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一种深部 煤层地热开采模拟试验系统及实验方法

阅读：514发布：2023-03-07

专利汇可以提供一种深部煤层地热开采模拟试验系统及实验方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种深部煤层地热开采模拟试验系统及实验方法，涉及煤层开采模拟试验技术领域，系统包括罐体、油压泵、油管、加热管、恒温加热箱、循环水箱、注水泵和进水管，罐体上方设置有活塞和密封盖，油压泵和油管相连，罐体侧面还设置有加热管、恒温加热箱和循环水箱，罐体底部设置有进水管并依次连接有温度传感器、注水泵和水箱，罐体底部设置有出水管，出水管依次连接有温度传感器和循环水箱，罐体内还设置有开采管，开采管内设置导热管，导热管连接进水管和出水管，罐体上还设置有分布式温度传感器；该系统可以完成煤层注水换热过程的模拟，并记录分析模拟实验数据，实现了模拟深部煤层地热开采的热量传递过程的目的，还具有操作简便等优点。，下面是一种深部煤层地热开采模拟试验系统及实验方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，包括罐体、油压泵、油管、加热水管、恒温加热箱、循环水箱、注水泵和进水管，所述罐体上方设置有活塞和密封盖，油压泵和油管相连；所述罐体侧面还设置有加热水管、恒温加热箱和循环水箱，所述罐体底部设置有进水管；进水管上依次与第二温度传感器、注水泵和水箱相连接；所述罐体底部设置有出水管，出水管依次与第一温度传感器和循环水箱相连接；所述罐体内还设置有开采管，开采管内设置导热管；所述导热管连接进水管和出水管，罐体上还设置有分布式温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，所述罐体呈圆筒状，罐体上方设置有压盘、活塞和密封盖，罐体的上端设置有密封盖，活塞穿过密封盖压设在压盘上，压盘压设在模拟煤层上方。
3.根据权利要求2所述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，所述活塞的活塞杆穿过密封盖，活塞杆上还设置有密封圈，压盘、活塞和密封盖之间形成储油空间，储油空间通过油管和油压泵连接。
4.根据权利要求2所述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，所述罐体下部的罐壁为三层嵌套式结构，包括环形支撑体、水浴腔体和保温层，环形支撑体为刚性金属材料制作而成，保温层为硅酸铝陶瓷纤维板制作而成，所述罐体和密封盖通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，所述分布式温度传感器与数据采集器相连，数据采集器通过无线传输器与微机交互。
6.根据权利要求1所述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，所述导热管布置在开采管内壁上，导热管呈螺旋状布置；所述恒温加热箱和循环水箱相连，恒温加热箱通过管路连接罐体的水浴腔体。
7.一种深部煤层地热开采模拟实验方法，利用权利要求1至6任一项所述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，其特征在于，步骤包括：
步骤A.选取煤层样本，制作煤样并将煤样放置于罐体的环形支撑体内，在煤样内布置分布式温度传感器；
步骤B.煤样上方依次安装压盘、活塞和密封盖，密封盖通过螺纹与罐体紧密连接，通过油压泵向储油空间内注油，活塞推动压盘向煤样施加覆压；
步骤C.打开恒温加热箱并设置水温，恒温加热箱通过加热水管将热水送入水浴腔体，水浴腔体通过加热回水管将水导回循环水箱，水循环加热保持罐体内部煤样温度稳定；
步骤D.通过注水泵和进水管将水导入开采管内的导热管中，导热管通过出水管将水送入循环水箱；采集并记录温度传感器的监测数据。

说明书全文

一种深部煤层地热开采模拟试验系统及实验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤层开采模拟试验技术领域，尤其是一种深部煤层地热开采模拟试验系统，以及利用该试验系统进行模拟实验的方法。

背景技术

[0002] 煤炭作为总要的开采资源，随着时间的推移煤矿开采逐渐向深部进行，深部开采将伴随多种灾害和环境污染问题。尤其是深部成煤过程中伴生大量煤层气、地热等资源，大部分的煤层气赋存于埋深1.5～3km煤系地层中，约25.2×106EJ地热资源蕴含在3～10km深处。为保障开采需求，多个行业向深地、深海进军，能源行业需拓展深地矿产开采，构建深地资源保障供应的可持续发展模式显得尤为重要，为促进能源行业发展，进行深地“气-热”新能源开采，实施深部煤层“气-热”共采不仅能提高资源开采效率，减少资源浪费，还将有效降低煤炭深部开采过程中的瓦斯和高温危害，保障煤炭生产向安全绿色方向发展，对减少室温气体排放亦有重要意义。但是，目前在深部煤层“气-热”共采方向尚处于初步论证阶段，围绕深部煤系地层“气-热”共采技术中的基础科学问题尚未开展系统研究。为此，需要一种能够模拟深部煤层地热开采的试验装置，并模拟深部煤层地热开采的热量传递过程，为研究深部煤层采热过程中的煤体传热特性提供依据。

