注入與煤層氣強(qiáng)化驅(qū)替模擬試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在試驗(yàn)室內(nèi)模擬深部煤層CO2地質(zhì)存儲與CH4強(qiáng)化開采過程的試驗(yàn)方法，特別是涉及一種用于實(shí)現(xiàn)超臨界0)2注入與驅(qū)替煤中CH 4，并測量競爭吸附過程中煤巖樣品自由體積膨脹量的試驗(yàn)方法，屬于煤層氣開采領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)能源的供應(yīng)量逐漸減少，而且在生產(chǎn)生活中排放的大量二氧化碳所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重威脅到整個自然的生態(tài)安全，人類對新型、清潔能源的需求越來越大，因而煤層氣作為一種新型、清潔能源受到了廣泛關(guān)注。我國具有豐富的煤層氣資源，煤層氣開發(fā)對緩解我國油氣資源緊張現(xiàn)狀、減輕礦井災(zāi)害程度、減少溫室氣體排放等具有重要意義。如何從煤層中開采煤層氣及提高煤層氣產(chǎn)量是當(dāng)前研宄的重要的課題，利用競爭吸附優(yōu)勢原理，將CO2注入煤層可有效置換或驅(qū)替煤層CH4，這已成為新的煤層氣強(qiáng)化開發(fā)方式。煤層CO2地質(zhì)存儲與014強(qiáng)化開采(CO2-ECBM,即CO2Geo1gicalStorage-Enhanced Coal Bed Methane Recovery)技術(shù)融溫室氣體減排與新能源開發(fā)為一體，受到全球高度關(guān)注。超臨界0)2可與煤中吸附態(tài)CH 4發(fā)生競爭吸附，導(dǎo)致吸附態(tài)CH 4被置換和驅(qū)替出來，同時，煤吸附014或CO 2后，會發(fā)生膨脹變形，改變煤層滲透性、儲存能力，對有效地應(yīng)用煤層CO2-ECBM技術(shù)尤為關(guān)鍵。
[0003]鑒于此，在試驗(yàn)室內(nèi)模擬深部煤層高溫、高壓、密封環(huán)境對于研宄CO2-ECBM技術(shù)至關(guān)重要，設(shè)計一種可用于在試驗(yàn)室內(nèi)模擬深部煤層環(huán)境，實(shí)現(xiàn)模擬超臨界CO2注入與驅(qū)替煤中CH4的過程的試驗(yàn)方法，是煤層CO2地質(zhì)存儲與CH 4強(qiáng)化開采研宄亟待解決的一項(xiàng)課題，對具體的深部煤層中煤層氣的開采具有重要的理論指導(dǎo)作用。而現(xiàn)有的試驗(yàn)方法并沒有模擬深部煤層高溫高壓的試驗(yàn)環(huán)境，且試驗(yàn)方法中也沒有實(shí)時采集試驗(yàn)樣品以實(shí)時得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種超臨界CO2注入與煤層氣強(qiáng)化驅(qū)替模擬試驗(yàn)方法，該方法能夠在試驗(yàn)室內(nèi)模擬深部煤層高溫高壓的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)超臨界CO2注入與驅(qū)替煤中CH4的模擬試驗(yàn)，并能夠在試驗(yàn)的過程中采集氣體樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本超臨界CO2注入與煤層氣強(qiáng)化驅(qū)替模擬試驗(yàn)方法在樣品室和參照缸中模擬深部煤層高溫、高壓、密封環(huán)境，由加壓系統(tǒng)向樣品室和參照缸提供壓力和氣源，由恒溫系統(tǒng)向樣品室和參照缸提供溫度，由超臨界二氧化碳生成與注入系統(tǒng)產(chǎn)生并向樣品室提供超臨界二氧化碳，由環(huán)壓跟蹤與測量系統(tǒng)為樣品室提供環(huán)壓，由電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整個試驗(yàn)過程的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲，通過氣體樣品采集系統(tǒng)完成試驗(yàn)中與試驗(yàn)后試驗(yàn)樣品的收集、冷凝、泄壓、氣液分離、氣體組分分析等功能，具體步驟如下:
