本发明属于煤层气开采，涉及一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统。
背景技术：
1、煤层气是一种重要的清洁能源，主要储存在煤层的孔隙和裂缝中。随着全球对能源需求的增加和环保意识的提高，煤层气作为一种清洁、高效的能源资源，其开发和利用受到了越来越多的关注。
2、然而，煤层气的开采面临诸多挑战。首先，煤层的渗透率通常较低，导致煤层气难以自然释放。其次，深部煤层的地质条件复杂，如高地应力、高地温等，增加了开采难度。此外，煤层气的开采还可能引发地面沉降、地下水污染等环境问题。
3、为了克服这些挑战，研究人员提出了利用气体驱替煤层气的技术。这一技术的核心思想是将气体注入到煤层中，通过压力差和浓度差的作用，将煤层中的ch4(煤层气的主要成分)置换出来。如co2驱替煤层气，这种方法不仅可以提高煤层气的开采效率，还可以实现co2的地下封存，有助于减缓全球气候变化。
4、为了验证气体驱替煤层气技术的可行性和优化开采参数，需要建立一个能够模拟真实地层条件下煤层气开采过程的试验系统。尽管已经有一些模拟煤层气开采的试验系统存在，但它们往往只能模拟单一或少数几个条件，而且往往缺乏足够的精确度和稳定性。因此，设计一种深部煤层注气体驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，在试验室内模拟深部煤层环境，不仅有助于推动煤层气开采技术的创新发展，也为实现能源与环境的双重目标提供了有力的技术支撑。这一设计不仅具有深远的理论意义，更在实际应用中展现出广阔的前景。
技术实现思路
1、本发明提出一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，能够模拟真实地层条件下煤层气开采过程，精确度和稳定性高，且易于控制、操作简单、安全可靠。
2、本发明的技术方案是这样实现的：
3、技术主题一
4、一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，包括：
5、气源模块，与增压模块连接，用于为整体系统提供气体；
6、增压模块，别与地化反应模块、吸附解吸模块和三轴驱替模块连接，用于提供高压试验气体；
7、地化反应模块，用于进行深部煤层注气体驱替煤层气过程中的地球化学反应试验；
8、吸附解吸模块，用于进行深部煤层注气体驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验；
9、三轴驱替模块，包括三轴驱替装置、供气装置、供液装置、抽真空装置和气液收集装置；三轴驱替装置一端分别与供气装置、供液装置、抽真空装置连接，另一端与气液收集装置连接；
10、其中三轴驱替装置，包括第二十三阀门、第二压力跟踪泵、样品室、液压层、第三压力跟踪泵，电阻应变仪；第二压力跟踪泵和第三压力跟踪泵通过管路连接在三轴仪器装置上，三轴仪器装置上设有第七压力传感器、第五温度传感器；第二十三阀门与供气装置的第一减压阀、第二十一阀门、供液装置的第二十二阀门和抽真空装置的第二十九阀门连接，样品室的出口通过管路与气液收集装置的第三减压阀连接；第六压力传感器设置在第二十三阀门和供气装置、供液装置之间的连接管路上；样品上设有若干应变片，应变片引线与电阻应变仪电信号连接；
11、供气装置，包括第一高压气体缓冲罐和第二高压气体缓冲罐；第一高压气体缓冲罐依次与第十六阀门和第一减压阀连接，第二高压气体缓冲罐依次与第十七阀门、第二减压阀、第五单向阀、第二十一阀门连接，其中第十七阀门和第二减压阀之间并连着支路第十八阀门、第十九阀门、液体缸、第二十阀门；第一高压气体缓冲罐与增压模块之间的管道上设置第十四阀门，和第二高压气体缓冲罐与增压模块之间的管道上设置第十五阀门；第一高压气体缓冲罐内设有第三温度传感器和第四压力传感器，第二高压气体缓冲罐内设有第五压力传感器和第四温度传感器；
12、供液装置，包括依次连接的第一压力跟踪泵、第六单向阀、液压罐、第七单向阀和第二十二阀门；
13、抽真空装置，用于将三轴驱替装置中的气体排空；
14、气液收集装置，用于收集试验中和试验后的液体和气体；
15、信息控制模块，用于对试验过程进行控制，显示及存储数据。
