一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验方法与流程

本发明涉及一种煤层气开采模拟试验方法，特别是涉及一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验方法，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开采模拟试验方法，对于打破我国构造煤煤层气地面井高效开发技术瓶颈，具有重要的理论和实际生产指导意义。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验方法，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，模拟气-液-固三相在卸压空间内的运移特征，模拟产出混合物的分离过程，得到煤层卸压与气体解吸变化规律、煤系地层激励卸压后复杂渗流场与水平井段流动动态规律，为实现构造煤原位煤层气的高效连续开发提供指导依据。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验方法，由煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统模拟实际构造煤储层；由压力脉动激励卸压模拟子系统进行水平井压力脉动激励和应力释放，并水力驱替煤-液-气混合物沿卸压空间向直井段运移；由电模拟子系统对相似材料内的进场进行模拟测量；由产出物分离检测子系统进行煤、液、气分离并称重，由数据采集控制子系统实时检测、控制试验设备运转和实施过程，实现试验数据的采集、显示和处理分析；具体步骤如下：

1)根据录井、测井数据，确定试验模拟地层层序及基础性质，包括岩性、力学性质、含水性、孔隙特征；

根据相似性原理，计算试验模拟地层相似材料特性，包括厚度、密度、力学性质、含水性、渗透性、孔隙度；计算试验模拟的水平井及直井的长度和井径；

采用煤粉、石英砂、石膏、水泥、贝壳粉、胶结剂作为主材料，制作相似材料，并对其进行测试，考察所配比的相似材料是否与计算所得的相似材料特征一致，如不一致，则改变配比重新配置相似材料，直至二者一致；

根据地层层序及相似性原理计算所得的煤及岩层厚度，按照调整好的相似材料配比，在样品仓内自上而下铺设顶层相似材料岩层、相似材料煤层和底层相似材料岩层，同时布置应力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针，并根据实际含水性对相似材料进行润湿，铺设时预留u型井空间，并将井下喷射系统埋入预留的水平井空间，井下喷射系统及其管柱包裹铜带，在样品仓内壁铺设铜带；

2)布置好各个设备的位置并将设备连接；将样品仓置于恒温房内预热，达到试验设计温度；

打开阀门一、阀门四、阀门六、阀门七、阀门九和阀门十六，向样品仓内相似材料煤层井内注入he至试验设计压力，同时开启x方向液压伺服站、y方向液压伺服站和z方向液压伺服站，向样品仓增加围压至试验设计压力；检查装置的气密性；若气密性合格，进行下一步骤；若气密性不合格，重复步骤1)和步骤2)；

3)关闭阀门一，再打开阀门十、阀门十三、阀门十七、阀门十八和阀门十九，启动真空泵，卸掉整个试验系统管路内部的he并对系统抽真空；

4)关闭阀门十、阀门十三、阀门十七、阀门十八和阀门十九，打开阀门二或阀门三，向样品仓内相似材料煤层内注入co2或ch4至样品仓内气体压力稳定在试验设计压力，同时，开启x方向液压伺服站、y方向液压伺服站和z方向液压伺服站，向样品仓增加围压至试验设计压力；

5)关闭所有阀门，并使空压机和增压泵停止工作；打开阀门十、阀门十三和阀门十七；启动液压泵向液压缸和冲击压力腔内注入液体，离合器工作，液压缸活塞杆带动导杆向左移动压缩高模量弹簧，当位移传感器一检测到的高模量弹簧的压缩度达到实验设计压缩长度时，离合器停止工作，导杆与液压缸的活塞杆脱离，高模量弹簧的回复力使冲击活塞快速右移，对冲击压力腔内的液体形成瞬间脉冲动力；高模量弹簧回复力释放完成后，液压缸活塞杆右移，离合器工作，导杆与液压缸活塞杆接合并随之向左移动重复压缩弹簧及释放脉冲动力的过程，使冲击压力腔内的液体以试验设计的脉冲频率、压力、速率由井下喷射系统注入到相似材料煤层的水平井内，对相似材料煤层进行切割、破碎，造成相似材料煤层的水平井水平段空间坍塌破坏形成卸压洞穴，并驱替气-液-煤混合物向直井段运移；同时，由应变测量仪、温度传感器、压力传感器和饱和度探针测量相似材料煤层内部应力应变、温度和饱和度变化，由测量装置测量相似材料内部的电位变化；