[0006](a)試樣裝罐:對煤樣進(jìn)行預(yù)處理；接通電源，接通超臨界二氧化碳生成與注入系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)；將煤樣放入熱縮管內(nèi)前，在熱縮管內(nèi)壁涂凡士林，每放入一段煤樣，加入一個型煤墊片，放置時，型煤墊片的軸線與熱縮管的軸線重合；將熱縮管套在墊塊上進(jìn)行密封并對熱縮管進(jìn)行熱縮，最后用兩個O型圈分別套在兩個墊塊外的熱縮管上，進(jìn)一步密封熱縮管；將熱縮管放入夾持器中并置于恒溫空氣浴內(nèi)；
[0007](b)氣密性檢查:打開抽真空系統(tǒng)中真空泵和真空容器之間管路上的閥門以及真空容器和樣品室之間管路上的閥門，利用抽真空系統(tǒng)對裝置抽真空；關(guān)閉所有閥門，由環(huán)壓跟蹤泵對環(huán)形空間加圍壓至2MPa，向參照缸和樣品室注入高純氦氣，打開抽真空系統(tǒng)中真空容器和樣品室之間管路上的閥門以及真空容器上靠近底部處的閥門，待裝置內(nèi)部空氣被替換出去后關(guān)閉真空容器上靠近底部處的閥門，打開真空泵和真空容器之間管路上的閥門，對裝置進(jìn)行抽真空處理；關(guān)閉所有閥門，使恒溫空氣浴對參照缸和樣品室加熱至要求溫度；通過氣體增壓泵向參照缸注入高純氦氣，使參照缸內(nèi)壓力高于試驗(yàn)最高壓力IMPa，關(guān)閉加壓系統(tǒng)與樣品室和參照缸連接的總管路上的閥門，打開參照缸入口處管路上的閥門和樣品室入口處管路上的閥門，同時增加熱縮管外的環(huán)形空間內(nèi)的圍壓，保證熱縮管內(nèi)的壓力和環(huán)形空間內(nèi)的圍壓同時升高至參照缸和樣品室平衡后的壓力，關(guān)閉參照缸入口處管路上的閥門和樣品室入口處管路上的閥門；系統(tǒng)采集參照缸和樣品室內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，觀察壓力是否平穩(wěn)，若壓力不平穩(wěn)，則重復(fù)步驟(a);若參照缸和樣品室內(nèi)的壓力平穩(wěn)，打開抽真空系統(tǒng)中真空容器和樣品室之間管路上的閥門以及真空容器上靠近底部處的閥門，將熱縮管內(nèi)的氣體慢慢泄放，同時，通過環(huán)壓跟蹤泵卸掉環(huán)形空間內(nèi)的圍壓；
[0008](c)進(jìn)行驅(qū)替模擬:由環(huán)壓跟蹤泵對環(huán)形空間加圍壓至2MPa，打開抽真空系統(tǒng)中真空泵和真空容器之間管路上的閥門以及真空容器和樣品室之間管路上的閥門，利用抽真空系統(tǒng)對裝置抽真空，向參照缸和樣品室注入高純甲烷，再抽真空，重復(fù)3-5次；
[0009]關(guān)閉所有閥門，設(shè)置并調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，使參照缸和樣品室的溫度穩(wěn)定在試驗(yàn)溫度；
[0010]向參考缸注入甲烷氣體，使其壓力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計壓力，關(guān)閉加壓系統(tǒng)與樣品室和參照缸連接的總管路上的閥門，打開參照缸入口處管路上的閥門和樣品室入口處管路上的閥門，同時增加環(huán)形空間內(nèi)的圍壓；
[0011]停止注入氣體，待熱縮管內(nèi)壓力和環(huán)形空間內(nèi)的圍壓穩(wěn)定；一旦熱縮管內(nèi)壓力下降，繼續(xù)注入甲烷，直至熱縮管內(nèi)壓力和環(huán)形空間內(nèi)的圍壓穩(wěn)定在試驗(yàn)設(shè)計壓力；
[0012]熱縮管內(nèi)壓力穩(wěn)定在試驗(yàn)設(shè)計壓力，且溫度穩(wěn)定后，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計，利用超臨界二氧化碳生成與注入系統(tǒng)向裝置內(nèi)注入超臨界CO2，同時增加環(huán)形空間內(nèi)的圍壓，至熱縮管內(nèi)壓力和環(huán)形空間內(nèi)的圍壓達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計壓力；
[0013]打開氣體樣品采集系統(tǒng)中氣液分離容器和調(diào)壓閥IV之間管路上的閥門和氣相色譜儀與氣液分離容器之間管路上的閥門，用氣相色譜儀檢測產(chǎn)出氣體的組分變化；
