专利名称：煤层气垂直井产气量测试模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明属于煤层气安全生产技术领域，尤其涉及一种煤层气垂直井产气量测试模拟装置。
背景技术：
煤层气产业是“高风险、高投入、回报周期长”的产业，这一产业特点决定了在地面进行煤层气的开发前进行比较准确的经济评价就显得非常重要。能否获得利润，是由投入和产出两个条件决定的。投入中的重要指标包括钻井、测井、固井、压裂和排采等工程费用及管理方面的费用，工程方面的费用相对来说比较透明，经济评价时与实际出入不是很大，管理方面的费用根据经验也是比较容易估算的，与实际的出入也不大。煤层气产出中的重要指标是单位面积、单位时间内的产气量，产气时间、价格等组成。价格是比较容易估计的。因此，单位面积、单位时间内的产气量及产气时间的准确判断与否直接决定了经济评价的准确程度。为了获得比较准确的产能，国内外研究者采用体积法、理论公式与体积结合法、采收率预测法、历史拟合与数值模拟等方法对产能进行了研究。体积法的重要缺陷在于未过多考虑地质和工程因素对产能的影响，预测结果与实际出入很大；理论公式与体积结合法相对体积法来说是一种进步，相对考虑了一些储层参数对产能的影响，产能预测结果与体积法相比有所提高，但因其未考虑产气的中间过程，但与实际结果之间出入还是比较大；采收率预测法也是基于理论计算，把整个储层作为黑盒子进行处理，也未过多考虑产气的中间过程，预测结果也不甚理想。数值模拟方法与历史拟合法相结合是目前采用比较多的方法，主要是通过排采数据，调整模拟参数，使其与历史排采数据相对比较吻合，但这种方法人为控制因素很大，在没有排采数据的地区，预测结果受人为干扰很大，而不能比较客观地做出比较准确的评价。如何针对不同的煤储层特征，得出比较准确的煤层气井的产能，则是有的放矢实施地面煤层气工程、是减少工程投资风险、提高煤层气产业在人们心目中地位的重要保障。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种煤层气井产能预测准确的煤层气垂直井产气量测试模拟装置。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案煤层气垂直井产气量测试模拟装置，包括煤储层模拟系统、渗透率测试系统、数据显示控制系统和抽采模拟控制系统，煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统顺次通过管道连接，煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统分别通过数据线与数据显示控制系统连接。所述煤储层模拟系统包括构造相同的三个部分，每个部分均包括高压金属缸、高压气瓶、第一储水容器、第一气体压缩机、第一气管、第一水管、第一注水泵、第一气体流量计、第一液体流量计、第一压力传感器、第一 PID阀、第二压力传感器和第二 PID阀，相邻两个高压金属缸之间通过第一连接管连接，高压气瓶通过第一气管连接到第一连接管上，第一水管两端分别与第一储水容器和第一气管连接，第一气体压缩机、第一气体流量计、第一压力传感器、第一 PID阀沿气流方向顺次设在第一气管上，第一注水泵、第一液体流量计、第二压力传感器和第二 PID阀沿水流方向顺次设在第一水管上，第一连接管上设有第三压力传感器和第三PID阀；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一 PID阀、第二 PID阀和第三PID阀通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。所述渗透率测试系统包括气液分离器、第二注水泵、第四压力传感器、第二液体流量计、第二气体压缩机、第五压力传感器、第二气体流量计和气液混合器，气液分离器通过第二连接管与其中一个高压金属缸连接，第二连接管上设有第六压力传感器和第四PID阀，气液分离器的出气口与气液混合器的进口通过第二气管连接，气液分离器的出液口通过第二水管与第二气管连接，第二气体压缩机、第五压力传感器、第二气体流量计沿气流方向顺次设在第二气管上，第二注水泵、第四压力传感器、第二液体流量计沿水流顺次设在第二水管上；第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器和第四PID阀通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。