[发明专利]基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置

说明书

技术领域

    本发明属于煤层气开发实验技术领域，具体涉及一种基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置。

背景技术

我国煤矿中蕴含着丰富的煤矿瓦斯（煤层气）资源。随着煤矿开采深度的增加，煤层地应力增高、瓦斯压力增大，再加上煤层透气性低，瓦斯采前抽采困难，瓦斯抽采率和利用率较低，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害日趋严重。煤矿瓦斯（主要成分为甲烷）的开发利用是保障国家能源安全的重要组成部分，是优化我国能源结构的重要内容，是降低煤矿瓦斯事故的重要手段，同时也是实现国家温室气体减排目标的重要途径。

在煤层气开采工业中，注气增产法（Enhanced Coalbed Methane Recovery，ECBM），即向煤层注入CO₂或N₂以促进CH₄回收，是当前提高煤层气采收率的主要方法之一，也是目前国内外煤层气开发重点研究的技术。ECBM的理论基础是多组分吸附。当几种气体共同存在于煤体时，由于煤对吸附质吸附作用力大小有差异，吸附质之间相互竞争，从而影响到总吸附量及各组分吸附量。如果在单组分CH₄吸附体系中加入CO₂或N₂，将减少CH₄的吸附量，这就是ECBM技术的基本原理。国内外众多学者提出了多种多组分吸附模型，试图对多组分吸附进行定量分析、计算和预测，得到了许多有效成果。而对ECBM的机理仍不能完全了解，向煤中注入气体以驱替CH4的动力学过程仍需要继续深入研究。

物理模拟实验提供一种更直观的方法让我们在实验室条件下观测到气体驱替提高采收率的过程。这些实验的程序一般是将煤样品放入一个压力容器，充入一定压力的CH₄气体并达到吸附平衡，然后从煤样的一端注入更高压力的另一种气体（CO₂、N₂）及其混合气体，另一端打开阀门让气体流出，监测气体的流量及浓度，用于掌握气体驱替强化抽采的过程。模拟研究大多采用毫米级以下煤粉颗粒或制成的圆柱体标样进行物理化学的吸附解吸研究，或基于理论研究而进行实验室数值模拟研究，或采用松散煤体（渗透率较大10×10^-15m²以上）进行驱替实验，而选用大煤样模拟一定地层压力（深部）条件下，从实验设备的一端进行气体的注入、置换、驱替，另一端进行气体的收集、计量、分析实验还鲜有报道。同时没有学者深入研究煤层注气过程中置换和驱替作用的定量贡献。其结果不能完全真实反映向煤层中注入其他气体对煤层吸附CH₄的影响。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，该实验装置拟通过搭建功能较为完善的气体驱替煤中CH₄的实验平台，能够在不同注气压力和煤样荷载（即地应力）、煤种条件下，实时跟踪和测试气体组分、流量和压力、煤体变形量和渗透率的演化，从而实现对含CH₄煤体注入N₂或CO₂过程中驱替、置换效应单个因素定量化研究和煤体变化过程的全程动态跟踪控制。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于过程实时跟踪控制的多元气体驱替煤层甲烷试验装置，包括试验箱体、第一流量计、第二流量计、气相色谱仪、数据采集系统、计算机、真空泵、甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶，甲烷气体钢瓶、氮气气体钢瓶和二氧化碳气体钢瓶分别通过第一气管、第二气管和第三气管与第一流量计的进口连接，第一流量计的出口通过第四气管与试验箱体的进气端连接，试验箱体的出气端通过第五气管与第二流量计的进口连接，第二流量计的出口通过第六气管与气相色谱仪的进口连接，试验箱体的一侧设有一组取样孔，每个取样孔外分别连接有一根取样管，每个取样管上均设有一个取样阀门，试验箱体的另一侧设有一组测压孔，每个测压孔处均设有伸入到试验箱体内部的压力传感器，气相色谱仪和所有压力传感器信号输出端分别通过第一数据信号线和第二数据信号线与数据采集系统连接，数据采集系统通过第三数据信号线与计算机连接；真空泵的抽气口通过抽气管与第四气管连接，第一气管、第二气管、第三气管、第四气管、第五气管和第六气管上分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，抽气管与第四气管的连接处位于第四阀门与试验箱体之间，抽气管上设有抽气阀门。