一、项目背景

我国含煤区先后经过了多期构造运动改造，地质条件复杂，构造煤发育。由于构造活动强烈，导致煤储层中甲烷大量逸散，煤层中含气饱和度降低；煤储层原生孔裂隙系统被破坏，构造应力成为影响渗透率的关键因素，煤层在被重新埋藏到地下以后，地应力增大使得渗透率急剧下降。“低含气饱和度、低渗透率、低储层压”的“三低”特性是我国煤储层的普遍特征。为改善我国煤储层的渗透性能，提高导流能力目前较为普遍采用的两种增加煤层气采收率的方法为二氧化碳驱替与水力压裂排采，驱替与排采试验可以对煤层气的勘探开发具有十分重要的指导意义。

二、技术方案

提出一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，该试验系统可以实现轴压与围压的同步加载环境下的驱替试验，结构合理，能够精确模拟地质环境，便于拆卸，安全系数高，且能够对驱替过程中产生的气体进行收集与实时在线检测。

为了实现上述目的，本发明提供一种原位多功能高温高压驱替与排采模拟试验系统，包括试验装置和驱替与排采系统，包括：平板小车，所述平板小车可移动的设于轨道上，且其上设有上下贯通的第一中心孔；壳体，所述壳体内部限定出容纳腔室，且其下端部与所述平板小车之间相连接；围压端盖，所述围压端盖固定于所述容纳腔室上端部，其上设有上下贯通的第二中心孔和进油孔；围压活塞，所述围压活塞包括与所述第二中心孔相适配的杆部和一体形成于所述杆部下端的活塞部，所述围压活塞上设有上下贯通的第三中心孔；围压压头，所述围压压头固定于所述活塞部的下端，其上设有上下贯通的第四中心孔，第四中心孔、第三中心孔、第二中心孔和第一中心孔同轴设置；套管组件，所述套管组件包括：样品套管、石墨管、铜管和叶蜡石套，所述样品套管同轴设于所述第一中心孔的上端，且与所述平板小车固定连接；所述石墨管沿着所述样品套管的内壁设置，所述铜管套设于所述石墨管内部且与所述石墨管之间形成空腔，所述围压压头适于与所述空腔配合；所述叶蜡石套填充于所述空腔内；下轴压加载单元，所述下轴压加载单元包括：底座和下压杆，所述底座与所述平板小车相连，所述下压杆与所述第一中心孔相配合，且其一端与所述底座相连接，其另一端与所述铜管相配合，煤岩样品置于所述下压杆的上端，与所述下压杆同轴设置且位于所述铜管下端还设有围压垫块，所述围压垫块与所述样品套管之间设有绝缘环；所述叶蜡石套与所述围压垫块之间还设有云母片，所述第一中心孔与所述下压杆之间还设有绝缘套；水冷套管、第一保护套和第二保护套由外至内依次套设在所述壳体与所述样品套管之间，所述第一保护套内壁的上端内径大于其下端内径，所述第二保护套的外壁与所述第一保护套相配合；所述水冷套管的外壁设有通水槽；上轴压加载单元，所述上轴压加载单元包括：上压头和上压杆，所述上压头与所述第三中心孔相配合；所述上压杆与所述第四中心孔相配合，且其一端连接于所述上压头的下端，其另一端与所述铜管相配合并与所述煤岩样品相抵止；采集管组，采集管组包括第一采集管和第二采集管，第一采集管依次贯穿所述上压头和所述上压杆，其一端连接至所述煤岩样品的上端，其另一端为位于所述上压头上的第一采集口；第二采集管依次贯穿所述底座和所述下压杆，其一端连接至煤岩样品的下端，其另一端为位于底座上的第二采集口；以及电极板组，所述电极板组包括与所述上压头相连的上电极板和与所述底座相连的下电极板，电源的正极通过上电极板依次连通上压头、上压杆、围压压头至套管组件的上端；电源的负极通过下电极板依次连通底座、下压杆、围压垫块至套管组件的下端；以对所述煤岩样品进行加热；所述驱替与排采系统包括：换热组件，所述换热组件包括换热器、液体收集器和水泵，所述换热器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口适于与所述第二采集口相导通，所述第三端口与所述水泵相连，所述第四端口与所述液体收集器相连；第一单向阀，所述第一单向阀连接在所述第二采集口与所述第一端口之间且在所述试验装置朝向所述换热器方向上单向导通；储气罐，所述储气罐包括进气口和出气口，所述进气口与所述第二端口相连接；真空泵，所述真空泵连接于所述第二端口与所述进气口之间；气相色谱仪，所述气相色谱仪与出气口相连，以对采集的所述气体进行分析；预加热装置，所述预加热装置包括流入端和流出端，所述流出端与所述第一采集口相连；第二单向阀，所述第二单向阀设于所述第一采集口和所述流出端之间且在所述预加热装置朝向所述试验装置方向上单向导通；三通阀，所述三通阀包括第一入口端、第二入口端和出口端，所述出口端与所述预加热装置的流入端相连；气瓶和水箱，所述气瓶至少包括第一气瓶和第二气瓶，第一气瓶内设有甲烷气体，第一气瓶、第二气瓶和所述水箱分别设有第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口，且所述第一连接端口、所述第二连接端口均与所述第一入口端相连，所述第三连接端口与所述第二入口端相连；以及通断阀，所述通断阀分别设置在所述第一连接端口、第二连接端口与所述第一入口端之间、所述第三连接端口与所述第二入口端之间。