一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置及方法

1.本发明涉及矿藏改质开采技术领域，具体涉及一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置及方法。


背景技术：

2.我国作为世界上最大的煤炭消费国和生产国，煤炭能源的消费量远高于其他化石能源的消费量。受我国“富煤、贫油、少气”能源格局的限制，巨大的能源需求使得在漫长的新能源技术发展和能源结构转型周期内，煤炭依旧是能源供应的主体，其地位不会动摇，强化煤炭在能源安全稳定供应中的“压舱石”的作用至关重要。
3.煤炭地下气化技术是一种将固体煤炭以气体形式开采出来的绿色技术，通过将控制煤在地下进行燃烧，在煤的热作用及化学作用下产生co、ch4、h2等可燃合成气，实现“采煤不见煤”的能源清洁开采和利用。利用煤炭地下气化机理实验探究不同气化条件下的气化产物质量和岩石物性变化，能够帮助了解深部储层气化过程的真实情况，为矿场应用与数值模拟工作奠定了基础。
4.国内外学者进行了相关研究，但是，现有的煤炭地下气化机理实验装置和方法仅能开展施加三轴应力的热解机理实验以及利用高压气体施加应力的气化机理实验，无法真实还原深层原位状态下复杂的反应过程。
5.同时，我国页岩油资源丰富，现有研究发现地下原位加热是实现页岩油规模开发利用的最佳途径，通过加热富有机质页岩层段，使多类有机质发生轻质化转化，将其中的重油、沥青等有机物大规模转化为轻质油和天然气的同时，将焦炭和co2等污染物留存于地下，有利于保护环境。
6.由于煤炭地下气化机理实验和页岩气原位改质机理实验本质上均是施加三轴应力的注气加热实验，但是，煤炭地下气化机理实验需要更高的温度，页岩气原位改质机理实验需要施加更大的压力，这就导致现阶段缺少既能用于煤炭地下气化机理实验又能用于页岩气原位改质机理实验的装置。
7.因此，亟需设计一种兼具两种测量模式的实验装置，实现对煤炭地下气化和页岩气原位改质的模拟，通过对深地矿藏勘探开发的实验室研究，实现对资源的有效利用。


技术实现要素：

8.本发明旨在解决上述问题，提供了一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置及方法，基于具有两种模拟功能的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置实现了对煤炭地下气化过程和页岩油原位改质过程的实验室模拟，为煤炭地下气化和页岩油原位改质的研究提供了依据。
9.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，包括岩样夹持器和计算机控制系统；
11.所述岩样夹持器内部放置有岩心样品，岩心样品外包裹有第一密封层，被第一密封层包裹的岩心样品两端被第二密封层密封，岩心样品顶端设置有波导杆和温度探头，波导杆和温度探头与岩石样品表面相紧贴，波导杆与声发射监测采集系统相连接，温度探头与温度伺服系统相连接；
12.所述岩心样品轴向设置有轴压加载模块，轴压加载模块包括第一轴压加载堵头和第二轴压加载堵头，第一轴压加载堵头设置于岩心样品的两端，第一轴压加载堵头一端与岩心样品端部相紧贴，另一端与第二轴压加载堵头相紧贴，第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头分别与压力伺服系统相连接；
13.所述岩心样品周向设置有围压施加模块，围压施加模块与岩样夹持器内壁之间设置有用于防止热量散失的隔热层，围压施加模块包括围压加载层、第一围压加载层和第二围压加载层，围压加载层套设于岩心样品上，围压加载层内沿周向均匀设置有多个用于加热岩心样品的加热管，各加热管均与温度控制系统相连接，围岩加载层的内壁与岩心样品外壁相紧贴，外壁与隔热层的内壁相紧贴，围压加载层两侧依次设置第一围压加载层，第一围压加载层一端与围压加载层相紧贴，另一端与第二围压加载层相紧贴，第一围压加载层和第二围压加载层均套设于轴压加载模块上，围压加载层、第一围压加载层和第二围压加载层分别与压力伺服系统相连接；
14.所述岩心样品顶端与进气管的流出端相连接，底端与出气管的流入端相紧贴；
15.所述进气管的进气端依次穿过第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头后与气化剂供应模块相连接，气化剂供应模块内设置有氮气气瓶、制氧机和蒸汽发生器，氮气气瓶、制氧机和蒸汽发生器分别通过连接管与进气管的进气端，与氮气气瓶相连接的连接管上设置依次有氮气压力传感器和氮气流量调节阀，氮气压力传感器位于靠近氮气气瓶一端，进气管上依次设置有气体增压泵、气体流量控制器和入口压力传感器，入口压力传感器靠近于岩样夹持器的顶端；
16.所述出气管的依次穿过第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头后与尾气处理装置相连接，出气管上设置有合成气检测处理模块和出口阀门，合成气检测处理模块包括出口压力传感器和红外组分检测装置，出口压力传感器和红外组分检测装置依次设置在出气管上，出口压力传感器靠近于岩样夹持器的底端；
17.所述计算机控制系统分别与温度伺服系统、压力伺服系统、声发射监测采集系统和红外组分检测装置相连接。
18.优选地，所述加热管的加热方式设置为中频加热，加热管温度由25℃加热至1600℃耗时5min。
19.优选地，所述第一围压加载层的制作材料为刚玉，第二围压加载层的制作材料为金属。
20.优选地，所述围压加载层采用可传导压力的柔性固体制成，所述柔性固体受热后能够从固体状态变化为液体状态，用于向岩心样品施加围压。
