一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法与流程

文档序号：12587774阅读：437来源：国知局

本发明属于煤层气排采技术领域，尤其涉及一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法。

背景技术：

我国煤层气资源较为丰富，煤层在沉积过程中会经历较为复杂的构造运动，煤阶较高时，煤层的渗透率偏低，同时开采过程中受储层压敏作用等的影响，选择恰当的排采技术、确立适宜的排采制度受到了广泛关注。

据调研，目前公开的相关领域的专利主要是针对井下排水采气装置或方法的设计，还未曾有过用于实验室模拟煤层气井排采的装置。实验室中，煤层气排采需要模拟的关键步骤包括甲烷的吸附与解吸，国内外普遍采用的等温吸附实验中甲烷气体的吸附解吸原理进行模拟。由于在实验前没有对煤样进行压裂处理，使得煤样不能很接近煤储层（温度、压力及含水状况）的状态，导致实验结果具有较大的误差。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能模拟煤储层温度、压力及含水状况以提高实验结果的状态多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，包括控制电脑1、实验桌12、液压缸支撑架13、加压水泵501、真空泵601、一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001、氦气储气瓶1101、液压缸14、煤层加压水箱4、回水箱18、保温水箱3和煤层加压室23，实验桌12上开设有五个通孔，实验桌12下部固定设有分别对应设置在五个通孔下方的气瓶支撑架2，一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001和氦气储气瓶1101的下部对应穿过一个通孔并设置在气瓶支撑架2上；

控制电脑1、加压水泵501、真空泵601、液压缸支撑架13和煤层加压室23均设置在实验桌12上，煤层加压室23位于液压缸支撑架13之间，液压缸14设置在液压缸支撑架13上，保温水箱3设置在煤层加压室23周围，保温水箱3内设置有恒温加热器16，煤层加压室23上部设置有煤粉加压盖21，液压缸14的动力输出端垂直朝下设置并通过液压联轴器15与煤粉加压盖21上表面传动连接；煤层加压水箱4和回水箱18均设置在实验桌12下表面，加压水泵501的抽水口通过抽水管与煤层加压水箱4连接；

煤层加压室23的侧部连接有伸出保温水箱3的水气多用管线，煤层加压室23内设置有三通道气体回收管道25，三通道气体回收管道25的上端和下端分别伸出煤粉加压盖21和煤层加压室23底部，回水箱18通过回水管40与三通道气体回收管道25下端连接；

加压水泵501的出水口通过进水管42与水气多用管线连接，真空泵601用过真空管43与水气多用管线连接，甲烷供气瓶1001通过甲烷供气管44与水气多用管线连接，氦气储气瓶1101通过氦气供气管45与水气多用管线连接，一级煤层甲烷回收瓶801通过一级煤层甲烷回收管46与三通道气体回收管道25的外层通道连接，二级煤层甲烷回收瓶701通过二级煤层甲烷回收管47与三通道气体回收管道25的中层通道连接、三级煤层甲烷回收瓶901通过三级煤层甲烷回收管48与三通道气体回收管道25的内层通道连接。

煤层加压室23包括顶部敞口的圆筒体，煤粉加压板21的外壁滑动装配在煤层加压室23内上部，煤层加压室23内滑动装配有上隔板49和下隔板24，煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24均呈圆盘形，煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24的外圆壁上均设有与煤层加压室23内壁密封滑动配合的第一密封圈22，煤层加压室23内在下隔板24和煤层加压室23底部之间形成一级煤层试验腔，煤层加压室23内在下隔板24和上隔板49之间形成二级煤层试验腔，煤层加压室23内在煤粉加压盖21和上隔板49之间形成三级煤层试验腔，煤层加压室23底部开设有穿孔，煤层加压室23底部下表面固定连接有与穿孔对应的连接管50，所述的回水管40上端与连接管50下端固定连接。

