本发明属于煤炭与煤层气共采模拟实验，具体涉及模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置及实验方法。
背景技术：
1、我国煤炭及煤层气的资源量比较丰富。煤炭本身既是资源，也是储层，储层里面赋存着大量的煤层气资源。由于开采条件的限制，现在1000m以深的大量煤炭资源被搁置，尚未被开发。高效开发利用深部煤炭及其蕴含的煤层气资源，对保障我国能源安全和天然气增储上产具有重要的现实意义。目前，开采深部煤炭及煤层气主要处于实验研究阶段，本领域技术人员一直在探索一种简单高效的深部煤炭及煤层气共采的方法。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提供模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置及实验方法，所述实验装置包括依次连接的气化剂单元、气化实验槽、吸附实验槽和气相色谱仪，气化剂单元至少包括二氧化碳气罐、氧气罐和水蒸气罐，为气化实验槽提供气化剂；
2、气化实验槽内铺设至少上下两层模拟煤层，相邻的模拟煤层之间设有加热通道，加热通道由上至下设置第一温度传感监测网、可移动的输气管和第二温度传感监测网，输气管一端连接气化剂单元，另一端设有点火装置，能够点燃模拟煤层；每个模拟煤层内均匀设置应变传感光纤，用于实时监测模拟煤层的应变力变化；
3、吸附实验槽内装有整块的模拟产气煤层，模拟产气煤层内设有通气管，通气管一端通过气管连接气化实验槽的出气口，将气化实验槽产生的气体输入吸附实验槽；通气管另一端通过气管连接气相色谱仪，用于检测吸附实验槽的产气成分。
4、本发明提出将煤炭资源地下气化（气化实验槽内进行）与储层内煤层气开采进行联合，实现两种资源的共采。其原理是：通过气化剂（水蒸气h2o、co2、o2）进行深部煤炭地下气化（即点燃模拟煤层），然后将气化后的煤气输入吸附实验槽的煤层中，煤气中的n2不仅能通过竞争吸附置换出吸附实验槽煤层中的ch4，而且煤气为吸附实验槽的煤层升温，随着温度的增加，吸附实验槽煤层中ch4的吸附能力降低，使得ch4的最终产出量增多；这样，气化实验槽的煤炭气化过程中的n2、co2和热量再次被利用，有助于深部煤炭煤层气资源量最大程度的开发利用。
5、可选的，所述气化剂单元还包括氮气气罐和气体混合仓，二氧化碳气罐、氧气罐、水蒸气罐和氮气气罐的出口分别设有各自的阀门和流量计，以上四个气罐均连接气体混合仓的进口，用于将水蒸气、co2、o2和n2混合均匀；气体混合仓的出口通过第一气管连接输气管，将混合气输入气化实验槽。
6、进一步可选的，所述第一气管上设有第一加压泵、流量计和阀门，分别用于加压、计量、控制第一气管内的混合气体。
7、可选的，所述气化实验槽为立方体，顶部具有可开合的盖子一；气化实验槽的外侧设有第一围压单元，为内部的模拟煤层提供围压；
8、每个模拟煤层内均匀埋设有应变传感网，应变传感网包括若干条横纵交错的应变传感光纤；加热通道的顶部设有上支撑板，底部设有下支撑板，分别用于支撑加热通道上方和下方的模拟煤层，上支撑板和下支撑板都均匀密布通孔；第一温度传感监测网均匀设置在上支撑板的下表面，第二温度传感监测网均匀设置在下支撑板的上表面。
9、进一步可选的，所述加热通道内部中空，加热通道是水平的，其两端分别对应气化实验槽的前后两个侧面，或者分别对应气化实验槽的左右两个侧面；
10、输气管处于加热通道的高度方向上的中部，输气管连接气化剂单元的一端穿出气化实验槽的侧面，再通过一段柔性气管连接第一气管；输气管另一端的点火装置通过电磁控制，实现实时点火。
11、进一步可选的，所述加热通道内设有若干清渣装置，清渣装置包括清渣板和水平的伸缩杆，清渣板竖直设置且高度小于加热通道的高度，用于推动加热通道内积累的煤渣；若干个清渣板沿着加热通道的长度方向均匀设置，相邻两个清渣板之间仅有很小的缝隙，不影响清渣板的移动即可；
12、清渣板的外侧面通过伸缩杆连接外部的压力装置，伸缩杆贯穿气化实验槽的侧壁，能够推动清渣板沿着加热通道的宽度方向往返移动，进而清理加热通道内的燃烧后掉落的煤渣，煤渣由下支撑板的通孔落入下方的煤层，从而使得加热通道畅通，便于产气的输出。
