本發(fā)明涉及一種超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的模擬裝置及方法，具體涉及一種煤礦井下超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來，我國(guó)煤礦事故時(shí)有發(fā)生，其中瓦斯事故占總事故的百分之八十以上，瓦斯災(zāi)害是嚴(yán)重制約煤礦安全高效生產(chǎn)的重要難題。目前，解決瓦斯災(zāi)害的最為有效措施之一是瓦斯抽采。隨著煤礦采深的增加，煤層瓦斯壓力高和低透氣性煤層多的問題會(huì)越來越顯著，單一的水力壓裂措施效果會(huì)越來越差，難以在煤體內(nèi)形成大范圍的裂隙網(wǎng)，導(dǎo)致瓦斯抽采率低，瓦斯事故頻繁。

超臨界二氧化碳具有類似氣體的擴(kuò)散性及液體的溶解能力，同時(shí)兼具低粘度、低表面張力的特性，能夠迅速滲透進(jìn)入微孔隙的物質(zhì)，因此用于萃取時(shí)萃取速率比液體快速而有效。水力壓裂作為常用的煤體致裂手段，技術(shù)成熟可靠，適應(yīng)范圍廣，可行性高。水力壓裂后煤層含水率升高，容易產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，抑制瓦斯逸出，而二氧化碳溶于水可以破除水鎖效應(yīng)。超臨界二氧化碳與水力壓裂致裂煤體技術(shù)同時(shí)具有超臨界二氧化碳和水力壓裂的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)水力壓裂這一傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的合理探索，使其更加適用于高瓦斯低透氣性煤層。

目前各國(guó)對(duì)超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的研究較少，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置還不完善。為了避免單純理論分析和數(shù)值模擬所得結(jié)果與實(shí)際不符，同時(shí)以較小成本深入探究超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的機(jī)理和影響因素，設(shè)計(jì)一種煤礦井下超臨界二氧化碳和水力壓裂致裂煤體模擬裝置，并開展相應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的模擬裝置及方法，能真實(shí)反映煤礦井下超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的過程。

本發(fā)明提供了一種超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的模擬裝置，包括超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置、密封罐裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、真空泵、瓦斯氣樣罐和安全閥；

所述超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置包括超臨界co2致裂部分和水力壓裂部分；所述超臨界co2致裂部分包括二氧化碳儲(chǔ)氣罐、加壓泵和超臨界二氧化碳儲(chǔ)氣罐，三者之間通過不銹鋼連通管連接，每段不銹鋼連通管之間設(shè)有可控開關(guān)，超臨界二氧化碳儲(chǔ)氣罐上裝有壓力表；所述水力壓裂部分包括水箱、加壓泵和高壓水箱，三者之間通過不銹鋼連通管連接，每段不銹鋼連通管之間設(shè)有可控開關(guān)，通過水壓傳感器和水壓記錄儀監(jiān)測(cè)和控制水壓力；

所述密封罐裝置，罐體內(nèi)放置有煤樣；所述安全閥可以防止密封罐因腔內(nèi)氣壓過大發(fā)生事故；所述超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置通過h型鋼管與所述密封罐裝置的煤樣直接連接，所述數(shù)據(jù)采集裝置、真空泵和瓦斯氣樣罐分別設(shè)置在密封罐裝置的外側(cè)，且與密封罐中的煤樣直接連接。

上述裝置中，所述密封罐裝置分為罐蓋和罐體，所述罐體采用6cm厚的不銹鋼板制成，所述罐體與罐蓋通過四個(gè)螺栓連接構(gòu)成內(nèi)部為空腔的四方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空腔為邊長(zhǎng)40cm的正方體。

上述裝置中，所述罐體的左右兩側(cè)各有兩個(gè)孔徑為3cm的通孔，分別為左側(cè)上孔、左側(cè)下孔、右側(cè)上孔、右側(cè)下孔，左側(cè)孔中心分別距罐身底部20cm、10cm，右側(cè)孔中心分別距罐身底部30cm、15cm；所述左側(cè)下孔連接真空泵，左側(cè)上孔連接瓦斯氣樣罐，右側(cè)上孔連接安全閥，右側(cè)下孔連接數(shù)據(jù)采集裝置。

進(jìn)一步地，所述罐蓋中心軸線上設(shè)有一直徑10cm的通孔，加壓泵的壓頭通過該通孔實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣的單軸加壓；所述壓頭與罐蓋之間注入潤(rùn)滑油密封，壓頭內(nèi)部有一直徑3cm的管路，該管路與連接超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂裝置相連接。