21.优选地，当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验时，围压加载层的制作材料为莫来石，第一密封层的制作材料为钛合金，第二密封层的制作材料为柔性石墨；当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于页岩油原位改质机理模拟实验时，围压加载层的制作材料为氯化钠，第一密封层的制作材料为紫铜，第二密封层的
制作材料为柔性石墨。
22.一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，采用如上所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，分别将多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验和页岩油原位改质机理模拟实验。
23.优选地，所述多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验模拟富氧蒸汽煤炭地下气化过程时，具体包括以下步骤：
24.步骤1，利用第一密封层包裹煤炭样品，将被第一密封层包裹后的煤炭样品置于多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的岩样夹持器内，依次安装多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的轴压加载模块、围压加载模块、气化剂供应模块、合成气检测模块和计算机控制系统；
25.步骤2，关闭出口阀门，开启氮气气瓶，观察入口压力传感器和出口压力传感器的示数，控制氮气流量调节阀将氮气按照预设注入压力和预设注入速率注入岩样夹持器后，关闭氮气流量调节阀，检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性；
26.步骤3，利用计算机控制系统控制压力伺服系统，使得压力伺服系统同时控制轴压加载模块、围压加载模块向煤炭样品施加围压和轴压，围压加载模块控制围压加载层、第一围压加载层、第二围压加载层按照预设的围压初始值pz向煤炭样品施加围压，轴压加载模块按照预设的轴压初始值pa向煤炭样品施加轴压，向煤炭样品同时施加围压和轴压后，再次检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性，多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性合格后，开启声发射监测采集系统，利用声发射监测采集系统实时接收波导杆所采集的声发射数据；
27.步骤4，开启出口阀门、氮气流量调节阀和气体增压泵，观察入口压力传感器，根据氮气的预设注入压力和预设注入速率，利用气体流量控制器向岩样夹持器内注入氮气，同时，观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置显示检测到的气体组分全部为氮气后，关闭氮气流量调节阀，停止向岩样夹持器内注入氮气；
28.步骤5，开启制氧机和蒸汽发生器，利用气体流量控制器将氮气气瓶所输出的氮气、制氧机所输出的氧气和蒸汽发生器所输出的水蒸气混合得到气化剂，气化剂中氧气的比例为30％、水蒸气的比例为60％、氮气的比例为10％，同时，利用计算机控制系统开启温度伺服系统，温度伺服系统控制加热管以预设的加热速率升温加热煤炭样品，配合采用温度探头实时测量煤炭样品的温度，当煤炭样品加热至预设温度后，将加热管的加热温度保持在预设温度，持续加热煤炭样品；
29.步骤6，利用红外组分检测装置的气体组分检测结果实时检测从岩样夹持器中输出混合气体的组分，确定混合气体中由co、ch4和h2所组成的有效气体组分的比例，持续观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置检测到岩样夹持器中输出的混合气体中有效气体组分的比例下降至峰值的50％时，利用计算机控制系统控制温度伺服系统关闭加热管，停止加热煤炭样品，并关闭制氧机和蒸汽发生器，停止向岩样夹持器内注入氧气和水蒸气，并立即利用气体流量控制器，将氮气以预设注入压力和注入速率注入岩样夹持器内；
30.步骤7，利用温度探头测量持续测量煤炭样品的温度，待温度探头测量到煤炭样品降低至室温后，开启红外组分检测装置检测岩样夹持器中输出的气体组分，当红外组分检
测装置检测到持续的氮气气流后，关闭气体流量控制器，停止向岩样夹持器内注入氮气；
31.步骤8，利用计算机控制系统控制声发射监测采集系统关闭，并将声发射监测采集系统内所接收的声发射数据输出至计算机控制系统中，获取煤炭原位改质机理模拟实验过程的声发射定位图，结束煤炭原位改质机理模拟实验。
32.优选地，所述多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于页岩油原位改质机理模拟实验模拟氮气氛围页岩油原位改质过程时，具体包括以下步骤：
33.步骤1，利用第一密封层包裹页岩油岩心样品，将被第一密封层包裹后的页岩油岩心样品置于多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的岩样夹持器内，依次安装多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的轴压加载模块、围压加载模块、气化剂供应模块、合成气检测模块和计算机控制系统；
34.步骤2，关闭出口阀门，开启氮气气瓶，观察入口压力传感器和出口压力传感器的示数，控制氮气流量调节阀将氮气按照预设注入压力和预设注入速率注入岩样夹持器后，关闭氮气流量调节阀，检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性；
