本發明屬于煤層氣開采技術領域，具體地講，特別涉及一種多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗設備。

背景技術：

目前，隨著經濟持續發展對能源需求的日益增加和常規油氣資源的日益短缺，世界各國都在積極尋找開發新的能源，以彌補常規油氣資源的缺口。煤層氣(俗稱瓦斯)是制約煤礦井下安全生產的主要因素之一，但也是一種優質的能源，可用于發電、取暖、化工等眾多領域。因此，合理地開發煤層氣資源，不僅可以大幅減少礦難事故的發生，而且有助于減少國民經濟對常規油氣資源的依賴。

中國地域遼闊，煤層氣資源豐富，資源總量為30×10¹²～35×10¹²m³，其中埋深300～1500m范圍內煤層氣總資源量約為25×10¹²m³。隨著傳統煤層氣勘探開發熱點地區(沁水盆地、鄂爾多斯盆地等)的研究逐漸完善，其他地區、類型的煤層氣藏成為煤層氣行業新的研究、勘探、開發增長點。滇東黔西地區煤層氣資源勘探是國家“十三五”規劃的內容之一，該區具有“一弱、兩多、三高、四大”的地質特點：即龍潭組富水性弱，控氣構造類型多和煤層層數多，煤層含氣量高、資源豐度高、儲層壓力及地應力高，以及煤層氣資源量大、煤級變化大、煤層滲透性變化大和地質條件垂向變化大。相比單一煤層而言，多煤層條件下的煤層氣儲藏具有其特殊性，前人基于對織納煤田水公河向斜的分析研究，初步提出和論證了“多層疊置獨立含煤層氣系統”的學術觀點。

由于西南地區的上述地質條件特點，一方面構成了該區豐富的煤層氣資源基礎，另一方面我國北方乃至國外行之有效的煤層氣常規開發技術在該區無法適用。目前關于煤層氣開采的研究多集中在單一煤層，急需新理論、新技術、新工藝來指導西南地區多層疊置含氣系統垂直井開采。因此，針對該區地質條件的這一特殊性，研究和發展適用的開采工藝和技術，成為推進該區煤層氣規模性開發的必然選擇。所以，開展多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗，研究其開采過程中儲層物性動態演化規律及層間干擾機制，對協調多層疊置發育地區各系統進行有序、遞進開發，避免開采過程中系統間的相互干擾，實現煤層氣資源高效經濟開發，具有十分重要的理論研究價值和實際指導意義。

而傳統的煤與瓦斯抽采模擬試驗箱和抽采管均針對單層含氣系統設計，并不能模擬多層疊置含氣系統，也不能實現多層疊置含氣系統垂直井的分層抽采。申請號為“201310025114.7”的發明專利提供了一種“多煤層聯合開采過程中煤層氣抽采試驗方法”，在該專利的申請文件中同時介紹了一種用于多煤層聯合開采模擬試驗的試驗箱和抽采管。其中試驗箱上沿長度方向設有多個水平壓頭和豎向壓頭，抽采管采用外管和內管的結構，其中內管由多段對接而成。采用這種試驗箱和抽采管，在對多煤層進行抽采時，無法觀測不同煤層各自的瓦斯流量，不利于研究不同煤層之間的相互影響，并且，無法進行單層依次開采或遞進開采試驗。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種使用方便、高效的多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗設備。

本發明的技術方案如下：一種多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗設備，包括箱體和箱蓋，在所述箱體沿長度方向的其中一端插裝有抽采管，所述抽采管包括固定在箱體上的外管和插裝在外管內的內管，在所述箱體沿長度方向的另一端插裝有第一水平壓頭，所述第一水平壓頭的內端固定有位于箱體內的豎向的第一壓板，在所述箱體沿寬度方向的一側插裝有至少兩個第二水平壓頭，所述第二水平壓頭沿箱體的長度方向均勻布置，所述第二水平壓頭與第一水平壓頭的中心線相互垂直，在每一所述第二水平壓頭的內端均固定有豎向的第二壓板，在所述箱蓋上插裝有與第二水平壓頭一一對應的豎向壓頭，在每一所述豎向壓頭的內端均固定有位于箱體內的水平的第三壓板，在所述箱體內底設置有與豎向壓頭一一對應的透氣板，在每一所述透氣板下方均設有氣流通道，所述氣流通道的一端通過透氣板與箱體內腔貫通，氣流通道的另一端貫穿箱體外壁并固定連接有管接頭；在所述外管上設有與透氣板一一對應的抽采區，在外管的每一抽采區上均開設有外抽采孔，在所述外管相鄰的兩個抽采區之間設置有隔板，所述隔板將相鄰的抽采區密封隔斷；所述內管的數量與抽采區的數量一一對應，內管的內端伸入對應抽采區內，并且在內管上開設有位于對應抽采區內的內抽采孔。

