模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置及其实验方法与流程

本发明属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置及其实验方法。

背景技术：

为了开发我国丰富的煤层气资源，我国煤层气工作者在借鉴美国等国家煤层气开发成功经验基础上，经过三十余年的煤层气基础理论研究与勘探开发实践，逐渐形成了“有利区块优选-钻井-压裂-排水采气”的煤层气勘探开发基础思路，在此基本思想指导下我国地面煤层气年产气量由2006年的1亿m³增加到2015年的44.25亿m³，煤层气年产气量以每年20%～30%的速度递增。在煤层气产量迅猛增加的同时，煤层气开发深度由原来的400～600m为主到目前的700～1000m为主。随着煤层气开发深度的增加，煤层所受压力显著增加，煤的变形程度增加，导致煤层气井排采时煤粉产出量明显增加。排采初期，煤层气井的主要任务是排水降压，此阶段裂隙中煤粉可能会随着水产出。煤粉产出一方面可能使煤层裂隙宽度增加；另一方面缺少了煤粉的支撑，裂隙的支撑能力下降，裂隙宽度可能减少。在双重作用下，变形程度差异导致排水阶段煤粉产出量与渗透率关系变得复杂。进入产气阶段，游离气的压力和冲力作用可能使煤层中的煤粉进一步产出，煤储层渗透率的大小既与煤粉产出量有关，同时又与气体解吸、有效应力有关，渗透率与煤粉产出量关系更加复杂。确定产水阶段和产气阶段煤粉产出量与渗透率的关系，能为合理制定排采工作制度奠定基础，以便更有利于煤层气井的产气。

为了查明煤层气井不同排采阶段煤粉产出量与压差、水量、气量的关系，我国煤层气工作者曾借助压裂模拟设备，铺置不同的支撑剂和煤粉，在不同压差和流量下测试煤粉、支撑剂的产出量，并建立数学模型得出煤粉产出临界条件。该方法最大缺陷在于无法模拟煤层本身属性条件及所处围岩条件，导致模拟结果与实际存在较大差异。一些研究者采用三轴夹持器设置不同的围压和轴压，模拟煤储层所受应力环境；钻取煤柱通过不同压差来测试煤粉产出量。但煤层气井在排采前要经过储层改造，改造后煤样力学性质与原始状态下差异较大，这种测试方法导致与实际偏差较大，无法真正有效地指导现场排采。因此亟需一种设备，既能模拟压裂作用后煤体情况，又能模拟煤层所受应力状态，测试不同排采阶段煤粉产出量，更科学有效的指导煤层气井排采制度的制定。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种模拟煤层压裂作用后煤粉产出量及渗透率变化监测系统及其实验方法，能进行不同煤层属性参数、不同地层应力参数、不同粒径条件下煤层压裂模拟，最大限度的将模拟压裂作用下产出的煤粉排出实验装置，并进行准确测试和分析，同时对压裂作用前后煤样渗透率进行测试，为压裂参数优化提供借鉴。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，包括压裂围压动力系统、注气系统、压裂测试系统和计算机；注气系统的出气端与压裂测试系统的进气端连接；计算机分别通过数据线与压裂围压动力系统、注气系统和压裂测试系统连接；

压裂围压动力系统包括压裂液注入装置和围压加载装置，压裂液注入装置的出液端通过压裂管与压裂测试系统的进液端连接；压裂液注入装置包括第一集线器、平流泵、第一压力计和若干个压裂液储存缸，所有的压裂液储存缸分别通过第一管道与压裂管的进液口连接，其中一个压裂液储存缸内设有自动搅拌器，每根第一管道上均设有自动控制阀，平流泵和第一压力计依次设置在压裂管上，平流泵、自动搅拌器以及所有的自动控制阀分别通过数据线与第一集线器连接；围压加载装置包括围压泵、第二集线器和电机，围压泵包括泵体、活塞和螺杆组成，泵体外形为圆筒形且泵体垂直设置，泵体的外壳为双层结构，泵体内壁沿其轴向方向设有导向槽，活塞的外缘设有导向块，活塞通过导向块插设在导向槽内与泵体内壁滑动连接，活塞外缘与泵体的内壁密封连接，活塞的底面同轴向设有套管，套管内壁设有内螺纹，螺杆同轴线插设在泵体内，螺杆的上端穿设在套管内且与套管螺纹连接，螺杆的下端伸入到泵体的外壳内后固定连接有从动轮，电机的主轴垂直向下连接有主动轮，主动轮通过皮带与从动轮连接，沿泵体的轴向方向并排间隔设有若干组激光测长器；泵体顶部通过第二管道与压裂测试系统连接，第二管道上设有第二压力计；电机、第一压力计、第二压力计以及所有的激光测长器分别通过数据线与第二集线器连接；第一集线器和第二集线器分别通过数据线与计算机连接。