16、优选地，所述气源模块包括并联甲烷、氮气、二氧化碳和氩气气瓶；其中甲烷气瓶与第一调压阀、第一单向阀串联，氮气气瓶与第二调压阀、第二单向阀串联，二氧化碳气瓶与第三调压阀、第三单向阀串联、氩气气瓶与第四调压阀、第四单向阀串联；第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀并联增压模块的气体增压泵。
17、优选地，所述增压模块包括依次连接的空气压缩机、第一阀门和气体增压泵，所述气体增压泵分别与三轴驱替模块的第十四阀门和第十五阀门连接。
18、优选地，所述抽真空装置包括依次连接的第三真空泵和第二十九阀门。
19、优选地，所述气液收集装置包括依次连接的第三减压阀、第二十四阀门、气体流量计、第二十五阀门、集气罐、第二十七阀门、气体取样瓶、第二十八阀门、第二十九阀门、气相色谱仪；第二十四阀门和气体流量计之间的管道上设置有气液分离器，集气罐下部设置第二十六阀门，第二十六阀门与排液槽连接。
20、优选地，所述地化反应模块包括：依次连接的高温高压反应釜、第四阀门、集液罐和第五阀门；高温高压反应釜与增压模块之间的管道上设置第二阀门；高温高压反应釜与气体增压泵之间的管道上设置第二阀门；所述高温高压反应釜与第一真空泵之间的管道上设置第三阀门；其中高温高压反应釜上设置有第一压力传感器和第一温度传感器；高温高压反应釜内部设置有加热装置，加热装置外层还设置有保温层。
21、优选地，所述吸附解吸模块包括依次连接的参考缸、样品缸、第八阀门、第九阀门、第十一阀门、集气管、第十三阀门；参考缸与增压模块之间的管道上设置第六阀门，参考缸与与气体增压泵之间的管道上设置第六阀门；第八阀门和第九阀门之间的管路上设置第十阀门，第十阀门控制与大气的连接；第九阀门和第十一阀门之间的管路上设置第十二阀门，第十二阀门连接第二真空泵；参考缸和样品缸上分别设置有第二压力传感器和第三压力传感器，分别用于检测参考缸和样品缸的压力；参考缸和样品缸放置在恒温水浴箱中，恒温水浴箱上设置第二温度传感器；第七阀门连接参考缸和样品缸，控制着参考缸和样品缸之间的气体是否相互流通。
22、技术主题二
23、基于上述驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统进行的地球化学反应试验，具体步骤包括：
24、步骤1、试样装罐
25、将颗粒样品和粉末样品用纱布包裹放置在高温高压反应釜中，其中部分粉末样品分散在高温高压反应釜中，直径小于10mm的样品反应时间为15天，直径不超过50mm、长度不超过100mm的柱样品的反应时间延长至60天；
26、步骤2、气密性检查
27、关闭第五阀门、第六阀门、第十四阀门，打开第二阀门、第四调压阀、第四单向阀、第一阀门，使氩气气瓶经过空气压缩机、气体增压泵压缩增压至地球化学反应模块，如果第一压力传感器的读数稳定并保持一段时间，说明地球化学反应模块气密性良好；
28、步骤3、进行地化反应模拟
29、将去离子水、煤岩样品放入高温高压反应釜中，使用第一真空泵将高温高压反应釜中的压力降低到-0.1mpa，然后打开第三调压阀和第三单向阀，使用空气压缩机、气体增压泵将纯co2注入高温高压反应釜中，同时，使用加热装置加热以达到所需温度，每8小时监测和调整一次温度和压力，以确保系统在±0.5mpa和±0.5℃，在实验的第1天、第4天、第7天、第10天和第15天，打开第四阀门、第五阀门，从淋滤液出水口取出粉末样品和浸出物的混合溶液，在第15天取回颗粒样品，粉末样品和颗粒样品的淋滤液用去离子水洗涤数次以防止矿物重结晶，然后在50℃下真空干燥中保持24小时；
30、步骤4、试验装置清理
31、试验结束后，关闭第三调压阀和第三单向阀，打开第四阀门、第五阀门对装置内的气体进行泄放，解除管路及线路连接，冷却降温；取出高温高压反应釜中的岩样，将装置的各元件归类放好。
32、技术主题三
33、基于上述驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统进行的气体吸附解吸试验，具体步骤包括：
34、步骤1、样品制备
35、按照gb/t474制取粒度为0.25mm～0.18mm的煤样，工业分析按照gb/t212执行，按照式(1)对煤样进行平衡水份测试，将达到平衡水分的煤样准确称量，装入样品缸内；