35.步骤3，利用计算机控制系统控制压力伺服系统，使得压力伺服系统同时控制轴压加载模块、围压加载模块向页岩油岩心样品施加围压和轴压，围压加载模块控制围压加载层、第一围压加载层、第二围压加载层按照预设的围压初始值pz向页岩油岩心样品施加围压，轴压加载模块按照预设的轴压初始值pa向页岩油岩心样品施加轴压，向页岩油岩心样品同时施加围压和轴压后，再次检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性，多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性合格后，开启声发射监测采集系统，利用声发射监测采集系统实时接收波导杆所采集的声发射数据；
36.步骤4，开启出口阀门、氮气流量调节阀和气体增压泵，观察入口压力传感器，根据氮气的预设注入压力和预设注入速率，利用气体流量控制器向岩样夹持器内注入氮气，同时，观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置显示检测到的气体组分全部为氮气后，利用氮气流量调节阀持续向岩样夹持器内注入氮气；
37.步骤5，利用计算机控制系统开启温度伺服系统，利用温度伺服系统将岩样夹持器内的加热管以预设的加热速率升温加热页岩油岩心样品，同时，利用温度探头实时测量页岩油岩心样品的温度，当页岩油岩心样品加热至预设温度后，将加热管的加热温度保持在预设温度，持续加热页岩油岩心样品；
38.步骤6，利用红外组分检测装置的气体组分检测结果实时检测从岩样夹持器中输出混合气体的组分，确定混合气体中由ch4、c2h6和c2h4所组成的有效气体组分的比例，持续观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置检测到岩样夹持器中输出的混合气体中有效气体组分的比例下降至峰值的50％时，利用计算机控制系统控制温度伺服系统关闭加热管，停止加热页岩油岩心样品；
39.步骤7，利用温度探头测量持续测量页岩油岩心样品的温度，待温度探头测量到页岩油岩心样品降低至室温后，观察入口压力传感器，利用气体流量控制器控制氮气以预设注入压力和注入速率注入岩样夹持器内，同时，开启红外组分检测装置检测岩样夹持器中输出的气体组分，当红外组分检测装置检测到持续的氮气气流后，关闭气体流量控制器，停止向岩样夹持器内注入氮气；
40.步骤8，利用计算机控制系统控制声发射监测采集系统关闭，并将声发射监测采集
系统内所接收的声发射数据输出至计算机控制系统中，获取页岩油原位改质模拟实验过程的声发射定位图，结束页岩油原位改质模拟实验。
41.优选地，所述检查多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性时，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数未发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性合格，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性不合格。
42.优选地，所述加热管的加热速率设置为30℃/min，指定温度设置为400℃。
43.本发明所带来的有益技术效果：
44.1、本发明提出的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，仅需更换围压加载层、第一密封层、第二密封层的材料，即可将同一设备应用于煤炭原位改质机理模拟实验和页岩油原位改质机理模拟实验，使得一套设备具有两种功能，实现了三轴应力加载条件下煤炭地下气化机理和页岩油原位改质机理的实验室模拟，最大程度的发挥了实验装置的使用价值。
45.2、本发明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置利用加热管加热岩心样品，通过将加热管的加热方式设置为中频加热，大幅度提高了实验过程中对岩心样品的加热速率，避免了因传统电加热器加热速率低难以直接快速升温至模拟的地层温度，导致模拟过程中间产物生成过多难以真实还原真实地层实际生产情况的问题。
46.3、本发明还提出了一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，通过将多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置应用于煤炭原位改质机理模拟实验和页岩油原位改质机理模拟实验，真实模拟了煤炭地下气化过程和页岩油原位改质过程，为获取不同地层条件下煤炭地下气化和页岩油原位改质的合成气组分和岩石物性变化提供了一手资料，为煤炭地下气化和页岩油原位改质的研究提供了依据。
附图说明
47.图1为本发明一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的结构示意图。
48.图2为本发明岩芯夹持器的结构示意图。
49.图中，1、氮气气瓶，2、氮气压力传感器，3、氮气流量调节阀，4、制氧机，5、蒸汽发生器，6、气体增压泵，7、气体流量控制器，8、入口压力传感器，9、轴压加载模块，10、围压施加模块，11、岩样夹持器，12、压力伺服系统，13、出口压力传感器，14、红外组分检测装置，15、出口阀门，16、尾气处理装置，17、声发射监测采集系统，18、隔热层，19、第二密封层，20、加热管，21、岩心样品，22、第一密封层，23、围压加载层，24、波导杆，25、温度探头，26、进气管，27、第一轴压加载堵头，28、第一围压加载层，29、第二围压加载层，30、第二轴压加载堵头，31、出气管。
具体实施方式
50.下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
51.实施例1
52.本实施例提出了一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，如图1所示，包括岩
