本发明涉及煤层气排采开发技术领域，具体为一种模拟煤层气排采过程中差异压降的装置及其方法。
背景技术
煤层气开发时需要进行排水降压，压力低于临界解吸压力之后，吸附态的煤层气会解吸出来，之后才能被产出，因此，大面积的排水降压是煤层气开发的关键，所以有必要对排水降压过程中煤储层地层压力分布的变化规律进行精细研究。
煤储层作为一种非常规储层，有着极低的渗透率，因此，地层水在煤储层中的渗流属于低速渗流，根据低速渗流理论：地层水的流动需要一定的启动压力梯度来突破煤基质表面对水流动的束缚作用，当地层压力梯度小于启动压力梯度时，地层水可能不流动，从而造成无法进行排采降压。而且由于煤储层在纵向上往往呈现出不同煤岩类型叠置的现象，造成渗透性在纵向上的非均质性，以及启动压力梯度在纵向上的非均质性，那么在排水降压过程中，各个层段的煤储层降压程度可能会存在差异，甚至可能在某局部区域无法达到降压的效果，这对于煤层气的开发效果会造成重要的影响。因此有必要设计一套物理模拟装置来揭示其中的规律，为煤层气的开发提供理论指导。
在现有的技术方案中，如申请号为201010101527.5公布的一种煤层气生产物理模拟装置及其模拟方法，其通过对充气、注水和生产状态进行模拟，优化了气井排采工作，降低成本。然而，在上述技术方案中，虽然能够实现生产状态下的降压模拟，但是其还存在一些缺陷，综合上述技术方案和现实存在的问题，以及结合目前被广泛应用的技术方案，还存在的主要缺陷主要体现在以下两个方面：首先，由于煤层的非均质性强，单一的模拟装置无法准确的模拟出各层的压力变化规律；其次，由于不同煤岩类型的叠置，造成了煤岩在纵向上的非均质性和启动压力梯度的非均质性，在排水降压的过程中，如不考虑上述因素，将会导致局部区域无法达到降压的效果，虽然煤层各个区域存在非均质性，但是并不是完全独立的，如果在模拟时不能全面考虑整体的降压效果，在实际生产中由于相互的干扰和影响，其最终的结果将于模拟结果的大相径庭，使得模拟过程失去了意义。
技术实现要素：
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种模拟煤层气排采过程中差异压降的装置及其方法，能够揭示纵向非均质储层中排水降压各分层压降差异的规律，为煤层气开发提供理论指导，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种模拟煤层气排采过程中差异压降的装置，包括实验装置和伺服注水压力泵，所述实验装置和伺服注水压力泵之间通过注水管道连通，所述实验装置包括试验腔体和腔体盖，所述试验腔体上端边缘设有卡合凸起块，且所述腔体盖通过设在其四周边缘的卡定凹槽与卡合凸起块卡合连接，所述试验腔体底部和腔体盖顶部分别设有注水管和出水管，所述注水管和出水管均通过内置的压力表测量水压，且注水管和出水管内分别设有注水阀门和出水阀门，所述出水管通过导管穿过腔体盖与试验腔体连通，所述注水管与试验腔体的连接处以及导管与试验腔体的连接处均设有铁丝网；
所述试验腔体内壁由下至上均匀设有四条相互平行的等距刻度线，所述等距刻度线将试验腔体分为若干个分层区间，并且在每个分层区间的侧面腔体上均设有排水管，在每个所述排水管内设有排水阀门，所述试验腔体内设置有多组垂直于等距刻度线的压力传感器，且每组压力传感器在纵向上等间距均匀分布。
作为本发明一种优选的技术方案，还包括压力机，所述压力机包括压力加载平台和四根压力导向柱，所述压力导向柱固定安装在试验腔体的四角，所述压力加载平台沿着压力导向柱竖向运动，所述压力加载平台底部固定安装有呈正四棱台状的压力加载压板，且在所述压力加载压板的底面上固定安装有若干相互交叉的防滑定位纹。
作为本发明一种优选的技术方案，所述卡定凹槽呈l型固定安装在腔体盖的边缘，所述卡定凹槽内侧固定安装有若干个等间距均匀分布的咬合卡齿，所述咬合卡齿的内宽等于卡合凸起块的外宽，所述卡合凸起块呈环状固定安装在试验腔体的上端，且卡合凸起块外侧与腔体盖内壁贴合接触，在所述卡合凸起块外侧与腔体盖内壁的接触处设有呈环形的气密性垫圈。
作为本发明一种优选的技术方案，所述排水管的管壁上设有若干个均匀分布的通孔，所述通孔用来模拟井壁上的射孔，并使煤岩与排水管内部连通，所述通孔所在的管壁上均固定安装有漏斗状的射流导管，在射流导管与排水管的连接端设有鱼鳔腔体。
另外，本发明还提供了一种模拟煤层气排采过程中差异压降的方法，包括如下步骤：
步骤100、煤样准备，将各煤岩类型的煤样使用粉碎机进行破碎，并筛选足量所需粒径的煤粉，按照配比与石膏粉进行充分混合；