三通道气体回收管道25自上而下依次穿过煤粉加压盖21、上隔板49、下隔板24和穿孔后伸入到连接管50内；

三通道气体回收管道25包括同轴向设置的外回收管51、中回收管52和内回收管53，中回收管52设置在外回收管51内部，内回收管53设置在中回收管52内部，中回收管52和内回收管53上端均封堵，外回收管51上端通过一节软管与一级煤层甲烷回收管46的进气口连接，中回收管52与外回收管51之间形成一级煤层气水回收通道，中回收管52与内回收管53之间形成二级煤层气水回收通道，内回收管53内部为三级煤层气水回收通道，外回收管51、中回收管52和内回收管53折弯后自上而下依次形成上竖直段、中水平段和下竖直段，上竖直段中上部位于煤粉加压盖21上方，上竖直段下部和中水平段设置在煤粉加压盖21内，外回收管51上开设有与一级煤层试验腔连通的第一透孔54，中回收管52上开设有与二级煤层试验腔连通的第二透孔55，内回收管53上开设有与三级煤层试验腔连通的第三透孔56；煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24上设置有均外回收管51外壁滑动密封配合的第二密封圈26，中回收管52上端沿径向方向连接有第一管接头57，内回收管53上端沿径向方向连接有第二管接头58，第一管接头57通过一节软管与二级煤层甲烷回收管47的进气口连接，第二管接头58通过一节软管与三级煤层甲烷回收管48的进气口连接。

水气多用管线包括四通管接头33、第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61的出口端连接在煤层加压室23的侧部并分别与一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔连通，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61上分别设置有一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61的进口端分别与四通管接头33的三个接口连接，四通管接头33的第四个接口分别与进水管42、真空管43、甲烷供气管44和氦气供气管45的出口端连接。

一级煤层甲烷回收管46上设置有一级煤层甲烷回收球阀802、一级煤层甲烷回收压力表803和一级煤层甲烷回收流量计804；

二级煤层甲烷回收管47上设置有二级煤层甲烷回收球阀703、二级煤层甲烷回收压力表702和二级煤层甲烷回收流量计704；

三级煤层甲烷回收管48上设置有三级煤层甲烷回收球阀902、三级煤层甲烷回收压力表903和三级煤层甲烷回收流量计904。

甲烷供气管44上安装有甲烷供气球阀1002、甲烷供气压力表1003和甲烷供气流量计1004；

氦气供气管45上安装有氦气供气球阀1102、氦气供气压力表1103和氦气供气流量计1104；

进水管42上安装有进水球阀504、进水压力表503和进水流量计502；

真空管43上安装有真空球阀602及真空压力表603；

回水箱18上设有回水液压表20和回水液位计19，回水管40上设置有回水调压阀17。

所述的进水流量计502、进水压力表503、真空压力表603、二级煤层甲烷回收压力表702、二级煤层甲烷回收球阀703、氦气供气压力表803、氦气流量计804、一级煤层甲烷回收压力表803、一级煤层甲烷回收流量计804、三级煤层甲烷回收压力表903、三级煤层甲烷回收流量计904、甲烷压力表1003、甲烷流量计1004、氦气压力表1103、氦气流量计1104、回水压力表20、回水液位计19分别通过数据信号线与控制电脑1连接，用来监测各气体及液体压力、流量及液位，为控制电脑1进行数据分析提供数据支撑。

多煤层煤层气井排采物理模拟装置的实验方法，包括以下步骤，

A、准备煤层煤样：在试井阶段，根据开采的煤样得出煤阶、埋深、孔隙度、含气性、渗透性的性质，到类似的煤矿中选取相应的煤样；

B、把选取的煤样改造成为圆柱形状，并进行缝隙改造，使煤样成为一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29，分部对应放到煤层加压室23中的一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔内，煤粉加压盖21、上隔板49、下隔板24、第一密封圈22和第二密封圈26实现各个煤层煤样之间密封作用，防止各级煤层煤样之间水与气串通；

C、关闭进水球阀504、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102和回水调压阀17，打开真空球阀602、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32；开启真空泵601，通过真空泵601将对煤层加压室内部以及一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29内部抽真空；

D、抽完真空后，关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、回水调压阀17、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，启动液压缸14，液压缸14向下顶压煤粉加压盖21，煤粉加压盖21向下压三级煤层煤样29，再通过上隔板49下压二级煤层煤样28，再通过下隔板24下压一级煤层煤样27，还原各级储层压力状态；

E、注入惰性保护气体：关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002和回水调压阀17，打开氦气球阀1102、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32；将氦气储气瓶1101中高压氦气压入煤层加压室23内，使整个煤层加压室23处于惰性气体保护状态，保证试验安全性；