样夹持器11和计算机控制系统，计算机控制系统分别与温度伺服系统、压力伺服系统12、声发射监测采集系统17和红外组分检测装置14相连接。
53.所述岩样夹持器11如图2所示，岩样夹持器11内部放置有岩心样品21，岩心样品21外包裹有第一密封层22，被第一密封层22包裹的岩心样品21两端被第二密封层19密封，采用第一密封层22和第二密封层19密封对岩心样品进行密封，保证了岩心样品的气密性。同时，当本实施例中的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于不同的模拟实验时，第一密封层和第二密封层密封所采用的制作材料不同，当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验时，第一密封层的制作材料为钛合金，第二密封层的制作材料为柔性石墨；当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于页岩油原位改质模拟实验时，第一密封层的制作材料为紫铜，第二密封层的制作材料为柔性石墨。
54.所述岩心样品顶端设置有波导杆24和温度探头25，波导杆和温度探头与岩石样品表面相紧贴，波导杆与声发射监测采集系统17相连接，波导杆实时采集岩石样品的声发射数据并发送至声发射监测采集系统中储存，温度探头25与温度伺服系统相连接，温度探头实时获取岩心样品的温度并反馈至温度伺服系统。
55.所述岩心样品轴向设置有轴压加载模块9，轴压加载模块9包括第一轴压加载堵头27和第二轴压加载堵头28，第一轴压加载堵头设置于岩心样品的两端，第一轴压加载堵头一端与岩心样品端部相紧贴，另一端与第二轴压加载堵头相紧贴，第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头分别与压力伺服系统12相连接，用于向岩样夹持器内的岩心样品施加轴压。
56.所述岩心样品周向设置有围压施加模块10，围压施加模块与岩样夹持器内壁之间设置有用于防止热量散失的隔热层18，围压施加模块10包括围压加载层23、第一围压加载层29和第二围压加载层30。
57.所述第一围压加载层29采用刚玉制成，第二围压加载层30采用金属材料制成。
58.所述围压加载层23套设于岩心样品上，采用可传导压力的柔性固体制成，受热后能够从固体状态变化为液体状态，用于向岩心样品施加围压，通过采用固体加压的方式提高了围压加载过程中岩心样品的高密封性，保证了围压加载的安全性。本实施例中，当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验时，围压加载层的制作材料为莫来石；当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于页岩油原位改质模拟实验时，围压加载层的制作材料为氯化钠。
59.围压加载层内沿周向均匀设置有多个用于加热岩心样品的加热管20，各加热管均与温度控制系统相连接，本实施例中加热管为中频加热管，采用中频加热的方式，能够在5min内快速将温度由室温升高至1600℃，具有极其迅速的升温速率。围岩加载层的内壁与岩心样品外壁相紧贴，外壁与隔热层的内壁相紧贴，围压加载层两侧依次设置第一围压加载层，第一围压加载层一端与围压加载层相紧贴，另一端与第二围压加载层相紧贴，第一围压加载层和第二围压加载层均套设于轴压加载模块上，围压加载层、第一围压加载层和第二围压加载层分别与压力伺服系统相连接，用于向岩样夹持器内的岩心样品施加围压。
60.所述岩心样品顶端与进气管26的流出端相连接，底端与出气管31的流入端相紧贴。
61.所述进气管的进气端依次穿过第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头后与气化剂供应模块相连接，气化剂供应模块内设置有氮气气瓶1、制氧机4和蒸汽发生器5，氮气气瓶、
制氧机和蒸汽发生器分别通过连接管与进气管的进气端，与氮气气瓶相连接的连接管上设置依次有氮气压力传感器2和氮气流量调节阀3，氮气压力传感器2位于靠近氮气气瓶一端，进气管26上依次设置有气体增压泵6、气体流量控制器7和入口压力传感器8，入口压力传感器靠近于岩样夹持器的顶端。
62.所述出气管的依次穿过第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头后与尾气处理装置16相连接，尾气处理装置用于处理实验过程中多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置所输出的混合气体，出气管上设置有合成气检测处理模块和出口阀门15，合成气检测处理模块包括出口压力传感器13和红外组分检测装置14，出口压力传感器13和红外组分检测装置14依次设置在出气管30上，出口压力传感器靠近于岩样夹持器的底端，用于监测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性。
63.实施例2
64.本实施例提出了一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，将实施例1中所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置应用于煤炭原位改质机理模拟实验中，用于模拟地下埋深1000m处富氧蒸汽环境下煤炭的气化过程，具体包括以下步骤：
65.步骤1，利用第一密封层包裹煤炭样品，将被第一密封层包裹后的煤炭样品置于多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的岩样夹持器内，依次安装多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的轴压加载模块、围压加载模块、气化剂供应模块、合成气检测模块和计算机控制系统。
