一种微波激励作用下多相介质渗流试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种微波激励作用下多相介质渗流试验装置及试验方法，尤其涉及一种含水环境下三轴压力荷载、温度场和微波场等多物理场耦合作用下气体渗流的模拟装置，属于渗流试验技术。

背景技术：

随着我国能源消费需求的日益增长和对环境要求的提高，非常规天然气作为清洁能源逐渐得到重视。我国非常规天然气储量大、分布广，但在开采过程中，非常规天然气因其赋存条件和状态的影响，大多数情况下采收率(抽采率)较低。以煤层瓦斯抽采为例，我国大多数煤层具有低透气性、低瓦斯压力和低含气饱和度的特点，使得煤层瓦斯抽采率普遍较低。

针对上述问题，科技工作者提出了一系列提高非常规天然气储层渗透率的方法与技术，如预裂爆破技术、推进剂压裂技术、水力压裂与切缝技术、气体驱替技术、细菌降解技术、化学增透技术、物理场激发技术等。近年来，以声震、微波辐射等为代表的通过促进煤层瓦斯解吸与增大煤体渗透性来提高煤层瓦斯抽采率的物理场激励法得到了广泛关注，尤其是微波辐射法已成为低渗透煤层瓦斯强化抽采的新技术途径之一。但是微波激励增渗理论尚处于初期阶段，相关研究相对较少。因此，迫切需要一种模拟试验装置用于探索和认识地应力、地温、地下水、微波场等多物理场条件下非常规天然气的渗流与扩散规律。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微波激励作用下多相介质渗流试验装置及试验方法，是一种多物理场(微波、应力、地温、地下水)耦合作用下气体渗流规律的模拟装置；利用该试验装置在试验室内模拟天然煤岩层所处的复杂地质力学条件，如不同埋深的地压、地温和含水条件，可以研究不同特性的煤岩试样在此环境和微波场耦合作用下气体在煤岩试样中的渗流规律，为非常规天然气微波激励新技术的实际应用提供理论研究与支撑。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微波激励作用下多相介质渗流试验装置，包括三轴压力室、液压控制系统、微波激励系统、温度控制系统、注气系统和注水系统；

所述三轴压力室包括三轴压力室基座和三轴压力室箱体，三轴压力室箱体盖在三轴压力室基座上方，形成密闭的三轴压力腔；在三轴压力室箱体的顶部设置有活塞孔，活塞杆通过活塞孔伸入到三轴压力腔内，在三轴压力室基座上设置有置物台；活塞杆的底面通过试样垫块ⅰ连接煤岩试样顶面，置物台的顶面通过试样垫块ⅱ连接煤岩试样底面；

所述液压控制系统包括储液箱、进回油管路和进回油通道，所述进回油通道为贯穿三轴压力室基座和置物台的密封液体通道，进回油通道的一端通过进回油管路连通，另一端与三轴压力腔连通；

所述微波激励系统包括波导管和石英玻璃，在三轴压力室箱体的侧壁上设置有波导管接口，波导管接口与煤岩试样安装位置对应，石英玻璃安装在三轴压力腔内并覆盖住波导管接口，波导管伸入到波导管接口内并与石英玻璃连接；

所述温度控制系统包括柔性加热套和温度监测装置，柔性加热套包覆在三轴压力室外壁，温度监测装置用于监测煤岩试样的温度；柔性加热套用于加热三轴压力室，并对三轴压力室起到密封作用；

所述注气系统包括气瓶、进气管、进气通道、集气瓶、回气管和回气通道；所述进气通道为贯穿活塞杆和试样垫块ⅰ的密封气体通道，进气通道的一端通过进气管与气瓶连通，另一端贴合煤岩试样顶面；所述回气通道为贯穿三轴压力室基座、置物台和试样垫块ⅱ的密封气体通道，回气通道的一端通过回气管与集气瓶连通，另一端贴合煤岩试样底面；注气系统为试样提供试验中所需的渗流气体；

所述注水系统包括液体箱、进液管、进液通道、储液罐、回液管和回液通道；所述进液通道为贯穿三轴压力室基座、置物台和试样垫块ⅱ的密封液体通道，进液通道的一端通过进液管与液体箱连通，另一端贴合煤岩试样底面；所述回液通道为贯穿活塞杆和试样垫块ⅰ的密封液体通道，回液通道的一端通过回液管与储液罐连通，另一端贴合煤岩试样顶面。

