注入与煤层气强化驱替模拟试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在试验室内模拟深部煤层CO2地质存储与CH4强化开采过程的试验方法，特别是涉及一种用于实现超临界0)2注入与驱替煤中CH 4，并测量竞争吸附过程中煤岩样品自由体积膨胀量的试验方法，属于煤层气开采领域。
【背景技术】
[0002]随着我国国民经济的发展，传统能源的供应量逐渐减少，而且在生产生活中排放的大量二氧化碳所产生的温室效应已经严重威胁到整个自然的生态安全，人类对新型、清洁能源的需求越来越大，因而煤层气作为一种新型、清洁能源受到了广泛关注。我国具有丰富的煤层气资源，煤层气开发对缓解我国油气资源紧张现状、减轻矿井灾害程度、减少温室气体排放等具有重要意义。如何从煤层中开采煤层气及提高煤层气产量是当前研宄的重要的课题，利用竞争吸附优势原理，将CO2注入煤层可有效置换或驱替煤层CH4，这已成为新的煤层气强化开发方式。煤层CO2地质存储与014强化开采(CO2-ECBM,即CO2Geo1gicalStorage-Enhanced Coal Bed Methane Recovery)技术融温室气体减排与新能源开发为一体，受到全球高度关注。超临界0)2可与煤中吸附态CH 4发生竞争吸附，导致吸附态CH 4被置换和驱替出来，同时，煤吸附014或CO 2后，会发生膨胀变形，改变煤层渗透性、储存能力，对有效地应用煤层CO2-ECBM技术尤为关键。
[0003]鉴于此，在试验室内模拟深部煤层高温、高压、密封环境对于研宄CO2-ECBM技术至关重要，设计一种可用于在试验室内模拟深部煤层环境，实现模拟超临界CO2注入与驱替煤中CH4的过程的试验方法，是煤层CO2地质存储与CH 4强化开采研宄亟待解决的一项课题，对具体的深部煤层中煤层气的开采具有重要的理论指导作用。而现有的试验方法并没有模拟深部煤层高温高压的试验环境，且试验方法中也没有实时采集试验样品以实时得到试验数据。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供一种超临界CO2注入与煤层气强化驱替模拟试验方法，该方法能够在试验室内模拟深部煤层高温高压的环境，实现超临界CO2注入与驱替煤中CH4的模拟试验，并能够在试验的过程中采集气体样品进行数据分析。
[0005]为了达到上述目的，本超临界CO2注入与煤层气强化驱替模拟试验方法在样品室和参照缸中模拟深部煤层高温、高压、密封环境，由加压系统向样品室和参照缸提供压力和气源，由恒温系统向样品室和参照缸提供温度，由超临界二氧化碳生成与注入系统产生并向样品室提供超临界二氧化碳，由环压跟踪与测量系统为样品室提供环压，由电气控制及监控系统进行整个试验过程的监控和数据采集、显示、存储，通过气体样品采集系统完成试验中与试验后试验样品的收集、冷凝、泄压、气液分离、气体组分分析等功能，具体步骤如下:
[0006](a)试样装罐:对煤样进行预处理；接通电源，接通超临界二氧化碳生成与注入系统和加压系统；将煤样放入热缩管内前，在热缩管内壁涂凡士林，每放入一段煤样，加入一个型煤垫片，放置时，型煤垫片的轴线与热缩管的轴线重合；将热缩管套在垫块上进行密封并对热缩管进行热缩，最后用两个O型圈分别套在两个垫块外的热缩管上，进一步密封热缩管；将热缩管放入夹持器中并置于恒温空气浴内；
[0007](b)气密性检查:打开抽真空系统中真空泵和真空容器之间管路上的阀门以及真空容器和样品室之间管路上的阀门，利用抽真空系统对装置抽真空；关闭所有阀门，由环压跟踪泵对环形空间加围压至2MPa，向参照缸和样品室注入高纯氦气，打开抽真空系统中真空容器和样品室之间管路上的阀门以及真空容器上靠近底部处的阀门，待装置内部空气被替换出去后关闭真空容器上靠近底部处的阀门，打开真空泵和真空容器之间管路上的阀门，对装置进行抽真空处理；关闭所有阀门，使恒温空气浴对参照缸和样品室加热至要求温度；通过气体增压泵向参照缸注入高纯氦气，使参照缸内压力高于试验最高压力IMPa，关闭加压系统与样品室和参照缸连接的总管路上的阀门，打开参照缸入口处管路上的阀门和样品室入口处管路上的阀门，同时增加热缩管外的环形空间内的围压，保证热缩管内的压力和环形空间内的围压同时升高至参照缸和样品室平衡后的压力，关闭参照缸入口处管路上的阀门和样品室入口处管路上的阀门；系统采集参照缸和样品室内的压力数据，观察压力是否平稳，若压力不平稳，则重复步骤(a);若参照缸和样品室内的压力平稳，打开抽真空系统中真空容器和样品室之间管路上的阀门以及真空容器上靠近底部处的阀门，将热缩管内的气体慢慢泄放，同时，通过环压跟踪泵卸掉环形空间内的围压；