6)关闭所有阀门，并使液压泵停止工作；打开阀门十九，将相似材料煤层井下的煤-液-气混合物举升到井外进入气液固分离器中，分离出的煤层气、激励液和煤粉分别进入气体收集瓶、电子天平称重装置一和电子天平称重装置二中；

7)试验结束后，卸掉样品仓中的气体和加载的围压，拆卸管路，打开样品仓，取出试验后的相似材料、井下喷射系统、传感器、测量仪及探针等，清洗样品仓内部。

进一步的，在进行步骤5)时，同时打开截止阀，使磨料罐内的磨料进入混合腔内，形成固液混合流体。

进一步的，步骤1)中采用煤层矿化水或8％nacl溶液对相似材料进行润湿。

进一步的，相似材料煤层内铺设大于等于两层分布式光纤测量仪，分布式光纤测量仪大于两层时，分布式光纤测量仪在高度方向上等间距设置。

本发明根据相似性原理，配置与构造煤储层相应物理、力学特征的相似模拟材料，通过气体注入装置向相似材料煤层中注入高压气体模拟煤层内部的地质压力，通过向样品仓加载模拟煤层围压，为尽可能真实准确地模拟构造煤原位煤层气的开采提供基础；

通过液压缸、液压泵、高模量弹簧、冲击压力腔组成高压脉动装置，以一定脉冲频率向水平井洞穴注入高压高速流体，进一步切割、破碎煤体，实现了模拟构造煤煤层气水平井压力脉动激励和应力释放，并实现了水力驱替煤-液-气混合物沿卸压空间向直井段运移，为后续的举升提供了保证；

通过电模拟子系统测量试验过程中相似材料内的电位变化，进而得到相似材料的流体场变化；通过气液固分离器，实现了产出混合物的煤、液、气的高效分离及称重；

通过采集硬件和数据处理软件，实现了实时检测、控制试验装备运转情况和实施过程，实现了试验数据的采集、显示和处理分析，整个开采系统中各个子系统的配合运行实现了模拟造煤原位煤层气的高效连续开发。

附图说明

图1是本发明所使用的试验系统总体原理图。

图中：1.1、氦气高压气瓶，1.2、二氧化碳高压气瓶，1.3、甲烷高压气瓶，1.41、压力表一，1.42、压力表二，1.43、压力表三，1.44、压力表四，1.45、压力表五，1.46、压力表六，1.51、阀门一，1.52、阀门二，1.53、阀门三，1.54、阀门四，1.55、阀门五，1.56、阀门六，1.57、阀门七，1.58、阀门八，1.59、阀门九，1.6、空压机，1.7、增压泵，1.8、气体储罐，1.9、减压阀，1.10、气体质量流量控制器，1.11、单向阀，1.12、压力传感器一，1.13、调压阀，2.1、储液池，2.2、液压泵，2.31、压力传感器二，2.32、压力传感器三，2.4、液压缸，2.5、高模量弹簧，2.51、导杆，2.6、位移传感器一，2.7、冲击压力腔，2.71、冲击活塞，2.81、阀门十，2.82、阀门十一，2.83、阀门十二，2.84、阀门十三，2.85、阀门十四，2.86、阀门十五，2.87、阀门十六，2.88、阀门十七，2.9、中间容器，2.10、恒速恒压泵，2.11、磨料罐，2.12、截止阀，2.13、混合腔，3.1、电源，3.2、测量装置，4.1、样品仓，4.21、z方向液压伺服站，4.22、x方向液压伺服站，4.23、y方向液压伺服站，4.31、z方向压力传感器，4.32、x方向压力传感器，4.33、y方向压力传感器，4.41、z方向位移传感器，4.42、x方向位移传感器，4.43、y方向位移传感器，5、真空泵，5.1、阀门十八，6.1、气液固分离器，6.2、干燥器，6.3、气体流量计，6.4、电子天平称重装置一，6.5、电子天平称重装置二，6.6、阀门十九，6.7、气体收集瓶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明所使用的试验系统，包括煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统、压力脉动激励卸压模拟子系统、电模拟子系统、产出物分离检测子系统和数据采集控制子系统；