三轴压力室是本发明整个装置的关键要素，可实现三轴压力、微波激励、地温及水多场耦合作用下煤岩试样的气液渗流研究。

具体的，还包括应变监测装置，应变监测装置用于监测煤岩试样的应变。

具体的，在进回油管路上设置有电磁阀、循环泵、安全阀ⅰ、流量计和油压表。

具体的，所述微波激励系统还包括微波电源、微波控制器、电压转化器和微波发生器。微波激励系统与三轴压力室通过波导管接口处连接；微波发生器产生并发射微波；波导管传输微波至石英波导玻璃，由石英玻璃馈入三轴压力室；微波控制器可实现对微波功率的无极大范围调节；电压转化器调节输入微波发声器的电压。微波激励系统为煤岩试样提供微波辐射，并可实现将不同参量的微波导入煤岩试样中，开展微波参量对煤样试样中瓦斯渗流规律的影响研究。

具体的，在进气管上设置有注气阀门、气体泵、减压阀和气体压力表；在回气管上设置有气体流量计和气体回流阀门。注气瓶为试验提供渗流气体；减压阀调节输出气体压力，可实现对不同煤岩层非常规气体压力的模拟；集气罐收集流经煤岩试样后的气体。

具体的，在进液管上设置有液体流量计、液体泵、液体压力表和安全阀ⅱ；在回液管上设置有回液阀门和流量计。注液箱为试验提供渗流液体；液体流量计监测液体流量；液体泵为注液系统提供动力；液体压力表监测注液过程中液体压力；安全阀ⅱ为液体压力超过额定压力时卸压；储液罐用于储存回流液体。

一种使用微波激励作用下多相介质渗流试验装置的试验方法，包括如下步骤：

(a)制备煤岩试样，确保煤岩试样的两个端面平行且无人为裂隙产生；

(b)将煤岩试样置于试样垫块ⅰ和试样垫块ⅱ之间，套上热缩管，使得热缩管完全包覆住煤岩试样，并且包覆住试样垫块ⅰ的下部和试样垫块ⅱ的上部；使用吹风机散出热风使热缩套管收缩紧密包裹煤岩试样、试样垫块ⅰ的下部和试样垫块ⅱ的上部，密封煤岩试样；

(c)将组装好的煤岩试样安装于置物台上，在煤岩试样上安装应变监测装置和温度监测装置，盖上三轴压力室箱体；通过定位销定位，确保进回油通道、进液通道、回液通道、进气通道和回气通道通畅，使用紧固螺丝将三轴压力室箱体和三轴压力室基座紧固；

(d)将进回油管路和非极性围压油进出口相接，连通进回油通道；将进液管和进液口、回液管和回液口相接，连通进液通道和回液通道；将进气管和进气口、回气管和回气口相接，连通进气通道和回气通道；将微波波导管伸入波导管接口与石英玻璃连接；

(e)向三轴压力腔内注入一定压力气体，关闭所有阀门，确定三轴压力腔气密性完好；

(f)通过活塞杆对煤岩试样进行轴压加载，待轴向压力达到预期值时，停止轴向压力加载；打开安全阀ⅰ，启动循环泵和电磁阀，向三轴压力腔注入非极性围压油为煤岩试样提供围压，观察油压表，待油压稳定至预期值时，关闭循环泵和电磁阀，关闭安全阀ⅰ；

(g)打开热源开关，由加热电源通过柔性加热套加热三轴压力室，根据温度监测装置监测煤岩试样的温度，通过热源开关调节温度大小；

(h)打开液体泵、安全阀ⅱ和回液阀门，向煤岩试样中注入渗流液体，观察流量计和液体流量计，待渗流液体流量稳定后，关闭液体泵、安全阀ⅱ和回液阀门；

(i)打开注气阀门、减压阀和气体回流阀门，启动气体泵向煤岩试样注入甲烷，观察气体压力表和气体流量计，待到压力与流量稳定，继续下一步操作；

(j)打开微波控制器，由微波电源提供能量，经过电压转化器转换电压，由微波发生器产生微波并通过波导管传导至石英玻璃辐射煤岩试样；调节微波控制器使微波发生器产生不同参量微波，观测气体压力表和气体流量计的变化，研究微波参量对试样渗透率的影响；

