多层叠置含气系统垂直井开采模拟试验方法与流程

本发明属于煤层气开采模拟试验技术领域，具体地讲，特别涉及一种多层叠置含气系统垂直井开采模拟试验方法。

背景技术：

目前，随着经济持续发展对能源需求的日益增加和常规油气资源的日益短缺，世界各国都在积极寻找开发新的能源，以弥补常规油气资源的缺口。煤层气(俗称瓦斯)是制约煤矿井下安全生产的主要因素之一，但也是一种优质的能源，可用于发电、取暖、化工等众多领域。因此，合理地开发煤层气资源，不仅可以大幅减少矿难事故的发生，而且有助于减少国民经济对常规油气资源的依赖。

中国地域辽阔，煤层气资源丰富，资源总量为30×10¹²～35×10¹²m³，其中埋深300～1500m范围内煤层气总资源量约为25×10¹²m³。随着传统煤层气勘探开发热点地区(沁水盆地、鄂尔多斯盆地等)的研究逐渐完善，其他地区、类型的煤层气藏成为煤层气行业新的研究、勘探、开发增长点。滇东黔西地区煤层气资源勘探是国家“十三五”规划的内容之一，该区具有“一弱、两多、三高、四大”的地质特点：即龙潭组富水性弱，控气构造类型多和煤层层数多，煤层含气量高、资源丰度高、储层压力及地应力高，以及煤层气资源量大、煤级变化大、煤层渗透性变化大和地质条件垂向变化大。相比单一煤层而言，多煤层条件下的煤层气储藏具有其特殊性，前人基于对织纳煤田水公河向斜的分析研究，初步提出和论证了“多层叠置独立含煤层气系统”的学术观点。

由于西南地区的上述地质条件特点，一方面构成了该区丰富的煤层气资源基础，另一方面我国北方乃至国外行之有效的煤层气常规开发技术在该区无法适用。目前关于煤层气开采的研究多集中在单一煤层，急需新理论、新技术、新工艺来指导西南地区多层叠置含气系统垂直井开采。因此，针对该区地质条件的这一特殊性，研究和发展适用的开采工艺和技术，成为推进该区煤层气规模性开发的必然选择。所以，开展多层叠置含气系统垂直井开采模拟试验，研究其开采过程中储层物性动态演化规律及层间干扰机制，对协调多层叠置发育地区各系统进行有序、递进开发，避免开采过程中系统间的相互干扰，实现煤层气资源高效经济开发，具有十分重要的理论研究价值和实际指导意义。

传统的煤与瓦斯抽采模拟试验箱和抽采管均针对单层含气系统设计，并不能模拟多层叠置含气系统，也不能实现多层叠置含气系统垂直井的分层抽采。申请号为“201310025098.1”的发明专利提供了一种“多场耦合煤层气抽采模拟试验方法”，在该专利的申请文件中介绍了用于模拟多煤层含气系统开采的设备和方法，但是该方法和设备只能用作多煤层合层同时开采，无法进行单层依次开采或递进开采试验，并且无法观测不同煤层各自的瓦斯流量，不利于研究不同煤层之间的相互影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可用于进行单层依次开采、多层递进开采、合层开采的多层叠置含气系统垂直井开采模拟试验方法，便于为多层叠置含气系统垂直井开采的方案选型提供实验依据。

本发明的技术方案如下：一种多层叠置含气系统垂直井开采模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、试验准备

1a)将煤样破碎并筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；

1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行加压成型，并在试件箱内埋入抽采管和传感器；

所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板，在所述箱体内底设置有与竖向压头一一对应的透气板，在每一所述透气板下方均设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与箱体内腔贯通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并各自固定连接有管接头；

所述抽采管沿箱体长度方向布置，并且抽采管包括固定在箱体上的外管和插装在外管内的内管，在所述外管上设有与透气板一一对应的抽采区，在外管的每一抽采区上均开设有外抽采孔，在所述外管相邻的两个抽采区之间设置有隔板，所述隔板将相邻的抽采区密封隔断；所述内管的数量与抽采区的数量一一对应，内管的内端伸入对应抽采区内，并且在内管上开设有位于对应抽采区内的内抽采孔；

