本實(shí)用新型屬于煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶CT實(shí)時(shí)掃描的注氣驅(qū)替煤層氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

針對(duì)我國(guó)低滲煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，必須進(jìn)行儲(chǔ)層改造才能商業(yè)化開(kāi)發(fā)。針對(duì)水力壓裂改造的局限性，浪費(fèi)水資源等特點(diǎn)，煤層氣注氣開(kāi)采技術(shù)的環(huán)保性、安全性、高效性等特點(diǎn)，注氣提高煤層氣采收率( Enhanced coalbed methane，ECBM)受到各大企業(yè)的青睞。

煤質(zhì)條件、注氣類型、注氣壓力、注氣速率等參數(shù)的差異，造成煤層氣運(yùn)移的差異，進(jìn)而造成采收率的差異。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者進(jìn)行了注氣增產(chǎn)過(guò)程中吸附/解吸-擴(kuò)散-滲流階段孔裂隙的演化，氣體運(yùn)移的研究，并設(shè)計(jì)了大量注氣實(shí)驗(yàn)裝置。這些裝置的特點(diǎn)，大多數(shù)裝置只有簡(jiǎn)單的注氣驅(qū)替功能，沒(méi)有設(shè)置施加壓力、溫度等條件的操作結(jié)果，并不能很好地模擬原地層溫度條件下煤巖中氣體滲流以及吸附特性，只能得出最終的注氣參數(shù)與采收率的關(guān)系圖，并不能實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)注氣驅(qū)替過(guò)程；少數(shù)裝置把CT掃描技術(shù)應(yīng)用于注氣驅(qū)替過(guò)程，由于注氣裝置龐大，只能注氣-掃描-注氣-掃描反復(fù)進(jìn)行，需要對(duì)煤樣反復(fù)加卸載、拆卸安裝，容易導(dǎo)致煤樣的機(jī)械損壞，且操作麻煩，仍無(wú)法全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；極少數(shù)裝置采用醫(yī)用螺旋CT進(jìn)行注氣驅(qū)替過(guò)程的實(shí)時(shí)掃描，但由于現(xiàn)有的注氣裝置所用煤樣尺寸較大，放大倍數(shù)小，分辨率低，掃描不到微米級(jí)裂隙，觀察效果不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種操作便捷、可全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能測(cè)試較小煤樣、能施加圍壓、軸壓、溫度等參數(shù)以及提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度的帶CT實(shí)時(shí)掃描的注氣驅(qū)替煤層氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：帶CT實(shí)時(shí)掃描的注氣驅(qū)替煤層氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括CT實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)、儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)、氣體注入與收集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)；

CT實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)包括水平設(shè)置的底板和位于底板上方的試驗(yàn)平臺(tái)，底板底部設(shè)有支腿，底板上表面左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有左升降機(jī)構(gòu)和右升降機(jī)構(gòu)，底板上表面設(shè)有前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部設(shè)有左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)平臺(tái)固定設(shè)置在左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

左升降機(jī)構(gòu)和右升降機(jī)構(gòu)的構(gòu)造相同且左右對(duì)稱設(shè)置；左升降機(jī)構(gòu)和右升降機(jī)構(gòu)均包括空心固定管和升降桿，空心固定管下端垂直并固定設(shè)在底板上表面，空心固定管下部與底板上表面之間設(shè)有加強(qiáng)筋板，升降桿的外徑等于空心固定管的內(nèi)徑，升降桿下部插設(shè)在空心固定管內(nèi)上部，空心固定管上沿徑向方向開(kāi)設(shè)有外插孔，外插孔沿空心固定管的長(zhǎng)度方向均勻開(kāi)設(shè)有至少三個(gè)，升降桿上沿徑向方向開(kāi)設(shè)有內(nèi)插孔，內(nèi)插孔與外插孔對(duì)應(yīng)并通過(guò)一根插銷插接配合；

左升降機(jī)構(gòu)的升降桿上端設(shè)置有可調(diào)節(jié)傾角的X光機(jī)，右升降機(jī)構(gòu)的升降桿上端左側(cè)設(shè)置平板探測(cè)器；

儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)包括煤樣室以及分別向煤樣室提供軸壓、圍壓和溫度的軸壓驅(qū)動(dòng)裝置、圍壓驅(qū)動(dòng)裝置和溫度控制裝置；

煤樣室包括由耐高壓、耐高溫纖維制成的圓筒，圓筒外壁設(shè)有保溫涂層，圓筒的上端和下端分別同軸向設(shè)有上連接筒和下連接筒，下連接筒下端外圓周設(shè)有安裝盤，下連接筒下端同軸向連接有下旋轉(zhuǎn)密封接頭；

