申请/专利权人：中国矿业大学

申请日：2024-01-29

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN118258978A

主分类号：G01N33/22

分类号：G01N33/22

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.06.28#公开

摘要：本发明公开了一种低温流体循环致裂增润煤体试验系统及方法。该试验系统通过液态CO2‑水循环致裂增润模块与轴压‑围压稳定加载模块模拟煤岩试样在深部原位应力环境下受到液态CO2致裂和水增润循环交替作用的力学响应和润湿改性，其与多功能岩石动力监测模块结合能研究致裂增润过程裂纹扩展及动态润湿规律；另外将气液两相渗透率及pH测量模块结合，可用于评估液态CO2‑水循环致裂增润前后试样渗透率的变化及酸化溶蚀情况；因此本发明能模拟深部煤层液态CO2‑水循环致裂增润过程，获取不同情况下的试验数据，从而对液态CO2和水循环加注的次数进行优选，并能研究不同注液参数对于液态CO2‑水循环致裂增润效果的影响，为煤层液态CO2‑水循环致裂增润减尘技术提供基础依据。

主权项：1.一种低温流体循环致裂增润煤体试验系统，其特征在于，包括数据采集控制模块1、液态CO2-水循环致裂增润模块CO2增压液化装置2，回压装置3，自动注水装置4，真空排液装置5、轴压-围压稳定加载模块三轴岩心夹持装置6，煤心试样7，轴压-围压跟踪加载装置8，加热温控装置9、多功能煤岩动力监测模块10和气液两相渗透率及pH测量模块11；所述液态CO2-水循环致裂增润模块包括CO2增压液化装置2、回压装置3、自动注水装置4、真空排液装置5；所述CO2增压液化装置2包括CO2气瓶2-1、CO2专用流量计2-3、高压活塞中间容器A2-4、增压泵2-7、高压活塞中间容器B2-11、恒速恒压泵2-14、流程切换器2-15及冷凝器2-19。CO2气瓶2-1与高压活塞容器A2-4上端的进气口通过管路连接，且管路上安设有CO2专用流量计2-3实时显示气体流动状态；增压泵2-7通过管路连接到高压活塞中间容器A2-4下端的进液口，通过向上推动活塞挤压CO2使其增压至临界状态；高压活塞中间容器A2-4上端的排气液口与高压活塞中间容器B2-11上端的进气液口通过管路连接，恒速恒压泵2-14与高压活塞中间容器B2-11下端的进液口连接，为临界CO2的液化提供稳定的动力，且管路上装有流程切换器2-15，通过来回切换流程切换器2-15上的增压阀门2-151和注水阀门2-152可实现临界CO2的稳定液化和水的循环注入，同时高压活塞中间容器B2-11的侧壁装有环形冷水箱2-17，冷凝器2-19与环形冷水箱的进液口通过管路相连，满足临界CO2液化时所需的温度；所述回压装置3包括回压中间容器3-2和手动调压泵3-5。高压活塞中间容器B2-11上端的排液口和回压中间容器3-2的进液端相连，手动调压泵3-5与回压中间容器3-2通过管路连接，在液态CO2输运过程中为其提供稳定的压力，使其持续处于液化状态；所述自动注水装置4包括恒速恒压泵2-14、流程切换器2-15、管路加热器4-1和水流量计4-4。恒速恒压泵2-14通过流程切换器2-15分别与高压活塞中间容器B2-11和注水管路相连，待临界CO2增压液化进程结束后，将流程切换器2-15从增压阀门2-151切换至注水阀门2-152开始注水进程，流程切换器2-15下端的注水管路入口端与管路加热器4-1的进液口连接，管路加热器4-1的排液口连接到注水管路的出口端，上面装设有水流量计4-4用以显示水的流动情况，管路加热器4-1可以使液态CO2致裂结束后的共用管路段从低温迅速回温，避免注水过程中管路结冰；所述真空排液装置包括真空泵5-1和低温高压可视窗5-3。真空泵5-1和低温高压可视窗5-3设置在注液态CO2和注水共用管路段上，通过管路与低温高压可视窗5-3的进液端相连，在注液态CO2和注水任一进程结束后，抽出共用管路段中残留的液体水或液态CO2，避免液态CO2和水接触后结冰冻结管道，影响当前注液进程；低温高压可视窗5-3可观察液态CO2注入过程中的相态情况和真空排液过程中的残留液体驱除情况；在CO2气瓶2-1和高压活塞中间容器A2-4之间的管路上，位于CO2专用流量计2-3的左侧装设有截止阀12-2；高压活塞中间容器A2-4上装设有压力表12-5和泄压阀12-6，其与增压泵2-7之间的管上装设有截止阀22-8和压力传感器12-9；高压活塞中间容器A2-4与高压活塞中间容器B2-11之间的管路上装设有截止阀32-10；高压活塞中间容器B2-11上装设有压力表22-12和泄压阀22-13；恒速恒压泵2-14和高压活塞中间容器B2-11之间的管路上装设有压力传感器22-16，位于流程切换器增压阀门侧；冷凝器2-19与环形冷水箱2-17之间的管路上装设有温度传感器12-18；高压活塞中间容器B2-11与回压中间容器3-2之间的管路上装设有截止阀42-20和压力表33-1；回压中间容器3-2与手动调压泵3-5之间的管路上装设有压力表43-3，且手动调压泵3-5的进液管路上装设有截止阀53-4；管路加热器4-1上装设有温度传感器24-2；注水管路出口端处装设有截止阀64-3；在真空泵5-1与注液态CO2注水共用管路段之间的分支管路上，位于低温高压可视窗5-3的进、排液端分别装设有截止阀75-2、截止阀85-4。