发明内容

[0003] 为了模拟深部煤层地热开采的热量传递过程，本发明提供了一种深部煤层地热开采模拟试验系统及实验方法，具体技术方案如下。

[0004] 一种深部煤层地热开采模拟试验系统，包括罐体、油压泵、油管、加热水管、恒温加热箱、循环水箱、注水泵和进水管，所述罐体上方设置有活塞和密封盖，油压泵和油管相连；所述罐体侧面还设置有加热水管、恒温加热箱和循环水箱，所述罐体底部设置有进水管；进水管上依次与温度传感器、注水泵和水箱相连接；所述罐体底部设置有出水管，出水管依次与温度传感器和循环水箱相连接；所述罐体内还设置有开采管，开采管内设置导热管；所述导热管连接进水管和出水管，罐体上还设置有温度传感器。

[0005] 优选的是，罐体呈圆筒状，罐体上方设置有压盘、活塞和密封盖，罐体的上端设置有密封盖，活塞穿过密封盖压设在压盘上，压盘压设在模拟煤层上方。

[0006] 进一步优选的是，活塞的活塞杆穿过密封盖，活塞杆上还设置有密封圈，压盘、活塞和密封盖之间形成储油空间，储油空间通过油管和油压泵连接。

[0007] 进一步优选的是，罐体下部的罐壁为三层嵌套式结构，包括环形支撑体、水浴腔体和保温层，环形支撑体为刚性金属材料制作而成，保温层为硅酸铝陶瓷纤维板制作而成，罐体和密封盖通过螺纹连接。

[0008] 还优选的是，分布式温度传感器与数据采集器相连，数据采集器通过无线传输器与微机交互。

[0009] 还优选的是，导热管布置在开采管内壁上，导热管呈螺旋状布置；所述恒温加热箱和循环水箱相连，恒温加热箱通过管路连接罐体的水浴腔体。

[0010] 一种深部煤层地热开采模拟实验方法，利用上述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，步骤包括：

[0011] 步骤A.选取煤层样本，制作煤样并将煤样放置于罐体的环形支撑体内，在煤样内布置分布式温度传感器；

[0012] 步骤B.煤样上方依次安装压盘、活塞和密封盖，密封盖通过螺纹与罐体紧密连接，通过油压泵向储油空间内注油，活塞推动压盘向煤样施加覆压；

[0013] 步骤C.打开恒温加热箱并设置水温，恒温加热箱通过加热水管将热水送入水浴腔体，水浴腔体通过加热回水管将水导回循环水箱，水循环加热保持罐体内部煤样温度稳定；

[0014] 步骤D.通过注水泵和进水管将水导入开采管内的导热管中，导热管通过出水管将水送入循环水箱；采集并记录温度传感器的监测数据。

[0015] 本发明的有益效果包括：

[0016] (1)深部煤层地热开采模拟试验系统，通过压力设定以及煤层换热系统配合，模拟了深部煤层地热开采的热量传递过程，具体是利用油压泵以及压盘、活塞和密封盖之间形成储油空间进行加压，实现对深部煤层赋存环境的模拟控制，压力模拟结构简单控制方便。

[0017] (2)该系统通过恒温加热箱和循环水箱以及送水管路和水浴腔体相连，在水浴腔体内保持模拟煤层的温度稳定可控；在罐体侧壁上、出水管以及进水管上均设置温度传感器，利用煤样上设置的分布式温度传感器可以精确的确定温度传到的过程，有利于煤层地热开采的研究，从而可以根据水的热交换温度测量温度的变化，模拟地热开采过程。

[0018] (3)利用该系统进行实验的方法，包括制作煤样，装配实验系统，控制并测量该系统的水温，从而模拟地热开采的过程，该方法操作简便，控制灵活，为研究深部煤层采热过程中的煤体传热特性提供依据。附图说明

[0019] 图1是深部煤层地热开采模拟试验系统结构示意图；

[0020] 图2是罐体A-A剖视结构示意图；

[0021] 图3是罐体B-B截面剖视图；

[0022] 图4是罐体C-C截面剖视图；

[0023] 图中：1-油压泵，2-第一温度传感器，3-数据采集器，4-分布式温度传感器，5-罐体，6-出水管，7-恒温加热箱，8-加热水管，9-循环水箱，10-微机，11-无线传输器，12-第二温度传感器，13-注水泵，14-水箱，15-密封盖，16-煤样，17-活塞，18-螺纹，19-活塞杆，20-环形支撑体，21-密封圈，22-压盘，23-水浴腔体，24-保温层，25-阀门，26-导热管，27-水浴加热水管，28-开采管，29-进水管。

具体实施方式

[0024] 结合图1至图4所示，本发明提供的一种深部煤层地热开采模拟试验系统及实验方法具体实施方式如下。

[0025] 一种深部煤层地热开采模拟试验系统包括加压装置、温控装置和热交换装置，具体结构包括罐体5、油压泵1、油管、加热水管8、恒温加热箱7、循环水箱9、注水泵13和进水管29。加压装置通过压力设定以及煤层换热系统配合，热交换装置模拟了深部煤层地热开采的热量传递过程，具体是利用油压泵以及压盘、活塞和密封盖之间形成储油空间进行加压，实现对煤层压力的模拟控制，压力模拟结构简单控制方便。