所述煤样和相似材料沿箱体长度方向间隔布置，并且煤样位于透气板正上方，相似材料位于相邻透气板之间部位的上方；

1c)检查密封效果；

1d)连接传感器和电脑；在每一所述气流通道的管接头上通过进气管路各自连接有真空泵，在每一所述内管的外端各自连接有出气管路，并在每一所述出气管路均上安装有流量计，将所有的出气管路均与开采总管连通，所述开采总管用于收集气体；

步骤2、加载应力

开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头对型煤施加预定应力；

步骤3、瓦斯吸附

关闭出气管路，启动真空泵对煤样进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵，将进气管路与甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶进行充气，按照预定的吸附平衡气压对各个煤层进行充分吸附；

步骤4、煤层气开采

关闭所有的进气管路，按照试验设定的开采方式，打开相应的出气管路，进行瓦斯开采模拟试验；

步骤5、结束一次试验

关闭应力加载及数据采集系统，结束一次试验；

步骤6、同组其他试验

改变开采方式，重复试验。

本发明通过采用新的试件箱和抽采管，从而针对多层叠置含气系统垂直井提出新的模拟试验方法，便于进行单层依次开采模拟和多层递进开采模拟，并且可以根据需要对不同煤层设置不同瓦斯含量，更加逼真地模拟现实情况，便于为多层叠置含气系统垂直井开采的方案选型提供实验依据。

作为优选，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置有四个，所述竖向压头与第二水平压头一一对应布置有四个，所述透气板与竖向压头一一对应布置有四个，所述外管上的抽采区与透气板一一对应布置有四个，所述内管与抽采区一一对应布置有四个，所述煤层有四层，从远离第一水平压头的一端开始将煤层依次标定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；所述相似材料在煤层之间间隔布置有三层。

在所述步骤4中，打开所有的出气管路，采用合层开采方式模拟瓦斯开采。这样模拟合层开采，为实际开发提供试验依据。

在所述步骤4中，采用单层开采的方式模拟瓦斯开采，包括以下步骤，先打开煤层Ⅳ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅳ的气压降至0.1MPa以下；然后打开煤层Ⅲ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅲ的气压降至0.1MPa以下；再打开煤层Ⅱ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅱ的气压降至0.1MPa以下；最后打开煤层Ⅰ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅰ的气压降至0.1MPa以下。这样模拟单层依次开采，为实际开发提供试验依据。

在所述步骤4中，采用递进开采的方式模拟瓦斯开采，包括以下步骤，先打开煤层Ⅳ所对应的出气管路进行抽采，然后打开煤层Ⅲ所对应的出气管路进行煤层Ⅳ和Ⅲ合层抽采，再打开煤层Ⅱ所对应的出气管路进行煤层Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ合层抽采，最后打开煤层Ⅰ所对应的出气管路进行煤层Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ合层抽采。这样模拟多层递进开采，为实际开发提供试验依据。

所述箱体内压制成型的型煤大小为400mm*400mm*1050mm。

在所述步骤1进行型煤成型时，对型煤沿竖直方向分四次铺设和加压成型，即先在箱体底部相应位置铺设煤样和相似材料，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；接着进行第二次煤样和相似材料的铺设和加压成型，然后安装抽采管；再进行第三次、第四次铺设和加压成型，并埋入相应位置的传感器。这样分四次对型煤进行压制成型，一方面使型煤的成型更加密实，另一方面便于传感器和抽采管的布置。