所述的煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统包括样品仓4.1、气体注入装置、恒温房(图中未画出)和围压加载装置，样品仓4.1为由六块可移动钢板相连形成的密封的六面体、留有与其他子系统连接的密封接口，样品仓4.1内放置有煤系地层相似材料，相似材料自上而下为顶层相似材料岩层(模拟煤层顶板)、相似材料煤层、底层相似材料岩层(模拟煤层底板)，相似材料内设有由水平井和直井贯通构成的u型井、水平井水平段位于相似材料煤层内；围压加载装置中的x方向伺服站4.22、y方向伺服站4.23和z方向伺服站4.21分别与样品仓4.1外部对应的加载活塞液动连接、连接管路上分别对应设有x方向压力传感器4.32、y方向压力传感器4.33和z方向压力传感器4.31，三个液压伺服站用来向相似材料煤层1.4增加围压，三个压力传感器用来检测三个方向的加载压力；气体注入装置中的增压泵1.7的入口与氦气高压气瓶1.1、二氧化碳高压气瓶1.2和甲烷高压气瓶1.3的出口管路连通、出口管路与样品仓4.1内相似材料煤层中水平井连通、动力输入口与空压机1.6出口连通，自增压泵1.7出口至水平井的连通管路上依次设有减压阀1.9、气体质量流量控制器1.10和压力传感器一1.12；相似材料煤层内靠近下端处设有压力传感器(图中未画出)、温度传感器(图中未画出)、应变测量仪(图中未画出)和饱和度探针(图中未画出)，用于测量试验过程中相似材料煤层的压力、温度和应变；在氦气高压气瓶1.1、二氧化碳高压气瓶1.2和甲烷高压气瓶1.3的出口处分别设有阀门一1.51、阀门二1.52和阀门三1.53，在增压泵1.7和空压机1.6之间设有阀门四1.54，在增压泵1.7和减压阀1.9之间设有阀门六1.56，在增压泵1.7出口管路上设有连通大气支路、支路上设有阀门五1.55，在气体质量流量控制器1.10的入口和出口处分别设有阀门七1.57和阀门九1.59，在连通阀门七1.57入口和阀门九1.59出口的并联支路上设有阀门八1.58，在压力传感器一1.12与水平井连通管路上设有阀门十六2.87，上述所有的阀门用于控制气体在管路中的流通；

所述的压力脉动激励卸压模拟子系统包括流体注入装置和井下喷射装置，流体注入装置包括液压泵2.2、液压缸2.4、高模量弹簧2.5和冲击压力腔2.7，所述的液压泵2.2出口一条支路通过电磁阀与液压缸2.4液动连接、另一条支路通过电磁阀与冲击压力腔2.7连通，导杆2.51右端与高模量弹簧2.5的右安装板固定连接，左端穿过高模量弹簧2.5的左安装板并与其滑动连接，液压缸2.4的活塞杆与导杆2.51同轴设置，在液压缸2.4活塞杆端面与导杆2.51左端面之间设有离合器(图中未画出)；冲击压力腔2.7内的冲击活塞2.71左端伸出冲击压力腔2.7并与高模量弹簧2.5的右安装板固定连接；液压泵2.2的出口管路上设有压力传感器二2.31，高模量弹簧2.5的右安装板上设有位移传感器一2.6，液压泵2.2的进水口管路置于储液池2.1内；井下喷射装置置于相似材料煤层内水平井水平段靠近井口一侧，冲击压力腔2.7的出口管路与井下喷射装置连通、连通管路上设有阀门十三2.84；

所述的电模拟子系统包括电源3.1和测量装置3.2，所述的电源3.1的高电位端与置于相似材料煤层内水平井内的铜带电连接、低电位端与测量装置3.2的高电位端电连接，测量装置3.2的低电位端与样品仓4.1内壁的铜带电连接；试验过程中所测量的电位梯度差值反映了电场分布特征，从而反映了电阻率的变化，根据测量出的相似材料电阻率，由阿尔奇公式能够计算出含水饱和度；

