原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统和试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统和试验方法，包括试验装置和驱替与排采系统，试验装置包括能够对煤岩样品产生轴向压力的上轴压加载单元和下轴压加载单元，还包括能够对煤岩样品产生围压的围压端盖、围压活塞和围压压头，通过对轴压和围压可以模拟地质中的受压环境，在试验时通过电极板组对煤岩样品进行加热以模拟地质中的高温环境，通过注入一定温度、压力的气体或水实现驱替与压裂排采试验，同时通过驱替与排采系统可以对驱替过程中的混合气体进行采集并在线分析与监测。该试验装置可以实现三轴应力作用下的高温驱替与排采试验，试验精确度高，结构合理，安全系数高。

【技术实现步骤摘要】
原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统和试验方法
本专利技术涉及煤岩试验领域，尤其涉及一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统和试验方法。
技术介绍
我国含煤区先后经过了多期构造运动改造，地质条件复杂，构造煤发育。由于构造活动强烈，导致煤储层中甲烷大量逸散，煤层中含气饱和度降低；煤储层原生孔裂隙系统被破坏，构造应力成为影响渗透率的关键因素，煤层在被重新埋藏到地下以后，地应力增大使得渗透率急剧下降。“低含气饱和度、低渗透率、低储层压”的“三低”特性是我国煤储层的普遍特征。为改善我国煤储层的渗透性能，提高导流能力目前较为普遍采用的两种增加煤层气采收率的方法为二氧化碳驱替与水力压裂排采，驱替与排采试验可以对煤层气的勘探开发具有十分重要的指导意义。现有技术中，公开号为CN106093345A的中国专利技术专利公开了一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，该方法中仅能对粉末页岩样品单独加载轴压以模拟地层条件下页岩储层中CO2驱替页岩气的动态过程；公开号为CN104777269A的中国专利技术专利公开了一种超临界CO2注入与煤层气强化驱替模拟试验方法，该方法仅能通过环压跟踪与测量系统为样品提供围压；公开号为CN106896044A的中国专利技术专利公开了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，亦仅能实现轴压的加载，不能准确模拟地质条件。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的一个目的在于提出一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，该试验系统可以实现轴压与围压的同步加载环境下的驱替试验，结构合理，能够精确模拟地质环境，便于拆卸，安全系数高，且能够对驱替过程中产生的气体进行收集与实时在线检测。为了实现上述目的，本专利技术提供一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，包括试验装置和驱替与排采系统，包括：平板小车，所述平板小车可移动的设于轨道上，且其上设有上下贯通的第一中心孔；壳体，所述壳体内部限定出容纳腔室，且其下端部与所述平板小车之间相连接；围压端盖，所述围压端盖固定于所述容纳腔室上端部，其上设有上下贯通的第二中心孔和进油孔；围压活塞，所述围压活塞包括与所述第二中心孔相适配的杆部和一体形成于所述杆部下端的活塞部，所述围压活塞上设有上下贯通的第三中心孔；围压压头，所述围压压头固定于所述活塞部的下端，其上设有上下贯通的第四中心孔，第四中心孔、第三中心孔、第二中心孔和第一中心孔同轴设置；套管组件，所述套管组件包括：样品套管、石墨管、铜管和叶蜡石套，所述样品套管同轴设于所述第一中心孔的上端，且与所述平板小车固定连接；所述石墨管沿着所述样品套管的内壁设置，所述铜管套设于所述石墨管内部且与所述石墨管之间形成空腔，所述围压压头适于与所述空腔配合；所述叶蜡石套填充于所述空腔内；下轴压加载单元，所述下轴压加载单元包括：底座和下压杆，所述底座与所述平板小车相连，所述下压杆与所述第一中心孔相配合，且其一端与所述底座相连接，其另一端与所述铜管相配合，煤岩样品置于所述下压杆的上端，与所述下压杆同轴设置且位于所述铜管下端还设有围压垫块，所述围压垫块与所述样品套管之