66.本实施例中多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的围压加载层采用莫来石制成、第一密封层采用钛合金制成、第二密封层采用柔性石墨制成，煤炭样品为直径25mm、长度50mm的圆柱体。
67.步骤2，关闭出口阀门，开启氮气气瓶，观察入口压力传感器和出口压力传感器的示数，控制氮气流量调节阀将氮气按照预设注入压力和预设注入速率注入岩样夹持器后，关闭氮气流量调节阀，检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性。
68.检查多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性时，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数未发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性合格，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性不合格。
69.步骤3，利用计算机控制系统控制压力伺服系统，使得压力伺服系统同时控制轴压加载模块、围压加载模块向煤炭样品施加围压和轴压，围压加载模块控制围压加载层、第一围压加载层、第二围压加载层按照预设的围压初始值10mpa向煤炭样品施加围压，轴压加载模块按照预设的轴压初始值10mpa向煤炭样品施加轴压，轴压加载模块和围压加载模块的压力加载速率均设置为0.1mpa/s，向煤炭样品同时施加围压和轴压后，再次检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性，多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性合格后，开启声发射监测采集系统，利用声发射监测采集系统实时接收波导杆所采集的声发射数据。
70.步骤4，开启出口阀门、氮气流量调节阀和气体增压泵，观察入口压力传感器，根据氮气的预设注入压力15mpa和预设注入速率5l/min，利用气体流量控制器向岩样夹持器内
注入氮气，同时，观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置显示连续10s内检测到的气体组分全部为氮气后，关闭氮气流量调节阀，停止向岩样夹持器内注入氮气。
71.步骤5，开启制氧机和蒸汽发生器，利用气体流量控制器将氮气气瓶所输出的氮气、制氧机所输出的氧气和蒸汽发生器所输出的水蒸气进行混合得到气化剂，本实施例气化剂中氧气的比例为30％、水蒸气的比例为60％、氮气的比例为10％。同时，利用计算机控制系统开启温度伺服系统，温度伺服系统控制加热管以预设的加热速率升温加热煤炭样品，配合采用温度探头实时测量煤炭样品的温度，将煤炭样品以300℃/min的升温速率加热至预设温度800℃后，将加热管的加热温度保持在预设温度，持续加热煤炭样品。
72.步骤6，利用红外组分检测装置的气体组分检测结果实时检测从岩样夹持器中输出混合气体的组分，确定混合气体中由co、ch4和h2所组成的有效气体组分的比例，持续观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置检测到岩样夹持器中输出的混合气体中有效气体组分的比例下降至峰值的50％时，利用计算机控制系统控制温度伺服系统关闭加热管，停止加热煤炭样品，并关闭制氧机和蒸汽发生器，停止向岩样夹持器内注入氧气和水蒸气，并立即利用气体流量控制器以15mpa的注入压力、5l/min的注入速率向岩样夹持器内注入氮气，快速降低煤炭样品的温度。
73.步骤7，利用温度探头测量持续测量煤炭样品的温度，待温度探头测量到煤炭样品降低至室温后，开启红外组分检测装置检测岩样夹持器中输出的气体组分，当红外组分检测装置连续10s内检测到氮气气流后，关闭气体流量控制器，停止向岩样夹持器内注入氮气。
74.步骤8，利用计算机控制系统控制声发射监测采集系统关闭，并将声发射监测采集系统内所接收的声发射数据输出至计算机控制系统中，获取煤炭原位改质机理模拟实验过程的声发射定位图，结束煤炭原位改质机理模拟实验。
75.实施例3
76.本实施例提出了一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，将实施例1中所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置应用于页岩油原位改质机理模拟实验中，用于模拟地下埋深3000m处氮气氛围下页岩油原位改质过程，具体包括以下步骤：
77.步骤1，利用第一密封层包裹页岩油岩心样品，将被第一密封层包裹后的页岩油岩心样品置于多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的岩样夹持器内，依次安装多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的轴压加载模块、围压加载模块、气化剂供应模块、合成气检测模块和计算机控制系统。
78.本实施例中多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的围压加载层采用氯化钠制成、第一密封层采用紫铜制成、第二密封层采用柔性石墨制成，页岩油岩心样品为直径38mm、长度80mm的圆柱体。
79.步骤2，关闭出口阀门，开启氮气气瓶，观察入口压力传感器和出口压力传感器的示数，控制氮气流量调节阀将氮气按照预设注入压力和预设注入速率注入岩样夹持器后，关闭氮气流量调节阀，检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性。
