一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置及实验方法制造方法及图纸

一种液氮结合远红外冻融循环的实验装置及实验方法，涉及非常规天然气开采技术领域，包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样；三轴加压系统包括三轴仪、轴压控制系统和围压控制系统；三轴仪包括上压盖、缸体、下压盖和下压头，下压盖上设有轴压外接口，轴压外接口与轴压控制系统连通；缸体的侧壁上设有围压外接口，围压外接口与围压控制系统连通；远红外热辐射集成控制系统包括远红外热辐射发生端、远红外热辐射控制端、温度传感器和温控表；液氮供给系统位于缸体外部，液氮供给系统包括液氮罐、液氮注入泵和液氮注入管；声发射检测系统位于缸体外部。

An experimental device and experimental method for liquid nitrogen combined with far infrared radiation and freeze-thaw cycle

An experimental device and method for combining liquid nitrogen with far-infrared freeze-thaw cycle involve the technical field of unconventional natural gas exploitation, including triaxial pressurization system, liquid nitrogen supply system, far-infrared integrated thermal radiation control system, acoustic emission detection system and coal sample; triaxial pressurization system includes triaxial apparatus, axial pressure control system and enclosure. Pressure control system; triaxial apparatus includes upper pressure cover, cylinder block, lower pressure cover and lower pressure head, and the lower pressure cover is provided with an external interface of axial pressure, which is connected with the axial pressure control system; the side wall of the cylinder block is provided with an external interface of confining pressure, and the external interface of confining pressure is connected with the confining pressure control system; the integrated control system of far infrared thermal radiation includes far infrared. Thermal radiation generator, far infrared radiation control terminal, temperature sensor and thermometer; liquid nitrogen supply system is located outside the cylinder block, liquid nitrogen supply system includes liquid nitrogen tank, liquid nitrogen injection pump and liquid nitrogen injection pipe; acoustic emission detection system is located outside the cylinder block.