[0026] 罐体5上方设置有活塞17和密封盖15，油压泵1和油管相连，油压泵1或油管上还可以设置压力表，从而可方便记录压力，油压泵1可以选用手动油压泵从而方便加压，也可以选用其他电动可控型油压泵。罐体5底部设置有进水管29，进水管29从水箱14内吸水，进水管29上依次与第二温度传感器12、注水泵13和水箱14相连接，水箱14内的水经过注水泵13和温度传感器12后，进入开采管28。罐体5内在底部还设置有开采管28，开采管28内设置导热管26，导热管26连接进水管29和出水管6，导热管26导热性能好，因此可以完成热交换。完成热交换后，在罐体5底部设置有出水管6，出水管6依次与第一温度传感器2和循环水箱9相连接，该温度传感器还能监测出水管上的出水温度，从而可以确定热交换的温度变化。另外，还可以在出水管上设置流量计，从而可以根据流量计算热能增加情况，罐体上还设置有分布式温度传感器，实时监测煤样和水浴腔体的温度。

[0027] 罐体5侧面还设置有加热水管8、恒温加热箱7和循环水箱9，具体的是加热水管8包括加热进水管和加热出水管，恒温加热箱7从循环水箱9内吸水，将水加热至设定的恒定温度后，水从加热进水管送至罐体5内的水浴腔体23，保持水浴腔体23内温度的恒定，水经过水浴腔体23从加热出水管流回循环水箱9；其中在循环水箱9内管端均设置有过滤器，从而防止管路堵塞。该系统通过恒温加热箱7和循环水箱9以及送水管路和水浴腔体23相连，在水浴腔体23内保持模拟煤层的温度稳定可控。

[0028] 罐体5呈圆筒状，罐体5上方设置有压盘22、活塞17和密封盖15，罐体5的上端设置有密封盖15，活塞17穿过密封盖15压设在压盘22上，压盘22压设在模拟煤层的煤样16上方。活塞17的活塞杆19穿过密封盖15，活塞杆19上还设置有密封圈21，压盘22、活塞17和密封盖
15之间形成储油空间，储油空间通过油管和油压泵1连接。罐体5下部的罐壁为三层嵌套式结构，包括环形支撑体、水浴腔体和保温层，环形支撑体为刚性金属材料制作而成，保温层为硅酸铝陶瓷纤维板制作而成，水浴腔体用导热材料，罐体和密封盖通过螺纹连接。

[0029] 罐体5侧壁上、出水管6以及进水管29上均设置温度传感器，利用煤样上设置的分布式温度传感器可以精确的确定温度传到的过程，有利于煤层地热开采的研究，从而可以根据水的热交换温度测量温度的变化，模拟地热开采过程。温度传感器为分布式温度传感器，尤其是在煤样上的温度传感器，根据分布式温度传感器可以实时观测煤样上的温度变化，从而有利于研究深部煤层采热过程中的煤体传热特性。温度传感器与数据采集器相连，实现数据的无线传输，数据采集器通过无线传输器与微机交互，实现对温度监测数据的实时处理。

[0030] 导热管26布置在开采管28内壁上，导热管26呈螺旋状布置，从而可以更好的换热，另外导热管使用导热比高的材料，导热管26管壁设置的尽量薄，从而可以减少能量损失。恒温加热箱7和循环水箱9相连，恒温加热箱7通过管路连接罐体的水浴腔体23。

[0031] 一种深部煤层地热开采模拟实验方法，利用上述的一种深部煤层地热开采模拟试验系统，步骤包括：

[0032] 步骤A.选取煤层样本，制作煤样并将煤样放置于罐体的环形支撑体内，将其固定，在煤样内布置分布式温度传感器，并测量煤的体积、质量、密度等基本物料性质。

[0033] 步骤B.煤样上方依次安装压盘、活塞和密封盖，密封盖通过螺纹与罐体紧密连接，通过油压泵向储油空间内注油，从而可以通过控制注油量控制活塞推动压盘向煤样施加覆压，从而模拟深部围岩受力情况。

[0034] 步骤C.打开恒温加热箱并设置水温，恒温加热箱通过加热水管将热水送入水浴腔体，水浴腔体通过加热回水管将水导回循环水箱，水循环加热保持罐体内部煤样温度稳定。

[0035] 步骤D.通过注水泵和进水管将水导入开采管内的导热管中，导热管通过出水管将水送入循环水箱，出水管上还可以设置流量计，记录水流量。采集并记录温度传感器的监测数据，包括出水管上的水温，进水管上的水温，水浴腔体的温度，以及煤样的温度分布情况。

[0036] 利用该系统进行实验的方法，能够模拟地热开采的过程，该方法操作简便，控制灵活，为研究深部煤层采热过程中的煤体传热特性提供依据。

[0037] 上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

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