所述抽米模拟控制系统包括电机、速度传感器、转轮、转轴、气缸、推拉杆、活塞、第二储水容器、气囊、第三气体流量计和第三液体流量计，气缸端部和侧部分别设有进口和出口，气缸的进口通过第三连接管与气液混合器的出口连接，第三连接管上沿气液流方向顺次设有第七压力传感器、第五PID阀和回压阀，电机的输出轴通过传送带与转轮传动连接，速度传感器设在电机的输出轴上，转轴与转轮同轴固定连接，转轴上设有U型的转环，推拉杆的一端与转环铰接，推拉杆的另一端与活塞连接，活塞滑动连接在气缸内，气缸的出口通过第四连接管分别与气囊和第二储水容器连接，第三气体流量计设在临近气囊的第四连接管上，第三液体流量计设在临近第二储水容器的第四连接管上；第七压力传感器、第五PID阀和速度传感器通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。所述数据显示控制系统为计算机。采用上述技术方案，本发明由煤储层模拟系统、渗透率测试系统、数据显示控制系统和抽采模拟控制系统等四大部分组成。煤储层模拟系统主要是对距井口不同距离下储层物性及排采时气、水相互影响导致的水相、气相相对渗透率进行模拟；煤储层模拟系统由串联的三个相同的部分组成，每个部分由煤储层模拟装置、气压控制装置及水压控制装置组成，煤储层模拟装置主要来装完全不同或近似相同的渗透率的煤样，用以模拟距井筒不同距离的煤储层的渗透率，气压控制装置主要用来模拟排采时煤储层中的气压能量，水压控制装置主要用来模拟排采时煤储层中的水势。渗透率测试系统主要对排采过程中气、水单相流时或混合流动时的气相渗透率、水相渗透率和气相相对渗透率、水相相对渗透率进行测试。数据显示控制系统主要是对排采过程进行监控并进行数据采集。抽采模拟控制系统主要用来模拟煤层气井的排采，包括排采动力装置与气、水产量收集装置。本发明针对目前各种预测方法无法较准确的预测出煤层气垂直井的产能，预测结果与客观实际出入较大的问题，充分考虑距离井口不同距离的储层物性参数的不同与排采强度等因素对产能的影响，模拟现场储层及排采条件，对产出过程的产气量进行计量，得出不同渗透率、不同排采工作制度等条件下的产气量，为不同储层参数条件下工作制度的制定、一定排采强度下煤层气垂直井的准确产能预测、准确经济评价提供依据。
本发明能够实时的测取排采过程中气、水流势的不同、不同井距引起的压差等的不同，导致的水相、气相相对渗透率及单一渗透率的不同，对其进行较准确计量，以便更好地了解这些参数对水、气渗透率的影响程度。本发明能够综合考虑排采强度、距离井口不同距离的压力梯度、煤储层渗透率、煤储层能量等的不同导致的排采过程气、水流动状态，气、水相对渗透率等的不同造成的产气量的不同，并对各种不同情况下的产气量进行较准确地计量，以便更好的了解这些参数对产气量的影响程度。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的煤层气垂直井产气量测试模拟装置，包括煤储层模拟系统1、渗透率测试系统I1、数据显示控制系统III和抽采模拟控制系统IV，煤储层模拟系统1、渗透率测试系统II和抽采模拟控制系统IV顺次通过管道连接，煤储层模拟系统1、渗透率测试系统II和抽采模拟控制系统IV分别通过数据线24与数据显示控制系统III连接。煤储层模拟系统I包括构造相同的三个部分，每个部分均包括高压金属缸9、高压气瓶1、第一储水容器2A、第一气体压缩机3A、第一气管25、第一水管26、第一注水泵4A、第一气体流量计5A、第一液体流量计6A、第一压力传感器7A、第一 PID阀8A、第二压力传感器7B和第二 PID阀8B，相邻两个高压金属缸9之间通过第一连接管27连接，高压气瓶I通过第一气管25连接到第一连接管27上，第一水管26两端分别与第一储水容器2A和第一气管25连接,第一气体压缩机3A、第一气体流量计5A、第一压力传感器7A、第一 PID阀8A沿气流方向顺次设在第一气管25上，第一注水泵4A、第一液体流量计6A、第二压力传感器7B和第二 PID阀8B沿水流方向顺次设在第一水管26上，第一连接管27上设有第三压力传感器7C和第三PID阀SC ;第一压力传感器7A、第二压力传感器7B、第三压力传感器7C、第一PID阀8A、第二 PID阀SB和第三PID阀SC通过所述数据线24分别与数据显示控制系统III连接。煤储层模拟系统I的三个部分依次相连以模拟距离井口不同距离时储层渗透性等物性参数的变化。高压金属缸9中可以装煤储层裂隙发育程度差别比较大的煤样，也可以装裂隙发育程度差别不大的煤样，以便更好地模拟不同地区煤储层条件。每个部分均设置有气压模拟控制装置、水压模拟控制装置模拟排采储层不同阶段中气压能量与水势的不同。其中，气压模拟控制装置主要由高压气瓶I (根据实验的需要，高压气瓶I的气体须对煤样有较弱的吸附性，拟设置为He)、第一气体压缩机3A、第一气体流量计5A、第一压力传感器7A、第一 PID阀8A (PID阀门能实现设置压差，来控制阀门打开与关闭，压差值可根据具体情况自由设定，压差可从O. OlMPa IOMPa不等，PID阀门可满足IOMPa以下的压力)等组成，主要通过气体压缩机对注入气体加压与设置PID阀控制加压值来模拟排采时气压能量并能实现气体的自动开启和关闭，以便更真实地模拟储层的产气过程。水压模拟控制装置主要由容积3mX 2mX 2m的第一储水容器2A、第一注水泵4A、第一液体流量计6A、第二压力传感器7B和第二 PID阀SB等组成，主要通过注水泵4A加压与第二 PID阀SB控制加压值来模拟水压能量系统。同时通过设置气压、水压模拟控制装置中第一 PID阀8A与第二PID阀8B模拟排采过程中气、水的单相流与双相流，模拟气、水流动时的相互影响。气压、水压模拟控制装置均与装入不同渗透性煤样的容积IOOmmX IOOmmX IOOmm立方体高压金属缸9相连，高压金属缸9连接有第三压力传感器7C和第三PID阀8C，其中通过设置与之相连的第三PID阀SC来模拟各个部分中启动压力梯度的不同，模拟各阶段储层排采时的相互影响。其中煤储层模拟系统I中的第一压力传感器7A、第二压力传感器7B、第三压力传感器7C、第一 PID阀8A、第二 PID阀8B和第三PID阀8C通过数据线24等均与数据显示控制系统III相连，以实现对实验过程的实时操控。渗透率测试系统II包括气液分离器10、第二注水泵4B、第四压力传感器7D、第二液体流量计6B、第二气体压缩机3B、第五压力传感器7E、第二气体流量计5B和气液混合器11，气液分离器10通过第二连接管28与其中一个高压金属缸9连接，第二连接管28上设有第六压力传感器7F和第四PID阀8D，气液分离器10的出气口与气液混合器11的进口通过第二气管29连接，气液分离器10的出液口通过第二水管30与第二气管29连接，第二气体压缩机3B、第五压力传感器7E、第二气体流量计5B沿气流方向顺次设在第二气管29上，第二注水泵4B、第四压力传感器7D、第二液体流量计6B沿水流顺次设在第二水管30上；第四压力传感器7D、第五压力传感器7E、第六压力传感器7F和第四PID阀8D通过所述数据线24分别与数据显示控制系统III连接。渗透率测试系统II主要是模拟测试排采过程中气、水单相流渗透性，气、水双相流气、水流动对其各自相对渗透性的影响，测试距离井口不同距离各阶段煤储层气、水流动的相互影响对渗透性的改变。排采时，当气体和液体流过高压金属缸9后，通过第六压力传感器7F记录此时流出的压力。在气液分离器10与第六压力传感器7F间安装第四PID阀8D，通过设置第四PID阀8D的启动压力来较真实的模拟煤储层中距井筒不同距离由于启动压力梯度不同引起的压力损失。气液分离器10主要用来把流出的气体和液体进行分离。经气液分离器10分离后，气路通过第二气体压缩机3B以便恢复到刚流出时的压力，为后续气体的准确计量做准备。水路通过第二注水泵4B以便恢复到流出时的压力，为后续水的准确计量做准备。通过第二气体流量计5B和第二液体流量计6B分别记录了流出的气体和液体流量后，经过气液混合器11进行汇集。通过记录流出的气体流量、水的流量、压力及流出高压金属缸9的压力、流量等，来对排采过程中水相相对渗透率、气相相对渗透率进行计算。抽采模拟控制系统IV包括电机12、速度传感器13、转轮15、转轴31、气缸19、推拉杆20、活塞21、第二储水容器2B、气囊16、第三气体流量计5C和第三液体流量计6C，气缸19端部和侧部分别设有进口和出口，气缸19的进口通过第三连接管32与气液混合器11的出口连接，第三连接管32上沿气液流方向顺次设有第七压力传感器7G、第五PID阀8E和回压阀22，电机12的输出轴17通过传送带14与转轮15传动连接，速度传感器13设在电机12的输出轴17上，转轴31与转轮15同轴固定连接，转轴31上设有U型的转环33，推拉杆20的一端与转环33铰接，推拉杆20的另一端与活塞21连接，活塞21滑动连接在气缸19内，气缸19的出口通过第四连接管34分别与气囊16和第二储水容器2B连接，第三气体流量计5C设在临近气囊16的第四连接管34上，第三液体流量计6C设在临近第二储水容器2B的第四连接管34上；第七压力传感器7G、第五PID阀SE和速度传感器13通过所述数据线24分别与数据显示控制系统III连接。