采用上述結構，在箱體內設置一一對應的第二水平壓頭、豎向壓頭、透氣板和氣流通道，并在抽采管的外管上設置與透氣板一一對應的抽采區，在外管內插裝與抽采區一一對應的內管，從而提供了一種使用方便、高效的多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗設備。進行模擬試驗時，只需要在箱體內裝入間隔布置的煤層和相似材料，并使煤層位于透氣板上方區域，相似材料間隔在相鄰的煤層之間(也即相鄰的透氣板上方區域之間)，即可通過與煤層一一對應的透氣板和氣流通道對任一單獨煤層或者兩兩煤層或者其中三個煤層進行抽真空、充入瓦斯氣體、充入二氧化碳氣體等操作，可以模擬不同煤層氣體含量不同的多層疊置含氣系統，這是現有煤與瓦斯抽采模擬試驗設備所無法實現的；再則，抽采管設置為外管和內管結構，在外管上設置與透氣板一一對應的抽采區，相鄰抽采區之間密封間隔有隔板，內管的數量與抽采區一一對應設置，試驗時，只需要將外管預埋在箱體內，即可利用外管中的不同內管對相應的煤層同時或者不同時進行瓦斯抽采模擬試驗，這也是現有煤與瓦斯抽采模擬試驗設備所無法實現的，一方面彌補了現有模擬試驗設備的空白，便于觀測瓦斯抽采過程中不同煤層之間的相互影響，為后續研究提供了物質基礎，另一方面為多層疊置含氣系統垂直井抽采抽采管的開發提供了參考。

所述外管通過均呈管狀的外接頭和壓套安裝在箱體上，所述外接頭螺紋套接在外管的外端，并且外接頭的外端周向延展形成圓環狀的第一擋板，所述壓套插接在外管的外端，并且壓套的外端周向延展形成圓環狀的第二擋板，所述第二擋板將第一擋板壓緊固定在箱體的對應端板上；在所述壓套內插接有內接頭，所述內接頭的外端周向延展形成圓環狀的第三擋板，所述第三擋板固定在壓套的第二擋板上，在所述內接頭內開設有與內管一一對應的軸向通孔，所述通孔的內端與對應的內管對接，在每一所述通孔的外端均連接有管接頭。通過外接頭和壓套將外管固定在箱體上，外管的固定結構簡單牢固，并且操作方便快捷。通過內接頭和壓套將內管安裝在外管內，使內管的安裝結構簡單、牢固。

在所述第一擋板與箱體的對應端板之間墊有密封圈，在所述第二擋板朝向第一擋板的一側開有凹陷部，所述第一擋板位于該凹陷部內，在所述第一擋板與第二擋板之間墊有密封圈，在所述第二擋板與第三擋板之間也墊有密封圈。

所述內管由前端封閉的管體構成，并且管體外壁呈前細后粗的階梯狀，使管體的外壁形成與隔板相對應的臺階面，所述臺階面擋在對應隔板的后端，并且在每一隔板供內管穿設的過孔內嵌裝有與內管外壁密封配合的密封圈。這樣設置外壁階梯狀的內管，使內管的安裝更加快捷，并且臺階面上還可以設置密封墊，有利于進一步確保各抽采區的相互密封。

所述第二水平壓頭沿箱體的長度方向均勻布置有四個，所述豎向壓頭與第二水平壓頭一一對應布置有四個，所述透氣板與豎向壓頭一一對應布置有四個，所述外管上的抽采區與透氣板一一對應布置有四個，所述內管與抽采區一一對應布置有四個，所述內接頭上開設的通孔周向均布有四個。

所述外管每一抽采區上的外抽采孔均周向均布有多個，所述內管上的內抽采孔所在區域正對所述外抽采孔所在區域。

在所述箱蓋與箱體頂部之間墊裝有“O”形密封圈。

有益效果：本發明通過在箱體內設置一一對應的第二水平壓頭、豎向壓頭、透氣板和氣流通道，并在抽采管的外管上設置與透氣板一一對應的抽采區，外管內插裝與抽采區一一對應的內管，從而提供了一種使用方便、高效的多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗設備，具有構思巧妙、結構簡單、生產容易和生產成本低等特點。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為圖1中箱體的俯視圖。

