[发明专利]超临界二氧化碳驱替煤层甲烷的多功能实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层气多功能实验装置及方法，特别是一种超临界二氧化碳驱替煤层甲烷的多功能实验装置及方法。

背景技术

煤层气作为一种新型洁净能源，其勘探开发在改善我国能源结构、缓解温室效应和遏制煤矿瓦斯灾害等方面显示出重要的价值。煤层气主要为呈吸附状态的甲烷，而甲烷的吸附能力小于二氧化碳，因此，利用二氧化碳的强吸附性优势，通过在煤层中注入二氧化碳置换出甲烷，以提高煤层气采收率并减少温室气体排放是非常有效的途径。二氧化碳在深部煤层中常常呈超临界状态，这是因为二氧化碳临界温度为31.26℃，临界压力为7.38MPa，深度大于800m的煤储层即可满足其超临界条件。因此，在深部煤层中注入二氧化碳驱替开采煤层气的过程中，二氧化碳与煤岩之间不仅存在吸附/解吸效应，而且存在超临界二氧化碳对煤中有机质的萃取作用。超临界流体的萃取能力随其流体密度的增加而增加，超临界二氧化碳作为一种绿色有机溶剂，其临界密度为0.448g/cm³，是常用的超临界流体中最高的，因此超临界二氧化碳具有强大的有机质萃取能力，常被广泛应用于萃取工序。

当超临界二氧化碳注入深部煤层用作驱替开采煤层甲烷的动力气体时，由于其较强的有机质溶解萃取能力，可有效地改善煤储层孔/裂隙结构，提高煤储层渗透性，即可以作为增透剂作用于煤层。因此，提出一种超临界二氧化碳驱替煤层甲烷并萃取煤岩的多功能实验装置，能够动态监测超临界二氧化碳驱替煤中甲烷并萃取煤有机质过程中裂隙发育规律、受压过程中多轴应力和轴向形变规律，并能够获取甲烷驱替率和实验前后煤样渗透率变化。

利用超临界二氧化碳进行萃取的试验装置有：专利号CN201510131256.0公开了一种超临界二氧化碳注入与煤层气强化驱替模拟试验装置,该装置能够在试验室内实现模拟超临界二氧化碳注入与煤层气强化驱替的过程，并能够测量煤岩体积膨胀量；专利号CN201510036505.8公开了一种二氧化碳注入与煤层气强化开采地球化学效应模拟试验装置，该装置能够在试验室内模拟深部煤层高温高压的环境，实现超临界二氧化碳体系与煤岩样品在深部煤层条件下地球化学反应的模拟试验。然而上述两项专利均不能实现超临界二氧化碳驱替萃取过程中甲烷的驱替率测试、煤岩裂隙发育规律和应力变形监测以及萃取前后渗透率变化测试等功能。

发明内容

本发明的目的是要提供一种超临界二氧化碳驱替煤层甲烷的多功能实验装置及方法，解决不能实现超临界二氧化碳驱替萃取过程中甲烷的驱替率测试、煤岩裂隙发育规律和应力变形监测以及萃取前后渗透率变化测试的问题。

本发明的目的是这样实现的：该多功能实验装置包括超临界介质供给系统、甲烷供给与溶解系统、抽真空系统、加压驱替萃取系统、分离收集系统和信号采集系统；超临界介质供给系统和甲烷供给与溶解系统与加压驱替萃取系统的输入端连接，加压驱替萃取系统和输出端分别与抽真空系统、分离收集系统和信号采集系统连接。

所述超临界介质供给系统包括二氧化碳气体供给装置、夹带剂供给装置和搅拌混合装置；二氧化碳气体供给装置和夹带剂供给装置同时与搅拌混合装置的输出端连接。

所述二氧化碳气体供给装置包括二氧化碳气瓶、可调节流阀A、流量计A、模压机和减压阀A；二氧化碳气瓶、可调节流阀A、流量计A、模压机和减压阀A顺序连接。

所述夹带剂供给装置包括夹带剂试剂瓶、可调节流阀B、双向变量液压泵B、流量计B；夹带剂试剂瓶、可调节流阀B、双向变量液压泵B、流量计B顺序连接。

所述搅拌混合装置包括电动机、搅拌式混合器、热交换器和可调节流阀C。

电动机与搅拌式混合器连接，在搅拌式混合器下有热交换器，热交换器与可调节流阀C连接；由可调节流阀C流出的混合物经管路与加压驱替萃取系统的进气口A通过三通螺纹管接头连接；为保证进气温度，在热交换器与进气口A之间的管路用保温棉包裹。

所述甲烷供给与溶解系统包括甲烷供给装置和甲烷溶解装置；甲烷供给装置和甲烷溶解装置分别安装在加压驱替萃取系统输入和输出端。

所述甲烷供给装置包括甲烷气瓶、双向变量气压泵、流量计C和可调节流阀D，甲烷气瓶、双向变量气压泵、流量计C和可调节流阀D顺序连接，在流量计C和可调节流阀D之间的连接管道是连接有压力表；可调节流阀D流出的甲烷气体经管道与进气口A通过三通螺纹管接头连接。

所述甲烷溶解装置包括可调节流阀F、流量计D和苯试剂瓶；可调节流阀F、流量计D和苯试剂瓶顺序连接；其中可调节流阀F入口与加压驱替萃取系统的出气口通过四通螺纹管接头连接，苯试剂瓶的苯试剂能够溶解甲烷气体。