注气系统包括气瓶，气瓶通过注气管连接有管路汇集器，注气管上沿气体流动方向依次设有空气压缩机、气体增压泵、增压器、减压阀、第三压力计和安全阀；管路汇集器的出气口与压裂测试系统的进气口连接。

压裂测试系统包括夹持器、底座和压裂控制装置，夹持器包括套筒和岩样卡套，套筒为左右通透的圆筒形结构，套筒通过支架沿左右水平方向上固定在底座上，岩样卡套外形为圆筒形，岩样卡套位于套筒内且与套筒同轴线设置，岩样卡套的长度小于套筒的长度，压裂管外套设有一段活动管，活动管外套设有固定管，活动管的长度大于固定管的长度，固定管与套筒同轴线设置且固定管穿设在岩样卡套内；固定管上沿轴向方向开设有至少一排第一通孔，每排第一通孔等距间隔布置，活动管上沿轴向方向开设有与第一通孔对应连通的第二通孔，压裂管上沿轴向方向开设有与第二通孔对应连通的压裂孔，所有的压裂孔、第二通孔以及第一通孔均位于岩样卡套内；岩样卡套内壁与固定管外壁之间形成岩样填充腔，固定管的左端部从左到右依次套设有左内环、支撑环和岩心垫块，岩心垫块用于封堵岩样卡套的左端且位于岩样卡套的内部，左内环位于套筒的左端，左内环与套筒之间设有左外环，左外环的内圈和外圈分别与左内环的外圈和套筒的内壁螺纹连接，支撑环分别与左内环和岩心垫块顶压配合；固定管的右端部从左到右依次套设有筛状垫块和右内环，筛状垫块用于封堵岩样卡套的右端且位于岩样卡套的内部，右内环位于套筒的右端，右内环与套筒之间设有右外环，右外环的内圈和外圈分别与右内环的外圈和套筒的内壁螺纹连接；岩样卡套外壁与套筒内壁之间形成围压腔室，泵体顶部通过第二管道与围压腔室连通；

岩心垫块的左端面至少开设有一个注气孔，岩心垫块内开设有至少一个右端敞口的环形槽，注气孔与环形槽连通；管路汇集器的出气口通过第三管道与岩心垫块上的注气孔连接；右内环上穿设有第四管道，第四管道上沿液体流动方向依次设有第四压力计、流量计和第一回压阀，底座上设有煤粉收集瓶和压裂液收集瓶，压裂液收集瓶位于第四管道的出液口正下方；压裂管的出液口处设有第二回压阀；

压裂控制装置用于驱动活动管移动，第一回压阀、第二回压阀、第四压力计和流量计分别通过数据线与计算机连接。

压裂控制装置包括两组对称设置在套筒左端和右端的压裂驱动机构，位于左侧的压裂驱动机构包括固定在底座上的滚轮架，滚轮架的上端转动连接有两个滚轮，两个滚轮对称位于活动管的上侧和下侧，两个滚轮均与活动管啮合接触，其中一个滚轮的中心轴上连接有驱动手柄；所有滚轮的外圆周面均设有防滑纹。