13、可选的，所述吸附实验槽与通气管之间连接第二气管，第二气管上设有阀门、流量计和温度测试仪，分别用于控制、计量第二气管内的气体，以及实时监测气温。
14、可选的，所述吸附实验槽为立方体，顶部具有可开合的盖子二；吸附实验槽的外侧设有第二围压单元，为内部的模拟产气煤层提供围压；
15、所述通气管包括一根水平的主管和主管上下两侧的若干根竖直的分管，分管的一端与主管连通，另一端开口，用于向模拟产气煤层内输入气体；主管的两端分别穿出吸附实验槽的两个相对的侧壁，再分别连接第二气管和气相色谱仪。
16、进一步可选的，所述吸附实验槽的一个侧面连接甲烷充气单元，甲烷充气单元包括甲烷气罐和第三气管，甲烷气罐的出口通过第三气管连接吸附实验槽，第三气管上可以设置阀门、流量计和第二加压泵，使得模拟产气煤层在接受气化实验槽的产气之前，先吸附饱和甲烷。
17、可选的，所述气化实验槽内包括至少两个加热通道和至少三层模拟煤层，模拟煤层和加热通道交替设置，模拟煤层由上至下依次命名为第一模拟煤层、第二模拟煤层、第三模拟煤层，直至第n模拟煤层，加热通道由上至下依次命名为第一加热通道、第二加热通道、第三加热通道，直至第n-1加热通道；
18、每个加热通道内的中部设有隔板，隔板上方设有上输气管，下方设有下输气管，上输气管和下输气管的靠近吸附实验槽的一端均设有点火装置，上输气管和下输气管的靠近气化剂单元的一端均穿出气化实验槽且连接气体混合仓，使得上输气管和下输气管均能向对应的加热通道内输入气化剂。
19、本发明还提供一种实验方法，包括以下步骤：
20、s1：检查所述实验装置中各部分的气密性，再根据实验的煤层埋深条件，设置第一围压单元和第二围压单元的压力装置的压力，分别为气化实验槽和吸附实验槽提供围压，模拟真实的地层环境；
21、s2：保持吸附实验槽的密闭，甲烷充气单元向吸附实验槽输入甲烷，直至模拟产气煤层达到甲烷饱和状态；
22、s3：开启气化剂单元的二氧化碳气罐、氧气罐、水蒸气罐和氮气气罐对应的阀门，向气体混合仓输入气化剂，开启第一气管，向气化实验槽的输气管输入混合后的气化剂；
23、s4：初始时，输气管装有点火装置一端处于气化实验槽的靠近吸附实验槽的一侧；
24、当输气管输出气化剂后，开启点火装置，在气化剂的氛围中点燃加热通道上下的模拟煤层；
25、s5：加热通道下方的模拟煤层燃烧后形成煤渣，坍塌后留出空间；加热通道上方的模拟煤层燃烧后形成煤渣，坍塌后煤渣掉落在加热通道内，清渣板在加热通道内移动，使得下支撑板上的煤渣掉落到下方煤层坍塌后留出的空间内；
26、s6：输气管逐渐向远离吸附实验槽的方向移动，对上下的模拟煤层进行渐退式燃烧，清渣板清理自身对应的下支撑板上的煤渣，使得下支撑板上的煤渣均能下落到对应的下方煤层坍塌后留出的空间内；
27、步骤s5和s6中，气化实验槽内燃烧产生的气体通过第二气管输入吸附实验槽的通气管中，再进入模拟产气煤层内，促进模拟产气煤层产气；
28、s7：吸附实验槽的气体通过第四气管输入气相色谱仪，检测气体内各组分的含量。
29、本发明还提供另一种实验方法，使用含有隔板、上输气管和下输气管的气化实验槽，包括以下步骤：
30、s1：检查所述实验装置中各部分的气密性，再根据实验的煤层埋深条件，设置第一围压单元和第二围压单元的压力装置的压力，分别为气化实验槽和吸附实验槽提供围压，模拟真实的地层环境；
31、s2：保持吸附实验槽的密闭，甲烷充气单元向吸附实验槽输入甲烷，直至模拟产气煤层达到甲烷饱和状态；
32、s3：开启气化剂单元的二氧化碳气罐、氧气罐、水蒸气罐和氮气气罐对应的阀门，向气体混合仓输入气化剂，开启第一气管，向气化实验槽的输气管输入混合后的气化剂；
33、s4：初始时，隔板的自由端、上输气管和下输气管的装有点火装置一端均处于气化实验槽的靠近吸附实验槽的一侧；
34、当上输气管和下输气管输出气化剂后，开启点火装置，在气化剂的氛围中点燃加热通道上下的模拟煤层；
35、s5：最下方的加热通道的下输气管先点燃最下方的模拟煤层，最下方的模拟煤层燃烧后形成煤渣，坍塌后留出空间；