另外，整个液态CO2流动过程所涉及的管路均采用低温管路，管路外面包裹有绝热保温材料。所述轴压-围压稳定加载模块包括三轴岩心夹持装置6、轴压-围压跟踪加载装置8和加热温控装置9；三轴岩心夹持装置6包括样品室6-7、轴压-围压加载室6-5、左侧堵头6-3、右侧堵头6-13和多个应力传导杆6-8、电阻传导杆6-9及裂纹检测传导杆6-10。样品室6-7设置在轴压-围压加载室6-5内，煤心试样7放置在样品室6-7内，并在其注液试验端布有钻孔7-1；左侧堵头6-3、右侧堵头6-12分别位于三轴岩心夹持装置6的左右两个端口处，用于封堵两侧端口，以确保整个装置的气密性；此外，多个应力传导杆6-8、电阻传导杆6-9及裂纹检测传导杆6-10环绕式布置在样品室外壁上，其检测端均被埋设在样品室6-7内，并与煤心试样7表面紧密接触；轴压-围压跟踪加载装置8包括轴压-围压跟踪泵8-1。轴压-围压跟踪泵8-1的轴压加载管路连接到轴压-围压加载室6-5的轴压加载端头6-6，而围压加载管路连接到轴压-围压加载室6-5的环空壁6-4上，为轴压-围压加载室工作提供动力，以模拟实际井下地层对煤心试样施加的应力情况；加热温控装置9包括加热套件9-1。整个三轴岩心夹持装置6的外部被加热套件包裹，用于模拟实际井下地层的温度。注液管快速接头6-1与三轴岩心夹持装置左侧堵头6-3之间装设有压力传感器36-2，轴压-围压跟踪泵8-1与轴压-围压加载室轴压加载端头6-6之间的分支管路上装设有截止阀98-2和压力传感器48-4，与环空壁6-4之间的分支管路上装设有截止阀106-3和压力传感器58-5，压力传感器4、5均靠近轴压-围压加载室一侧。此外，右侧堵头6-12与排液出口6-14之间的管路上装设有压力传感器66-13；加热套件9-1上装设有温度传感器39-2。所述多功能煤岩动力监测模块10包括多维信号处理计算机10-1、多通道动态信号采集仪10-2、声波信号放大器10-3、电信号放大器10-4、8个裂纹检测探头10-5、4个电阻探头10-6和2个应力应变探头10-7。多维信号处理计算机10-1与多通道动态信号采集仪10-2连接，而多通道动态信号采集仪则分别通声波信号放大器10-3、电信号放大器10-4与裂纹检测探头10-5、应力应变探头10-7和电阻探头10-6相连，每个探头分别与其相应的传导杆的另一端贴合。所述气液两相渗透率及pH测量模块11包括气液分离器11-1、电子天平A11-8、电子天平B11-6、废液气收集容器11-10、pH测定仪11-9、气排水计量计11-2、气体干燥器11-4及湿式流量计11-5。气液分离器11-1连接在三轴夹持装置6的排液端，其排液管路排出的液体流入电子天平A11-8中的废液收集容器11-10中，pH测定仪11-9的检测探头没入烧杯中的液体实时监测pH值变化；气液分离器11-1的排气管路上沿气体流动方向依次装设有气排水计流量计11-2和气体干燥器11-4，气体干燥器将气体中收集的液体和干燥后的气体分别排入电子天平B11-6，且干燥器11-4的排液管路上装设有湿式流量计11-5。另外，气液分离器11-1的排气管路和排液管路上分别装设有截止阀1111-3和截止阀1211-7。所述数据采集控制模块1包括电脑1-1和工控箱1-2，工控箱1-2用于控制增压泵2-8、恒速恒压泵2-14、轴压-围压跟踪泵8-1、真空泵5-1、管道加热器4-1、冷凝器2-19和加热套件9-1的工况；电脑1-1用于处理各传感器采集的数据并反馈给工控箱1-2及时调整各个泵和温控设备的工况；通过实时采集和处理压力传感器12-9的数据，可以实现对增压泵2-8工况参数的调整；通过实时采集和处理压力传感器22-16的数据，可以实现对恒速恒压泵2-14的工况参数进行调整；通过实时采集和处理温度传感器12-18的数据，可以实现对冷凝器2-19的工况参数进行调整；通过实时采集和处理温度传感器24-2的数据，可以实现对管道加热器4-1的工况参数进行调整；通过实时采集和处理压力传感器36-2的数据，可以确定此时试验系统的注液压力；同时，通过分别实时采集和处理压力传感器48-4和压力传感器58-5的数据，可以不断调整轴压-围压跟踪泵8-1对轴压-围压加载室轴压和围压的工况；最后，通过实时采集和处理压力传感器66-13的数据，确定试验系统的排液压力。

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