軸壓驅(qū)動(dòng)裝置包括固定連接架、上固定塊、上導(dǎo)向密封筒、導(dǎo)向限位筒、上壓環(huán)板、中導(dǎo)向筒、下壓筒、活動(dòng)壓套和上旋轉(zhuǎn)密封接頭，上固定塊固定設(shè)在固定連接架上，上固定塊中心開(kāi)設(shè)有注氣孔，上旋轉(zhuǎn)密封接頭與注氣孔上端固定連接，圓筒、注氣孔、上導(dǎo)向密封筒、導(dǎo)向限位筒、上壓環(huán)板、中導(dǎo)向筒、下壓筒和活動(dòng)壓套具有同一條中心線；導(dǎo)向限位筒、上壓環(huán)板、中導(dǎo)向筒和下壓筒自上而下依次同軸向固定連接為一體，下壓筒下部插設(shè)并滑動(dòng)密封配合在上連接筒內(nèi)，中導(dǎo)向筒外套設(shè)有壓縮彈簧，壓縮彈簧的上端和下端分別與上壓環(huán)板下表面和上連接筒上端面頂壓配合，上導(dǎo)向密封筒上端與上固定塊下表面固定連接，上導(dǎo)向密封筒下部伸入到導(dǎo)向限位筒內(nèi)，上導(dǎo)向密封筒外壁與導(dǎo)向限位筒內(nèi)壁之間設(shè)有密封套，活動(dòng)壓套套在導(dǎo)向限位筒外部，活動(dòng)壓套下端面與上壓環(huán)板上表面頂壓接觸，活動(dòng)壓套上端面與上固定塊下表面頂壓接觸，活動(dòng)壓套上端面與上固定塊下表面之間設(shè)有四組驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，四組驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)沿注氣孔的中心線均勻布置；

上固定塊底部設(shè)有底部敞口的環(huán)形槽，每組驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均包括沿注氣孔的徑向方向開(kāi)設(shè)在上固定塊下部的螺紋孔，螺紋孔內(nèi)端與環(huán)形槽連通，活動(dòng)壓套上端伸到環(huán)形槽內(nèi)，活動(dòng)壓套上端開(kāi)設(shè)有半圓錐孔，半圓錐孔呈外大內(nèi)小且頂部敞口的圓錐形結(jié)構(gòu)，螺紋孔內(nèi)螺紋連接有調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)螺桿的內(nèi)端同軸固定連接有與半圓錐孔頂壓配合的錐形壓頭；

氣體注入與收集系統(tǒng)包括甲烷氣瓶、氮?dú)鈿馄?、真空泵、注氣管、?qū)替氣體收集管、回氣平衡管、真空管、放空管、回氣平衡器、排水集氣管、排水集氣瓶、氣相色譜儀、量筒和具有六個(gè)連接口的中轉(zhuǎn)容器；

甲烷氣瓶的出氣口通過(guò)甲烷氣管與中轉(zhuǎn)容器的第一個(gè)連接口連接，氮?dú)鈿馄康某鰵饪谕ㄟ^(guò)氮?dú)鈿夤芘c中轉(zhuǎn)容器的第二個(gè)連接口連接，注氣管的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器的第三個(gè)連接口連接，放空管的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器的第四個(gè)連接口連接，真空管的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器的第五個(gè)連接口連接，回氣平衡管的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器的第六個(gè)連接口連接；

甲烷氣管、氮?dú)鈿夤堋⒆夤?、放空管、真空管和回氣平衡管上分別設(shè)有第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門、第五閥門和第六閥門；注氣管上設(shè)有注氣流量計(jì)；

真空泵的抽氣口與真空管的出氣口連接，回氣平衡管的出氣口與回氣平衡器的一端連接，驅(qū)替氣體收集管的出氣口和排水集氣管的進(jìn)氣口分別與回氣平衡器的另一端連接，驅(qū)替氣體收集管上設(shè)有第七閥門，排水集氣管的出氣口與氣相色譜儀連接，排水集氣瓶位于排水集氣管下方，排水集氣瓶的頂部通過(guò)排水管與排水集氣管連接，排水集氣瓶通過(guò)溢水管與量筒連接；

安裝盤和固定連接架分別固定安裝到CT掃描系統(tǒng)上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，注氣管的出氣口與上旋轉(zhuǎn)密封接頭上端的進(jìn)氣口連接，驅(qū)替氣體收集管的進(jìn)氣口與下旋轉(zhuǎn)密封接頭下端的出氣口連接；

數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)包括第一計(jì)算機(jī)、第一采集卡、第二計(jì)算機(jī)和第二采集卡，第一計(jì)算機(jī)通過(guò)第一采集卡及數(shù)據(jù)信號(hào)線與儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)、X光機(jī)和氣體注入與收集系統(tǒng)連接，第二計(jì)算機(jī)通過(guò)第二采集卡及數(shù)據(jù)信號(hào)線與平板探測(cè)器連接。

回氣平衡器包括圓筒形的回流桶，回流桶的圓周內(nèi)壁滑動(dòng)密封設(shè)有活塞板，回流桶一端部開(kāi)設(shè)有與回氣平衡管連接的回流孔，回流桶的另一端部開(kāi)設(shè)有兩個(gè)連接孔，兩個(gè)連接孔分別與驅(qū)替氣體收集管的出氣口和排水集氣管的進(jìn)氣口連接。

前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在底板上表面的下平板，下平板與底板之間沿前后水平方向設(shè)置有燕尾槽式滑軌結(jié)構(gòu)，底板前側(cè)設(shè)置有第一步進(jìn)電機(jī)，第一步進(jìn)電機(jī)通過(guò)螺母絲桿結(jié)構(gòu)與下平板傳動(dòng)連接。