[0008](c)进行驱替模拟:由环压跟踪泵对环形空间加围压至2MPa，打开抽真空系统中真空泵和真空容器之间管路上的阀门以及真空容器和样品室之间管路上的阀门，利用抽真空系统对装置抽真空，向参照缸和样品室注入高纯甲烷，再抽真空，重复3-5次；
[0009]关闭所有阀门，设置并调节系统温度，使参照缸和样品室的温度稳定在试验温度；
[0010]向参考缸注入甲烷气体，使其压力达到试验设计压力，关闭加压系统与样品室和参照缸连接的总管路上的阀门，打开参照缸入口处管路上的阀门和样品室入口处管路上的阀门，同时增加环形空间内的围压；
[0011]停止注入气体，待热缩管内压力和环形空间内的围压稳定；一旦热缩管内压力下降，继续注入甲烷，直至热缩管内压力和环形空间内的围压稳定在试验设计压力；
[0012]热缩管内压力稳定在试验设计压力，且温度稳定后，根据试验设计，利用超临界二氧化碳生成与注入系统向装置内注入超临界CO2，同时增加环形空间内的围压，至热缩管内压力和环形空间内的围压达到试验设计压力；
[0013]打开气体样品采集系统中气液分离容器和调压阀IV之间管路上的阀门和气相色谱仪与气液分离容器之间管路上的阀门，用气相色谱仪检测产出气体的组分变化；
[0014]启动控制软件自动采集样品室内的时间、压力、温度等相关数据；
[0015](d)采集试验中的气体样品:打开气体样品采集系统中气液分离容器和调压阀IV之间管路上的阀门和气液分离容器上部的阀门，通过气液分离容器上部的阀门采集气体样品;
[0016](e)试验系统清理:试验结束后，打开抽真空系统中真空容器和样品室之间管路上的阀门以及真空容器上靠近底部处的阀门，将热缩管内的气体慢慢泄放；同时，通过环压跟踪泵卸掉环形空间内的围压；解除气路连接，冷却降温；取出夹持器上的热缩管，取出密封件，取出煤样及型煤垫片；
[0017]进一步的，所述的试验压力为0.1MPa?25MPa，试验温度为室温?150°C ；
[0018]进一步的，样品室和参照缸保压过程中，管路和容器密封圈无泄漏时，压力波动范围在0.05MPa以下，温度波动在0.5°C以内；
[0019]进一步的，对热缩管进行热缩时，先将热缩管两侧棱热缩至平滑，再采用从一端到另一端螺旋式上升的路径对热缩管进行整体热缩。
[0020]本发明通过超临界二氧化碳生成与注入系统能够生成超临界二氧化碳并将其注入到参照缸和样品室内，加压系统加压和恒温系统加热保持恒温能够使得样品室内的压力和温度能够达到深部煤层的压力和温度，通过参照缸能够标定样品室容积以得到准确的测量数据，抽真空系统能够在试验开始之前排空整个装置内的空气，使得试验装置内尽可能达到真空的状态，保证试验数据的可靠性；气体样品采集系统能够在试验的过程中和试验后采集气体样品，便于及时分析数据；通过环压跟踪与测量系统能够为样品室提供围压以保护样品室不会因内外压差过大而破裂，电气控制及监控系统能够使试验人员远距离的操作试验装置及控制试验流程，对压力容器外状态进行视频监控，并且能够拍摄、录制试验过程，能够保障系统安全。本试验方法控温精度高，热平衡时间短，温度波动性小，均匀性好，数据显示准确、直观，结构紧凑。本发明便于控制、操作简单、安全可靠，能够实现模拟高温高压环境下超临界CO2注入与CH 4强化驱替的试验研宄。
【附图说明】
[0021]图1是本发明所使用的装置的结构示意图。
[0022]图中:1、超临界二氧化碳生成与注入系统，1-1、高压二氧化碳气瓶，1-2、制冷系统，1-3、二氧化碳泵，1-4、注入泵，1-5、活塞容器，1-6、加热系统，1-7、压力传感器VI，
1-8a?l-8h、阀门；2、加压系统，2-la、氦气高压气瓶，2-lb、甲烷高压气瓶，2-lc、混合气体高压气瓶，2-2、空压机，2-3、气体增压泵，2-4、电磁阀，2-5a、调压阀I，2-5b、调压阀II，
2-5c、调压阀III，2-6a、气体流量计I，2_6b、气体流量计II，2_6c、气体流量计III，2_7a、单向阀I，2-7b、单向阀II，2-7c、单向阀III，2-8a?2_81、阀门；3、样品室，3-1、热缩管，
3-2a、3-2b、垫块和O型圈，3-3、型煤垫片，3-