上述裝置中，所述數(shù)據(jù)采集裝置的探頭及電線放入密封罐內(nèi)，在煤樣鉆孔面沿徑向設(shè)有一凹槽，探頭及電線固定在該槽內(nèi)。

上述裝置中，所述的不銹鋼連通管外徑為3cm。用鋼管連接水力壓裂設(shè)備和超臨界二氧化碳致裂設(shè)備，這樣不但不影響致裂系統(tǒng)正常運(yùn)行還有節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明提供了一種超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的模擬方法，采用上述模擬裝置，包括以下步驟：

s1：根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需，在尺寸φ20cm×20cm的圓柱體煤樣的頂部中心沿豎直方向鉆一個(gè)φ3cm×3cm的鉆孔，并在煤樣鉆孔面沿徑向刻一小槽；

s2：將實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)采集裝置的探頭及電線放入槽內(nèi)，將安裝好探頭和電線的煤樣放入密封罐裝置的中央；

s3：實(shí)驗(yàn)測(cè)量所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置的電線通過罐體右側(cè)下孔穿出，電線與密封罐孔壁之間采用薄橡膠片密封，開啟壓力泵，使壓頭開始擠壓煤樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣的單軸加壓；

s4：連接真空泵，對(duì)密封罐內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，之后關(guān)閉真空泵氣閥，按實(shí)驗(yàn)要求壓力將瓦斯吸入密封罐，等瓦斯吸附達(dá)到平衡后關(guān)閉瓦斯氣罐氣閥；

s5：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求使用超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體模擬裝置對(duì)煤樣進(jìn)行復(fù)合致裂，并通過數(shù)據(jù)采集裝置采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析煤礦井下超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的效果。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明是基于超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體技術(shù)的一種煤礦井下超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體模擬裝置及方法，其中：超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體作為一種新型煤層致裂技術(shù)，具有減少溫室氣體、吸附甲烷效率高、增大煤體裂隙、促進(jìn)水的運(yùn)移等優(yōu)點(diǎn)，是目前解決我國(guó)堅(jiān)硬低透氣性煤層瓦斯抽采問題的有效措施之一。本發(fā)明首次設(shè)計(jì)了一套完善的模擬煤礦井下含瓦斯煤層真是賦存狀態(tài)的超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂煤體模擬實(shí)驗(yàn)裝置及使用方法；

本發(fā)明采用相似模擬的實(shí)驗(yàn)方法真實(shí)模擬了井下煤層周圍應(yīng)力和瓦斯賦存情況，相比于

數(shù)值模擬和理論分析等方法，此方法與真實(shí)狀況更為接近，并且通過實(shí)驗(yàn)使得數(shù)據(jù)科學(xué)性、精準(zhǔn)度和可靠性更高。本實(shí)驗(yàn)相比于在現(xiàn)場(chǎng)有更好的經(jīng)濟(jì)性，且可以通過設(shè)置加壓大小，更好地模擬實(shí)際情況，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果適應(yīng)性更強(qiáng)。

附圖說明

圖1是煤礦井下超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的模擬裝置的示意圖；

圖2是超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置的示意圖；

圖3是密封罐裝置示意圖；

圖中1為密封罐裝置，2為超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置，3為數(shù)據(jù)采集裝置，4為真空泵，5為瓦斯氣樣罐，6為安全閥，7為煤樣；2-1、2-2、2-3、2-4為超臨界co2致裂部分，2-5、2-6、2-7、2-8、2-9為水力壓裂部分；2-1為二氧化碳儲(chǔ)氣罐，2-2為加壓泵，2-3為超臨界二氧化碳儲(chǔ)氣罐，2-4為壓力表；2-5為水箱，2-6可控開關(guān)，2-7為高壓水箱，2-8第二加壓泵，2-9為水壓記錄儀和水壓傳感器，2-10為不銹鋼管；3-1為罐蓋，3-2為罐體，3-3為螺栓，3-4為左側(cè)上孔，3-5為左側(cè)下孔，3-6為右側(cè)上孔，3-7為右側(cè)下孔，3-8為壓頭。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1：