岩样卡套包括由四块截面呈弧形的壁板形成的一个圆筒形的管道，两块相邻的壁板之间设有导向连接框架，导向连接框架相对两侧分别设有用于穿设壁板的导向孔。

套筒右端设有用于遮盖煤粉收集瓶的挡罩。

所述的模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置的实验方法，包括以下步骤：

（1）、煤样制作；根据实验要求选取所需区块的煤样，破碎煤样，筛选不同粒径的煤粉，根据不同粒径的煤粉进行胶结后压制成圆筒形的煤样，在压制时确保成型后煤样的内径与固定管的外径相同；

（2）、煤样力学性质测试；将制作的粒径不同的煤样选取若干进行力学性质测试；

（3）、组装实验装置和气密性检测；连接所有的实验装置以及管道，同时检查夹持器连通情况和实验装置的气密性；

（4）、实验分组与测试；对制作的煤样进行分组编号，然后将煤样装入夹持器中进行压裂实验，压裂结束后，收集产出的煤粉，并进行烘干处理，之后对煤粉的粒径、质量以及矿物含量测试，分析压裂作用产出煤粉组成成分及煤粉产出特征，同时在压裂前后通过测试压力变化和气体流量变化，对压裂前后及煤粉排出前后的样品渗透率进行测试分析；

（5）、综合研究；通过计算机设定压裂工艺参数并结合实验分组，测试出不同压裂工艺参数情况下煤粉产出量、产出粒径以及煤粉中矿物含量，并结合实验测试煤样压裂前后渗透率变化特征，分析煤粉产出原因及不同地区不同粒径下煤样产出煤粉规律。

步骤（4）中煤样装入夹持器中进行压裂测试的具体步骤为：

a）、拧下右内环和右外环，取下筛状垫块，然后将煤样装入岩样卡套的岩样填充腔内，接着装配上筛状垫块，最后重新将右内环和右外环螺纹连接在初始位置；

b）、对煤样施加围向压力；在计算机上设定围压值，然后通过计算机操控电机启动，电机带动主动轮转动，主动轮带动从动轮转动，从而螺杆转动，螺杆推动活塞向上移动，活塞将泵体内的水通过第二管道压入围压腔室，当第二压力计监测到压力值达到设定的围压值时，电机停止启动；

c）、通过操控计算机打开所有的自动控制阀，平流泵启动，平流泵将压裂液储存缸内的压裂液压入压裂管内，通过第一压力计监测压裂管内的压力，确保压裂液的压力与围压相同；

d）、通过控制计算机打开空气压缩机、气体增压泵、增压器、减压阀和安全阀，气瓶内的高压气通过注气管和第三管道进入岩样卡套中的煤样内，通入高压气的过程中保持气体流量的稳定以及气体压力稳定；

e）、在注气过程中，第三压力计、第四压力计和流量计对系统中气体压力、流量进行记录并反馈至计算机，进行压裂前煤样渗透率测试，渗透率测试结束后，注气系统关闭；

f）、进行压裂加载；转动驱动手柄，驱动手柄带动滚轮转动，滚轮拉动活动管移动，最终压裂孔、第一通孔和第二通孔对齐连通，压裂液由压裂孔、第一通孔和第二通孔注入煤样，提高平流泵的功率使压裂液的压力增大，开始进行对煤样的压裂，压裂结束后，手动转动驱动手柄，使第二通孔与压裂孔错开；接着打开注气系统开始向煤样中注气，打开第二回压阀，高压气将煤样中残留的压裂液通过筛状垫块以及第四管道向外排出至压裂液收集瓶内；

