[发明专利]煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替模拟试验系统与试验方法

说明书

本发明公开了一种煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的模拟试验系统与试验方法。其包括流体注入系统、模型密封加载系统、数据采集和数据处理与控制系统。可实现对大尺度煤岩体在不同载荷下注入流体(气、汽、液)的功能，可用于模拟煤层水力压裂、水力割缝、爆破致裂等增透措施，可用于模拟注气、注热等增产煤层瓦斯措施；可实时监测煤岩体内部的流体流量、压力、固体应力、应变和温度等物理量，探明承压及卸压状态下流体渗流过程中的气体压力场、应力场、形变、温度场等多场耦合演变规律。整套系统结构简单、分工明确、便于拆装，可为水力压裂、水力割缝、爆破致裂、注气、注热等增透增产技术提供试验参数，为理论研究提供验证平台。

技术领域

本发明属于矿业工程、岩土工程科研技术领域，具体的说，涉及一种煤岩层瓦斯动力增透渗流与驱替的模拟试验系统与试验方法。

背景技术

我国是世界上发生煤与瓦斯突出最严重的国家，煤层透气性普遍偏低是其中的重要原因之一，同时，煤层气也是一种重要的非常规天然气资源，它主要以吸附态赋存于煤岩基质孔隙表面。为增大原始煤层渗透性，通常采取人工措施以强化抽采煤层瓦斯，如水力冲孔、水力压裂、水力割缝和松动爆破等。

上述增透措施的原理是通过外力增加煤岩裂缝，降低岩体强度、增加渗透性等，从而使开采过程安全高效。但是目前的监测技术无法精确的监测增透过程中裂缝的实时扩展及裂缝形态，因此人们对现场施工裂缝的扩展规律等不清楚，施工工艺不够完善，施工过程具有盲目性，造成施工效果不佳甚至易诱导煤与瓦斯突出，在很大程度上制约了动力增透技术的发展和推广。

此外，煤岩层注介质(液/气)驱替是一种新兴的增产技术，其原理是向煤层注入气体或热液，气体与CH4竞争吸附和降低CH4有效分压，促进瓦斯解吸，同时改变压力传导特性和增大扩散速率，从而提高煤层气采收率。而热液在多孔介质煤体中驱替裂隙中游离瓦斯，在毛细管力作用下置换封堵游离瓦斯，同时煤层注热液可改变煤体力学性质及采场应力的重新分布，对造成煤与瓦斯突出因素同时产生影响，达到消除煤与瓦斯突出的作用。

目前，前人针对含瓦斯煤岩压裂渗流、动力增透、注介质驱替等已开展了大量的试验研究，研制了一系列模拟试验装置，研究现状如下：

(1)申请号为201510080598.4的中国专利公开了一种煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验装置，该装置由真三轴伺服控制实时加载系统、水力压裂系统、超临界压裂系统、渗透系统、循环冷却系统、温度加载及保温控制系统、声发射监测系统、压力-变形测试系统及数据采集和自动化控制系统九大系统组成，可模拟真实地层的埋藏条件，对试件进行高温加热模拟深度地层温度环境；通过高压水力或超临界CO2进行压裂试验；通过注入高压孔隙水或气体进行煤岩渗透试验以测试压裂效果；通过声发射系统全程监测压裂产生的裂缝的起裂、扩展及开闭合特性，观察和分析掌握裂缝的形成及扩展机理。但该装置不具备瓦斯气体密封功能，仅能实现煤岩高温高压真三轴压裂渗流试验，不能监测煤层瓦斯赋存的应力场、气压场、形变、温度场等变化。

(2)申请号为201120308468.9的中国专利公开了一种长岩心模型驱替装置，装置包括：注入系统、模型系统、测量系统、控制系统，其注入系统可进行恒压恒速流量注入；模型系统由单个或多个填砂模型管、回压系统串联；测量系统可用于测量压力、温度、流量数据；控制系统用于由计算机自动控制注入泵的流量，并利用采集处理软件，采集和处理上述压力、温度、流量数据。该装置可以利用组合的串联模型管来满足采油领域中模拟较长距离驱替的需要，并根据不同模拟工艺进行一个或多个组合使用。但该装置不能进行地应力加载。