左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)框架、固定鏈條、行走齒輪和第二步進(jìn)電機(jī)，固定鏈條沿左右水平方向設(shè)置在下平板的上表面，第二步進(jìn)電機(jī)設(shè)置移動(dòng)框架底部，行走齒輪同軸向設(shè)在第二步進(jìn)電機(jī)的主軸上，移動(dòng)框架底部設(shè)有沿下平板上表面左右滾動(dòng)的支撐滾輪，行走齒輪與固定鏈條嚙合。

試驗(yàn)平臺(tái)固定設(shè)在移動(dòng)框架上，試驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)設(shè)有上下通透的下安裝孔；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定架、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪和圓盤，固定架設(shè)置在試驗(yàn)平臺(tái)右側(cè)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定設(shè)在固定架上，圓盤位于試驗(yàn)平臺(tái)上方，試驗(yàn)平臺(tái)上表面開(kāi)設(shè)有與下環(huán)形槽，圓盤上表面開(kāi)設(shè)有與下環(huán)形槽上下對(duì)應(yīng)的上環(huán)形槽，圓盤上開(kāi)設(shè)有上下通透的上安裝孔，上安裝孔、上環(huán)形槽、下環(huán)形槽和下安裝孔具有同一條中心線，上環(huán)形槽和下環(huán)形槽之間設(shè)有支撐滾珠，圓盤外圓周表面設(shè)有齒圈，驅(qū)動(dòng)齒輪同軸向固定設(shè)在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主軸上并與齒圈嚙合。

圍壓驅(qū)動(dòng)裝置包括圍壓泵、儲(chǔ)油箱、圍壓壓力傳感器、調(diào)節(jié)閥、圍壓膨脹套和圍壓管，圍壓膨脹套同軸向設(shè)置在圓筒內(nèi)壁，圍壓管的一端穿過(guò)圓筒與圍壓膨脹套內(nèi)部連通，圍壓管的另一端與圍壓泵的出口連接，圍壓泵的進(jìn)口通過(guò)抽油管與儲(chǔ)油箱連接，圍壓壓力傳感器和調(diào)節(jié)閥設(shè)置在圍壓管上。

溫度控制裝置包括電阻絲、溫控儀、可拉伸導(dǎo)線和溫度傳感器，電阻絲沿圓筒的軸向方向預(yù)制在圓筒內(nèi)，可拉伸導(dǎo)線的一端與溫控儀連接，可拉伸導(dǎo)線的另一端與電阻絲連接，溫度傳感器連接在可拉伸導(dǎo)線上，溫度傳感器設(shè)在圓筒內(nèi)并鄰近電阻絲，可拉伸導(dǎo)線通過(guò)掛鉤連接在圍壓管上。

采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

（1）將安裝盤通過(guò)螺栓固定連接到圓盤上，下旋轉(zhuǎn)密封接頭向下穿過(guò)安裝孔與驅(qū)替氣體收集管連接，固定連接架通過(guò)螺栓連接到固定架上，注氣管的出氣口與上旋轉(zhuǎn)密封接頭上端的進(jìn)氣口連接；

（2）將煤樣進(jìn)行蠟封處理后裝入圍壓膨脹套內(nèi)中，調(diào)節(jié)左升降機(jī)構(gòu)、右升降機(jī)構(gòu)、前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整X光機(jī)、煤樣室和平板探測(cè)器之間的水平間距和垂向高差，確保X光機(jī)發(fā)出的X射線源穿過(guò)煤樣室到達(dá)平板探測(cè)器；

（3）先打開(kāi)第五閥門和第三閥門，開(kāi)啟真空泵，對(duì)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，抽真空結(jié)束后，關(guān)閉第五閥門和第三閥門；

（4）對(duì)圓筒內(nèi)的煤樣施加軸壓：依次旋轉(zhuǎn)四根調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)螺桿沿徑向方向向內(nèi)移動(dòng)，錐形壓頭也向內(nèi)移動(dòng)，錐形壓頭就向下壓活動(dòng)壓套，活動(dòng)壓套向下壓上壓環(huán)板，上壓環(huán)板克服壓縮彈簧的彈力，帶動(dòng)中導(dǎo)向筒和下壓筒向下移動(dòng)，下壓筒在上連接筒內(nèi)向下移動(dòng)并軸向頂壓煤樣，這樣就可對(duì)煤樣施加軸向壓力；

對(duì)圓筒內(nèi)的煤樣施加圍壓：開(kāi)啟圍壓泵，圍壓泵抽取儲(chǔ)油箱內(nèi)的油液，通過(guò)圍壓管向圍壓膨脹套內(nèi)注入高壓油液，通過(guò)圍壓壓力傳感器實(shí)施監(jiān)控所需要壓力大小，圍壓控制在0-15 MPa；

對(duì)圓筒內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)：軸壓與圍壓逐次交替加載至設(shè)計(jì)壓力值后，再對(duì)樣品室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；圓筒外壁涂覆有低密度的保溫涂層，溫控儀通過(guò)可拉伸導(dǎo)線為電阻絲供電，電阻絲發(fā)熱為煤樣加熱，最高溫度可以達(dá)到60 ℃，樣品室內(nèi)的溫度通過(guò)溫度傳感器傳輸?shù)綔乜貎x，溫控儀根據(jù)調(diào)節(jié)電阻絲的通電電流；

