[发明专利]一种煤层加热与注CO2

摘要

一种煤层加热与注CO2协同强化瓦斯抽采模拟试验方法，适用于针对实验室中模拟煤层加热与注CO2协同强化瓦斯抽采模拟试验使用。制备煤样，对煤样抽真空直至压力小于100Pa，向煤样中充入瓦斯，利用多功能钻孔模拟瓦斯抽采，分别检测对煤样加热、充入二氧化碳后对瓦斯抽采的影响。模拟不同真三轴应力、瓦斯压力、煤层温度多场耦合条件下瓦斯常规抽采、煤层加热强化瓦斯抽采、煤层注CO2强化瓦斯抽采以及煤层加热与注CO2协同强化瓦斯抽采试验，同时可同步监测并采集煤层瓦斯压力、温度以及抽采瓦斯流量，为研究不同强化抽采条件下瓦斯抽采效率及优化强化抽采措施提供了有效手段。

主权项

1.一种煤层加热与注CO₂协同强化瓦斯抽采模拟试验方法，其特征在于步骤如下：1a)从待测煤矿区域突出煤层中取样并进行现场调研，利用现场采集的煤块取样测定突出煤层的相关参数，确定试验方案中地应力、注水速率、压裂位置等试验参数；1b)使用破碎筛将采集的煤块取样筛分成0‑1mm粒径的煤粒，向煤粒中加水搅拌制成6％含水率煤样备用；1c)将6％含水率煤样装入可视化箱体，并将6％含水率煤样压制成与可视化箱体尺寸匹配的结构，可视化箱体底部设有海绵状多功能金属板，多功能金属板上设有加热金属丝，并设有充气口和接线口，可视化箱体顶部以及可视化箱体的左侧壁上和前侧壁上设有多个活动的透明加载板，可视化箱体顶部的透明加载板共有六个，序号分别为X1‑X6，可视化箱体前侧壁上的透明加载板共有六个，序号分别为Y1‑Y6，可视化箱体的左侧壁上的透明加载板为Z1，每个透明加载板上设有加载活塞，加载活塞穿过箱体壁连通加压油缸；可视化箱体背面均匀布置有多个传感器安装孔，同时布置有一排多功能钻孔，传感器安装孔安装的传感器包括气压传感器、温度传感器、应力传感器，温度传感器和应力传感器安装结构相同，温度传感器和应力传感器尾部连接的数据线通过转换接头和密封垫固定在可视化箱体的传感器安装孔中，将温度传感器和应力传感器头部的数据线埋设在煤样中需要检测温度或应力的位置，其中多功能钻孔尾部在可视化箱体上设有外接接头，外接接头与可视化箱体的箱体壁之间设有密封垫，多功能钻孔包括封孔段、压裂段，多功能钻孔全长0.5m，封孔段长0.15m，压裂段长0.35m，压裂段管壁周向和径向方向分布有透气孔，给多功能钻孔设置序号为A1‑A6，在可视化箱体利用可视化箱体背部开设的传感器安装孔向可视化箱体中的6％含水率煤样分别埋入气压传感器，最后使用加载活塞驱动透明加载板使6％含水率煤样在20MPa条件下成型1h后解除所有透明加载板对煤样的加压；1c)利用密封圈和螺栓将可视化箱体的盖板和箱体密封紧固，在高压气瓶的输出口上安装三通，三通分别连接有真空泵和柱塞泵，真空泵通过流量计Ⅰ与多功能金属板的充气口相连接，柱塞泵通过流量计Ⅱ连接到可视化箱体后部的序号为A1的多功能钻孔中，序号为A2的多功能钻孔通过连接接头与流量计Ⅲ的进气孔相连接，流量计Ⅲ的出气口管路与气相色谱仪相连接，检测可视化箱体及气管管路连接的密封效果；2a)对设置在可视化箱体内的煤样进行三轴应力加载操作，其中可视化箱体中煤样上部的序号为X1‑X6的6个压板应力、前侧序号为Y1‑Y6的6个压板应力和左侧序号为Z1的1个压板应力均为5.0MPa或10.0MPa；2b)启动真空泵通过多功能金属板的