【技术实现步骤摘要】
一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置及实验方法
本专利技术涉及非常规天然气开采
，特别涉及一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置及实验方法。
技术介绍
煤层气，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料，俗称"瓦斯"，主要成分为甲烷，是重要的清洁能源，我国现已探明的煤层气储量非常丰富，但是由于我国特殊的地质条件，决定了我国大部分煤层气储层为高储量、低渗透的特征，导致大部分煤层气抽采困难，严重影响煤层气产量。为实现煤层气的工业化生产，国内外研究学者提出了高压注水、水力割缝、水力压裂、预裂爆破、注气趋替法等瓦斯增产方法，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，利用液氮作用煤层冻融循环致裂的增透技术逐渐发展，但是也存在一定的局限性，由于液氮作用下煤层气储层温度大幅度降低，严重影响煤层气的活性，导致气体由吸附态转变为游离态困难，同时，在自然状态下解冻过程速度缓慢，煤中残存的水分还会产生水锁效应，严重影响开采效率。远红外热辐射应用于煤层气增产也是新兴的研究领域，将液氮与远红外结合恰好的相互辅助，实现煤层气的增产目的，因此需要一种实验装置，为实验室研究提供实验平台，进而为应用于现场开采提供理论支撑。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置，为验证以液氮和远红外结合的方式实现煤层气增产的开采技术的可行性，为应用于现场开采提供理论支撑。本专利技术设计提供了一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置，包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样；三轴加压系统包括三轴仪、轴压控制系统和围压控制系统；三轴仪包括上压盖、缸体、下压盖和下压头，上压盖与缸体的顶端部固定连接，下压盖与缸体的底端部固定连接，下压头位于缸体内，且下压头的底端与下压盖贴合，煤样位于缸体内，且煤样的一端与下压头的顶端贴合，煤样的另一端与上压盖内表面贴合；下压盖上设有轴压外接口，轴压外接口与轴压控制系统连通，轴压控制系统位于缸体的外部；缸体的侧壁上设有围压外接口，围压外接口与围压控制系统连通，围压控制系统位于缸体的外部；远红外热辐射集成控制系统包括远红外热辐射发生端、远红外热辐射控制端、温度传感器和温控表；上压盖的顶部设有远红外热辐射外接口，远红外热辐射发生端位于煤样内，远红外热辐射控制端通过穿过远红外热辐射外接口的线路与远红外热辐射发生端相连，温度传感器位于煤样内靠近远红外热辐射发生端处，温控表位于缸体的外部靠近远红外热辐射控制端的位置，温度传感器发出的信号能够传送至温控表；液氮供给系统位于缸体外部，液氮供给系统包括液氮罐、液氮注入泵和液氮注入管，上压盖的顶部设有液氮注入外接口，液氮注入外接口与远红外热辐射外接口相邻；液氮注入管位于煤样内，且与远红外热辐射发生端并行放置；液氮注入泵与液氮罐通过管路连接，液氮注入泵与液氮注入管通过穿过液氮注入外接口的管路连接；声发射检测系统位于缸体外部。所述缸体为圆管形。所述下压盖顶端设有方形凹槽，所述下压头为方形，且所述下压头位于方形凹槽内；所述下压头的底部设有圆柱底座，所述圆柱底座与方形凹槽形成的空间为液压腔，所述轴压外接口与液压腔连通。所述声发射检测系统包括声发射检测点和声发射接收器，声发射检测点均位于缸体的侧壁上，声发射接收器位于缸体的外部，声发射检测点的信号能够传送至声发射接收器；所述煤样为方形，所述煤样的顶部设有预制钻孔，所述远红外热辐射外接口和所述液氮注入外接口均与预制钻孔连通，所述温度传感器、所述液氮注入管和所述远红外热辐射发生端均位于预制钻孔内。所述围压控制系统包括气罐，气罐上设气压调压阀、气压控制器和气罐内置的气压压力传感器，气压调压阀与气压控制器连接，气罐上连有与所述围压外接口连通的管路；气罐、气压调压阀和气压压力传感器均为现有产品。所述轴压控制系统包括液压和液压控制器，液压泵上设有液压阀门和内置的液压压力传感器，液压泵连有与所述轴压外接口连通的管路；液压泵、液压控制器、液压阀门和液压压力传感器均为现有产品。所述液氮罐上设有液氮开关。所述煤样的侧壁套有密封套。采用所述一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置的实验方法包括：步骤一、安装煤样：将所述煤样安装好密封套，把所述煤样放置在所述缸体内，且将所述煤样与所述下压头对准，将所述上压盖和所述下压盖与所述缸体通过螺栓连接好；步骤二、进行冻融循环试验：将所述轴压控制系统与所述轴压外接口连通，加载轴压，推动所述下压头；将所述围压控制系统与所述围压外接口连通，加载围压；不同的轴压和围压加载模拟不同的地应力情况，即对煤样实现不同地层情况的模拟；步骤三、进行液氮的冷冻试验阶段：将所述液氮罐内的液氮，经由所述液氮注入泵，通过所述液氮注入外接口和液氮注入管，输送至所述煤样内，以实现液氮的冷冻试验阶段；步骤四、进行红外热辐射实验：将所述远红外热辐射发生端由所述远红外热辐射控制端控制输出对所述煤样的红外热辐射，并通过所述温度传感器反馈到所述温控表的信号调节所述远红外热辐射控制端的功率大小；步骤五、使用声发监测：通过所述声发射检测系统对步骤二、步骤三和步骤四所述的试验过程，即冻融循环过程进行实时监测。本专利技术提供的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，将液氮与远红外热辐射结合到一起，多重致裂效果互相辅助作用，加速冻融循环，提高煤层增渗效果，在实验装置中还设置有声发射检测系统，可以实时获得冻融循环过程中煤层结构的变化情况。本专利技术提供的液氮结合远红外冻融循环的实验装置结构简单，性能可靠，操作方便，在煤层气开发研究领域具有广泛的实用性。附图说明图1是本专利技术提供的一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置的结构示意图；图2是本专利技术提供的一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置中三轴仪和煤样的结构分布示意图；图3是本专利技术提供的一种液氮结合远红外热辐射冻融循环的实验装置中下压盖和下压头的结构分布示意图；其中，1三轴仪，2轴压控制系统，3围压控制系统，4上压盖，5缸体，6下压盖，7下压头，8轴压外接口，9围压外接口，10远红外热辐射发生端，11远红外热辐射控制端，12温度传感器，13远红外热辐射外接口，14液氮罐，15液氮注入泵，16液氮注入管，17液氮注入外接口，18圆柱底座，19液压腔，20声发射检测点，21声发射接收器，22预制钻孔，23液氮开关，99煤样。具体实施方式需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本专利技术中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。为了解决现有技术存在的问题，如图1至图3所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述装置包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样(99)；三轴加压系统包括三轴仪(1)、轴压控制系统(2)和围压控制系统(3)；三轴仪(1)包括上压盖(4)、缸体(5)、下压盖(6)和下压头(7)，上压盖(4)与缸体(5)的顶端部固定连接，下压盖(6)与缸体(5)的底端部固定连接，下压头(7)位于缸体(5)内，且下压头(7)的底端与下压盖(6)贴合，煤样(99)位于缸体(5)内，且煤样(99)的一端与下压头(7)的顶端贴合，煤样(99)的另一端与上压盖(6)内表面贴合；下压盖(6)上设有轴压外接口(8)，轴压外接口(8)与轴压控制系统(2)连通，轴压控制系统(2)位于缸体(5)的外部；缸体(5)的侧壁上设有围压外接口(9)，围压外接口(9)与围压控制系统(3)连通，围压控制系统(3)位于缸体(5)的外部；远红外热辐射集成控制系统(2)包括远红外热辐射发生端(10)、远红外热辐射控制端(11)、温度传感器(12)和温控表；上压盖(4)的顶部设有远红外热辐射外接口(13)，远红外热辐射发生端(10)位于煤样(99)内，远红外热辐射控制端(11)通过穿过远红外热辐射外接口(13)的线路与远红外热辐射发生端(10)相连，温度传感器(12)位于煤样(99)内靠近远红外热辐射发生端(10)处，温控表位于缸体(5)的外部靠近远红外热辐射控制端(11)的位置，温度传感器(12)发出的信号能够传送至温控表；液氮供给系统位于缸体(5)外部，液氮供给系统包括液氮罐(14)、液氮注入泵(15)和液氮注入管(16)，上压盖(4)的顶部设有液氮注入外接口(17)，液氮注入外接口(17)与远红外热辐射外接口(13)相邻；液氮注入管(16)位于煤样(99)内，且与远红外热辐射发生端(10)并行放置；液氮注入泵(15)与液氮罐(14)通过管路连接，液氮注入泵(15)与液氮注入管(16)通过穿过液氮注入外接口(17)的管路连接；声发射检测系统位于缸体(5)外部。...