间设有绝缘环；所述叶蜡石套与所述围压垫块之间还设有云母片，所述第一中心孔与所述下压杆之间还设有绝缘套；水冷套管、第一保护套和第二保护套由外至内依次套设在所述壳体与所述样品套管之间，所述第一保护套内壁的上端内径大于其下端内径，所述第二保护套的外壁与所述第一保护套相配合；所述水冷套管的外壁设有通水槽；上轴压加载单元，所述上轴压单元包括：上压头和上压杆，所述上压头与所述第三中心孔相配合；所述上压杆与所述第四中心孔相配合，且其一端连接于所述上压头的下端，其另一端与所述铜管相配合并与所述煤岩样品相抵止；采集管组，采集管组包括第一采集管和第二采集管，第一采集管依次贯穿所述上压头和所述上压杆，其一端连接至所述煤岩样品的上端，其另一端为位于所述上压头上的第一采集口；第二采集管依次贯穿所述底座和所述下压杆，其一端连接至煤岩样品的下端，其另一端为位于底座上的第二采集口；以及电极板组，所述电极板组包括与所述上压头相连的上电极板和与所述底座相连的下电极板，电源的正极通过上电极板依次连通上压头、上压杆、围压压头至套管组件的上端；电源的负极通过下电极板依次连通底座、下压杆、围压垫块至套管组件的下端；以对所述煤岩样品进行加热；所述驱替与排采系统包括：换热组件，所述换热组件包括换热器、液体收集器和水泵，所述换热器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口适于与所述第二采集口相导通，所述第三端口与所述水泵相连，所述第四端口与所述液体收集器相连；第一单向阀，所述第一单向阀连接在所述第二采集口与所述第一端口之间且在所述试验装置朝向所述换热器方向上单向导通；储气罐，所述储气罐包括进气口和出气口，所述进气口与所述第二端口相连接；真空泵，所述真空泵连接于所述第二端口与所述进气口之间；气相色谱仪，所述气相色谱仪与出气口相连，以对采集的所述气体进行分析；预加热装置，所述预加热装置包括流入端和流出端，所述流出端与所述第一采集口相连；第二单向阀，所述第二单向阀设于所述第一采集口和所述流出端之间且在所述预加热装置朝向所述试验装置方向上单向导通；三通阀，所述三通阀包括第一入口端、第二入口端和出口端，所述出口端与所述预加热装置的流入端相连；气瓶和水箱，所述气瓶至少包括第一气瓶和第二气瓶，第一气瓶内设有甲烷气体，第一气瓶、第二气瓶和所述水箱分别设有第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，且所述第一连接端口、所述第二连接端口均与所述第一入口端相连，所述第三连接端口与所述第二入口端相连；以及通断阀，所述通断阀分别设置在所述第一连接端口、第二连接端口与所述第一入口端之间、所述第三连接端口与所述第二入口端之间。在该技术方案中，在试验前，先将套管组件安装在平板小车上，将经过脱气处理的煤岩样品置于铜管内，且其下端抵止在下压杆上，在所述壳体与所述样品套管之间，且由外至内依次套设水冷套管、第一保护套和第二保护套；将围压活塞套设入第二中心孔，围压压头上端连接于围压活塞的下端；然后将组合后的围压端盖、围压活塞、围压压头由所述壳体的容纳腔室的上敞开口进入容纳腔室，使所述围压压头的下端抵止在所述叶蜡石套上；最后使相连的上压头和上压杆依次穿过第三中心孔和第四中心孔，抵止在煤岩样品的上端；待试验装置装毕后，关闭调压阀和通断阀，使调压阀和通断阀之间形成密闭空间，接着打开真空泵使密闭空间逐渐形成真空状态，直至整个试验系统呈真空状态；为了更加真实的模拟地质历史时期的温压条件，需要在高温高压环境下进行试验装置，即试验时，可以通过位于底座下端的液压升降台向上顶升、位于上压头上端的压力机向下压上压头实现对煤岩样品的轴向压力；可以通过由进油口处注入液压油，液压油推动围压活塞沿着第二中心孔向下运动，带动位于围压活塞下端的围压压头向下运动，由围压压头压缩叶蜡石套，使叶蜡石套压缩变形向横向传递压力，对煤岩样品产生围压；通过电极板组对煤岩样品进行加热来实现高温环境；在进行驱替或排采试验时，这里以气体驱替为例进行说明，转换三通阀使第一入口端与出口端导通，打开第一气瓶处的通断阀，关闭第二气瓶处和水箱处的通断阀使甲烷气体进入试验系统内部，保持一段时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，其特征在于，包括试验装置(100)和驱替与排采系统(200)，所述试验装置(100)包括：平板小车(1A)，平板小车(1A)可移动的设于轨道上，且其上设有上下贯