一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统及方法与流程

本发明属于煤系气资源勘察与开发，具体属于一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统及方法。

背景技术：

1、煤系气主要成分为天然气，我国煤系气资源丰富，开发潜力巨大。煤系气储层包括煤储层、砂岩储层、碳酸盐岩储层和页岩储层，因其低孔低渗的特征严重制约了煤系气的勘探开发，现阶段我国约超40％的煤系气需要从外国输入。如何将此类储层中的天然气开发出来是当下研究的重点和难点。

2、我国针对低渗储层中煤系气的开发具有一系列方法，按原理划分主要包括致裂和驱替，储层致裂方法包括水力增渗、储层酸化及共振增渗，驱替则主要通过注入氮气、二氧化碳或烟道气来置换储层中的煤系气。目前，已有团队发明了某一增渗方法的实验室装置，但综合储层共振和瓦斯驱替的实验系统尚未开发。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统及方法，可为煤层气勘探开发提供实验依据。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，包括运行室、注水系统、注气系统、出水检测系统、抽气检测系统以及电脉冲系统，其中，所述运行室内部所有壁面上均设置有电脉冲系统，所述注水系统的出水口与运行室上部的进水口连通，所述运行室下部的出水口与出水检测系统的进水口连通，注气系统的出气口与运行室下部的进气口连通，运行室上部的出气口与抽气检测系统的进气口连通。

3、进一步的，所述运行室包括从内到外套设固定在一起的岩样室、爆炸腔和保护腔，所述岩样室、爆炸腔和保护腔的顶部均设置有开口，所述岩样室内部中空用于充填岩样，其顶部开口处设置有螺旋盖，所述螺旋盖上设置有压力传感器和气体浓度传感器，岩样室侧壁外均设置有止回阀；所述爆炸腔顶部开口处设置有可拆卸的爆炸腔顶，所述保护腔顶部开口处设置有可拆卸的保护腔顶，所述爆炸腔顶与保护腔顶固定连接在一起，所述保护腔顶上设置有压力监测仪和气体浓度监测仪；所述爆炸腔的内壁上均设置有电脉冲系统。

4、进一步的，所述岩样室室壁不导电，超声波可穿透，采用含有硅酸盐的有机玻璃制得；所述爆炸腔腔壁不导电可防爆，采用带塑料绝缘涂层的水泥材料制备；所述保护腔腔壁可屏蔽电磁波、不导电，采用高导磁率材料作为屏蔽层。

5、进一步的，所述电脉冲系统包括金属丝、碳棒、橡胶杆、电容和场效应管开关，所述碳棒上缠有金属丝，所述碳棒中心贯通设置有橡胶杆，所述橡胶杆的固定端依次从爆炸腔和保护腔的壁面穿出并与电容和场效应管开关连接构成闭合回路。

6、进一步的，注水系统包括地层水储集罐、高压水泵、流量表，所述地层水储集罐的出水口通过输水管与高压水泵的进水口连接，高压水泵的出水口通过流量表与运行室上部的进水口连通。

7、进一步的，所述出水检测系统包括高压水泵、流量表、储水箱和水样分析仪，其中运行室下部的出水口通过输水管与高压水泵的进水口连通，高压水泵的出水口与储水箱的进水口连通，储水箱的出水口连接有排水阀和水样分析仪。

8、进一步的，所述注气系统包括储气罐和抽气泵，所述储气罐的出气口通过抽气泵与运行室下部的进气口连通，所述储气罐包括co2储气罐、n2储气罐及ch4储气罐。

9、进一步的，所述抽气系统包括抽气泵、集气箱和气体分析仪，运行室上部的出气口通过输气管与抽气泵的进口连通，抽气泵的出口与集气箱的进口连通，抽气泵与集气箱之间设置有气体流量计，集气箱的出气口处连接有出气阀和气体分析仪。

10、本发明还提供一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验方法，采用上述实验系统进行，具体步骤为：

11、步骤1，在运行室放入岩样，将运行室密闭，在注水系统中加入根据野外实测地层水样品的离子含量制备的地层水；

12、步骤2，打开抽气检测系统，将运行室中的气体抽出使运行室保持真空状态，并对抽出气体的组分及含量比例进行分析；

13、步骤3，打开注气系统，运行室中通入与步骤得到的气体组分及含量比例相同的气体，关闭注气系统；

14、步骤4，打开注水系统将其中的地层水注入运行室中直至运行室中的压力为实测地层压力，关闭注水系统；

15、步骤5，打开电脉冲系统，电脉冲系统放射电脉冲击波，此时打开注气系统为运行室注气，打开抽气检测系统抽取运行室中的气体，得出瓦斯抽提量随时间的变化曲线；

16、步骤6，进行对照实验，调节电脉冲系统电脉冲击波的强度和放射方向，以及注气系统注气的速率，得出电脉冲致裂与瓦斯驱替的最优方法。

17、进一步的，所述岩样的规格直径为20cm-50cm，高为10cm-50cm。

18、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

19、本发明提供一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，通过合理布局运行室、注水系统、注气系统、出水检测系统、抽气检测系统以及电脉冲系统，实现利用实验室手段分析电脉冲致裂与瓦斯驱替同时进行过程中的瓦斯抽取效果，并且本发明的实验系统是对固体岩样进行实验模拟，同时考虑实际地层压力及水文地质条件对实验过程的影响，使实验模拟更接近真实地质条件，为煤系气的勘探开发及瓦斯治理提供可靠的实验依据；本发明的实验系统分模块安装，各部分相对独立，在更新换代以及运维方面操作更为简单。

