[发明专利]低渗煤层气微波-液氮循环冻融促解增渗实验装置及方法

说明书

低渗煤层气微波‑液氮循环冻融促解增渗实验装置及方法，包括试样三轴加载装置、液氮制冷系统、微波加热装置、温度检测装置和气体测量装置。实验方法包括以下步骤：安装煤样，对煤样三轴加压，进行吸附实验，为煤样进行液氮致冷，对处于低温环境中的煤样施加微波高温热载，煤样处于高低温交替循环状态，最后进行含瓦斯煤样的解吸实验。微波发生器产生的微波经波导传输至三轴仪内直接对含瓦斯煤样进行辐射加热，加热效果极佳；液氮通过注入装置直接注入三轴仪内与含瓦斯煤样直接接触，可诱发微裂隙的萌生或者原生裂隙的扩展，致裂效果尤为明显。此装置有效地模拟煤岩在极速冻融循环环境下吸附解吸规律，加载轴压和围压模拟煤岩真实受力状态。

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，特别涉及低渗煤层气微波-液氮循环冻融促解增渗实验装置及方法。

背景技术

我国大部分地区煤层属于高储量低渗透煤层,煤层气的抽采效率极低，煤层气的产量不容乐观，无法进行常规工业化开采。为实现煤层气的工业化生产，国内外研究学者提出了压裂、注热、趋替等瓦斯增产方法，还有许多新兴技术如电化学法、溶剂萃取法等也相继被提出，但是上述方法都存在一定的局限性。近年来，声震、电磁场激励等促进煤层瓦斯解吸与扩散来提高煤层瓦斯抽采率的物理场激励法得到了广泛关注，但对煤岩体的影响基本上是一致的，在一定程度上具有促进煤层瓦斯解吸、运移的作用。

与常规瓦斯增产方法相比，微波具有加热速率快的优点，液氮超低温致裂明显，那么在这两种情况双重作用下，煤岩体解吸特性极有可能大幅度增加，为明确上述对煤层气吸附解吸特性的影响，需要开展对应的吸附解吸实验。本专利提出的一种低渗煤层气微波-液氮循环冻融促解增渗实验装置，其作用实质是利用高低温温度变化来改变煤体内部结构，使得煤原有孔隙扩展和产生一些新的孔隙，最终形成更加顺畅的甲烷运移通道，从而有效增加甲烷解吸效率。由于微波和液氮结合的复杂性，无法使用现有的吸附解吸实验装置直接进行实验研究。

在现有技术中，CN107091798A公开了急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，由旋转的微波天线形成高频变化的磁场加热煤体。微波天线一般用于信号通讯，其加热作用通常不明显。该装置液氮降温时，采用玻璃腔内液氮预热汽化的方法来达到降温目的，此方法高温煤体降温速度缓慢，煤样致裂效果不明显。本专利中微波发生器产生的微波通过波导管传输至三轴仪内，直接辐射于煤体，加热效果明显。本专利中装置注入液氮采取的是液氮与煤体直接接触的方式，接触时液态氮会进入原有孔隙，导致与液氮接触的媒体表面温度骤降，引起煤体颗粒收缩并产生拉伸应力，当拉应力超过煤样的强度时可诱发微裂隙的萌生或者原生裂隙的扩展，致裂效果尤为明显。CN108398334A公开了一种液氮结合远红外辐射冻融循环的实验装置及方法，使用远红外对低温煤体进行升温，远红外加热实质是利用热源发出的远红外线照射物体，靠辐射对物体表面进行加热，再通过热传导传导物体内部。而微波穿透能力强，可穿透介质将能量直接传导介质分子中，由分子的震动摩擦产生热量，热源来自物体内部，加热更均匀，加热效率更高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低渗煤层气微波-液氮循环冻融促解增渗实验装置，该装置液氮流体接触煤样迅速冷冻致裂，然后将微波作用煤样实现快速加热解冻，能够让煤样迅速持续地处于冷热交替系统中，并且具有三轴加载功能，模拟煤样应力状态及气体吸附解吸过程，从而获得微波—液氮极速冻融循环下煤层气解吸规律，为应用于现场开采提供理论支撑。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低渗煤层气微波-液氮循环冻融促解增渗实验装置，包括试样三轴加载装置、液氮制冷系统、微波加热装置、温度检测装置和气体测量装置，所述试样三轴加载装置通过其上的液氮注入外接口与液氮制冷系统相连，试验三轴加载装置通过其上的温度测量孔与温度检测装置相连，试验三轴加载装置通过套筒与微波加热装置相连，试验三轴加载装置通过其上的出气外接孔与气体测量装置相连。