（5）開(kāi)啟X光機(jī)、平板探測(cè)器和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)齒圈和圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤上的儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可正反向來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)；X光機(jī)、平板探測(cè)器對(duì)煤樣室內(nèi)的沒(méi)有進(jìn)行原始狀態(tài)下的CT掃描；通過(guò)調(diào)節(jié)第一計(jì)算機(jī)中的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)隨X光機(jī)進(jìn)行360°折返旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行樣品的CT掃描，掃描后的數(shù)據(jù)通過(guò)平板探測(cè)器輸送到第一計(jì)算機(jī)，第一計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)掃描結(jié)果進(jìn)行采集、存儲(chǔ)；

（6）接著打開(kāi)第一閥門和第六閥門，甲烷氣瓶釋放出來(lái)的甲烷依次通過(guò)甲烷氣管、中轉(zhuǎn)容器、回氣平衡管進(jìn)入到回流桶內(nèi)，回流桶內(nèi)達(dá)到一定的回壓值后關(guān)閉第六閥門，打開(kāi)第三閥門，調(diào)節(jié)甲烷氣瓶上的壓力表至模擬設(shè)定壓力，甲烷依次通過(guò)甲烷氣管、中轉(zhuǎn)容器、注氣管進(jìn)入到儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)，注氣流量計(jì)記錄甲烷注氣量，持續(xù)注入24h，關(guān)閉第一閥門和第三閥門，保證甲烷在儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)的樣品孔裂中吸附飽和，在整個(gè)吸附過(guò)程中，設(shè)定每1h對(duì)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)的樣品進(jìn)行1次CT掃描；

（7）然后打開(kāi)第七閥門，讓圓筒內(nèi)游離甲烷氣體自由釋放，游離甲烷氣體通過(guò)驅(qū)替氣體收集管流入到回流桶內(nèi)并驅(qū)動(dòng)活塞板在回流桶內(nèi)移動(dòng)，驅(qū)替氣體收集管與排水集氣管連通，游離甲烷氣體將排水集氣瓶?jī)?nèi)的水壓入到量筒內(nèi)，通過(guò)量筒記錄釋放體積；

（8）關(guān)閉第七閥門，打第二閥門和第三閥門，以設(shè)定壓力向儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)注入N₂，由注氣流量計(jì)記錄N₂注入量，持續(xù)注入24h；

（9）關(guān)閉第三閥門，讓N₂在樣品中充分吸附、置換。在整個(gè)注氮過(guò)程中，設(shè)定每1h進(jìn)行1次CT掃描，平板探測(cè)器將掃描的圖像傳輸?shù)降诙?jì)算機(jī)進(jìn)行采集、圖像重建運(yùn)算和數(shù)字圖像處理任務(wù)；

（10）再打開(kāi)第七閥門，開(kāi)啟氣相色譜儀，進(jìn)行混合游離氣組分的測(cè)定，通過(guò)排水集氣瓶溢出的水在量筒內(nèi)記錄混合氣體總量；

（11）最后通過(guò)氣體甲烷注入與產(chǎn)出來(lái)定量研究驅(qū)替效果；第一計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳達(dá)各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、并協(xié)調(diào)整個(gè)X光機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄同時(shí)繪制對(duì)應(yīng)的曲線；

（12）重復(fù)步驟（4）-（11），通過(guò)操控第一計(jì)算機(jī)來(lái)控制進(jìn)行不同壓力值，不同注入速度條件下的實(shí)驗(yàn)；

（13）試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)放空管上的第四閥門，將中轉(zhuǎn)容器內(nèi)以及與其相連的管道內(nèi)的氣體排空放出。

步驟（2）中前后、左右、上下具體調(diào)節(jié)過(guò)程為：第一步進(jìn)電機(jī)控制下平板沿前后方向移動(dòng)，第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走齒輪沿固定鏈條左右移動(dòng)，從而使支撐滾輪沿下平板表面左右移動(dòng)，移動(dòng)框架和試驗(yàn)平臺(tái)也隨之沿下平板左右移動(dòng)；

沿前后和左右方向?qū)?chǔ)層模擬系統(tǒng)移動(dòng)到位后，若X光機(jī)和平板探測(cè)器在高度方向上還不合適，就將插銷抽出，向上向下移動(dòng)升降桿，再把插銷插到合適的第一插孔和第二插孔內(nèi)，調(diào)整好X光機(jī)和平板探測(cè)器的高度；通過(guò)三維調(diào)節(jié)X光機(jī)、圓筒和平板探測(cè)器的相對(duì)位置。再通過(guò)X光機(jī)上的細(xì)調(diào)旋鈕來(lái)精確調(diào)整對(duì)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)樣品的掃描范圍。

回氣平衡器內(nèi)預(yù)先注入一定壓力的甲烷氣體，用于平衡儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)被驅(qū)替的氣體，平衡儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)的壓力小于回氣平衡器內(nèi)預(yù)先注入的甲烷氣體的壓力時(shí)，平衡儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)內(nèi)被驅(qū)替的氣體是不能被驅(qū)替排出的，從而更精確地模擬了儲(chǔ)層的情況。