圖3為圖1去掉抽采管的A-A剖視圖。

圖4為抽采管的結構示意圖。

圖5為圖4的I部放大圖。

圖6為圖4的J部放大圖。

圖中標記如下：外管1、隔板2、內管3、外接頭4、第一擋板4a、壓套5、第二擋板5a、內接頭6、第三擋板6a、通孔6b、管接頭7、箱體8、“O”形密封圈9、箱蓋10、豎向壓頭11、第三壓板12、第一壓板13、第一水平壓頭14、透氣板15、第二水平壓頭16、第二壓板17、氣流通道18。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述的實施例示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述實施例是示例性的，旨在解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

下面結合附圖，通過對本發明的具體實施方式作進一步的描述，使本發明的技術方案及其有益效果更加清楚、明確。

如圖1、圖2和圖3所示，本發明包括箱體8和箱蓋10，在所述箱蓋10與箱體8頂部之間墊裝有“O”形密封圈9。在所述箱體8沿長度方向的其中一端插裝有抽采管，所述抽采管包括固定在箱體8上的外管1和插裝在外管1內的內管3。在所述箱體8沿長度方向的另一端插裝有第一水平壓頭14，在所述第一水平壓頭14的內端固定有位于箱體8內的豎向的第一壓板13。在所述箱體8沿寬度方向的一側插裝有至少兩個第二水平壓頭16，所述第二水平壓頭16沿箱體8的長度方向均勻布置，所述第二水平壓頭16與第一水平壓頭14的中心線相互垂直。在每一所述第二水平壓頭16的內端均固定有豎向的第二壓板17。在所述箱蓋10上插裝有與第二水平壓頭16一一對應的豎向壓頭11，在每一所述豎向壓頭11的內端均固定有位于箱體8內的水平的第三壓板12。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，在所述箱體8的內底設置有與豎向壓頭11一一對應的透氣板15，在每一所述透氣板15下方均設有氣流通道18，所述氣流通道18的一端通過透氣板15與箱體8內腔貫通，氣流通道18的另一端貫穿箱體8外壁并固定連接有管接頭7。在所述外管1上設有與透氣板15一一對應的抽采區，在外管1的每一抽采區上均開設有外抽采孔，在所述外管1相鄰的兩個抽采區之間設置有隔板2，所述隔板2將相鄰的抽采區密封隔斷。所述內管3的數量與抽采區的數量一一對應，內管3的內端伸入對應抽采區內，并且在內管3上開設有位于對應抽采區內的內抽采孔。

如圖4和圖5所示，所述外管1通過均呈管狀的外接頭4和壓套5安裝在箱體8上，所述外接頭4螺紋套接在外管1的外端，并且外接頭4的外端周向延展形成圓環狀的第一擋板4a。所述壓套5插接在外管1的外端，并且壓套5的外端周向延展形成圓環狀的第二擋板5a，所述第二擋板5a將第一擋板4a壓緊固定在箱體8的對應端板上。在所述壓套5內插接有內接頭6，所述內接頭6的外端周向延展形成圓環狀的第三擋板6a，所述第三擋板6a固定在壓套5的第二擋板5a上，在所述內接頭6內開設有與內管3一一對應的軸向通孔6b，所述通孔6b的內端與對應的內管3對接，在每一所述通孔6b的外端均連接有管接頭7。在所述第一擋板4a與箱體8的對應端板之間墊有密封圈，在所述第二擋板5a朝向第一擋板4a的一側開有凹陷部，所述第一擋板4a位于該凹陷部內，在所述第一擋板4a與第二擋板5a之間墊有密封圈，在所述第二擋板5a與第三擋板6a之間也墊有密封圈。

如圖4和圖6所示，所述內管3由前端封閉的管體構成，并且管體外壁呈前細后粗的階梯狀，使管體的外壁形成與隔板2相對應的臺階面，所述臺階面擋在對應隔板2的后端，并且在每一隔板2供內管3穿設的過孔內嵌裝有與內管3外壁密封配合的密封圈。所述外管1每一抽采區上的外抽采孔均周向均布有多個，所述內管3上的內抽采孔所在區域正對所述外抽采孔所在區域。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實施例優選所述第二水平壓頭16沿箱體8的長度方向均勻布置有四個，所述豎向壓頭11與第二水平壓頭16一一對應布置有四個。所述透氣板15與豎向壓頭11一一對應布置有四個，所述外管1上的抽采區與透氣板15一一對應布置有四個，所述內管3與抽采區一一對應布置有四個，所述內接頭6上開設的通孔6b周向均布有四個。