步骤200、型煤成型，将混合好的煤样分批次加入试件箱，加入适量清水，使用成型压力机按一定的成型压力成型；
步骤300、模型注水，通过伺服注水压力泵向模型中注水，直至出水口压力达到设定值，停止注水并关闭注水阀门；
步骤400、测绘压力分布，按照预定排水方案打开对应的排水阀门，并将压力传感器的压力数据用电脑处理，绘出压力等值线，分析压力分布。
作为本发明一种优选的技术方案，成型所用的煤样由不同煤岩类型、粒径的煤粉和石膏粉组成，粒径均大于120目小于200目，其中，光亮煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝93：0：7；半亮煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝85：8：7；半暗煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝70：23：7；暗淡煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝50：43：7。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤200中，压力成型的具体步骤为：
步骤201、逐次将煤样和适量的清水充分混合湿润
步骤202、每次对煤样给予成型压力成型，每次加入煤样成型的煤层厚度至等距刻度线上，成型后保持成型压力稳定1h时间；
步骤203、在逐次对煤样成型时，将各类传感器植入煤层指定位置，并且按照分层区间逐层安装排水阀门。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤300中，模型注水的具体步骤为：
步骤301、接通伺服注水压力泵，向模型中注入，直至出水口出水后关闭出水阀门；
步骤302、保持同样的注水速率持续注水，并且设置伺服注水压力泵的注水压力，当注水口处压力达到2.1mpa时停止注水，小于2.05mpa继续注水，直至出水口压力达到2mpa；
步骤303、关闭注水阀门，停止注水。
作为本发明一种优选的技术方案，在上述步骤中，当通过伺服注水压力泵向腔体内注水直至出水口出水后，保持相同注水速率注水时，绘制注水口的注水压力随时间的变化图，并且当注水压力出现峰值时，停止注水，并且由注水口向外抽水直至注水口的水压降低至峰值的30-50％，再重新以相同的注水速率继续注水。
作为本发明一种优选的技术方案，在步骤400中，所述预定排水方案具体为：按照需求分别打开若干个相互独立的排水阀门或者选择性的打开目标层位的排水阀门。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过可以根据设计方案，模拟不同渗透率煤岩类型叠置状态下压降传递的规律，卡定凹槽多个卡孔的设计，使得本实验装置不止适用于四各岩层叠置，可以根据需要自行设计，排水阀门在岩层中的管壁布满小孔，模拟了排采过程中射孔的效果，把传感器传输的结果用计算机进行压力等值线的绘制，直观分析压力分布规律。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明实验装置剖面结构示意图；
图3为本发明排水管结构示意图；
图4为本发明压力机结构示意图；
图5为本发明实验结果压力分布等值线示意图；
图6为本发明流程示意图；
图中标号：1-实验装置；2-伺服注水压力泵；3-注水管道；4-等距刻度线；5-分层区间；6-排水管；7-压力传感器；8-压力机；
101-试验腔体；102-腔体盖；103-卡合凸起块；104-卡定凹槽；105-注水管；106-出水管；107-压力表；108-注水阀门；109-出水阀门；110-铁丝网；111-咬合卡齿；112-气密性垫圈；
601-排水阀门；602-通孔；603-射流导管；604-鱼鳔腔体；
801-压力加载平台；802-压力导向柱；803-压力加载压板；804-防滑定位纹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，本发明提供了一种模拟煤层气排采过程中差异压降的装置，包括实验装置1和伺服注水压力泵2，所述实验装置1和伺服注水压力泵2之间通过注水管道3连通，在上述中，伺服注水压力泵2具体指的是由伺服电机和注水泵组合而成的，与单纯的注水泵相比较，其区别特征在于：动力泵的输出较为单一，而伺服电机可以精确控制，因此在实际上可以按照需要改变输出功率的大小，而在本实施方式中，则是通过注水口压力的大小作为调整伺服电机功率的主要参照因素，通过注水口压力的变化来改变伺服电机的功率，从而达到控制注水泵注水压力的目的。
