一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种煤层气水平井卸压试验装置及试验方法，特别是涉及一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验装置及试验方法，属于煤层气开采领域。

背景技术：

构造煤是指煤层受构造应力作用，原生结构、构造受到强裂破坏而产生碎裂、揉皱、擦光面等构造变动特征的煤。构造煤广泛发育和构造煤煤层气资源丰富是中国煤与煤层气资源的显著特征，构造煤资源量占我国已发现煤炭资源的比例很高，构造煤煤层气资源量占我国煤层气资源总量的比例更大。构造煤具有富气、低渗、松软等突出特征，多为煤与瓦斯突出煤层，因危害大且抽采利用困难，煤矿生产中多将其风排到大气中，构造煤煤层气的高效开发对能源、安全、生态具有十分突出的意义。

基于疏水降压解吸采气理论的方法是当前原位煤层气地面井开发的主要方法，由于构造煤储层渗透率极低且水力压裂等改造方式效果很差，疏水降压解吸采气理论不适合应用于构造煤储层，勘探开发实践结果也表明，基于疏水降压解吸采气理论基础的煤层气勘探开发技术，包括svr技术系列(直井压裂、u形井、多分枝水平井、水平井压裂等)、ecbm技术系列(co2-ecbm、n2-ecbm等)及其复合技术，均无法实现构造煤煤层气的高效开发。因而，构造煤煤层气高效勘探开发技术与装备成为制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要技术瓶颈之一。

随着对煤层气开采技术的深入研究，煤矿区被保护层构造煤煤层气采动卸压增透开发理论为构造煤原位煤层气的开采提供了新的思路，因此，研创一种适用于构造煤原位煤层气井的卸压增透试验装置及方法，对于实现构造煤原位煤层气水平井塌孔造洞穴试验研究具有重要的理论指导意义，为打破我国构造煤原位煤层气地面井高效开发技术瓶颈奠定理论和实际生产指导基础。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验装置及试验方法，能够实现模拟松软构造煤储层水平井塌孔造洞穴及应力释放，为构造煤原位煤层气的实际采动卸压增透提供指导依据。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验装置，包括高压脉动流体注入模块和井下喷射模块，所述的高压脉动流体注入模块包括液压泵、液压缸、高模量弹簧、冲击压力腔和恒速恒压泵，所述的液压泵与液压缸液动连接，导杆右端与高模量弹簧的右安装板固定连接、左端穿过高模量弹簧的左安装板并与其滑动连接，液压缸的活塞杆与导杆同轴设置，在液压缸活塞杆端面与导杆左端面之间设有电磁离合器；冲击压力腔内的冲击活塞左端伸出冲击压力腔并与高模量弹簧的右安装板固定连接，冲击压力腔的空腔与恒速恒压泵的出口连通，冲击压力腔的出口管路与井下喷射模块连通；液压泵的出口管路上设有压力传感器一，高模量弹簧的右安装板上设有位移传感器，液压泵的进水口管路置于储液池内；所述的井下喷射模块置于样品仓内的相似材料煤层内水平井水平段靠近井口的一侧，喷头的出液口朝向样品仓内直井一侧。

进一步的，所述的试验装置还包括磨料罐和混合腔，磨料罐出口、冲击压力腔出口与混合腔入口连通，混合腔的出口与井下喷射模块连通；磨料罐的出口处设有截止阀，在冲击压力腔出口管路上设有与磨料罐罐口连通的支路、支路上设有压力传感器二。

进一步的，所述的试验装置还包括中间容器，中间容器的入口与恒速恒压泵出口连通、中间容器的出口与冲击压力腔连通。

进一步的，所述的喷头内部进水段为圆柱段、出水段为喷嘴，所述的喷嘴为自进水口至出水口内径逐渐减小的锥形，在圆柱段和喷嘴之间设有加旋元件，加旋元件、喷嘴与圆柱段同轴设置。