36、
37、其中：me为样品的平衡水分含量，单位％；
38、g1平衡前空气干燥基样品质量，单位为g；
39、g2为平衡后样品质量，单位为g；
40、mad样品的空气无煤基水分含量，单位％；
41、步骤2、气密性检测
42、打开恒温水浴缸调节温度，使样品罐和参考缸的温度稳定在设定的目标储层温度，关闭第二阀门、第十四阀门、第十阀门、第十三阀门，打开第四调压阀、第四单向阀、第一阀门、第六阀门，使氩气气瓶经过空气压缩机、气体增压泵压缩增压至系统，压力高于等温吸附实验最高压力1mpa，系统采集参考缸和样品缸的第二压力传感器、第三压力传感器压力数据,压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
43、步骤3、自由空间体积测定
44、打开第二真空泵，对试验系统进行24h的抽真空处理；打开第四调压阀、第四单向阀，向系统内注入氩气，调节参考缸的压力使第三压力传感器压力值达到2mpa-3mpa，关闭第二阀门；打开第七阀门，待压力平衡后采集一组数据；重复以上步骤两次；自由空间体积重复测定三次，其中两两之间差值不大于1cm3；按照式(2)计算煤样体积，按照式(3)计算出样品罐内的自由空间体积；
45、
46、其中：vs煤样的体积，单位为立方厘米；
47、p1平衡后压力,单位为兆帕；
48、p2参考缸初始压力，单位为兆帕；
49、p3样品缸初始压力，单位为兆帕；
50、t1平衡后温度，单位为k；
51、t2参考缸初始温度，单位为k；
52、t3样品缸初始温度，单位为k；
53、v1系统总体积，单位为立方厘米；
54、v2参考缸体积，单位为立方厘米；
55、v3样品缸体积，单位为立方厘米；
56、z1平衡条件下气体的压缩因子；
57、z2参考缸初始气体的压缩因子；
58、z3样品缸初始气体的压缩因子；
59、vf＝v0-vs 式(3)；
60、其中：vf自由空间体积单位为立方厘米；
61、v0样品缸总体积，单位为立方厘米；
62、vs煤样的体积，单位为立方厘米；
63、步骤4、吸附解吸试验
64、打开第二真空泵，将系统抽真空，最高试验压力设置为储层压力的1.1倍，且最高试验平衡压力不得低于8mpa，当最高试验平衡压力为8mpa时，试验压力点不少于6个；关闭第十二阀门、第二真空泵，打开第一调压阀、第一单向阀，向参考缸充入甲烷气体，观察第三压力传感器的压力值为目标压力，在第二温度传感器稳定后，启动等温吸附试验程序自动采集样品缸和参考缸内的时间、压力、温度数据，吸附平衡时间不得少于12h，重复以上步骤自低而高逐个压力点进行试验﹐直至最后一个压力点试验结束。打开第三调压阀、第三单向阀，以10mpa的压力持续向煤体中注入12h的超临界co2，观察第三压力传感器的压力达到目标压力，收集数据，打开第八阀门、第九阀门对气体进行收集，气体吸附量计算如下式(4)。
65、pv＝nzrt 式(4)；
66、式中：p为气体压力，单位为兆帕；
67、v为气体体积，单位为立方厘米；
68、n为气体的摩尔数，单位为mol；
69、z气体的压缩因子；
70、r为摩尔气体常数，单位为j·mol-l·k-1；
71、t为平衡温度，单位为k；
72、分别求出各压力点平衡前样品缸内气体的摩尔数n1和平衡后样品缸内气体的摩尔数n2,则煤样吸附气体的摩尔数ni为：
73、ni＝n1-n2 式(5)；
74、式中：ni为气体的摩尔数,单位为mol；
75、n1平衡前样品缸内气体的摩尔数，单位mol；
76、n2为平衡后样品缸内气体的摩尔数，单位mol；
77、各压力点的吸附气体的总体积vi见式(6)：
78、vi＝ni×22.4×1000 式(6)；
79、各压力点的吸附量v吸附量见式(7)：
80、v吸附量＝vi/gc 式(7)；
81、式中：v吸附量为吸附量，单位为cm3·g-1；
82、vi为吸附气体的总体积，单位为立方厘米；
83、gc为煤样质量，单位为g；
84、步骤5、试验装置清理
85、试验结束后，关闭第三调压阀和第三单向阀，打开第十阀门对装置内的气体进行回收处理，解除管路及线路连接，冷却降温；取出样品缸中的煤岩样，将装置空气压缩机、气体增压泵归类放好。
86、技术主题四