(k)依次关闭微波控制器、注气阀门和减压阀，打开循环泵、电磁阀和安全阀ⅰ，抽回非极性围压油，卸除围压后，关闭循环泵、电磁阀和安全阀ⅰ；同时撤除轴向压力，试验结束。

有益效果：本发明提供的微波激励作用下多相介质渗流试验装置及试验方法，其中装置由三轴压力室及液压控制系统、微波激励系统、温度控制装置、注气系统、注水系统五部分组成，可实现在不同地压、地温、地下水环境中微波激励非常规天然气储层的模拟，利用该试验装置可模拟不同物理场(地压、地温、地下水、微波)作用下非常规天然气(煤层瓦斯或页岩气等)在煤岩中的解吸扩散动力学规律和煤岩试样渗流规律的研究，为非常规天然气开采微波激励技术提供理论研究与实践支撑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中包括：1-气瓶；2-注气阀门；3-气体泵；4-减压阀；5-气体压力表；6-进气管；7-进气口；8-轴压加载；9-回液口；10-回液管；11-回液阀门；12-流量计；13-储液罐；14-活塞杆；15-柔性加热套；16-试样垫块ⅰ；17-应变监测装置；18-石英玻璃；19-波导管接口；20-微波电源；21-微波控制器；22-电压转化器；23-微波发生器；24-波导管；25-液体箱；26-液体流量计；27-液体泵；28-液体压力表；29-安全阀ⅱ；30-进液管；31-定位销；32-进液口；33-三轴压力室基座；34-回气口；35-非极性围压油进出口；36-紧固螺丝；37-回气管；38-气体流量计；39-集气瓶；40-进回油管路；41-储液箱；42-电磁阀；43-循环泵；44-安全阀ⅰ；45-流量计；46-油压表；47-煤岩试样；48-温度监测装置；49-热缩管；50-三轴压力室箱体；51-气体回流阀门；52-热源开关；53-加热电源；54-置物台；55-试样垫块ⅱ；56-三轴压力腔；57-进回油通道；58-进气通道；59回气通道；60-进液通道；61-回液通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种微波激励作用下多相介质渗流试验装置，包括三轴压力室、应变监测装置17、液压控制系统、微波激励系统、温度控制系统、注气系统和注水系统。

所述三轴压力室包括三轴压力室基座33和三轴压力室箱体50，三轴压力室箱体50盖在三轴压力室基座33上方，形成密闭的三轴压力腔56；在三轴压力室箱体50的顶部设置有活塞孔，活塞杆14通过活塞孔伸入到三轴压力腔56内，在三轴压力室基座33上设置有置物台54；活塞杆14的底面通过试样垫块ⅰ16连接煤岩试样47顶面，置物台54的顶面通过试样垫块ⅱ55连接煤岩试样47底面。

所述应变监测装置17用于监测煤岩试样47的应变。

所述液压控制系统包括储液箱41、进回油管路40和进回油通道57，所述进回油通道57为贯穿三轴压力室基座33和置物台54的密封液体通道，进回油通道57的一端通过进回油管路40连通，另一端与三轴压力腔56连通；在进回油管路40上设置有电磁阀42、循环泵43、安全阀ⅰ44、流量计45和油压表46。

所述微波激励系统包括微波电源20、微波控制器21、电压转化器22、微波发生器23和波导管24和石英玻璃18，在三轴压力室箱体50的侧壁上设置有波导管接口19，波导管接口19与煤岩试样47安装位置对应，石英玻璃18安装在三轴压力腔内并覆盖住波导管接口19，波导管24伸入到波导管接口19内并与石英玻璃18连接；

所述温度控制系统包括柔性加热套15和温度监测装置48，柔性加热套15包覆在三轴压力室外壁，温度监测装置48用于监测煤岩试样47的温度；

所述注气系统包括气瓶1、进气管6、进气通道58、集气瓶39、回气管37和回气通道59；所述进气通道58为贯穿活塞杆14和试样垫块ⅰ16的密封气体通道，进气通道58的一端通过进气管6与气瓶1连通，另一端贴合煤岩试样47顶面；所述回气通道59为贯穿三轴压力室基座33、置物台54和试样垫块ⅱ55的密封气体通道，回气通道59的一端通过回气管37与集气瓶39连通，另一端贴合煤岩试样47底面；在进气管6上设置有注气阀门2、气体泵3、减压阀4和气体压力表5；在回气管37上设置有气体流量计38和气体回流阀门51。