【技术特征摘要】
1.一种液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述装置包括三轴加压系统、液氮供给系统、远红外热辐射集成控制系统、声发射检测系统和煤样(99)；三轴加压系统包括三轴仪(1)、轴压控制系统(2)和围压控制系统(3)；三轴仪(1)包括上压盖(4)、缸体(5)、下压盖(6)和下压头(7)，上压盖(4)与缸体(5)的顶端部固定连接，下压盖(6)与缸体(5)的底端部固定连接，下压头(7)位于缸体(5)内，且下压头(7)的底端与下压盖(6)贴合，煤样(99)位于缸体(5)内，且煤样(99)的一端与下压头(7)的顶端贴合，煤样(99)的另一端与上压盖(6)内表面贴合；下压盖(6)上设有轴压外接口(8)，轴压外接口(8)与轴压控制系统(2)连通，轴压控制系统(2)位于缸体(5)的外部；缸体(5)的侧壁上设有围压外接口(9)，围压外接口(9)与围压控制系统(3)连通，围压控制系统(3)位于缸体(5)的外部；远红外热辐射集成控制系统(2)包括远红外热辐射发生端(10)、远红外热辐射控制端(11)、温度传感器(12)和温控表；上压盖(4)的顶部设有远红外热辐射外接口(13)，远红外热辐射发生端(10)位于煤样(99)内，远红外热辐射控制端(11)通过穿过远红外热辐射外接口(13)的线路与远红外热辐射发生端(10)相连，温度传感器(12)位于煤样(99)内靠近远红外热辐射发生端(10)处，温控表位于缸体(5)的外部靠近远红外热辐射控制端(11)的位置，温度传感器(12)发出的信号能够传送至温控表；液氮供给系统位于缸体(5)外部，液氮供给系统包括液氮罐(14)、液氮注入泵(15)和液氮注入管(16)，上压盖(4)的顶部设有液氮注入外接口(17)，液氮注入外接口(17)与远红外热辐射外接口(13)相邻；液氮注入管(16)位于煤样(99)内，且与远红外热辐射发生端(10)并行放置；液氮注入泵(15)与液氮罐(14)通过管路连接，液氮注入泵(15)与液氮注入管(16)通过穿过液氮注入外接口(17)的管路连接；声发射检测系统位于缸体(5)外部。2.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述缸体(5)为圆管形。3.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述下压盖(6)顶端设有方形凹槽，所述下压头(7)为方形，且所述下压头(7)位于方形凹槽内；所述下压头(7)的底部设有圆柱底座(18)，所述圆柱底座(18)与方形凹槽形成的空间为液压腔(19)，所述轴压外接口(8)与液压腔(19)连通。4.根据权利要求1所述的液氮结合远红外冻融循环的实验装置，其特征在于，所述声发射检测系统包括声发射检测点(20)和声发射接收器(21)，声发射检测点(20)均位于缸体(5)的侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永利，尚文龙，马玉林，程瑶，苏畅，马凯，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21