充气口对可视化箱体内的煤样进行抽真空操作，直到煤体内部气压小于100Pa关闭真空泵，用时约12h；2c)打开高压气瓶对煤样进行充瓦斯操作，共分为四阶段保证煤样吸附平衡气压为1.0MPa，第一阶段充气12h、充气压力至0.3MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第二阶段充气12h、充气压力至0.6MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第三阶段充气12h、充气压力至0.9MPa，然后关闭气瓶，稳定6h；第四阶段充气6h、充气并稳定至1.0MPa，然后关闭高压气瓶，用时共计约60h，充气过程中通过流量计Ⅰ记录充入瓦斯量；3a)进行常规瓦斯抽采：利用序号为A2的多功能钻孔开始模拟常规瓦斯抽采，抽采时利用温度传感器和应力传感器记录瓦斯抽采时煤样的温度和应力变化，同时记录瓦斯随抽采时间变化的抽采量；3b)24h后结束抽采，停止三轴应力加载，排空煤体内瓦斯；4a)进行煤层加热强化瓦斯抽采：重复步骤2a‑2c，并同时利用多功能金属板上的加热金属丝对煤样进行加热，加热8h后至煤层温度达到目标温度，；4b)打开序号为A2的多功能钻孔进行瓦斯抽采，抽采时利用温度传感器和应力传感器记录瓦斯抽采时煤样的温度和应力变化，同时记录瓦斯随抽采时间变化的抽采量，24h后结束抽采，停止应力加载，排空煤体内瓦斯；5a)煤层注CO₂强化瓦斯抽采：重复步骤2a‑c，利用柱塞泵通过可视化箱体的序号为A1的多功能钻孔向可视化箱体中充入高压二氧化碳；同时打开序号为A2的多功能钻孔进行瓦斯抽采；5b)利用气相色谱仪监测序号为A2的多功能钻孔排出的混合气体浓度，待甲烷浓度低于10％时关闭柱塞泵；5c)停止应力加载、二氧化碳注入，排空煤体内瓦斯；6a)煤层加热与注CO₂协同强化瓦斯抽采：重复步骤2a‑2c，利用多功能金属板上的加热金属丝对煤样进行加热，加热8h后至煤层温度达到目标温度；6b)利用柱塞泵通过可视化箱体的序号为A1的多功能钻孔向可视化箱体中充入高压二氧化碳；同时利用序号为A2的多功能钻孔进行瓦斯抽采，抽采时利用温度传感器和应力传感器记录瓦斯抽采时煤样的温度和应力变化，同时记录瓦斯随抽采时间变化的抽采量；6c)利用气相色谱仪监测序号为A2的多功能钻孔抽采出的瓦斯二氧化碳混合气体中各成分的浓度，待甲烷浓度低于10％时关闭柱塞泵；6d)停止应力加载、二氧化碳注入，排空煤体内瓦斯；7a)改变煤层加热温度、CO₂注入压力等试验条件重复上述续试验。8a)数据分析：基于常规瓦斯抽采试验中瓦斯充入量和抽采量分析常规瓦斯抽采效率，及其随抽采时间演化规律；8b)基于煤层加热强化瓦斯抽采试验，分析强化瓦斯抽采效率与煤层加热温度之间关系，及其随时间演化规律；8c)基于煤层注CO₂强化瓦斯抽采试验，分析强化瓦斯抽采效率与煤层注CO₂压力之间关系，及其随时间演化规律；8d)基于煤层加热与注CO₂协同强化瓦斯抽采，分析强化瓦斯抽采效率与煤层加热温度、煤层注CO₂压力之间关系，及其随时间演化规律；8e)基于上述分析，进一步对比不同试验条件、不同强化瓦斯抽采措施下瓦斯抽采效率，探讨煤层加热及煤层注CO₂在强化瓦斯抽采过程中主导作用，优化煤层加热温度与煤层注CO₂压力参数，以指导现场低渗煤层瓦斯强化抽采。