一种富油煤径向原位对流加热实验装置及方法

本发明属于富油煤原位开采，特别是涉及到一种采用对流加热测试富油煤原位转化油收率的实验装置及方法。

背景技术：

1、富油煤是一种特殊的煤炭资源，其热解产油率在7％～12％之间，拥有巨大的潜力。在无空气的条件下进行中低温热解，可以转化成丰富的煤焦油、煤热解气和清洁无烟的半焦，为我国提供了一种重要的能源资源。富油煤具有油气转化效率高、生产成本低等优势，具备成为我国石油的可持续补充能源的前景。

2、目前，适用于富油煤的低碳开发技术主要包括地面热解一体化技术和地下原位热解技术。地下原位热解是一种清洁、低碳的煤炭开采形式，通过不同的方式将热量导入地下煤层进行原位加热，然后将产生的液态和气态产物抽取至地面进行加工。然而，这种工艺存在技术复杂、油气资源回收率低和提取效果不理想等挑战。

3、富油煤的地下原位热解可以在提取油气资源的同时，将大部分碳留在地下残焦中。这种方式有助于缓解我国石油供应短缺的问题，为国家能源安全注入新活力。通过采用不同的热解动力学模型对富油煤的热解特性进行比较分析，确定地下原位热解工艺参数，对提高富油煤的热解效率和焦油产率具有重要意义，并为科学决策提供依据，为绿色能源的发展贡献力量。

4、在地下资源开采领域，对流加热是一种高效的原位加热技术，通过使用载热介质进行传热，能够大幅增加目的层的受热面积，同时传热通道也可以兼作产出通道，进而提高加热和产出效率。在富油煤的原位加热过程中，通过载热介质形成的加热网络，既能够弥补煤岩导热系数低的缺点，又能够降低煤焦油的黏度。这样的载热介质与焦油形成气液两相流，有利于煤焦油的产出。采用氮气加热地下煤层能够几乎不发生氧化反应，提取后的油与氮气能够容易分离，而产生的水蒸气则具有安全、易获取、无污染、高能量密度等特性。

5、因此，现有技术亟需一种新的技术方案将对流加热有效应用于富油煤开采领域。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种富油煤径向原位对流加热实验装置及方法，以对流加热为重点，解决在富油煤原位热解测试中的技术挑战，模拟对流加热时富油煤的原位加热过程和开发效果。该装置和方法可有效评估对流加热对富油煤的影响，为优化原位转化过程提供了关键的实验数据和参考依据。用于模拟对流加热下富油煤原位转化过程，并评估地层高温高压条件下对流加热对富油煤原位转化效果的影响。

2、一种富油煤径向原位对流加热实验装置，包括注气装置、高温高压反应釜、地下围压模拟装置以及油气采集计量装置。

3、所述注气装置包括氧气储气罐、第一氮气储气罐、第一气体增压泵、储气罐、流量控制器以及气体预热器，所述氧气储气罐和所述第一氮气储气罐的出气端通过管路与第一气体增压泵进气端连接；所述第一气体增压泵出气端通过管路与储气罐连接；所述储气罐出气端通过管路与流量控制器进气端连接；所述流量控制器出气端通过管路与气体预热器连接，所述气体预热器加热后的气体通过管路输入至高温高压反应釜内。

4、所述高温高压反应釜包括合金钢筒体、跟踪加热圈、珍珠岩、测温电偶以及注气管，所述合金钢筒体作为外部保护壳，筒体内设置存放富油煤样品的套管，套管与筒体之间形成围压腔，连接地下围压模拟装置来施加围压；所述套管外侧设置有跟踪加热圈；所述围压腔内部设置有珍珠岩；所述测温电偶为若干个，等间距设置在高温高压反应釜内部，用于实时监测各点温度；所述注气管设置在高温高压反应釜内部中心位置，入口端与气体预热器连接，用于对流加热高温高压反应釜内富油煤样品。

