[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

摘要

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，属于煤层气多功能实验装置及方法。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。优点：利用超临界二氧化碳特殊的物理、化学特性实现三轴压力作用下超临界二氧化碳驱替煤层甲烷并萃取煤岩的多功能实验，结构简单、功能齐全、造价低廉，能够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。

主权项

1.一种超临界二氧化碳驱替煤层甲烷的多功能实验装置，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，加压驱替萃取系统的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；所述的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；所述抽真空系统包括真空泵和可调节流阀E，真空泵和可调节流阀E顺序连接；其中真空泵的另一端经管路与加压驱替萃取系统的出气口通过四通螺纹管接头连接；所述加压驱替萃取系统包括基架、轴压加载装置、围压加载装置和反应釜；反应釜安装在基架上，轴压加载装置和围压加载装置分别连接在反应釜的进、出上；所述基架包括底座、支撑立柱、支撑架和承载梁；支撑立柱有两个，对称布置在底座上；支撑架通过螺栓固定于相应支撑立柱上；承载梁连接在两个支撑立柱之间；所述轴压加载装置包括液压缸、活塞、下支撑盘、下云母板、下加载块、下T形加载块、上T形加载块和力传感器；下T形加载块位于上T形加载块的上端；在活塞的上端连接有下支撑盘，在下支撑盘上端有下加载块，在下支撑盘上端和下加载块之间有下云母板；下T形加载块与下加载块呈球面接触，避免安装偏差引起的轴与孔之间卡住；力传感器两端分别与基架的支撑架、上支撑盘通过螺钉连接；所述围压加载装置包括氮气瓶、双向变量气压泵B、单向阀、压力计A和可调节流阀H；氮气瓶、双向变量气压泵B、单向阀和可调节流阀H顺序连接，在单向阀和可调节流阀H之间的管路上连接有压力计A；经可调节流阀H流出的氮气经管路与进气口B通过两通螺纹管接头连接，氮气对皮套包围的煤样施加围压；所述反应釜包括外支撑装置和驱替萃取装置；所述外支撑装置包括上云母板、支撑凸台、耐高温密封圈、压盖、紫铜垫、沉头螺钉和筒体；支撑凸台与压盖间设有高温密封圈，压盖、紫铜垫与筒体通过沉头螺钉连接，环状筒体开设有进气口A、进气口B和出气口；所述驱替萃取装置包括金属密封垫A、滤网A、支撑垫块、煤样、云母粉、皮套、出气口压块、进气口压块、滤网B和金属密封垫B；其中，进气口压块、出气口压块分别与套筒内表面通过耐高温的上Y型密封圈和下Y型密封圈密封，以保证围压气体不泄露；进气口压块和出气口压块中部均打有孔，孔中放置滤网A和滤网B，用于气体进入进气口A和由出气口排出；皮套和筒体之间留有微小间隙用于施加围压气体；云母粉可保证驱替与萃取过程中恒定的温度环境；筒体外表面缠有加热导管，控制反应釜的外部环境温度；所述分离收集系统包括可调节流阀G、溢流阀、减压阀B、气液分离器、氢氧化钠试剂瓶、澄清石灰水试剂瓶、可调节流阀I、流量计E和甲烷收集瓶A；可调节流阀G、溢流阀、减压阀B、气液分离器48、氢氧化钠试剂瓶、澄清石灰水试剂瓶、可调节流阀I、流量计E和甲烷收集瓶A顺序连接；所述信号采集系统包括形变测量单元、载荷测量单元和声发射单元；形变测量单元、载荷测量单元和声发射单元与各自的传感器连接，各自的传感器分别连接在基架、轴压加载装置的上支撑盘和轴压加载装置的下T形加载装置上；所述形变测量单元包括安装于底座上的激光位移传感器和固定夹具；固定夹具焊接于底座上，激光位移传感器通过螺钉固定于固定夹具上，用于测量煤样的形变大小；所述载荷测量单元包括力传感器；力传感器两端分别与上T形加载块、承载梁通过螺钉连接，用于测量施加的轴向压力变化；所述声发射单元包括置于下T形加载块的声发射传感器；声发射传感器与下T形加载块侧面之间涂有黄油介质，用于测量实验过程中煤样的裂纹萌生与扩展特性。