进一步的，所述的加旋元件为外圆盘旋有螺旋轨道的圆柱体，其外圆与圆柱段的内径相配合。

一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验方法，包括如下步骤：

1)布置好各个设备的位置并将设备连接；

2)根据试验需要的脉冲频率，设置电磁离合器断电频率、恒速恒压泵的注水频率、液压缸的往复运动频率，三者一致；根据试验需要的冲击强度，设置位移传感器的位移量，进而控制液压缸往复行程及高模量弹簧压缩量；

3)启动液压泵和恒速恒压泵，分别向液压缸和冲击压力腔内注入液体，同时电磁离合器通电工作，液压缸带动导杆向左移动压缩高模量弹簧；

4)当位移传感器检测到的高模量弹簧的压缩度达到试验设计压缩长度时，液压缸活塞杆停止移动，待冲击压力腔内充满液体后，恒速恒压泵停止注入液体、电磁离合器断电停止工作，导杆与液压缸脱离，高模量弹簧的回复力使得冲击活塞快速右移，对冲击压力腔内的液体形成瞬间脉冲动力，经过井下喷射模块三级加速后注入到相似材料煤层的水平井内；

5)高模量弹簧回复力释放完成后，液压缸活塞杆右移至与导杆接触；

6)按照步骤2)设置的参数，重复步骤3)至步骤5)；

7)试验结束后，拆卸管路，打开样品仓，取出试验后的相似材料、井下喷射模块，清洗样品仓内部。

进步一的，上述的步骤2)中，设置截止阀的开启和关闭频率与液压缸的往复运动频率一致。

本发明通过液压缸、液压泵、高模量弹簧、冲击压力腔和恒速恒压泵组成高压脉动流体注入模块，解决了实验室用脉动泵流量小、冲击强度低、控制精度低，无法满足试验需求的问题，实现了以一定脉冲频率向水平井洞穴注入高压高速流体，切割、破碎煤体，模拟构造煤煤层气水平井压力脉动激励和应力释放(即卸压增透)的试验，为洞穴卸压开发技术研发、参数优化、可行性评价、产能预测模型建立等奠定了理论基础，并为开发技术装备研制的室内测试提供了平台。

附图说明

图1是本发明的试验装置原理图。

图2是喷头的结构示意图。

图中：1、储液池，2、液压泵，3、压力传感器一，5、液压缸，6、高模量弹簧，7、导杆，8、位移传感器，9、冲击压力腔，10、冲击活塞，11、电磁离合器，12.1、阀门一，12.2阀门二，12.3、阀门三、12.4、阀门四，12.5、阀门五，12.6、阀门六，12.7、阀门七，13、中间容器，14、恒速恒压泵，15、压力传感器二，16、磨料罐，17、截止阀，18、混合腔，19、样品仓，19.1、相似材料煤层，19.2、水平井，19.3、直井，20、喷头，20.1、圆柱段、20.2、加旋元件，20.3、喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明(以下描述中的左右方向与图1中的左右方向相同)。

如图1所示，一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验装置，包括高压脉动流体注入模块和井下喷射模块，所述的高压脉动流体注入模块包括液压泵2、液压缸5、高模量弹簧6、冲击压力腔9和恒速恒压泵14，所述的液压泵2通过电磁阀与液压缸5液动连接，导杆7右端与高模量弹簧6的右安装板固定连接、左端穿过高模量弹簧6的左安装板并与其滑动连接，液压缸5的活塞杆与导杆7同轴设置，在液压缸5活塞杆端面与导杆7左端面之间设有电磁离合器11；冲击压力腔9内的冲击活塞10左端伸出冲击压力腔9并与高模量弹簧6的右安装板固定连接，冲击压力腔9内位于冲击活塞10右侧的空腔与恒速恒压泵14的出口连通、连通管路上设有阀门一12.1，冲击压力腔9的出口管路与井下喷射模块连通、连通管路上设有阀门四12.4；液压泵2的出口管路上设有压力传感器一3，高模量弹簧6的右安装板上设有位移传感器8，液压泵2的进水口管路置于储液池1内；所述的井下喷射模块置于样品仓19内的相似材料煤层19.1内水平井19.2水平段靠近井口的一侧，喷头20的出液口朝向样品仓19内直井19.3一侧。