g）、去掉右内环，然后增加注气压力，将煤样中的煤粉通过筛状垫块排出至煤粉收集瓶，然后对煤粉收集瓶内的煤粉进行测试，当岩样卡套内的煤粉排出完毕后，关闭注气系统，重新将右内环装上，打开注气系统，通过第四压力计、流量计和第一回压阀对煤粉排出后的煤样进行渗透率测试，并记录结果，得出压裂后煤样渗透率。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明通过压裂围压动力系统能够充分模拟不同水压、砂比及排量等水力压裂条件；通过控制围压泵能设置不同地层压力，实现对煤层气井现场水力压裂情况的模拟；注气系统用于调控系统内的压力、气体流量，保持煤样中气体流量的稳定，同时用于移除煤样压裂后产出的煤粉；压裂测试系统通过活动管的来回移动，保证了压裂孔的开启与闭合，计算机对系统中压力传感器、流量计等设备记录进行采集，并将数据反馈至控制设备，进行相应的参数调控，通过记录的数据对渗透率进行计算；岩样卡套包括由四块截面呈弧形的壁板形成的一个圆筒形的管道，两块相邻的壁板之间设有导向连接框架；这样特殊的设计可是岩样卡套的径向能够扩张或收缩，保证了煤样受力均匀，同样确保了煤样的完整性；套筒右端设有用于遮盖煤粉收集瓶的挡罩，挡罩用于放置煤粉向外排出时落在煤粉收集瓶外边。

综上所述，本发明设计合理，通过压裂围压动力系统依次向压裂管注入前置液、携砂液、顶替液，通过注气系统和围压装置向环形夹持器注入高压气体以及调节高压气体的注入量，通过控制电脑连接压裂围压动力系统、注气系统、围压装置、监测装置、环形夹持器和压裂管，监测不同煤层属性参数、不同地层应力参数、不同粒径条件下煤层压裂和模拟压裂作用下产出的煤粉排出量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中压裂围压动力系统的结构示意图；

图3是本发明中注气系统的结构示意图；

图4是本发明中夹持器的结构示意图；

图5是图4中A处的放大图；

图6是图4中B处的放大图；

图7是岩心垫块的左端面视图；

图8是岩心垫块的截面视图；

图9是筛状垫块的左端面视图；

图10是岩样卡套的结构示意图；

图11是岩样卡套上相邻两块壁板连接处的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

如图1-11所示，模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置，包括压裂围压动力系统Ⅰ、注气系统Ⅱ、压裂测试系统Ⅲ和计算机Ⅳ；注气系统Ⅱ的出气端与压裂测试系统Ⅲ的进气端连接；计算机Ⅳ分别通过数据线与压裂围压动力系统Ⅰ、注气系统Ⅱ和压裂测试系统Ⅲ连接；

压裂围压动力系统Ⅰ包括压裂液注入装置和围压加载装置，压裂液注入装置的出液端通过压裂管1与压裂测试系统Ⅲ的进液端连接；压裂液注入装置包括第一集线器2、平流泵3、第一压力计4和若干个压裂液储存缸5，所有的压裂液储存缸5分别通过第一管道6与压裂管1的进液口连接，其中一个压裂液储存缸5内设有自动搅拌器7，压裂液储存缸5内可以分别放置压裂液和砂液混合液，自动搅拌器7对装有砂液的压裂液储存缸5进行搅拌，保证砂液均匀，避免因砂液不均匀造成砂比不均匀，影响压裂；每根第一管道6上均设有自动控制阀8，平流泵3和第一压力计4依次设置在压裂管1上，平流泵3、自动搅拌器7以及所有的自动控制阀8分别通过数据线与第一集线器2连接；围压加载装置包括围压泵9、第二集线器10和电机15，围压泵9包括泵体11、活塞12和螺杆13组成，泵体11外形为圆筒形且泵体11垂直设置，泵体11的外壳为双层结构，泵体11内壁沿其轴向方向设有导向槽，活塞12的外缘设有导向块，活塞12通过导向块插设在导向槽内与泵体11滑动连接，活塞12外缘与泵体11的内壁密封连接，活塞12的底面同轴向设有套管64，套管64内壁设有内螺纹，螺杆13同轴线插设在泵体11内，螺杆13的上端穿设在套管64内且与套管64螺纹连接，螺杆13的下端伸入到泵体11的外壳内后固定连接有从动轮14，电机15的主轴垂直向下连接有主动轮16，主动轮16通过皮带与从动轮14连接，沿泵体11的轴向方向并排间隔设有若干组激光测长器17；泵体11顶部通过第二管道18与压裂测试系统Ⅲ连接，第二管道18上设有第二压力计19；电机15、第一压力计4、第二压力计19以及所有的激光测长器17分别通过数据线与第二集线器10连接，第一集线器2和第二集线器10分别通过数据线与计算机Ⅳ连接。