技术特征：

1.一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，包括运行室(1)、注水系统(2)、注气系统(3)、出水检测系统(4)、抽气检测系统(5)以及电脉冲系统(30)，其中，所述运行室(1)内部所有壁面上均设置有电脉冲系统(30)，所述注水系统(2)的出水口与运行室(1)上部的进水口连通，所述运行室(1)下部的出水口与出水检测系统(4)的进水口连通，注气系统(3)的出气口与运行室(1)下部的进气口连通，运行室(1)上部的出气口与抽气检测系统(5)的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，所述运行室(1)包括从内到外套设固定在一起的岩样室(7)、爆炸腔(8)和保护腔(9)，所述岩样室(7)、爆炸腔(8)和保护腔(9)的顶部均设置有开口，所述岩样室(7)内部中空用于充填岩样，其顶部开口处设置有螺旋盖(12)，所述螺旋盖(12)上设置有压力传感器(13)和气体浓度传感器(42)，岩样室(7)侧壁外均设置有止回阀(11)；所述爆炸腔(8)顶部开口处设置有可拆卸的爆炸腔顶，所述保护腔(9)顶部开口处设置有可拆卸的保护腔顶，所述爆炸腔顶与保护腔顶固定连接在一起，所述保护腔顶上设置有压力监测仪(22)和气体浓度监测仪(23)；所述爆炸腔(8)的内壁上均设置有电脉冲系统(30)。

3.根据权利要求2所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，所述岩样室(7)室壁不导电，超声波可穿透，采用含有硅酸盐的有机玻璃制得；所述爆炸腔(8)腔壁不导电可防爆，采用带塑料绝缘涂层的水泥材料制备；所述保护腔(9)腔壁可屏蔽电磁波、不导电，采用高导磁率材料作为屏蔽层。

4.根据权利要求1所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，所述电脉冲系统(30)包括金属丝(15)、碳棒(16)、橡胶杆(17)、电容(19)和场效应管开关(20)，所述碳棒(16)上缠有金属丝(15)，所述碳棒(16)中心贯通设置有橡胶杆(17)，所述橡胶杆(17)的固定端依次从爆炸腔(8)和保护腔(9)的壁面穿出并与电容(19)和场效应管开关(20)连接构成闭合回路。

5.根据权利要求1所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，注水系统(2)包括地层水储集罐(24)、高压水泵(26)、流量表(27)，所述地层水储集罐(24)的出水口通过输水管(25)与高压水泵(26)的进水口连接，高压水泵(26)的出水口通过流量表(27)与运行室(1)上部的进水口连通。

6.根据权利要求1所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，所述出水检测系统(4)包括高压水泵(26)、流量表(27)、储水箱(35)和水样分析仪(37)，其中运行室(1)下部的出水口通过输水管(25)与高压水泵(26)的进水口连通，高压水泵(26)的出水口与储水箱(35)的进水口连通，储水箱(35)的出水口连接有排水阀(36)和水样分析仪(37)。

7.根据权利要求1所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，所述注气系统(3)包括储气罐和抽气泵(28)，所述储气罐的出气口通过抽气泵(28)与运行室(1)下部的进气口连通，所述储气罐包括co2储气罐(31)、n2储气罐(32)及ch4储气罐(33)。

8.根据权利要求1所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统，其特征在于，所述抽气系统(5)包括抽气泵(28)、集气箱(38)和气体分析仪(40)，运行室(1)上部的出气口通过输气管(29)与抽气泵(28)的进口连通，抽气泵(28)的出口与集气箱(38)的进口连通，抽气泵(28)与集气箱(38)之间设置有气体流量计(34)，集气箱(38)的出气口处连接有出气阀(39)和气体分析仪(40)。

9.一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的实验系统进行，具体步骤为：

10.根据权利要求9所述的一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验方法，其特征在于，所述岩样(10)的规格直径为20cm-50cm，高为10cm-50cm。

技术总结
本发明提供一种电脉冲致裂与瓦斯驱替一体化实验系统及方法，包括运行室、注水系统、注气系统、出水检测系统、抽气检测系统以及电脉冲系统，其中，所述运行室内部所有壁面上均设置有电脉冲系统，所述注水系统的出水口与运行室上部的进水口连通，所述运行室下部的出水口与出水检测系统的进水口连通，注气系统的出气口与运行室下部的进气口连通，运行室上部的出气口与抽气检测系统的进气口连通；本发明利用实验室手段分析电脉冲致裂与瓦斯驱替同时进行过程中的瓦斯抽取效果，同时考虑实际地层压力及水文地质条件对实验过程的影响，使实验模拟更接近真实地质条件，为煤系气的勘探开发及瓦斯治理提供可靠的实验依据。

技术研发人员：朱明宇,荆铁亚,张健,赵文韬,周娟,尹玉龙
受保护的技术使用者：中国华能集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13