一种用于煤层气井排采的模拟试验装置和试验方法与流程

本发明涉及煤层气开发领域领域，尤其涉及一种用于煤层气井排采的模拟试验装置和方法。

背景技术：

随着我国国民经济的发展，传统能源的供应形势日趋严峻，而且人类活动中排放的大量二氧化碳所产生的温室效应已经严重威胁到整个自然的生态安全，人类对新型、清洁的能源需求越来越大，因而煤层气作为一种新型、清洁能源受到了广泛关注。

我国具有丰富的煤层气资源，煤层气开发对缓解我国油气资源紧张现状、减轻矿井灾害程度、减少温室气体排放等均具有重要意义。如何从煤层中高效开采煤层气及提高煤层气井产量是当前研究的重要课题，煤层气井排采管控是影响煤层气井后期开发过程中的关键技术难题，对煤储层保护、煤层气井持续高产具有重要意义。目前均认识到煤层气井排采管控对煤层气井产量变化的影响的重要性，但对于排采作业制度与煤层气井排采过程中产生的煤储层伤害如贾敏效应和速敏效应之间的耦合关系、不同煤储层发生贾敏和速敏效应的机理及排采控制手段均未见深入的报道，严重制约了煤层气井排采管控技术的有效提高和实施。

鉴于此，在试验室内通过模拟气水饱和阶段的煤储层条件，实现煤层气排采过程中煤储层流体流动时贾敏和速敏形成和有效控制的试验装置和试验方法，对研究煤层气井排采时贾敏和速敏如何通过排采管控具有重要的理论指导意义，对于指导煤层气的生产作业具有实际指导意义。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供了一种用于煤层气井排采的模拟试验装置和方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种用于煤层气井排采的模拟试验装置，其特征在于，包括：高压气瓶、锥形瓶、装填煤样容器、量筒、水槽和集气瓶；所述锥形瓶、量筒和集气瓶上均具有刻度；

所述高压气瓶和锥形瓶均通过管路与装填煤样容器连通；所述高压气瓶内盛装有CH₄，其与装填煤样容器之间的管路上设有控制气阀、开关阀和进口气体流量计；所述锥形瓶内盛装有模拟地层水，其与装填煤样容器之间的管路上设有进口流量控制阀和第一液体流量计；所述装填煤样容器内设有用于装载煤心柱的岩心夹持器，所述岩心夹持器具有胶套，所述岩心夹持器外壁与所述装填煤样容器内壁相抵；所述装填煤样容器还通过管路分别连接量筒和水槽，所述装填煤样容器与量筒之间的管路上设有第一气水控制阀、出口流量控制阀和第二液体流量计，所述装填煤样容器和水槽之间的管路设有出口气体控制阀、出口气体流量计和第二气水控制阀；所述集气瓶倒置在水槽内，所述装填煤样容器和水槽之间的管路出气口位于所述集气瓶内。

优选地，上述管路为亚克力管路。

优选地，所述开关阀为电磁阀。

优选地，还包括若干个盛装不同浓度地层水并带刻度的备用锥形瓶，所述地层水内含有煤粉与粘土颗粒。

优选地，所述煤粉的粒径小于0.1mm，质量浓度不超过10%。

优选地，上述阀门的精度为0.4级，上述气体或液体流量计的精度为0.2级。

本发明还提出一种采用上述模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1：将准备好的的煤心柱装入胶套中，密封后将胶套置于岩心夹持器中，并将岩心夹持器置于装填煤样容器内，用密封材料密封装填煤样容器的管路接口可能发漏气漏水的地方；

S2：将试验装置中的所有管路连接好，并将所有阀门关闭；

S3：打开进口流量控制阀、第一气水控制阀、出口气体控制阀、第二气水控制阀，待管路中充注满地层水后，关闭所有控制阀；

S4：打开控制气阀、开关阀、进口流量控制阀、第一气水控制阀、出口气体控制阀、出口流量控制阀、第二气水控制阀，观测进口气体流量计、第一液体流量计、第二液体流量计、出口气体流量计读数变化；调节控制气阀和进口流量控制阀，当管路中地层水不流动，即煤样中产生了贾敏效应时，记录试验过程中的气体流量、液体流量和试验时间；