87、基于上述驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统进行的气体吸附及膨胀应变试验，具体步骤包括：
88、步骤1、样品制备
89、根据gb/t18668-2002制备成立方体样品(3×3×3cm)，将煤样放置于干燥箱之内，在60℃的温度下干燥12h；煤样分别用240目、600目和1200目的砂纸进行打磨，随后利用抛光机进行抛光处理两端，如果有缺口，可用煤粉进行补齐，确保样品表面光滑；
90、步骤2、样品安装
91、1)电阻应变片的安装：
92、①选取应变片粘贴位置和方向：对于立方样品，三个应变片分别沿着平行面割理、平行端割理和垂直层理方向粘贴；
93、②应变片的粘贴：将所选取的应变片粘贴位置和应变片背面分别均匀涂上502胶水，用镊子将应变片固定至煤样表面，按压5分钟，确保应变片和煤样之间完全贴合；
94、③导线的焊接：将接线端子同样粘贴于应变片两端，利用电烙铁将应变片连接线和外引导线焊接于接线端子之上，这个过程中应保证焊锡的平整，防止围压加载后刺破胶套；
95、④导电性检测：利用万用表检测应变片回路，如果万用表显示结果与应变片实际符合即为导电性良好；
96、⑤导线的加固：利用硅橡胶涂抹于导线之上，待硅橡胶固化之后再进行试样安装；
97、2)打开三轴实验仪器，将立方样品放置于垫块的右端，将应变片导线通过引线槽引出，依据样品尺寸的大小，在样品外围两端铺垫一层胶套，确保实验过程中样品的密封性；
98、步骤3、气密性检查
99、根据中国行业标准(nb/t4701-2012)对系统进行气密性检测，打开第二十九阀门、关闭第二阀门、第六阀门、第十八阀门、第二十阀门、第二十二阀门，利用第三真空泵对整个气体管道和仪器内抽真空至-0.1mpa，维持30分钟，如果第六压力传感器数据不变，则为装置气密性良好；
100、步骤4、co2吸附及膨胀应变实验
101、待装置气密性检测良好后，利用大型恒温箱对装置加热，将温度稳定于预设值35℃，打开第三调压阀、第三单向阀、第一阀门，通过空气压缩机、气体增压泵向系统注入co2气体至仪器之中，直至压力达到预设值，然后通过第二压力跟踪泵和第三压力跟踪泵加压液压层使围压大小为12mpa，随后关闭三轴仪器阀门，确保仪器内气体的恒定，通过电阻应变仪实时记录微应变值，记录频率为每10s一次，测试12h，待应变达到稳定之后，利用公式(8)计算其应变大小，测试完毕之后，设置不同注气压力或者不同煤样品重复以上步骤；使用dh3821型电阻应变仪监测并记录样品应变，应变片的电阻与应变关系如公式(8)；
102、
103、式中：ε为应变；
104、k为系数；
105、δr为电阻差，单位ω；
106、rε为应变为ε是试件的电阻，单位ω；
107、r0为无应变时试件的电阻，单位ω。
108、步骤5、试验装置清理
109、试验结束后，打开吸附罐放气阀门，将吸附罐内气体排出，关闭各电源线路，取出煤样，然后按照规定进行分类和存储；
110、优选地，所述样品室中设置垫块。
111、优选地，系统采用的所有压力传感器的测量精度0.01mpa；恒温水浴箱的控温精度为±0.1℃；压力跟踪泵的流量精度为0.001mpa；电阻应变仪的测量准确度为0.05％±0.1με；温度传感器的测量精度为0.1℃。
112、优选地，气相色谱仪检测精度可达0.1％。
113、本发明的工作原理及有益效果为：
114、本发明提供的系统能够模拟真实地层条件下煤层气开采过程，从而验证co2驱替煤层气技术的可行性，为实际工程应用提供科学依据。通过实时监测和记录试验过程中的各种参数变化，可以分析不同参数对开采效果的影响，从而优化开采参数，提高煤层气的开采效率和经济效益。利用co2驱替煤层气技术可以实现co2的地下封存，从而减少温室气体排放，有助于减缓全球气候变化。通过优化开采参数和减少不必要的开采活动，可以降低对环境的破坏和污染，保护生态环境。其中，该试验系统可以分别注入纯高压气体、高压混合气体、高压气体和液体、高压气体和高压湿润气体。可以更好的模拟地层中实际环境。试验仪器末端还有气体收集装置，可对反应的气体进行收集与分析。