所述实验装置1包括试验腔体101和腔体盖102，所述试验腔体101上端边缘设有卡合凸起块103，且所述腔体盖102通过设在其四周边缘的卡定凹槽104与卡合凸起块103卡合连接。通过卡合凸起块103和卡定凹槽102的咬合连接，实现试验腔体101和腔体盖102的密闭连接，而进一步优选的是，所述卡定凹槽104呈l型固定安装在腔体盖102的边缘，所述卡定凹槽104内侧固定安装有若干个等间距均匀分布的咬合卡齿111，所述咬合卡齿111的内宽等于卡合凸起块103的外宽，所述卡合凸起块103呈环状固定安装在试验腔体101的上端，且卡合凸起块103外侧与腔体盖102内壁贴合接触，在所述卡合凸起块103外侧与腔体盖102内壁的接触处设有呈环形的气密性垫圈112。在上述中，由于卡定凹槽104的连接位置可选，因此，可以根据型煤充满程度来进行灵活的调整，使得本实验装置不止适用于图中所示的三层或者四层煤岩层的叠置，而可以根据需要进行自行设计煤岩层的厚度和叠置层数，提高实际模拟过程中的使用性。
所述试验腔体101底部和腔体盖102顶部分别设有注水管105和出水管106，在本实施方式中，注水管105设置在下端，出水管设置在上端，保证注水过程中，压力在整个实验装置的试验腔体101中较为均匀地传递，防止在内部形成优势通道而使得内部压力分布不均。所述注水管105和出水管106均通过内置的压力表107测量水压，在这里需要特别说明的是，压力表107采用的是非常规机械压力表，而采用的是电子式的，而且进一步地，能够将测量的压力数据传输至计算机系统中或者伺服电机的控制系统中，这两个系统在现有技术中已经得到了较为广泛的应用，其具体的结构方式以及工作模式在此就不再进行赘述，且注水管105和出水管106内分别设有注水阀门108和出水阀门109，所述出水管106通过导管穿过腔体盖102与试验腔体101连通，所述注水管105与试验腔体101的连接处以及导管与试验腔体101的连接处均设有铁丝网110。
在上述中，设置的铁丝网110可以防止型煤所处的出水口的压力集中而使得型煤由于应力集中而发生破碎，避免改变整个装置中局部位置型煤的形状和粒度，使得整个装置均处于统一的环境中。
所述试验腔体101内壁由下至上均匀设有四条相互平行的等距刻度线4，所述等距刻度线4将试验腔体101分为若干个分层区间5，并且在每个分层区间5的侧面腔体上均设有排水管6，在每个所述排水管6内设有排水阀门601，所述试验腔体101内设置有多组垂直于等距刻度线4的压力传感器7，且每组压力传感器7在纵向上等间距均匀分布。
上述内容中，压力传感器7除了在纵向上等间距均匀分布之外，在水平方向上，是越靠近排水阀门601，其排列就越密集，这样设置的作用在于使得靠近排水阀门的区域应力变化适应压力数据的收集。而且，在上述中，压力传感器7测量获得的压力数据用于计算机进行压力等值线的绘制，能够直观的分析压力分布规律。
另外，所述排水管6的管壁上设有若干个均匀分布的通孔602，在排水管6上的试验腔体101内部管壁上，分布众多的通孔602用来模拟井壁上的射孔，进而模拟煤层气开采中射孔的效果，并且通孔602使得煤岩与排水管6内部连通，所述通孔602所在的管壁上均固定安装有漏斗状的射流导管603，在射流导管603与排水管6的连接端设有鱼鳔腔体604，而设置的射流导管603和鱼鳔腔体604则是用来提高吸收效率的，避免由于空气压力的存在而导致气体或者液体排出不畅。
作为本实施方式的优选，还包括压力机8，所述压力机8包括压力加载平台801和四根压力导向柱802，所述压力导向柱802固定安装在试验腔体101的四角，所述压力加载平台801沿着压力导向柱802竖向运动，能够平稳的施加垂直向的压力，而且在所述压力加载平台801底部固定安装有呈正四棱台状的压力加载压板803，使得垂直向的压力均衡，进一步的，在所述压力加载压板803的底面上固定安装有若干相互交叉的防滑定位纹804，能够与型煤形成一个压制的防滑动纹路，与压力加载压板803相配合使用，可以防止由于压力加载压板803底面不平而导致的侧向滑动。
另外，如图6所示，在本发明中还提供了一种模拟煤层气排采过程中差异压降的方法，包括如下步骤：
步骤100、煤样准备，将各煤岩类型的煤样使用粉碎机进行破碎，并筛选足量所需粒径的煤粉，按照配比与石膏粉进行充分混合。