注气系统Ⅱ包括气瓶20，气瓶20通过注气管21连接有管路汇集器22，注气管21上沿气体流动方向依次设有空气压缩机23、气体增压泵24、增压器25、减压阀26、第三压力计27和安全阀28；管路汇集器22的出气口与压裂测试系统Ⅲ的进气口连接。

压裂测试系统Ⅲ包括夹持器29、底座30和压裂控制装置，夹持器29包括套筒31和岩样卡套32，套筒31为左右通透的圆筒形结构，套筒31通过支架61沿左右水平方向上固定在底座30上，岩样卡套32外形为圆筒形，岩样卡套32位于套筒31内且与套筒31同轴线设置，岩样卡套32的长度小于套筒31的长度，压裂管1外套设有一段活动管33，活动管33外套设有固定管34，活动管33的长度大于固定管34的长度，固定管34于套筒31同轴线设置且固定管34穿设在岩样卡套32内；固定管34上沿轴向方向开设有至少一排第一通孔35，每排第一通孔35等距间隔布置，活动管33上沿轴向方向开设有与第一通孔35对应连通的第二通孔36，压裂管1上沿轴向方向开设有与第二通孔36对应连通的压裂孔37，所有的压裂孔37、第二通孔36以及第一通孔35均位于岩样卡套32内；岩样卡套32内壁与固定管34外壁之间形成岩样填充腔38，固定管34的左端部从左到右依次套设有左内环39、支撑环40和岩心垫块41，岩心垫块41用于封堵岩样卡套32的左端且位于岩样卡套32的内部，左内环39位于套筒31的左端，左内环39与套筒31之间设有左外环42，左外环42分别与左内环39和套筒31螺纹连接，支撑环40分别与左内环39和岩心垫块41顶压配合；固定管34的右端部从左到右依次套设有筛状垫块43和右内环44，筛状垫块43用于封堵岩样卡套32的右端且位于岩样卡套32的内部，右内环44位于套筒31的右端，右内环44与套筒31之间设有右外环45，右外环45分别与右内环44和套筒31螺纹连接；岩样卡套32外壁与套筒31内壁之间形成围压腔室46，泵体11顶部通过第二管道18与围压腔室46连通；

岩心垫块41的左端面至少开设有一个注气孔47，岩心垫块41内开设有至少一个右端敞口的环形槽48，注气孔47与环形槽48连通；管路汇集器22的出气口通过第三管道49与岩心垫块41上的注气孔47连接；右内环44上穿设有第四管道50，第四管道50上沿液体流动方向依次设有第四压力计51、流量计52和第一回压阀53，底座30上设有煤粉收集瓶65和压裂液收集瓶54，压裂液收集瓶54位于第四管道50的出液口正下方；压裂管1的出液口处设有第二回压阀55；

压裂控制装置用于驱动活动管33移动，第一回压阀53、第二回压阀55、第四压力计51和流量计52分别通过数据线与计算机Ⅳ连接。

压裂控制装置包括两组对称设置在套筒33左端和右端的压裂驱动机构，位于左侧的压裂驱动机构包括固定在底座30上的滚轮架56，滚轮架56的上端转动连接有两个滚轮57，两个滚轮57对称位于活动管33的上侧和下侧，两个滚轮57均与活动管33啮合接触，其中一个滚轮57的中心轴上连接有驱动手柄58，所有的滚轮57外圆周面均设有防滑纹。

岩样卡套32包括由四块截面呈弧形的壁板59形成的一个圆筒形的管道，两块相邻的壁板59之间设有导向连接框架60，导向连接框架60相对两侧分别设有用于穿设壁板的导向孔62。

