伺服控制裝置（14）對煤體試件（18）施加壓力。根據(jù)煤層傾角，使用液壓泵（21）向液壓支柱（20）加壓，抬高反應(yīng)釜一端，通過傾角刻度表盤（16）確定傾斜角度。

3、關(guān)閉后部出口閥（23），打開精密液體注入泵（7），采用恒壓方式對前期已潤濕處理的煤體進(jìn)行再次的水飽和處理，持續(xù)時間為72小時。

4、待水飽和完畢后根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M條件運(yùn)用背壓閥（24）增加反應(yīng)釜尾端背壓。

5、打開出口閥（23），打開氣源（1），使氣體進(jìn)入高壓氣體儲存罐（6），采用空氣增壓泵（4）對高壓氣體儲存罐（6）內(nèi)部氣體加壓，利用精密氣體注入泵（3）向地層環(huán)境模擬器（13）注入氣體，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求可選擇恒壓注入或者恒流注入兩種方式。

6、末端充滿除濕劑的液體收集罐（25）收集液體，充滿液體的氣體收集罐（27）收集氣體，收集量由第一精密天平（26）與第二精密天平（28）測量，錄入電腦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

實(shí)施方式2：模擬注水驅(qū)煤層氣過程中的兩相流動狀況。

具體實(shí)施操作步驟如下：

1、將試件尺寸為100×100×200mm的長方體試件放入地層環(huán)境模擬器（13）中，前后用堵頭（12）密封堵住。

2、根據(jù)所需要模擬煤層埋藏深度計算煤體所在溫度環(huán)境、壓力環(huán)境及煤層傾角。設(shè)定加熱保溫套（15）所需溫度，觀察溫度監(jiān)控裝置（19），待溫度穩(wěn)定后，根據(jù)所計算壓力使用圍壓加載伺服控制裝置（17）與軸壓加載伺服控制裝置（14）對煤體（18）施加壓力。根據(jù)煤層傾角，使用液壓泵（21）向液壓支柱（20）加壓，抬高反應(yīng)釜一端，通過傾角刻度表盤（16）確定傾斜角度。

3、關(guān)閉后部出口閥（23），打開氣源（1），使氣體進(jìn)入高壓氣體儲存罐（6），使用空氣增壓泵（4）對高壓氣體儲存罐（6）中氣體加壓，利用精密氣體注入泵（3）向地層環(huán)境模擬器（13）采用恒壓方式注入氣體，對煤體試件（18）進(jìn)行氣體飽和處理，持續(xù)時間為72小時。

4、待氣體飽和完畢后，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M條件運(yùn)用背壓閥（24）增加地層環(huán)境模擬器（13）尾端背壓。

5、打開出口閥（23），打開精密液體注入泵（7）向地層環(huán)境模擬器（13）進(jìn)行注液，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求可選擇恒壓注入或者恒流注入兩種方式。

6、末端充滿除濕劑的液體收集罐（25）收集液體，充滿滿液體的氣體收集罐（27）收集氣體，收集量由第一精密天平（26）與第二精密天平（28）測量，錄入電腦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

該試驗(yàn)裝置能夠模擬不同的應(yīng)力條件、溫度條件以及煤層傾角的煤體中氣液兩相相對滲流問題，但是以上實(shí)施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過參照本發(fā)明的實(shí)施方式已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的科研技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變。