本實(shí)用新型主要進(jìn)行不同煤質(zhì)條件、注氣類型、注氣壓力、注氣速率條件下的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)CT實(shí)時(shí)掃描，對(duì)不同注氣過(guò)程中氣體吸附/解吸-擴(kuò)散-滲流階段孔裂隙的演化，煤層氣運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)掃描CT切片進(jìn)行圖像處理和三維可視化，可以連續(xù)的觀察真實(shí)地層狀態(tài)下注氮驅(qū)替過(guò)程，分析煤樣孔裂隙演化特征，解讀注氣參數(shù)與采收率的關(guān)系。

本實(shí)用新型在一個(gè)微小煤樣上進(jìn)行注氣驅(qū)替過(guò)程中吸附/解吸-擴(kuò)散-滲流階段孔裂隙的演化，氣體運(yùn)移過(guò)程的CT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

綜上所述，本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)了注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和CT掃描的對(duì)接；并進(jìn)行不同條件下的注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)；在注氣過(guò)程中吸附/解吸-擴(kuò)散滲流方面孔裂隙的演化，煤層氣運(yùn)移過(guò)程的CT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中CT實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)的放大圖；

圖3是圖1中儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)的放大圖；

圖4是圖1中氣體注入與收集系統(tǒng)的放大圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖4所示，本實(shí)用新型的帶CT實(shí)時(shí)掃描的注氣驅(qū)替煤層氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括CT實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)100、儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101、氣體注入與收集系統(tǒng)102以及數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)。

CT實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)100包括水平設(shè)置的底板1和位于底板1上方的試驗(yàn)平臺(tái)2，底板1底部設(shè)有支腿3，底板1上表面左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有左升降機(jī)構(gòu)和右升降機(jī)構(gòu)，底板1上表面設(shè)有前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)頂部設(shè)有左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)平臺(tái)2固定設(shè)置在左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，試驗(yàn)平臺(tái)2上設(shè)有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

左升降機(jī)構(gòu)和右升降機(jī)構(gòu)的構(gòu)造相同且左右對(duì)稱設(shè)置；左升降機(jī)構(gòu)和右升降機(jī)構(gòu)均包括空心固定管4和升降桿5，空心固定管4下端垂直并固定設(shè)在底板1上表面，空心固定管4下部與底板1上表面之間設(shè)有加強(qiáng)筋板6，升降桿5的外徑等于空心固定管4的內(nèi)徑，升降桿5下部插設(shè)在空心固定管4內(nèi)上部，空心固定管4上沿徑向方向開(kāi)設(shè)有外插孔7，外插孔7沿空心固定管4的長(zhǎng)度方向均勻開(kāi)設(shè)有至少三個(gè)，升降桿5上沿徑向方向開(kāi)設(shè)有內(nèi)插孔，內(nèi)插孔與外插孔7對(duì)應(yīng)并通過(guò)一根插銷8插接配合。

左升降機(jī)構(gòu)的升降桿5上端設(shè)置有可調(diào)節(jié)傾角的X光機(jī)9，右升降機(jī)構(gòu)的升降桿5上端左側(cè)設(shè)置平板探測(cè)器10。

儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101包括煤樣室以及分別向煤樣室提供軸壓、圍壓和溫度的軸壓驅(qū)動(dòng)裝置、圍壓驅(qū)動(dòng)裝置和溫度控制裝置。

煤樣室包括由耐高壓、耐高溫纖維制成的圓筒30，圓筒30外壁設(shè)有保溫涂層，圓筒30的上端和下端分別同軸向設(shè)有上連接筒31和下連接筒32，下連接筒32下端外圓周設(shè)有安裝盤33，下連接筒32下端同軸向連接有下旋轉(zhuǎn)密封接頭34。

軸壓驅(qū)動(dòng)裝置包括固定連接架35、上固定塊36、上導(dǎo)向密封筒37、導(dǎo)向限位筒38、上壓環(huán)板39、中導(dǎo)向筒40、下壓筒41、活動(dòng)壓套42和上旋轉(zhuǎn)密封接頭43，上固定塊36固定設(shè)在固定連接架35上，上固定塊36中心開(kāi)設(shè)有注氣孔44，上旋轉(zhuǎn)密封接頭43與注氣孔44上端固定連接，圓筒30、注氣孔44、上導(dǎo)向密封筒37、導(dǎo)向限位筒38、上壓環(huán)板39、中導(dǎo)向筒40、下壓筒41和活動(dòng)壓套42具有同一條中心線；導(dǎo)向限位筒38、上壓環(huán)板39、中導(dǎo)向筒40和下壓筒41自上而下依次同軸向固定連接為一體，下壓筒41下部插設(shè)并滑動(dòng)密封配合在上連接筒31內(nèi)，中導(dǎo)向筒40外套設(shè)有壓縮彈簧45，壓縮彈簧45的上端和下端分別與上壓環(huán)板39下表面和上連接筒31上端面頂壓配合，上導(dǎo)向密封筒37上端與上固定塊36下表面固定連接，上導(dǎo)向密封筒37下部伸入到導(dǎo)向限位筒38內(nèi)，上導(dǎo)向密封筒37外壁與導(dǎo)向限位筒38內(nèi)壁之間設(shè)有密封套46，密封套46起到密封不漏氣的作用，活動(dòng)壓套42套在導(dǎo)向限位筒38外部，活動(dòng)壓套42下端面與上壓環(huán)板39上表面頂壓接觸，活動(dòng)壓套42上端面與上固定塊36下表面頂壓接觸，活動(dòng)壓套42上端面與上固定塊36下表面之間設(shè)有四組驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，四組驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)沿注氣孔44的中心線均勻布置。

