[发明专利]一种可视化煤层注水两相渗流实验系统及方法

说明书

本发明公开了一种可视化煤层注水两相渗流实验系统及方法，涉及矿井灾害防治技术领域，可以直观的观测和分析煤裂隙中气液混合流体的渗流过程。该实验系统通过CT扫描、激光刻蚀、表面电性调节等技术，实现了基于真实煤体裂隙形态的可视化渗流测试，并且还可以用于研究储层表面电性对煤层注水渗流的影响特征；利用该实验系统进行实验通过平面裂隙模型制作，注水渗流测试，流体表面活性剂浓度和模型表面电性调节，然后对煤体气液两相渗流特性进行分析，从而更科学、有效的反映不同储层表面电性条件下的流体流动和分布形态，可以为煤层注水技术的改进和发展提供更加全面、准确的理论依据，有利于促进煤矿粉尘、煤岩动力灾害的防治。

技术领域

本发明涉及矿井灾害防治技术领域，尤其是一种可视化煤层注水两相渗流实验系统，以及利用其进行实验的方法。

背景技术

长期以来的工程实践表明，煤层注水技术可以有效防治煤矿粉尘和煤岩动力灾害。然而，煤层注水过程中，水在煤体裂隙网络中的渗流机理仍处于探索研究阶段。由于煤层中赋存有瓦斯气体，因此通过钻孔向煤层中注水本质是“水驱瓦斯”的两相渗流过程。目前通常采用的模拟实验方法是制取柱状煤样，在封闭腔体内，使煤样饱和吸附甲烷，通过轴向注水渗流驱替瓦斯气体进而观测注水的渗透率特性。但是，传统的封闭式渗流实验方法的局限性在于，其无法直观观测渗流过程煤体裂隙内的气液两相分布。

另外，现有的许多研究表明，储层电性是影响渗流形态的重要因素。还有煤层在注水时经常添加表面活性剂进行强化注水，而加入表面活性剂的清水，在煤储层表面不同电性条件影响下，与煤中瓦斯气体混合的两相渗流形态更为复杂。现有的渗流实验技术手段，无法进行不同电性条件下的渗流测试。现有技术中制作人工裂隙大多是主观刻蚀的人工裂隙，该裂隙无法反应真实的煤体裂隙形态。为了可视化的分析注水在煤体裂隙中的渗流过程，模拟不同储层电性条件下注水两相渗流特性，需要对现有的渗流实验系统和方法做进一步的改进。

发明内容

为了直观的观测和分析煤裂隙中气液混合流体的渗流过程，模拟不同储层、不同电性条件下注水两相渗流特性，本发明提供了一种可视化煤层注水两相渗流实验系统及方法，具体的技术方案如下。

一种可视化煤层注水两相渗流实验系统，包括储气瓶、注气泵、储液瓶、注液泵、真空泵、平面裂隙模型、变阻器、电源、气液分离器、高速摄像机和计算机；所述储液瓶和注液泵相连，储气瓶和注气泵相连；所述注气泵、注液泵和真空泵均通过管道与平面裂隙模型的入口阀门相连；所述平面裂隙模型包括玻璃板、金属板、入口阀和出口阀，金属板和玻璃板上下贴合安装，入口阀和出口阀相对布置在两个侧边上；所述出口阀和气液分离器相连，金属板与变阻器以及电源相连；所述气液分离器上分别设置有出液管和出气管，出液管上安装有液体流量计，出气管上设置有气体流量计；所述高速摄像机布置在平面裂隙模型上方，监测平面裂隙模型内部的气液混合流动形态；所述计算机控制电源、变阻器和高速摄像机工作，并接收高速摄像机、液体流量计和气体流量计的监测信息。

优选的是，玻璃板和金属板之间设置平面裂隙，模拟局部煤体裂隙网络孔道。

优选的是，玻璃板和金属板的边缘之间通过粘接固定，玻璃板和金属板水平放置，所述金属板使用铝箔材料制作。

优选的是，电源向金属板供电，变阻器控制金属板的电荷密度。

一种可视化煤层注水两相渗流实验的方法，利用上述的一种可视化煤层注水两相渗流实验系统，步骤包括：

A.选取煤层试验样本，并制作标准煤样；

B.对煤样进行CT扫描，得到煤样截面裂隙平面分布形态的图像，对图像进行二值化处理，提取裂隙分布特征；

C.按照煤样的裂隙分布特征，在玻璃板上通过激光刻蚀得到平面裂隙；

D.对煤样进行触角测试，得到煤表面清水的接触角，并对玻璃板和金属板的接触面喷涂疏水涂层，保持接触面和煤表面清水的接触角相同；