S5：在S4基础上，调节控制气阀以加大CH₄气体流速，或调高的锥形瓶以改变水头高度，当管路中地层水重新流动，即煤样中贾敏效应被打破时，关闭所有控制阀，记录试验过程中气体流量、液体流量和试验时间；

S6：在锥形瓶中装入含煤粉或粘土颗粒的地层水，打开控制气阀、开关阀、第一气水控制阀、出口流量控制阀，并冲洗管路，冲洗一段时间后关闭控制气阀、开关阀、出口流量控制阀，调节进口流量控制阀，以使地层水缓慢流动；观测管路中地层水流速和第二液体流量计，当管路水地层水不流动和液体流量计读数不再变化，即岩心夹持器中煤样发生速敏效应时，记录试验过程中液体流量和试验时间；

S7：在S6基础上，调节进口流量控制阀，以降低地层水流量流速，并观测地层水是否重新流动；

S8：若当地层水重新流动，即速敏效应被打破时，记录试验液体流量和试验时间；若地层水未重新流动，即速敏效应未被打破，降低锥形瓶中地层水煤粉和粘土含量直至清水，取备用煤心柱重复试验操作S6和S7，直至地层水重新流动，记录试验液体流量和试验时间；

S9：试验结束后，打开内置岩心夹持器，取出试验样品，解除管路连接，清洗试验容器和管路，并对试验样品进行孔渗物性分析。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

该试验装置和试验方法能够模拟煤储层接近临界解吸压力进入产气阶段时煤储层流体流动过程、模拟产气过程中贾敏效应的形成过程及如何打破贾敏效应的过程，并得到试验条件下气水流体的流量、流速及试验时间数据；模拟产水过程中速敏效应的形成过程及如何打破速敏效应的过程，并得到试验条件下地层水流体的流量、流速及试验时间数据。结合地层水中固相颗粒含量浓度、速敏试验前后煤样孔渗测试结果，能够分析不同煤储层条件下贾敏和速敏效应形成和控制的排采管控条件。

本发明控流量精度高，气水流速流量波动性小，数据显示直观、准确，试验操作简单、安全且易于控制。

附图说明

图1为本发明所述的模拟试验装置的结构示意图。

图2为本发明所述的试验方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1所示，图1为本发明所述的模拟试验装置的结构示意图，如图2所示，图2为本发明所述的试验方法的流程示意图。

参照图1，本发明所述的用于煤层气井排采的模拟试验装置，包括：高压气瓶1、锥形瓶7、装填煤样容器8、量筒14、水槽18和集气瓶17；所述锥形瓶7、量筒14和集气瓶17上均具有刻度；

所述高压气瓶1和锥形瓶7均通过管路与装填煤样容器8连通；所述高压气瓶1内盛装有CH₄，其与装填煤样容器8之间的管路上设有控制气阀2、开关阀3和进口气体流量计4；所述锥形瓶7内盛装有模拟地层水，其与装填煤样容器8之间的管路上设有进口流量控制阀6和第一液体流量计5；所述装填煤样容器8内设有用于装载煤心柱的岩心夹持器9，所述岩心夹持器9具有胶套，所述岩心夹持器9外壁与所述装填煤样容器8内壁相抵；所述装填煤样容器8还通过管路分别连接量筒14和水槽18，所述装填煤样容器8与量筒14之间的管路上设有第一气水控制阀10、出口流量控制阀12和第二液体流量计13，所述装填煤样容器8和水槽18之间的管路设有出口气体控制阀11、出口气体流量计15和第二气水控制阀16；所述集气瓶17倒置在水槽18内，所述装填煤样容器8和水槽18之间的管路出气口位于所述集气瓶17内。

在有的实施例中，上述管路为亚克力管路，具有良好的透明性，便于观察管路内的水流动情况。

在有的实施例中，所述开关阀3为电磁阀，方便控制。

上述方案还包括若干个盛装不同浓度地层水并带刻度的备用锥形瓶7，所述地层水内含有煤粉与粘土颗粒。

上述方案中的煤粉的粒径小于0.1mm，质量浓度不超过10%。

参照图2，本发明还提出一种采用上述模拟试验装置的试验方法，其包括以下步骤：

S1：将准备好的的煤心柱装入胶套中，密封后将胶套置于岩心夹持器9中，并将岩心夹持器9置于装填煤样容器8内，用密封材料密封装填煤样容器9的管路接口可能发漏气漏水的地方；