80.检查多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性时，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数未发生变化，则表明多种类深地矿藏原位
改质机理模拟装置的气密性合格，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性不合格。
81.步骤3，利用计算机控制系统控制压力伺服系统，使得压力伺服系统同时控制轴压加载模块、围压加载模块向页岩油岩心样品施加围压和轴压，围压加载模块控制围压加载层、第一围压加载层、第二围压加载层按照预设的围压初始值20mpa向页岩油岩心样品施加围压，轴压加载模块按照预设的轴压初始值20mpa向页岩油岩心样品施加轴压，围压和轴压的加载速率均设置为0.2mpa/s，向页岩油岩心样品同时施加围压和轴压后，再次检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性，多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性合格后，开启声发射监测采集系统，利用声发射监测采集系统实时接收波导杆所采集的声发射数据。
82.步骤4，开启出口阀门、氮气流量调节阀和气体增压泵，观察入口压力传感器，根据氮气的预设注入压力25mpa和预设注入速率5l/min，利用气体流量控制器向岩样夹持器内注入氮气，同时，观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置显示检测到的气体组分全部为氮气后，利用氮气流量调节阀持续向岩样夹持器内注入氮气，保持岩样夹持器内的氮气氛围。
83.步骤5，利用计算机控制系统开启温度伺服系统，利用温度伺服系统将岩样夹持器内的加热管以30℃/min加热速率加热页岩油岩心样品，使得页岩油岩心样品的温度升至400℃，同时，利用温度探头实时测量页岩油岩心样品的温度，当页岩油岩心样品加热至预设温度后，将加热管的加热温度保持在预设温度，持续加热页岩油岩心样品。
84.步骤6，利用红外组分检测装置的气体组分检测结果实时检测从岩样夹持器中输出混合气体的组分，确定混合气体中由ch4、c2h6和c2h4所组成的有效气体组分的比例，持续观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置检测到岩样夹持器中输出的混合气体中有效气体组分的比例下降至峰值的50％时，利用计算机控制系统控制温度伺服系统关闭加热管，停止加热页岩油岩心样品。
85.步骤7，利用温度探头测量持续测量页岩油岩心样品的温度，待温度探头测量到页岩油岩心样品降低至室温后，观察入口压力传感器，利用气体流量控制器控制氮气以25mpa的注入压力、5l/min的注入速率注入岩样夹持器内，同时，开启红外组分检测装置检测岩样夹持器中输出的气体组分，当红外组分检测装置10s内检测到持续的氮气气流后，关闭气体流量控制器，停止向岩样夹持器内注入氮气。
86.步骤8，利用计算机控制系统控制声发射监测采集系统关闭，并将声发射监测采集系统内所接收的声发射数据输出至计算机控制系统中，获取页岩油原位改质模拟实验过程的声发射定位图，结束页岩油原位改质模拟实验。
87.在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
88.当然，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。

技术特征：
1.一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，其特征在于，包括岩样夹持器和计算机控制系统；所述岩样夹持器内部放置有岩心样品，岩心样品外包裹有第一密封层，被第一密封层包裹的岩心样品两端被第二密封层密封，岩心样品顶端设置有波导杆和温度探头，波导杆和温度探头与岩石样品表面相紧贴，波导杆与声发射监测采集系统相连接，温度探头与温度伺服系统相连接；所述岩心样品轴向设置有轴压加载模块，轴压加载模块包括第一轴压加载堵头和第二轴压加载堵头，第一轴压加载堵头设置于岩心样品的两端，第一轴压加载堵头一端与岩心样品端部相紧贴，另一端与第二轴压加载堵头相紧贴，第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头分别与压力伺服系统相连接；所述岩心样品周向设置有围压施加模块，围压施加模块与岩样夹持器内壁之间设置有用于防止热量散失的隔热层，围压施加模块包括围压加载层、第一围压加载层和第二围压加载层，围压加载层套设于岩心样品上，围压加载层内沿周向均匀设置有多个用于加热岩心样品的加热管，各加热管均与温度控制系统相连接，围岩加载层的内壁与岩心样品外壁相紧贴，外壁与隔热层的内壁相紧贴，围压加载层两侧依次设置第一围压加载层，第一围压加载层一端与围压加载层相紧贴，另一端与第二围压加载层相紧贴，第一围压加载层和第二围压加载层均套设于轴压加载模块上，围压加载层、第一围压加载层和第二围压加载层分别与压力伺服系统相连接；所述岩心样品顶端与进气管的流出端相连接，底端与出气管的流入端相紧贴；所述进气管的进气端依次穿过第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头后与气化剂供应模块相连接，气化剂供应模块内设置有氮气气瓶、制氧机和蒸汽发生器，氮气气瓶、制氧机和蒸汽发生器分别通过连接管与进气管的进气端，与氮气气瓶相连接的连接管上设置依次有氮气压力传感器和氮气流量调节阀，氮气压力传感器位于靠近氮气气瓶一端，进气管上依次设置有气体增压泵、气体流量控制器和入口压力传感器，入口压力传感器靠近于岩样夹持器的顶端；所述出气管的依次穿过第一轴压加载堵头、第二轴压加载堵头后与尾气处理装置相连接，出气管上设置有合成气检测处理模块和出口阀门，合成气检测处理模块包括出口压力传感器和红外组分检测装置，出口压力传感器和红外组分检测装置依次设置在出气管上，出口压力传感器靠近于岩样夹持器的底端；所述计算机控制系统分别与温度伺服系统、压力伺服系统、声发射监测采集系统和红外组分检测装置相连接。