一种煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置的制作方法

本发明涉及煤炭技术领域，具体为一种煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置。

背景技术：

液氮具有极低的温度(-196℃)，对环境无污染，容易制备且成本低廉。煤是一种天然的低强度、割理、微裂隙和孔隙等缺陷结构发育的地质体，低温液氮多级脉冲注入煤体后，可使煤体循环冻结损伤弱化、原生微裂隙扩展以及产生新裂隙，形成冻融致裂带。液氮气化后体积急剧膨胀(1m³的液氮气化后在21℃体积达696m³)，产生巨大膨胀力致裂煤层，形成气化高压致裂带，同时高压氮气能驱赶、分压置换煤层瓦斯，促进瓦斯解吸渗流。以往研究煤层液氮增渗技术时，多集中在研究液氮浸融致裂、高压致裂、置换解吸瓦斯等单一效应，对上述内容综合考虑尚不全面，尤其是液氮多级脉冲作用于深部煤体时，上述复合效应更加复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置，具有提高瓦斯灾害防治与瓦斯资源开发水平的优点，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置，包括液氮罐、围压加载系统和轴压加载系统，所述围压加载系统和轴压加载系统交叉连接，围压加载系统和轴压加载系统围成区域的中心位置上安装有高压反应釜，所述液氮罐的通过管道连接有液氮脉冲增压泵，液氮罐与液氮脉冲增压泵之间的管道上安装有耐超低温流量计，液氮脉冲增压泵通过管道连接有高压反应釜，液氮脉冲增压泵与高压反应釜的连接管道上安装有耐低温阀门，所述高压反应釜内安装有温控加热装置，高压反应釜的一侧电性连接有声变测量仪、电阻测量仪和压力感应器，压力感应器一侧的高压反应釜通过管道分别连接有真空泵、气液分离器和安全泄压门，所述温控加热装置靠进声变测量仪的一侧电性连接有应变测量仪，温控加热装置一侧的管道上安装有第一阀门，第一阀门另一侧的管道分别连接有吸附解吸参考釜和气体增压泵，气体增压泵和第一阀门之间的管道上安装有第一气体流量计和第二阀门，气体增压泵的一侧分别连接有氧气罐、甲烷罐、氮气罐和氦气罐，所述气液分离器与高压反应釜连接的管道上安装有第三阀门，气液分离器靠近第三阀门的一端串连有干燥剂和第二气体流量计，气液分离器的另一端分别连接有液体流量计和精密天平。

优选的，所述真空泵与高压反应釜连接的管道上安装有第四阀门。

优选的，所述氧气罐、甲烷罐、氮气罐和氦气罐与气体增压泵连接的管道上分别安装有第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门。

优选的，所述压力感应器与安全泄压门电性连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置，通过不同注液氮方式，改变煤体微细观结构特征，促进煤体裂隙演化，增加煤体的渗透率，并通过气化高压氮气改变煤体瓦斯分压，促进氮气与瓦斯气体的竞争吸附关系，使煤体中的瓦斯气体随着氮气气流从煤体中解吸出来。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图中：1液氮罐、2液氮脉冲增压泵、3耐超低温流量计、4围压加载系统、5轴压加载系统、6应变测量仪、7声变测量仪、8电阻测量仪、9温控加热装置、10第二气体流量计、11压力感应器、12真空泵、13干燥剂、14气液分离器、15液体流量计、16精密天平、17第五阀门、18气体增压泵、19氧气罐、20甲烷罐、21氮气罐、22氦气罐、23耐低温阀门、24第二阀门、25吸附解吸参考釜、26第四阀门、27第三阀门、28第六阀门、29第七阀门、30第八阀门、31高压反应釜、32安全泄压门、33第一阀门、34第一气体流量计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置，包括液氮罐1、围压加载系统4和轴压加载系统5，围压加载系统4和轴压加载系统5交叉连接，围压加载系统4和轴压加载系统5围成区域的中心位置上安装有高压反应釜31，液氮罐1的通过管道连接有液氮脉冲增压泵2，液氮罐1与液氮脉冲增压泵2之间的管道上安装有耐超低温流量计3，液氮脉冲增压泵2通过管道连接有高压反应釜31，液氮脉冲增压泵2与高压反应釜31的连接管道上安装有耐低温阀门23，高压反应釜31内安装有温控加热装置9，对反应釜31进行加温并保持其恒温，高压反应釜31的一侧电性连接有声变测量仪7、电阻测量仪8和压力感应器11，压力感应器11一侧的高压反应釜31通过管道分别连接有真空泵12、气液分离器14和安全泄压门32，压力感应器11与安全泄压门32电性连接，当压力传感器11的压力超过设定的安全压力时，安全阀32自动开启泄压，真空泵12与高压反应釜31连接的管道上安装有第四阀门26，真空泵12将系统及管道内残余空气抽出，避免空气对实验造成影响，温控加热装置9靠进声变测量仪7的一侧电性连接有应变测量仪6，通过应变测量仪6、声波测量仪7、电阻测量仪8可以监测煤样在整个压裂与驱替过程中的煤样形变量、裂隙、电阻率的变化情况，温控加热装置9一侧的管道上安装有第一阀门33，第一阀门33另一侧的管道分别连接有吸附解吸参考釜25和气体增压泵18，气体增压泵18和第一阀门33之间的管道上安装有第一气体流量计34和第二阀门24，气体增压泵18的一侧分别连接有氧气罐19、甲烷罐20、氮气罐21和氦气罐22，氧气罐19、甲烷罐20、氮气罐21和氦气罐22与气体增压泵18连接的管道上分别安装有第五阀门17、第六阀门28、第七阀门29和第八阀门30，分别控制氧气、甲烷、氮气和氦气的输入量，气液分离器14与高压反应釜31连接的管道上安装有第三阀门27，气液分离器14靠近第三阀门27的一端串连有干燥剂13和第二气体流量计10，气液分离器14的另一端分别连接有液体流量计15和精密天平16。