36、然后，最下方加热通道的上输气管再点燃倒数第二个模拟煤层的下半部分，同时下输气管向气化剂单元方向移动，去燃烧最下方模拟煤层的下一段，同时隔板随下输气管向气化剂单元方向移动，不遮蔽此时上输气管燃烧的模拟煤层；同时倒数第二个加热通道的下输气管点燃倒数第二个模拟煤层的上半部分；
37、然后，倒数第二个模拟煤层的上半部分和下半部分燃烧后形成煤渣，坍塌后煤渣掉落在最下方加热通道内，清渣板在最下方加热通道内移动，使得下支撑板上的煤渣掉落到最下方煤层坍塌后留出的空间内，此时倒数第二个模拟煤层的最靠近吸附实验槽的位置留出空间；
38、然后，各加热通道内的下输气管、上输气管和隔板按上述方式逐渐向气化剂单元方向移动、燃烧，使得模拟煤层逐层燃烧后坍塌，形成的煤渣再填充下一个模拟煤层坍塌后留出的空间
39、步骤s5中，气化实验槽内燃烧产生的气体通过第二气管输入吸附实验槽的通气管中，再进入模拟产气煤层内，促进模拟产气煤层产气；
40、s6：吸附实验槽的气体通过第四气管输入气相色谱仪，检测气体内各组分的含量。
1.模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，包括依次连接的气化剂单元、气化实验槽、吸附实验槽和气相色谱仪，气化剂单元至少包括二氧化碳气罐、氧气罐和水蒸气罐，为气化实验槽提供气化剂；
2.根据权利要求1所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述气化剂单元还包括氮气气罐和气体混合仓，二氧化碳气罐、氧气罐、水蒸气罐和氮气气罐的出口分别设有各自的阀门和流量计，以上四个气罐均连接气体混合仓的进口，用于将水蒸气、co2、o2和n2混合均匀；气体混合仓的出口通过第一气管连接输气管，将混合气输入气化实验槽；
3.根据权利要求2所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述气化实验槽为立方体，顶部具有可开合的盖子一；气化实验槽的外侧设有第一围压单元，为内部的模拟煤层提供围压；
4.根据权利要求3所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述加热通道内部中空，加热通道是水平的；输气管处于加热通道的高度方向上的中部，输气管连接气化剂单元的一端穿出气化实验槽的侧面，再通过一段柔性气管连接第一气管；输气管另一端的点火装置通过电磁控制，实现实时点火。
5.根据权利要求4所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述加热通道内设有若干个清渣装置，清渣装置包括清渣板和水平的伸缩杆，清渣板竖直设置且高度小于加热通道的高度，用于推动加热通道内积累的煤渣；若干个清渣板沿着加热通道的长度方向均匀设置；
6.根据权利要求5所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述吸附实验槽与通气管之间连接第二气管，第二气管上设有阀门、流量计和温度测试仪，分别用于控制、计量第二气管内的气体，以及实时监测气温；
7.根据权利要求6所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述吸附实验槽的一个侧面连接甲烷充气单元，甲烷充气单元包括甲烷气罐和第三气管，甲烷气罐的出口通过第三气管连接吸附实验槽，第三气管上可以设置阀门、流量计和第二加压泵，使得模拟产气煤层在接受气化实验槽的产气之前，先吸附饱和甲烷。
8.根据权利要求7所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，其特征在于，所述气化实验槽内包括至少两个加热通道和至少三层模拟煤层，模拟煤层和加热通道交替设置；
9.一种实验方法，其特征在于，使用权利要求7所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，包括以下步骤：
10.一种实验方法，其特征在于，使用权利要求8所述的模拟深部煤炭与煤层气共采的实验装置，包括以下步骤：