2.根据权利要求1所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，其特征在于，所述加热管的加热方式设置为中频加热，加热管温度由25℃加热至1600℃耗时5min。3.根据权利要求1所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，其特征在于，所述第一围压加载层的制作材料为刚玉，第二围压加载层的制作材料为金属。4.根据权利要求1所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，其特征在于，所述围压加载层采用可传导压力的柔性固体制成，所述柔性固体受热后能够从固体状态变化为液体状态，用于向岩心样品施加围压。5.根据权利要求4所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，其特征在于，当多种
类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验时，围压加载层的制作材料为莫来石，第一密封层的制作材料为钛合金，第二密封层的制作材料为柔性石墨；当多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于页岩油原位改质机理模拟实验时，围压加载层的制作材料为氯化钠，第一密封层的制作材料为紫铜，第二密封层的制作材料为柔性石墨。6.一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，其特征在于，采用如权利要求1～5中任一项所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置，分别将多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验和页岩油原位改质机理模拟实验。7.根据权利要求6所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，其特征在于，所述多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于煤炭原位改质机理模拟实验模拟富氧蒸汽煤炭地下气化过程时，具体包括以下步骤：步骤1，利用第一密封层包裹煤炭样品，将被第一密封层包裹后的煤炭样品置于多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的岩样夹持器内，依次安装多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的轴压加载模块、围压加载模块、气化剂供应模块、合成气检测模块和计算机控制系统；步骤2，关闭出口阀门，开启氮气气瓶，观察入口压力传感器和出口压力传感器的示数，控制氮气流量调节阀将氮气按照预设注入压力和预设注入速率注入岩样夹持器后，关闭氮气流量调节阀，检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性；步骤3，利用计算机控制系统控制压力伺服系统，使得压力伺服系统同时控制轴压加载模块、围压加载模块向煤炭样品施加围压和轴压，围压加载模块控制围压加载层、第一围压加载层、第二围压加载层按照预设的围压初始值p
z
向煤炭样品施加围压，轴压加载模块按照预设的轴压初始值p
a
向煤炭样品施加轴压，向煤炭样品同时施加围压和轴压后，再次检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性，多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性合格后，开启声发射监测采集系统，利用声发射监测采集系统实时接收波导杆所采集的声发射数据；步骤4，开启出口阀门、氮气流量调节阀和气体增压泵，观察入口压力传感器，根据氮气的预设注入压力和预设注入速率，利用气体流量控制器向岩样夹持器内注入氮气，同时，观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置显示检测到的气体组分全部为氮气后，关闭氮气流量调节阀，停止向岩样夹持器内注入氮气；步骤5，开启制氧机和蒸汽发生器，利用气体流量控制器将氮气气瓶所输出的氮气、制氧机所输出的氧气和蒸汽发生器所输出的水蒸气混合得到气化剂，气化剂中氧气的比例为30％、水蒸气的比例为60％、氮气的比例为10％，同时，利用计算机控制系统开启温度伺服系统，温度伺服系统控制加热管以预设的加热速率升温加热煤炭样品，配合采用温度探头实时测量煤炭样品的温度，当煤炭样品加热至预设温度后，将加热管的加热温度保持在预设温度，持续加热煤炭样品；步骤6，利用红外组分检测装置的气体组分检测结果实时检测从岩样夹持器中输出混合气体的组分，确定混合气体中由co、ch4和h2所组成的有效气体组分的比例，持续观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置检测到岩样夹持器中输出的混合气体中有效气体组分的比例下降至峰值的50％时，利用计算机控制系统控制温度伺服系统关闭加热管，停止加热煤炭样品，并关闭制氧机和蒸汽发生器，停止向岩样夹持器内注入氧
