多场耦合煤层气抽采模拟试验方法技术

本发明专利技术公开了一种多场耦合煤层气抽采模拟试验方法，包括以下步骤：1、前期准备；2、瓦斯吸附；3、瓦斯抽采；4、结束一次试验；5、完成同组其他试验。本发明专利技术可在实验室内模拟现场工况的煤层气抽采，再现实际工况中煤层参数的变化情况，从而研究应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析煤层瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟多场耦合作用机制下煤层气开采过程的试验系统及方法。
技术介绍
煤层气是ー种潜在的洁净的能源。在当前能源紧张的局势下，加快煤层气的开发利用，对改善我国能源结构，对能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。从矿产资源的角度讲，煤层气是以甲烷为主要成份(含量>85%)的、在煤化作用过程中形成的、储集在煤层气及其临近岩层之中的、可以利用开发技术将其从煤层中采出并加以利用的非常规天然气。我国煤层气资源丰富，据煤层气资源评价，我国埋深2000米以浅煤层气地质资源量约36.81万亿立方米，居世界第三位，主要分布在华北和西北地区。其中，华北地区、西北地区、南方地区和东北地区赋存的煤层气地质资源量分别占全国煤层气地质资源总量的 56.3%,28.1%、14.3%、1.3%。最常见的煤层气开发方式主要有两种，即:井下煤层气抽采和地面钻井开采。井下抽采煤层气是从煤矿井下采掘巷道中打钻孔，在地面通过煤层气泵来抽取煤层中的煤层气。这种开发方式的煤层气产量较小，甲烷浓度不高(20% 50%)，而且容易受到煤矿采掘生产的影响，所以它多以煤矿安全生产为目的，煤层气的利用率较低。从20世纪50年代开始，我国就将煤层气抽采作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿井推广。半个世纪以来，我国实施煤层气抽采的矿井数量和瓦斯抽入量逐年稳步上升。然而，我国煤层的主要特点是煤层透气性低、瓦斯含量高、煤层突出危险严重、煤层群开采、地质构造复杂，我国的煤层赋存条件决定了我国的煤层气抽采应以卸压抽采为主。地面钻井开采煤层气是从地面钻井进入未开采煤层，通过排水降压解吸出煤层中的煤层气，再通过井筒流动到地面。这种开米方式的产气量大、产气时间长，甲烧含量高(大于90%),所以可以支撑大规模的商业化利用，但为了保证煤层气的可采性，并且获得一定的经济效益，这种开发方式对煤层气资源量、煤层地质构造、含气量、滲透率、地理环境等都有较高的要求。 目前，我国总体煤层气抽放效果不佳，具体表现为煤层气抽放率低。导致我国煤矿煤层气抽放率低的原因有2个方面:一方面是客观原因，我国95%以上的高煤层气和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数只有0.004 0.04m2/ (MPa2 d)，煤层气抽放(特别是预抽)难度非常大；另ー方面是主观原因，主要表现为抽放时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽放系统不匹配和管理不到位。因此研究如何对煤层气进行有效的抽采具有极其重要的工程意义。另ー方面，根据矿压理论，煤层开采后其顶板岩层发生冒落移动，当上覆岩层下沉稳定后，上覆岩层采动裂隙区划可分为“竖三帯”和“横三区”，即采动区沿垂直方向由下往上划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带；沿工作面推进方向在工作面风巷和机巷区域分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。随着工作面不断向前推进，沿工作推进方向上的“横三区”随之交替向前移动。在煤层气抽采的过程中，瓦斯在煤岩层中的运移将受到“竖三帯”和“横三区”中新产生的裂隙区域分布的影响，而合理的利用“竖三帯”和“横三区”中新产生的裂隙对提高抽采效率有着重要的影响。目前还没有在实验室进行煤层气抽采模拟的试验装置或者方法，实验室所能模拟的状态大都是在假三轴条件下煤层渗透率随着应力、瓦斯压力、温度变化而变化的关系，并在此基础上提出各种提高煤层渗透性的方法。虽然这些渗流模拟试验在一定程度上说明了各种影响因素对煤层煤层气流动的影响作用，但鉴于抽采工作及其制度的复杂性，这些模拟状态与现场实际情况相差较远，并不能说明实际条件下的煤层气抽采受到各因素的作用。因此本领域技术人员致力于开发一种能够在实验室物理模拟煤层气抽采的试验装置及方法。
技术实现思路
有鉴于现有技术上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种能够在实验室物理模拟煤层气抽采的试验装置及方法。为实现上述目的，本专利技术提供了ー种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，包括试件箱；所述试件箱上部设置有至少ー个Z向压杆和Z向压板；所述试件箱的右箱板上设置有至少ー个Y向压杆和Y向压板；所述试件箱的后箱板上设置有至少ー个X向压杆和X向压板；所述Z向压板、Y向压板和X向压板均位于所述试件箱内；所述试件箱的前箱板设置有阶梯状的突出ロ ；所述突出ロ内通过螺栓固定连接有突出套；所述突出套与所述前箱板的阶梯面之间设置有第一密封圈；所述试件箱的底部设置有透气钢板和气道；所述透气钢板覆盖在所述气道上；所述气道的进ロ设置有内接插头；所述试件箱的左箱板外部间隔固定连接有第一垫板；所述左箱板在各第一垫板的间隔之间设置有接ロ ；所述接口中设置有传感器接头；所述突出套的内孔为前大后小的阶梯孔，该阶梯孔内设置有形状与阶梯孔对应的外管固定座；所述突出套的阶梯面与所述外管固定座之间设置有第二密封圈；所述外管固定座的内孔中螺纹连接有外管；所述外管延伸至所述试件箱内；所述突出套的前端面通过螺栓连接有固定法兰；所述外管固定座与所述固定法兰之间设置有第三密封圈；所述固定法兰的前端设置有法兰凸台；所述法兰凸台的外圆设置有螺纹；所述外管的后端封闭，前端开ロ ；所述外管上设置有位置与各所述Z向压杆对应的抽采外区；所述抽采外区上设置有若干抽采外孔；所述外管和固定法兰中设置有内管；所述内管包括第一接管和第三接管，以及可选的ー根或多根第二接管；所述第一接管、第二接管和第三接管可前后依次螺纹连接，且连接螺纹具有互換性；所述第一接管、第二接管和第三接管的结合端面处均设置有密封圈；所述第一接管和第二接管的外径小于所述外管的内径；所述第一接管对应所述法兰凸台处设置有限位凸缘；所述第一接管在所述限位凸缘的前端外圆设置有螺纹；所述第一接管的前端内孔中配合有第一接头；所述限位凸缘和法兰凸台的外螺纹上配合有螺母；所述第一接管和第二接管沿轴向设置有通孔；所述第三接管沿轴向设置有前端开ロ后端封闭的盲孔；所述第三接管设置有抽采内区；所述抽采内区的前后端两端分别设置有第一抽采凸缘和第二抽采凸缘；所述第二抽采凸缘与所述外管配合，并与所述外管之间设置有第四密封圈；所述抽采外区上设置有与所述第二抽采凸缘对应的第一密封区；所述抽采内区的外径小于所述外管的直径；所述抽采内区沿周向和轴向均布有多个抽采内孔；所述Z向压杆的中心线可位干与所述第一抽采凸缘和第二抽采凸缘相对端面等距的虚拟面上。为便于測量计算某一 Z向压杆对抽采的影响，所述第一抽采凸缘与所述外管配合，并与所述外管之间设置有第五密封圈；所述抽采外区上设置有与所述第一抽采凸缘对应的第二密封区。较佳的，所述抽采外孔的孔径大于所述抽采内孔的孔径；所述抽采外孔的分布密度大于所述抽采内孔的分布密度；所述抽采外区内、第一密封区和第二密封区外，各所述抽采外孔之间的第一轴向孔心距不小于5mm ;各所述抽采内孔之间的第二轴向孔心距为所述第一轴向孔心距的两倍。较佳的，所述外管的抽采外区在圆周方向上均布有18个所述抽采外孔；所述第三接管的抽采内区在圆周方向上均布有4个所述抽采内孔；所述抽采外孔的孔径不大于1.5mm ;所述抽采内孔的孔径不小于2mm ;所述第一轴向孔心距为5mm ;所述第二轴向孔心距为 10mnin较佳的，所述第一接头与所述内管的前端面之间设置有组合垫圏。为便于操作，所述突出套的内孔孔径大于所述外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多煤层联合开采过程中煤层气抽采试验方法，其特征是：包括步骤如下：1、前期准备1a）测试所用煤样的含水性，然后根据煤样质量添加一定的水制成预定含水率；将试件制成多煤层试件，并在下煤层铺设多个油压包，油压包连接至箱体左板的数据采集孔；1b）盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；在试件箱中部与各Y向压杆正对处设置第二接头，各第二接头内侧与胶管接头连接，胶管接头与侧向接管连接，侧向接管上密布有多个侧向抽采孔；1c）在各第二接头的外端连接第三瓦斯流量计；将试件箱与瓦斯气源连接；将各油压包连接至其外接控制管路；2、瓦斯吸附关闭各阀门以密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平，以模拟采深；打开真空泵对煤层抽真空，以使试件箱内的压力达到1×102Pa；一个小时后打开瓦斯气瓶进行充气，充气压力为1.2MPa，充气时间为48小时；3、瓦斯抽采同时打开4个第三瓦斯流量计，检测煤层内部瓦斯压力和应力变化及各个抽采点的瓦斯流量变化，待流量稳定后，以1.44h或0.72h或0.48h或0.36h为间隔由前至后逐个排空各油压包，直至所有油压包排空为止，以模拟实际工 况中煤层开采速度；在这一过程中不间断监测上煤层和下煤层内的瓦斯压力、煤层应力和各抽采点流量的变化；这一过程中，瓦斯源压力一直稳定于与模拟采深相对应的压力；4、结束一次试验关闭瓦斯系统，停止三向加载；继续打开瓦斯抽采管路排放瓦斯，直至箱体内煤层气解吸完全，停止数据采集系统，结束实验；5、改变模拟采深或模型工作面推进速度其中的之一试验参数，而保持其他试验参数不变，重复以上步骤2?4。...

【技术特征摘要】
1.一种多煤层联合开采过程中煤层气抽采试验方法，其特征是:包括步骤如下: 1、前期准备 Ia)测试所用煤样的含水性，然后根据煤样质量添加一定的水制成预定含水率；将试件制成多煤层试件，并在下煤层铺设多个油压包，油压包连接至箱体左板的数据采集孔； Ib)盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；在试件箱中部与各Y向压杆正对处设置第二接头，各第二接头内侧与胶管接头连接，胶管接头与侧向接管连接，侧向接管上密布有多个侧向抽米孔； Ic)在各第二接头的外端连接第三瓦斯流量计；将试件箱与瓦斯气源连接；将各油压包连接至其外接控制管路； 2、瓦斯吸附 关闭各阀门以密封箱体，启动数据采集系统，然后启动三向应カ加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平，以模拟采深；打开真空泵对煤层抽真空，以使试件箱内的压カ达到IXlO2Pa ;—个小时后打开瓦斯气瓶进行充气，充气压カ...

【专利技术属性】
技术研发人员：许江，尹光志，王维忠，刘东，彭守建，梁永庆，程立朝，蒋长宝，李波波，耿加波，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：