所述注水系统包括液体箱25、进液管30、进液通道60、储液罐13、回液管10和回液通道61；所述进液通道60为贯穿三轴压力室基座33、置物台54和试样垫块ⅱ55的密封液体通道，进液通道60的一端通过进液管30与液体箱25连通，另一端贴合煤岩试样47底面；所述回液通道61为贯穿活塞杆14和试样垫块ⅰ16的密封液体通道，回液通道61的一端通过回液管10与储液罐13连通，另一端贴合煤岩试样47顶面；在进液管30上设置有液体流量计26、液体泵27、液体压力表28和安全阀ⅱ29；在回液管10上设置有回液阀门11和流量计12。

使用上述微波激励作用下多相介质渗流试验装置的试验方法，包括如下步骤：

(a)制备煤岩试样

制备高为h、直径为d的圆柱形煤岩试样47，确保煤岩试样47的两个端面平行且无人为裂隙产生；

(b)安装热缩管

将煤岩试样47置于试样垫块ⅰ16和试样垫块ⅱ55之间，套上热缩管49，使得热缩管49完全包覆住煤岩试样47，并且包覆住试样垫块ⅰ16的下部和试样垫块ⅱ55的上部；使用吹风机散出热风使热缩套管49收缩紧密包裹煤岩试样47、试样垫块ⅰ16的下部和试样垫块ⅱ55的上部，密封煤岩试样47；

(c)安装煤岩试样

将组装好的煤岩试样47安装于置物台54上，在煤岩试样47上安装应变监测装置17和温度监测装置48，盖上三轴压力室箱体50；通过定位销31定位，确保进回油通道57、进液通道60、回液通道61、进气通道58和回气通道59通畅，使用紧固螺丝36将三轴压力室箱体50和三轴压力室基座33紧固；

(d)安装试验装置

将进回油管路40和非极性围压油进出口35相接，连通进回油通道57；将进液管30和进液口32、回液管10和回液口9相接，连通进液通道60和回液通道61；将进气管6和进气口7、回气管37和回气口34相接，连通进气通道58和回气通道59；将微波波导管24伸入波导管接口19与石英玻璃18连接；

(e)气密性检验

向三轴压力腔56内注入一定压力气体，关闭所有阀门，确定三轴压力腔56气密性完好；

(f)向煤岩试样加载轴压和围压

通过活塞杆14对煤岩试样47进行轴压加载8，待轴向压力达到预期值时，停止轴向压力加载；打开安全阀ⅰ44，启动循环泵43和电磁阀42，向三轴压力腔注入非极性围压油为煤岩试样47提供围压，观察油压表46，待油压稳定至预期值时，关闭循环泵43和电磁阀42，关闭安全阀ⅰ44；

(g)加热煤岩试样

打开热源开关52，由加热电源53通过柔性加热套15加热三轴压力室，根据温度监测装置17监测煤岩试样47的温度，通过热源开关52调节温度大小；

(h)注入渗流液体

打开液体泵27、安全阀ⅱ29和回液阀门11，向煤岩试样47中注入渗流液体，观察流量计12和液体流量计26，待渗流液体流量稳定后，关闭液体泵27、安全阀ⅱ29和回液阀门11；

(i)注入甲烷

打开注气阀门2、减压阀4和气体回流阀门51，启动气体泵3向煤岩试样47注入甲烷，观察气体压力表5和气体流量计38，待到压力与流量稳定，继续下一步操作；

(j)微波激励

打开微波控制器21，由微波电源20提供能量，经过电压转化器22转换电压，由微波发生器23产生微波并通过波导管24传导至石英玻璃18辐射煤岩试样47；调节微波控制器21使微波发生器23产生不同参量微波，观测气体压力表5和气体流量计38的变化，研究微波参量对试样渗透率的影响；

(k)试验结束

依次关闭微波控制器21、注气阀门2和减压阀4，打开循环泵43、电磁阀42和安全阀ⅰ44，抽回非极性围压油，卸除围压后，关闭循环泵43、电磁阀42和安全阀ⅰ44；同时撤除轴向压力，试验结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。