所述传感器包括36个气体压力传感器，用于监测瓦斯压力；8个温度传感器，用于监测煤层温度；8个土压力盒，用于监测煤层压力；以型煤靠近第一水平压头一端下方的一个角为原点、以型煤的长度方向为Z轴、竖直方向为X轴、与第二水平压头施压相反的方向为Y轴建立坐标系，所述传感器分别布置在Z＝133mm、Z＝395mm、Z＝657mm和Z＝919mm四个断面上；在每一断面分布有9个气体压力传感器、2个温度传感器和2个土压力盒，其中9个气体压力传感器以断面的外切圆圆心为中心，呈“+”分布，2个所述温度传感器分别位于断面上(X,Y)＝(300,100)和(X,Y)＝(300,300)的位置，2个所述土压力盒分别位于断面上(X,Y)＝(100,100)和(X,Y)＝(100,300)的位置。

步骤1中型煤成型在压制平台上进行，所述压制平台包括长条形的底座，在所述底座上通过四个支撑柱安装有左右两个反力座，所述支撑柱的下端与底座固定，所述反力座的前后两端各自固套在支撑柱上，并且在底座上还固定有竖向的支撑螺杆，在所述支撑螺杆上套装有致恒螺母，所述反力座活套在支撑螺杆上并通过支撑螺母支撑，在底座上安装有两根滑轨，所述滑轨位于两个反力座之间，所述试件箱的底部与滑轨配合；在每一反力座上均插装有至少两个夹紧杆，所述夹紧杆与反力座螺纹配合，夹紧杆的内端与试件箱侧壁抵紧，夹紧杆的外端固定有手轮。这样设置压制平台进行型煤成型，通过夹紧杆抵紧试件箱侧壁，有效地避免了成型过程中压力导致试件箱变形，一方面使试验数据更加准确可靠，另一方面有利于延长试件箱的使用寿命。并且反力座活套在支撑螺杆上并通过螺母支撑，便于通过螺母调节反力座的高度。

有益效果：本发明通过采用新的试件箱和抽采管，从而针对多层叠置含气系统垂直井提出新的模拟试验方法，便于进行单层依次开采模拟和多层递进开采模拟，便于为多层叠置含气系统垂直井开采的方案选型提供实验依据。

附图说明

图1为本发明的步骤示意图。

图2为试件箱和抽采管的结构示意图。

图3为图2中箱体的俯视图。

图4为图2去掉抽采管的A-A剖视图。

图5为抽采管的结构示意图。

图6为图5的I部放大图。

图7为图5的J部放大图。

图8为型煤试件的坐标系示意图。

图9为传感器的布置示意图。

图10为压制平台的结构示意图。

图11为图10的B-B剖视图。

图中标记如下：外管1、隔板2、内管3、外接头4、第一挡板4a、压套5、第二挡板5a、内接头6、第三挡板6a、通孔6b、管接头7、箱体8、“O”形密封圈9、箱盖10、竖向压头11、第三压板12、第一压板13、第一水平压头14、透气板15、第二水平压头16、第二压板17、气流通道18、气体压力传感器19、温度传感器20、土压力盒21、底座22、支撑柱23、支撑螺杆24、支撑螺母25、反力座26、夹紧杆27、手轮28。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图11所示，本发明包括一种多层叠置含气系统垂直井开采模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、试验准备

1a)将煤样破碎并筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；

1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行加压成型，并在试件箱内埋入抽采管和传感器；

所述试件箱包括箱体8和箱盖10，在所述箱盖10与箱体8顶部之间垫装有“O”形密封圈9。在所述箱体8沿长度方向的一端插装有第一水平压头14，所述第一水平压头14的内端固定有位于箱体8内的竖向的第一压板13，在所述箱体8沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头16，所述第二水平压头16沿箱体8的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头16的内端均固定有竖向的第二压板17，在所述箱盖10上插装有与第二水平压头16一一对应的竖向压头11，在每一所述竖向压头11的内端均固定有位于箱体8内的水平的第三压板12，在所述箱体8内底设置有与竖向压头11一一对应的透气板15，在每一所述透气板15下方均设有气流通道18，所述气流通道18的一端通过透气板15与箱体8内腔贯通，气流通道18的另一端贯穿箱体8外壁并各自固定连接有管接头7；