抽采模拟控制系统IV主要是模拟排采过程中外部能量系统的变化，为煤储层模拟系统I提供负压，使气、水产出并对产量进行计量。抽采模拟控制系统IV主要包括两部分，一是提供动力的抽采装置，由电机12的输出轴17通过传动带14带动转轴31转动，转轴31上转环33通过推拉杆20来带动活塞21在气缸19中做往返式的活塞运动，将通过渗透率测试系统II的气和水排出，其中电机12转速可根据实验需求进行调整，以模拟排采强度的变化，回压阀22同时为保证排采过程中渗透率测试系统II压降的连续性。二是收集计量装置，气囊16主要收集气体，第三气体流量计5C计量收集的气量；第二储水容器2B收集液体，并用第三液体流量计6C计量排采的水。数据显示控制系统III为计算机23，实时监控实验过程。其中通过与煤储层模拟系统I中的第一压力传感器7A、第二压力传感器7B、第三压力传感器7C、第一 PID阀8A、第二PID阀8B和第三PID阀8C进行连接，通过计算机21设置第一 PID阀8A、第二 PID阀8B和第三PID阀SC的压力值，实现对排采过程中的气、水单相流或气、水双相流与不同储层控制系统的产能控制。通过与渗透率测试系统II中第四压力传感器7D、第五压力传感器7E、第六压力传感器7F和第四PID阀8D进行连接，通过设置使得气液混合前后的压力相等。通过与抽采模拟控制系统IV中速度传感器13相连，实现对电机12转速的监控。本发明在工作使用时，采用以下步骤
(1)煤样分组制备
根据实验要求采集渗透性不同的煤样，制成IOOmmX IOOmmX IOOmm立方体，并依渗透性高、中、低三个层次进行组合分类，即每组煤样中均含有渗透性高、中、低3个煤样；(模拟储层渗透性不同对启动压力梯度的影响)也可根据实验目的的不同选取渗透性近似的煤样进行分组，同样每组为3个煤样。(模拟排采距离对启动压力梯度的影响)
(2)气密性检查
按照图1的示意连接管路，并向系统中注入少量气体，检查整个系统的气密性。(3)分组设置
结合现场测井资料，选取3组(可根据实验目的进行变更)渗透性有对比性的煤样，对每组煤样分别进行实验。将每组煤样按照渗透性由高到低的顺序依次放置于三个高压金属缸9中，根据三个高压金属缸9中煤样渗透性与测井排采资料，由启动压力梯度依次设置第三PID阀SC和第四PID阀8D。根据测井数据设定煤储层的内部气压、水压能量系统，即依次设置第一气体压缩机3A与第一注水泵4A ;根据排采数据，依次设定第一 PID阀8A、第二PID阀8B第三PID阀8C和第四PID阀8D实现气、水单双相流的转换。(4)渗透性测试设置
气、水经气液分离器10分离后，根据第六压力传感器7F设定第二气体压缩机3B与第二注水泵4B功率使得第四压力传感器7D、第四压力传感器7E和第六压力传感器7F相等；当气、水经过气液混合器11从新混合，设定第五PID阀SE使得第七压力传感器7G与第六压力传感器7F相等，而后实时记录实验中第二气体流量计5B、第二液体流量计6B与第六压力传感器7F的值。(5)实验与数据收集记录
分别对3组煤样进行实验，打开煤储层模拟系统I中所有的气、水阀门，启动抽采模拟系统IV中电机12，进行实验，实时收集记录抽采模拟系统IV中第三气体流量计5C计量的气量，第三液体流量计6C计量的水量；渗透性测试系统II中第二气体流量计5B计量的气量与第二液体流量计6B计量的水量；数据汇总与计算机23，并由计算机23进行实时监控与记录；改变电机12的转速，记录产量流量计第三气体流量计5C计量的气量，第三液体流量计6C计量的水量数据的变化，记录渗透性测试系统II中第二气体流量计5B计量的气量与第二液体流量计6B计量的水量与第七压力传感器7G的变化，记录煤储层模拟系统I中各自第一气体流量计5A、第一液体流量计6A、第一压力传感器7A、第二压力传感器7B、第三压力传感器7C、第四压力传感器7D和第五压力传感器7E的变化。(6)数据整理与分析
通过对电机12转速、各系统中气体流量计、液体流量计、压力传感器等测量装置的数据记录，分析排采强度(由速度传感器13读取)、煤储层内部能量(由气体流量计、液体流量计和压力传感器)、排采不同阶段、不同阶段煤储层组合等情况对排采产气量与气相、水相渗透性的影响。其中主要分析排采过程中气、水流势(由气压与水势影响)对各自渗透性的影响；3个不同阶段储层气、水的补给对其各自渗透性的影响；最终耦合分析排采强度、气压、水势、储层不同阶段等对排采时产能的影响。
权利要求