通的第一中心孔(1A11)；壳体(2A)，所述壳体(2A)内部设有容纳腔室，且其下端部与平板小车(1A)相连接；围压端盖(3A)，所述围压端盖(3A)固定于容纳腔室上端部，其上设有上下贯通的第二中心孔(3A1)和进油孔(3A2)；围压活塞(4A)，所述围压活塞(4A)包括与第二中心孔(3A1)相适配的杆部(4A1)和一体形成于杆部(4A1)下端的活塞部(4A2)，所述围压活塞(4A)上设有上下贯通的第三中心孔(4AA)；围压压头(5A)，所述围压压头(5A)固定于活塞部(4A2)的下端，其上设有上下贯通的第四中心孔(5A1)，第四中心孔(5A1)、第三中心孔(4AA)、第二中心孔(3A1)和第一中心孔(1A11)同轴设置；套管组件(6A)，所述套管组件(6A)包括：样品套管(6A1)、石墨管(6A2)、铜管(6A3)和叶蜡石套(6A4)，样品套管(6A1)同轴设于第一中心孔(1A11)的上端，且与所述平板小车(1A)固定连接；石墨管(6A2)沿着所述样品套管(6A1)的内壁设置，铜管(6A3)套设于石墨管(6A2)内部且与石墨管(6A2)之间形成空腔(6AA)，所述围压压头(5A)与空腔(6AA)配合；所述叶蜡石套(6A4)填充于空腔(6AA)内；下轴压加载单元(7A)，下轴压加载单元(7A)包括：底座(7A1)和下压杆(7A2)，所述底座(7A1)与所述平板小车(1A)相连，所述下压杆(7A2)与所述第一中心孔(1A11)相配合，且其一端与底座(7A1)相连接，其另一端与铜管(6A3)相配合，煤岩样品(8A)置于下压杆(7A2)的上端，与所述下压杆(7A2)同轴设置且位于铜管(6A3)下端还设有围压垫块(7A3)，所述围压垫块(7A3)与样品套管(6A1)之间设有绝缘环(10A)；叶蜡石套(6A4)与围压垫块(7A3)之间还设有云母片(11A)，第一中心孔(1A11)与下压杆(7A2)之间还设有绝缘套(20A)；水冷套管(12A)、第一保护套(13A)和第二保护套(14A)由外至内依次套设在所述壳体(2A)与所述样品套管(6A1)之间，水冷套管(12A)、第一保护套(13A)与壳体(2A)连接，第一保护套(13A)内壁的上端内径大于其下端内径，第二保护套(14A)的外壁与第一保护套(13A)相配合；水冷套管(12A)的外壁设有通水槽(12A1)；上轴压加载单元(15A)，所述上轴压单元包括：上压头(15A1)和上压杆(15A2)，上压头(15A1)与所述第三中心孔(4AA)相配合；上压杆(15A2)与所述第四中心孔(5A1)相配合，且其一端连接于所述上压头(15A1)的下端，其另一端与所述铜管(6A3)相配合并与所述煤岩样品(8A)相抵止；采集管组(AA)，采集管组(AA)包括第一采集管(AA1)和第二采集管(AA2)，第一采集管(AA1)依次贯穿所述上压头(15A1)和所述上压杆(15A2)，其一端连接至所述煤岩样品(8A)的上端，其另一端为位于所述上压头(15A1)上的第一采集口(AA11)；第二采集管(AA2)依次贯穿所述底座(7A1)和所述下压杆(7A2)，其一端连接至煤岩样品(8A)的下端，其另一端为位于底座(7A1)上的第二采集口(AA21)；以及电极板组(16A)，所述电极板组(16A)包括与所述上压头(15A1)相连的上电极板(16A1)和与所述底座(7A1)相连的下电极板(16A2)，电源的正极通过上电极板(16A1)依次连通上压头(15A1)、上压杆(15A2)、围压压头(5A)至套管组件(6A)的上端；电源的负极通过下电极板(16A2)依次连通底座(7A1)、下压杆(7A2)、围压垫块(7A3)至套管组件(6A)的下端；所述驱替与排采系统(200)包括：换热组件(1B)，换热组件(1B)包括换热器(1B1)、液体收集器(1B2)和水泵(1B3)，换热器(1B1)包括第一端口(1B11)、第二端口(1B12)、第三端口(1B13)和第四端口(1B14)，所述第一端口(1B11)与所述第二采集口(AA21)相导通，所述第三端口(1B13)与所述水泵(1B3)相连，所述第四端口(1B14)与液体收集器(1B2)相连；第一单向阀(2B)，第一单向阀(2B)连接在第二采集口(AA21)与换热器(1B1)的第一端口(1B11)之间且在所述试验装置(100)朝向所述换热器(1B1)方向上单向导通；储气罐(3B)，储气罐(3B)包括进气口(3B1)和出气口(3B2)，所述进气口(3B1)与所述换热器(1B1)的第...