成型所用的煤样由不同煤岩类型、粒径的煤粉和石膏粉组成，粒径均大于120目小于200目，其中，光亮煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝93：0：7；半亮煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝85：8：7；半暗煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝70：23：7；暗淡煤的粒径配比为：(60～80目煤粉)：(120～200目煤粉)：石膏粉＝50：43：7。
步骤200、型煤成型，将混合好的煤样分批次加入试件箱，加入适量清水，使用成型压力机按一定的成型压力成型，并撤掉压力机，用腔体盖密封好实验装置。
在本实施方式中，煤样的叠置可以根据需求设定不同的实验方案，例如：
由上至下依次为暗淡煤、半暗煤、半暗煤、光亮煤或者由上至下依次为光亮煤、半亮煤、半暗煤、暗淡煤，也就是说，在实际煤层中各种叠置类型均是可以出现的。
在步骤200中，压力成型的具体步骤为：
步骤201、逐次将煤样和适量的清水充分混合湿润
步骤202、每次对煤样给予成型压力成型，每次加入煤样成型的煤层厚度至等距刻度线上，成型后保持成型压力稳定1h时间；
步骤203、在逐次对煤样成型时，将各类传感器植入煤层指定位置，并且按照分层区间逐层安装排水阀门。
步骤300、模型注水，通过伺服注水压力泵向模型中注水，直至出水口压力达到设定值，停止注水并关闭注水阀门。
在步骤300中，模型注水的具体步骤为：
步骤301、接通伺服注水压力泵，向模型中注入，直至出水口出水后关闭出水阀门；
步骤302、保持同样的注水速率持续注水，并且设置伺服注水压力泵的注水压力，当注水口处压力达到2.1mpa时停止注水，小于2.05mpa继续注水，直至出水口压力达到2mpa，这样能够保证整个腔体内部的地层压力在2mpa-2.1mpa，避免造成注水阀门附近压力高，出水阀门附近压力低的情况，影响模拟效果；
步骤303、关闭注水阀门，停止注水。
而且，进一步地，在上述步骤中，当通过伺服注水压力泵向腔体内注水直至出水口出水后，保持相同注水速率注水时，绘制注水口的注水压力随时间的变化图，并且当注水压力出现峰值时，停止注水，并且由注水口向外抽水直至注水口的水压降低至峰值的30-50％，再重新以相同的注水速率继续注水。
需要补充说明的是，采用上述注水的方法的优点在于：一方面间歇性的注水，可以使得注水效率更高，而且各个区间位置的压力分布比较均匀，而至于另外一个方面，则在于，由于煤岩中各种成分比较复杂，内部结构也是比较混乱的，在压力机的压制成型中，会存在一些堵塞，直接进行持续性的注水，将有可能会引起煤层之间通道的堵塞，而通过上述“注水-抽水-注水-抽水”的循环可以避免孔隙和吼道的暂时性堵塞，使得注水的压力可以均匀的分布在整个模型中。
步骤400、测绘压力分布，按照预定排水方案打开对应的排水阀门，并将压力传感器的压力数据用电脑处理，绘出压力等值线，分析压力分布。
在步骤400中，所述预定排水方案具体为：按照需求分别打开若干个相互独立的排水阀门或者选择性的打开目标层位的排水阀门。
基于上述，在本发明中，煤岩样品的叠置方式具体采用由上到下依次为暗淡煤、半暗煤、半亮煤和光亮煤的相互叠置，排水方案具体为只打开光亮煤所在分层区间的排水管，实验中压降的分布规律如图5所示。
如图5所示，光亮煤压降传播速度最快，而暗淡煤的压降传播速度最慢，符合渗流理论。并且，煤层属于低渗透率储层，尤其在暗淡煤中，可能存在启动压力梯度，如果压降梯度小于启动压力梯度，其中的水可能会完全不流动，从而使得赋存在暗淡煤中的气体无法通过压降解吸扩散出来，从而成为“死气”，对产气不做贡献。另外，图5只是某个时刻的图形，实际上，压力传感器的数据会不断的变化，计算机计算所形成的压降分布规律也是一个动态变化的图，从而可以详细模拟整个压降的动态过程。
需要进一步理解的是，本实施方式中的图5只是本申请的一个具体实施例，应当理解的是，即使是同一种设计方案，即煤岩叠置方式相同，在排水过程中只打开了暗淡煤，或者采用其它的排水方案，其压降情况是不同的，又或者采用不同的煤岩叠置方式，其压降情况也是不同的，需要根据煤岩叠置方式以及具体的排水方案综合确定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。