1.煤层气垂直井产气量测试模拟装置，其特征在于包括煤储层模拟系统、渗透率测试系统、数据显示控制系统和抽采模拟控制系统，煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统顺次通过管道连接，煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统分别通过数据线与数据显示控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的煤层气垂直井产气量测试模拟装置，其特征在于所述煤储层模拟系统包括构造相同的三个部分，每个部分均包括高压金属缸、高压气瓶、第一储水容器、第一气体压缩机、第一气管、第一水管、第一注水泵、第一气体流量计、第一液体流量计、第一压力传感器、第一 PID阀、第二压力传感器和第二 PID阀，相邻两个高压金属缸之间通过第一连接管连接，高压气瓶通过第一气管连接到第一连接管上，第一水管两端分别与第一储水容器和第一气管连接，第一气体压缩机、第一气体流量计、第一压力传感器、第一 PID阀沿气流方向顺次设在第一气管上，第一注水泵、第一液体流量计、第二压力传感器和第二PID阀沿水流方向顺次设在第一水管上，第一连接管上设有第三压力传感器和第三PID阀；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一 PID阀、第二 PID阀和第三PID阀通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
3.根据权利要求2所述的煤层气垂直井产气量测试模拟装置，其特征在于所述渗透率测试系统包括气液分离器、第二注水泵、第四压力传感器、第二液体流量计、第二气体压缩机、第五压力传感器、第二气体流量计和气液混合器，气液分离器通过第二连接管与其中一个高压金属缸连接，第二连接管上设有第六压力传感器和第四PID阀，气液分离器的出气口与气液混合器的进口通过第二气管连接，气液分离器的出液口通过第二水管与第二气管连接，第二气体压缩机、第五压力传感器、第二气体流量计沿气流方向顺次设在第二气管上，第二注水泵、第四压力传感器、第二液体流量计沿水流顺次设在第二水管上；第四压力传感器、第五压力传感器、第六压力传感器和第四PID阀通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
4.根据权利要求3所述的煤层气垂直井产气量测试模拟装置，其特征在于所述抽采模拟控制系统包括电机、速度传感器、转轮、转轴、气缸、推拉杆、活塞、第二储水容器、气囊、第三气体流量计和第三液体流量计，气缸端部和侧部分别设有进口和出口，气缸的进口通过第三连接管与气液混合器的出口连接，第三连接管上沿气液流方向顺次设有第七压力传感器、第五PID阀和回压阀，电机的输出轴通过传送带与转轮传动连接，速度传感器设在电机的输出轴上，转轴与转轮同轴固定连接，转轴上设有U型的转环，推拉杆的一端与转环铰接，推拉杆的另一端与活塞连接，活塞滑动连接在气缸内，气缸的出口通过第四连接管分别与气囊和第二储水容器连接，第三气体流量计设在临近气囊的第四连接管上，第三液体流量计设在临近第二储水容器的第四连接管上；第七压力传感器、第五PID阀和速度传感器通过所述数据线分别与数据显示控制系统连接。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的煤层气垂直井产气量测试模拟装置，其特征在于所述数据显示控制系统为计算机。
全文摘要
本发明公开了一种煤层气垂直井产气量测试模拟装置，包括煤储层模拟系统、渗透率测试系统、数据显示控制系统和抽采模拟控制系统，煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统顺次通过管道连接，煤储层模拟系统、渗透率测试系统和抽采模拟控制系统分别通过数据线与数据显示控制系统连接。本发明能够综合考虑排采强度、距离井口不同距离的压力梯度、煤储层渗透率、煤储层能量等的不同导致的排采过程气、水流动状态，气、水相对渗透率等的不同造成的产气量的不同，并对各种不同情况下的产气量进行较准确地计量，以便更好的了解这些参数对产气量的影响程度。
文档编号E21B47/00GK103015975SQ20121059172
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者倪小明, 王延斌, 张飞燕, 张崇崇, 李哲远 申请人:河南理工大学