套筒31右端设有用于遮盖煤粉收集瓶65的挡罩63。

所述的模拟煤层压裂作用排采煤粉变化监测装置的实验方法，包括以下步骤：

（1）、煤样制作；根据实验要求选取所需区块的煤样，破碎煤样，筛选不同粒径的煤粉，根据不同粒径的煤粉进行胶结后压制成圆筒形的煤样，在压制时确保成型后煤样的内径与固定管34的外径相同；

（2）、煤样力学性质测试；将制作的粒径不同的煤样选取若干进行力学性质测试；

（3）、组装实验装置和气密性检测；连接所有的实验装置以及管道，同时检查夹持器29连通情况和实验装置的气密性；

（4）、实验分组与测试；对制作的煤样进行分组编号，然后将煤样装入夹持器29中进行压裂实验，压裂结束后，收集产出的煤粉，并进行烘干处理，之后对煤粉的粒径、质量以及矿物含量测试，分析压裂作用产出煤粉组成成分及煤粉产出特征，同时在压裂前后通过测试压力变化和气体流量变化，对压裂前后及煤粉排出前后的样品渗透率进行测试分析；

（5）、综合研究；通过计算机Ⅳ设定压裂工艺参数并结合实验分组，测试出不同压裂工艺参数情况下煤粉产出量、产出粒径以及煤粉中矿物含量，并结合实验测试煤样压裂前后渗透率变化特征，分析煤粉产出原因及不同地区不同粒径下煤样产出煤粉规律。

步骤（4）中煤样装入夹持器29中进行压裂测试的具体步骤为：

a）、拧下右内环44和右外环45，取下筛状垫块43，然后将煤样装入岩样卡套32的岩样填充腔38内，接着装配上筛状垫块43，最后重新将右内环44和右外环45螺纹连接在初始位置；

b）、对煤样施加围向压力；在计算机Ⅳ上设定围压值，然后通过计算机Ⅳ操控电机15启动，电机15带动主动轮16转动，主动轮16带动从动轮14转动，从而螺杆13转动，螺杆13推动活塞12向上移动，活塞12将泵体11内的水通过第二管道18压入围压腔室46，当第二压力计19监测到压力值达到设定的围压值时，电机15停止启动；

c）、通过操控计算机Ⅳ打开所有的自动控制阀8，平流泵3启动，平流泵3将压裂液储存缸5内的压裂液压入压裂管1内，通过第一压力计4监测压裂管1内的压力，确保压裂液的压力与围压相同；

d）、通过控制计算机Ⅳ打开空气压缩机23、气体增压泵24、增压器25、减压阀26和安全阀28，气瓶20内的高压气通过注气管21和第三管道49进入岩样卡套32中的煤样内，通入高压气的过程中保持气体流量的稳定以及气体压力稳定；

e）、在注气过程中，第三压力计27、第四压力计51和流量计52对系统中气体压力、流量进行记录并反馈至计算机Ⅳ，进行压裂前煤样渗透率测试，渗透率测试结束后，注气系统Ⅱ关闭；

f）、进行压裂加载；转动驱动手柄58，驱动手柄58带动滚轮57转动，滚轮57拉动活动管33移动，最终压裂孔37、第一通孔35和第二通孔36对齐连通，压裂液由压裂孔37、第一通孔35和第二通孔36注入煤样，提高平流泵3的功率使压裂液的压力增大，开始进行对煤样的压裂，压裂结束后，手动转动驱动手柄58，使第二通孔36与压裂孔37错开；接着打开注气系统Ⅱ开始向煤样中注气，打开第二回压阀55，高压气将煤样中残留的压裂液通过筛状垫块43以及第四管道向外排出至压裂液收集瓶54内；

g）、去掉右内环44，然后增加注气压力，将煤样中的煤粉通过筛状垫块43排出至煤粉收集瓶65，然后对煤粉收集瓶65内的煤粉进行测试，当岩样卡套32内的煤粉排出完毕后，关闭注气系统Ⅱ，重新将右内环44装上，打开注气系统Ⅱ，通过第四压力计51、流量计52和第一回压阀53对煤粉排出后的煤样进行渗透率测试，并记录结果，得出压裂后煤样渗透率。