所述抽采管沿箱体8长度方向布置，抽采管与柱状型煤试件的中心轴同轴。并且抽采管包括固定在箱体8上的外管1和插装在外管1内的内管3，在所述外管1上设有与透气板15一一对应的抽采区，在外管1的每一抽采区上均开设有外抽采孔，在所述外管1相邻的两个抽采区之间设置有隔板2，所述隔板2将相邻的抽采区密封隔断；所述内管3的数量与抽采区的数量一一对应，内管3的内端伸入对应抽采区内，并且在内管3上开设有位于对应抽采区内的内抽采孔；

所述煤样和相似材料沿箱体8长度方向间隔布置，并且煤样位于透气板15正上方，相似材料位于相邻透气板15之间部位的上方。

1c)检查密封效果，检查步骤如下：

i)、关闭内管出气口，从气流通道18充入高压二氧化碳气体，使箱体内部吸附平衡后的气压为试验预定气压的1.2倍，然后关闭进气口；

ii)、监控箱体内气压数据，

如果在8h内，气压数据没有明显波动或下降量小于0.02MPa，则认为箱体密封完好；

如果气压数据下降量大于0.02MPa，但不超过0.1MPa，则认为箱体出现漏气，先采用皂液检漏法检查出漏气位置，并进行补救；

如果气压数据下降量大于0.1MPa，则箱体漏气非常严重，需要拆除箱盖重新安装。

1d)连接传感器和电脑；在每一所述气流通道18的管接头7上通过进气管路各自连接有真空泵，在每一所述内管3的外端各自连接有出气管路，并在每一所述出气管路均上安装有流量计，将所有的出气管路均与开采总管连通，所述开采总管用于收集气体。

步骤2、加载应力

开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头对型煤施加预定应力。

步骤3、瓦斯吸附

关闭出气管路，启动真空泵对煤样进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵，将进气管路与甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶进行充气，按照预定的吸附平衡气压对各个煤层进行充分吸附；其中抽真空时间为4小时，甲烷吸附时间为48小时。

步骤4、煤层气开采

关闭所有的进气管路，按照试验设定的开采方式，打开相应的出气管路，进行瓦斯开采模拟试验。

步骤5、结束一次试验

关闭应力加载及数据采集系统，结束一次试验。

步骤6、同组其他试验

改变开采方式，重复试验。

如图2、图3、图4、图5和图8所示，所述第二水平压头16沿箱体8的长度方向均匀布置有四个，所述竖向压头11与第二水平压头16一一对应布置有四个，所述透气板15与竖向压头11一一对应布置有四个，所述外管1上的抽采区与透气板15一一对应布置有四个，所述内管3与抽采区一一对应布置有四个，所述煤层有四层，从远离第一水平压头14的一端开始将煤层依次标定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；所述相似材料在煤层之间间隔布置有三层。

所述箱体8内压制成型的型煤大小为400mm*400mm*1050mm。

在所述步骤1进行型煤成型时，对型煤沿竖直方向分四次铺设和加压成型，即先在箱体8底部相应位置铺设煤样和相似材料，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；接着进行第二次煤样和相似材料的铺设和加压成型，然后安装抽采管；再进行第三次、第四次铺设和加压成型，并埋入相应位置的传感器。

如图8和图9所示，所述传感器包括36个气体压力传感器19，8个温度传感器20和8个土压力盒21；以型煤靠近第一水平压头14一端下方的一个角为原点、以型煤的长度方向为Z轴、竖直方向为X轴、与第二水平压头16施压相反的方向为Y轴建立坐标系，所述传感器分别布置在Z＝133mm、Z＝395mm、Z＝657mm和Z＝919mm四个断面上；在每一断面分布有9个气体压力传感器19、2个温度传感器20和2个土压力盒21，其中9个气体压力传感器19以断面的外切圆圆心为中心，呈“+”分布，2个所述温度传感器20分别位于断面上(X,Y)＝(300,100)和(X,Y)＝(300,300)的位置，2个所述土压力盒21分别位于断面上(X,Y)＝(100,100)和(X,Y)＝(100,300)的位置。