F、注入甲烷气体：关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、氦气供气球阀1102、回水调压阀17、二级煤层注入球阀31、三级煤层注入球阀32，打开甲烷供气球阀1002、一级煤层注入球阀30；将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的一级煤层煤样27内，使一级煤层煤样27吸附甲烷气体，通过甲烷流量计1004得到进入一级煤层煤样27内甲烷气体量；然后关闭一级煤层注入球阀30，打开二级煤层注入球阀31，将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的二级煤层煤样28内，使二级煤层煤样28吸附甲烷气体，通过甲烷流量计1004得到进入二级煤层煤样28内甲烷气体量；再关闭二级煤层注入球阀31，打开三级煤层注入球阀32，将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气的三级煤层煤样29内，使三级煤层煤样29吸附甲烷气体，通过甲烷管线流量计1004得到进入三级煤层煤样29内甲烷气体量；

G、煤层含水含气工况的模拟：关闭真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、回水调压阀17，打开进水球阀504、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31、三级煤层注入球阀32，利用加压水泵501将煤层加压水箱4内的水泵入煤层加压室23内，与煤层加压室23内的一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29充分接触从而使得水进入到煤层中；

H、安装于保温水箱3上的恒温加热器16对保温水箱3中的水进行加热，使保温水箱3内的水对煤层加压室23内的煤层煤样模拟井下实际温度，使在试验过程中保持恒温状态，通过调节恒温加热器16功率大小得到不同温度下的试验工况模拟；

I、关闭进水球阀504、真空球阀602、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，打开二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902及回水调压阀17，通过调节回水调压阀17的开度实现在不同回水压力下煤层气的释放工况模拟；二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902及回水调压阀17打开后，一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29经三通道气体回收管道25实现气水分离；

J、一级煤层煤样27内的水和气经第一透孔54进入到一级煤层气水回收通道，二级煤层煤样28内的水和气经第二透孔55进入到二级煤层气水回收通道，三级煤层煤样29内的水和气经第三透孔56进入到三级煤层气水回收通道，一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29的水由于重力作用向下流动，经连接管50和回水管40共同流入回水箱18中，各个煤层煤样所释放的甲烷由于密度轻向上移动，三通道气体回收管道25由同轴向设置的外回收管51、中回收管52和内回收管53组成，在甲烷气体回收过程中甲烷向上浮动时各个煤层所释放的甲烷互相隔开，在收集各个煤层所释放的甲烷时互相没有影响实现甲烷独立采集，一级煤层煤样27所释放的甲烷经一级煤层气水回收通道进入到一级煤层甲烷回收瓶801中，二级煤层煤样28所释放的甲烷经二级煤层气水回收通道进入到二级煤层甲烷回收瓶701中，三级煤层煤样29所释放的甲烷经三级煤层气水回收通道进入到三级煤层甲烷回收瓶901中，一级煤层甲烷回收流量计804、二级煤层甲烷回收流量计704、三级煤层甲烷回收流量计904分别计量出各个煤层煤样所释放的甲烷气体量；

K、一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29在上述步骤过程中进入的甲烷量以及释放出的甲烷量均为独立的变量，从而可通过控制电脑1计算得到各煤层释放出甲烷量与总共存储的甲烷量比值从而得到多级煤层开采过程中煤层气所释放的能力。

采取以上技术方案，本发明具有以下优点：

1、通过选取物性参数接近所要模拟多煤层的煤样，使得实验结果更具准确性。

2、在实验前对煤样进行压裂处理，使得煤样中能够形成接近储层条件下、经人工改造后的缝网。

3、模拟储层条件下的温度、压力及含水状况，还原了地层条件。

4、通过排水降低煤样中的压力，使吸附气解吸，与实际生产过程接近。

5、该装置可直接用于对多煤层中排水采气的模拟，为预测实际生产过程中的排采效果、制定合理的排采制度提供依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中煤层加压室的纵向剖视图；

图3是图1中三通道气体回收管道的放大图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，包括控制电脑1、实验桌12、液压缸支撑架13、加压水泵501、真空泵601、一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001、氦气储气瓶1101、液压缸14、煤层加压水箱4、回水箱18、保温水箱3和煤层加压室23，实验桌12上开设有五个通孔，实验桌12下部固定设有分别对应设置在五个通孔下方的气瓶支撑架2，一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001和氦气储气瓶1101的下部对应穿过一个通孔并设置在气瓶支撑架2上；