5、所述地下围压模拟装置包括第二氮气储气罐以及第二气体增压泵，用于向所述围压腔充入气体，对高温高压反应釜中富油煤样品施加围压。

6、所述油气采集计量装置与高温高压反应釜连接，包括冷却器、回压阀以及量筒，所述冷却器入口端与高温高压反应釜出口端通过管路相连，出口端与回压阀入口端连接；所述回压阀出口端通过管路与量筒连接；所述量筒内部设置有气体流量计。

7、还包括辅助装置，所述辅助装置包括压实装置和起吊装置，压实装置用于自动压实样品，包括液压泵和液压缸；起吊装置用于起吊法兰盖及液压装置。

8、所述氧气储气罐和所述第一氮气储气罐与第一气体增压泵相连的管路上依次设置有第一压力传感器和第一单向阀；所述第一气体增压泵与储气罐相连的管路上依次设置有第二单向阀和第二压力传感器；所述储气罐与流量控制器相连的管路上依次设置有第一截止阀、第三压力传感器以及第二截止阀；所述流量控制器与气体预热器相连的管路上设置有第三截止阀。

9、所述气体预热器出气温度为500℃，气体预热器与高温高压反应釜注气管相连的管路上设置有第四压力传感器、第一温度传感器以及第四截止阀。

10、所述跟踪加热圈沿长度方向布置10组，自动跟踪高温高压反应釜内壁温度，最高跟踪温度450℃，跟踪温度差值根据实际实验设定。

11、所述测温电偶为k型热电偶，温度测量范围为室温～1200℃。

12、所述富油煤样品直径为710mm，高度为1000mm；高温高压反应釜中心设计的注气管直径为50～60mm。

13、所述地下围压模拟装置还包括第六截止阀、第七压力传感器、第七截止阀。

14、所述油气采集计量装置与高温高压反应釜连接管路上设置有第五压力传感器和第五截止阀。

15、一种富油煤径向原位对流加热实验方法，采用所述的一种富油煤径向原位对流加热实验装置，包括以下步骤：

16、步骤一、用辅助装置压制岩心，采用分段压制的方式进行柱状样品的压制，获得满足实验要求的柱状富油煤样品。

17、步骤二、安装高温高压反应釜并对其进行密封，保证所有截止阀关闭，将所述步骤一获得富油煤样品放置在高温高压反应釜中，打开第六截止阀、第七截止阀，并通过第二气体增压泵将压力增至指定值，将高温高压反应釜的围压增加至指定压力pc。

18、步骤三、对高温高压反应釜内部增压并进行气密性检测，打开所有截止阀，注入常温氮气将装置内气体排出后，关闭第五截止阀至釜内压力为15mpa，停止气体注入，等待5h压力衰减小于0.1mpa/h，气密性测试完成。

19、步骤四、打开所有截止阀开始实验，氮气经过第一气体增压泵增压至15mpa后流经气体预热器，气体预热器将氮气加热至500℃并将500℃高温高压氮气注入样品，出口处回压阀的压力设置为15mpa，加热富油煤，通过釜体外周布置的跟踪加热圈，自动跟踪模型内壁温度，防止热量散失对实验造成影响。

20、步骤五、实验过程中，实时测量高温高压反应釜温度，样品内部的温度数据通过等间距埋设的测温电偶进行采集；出口位置压力通过第五压力传感器全程测试；产出的油气进入冷却器后进行油气分离，气体排出用气体流量计计量气量，油收集在金属量筒中，全程读取油产量。

21、步骤六、直至无焦油产出实验结束，停止加热，对收集的液相、气相产物进行分析。

22、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种富油煤径向原位对流加热实验装置及方法，

23、1、根据富油煤储层地质条件的不同和关键设备的性能特点，优化了加热工艺和配套工艺参数，形成了高效的富油煤原位加热方案。

24、2、采用对流加热的方式，通过热载介质的传热，显著增加了受热面积，同时传热通道也可以用作产出通道，提高了加热和产出的效率。在富油煤的原位加热过程中，热载介质形成的加热网络不仅可以弥补煤岩导热系数较低的缺点，还能降低煤焦油的黏度，使煤焦油形成气液两相流，有利于煤焦油的产出。