如图10和图11所示，步骤1中型煤成型在压制平台上进行，所述压制平台包括长条形的底座22，在所述底座22上通过四个支撑柱23安装有左右两个反力座26，所述支撑柱23的下端与底座22固定，所述反力座26的前后两端各自固套在支撑柱23上，并且在底座22上还固定有竖向的支撑螺杆24，在所述支撑螺杆24上套装有支撑螺母25，所述反力座26活套在支撑螺杆24上并通过支撑螺母25支撑，在底座22上安装有两根滑轨，所述滑轨位于两个反力座26之间，所述试件箱的底部与滑轨配合；在每一反力座26上均插装有至少两个夹紧杆27，所述夹紧杆27与反力座26螺纹配合，夹紧杆27的内端与试件箱侧壁抵紧，夹紧杆27的外端固定有手轮28。

如图5和图6所示，所述外管1通过均呈管状的外接头4和压套5安装在箱体8上，所述外接头4螺纹套接在外管1的外端，并且外接头4的外端周向延展形成圆环状的第一挡板4a。所述压套5插接在外管1的外端，并且压套5的外端周向延展形成圆环状的第二挡板5a，所述第二挡板5a将第一挡板4a压紧固定在箱体8的对应端板上。在所述压套5内插接有内接头6，所述内接头6的外端周向延展形成圆环状的第三挡板6a，所述第三挡板6a固定在压套5的第二挡板5a上，在所述内接头6内开设有与内管3一一对应的轴向通孔6b，所述通孔6b的内端与对应的内管3对接，在每一所述通孔6b的外端均连接有管接头7。在所述第一挡板4a与箱体8的对应端板之间垫有密封圈，在所述第二挡板5a朝向第一挡板4a的一侧开有凹陷部，所述第一挡板4a位于该凹陷部内，在所述第一挡板4a与第二挡板5a之间垫有密封圈，在所述第二挡板5a与第三挡板6a之间也垫有密封圈。

如图5和图7所示，所述内管3由前端封闭的管体构成，并且管体外壁呈前细后粗的阶梯状，使管体的外壁形成与隔板2相对应的台阶面，所述台阶面挡在对应隔板2的后端，并且在每一隔板2供内管3穿设的过孔内嵌装有与内管3外壁密封配合的密封圈。所述外管1每一抽采区上的外抽采孔均周向均布有多个，所述内管3上的内抽采孔所在区域正对所述外抽采孔所在区域。

在步骤4中，可以采用合层开采方式、或者单层开采方式，或者递进开采方式，具体根据试验方案而定。

如果试验方案是为了单独研究合层开采，在所述步骤4中，打开所有的出气管路，采用合层开采方式模拟瓦斯开采。

如果试验方案是为了单独研究单层开采，在所述步骤4中，采用单层开采的方式模拟瓦斯开采，包括以下步骤，先打开煤层Ⅳ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅳ的气压降至0.1MPa以下；然后打开煤层Ⅲ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅲ的气压降至0.1MPa以下；再打开煤层Ⅱ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅱ的气压降至0.1MPa以下；最后打开煤层Ⅰ所对应的出气管路进行单层抽采，直到煤层Ⅰ的气压降至0.1MPa以下。

如果试验方案是为了单独研究递进开采，在所述步骤4中，采用递进开采的方式模拟瓦斯开采，包括以下步骤，先打开煤层Ⅳ所对应的出气管路进行抽采，然后打开煤层Ⅲ所对应的出气管路进行煤层Ⅳ和Ⅲ合层抽采，再打开煤层Ⅱ所对应的出气管路进行煤层Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ合层抽采，最后打开煤层Ⅰ所对应的出气管路进行煤层Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ合层抽采。

也可以重复进行合层、单层、递进开采模拟，从而对这三种方式进行比较研究，具体试验参数设定如下表所示：