上固定塊36底部設(shè)有底部敞口的環(huán)形槽47，每組驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均包括沿注氣孔44的徑向方向開(kāi)設(shè)在上固定塊36下部的螺紋孔，螺紋孔內(nèi)端與環(huán)形槽47連通，活動(dòng)壓套42上端伸到環(huán)形槽47內(nèi)，活動(dòng)壓套42上端開(kāi)設(shè)有半圓錐孔，半圓錐孔呈外大內(nèi)小且頂部敞口的圓錐形結(jié)構(gòu)，螺紋孔內(nèi)螺紋連接有調(diào)節(jié)螺桿48，調(diào)節(jié)螺桿48的內(nèi)端同軸固定連接有與半圓錐孔頂壓配合的錐形壓頭49。

氣體注入與收集系統(tǒng)102包括甲烷氣瓶62、氮?dú)鈿馄?3、真空泵64、注氣管65、驅(qū)替氣體收集管66、回氣平衡管67、真空管68、放空管69、回氣平衡器、排水集氣管71、排水集氣瓶72、氣相色譜儀73、量筒74和具有六個(gè)連接口的中轉(zhuǎn)容器75。

甲烷氣瓶62的出氣口通過(guò)甲烷氣管76與中轉(zhuǎn)容器75的第一個(gè)連接口連接，氮?dú)鈿馄?3的出氣口通過(guò)氮?dú)鈿夤?7與中轉(zhuǎn)容器75的第二個(gè)連接口連接，注氣管65的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器75的第三個(gè)連接口連接，放空管69的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器75的第四個(gè)連接口連接，真空管68的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器75的第五個(gè)連接口連接，回氣平衡管67的進(jìn)氣口與中轉(zhuǎn)容器75的第六個(gè)連接口連接。

甲烷氣管76、氮?dú)鈿夤?7、注氣管65、放空管69、真空管68和回氣平衡管67上分別設(shè)有第一閥門78、第二閥門79、第三閥門80、第四閥門81、第五閥門82和第六閥門83；注氣管65上設(shè)有注氣流量計(jì)84。

真空泵64的抽氣口與真空管68的出氣口連接，回氣平衡管67的出氣口與回氣平衡器的一端連接，驅(qū)替氣體收集管66的出氣口和排水集氣管71的進(jìn)氣口分別與回氣平衡器的另一端連接，驅(qū)替氣體收集管66上設(shè)有第七閥門70，排水集氣管71的出氣口與氣相色譜儀73連接，排水集氣瓶72位于排水集氣管71下方，排水集氣瓶72的頂部通過(guò)排水管85與排水集氣管71連接，排水集氣瓶72通過(guò)溢水管88與量筒74連接。

安裝盤33和固定連接架35分別固定安裝到CT掃描系統(tǒng)上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，注氣管65的出氣口與上旋轉(zhuǎn)密封接頭43上端的進(jìn)氣口連接，驅(qū)替氣體收集管66的進(jìn)氣口與下旋轉(zhuǎn)密封接頭34下端的出氣口連接。

回氣平衡器包括圓筒30形的回流桶86，回流桶86的圓周內(nèi)壁滑動(dòng)密封設(shè)有活塞板87，回流桶86一端部開(kāi)設(shè)有與回氣平衡管67連接的回流孔，回流桶86的另一端部開(kāi)設(shè)有兩個(gè)連接孔，兩個(gè)連接孔分別與驅(qū)替氣體收集管66的出氣口和排水集氣管71的進(jìn)氣口連接。

前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在底板1上表面的下平板11，下平板11與底板1之間沿前后水平方向設(shè)置有燕尾槽式滑軌結(jié)構(gòu)，底板1前側(cè)設(shè)置有第一步進(jìn)電機(jī)12，第一步進(jìn)電機(jī)12通過(guò)螺母絲桿結(jié)構(gòu)與下平板11傳動(dòng)連接。

左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)框架13、固定鏈條14、行走齒輪15和第二步進(jìn)電機(jī)16，固定鏈條14沿左右水平方向設(shè)置在下平板11的上表面，第二步進(jìn)電機(jī)16設(shè)置移動(dòng)框架13底部，行走齒輪15同軸向設(shè)在第二步進(jìn)電機(jī)16的主軸上，移動(dòng)框架13底部設(shè)有沿下平板11上表面左右滾動(dòng)的支撐滾輪17，行走齒輪15與固定鏈條14嚙合。

試驗(yàn)平臺(tái)2固定設(shè)在移動(dòng)框架13上，試驗(yàn)平臺(tái)2上開(kāi)設(shè)有上下通透的下安裝孔18；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定架19、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)20、驅(qū)動(dòng)齒輪21和圓盤22，固定架19設(shè)置在試驗(yàn)平臺(tái)2右側(cè)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)20固定設(shè)在固定架19上，圓盤22位于試驗(yàn)平臺(tái)2上方，試驗(yàn)平臺(tái)2上表面開(kāi)設(shè)有與下環(huán)形槽，圓盤22上表面開(kāi)設(shè)有與下環(huán)形槽上下對(duì)應(yīng)的上環(huán)形槽，圓盤22上開(kāi)設(shè)有上下通透的上安裝孔23，上安裝孔23、上環(huán)形槽、下環(huán)形槽和下安裝孔18具有同一條中心線，上環(huán)形槽和下環(huán)形槽之間設(shè)有支撐滾珠24，圓盤22外圓周表面設(shè)有齒圈25，驅(qū)動(dòng)齒輪21同軸向固定設(shè)在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)20的主軸上并與齒圈25嚙合。