气和水蒸气，并立即利用气体流量控制器，将氮气以预设注入压力和注入速率注入岩样夹持器内；步骤7，利用温度探头测量持续测量煤炭样品的温度，待温度探头测量到煤炭样品降低至室温后，开启红外组分检测装置检测岩样夹持器中输出的气体组分，当红外组分检测装置检测到持续的氮气气流后，关闭气体流量控制器，停止向岩样夹持器内注入氮气；步骤8，利用计算机控制系统控制声发射监测采集系统关闭，并将声发射监测采集系统内所接收的声发射数据输出至计算机控制系统中，获取煤炭原位改质机理模拟实验过程的声发射定位图，结束煤炭原位改质机理模拟实验。8.根据权利要求6所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，其特征在于，所述多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置用于页岩油原位改质机理模拟实验模拟氮气氛围页岩油原位改质过程时，具体包括以下步骤：步骤1，利用第一密封层包裹页岩油岩心样品，将被第一密封层包裹后的页岩油岩心样品置于多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的岩样夹持器内，依次安装多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的轴压加载模块、围压加载模块、气化剂供应模块、合成气检测模块和计算机控制系统；步骤2，关闭出口阀门，开启氮气气瓶，观察入口压力传感器和出口压力传感器的示数，控制氮气流量调节阀将氮气按照预设注入压力和预设注入速率注入岩样夹持器后，关闭氮气流量调节阀，检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性；步骤3，利用计算机控制系统控制压力伺服系统，使得压力伺服系统同时控制轴压加载模块、围压加载模块向页岩油岩心样品施加围压和轴压，围压加载模块控制围压加载层、第一围压加载层、第二围压加载层按照预设的围压初始值p
z
向页岩油岩心样品施加围压，轴压加载模块按照预设的轴压初始值p
a
向页岩油岩心样品施加轴压，向页岩油岩心样品同时施加围压和轴压后，再次检测多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性，多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性合格后，开启声发射监测采集系统，利用声发射监测采集系统实时接收波导杆所采集的声发射数据；步骤4，开启出口阀门、氮气流量调节阀和气体增压泵，观察入口压力传感器，根据氮气的预设注入压力和预设注入速率，利用气体流量控制器向岩样夹持器内注入氮气，同时，观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置显示检测到的气体组分全部为氮气后，利用氮气流量调节阀持续向岩样夹持器内注入氮气；步骤5，利用计算机控制系统开启温度伺服系统，利用温度伺服系统将岩样夹持器内的加热管以预设的加热速率升温加热页岩油岩心样品，同时，利用温度探头实时测量页岩油岩心样品的温度，当页岩油岩心样品加热至预设温度后，将加热管的加热温度保持在预设温度，持续加热页岩油岩心样品；步骤6，利用红外组分检测装置的气体组分检测结果实时检测从岩样夹持器中输出混合气体的组分，确定混合气体中由ch4、c2h6和c2h4所组成的有效气体组分的比例，持续观察红外组分检测装置的气体组分检测结果，当红外组分检测装置检测到岩样夹持器中输出的混合气体中有效气体组分的比例下降至峰值的50％时，利用计算机控制系统控制温度伺服系统关闭加热管，停止加热页岩油岩心样品；步骤7，利用温度探头测量持续测量页岩油岩心样品的温度，待温度探头测量到页岩油
岩心样品降低至室温后，观察入口压力传感器，利用气体流量控制器控制氮气以预设注入压力和注入速率注入岩样夹持器内，同时，开启红外组分检测装置检测岩样夹持器中输出的气体组分，当红外组分检测装置检测到持续的氮气气流后，关闭气体流量控制器，停止向岩样夹持器内注入氮气；步骤8，利用计算机控制系统控制声发射监测采集系统关闭，并将声发射监测采集系统内所接收的声发射数据输出至计算机控制系统中，获取页岩油原位改质模拟实验过程的声发射定位图，结束页岩油原位改质模拟实验。9.根据权利要求7或8所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，其特征在于，所述检查多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置气密性时，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数未发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性合格，若关闭氮气流量调节阀后3min内入口压力传感器和出口压力传感器的示数发生变化，则表明多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置的气密性不合格。10.根据权利要求6或9所述的多种类深地矿藏原位改质机理模拟方法，其特征在于，所述加热管的加热速率设置为30℃/min，指定温度设置为400℃。

技术总结
本发明公开了一种多种类深地矿藏原位改质机理模拟装置及方法，该装置包括岩样夹持器和计算机控制系统，岩芯夹持器内设置有被第一密封层包裹的岩心样品，岩心样品表面设有波导杆和温度探头，与声发射监测采集系统和温度伺服系统相连接，岩心样品的轴向设有轴压加载模块、周向设有围压施加模块，轴压加载模块和围压施加模块均与压力伺服系统相连接，用于向岩心样品施加轴压和围压，岩心样品顶端通过进气管与气化剂供应模块相连接，底端通过出气管与合成气检测处理模块和尾气处理装置依次连接，所述计算机控制系统分别连接温度伺服系统、压力伺服系统、声发射监测采集系统和红外组分检测装置，实现了对煤炭地下气化和页岩油原位改质的真实模拟。质的真实模拟。质的真实模拟。


技术研发人员：孙海 胡卓成 姚军 付帅师 钟俊杰 安国强 王子杰 樊冬艳 张磊
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/23