S2：将试验装置中的所有管路连接好，并将所有阀门关闭；

S3：打开进口流量控制阀6、第一气水控制阀10、出口气体控制阀11、第二气水控制阀16，待管路中充注满地层水后，关闭所有控制阀；

S4：打开控制气阀2、开关阀3、进口流量控制阀6、第一气水控制阀10、出口气体控制阀11、出口流量控制阀12、第二气水控制阀16，观测进口气体流量计4、第一液体流量计5、第二液体流量计13、出口气体流量计15读数变化；调节控制气阀2和进口流量控制阀6，当管路中地层水不流动，即煤样中产生了贾敏效应时，记录试验过程中的气体流量、液体流量和试验时间；

S5：在S4基础上，调节控制气阀2以加大CH₄气体流速，或调高的锥形瓶7以改变水头高度，当管路中地层水重新流动，即煤样中贾敏效应被打破时，关闭所有控制阀，记录试验过程中气体流量、液体流量和试验时间；

S6：在锥形瓶7中装入含煤粉或粘土颗粒的地层水，打开控制气阀2、开关阀3、第一气水控制阀10、出口流量控制阀12，并冲洗管路，冲洗一段时间后关闭控制气阀2、开关阀3、出口流量控制阀12，调节进口流量控制阀6，以使地层水缓慢流动；观测管路中地层水流速和第二液体流量计13，当管路水地层水不流动和液体流量计读数不再变化，即岩心夹持器9中煤样发生速敏效应时，记录试验过程中液体流量和试验时间；

S7：在S6基础上，调节进口流量控制阀6，以降低地层水流量流速，并观测地层水是否重新流动；

S8：若当地层水重新流动，即速敏效应被打破时，记录试验液体流量和试验时间；若地层水未重新流动，即速敏效应未被打破，降低锥形瓶7中地层水煤粉和粘土含量直至清水，取备用煤心柱重复试验操作S6和S7，直至地层水重新流动，记录试验液体流量和试验时间；

S9：试验结束后，打开内置岩心夹持器9，取出试验样品，解除管路连接，清洗试验容器和管路，并对试验样品进行孔渗物性分析。

上述方案中，岩心夹持器9的直径25mm，长度50mm，岩心夹持器9装在装填煤样容器8中，其外壁与煤样装填容器8内壁之内涂抹凡士林保证密封。

由锥形瓶7流出的地层水流量范围为0-700ml/min（约0-1m3/d），能够真实模拟煤层中地层水的流速，最高地层水流体压力0.1MPa。

岩心夹持器9入口处的流量保持为定值时，流量误差不超0.01ml/min。

上述方案中的阀门的精度为0.4级，上述气体或液体流量计的精度为0.2级，能够保证测得的试验数据的精确度，保证试验结果可靠性。

上述方案中的阀门均为单向阀，只允许流体单向流动，防止因流体的回流导致试验结果的不准确。

上述方案中的计时器的精度为千分之一秒。用于试验的煤心柱的直径为25mm，长度为50mm。试验中所使用的煤样可采用事先测定了煤的孔渗参数的不同变质程、不同储层物性煤样。

为了提高试验装置的适应性，本试验装置可以通过地层水中煤粉和粘土颗粒最大粒径为0.1mm（即200目）的固相颗粒，允许通过最大固相颗粒质量浓度为10%的地层水混合物，较真实地模拟实际煤层气井产出地层水时固相颗粒在煤储层中的流动状况。

本发明的试验装置和试验方法能够模拟煤储层接近临界解吸压力进入产气阶段时煤储层流体流动过程、模拟产气过程中贾敏效应的形成过程及如何打破贾敏效应的过程，并得到试验条件下气水流体的流量、流速及试验时间数据；模拟产水过程中速敏效应的形成过程及如何打破速敏效应的过程，并得到试验条件下地层水流体的流量、流速及试验时间数据。结合地层水中固相颗粒含量浓度、速敏试验前后煤样孔渗测试结果，能够分析不同煤储层条件下贾敏和速敏效应形成和控制的排采管控条件。

本发明控流量精度高，气水流速流量波动性小，数据显示直观、准确，试验操作简单、安全且易于控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。