【技术特征摘要】
1.一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，其特征在于，包括试验装置(100)和驱替与排采系统(200)，所述试验装置(100)包括：平板小车(1A)，平板小车(1A)可移动的设于轨道上，且其上设有上下贯通的第一中心孔(1A11)；壳体(2A)，所述壳体(2A)内部设有容纳腔室，且其下端部与平板小车(1A)相连接；围压端盖(3A)，所述围压端盖(3A)固定于容纳腔室上端部，其上设有上下贯通的第二中心孔(3A1)和进油孔(3A2)；围压活塞(4A)，所述围压活塞(4A)包括与第二中心孔(3A1)相适配的杆部(4A1)和一体形成于杆部(4A1)下端的活塞部(4A2)，所述围压活塞(4A)上设有上下贯通的第三中心孔(4AA)；围压压头(5A)，所述围压压头(5A)固定于活塞部(4A2)的下端，其上设有上下贯通的第四中心孔(5A1)，第四中心孔(5A1)、第三中心孔(4AA)、第二中心孔(3A1)和第一中心孔(1A11)同轴设置；套管组件(6A)，所述套管组件(6A)包括：样品套管(6A1)、石墨管(6A2)、铜管(6A3)和叶蜡石套(6A4)，样品套管(6A1)同轴设于第一中心孔(1A11)的上端，且与所述平板小车(1A)固定连接；石墨管(6A2)沿着所述样品套管(6A1)的内壁设置，铜管(6A3)套设于石墨管(6A2)内部且与石墨管(6A2)之间形成空腔(6AA)，所述围压压头(5A)与空腔(6AA)配合；所述叶蜡石套(6A4)填充于空腔(6AA)内；下轴压加载单元(7A)，下轴压加载单元(7A)包括：底座(7A1)和下压杆(7A2)，所述底座(7A1)与所述平板小车(1A)相连，所述下压杆(7A2)与所述第一中心孔(1A11)相配合，且其一端与底座(7A1)相连接，其另一端与铜管(6A3)相配合，煤岩样品(8A)置于下压杆(7A2)的上端，与所述下压杆(7A2)同轴设置且位于铜管(6A3)下端还设有围压垫块(7A3)，所述围压垫块(7A3)与样品套管(6A1)之间设有绝缘环(10A)；叶蜡石套(6A4)与围压垫块(7A3)之间还设有云母片(11A)，第一中心孔(1A11)与下压杆(7A2)之间还设有绝缘套(20A)；水冷套管(12A)、第一保护套(13A)和第二保护套(14A)由外至内依次套设在所述壳体(2A)与所述样品套管(6A1)之间，水冷套管(12A)、第一保护套(13A)与壳体(2A)连接，第一保护套(13A)内壁的上端内径大于其下端内径，第二保护套(14A)的外壁与第一保护套(13A)相配合；水冷套管(12A)的外壁设有通水槽(12A1)；上轴压加载单元(15A)，所述上轴压单元包括：上压头(15A1)和上压杆(15A2)，上压头(15A1)与所述第三中心孔(4AA)相配合；上压杆(15A2)与所述第四中心孔(5A1)相配合，且其一端连接于所述上压头(15A1)的下端，其另一端与所述铜管(6A3)相配合并与所述煤岩样品(8A)相抵止；采集管组(AA)，采集管组(AA)包括第一采集管(AA1)和第二采集管(AA2)，第一采集管(AA1)依次贯穿所述上压头(15A1)和所述上压杆(15A2)，其一端连接至所述煤岩样品(8A)的上端，其另一端为位于所述上压头(15A1)上的第一采集口(AA11)；第二采集管(AA2)依次贯穿所述底座(7A1)和所述下压杆(7A2)，其一端连接至煤岩样品(8A)的下端，其另一端为位于底座(7A1)上的第二采集口(AA21)；以及电极板组(16A)，所述电极板组(16A)包括与所述上压头(15A1)相连的上电极板(16A1)和与所述底座(7A1