[0014]啟動控制軟件自動采集樣品室內(nèi)的時間、壓力、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)；
[0015](d)采集試驗(yàn)中的氣體樣品:打開氣體樣品采集系統(tǒng)中氣液分離容器和調(diào)壓閥IV之間管路上的閥門和氣液分離容器上部的閥門，通過氣液分離容器上部的閥門采集氣體樣品;
[0016](e)試驗(yàn)系統(tǒng)清理:試驗(yàn)結(jié)束后，打開抽真空系統(tǒng)中真空容器和樣品室之間管路上的閥門以及真空容器上靠近底部處的閥門，將熱縮管內(nèi)的氣體慢慢泄放；同時，通過環(huán)壓跟蹤泵卸掉環(huán)形空間內(nèi)的圍壓；解除氣路連接，冷卻降溫；取出夾持器上的熱縮管，取出密封件，取出煤樣及型煤墊片；
[0017]進(jìn)一步的，所述的試驗(yàn)壓力為0.1MPa?25MPa，試驗(yàn)溫度為室溫?150°C ；
[0018]進(jìn)一步的，樣品室和參照缸保壓過程中，管路和容器密封圈無泄漏時，壓力波動范圍在0.05MPa以下，溫度波動在0.5°C以內(nèi)；
[0019]進(jìn)一步的，對熱縮管進(jìn)行熱縮時，先將熱縮管兩側(cè)棱熱縮至平滑，再采用從一端到另一端螺旋式上升的路徑對熱縮管進(jìn)行整體熱縮。
[0020]本發(fā)明通過超臨界二氧化碳生成與注入系統(tǒng)能夠生成超臨界二氧化碳并將其注入到參照缸和樣品室內(nèi)，加壓系統(tǒng)加壓和恒溫系統(tǒng)加熱保持恒溫能夠使得樣品室內(nèi)的壓力和溫度能夠達(dá)到深部煤層的壓力和溫度，通過參照缸能夠標(biāo)定樣品室容積以得到準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，抽真空系統(tǒng)能夠在試驗(yàn)開始之前排空整個裝置內(nèi)的空氣，使得試驗(yàn)裝置內(nèi)盡可能達(dá)到真空的狀態(tài)，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性；氣體樣品采集系統(tǒng)能夠在試驗(yàn)的過程中和試驗(yàn)后采集氣體樣品，便于及時分析數(shù)據(jù)；通過環(huán)壓跟蹤與測量系統(tǒng)能夠?yàn)闃悠肥姨峁﹪鷫阂员Ｗo(hù)樣品室不會因內(nèi)外壓差過大而破裂，電氣控制及監(jiān)控系統(tǒng)能夠使試驗(yàn)人員遠(yuǎn)距離的操作試驗(yàn)裝置及控制試驗(yàn)流程，對壓力容器外狀態(tài)進(jìn)行視頻監(jiān)控，并且能夠拍攝、錄制試驗(yàn)過程，能夠保障系統(tǒng)安全。本試驗(yàn)方法控溫精度高，熱平衡時間短，溫度波動性小，均勻性好，數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確、直觀，結(jié)構(gòu)緊湊。本發(fā)明便于控制、操作簡單、安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬高溫高壓環(huán)境下超臨界CO2注入與CH 4強(qiáng)化驅(qū)替的試驗(yàn)研宄。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明所使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:1、超臨界二氧化碳生成與注入系統(tǒng)，1-1、高壓二氧化碳?xì)馄浚?-2、制冷系統(tǒng)，1-3、二氧化碳泵，1-4、注入泵，1-5、活塞容器，1-6、加熱系統(tǒng)，1-7、壓力傳感器VI，
1-8a?l-8h、閥門；2、加壓系統(tǒng)，2-la、氦氣高壓氣瓶，2-lb、甲烷高壓氣瓶，2-lc、混合氣體高壓氣瓶，2-2、空壓機(jī)，2-3、氣體增壓泵，2-4、電磁閥，2-5a、調(diào)壓閥I，2-5b、調(diào)壓閥II，
2-5c、調(diào)壓閥III，2-6a、氣體流量計I，2_6b、氣體流量計II，2_6c、氣體流量計III，2_7a、單向閥I，2-7b、單向閥II，2-7c、單向閥III，2-8a?2_81、閥門；3、樣品室，3-1、熱縮管，
3-2a、3-2b、墊塊和O型圈，3-3、型煤墊片，3-