圍壓驅(qū)動(dòng)裝置包括圍壓泵50、儲(chǔ)油箱51、圍壓壓力傳感器52、調(diào)節(jié)閥53、圍壓膨脹套54和圍壓管55，圍壓膨脹套54同軸向設(shè)置在圓筒30內(nèi)壁，圍壓管55的一端穿過(guò)圓筒30與圍壓膨脹套54內(nèi)部連通，圍壓管55的另一端與圍壓泵50的出口連接，圍壓泵50的進(jìn)口通過(guò)抽油管56與儲(chǔ)油箱51連接，圍壓壓力傳感器52和調(diào)節(jié)閥53設(shè)置在圍壓管55上。

溫度控制裝置包括電阻絲57、溫控儀58、可拉伸導(dǎo)線59和溫度傳感器60，電阻絲57沿圓筒30的軸向方向預(yù)制在圓筒30內(nèi)，可拉伸導(dǎo)線59的一端與溫控儀58連接，可拉伸導(dǎo)線59的另一端與電阻絲57連接，溫度傳感器60連接在可拉伸導(dǎo)線59上，溫度傳感器60設(shè)在圓筒30內(nèi)并鄰近電阻絲57，可拉伸導(dǎo)線59通過(guò)掛鉤61連接在圍壓管55上。

數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)包括第一計(jì)算機(jī)103、第一采集卡104、第二計(jì)算機(jī)105和第二采集卡106，第一計(jì)算機(jī)103通過(guò)第一采集卡104及數(shù)據(jù)信號(hào)線與X光機(jī)9、氣相色譜儀73、第一步進(jìn)電機(jī)12、第二步進(jìn)電機(jī)16、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)20、圍壓泵50、調(diào)節(jié)閥53、圍壓壓力傳感器52和溫控儀58連接，第二計(jì)算機(jī)105通過(guò)第二采集卡106及數(shù)據(jù)信號(hào)線與平板探測(cè)器10連接。

帶CT實(shí)時(shí)掃描的注氣驅(qū)替煤層氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

（1）將安裝盤33通過(guò)螺栓固定連接到圓盤22上，下旋轉(zhuǎn)密封接頭34向下穿過(guò)安裝孔與驅(qū)替氣體收集管66連接，固定連接架35通過(guò)螺栓連接到固定架19上，注氣管65的出氣口與上旋轉(zhuǎn)密封接頭43上端的進(jìn)氣口連接；

（2）將煤樣進(jìn)行蠟封處理后裝入圍壓膨脹套54內(nèi)中，調(diào)節(jié)左升降機(jī)構(gòu)、右升降機(jī)構(gòu)、前后水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、左右水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整X光機(jī)9、煤樣室和平板探測(cè)器10之間的水平間距和垂向高差，確保X光機(jī)9發(fā)出的X射線源穿過(guò)煤樣室到達(dá)平板探測(cè)器10；

（3）先打開(kāi)第五閥門82和第三閥門80，開(kāi)啟真空泵64，對(duì)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101進(jìn)行抽真空，抽真空結(jié)束后，關(guān)閉第五閥門82和第三閥門80；

（4）對(duì)圓筒30內(nèi)的煤樣施加軸壓：依次旋轉(zhuǎn)四根調(diào)節(jié)螺桿48，調(diào)節(jié)螺桿48沿徑向方向向內(nèi)移動(dòng)，錐形壓頭49也向內(nèi)移動(dòng)，錐形壓頭49就向下壓活動(dòng)壓套42，活動(dòng)壓套42向下壓上壓環(huán)板39，上壓環(huán)板39克服壓縮彈簧45的彈力，帶動(dòng)中導(dǎo)向筒40和下壓筒41向下移動(dòng)，下壓筒41在上連接筒31內(nèi)向下移動(dòng)并軸向頂壓煤樣，這樣就可對(duì)煤樣施加軸向壓力；

對(duì)圓筒30內(nèi)的煤樣施加圍壓：開(kāi)啟圍壓泵50，圍壓泵50抽取儲(chǔ)油箱51內(nèi)的油液，通過(guò)圍壓管55向圍壓膨脹套54內(nèi)注入高壓油液，通過(guò)圍壓壓力傳感器52實(shí)施監(jiān)控所需要壓力大小，圍壓控制在0-15 MPa；

對(duì)圓筒30內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)：軸壓與圍壓逐次交替加載至設(shè)計(jì)壓力值后，再對(duì)樣品室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；圓筒30外壁涂覆有低密度的保溫涂層，溫控儀58通過(guò)可拉伸導(dǎo)線59為電阻絲57供電，電阻絲57發(fā)熱為煤樣加熱，最高溫度可以達(dá)到60 ℃，樣品室內(nèi)的溫度通過(guò)溫度傳感器60傳輸?shù)綔乜貎x58，溫控儀58根據(jù)調(diào)節(jié)電阻絲57的通電電流；