)相连的下电极板(16A2)，电源的正极通过上电极板(16A1)依次连通上压头(15A1)、上压杆(15A2)、围压压头(5A)至套管组件(6A)的上端；电源的负极通过下电极板(16A2)依次连通底座(7A1)、下压杆(7A2)、围压垫块(7A3)至套管组件(6A)的下端；所述驱替与排采系统(200)包括：换热组件(1B)，换热组件(1B)包括换热器(1B1)、液体收集器(1B2)和水泵(1B3)，换热器(1B1)包括第一端口(1B11)、第二端口(1B12)、第三端口(1B13)和第四端口(1B14)，所述第一端口(1B11)与所述第二采集口(AA21)相导通，所述第三端口(1B13)与所述水泵(1B3)相连，所述第四端口(1B14)与液体收集器(1B2)相连；第一单向阀(2B)，第一单向阀(2B)连接在第二采集口(AA21)与换热器(1B1)的第一端口(1B11)之间且在所述试验装置(100)朝向所述换热器(1B1)方向上单向导通；储气罐(3B)，储气罐(3B)包括进气口(3B1)和出气口(3B2)，所述进气口(3B1)与所述换热器(1B1)的第二端口(1B12)相连接；真空泵(4B)，真空泵(4B)连接于所述换热器(1B1)的第二端口(1B12)与所述储气罐(3B)的进气口(3B1)之间；气相色谱仪(5B)，气相色谱仪(5B)与出气口(3B2)相连；预加热装置(10B)，所述预加热装置(10B)包括流入端(10B1)和流出端(10B2)，所述流出端(10B2)与所述第一采集口(AA11)相连；第二单向阀(8B)，所述第二单向阀(8B)设于所述第一采集口(AA11)和所述流出端(10B2)之间且在所述预加热装置(10B)朝向所述试验装置(100)方向上单向导通；三通阀(11B)，所述三通阀(11B)包括第一入口端(11B1)、第二入口端(11B2)和出口端(11B3)，所述出口端(11B3)与所述预加热装置(10)的流入端(10B1)相连；气瓶(7B)和水箱(12B)，所述气瓶(7B)至少包括第一气瓶(7B1)和第二气瓶(7B2)，第一气瓶(7B1)内设有甲烷气体，第一气瓶(7B1)、第二气瓶(7B2)和所述水箱(12B)分别设有第一连接端口(7B11)、第二连接端口(7B21)和第三连接端口(12B1)，且所述第一连接端口(7B11)、所述第二连接端口(7B21)均与所述第一入口端(11B1)相连，所述第三连接端口(12B1)与所述第二入口端(11B2)相连；以及通断阀(13B)，所述通断阀(13B)分别设置在所述第一连接端口(7B11)、第二连接端口(7B21)与所述第一入口端(11B1)之间、所述第三连接端口(12B1)与所述第二入口端(11B2)之间。2.根据权利要求1所述的原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，其特征在于，试验装置(100)还包括导向杆(17A)，所述平板小车(1A)与所述壳体(2A)之间通过导向杆(17A)连接，平板小车(1A)上至少配置两个对称设置的第一定位孔，壳体(2A)上设有与第一定位孔相对应的第二定位孔，所述导向杆(17A)依次穿过第二定位孔和第一定位孔。3.根据权利要求2所述的原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，其特征在于，所述平板小车(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘和武，姜波，李明，刘杰刚，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32