所述的试验装置还包括磨料罐16和混合腔18，磨料罐16出口、冲击压力腔9出口与混合腔18入口连通，混合腔18的出口与井下喷射模块连通；在液体中加入一定比例的磨料，可以增大液体切割煤岩的能力，提高卸压增透效率；磨料罐16的出口处设有截止阀17，用于控制向混合腔18内输入磨料；在混合腔18出口与井下喷射模块之间的管路上设有控制流体的总阀门即阀门六12.6；在冲击压力腔9出口管路上设有与磨料罐16罐口连通的支路、支路上设有压力传感器二15；在冲击压力腔9与压力传感器二15之间的支路管路上设有阀门三12.3，在压力传感器二15与磨料罐16之间的管路上设有阀门五12.5；在磨料罐16的顶部设有阀门七12.7。

所述的试验装置还包括中间容器13，中间容器13的入口与恒速恒压泵14出口连通、连通管路上设有阀门二12.2，中间容器13的出口与冲击压力腔9连通。能够使得恒速恒压泵14的液体流动压力和流速更加稳定。

如图2所示，所述的喷头20内部进水段为圆柱段20.1、出水段为喷嘴20.3，所述的喷嘴20.3为自进水口至出水口内径逐渐减小的锥形，在圆柱段20.1和喷嘴20.3之间设有加旋元件20.2，加旋元件20.2、喷嘴20.3与圆柱段20.1同轴设置；流体进入喷头20后，经过加旋元件20.2后具有三维速度，由直线流动方式变为旋转流动方式，经过锥形的喷嘴20.3后，速度增加为高速射流，从而对煤层的冲击更加有力，卸压效果更好。

所述的加旋元件20.2为外圆盘旋有螺旋轨道的圆柱体，其外圆与圆柱段20.1的内径相配合，便于安装在喷头20内。

一种构造煤原位煤层气水平井卸压试验方法，包括如下步骤：

1)布置好各个设备的位置并将设备连接；

2)根据试验需要的脉冲频率，设置电磁离合器11断电频率、恒速恒压泵14的注水频率、液压缸5的往复运动频率，三者一致；根据试验需要的冲击强度，设置位移传感器8的位移量，进而控制液压缸5往复行程及高模量弹簧6压缩量；

3)打开阀门一12.1、阀门二12.2、阀门三12.3、阀门四12.4和阀门六12.6，启动液压泵2和恒速恒压泵14，分别向液压缸5和冲击压力腔9内注入液体，同时电磁离合器11通电工作，液压缸5带动导杆7向左移动压缩高模量弹簧6(此过程中，高模量弹簧6的左安装板相对于液压缸5外缸筒静止不动)；

4)当位移传感器8检测到的高模量弹簧6的压缩度(即高模量弹簧6右安装板的位移)达到试验设计压缩长度时，液压缸5活塞杆停止移动，待冲击压力腔9内充满液体后，恒速恒压泵14停止注入液体、电磁离合器11断电停止工作，导杆7与液压缸5脱离，高模量弹簧6的回复力使得冲击活塞10快速右移，对冲击压力腔9内的液体形成瞬间脉冲动力，经过井下喷射模块三级加速后注入到相似材料煤层19.1的水平井内；

5)高模量弹簧6回复力释放完成后，液压缸5活塞杆右移至与导杆7接触；

6)按照步骤2)设置的参数，重复步骤3)至步骤5)，冲击压力腔9内的液体即会以试验设计的脉冲频率、压力、速率，对相似材料煤层19.1进行切割、破碎，造成相似材料煤层水平井水平段空间坍塌破坏形成卸压洞穴，便于后续煤层气的开采；

7)试验结束后，拆卸管路，打开样品仓19，取出试验后的相似材料、井下喷射模块，清洗样品仓19内部。

步骤2)中，设置截止阀17的开启和关闭频率与液压缸5的往复运动频率一致。如此，即可在高压、高速液体中添加磨料，增加液体对相似材料煤层的切割力。