（5）開(kāi)啟X光機(jī)9、平板探測(cè)器10和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)20，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)20通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪21帶動(dòng)齒圈25和圓盤22轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤22上的儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可正反向來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)；X光機(jī)9、平板探測(cè)器10對(duì)煤樣室內(nèi)的沒(méi)有進(jìn)行原始狀態(tài)下的CT掃描；通過(guò)調(diào)節(jié)第一計(jì)算機(jī)103中的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101隨X光機(jī)9進(jìn)行360°折返旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行樣品的CT掃描，掃描后的數(shù)據(jù)通過(guò)平板探測(cè)器10輸送到第一計(jì)算機(jī)103，第一計(jì)算機(jī)103對(duì)實(shí)驗(yàn)掃描結(jié)果進(jìn)行采集、存儲(chǔ)；

（6）接著打開(kāi)第一閥門78和第六閥門83，甲烷氣瓶62釋放出來(lái)的甲烷依次通過(guò)甲烷氣管76、中轉(zhuǎn)容器75、回氣平衡管67進(jìn)入到回流桶86內(nèi)，回流桶86內(nèi)達(dá)到一定的回壓值后關(guān)閉第六閥門83，打開(kāi)第三閥門80，調(diào)節(jié)甲烷氣瓶62上的壓力表至模擬設(shè)定壓力，甲烷依次通過(guò)甲烷氣管76、中轉(zhuǎn)容器75、注氣管65進(jìn)入到儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101內(nèi)，注氣流量計(jì)84記錄甲烷注氣量，持續(xù)注入24h，關(guān)閉第一閥門78和第三閥門80，保證甲烷在儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101內(nèi)的樣品孔裂中吸附飽和，在整個(gè)吸附過(guò)程中，設(shè)定每1h對(duì)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101內(nèi)的樣品進(jìn)行1次CT掃描；

（7）然后打開(kāi)第七閥門70，讓圓筒30內(nèi)游離甲烷氣體自由釋放，游離甲烷氣體通過(guò)驅(qū)替氣體收集管66流入到回流桶86內(nèi)并驅(qū)動(dòng)活塞板87在回流桶86內(nèi)移動(dòng)，驅(qū)替氣體收集管66與排水集氣管71連通，游離甲烷氣體將排水集氣瓶72內(nèi)的水壓入到量筒74內(nèi)，通過(guò)量筒74記錄釋放體積；

（8）關(guān)閉第七閥門70，打第二閥門79和第三閥門80，以設(shè)定壓力向儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101注入N₂，由注氣流量計(jì)84記錄N₂注入量，持續(xù)注入24h；

（9）關(guān)閉第三閥門80，讓N₂在樣品中充分吸附、置換。在整個(gè)注氮過(guò)程中，設(shè)定每1h進(jìn)行1次CT掃描，平板探測(cè)器10將掃描的圖像傳輸?shù)降诙?jì)算機(jī)105進(jìn)行采集、圖像重建運(yùn)算和數(shù)字圖像處理任務(wù)；

（10）再打開(kāi)第七閥門70，開(kāi)啟氣相色譜儀73，進(jìn)行混合游離氣組分的測(cè)定，通過(guò)排水集氣瓶72溢出的水在量筒74內(nèi)記錄混合氣體總量；

（11）最后通過(guò)氣體甲烷注入與產(chǎn)出來(lái)定量研究驅(qū)替效果；第一計(jì)算機(jī)103進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳達(dá)各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、并協(xié)調(diào)整個(gè)X光機(jī)9運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄同時(shí)繪制對(duì)應(yīng)的曲線；

（12）重復(fù)步驟（4）-（11），通過(guò)操控第一計(jì)算機(jī)103來(lái)控制進(jìn)行不同壓力值，不同注入速度條件下的實(shí)驗(yàn)；

（13）試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)放空管69上的第四閥門81，將中轉(zhuǎn)容器75內(nèi)以及與其相連的管道內(nèi)的氣體排空放出。

步驟（2）中前后、左右、上下具體調(diào)節(jié)過(guò)程為：第一步進(jìn)電機(jī)12控制下平板11沿前后方向移動(dòng)，第二步進(jìn)電機(jī)16驅(qū)動(dòng)行走齒輪15沿固定鏈條14左右移動(dòng)，從而使支撐滾輪17沿下平板11表面左右移動(dòng)，移動(dòng)框架13和試驗(yàn)平臺(tái)2也隨之沿下平板11左右移動(dòng)；

沿前后和左右方向?qū)?chǔ)層模擬系統(tǒng)101移動(dòng)到位后，若X光機(jī)9和平板探測(cè)器10在高度方向上還不合適，就將插銷8抽出，向上向下移動(dòng)升降桿5，再把插銷8插到合適的第一插孔和第二插孔內(nèi)，調(diào)整好X光機(jī)9和平板探測(cè)器10的高度；通過(guò)三維調(diào)節(jié)X光機(jī)9、圓筒30和平板探測(cè)器10的相對(duì)位置。再通過(guò)X光機(jī)9上的細(xì)調(diào)旋鈕來(lái)精確調(diào)整對(duì)儲(chǔ)層模擬系統(tǒng)101內(nèi)樣品的掃描范圍。

本實(shí)施例并非對(duì)本實(shí)用新型的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。