工作过程：实验开始前，耐低温阀门23、第二阀门24、第三阀门27为关闭状态，第四阀门26为打开状态，开启控温加热系统9，对反应釜31进行加温并保持其恒温，开启真空泵12将系统及管道内残余空气抽出，避免空气对实验造成影响，抽真空后关闭第四阀门26，打开气体增压泵18，并打开第二阀门24、第八阀门30、关闭第一阀门33，向吸附解吸参考釜25通入氦气，通过其上压力传感器，对吸附解吸参考釜25进行体积标定，打开第一阀门33，向反应釜31内通入氦气，对反应釜31及管路系统进行标定，通过第一气体流量计34计算其固定空间体积，打开第四阀门26，将吸附解吸参考釜25、反应釜31及管路中氦气气体排出系统，关闭第四阀门26，打开第六阀门28，增压泵18向系统内通入甲烷20气体，使煤样充分吸附甲烷气体，通过第一气体流量计34的读数，结合固定空间体积，计算出甲烷吸附量，通过轴压加载系统5对反应釜31中煤样施加轴向应力，围压加载系统5对反应釜31中煤样施加围压，应力大小根据实验要求设定，关闭第二阀门24，第六阀门28，打开耐低温阀门23，根据压力传感器11的读数，设置液氮脉冲增压泵2的压力级数，通过液氮脉冲增压泵2，向反应釜31内充入定量高压液氮，充入液氮量由耐超低温流量计3进行控制，打开第三阀门27，关闭耐低温阀门23，使反应釜31中氮气与甲烷混合气体，通过第三阀门27，干燥剂13，第二气体流量计10排出实验系统，气体中携载的液体，通过气液分离器14，经过液体流量计15，进入精密天平16，收集经过第二气体流量计10的气体，进行气相色谱分析，循环此操作，直至反应釜31完全泄压，待压裂和驱替实验结束后，旋转围压加载系统4与轴压加载系统5，对煤样进行泄压，关闭控温加热系统9，使反应釜31内温度降至室温，取出压裂后煤样，完成实验，整个实验过程中，安全阀32安全压力根据实验压力需要进行设定，当压力传感器11的压力超过设定的安全压力时，安全阀32自动开启泄压，通过应变测量仪6、声波测量仪7、电阻测量仪8可以监测煤样在整个压裂与驱替过程中的煤样形变量、裂隙、电阻率的变化情况

综上所述：本煤岩样品高压液氮循环致裂及气化驱替实验装置，通过不同注液氮方式，改变煤体微细观结构特征，促进煤体裂隙演化，增加煤体的渗透率，并通过气化高压氮气改变煤体瓦斯分压，促进氮气与瓦斯气体的竞争吸附关系，使煤体中的瓦斯气体随着氮气气流从煤体中解吸出来。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。