如圖1，煤礦井下超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的模擬裝置，包括密封罐裝置1、超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置2、數(shù)據(jù)采集裝置3、真空泵4、瓦斯氣樣罐5和安全閥6；所述超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置2包括超臨界co2致裂部分（由部件2-1、2-2、2-3、2-4組成）和水力壓裂部分（由部件2-5、2-6、2-7、2-8、2-9組成）；所述密封罐裝置1內(nèi)放置有煤樣7；所述安全閥6可以防止密封罐裝置1因腔內(nèi)氣壓過大發(fā)生事故；所述超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂裝置2通過h型鋼管將超臨界co2致裂裝置和水力壓裂裝置與所述密封罐裝置1的煤樣7直接連接，所述數(shù)據(jù)采集裝置3與所述密封罐裝置1中的煤樣7直接連接，所述真空泵4和瓦斯氣樣罐5分別與所述密封罐裝置1的煤樣7直接連接。

如圖2，所述超臨界co2致裂部分由二氧化碳儲(chǔ)氣罐2-1、加壓泵2-2和超臨界二氧化碳儲(chǔ)氣罐2-3組成，超臨界二氧化碳儲(chǔ)氣罐2-3上裝有壓力表2-4；上述的二氧化碳儲(chǔ)氣罐2-1、加壓泵2-2和超臨界二氧化碳儲(chǔ)氣罐2-3裝置之間通過外徑為3cm的不銹鋼管2-10連接，上述每段不銹鋼管2-10之間設(shè)有可控開關(guān)2-6。所述水力致裂部分包括水箱2-5、第二加壓泵2-8和高壓水箱2-7，通過水壓傳感器和水壓記錄儀2-9監(jiān)測(cè)和控制水壓力；上述的水箱2-5，第二加壓泵2-8和高壓水箱2-7三個(gè)裝置之間通過直徑為3cm的不銹鋼管2-10連接，上述每段不銹鋼聯(lián)通管之間設(shè)有可控開關(guān)2-6。

如圖3，所述密封罐裝置分為罐蓋3-1和罐體3-2兩部分，所述罐體3-2采用6cm厚的不銹鋼板制成，所述罐體3-2與罐蓋3-1通過四個(gè)螺栓3-3連接構(gòu)成內(nèi)部為空腔的四方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空腔為邊長(zhǎng)40cm的正方體。所述罐體3-2的左右兩側(cè)各有兩個(gè)孔徑為3cm的通孔，分別為左側(cè)上孔3-4、左側(cè)下孔3-5、右側(cè)上孔3-6、右側(cè)下孔3-7，左側(cè)通孔中心分別距罐身底部20cm、10cm，右側(cè)通孔中心分別距罐身底部30cm、15cm。所述左側(cè)下孔3-5連接真空泵4，左側(cè)上孔3-4連接瓦斯氣樣罐5，右側(cè)上孔3-6連接安全閥6，右側(cè)下孔3-7連接數(shù)據(jù)采集裝置3。所述罐蓋3-1中心軸線上設(shè)有一直徑10cm的通孔，z軸自動(dòng)加壓泵的壓頭3-8可通過該通孔實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣7的單軸加壓。所述壓頭3-8與罐蓋3-1之間注入潤(rùn)滑油密封，壓頭3-8內(nèi)部有一直徑3cm的管路，該管路與連接超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂裝置1端部的外徑3cm的鋼管相連。

如圖1~3，煤礦井下超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體模擬裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

s1：根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需，在尺寸φ20cm×20cm的圓柱體煤樣7的頂部中心沿豎直方向鉆一個(gè)φ3cm×3cm的鉆孔，并在試樣鉆孔面沿徑向刻一小槽；

s2：將實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)采集裝置3的探頭及電線放入槽內(nèi)，將安裝好探頭和電線的煤樣7放入密封罐裝置1的中央；

s3：實(shí)驗(yàn)測(cè)量所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置3的電線通過罐體右側(cè)下孔3-7穿出，電線與密封罐孔壁之間采用薄橡膠片密封，開啟壓力泵，使壓頭3-8開始擠壓煤樣7，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣7的單軸加壓；

s4：連接真空泵4，對(duì)密封罐裝置1內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，之后關(guān)閉真空泵氣閥，按實(shí)驗(yàn)要求壓力將瓦斯吸入密封罐裝置1，等瓦斯吸附達(dá)到平衡后關(guān)閉瓦斯氣罐氣閥；

s5：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求使用超臨界co2與水力壓裂復(fù)合致裂煤體模擬裝置對(duì)煤樣進(jìn)行復(fù)合致裂，并通過數(shù)據(jù)采集裝置3采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析煤礦井下超臨界二氧化碳與水力壓裂復(fù)合致裂煤體的效果。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。