1.一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，所述气源模块(1)包括并联甲烷、氮气、二氧化碳和氩气气瓶；其中甲烷气瓶与第一调压阀(1.1)、第一单向阀(1.5)串联，氮气气瓶与第二调压阀(1.2)、第二单向阀(1.6)串联，二氧化碳气瓶与第三调压阀(1.3)、第三单向阀(1.7)串联、氩气气瓶与第四调压阀(1.4)、第四单向阀(1.8)串联；第一单向阀(1.5)、第二单向阀(1.6)、第三单向阀(1.7)和第四单向阀(1.8)并联增压模块(2)的气体增压泵(2.3)。
3.根据权利要求1所述的一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，所述增压模块(2)包括依次连接的空气压缩机(2.2)、第一阀门(2.1)和气体增压泵(2.3)，所述气体增压泵(2.3)分别与三轴驱替模块(5)的第十四阀门(5.1)和第十五阀门(5.2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，所述抽真空装置包括依次连接的第三真空泵(5.26)和第二十九阀门(5.46)。
5.根据权利要求1所述的一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，所述气液收集装置包括依次连接的第三减压阀(5.35)、第二十四阀门(5.36)、气体流量计(5.38)、第二十五阀门(5.39)、集气罐(5.40)、第二十七阀门(5.43)、气体取样瓶(5.44)、第二十八阀门(5.45)、气相色谱仪；第二十四阀门(5.36)和气体流量计(5.38)之间的管道上设置有气液分离器(5.37)，集气罐(5.40)下部设置第二十六阀门(5.41)，第二十六阀门(5.41)与排液槽(5.42)连接。
6.根据权利要求1所述的一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，所述地化反应模块(3)包括：依次连接的高温高压反应釜(3.13)、第四阀门(3.9)、集液罐(3.10)和第五阀门(3.11)；高温高压反应釜(3.13)与增压模块(2)之间的管道上设置第二阀门(3.1)；高温高压反应釜(3.13)与气体增压泵(2.3)之间的管道上设置第二阀门(3.1)；所述高温高压反应釜(3.13)与第一真空泵(3.12)之间的管道上设置第三阀门(3.2)；其中高温高压反应釜(3.13)上设置有第一压力传感器(3.4)和第一温度传感器(3.3)；高温高压反应釜((3.13))内部设置有加热装置(3.8)，加热装置(3.8)外层还设置有保温层(3.7)。
7.根据权利要求1所述的一种驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统，其特征在于，所述吸附解吸模块(4)包括依次连接的参考缸、样品缸、第八阀门(4.3)、第九阀门(4.4)、第十一阀门(4.6)、集气管(4.13)、第十三阀门(4.9)；参考缸与增压模块(2)之间的管道上设置第六阀门(4.1)，参考缸与气体增压泵(2.3)之间的管道上设置第六阀门(4.1)；第八阀门(4.3)和第九阀门(4.4)之间的管路上设置第十阀门(4.5)，第十阀门(4.5)控制与大气的连接；第九阀门(4.4)和第十一阀门(4.6)之间的管路上设置第十二阀门(4.7)，第十二阀门(4.7)连接第二真空泵(4.8)；参考缸和样品缸上分别设置有第二压力传感器(4.11)和第三压力传感器(4.12)，分别用于检测参考缸和样品缸的压力；参考缸和样品缸放置在恒温水浴箱中，恒温水浴箱上设置第二温度传感器(4.10)；第七阀门(4.2)连接参考缸和样品缸，控制着参考缸和样品缸之间的气体是否相互流通。
8.基于权利要求1-7任一项所述的驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统进行的地球化学反应试验，其特征在于，具体步骤包括：
9.基于权利要求1-7任一项所述的驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统进行的气体吸附解吸试验，其特征在于，具体步骤包括：
10.基于权利要求1-7任一项所述的驱替煤层气的三轴综合模拟试验系统进行的气体吸附及膨胀应变试验，其特征在于，具体步骤包括：