所述的产出物分离检测子系统包括气液固分离器6.1、电子天平称重装置一6.4、电子天平称重装置二6.5和气体收集瓶6.7，气液固分离器6.1的入口与相似材料煤层直井出口连通、气体出口与气体收集瓶6.7连通、液体出口及固体出口分别与电子天平称重装置一6.4和电子天平称重装置二连通，在气液固分离器6.1与气体收集瓶6.7之间的连通管路上设有气体流量计6.3，在相似材料煤层直井出口与气液固分离器6.1之间的连通管路上设有阀门十九6.6；直井内的产出物进入气液固分离器6.1，利用重力分离法实现气体分离，剩余流体进一步采用过滤的方法实现液固分离，分别用电子天平称量固体、液体的重量，用气体流量计检测气体的流量，结合流体注入装置内的各项试验数据能够实现气-液-固三相渗流模拟试验；

所述的数据采集控制子系统包括采集硬件和数据处理软件，硬件包括工作站、打印机、采集卡等，采集卡由pci8360，cp-168等组成；软件用于对各部件进行参数设置、控制及数据实时显示，并对采集的数据进行处理得到数据报表及曲线图并生成试验数据库。

所述的模拟实验系统还包括真空泵5，真空泵5与相似材料煤层内的直井出口管路连通、连通管路上设有阀门十八5.1，用于对试验系统进行抽真空，提高试验的准确性。

所述的压力脉动激励卸压模拟子系统还包括磨料罐2.11和混合腔2.13，磨料罐2.11出口、冲击压力腔2.7出口与混合腔2.13连通，混合腔2.13的出口与井下喷射装置连通；在激励液中加入一定比例的磨料，可以增大激励液切割煤岩的能力，提高开采效率；磨料罐2.11出口处设有截止阀1.12，用于控制箱混合腔2.13输入磨料；在混合腔2.13出口与井下喷射装置之间的管路上设有控制流体的总阀门即阀门十七2.88；在冲击压力腔2.7出口管路上设有与磨料罐2.11罐口连通的支路、支路上设有压力传感器三2.32；在冲击压力腔2.7与压力传感器三2.32之间的管路上设有阀门十2.81，在压力传感器三2.32与磨料罐2.11之间的管路上设有阀门十四2.85；在磨料罐2.11的顶部设有阀门十五2.86。

所述的气体注入装置还包括气体储罐1.8、单向阀1.11和调压阀1.13，气体储罐1.8的入口与增压泵1.7的出口连通，用于缓存气体以保证系统内气压平稳；单向阀1.11设在气体质量流量控制器1.10和压力传感器一1.12之间，其出口朝向压力传感器一1.12，使得系统内的气体只能单向流动，避免了气体回流致使气体压力不平稳及试验数据的不准确；调压阀1.13设在空压机1.6的出口处，调节空压机1.6的气体压力，使空压机1.6输出的气体能够更平稳地驱动增压泵1.7。

所述的压力脉动激励卸压模拟子系统还包括恒速恒压泵2.10和中间容器2.9，中间容器2.9的入口与恒速恒压泵2.10连通、连通管路上设有阀门十二2.83，中间容器2.9的出口与冲击压力腔2.7出口管路连通、连通管路上设有阀门十一2.82；当不需要脉冲压力激励卸压时，可以采用恒速恒压泵2.10运移煤液气混合物，中间容器使液体的流速和压力更加稳定。

所述的产出物分离检测子系统还包括干燥器6.2，干燥器设在气液固分离器6.1和气体流量计6.3之间，用于对气体产物进行干燥处理，提高试验精度。

在氦气高压气瓶1.1、二氧化碳高压气瓶1.2和甲烷高压气瓶1.3的出口管路分别设有压力表一1.41、压力表二1.42和压力表三1.43，在空压机1.6和增压泵1.7之间连通管路上设有压力表四1.44，在气体储罐1.8的入口管路上设有压力表五1.45，在气体质量流量控制器1.10入口管路处设有压力表六1.46；对气体注入装置内的各处管路处的气体压力进行检测，便于汇总试验数据，更精确地对试验进行控制。

所述的煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统还包括x方向位移传感器4.42、y方向位移传感器4.43和z方向位移传感器4.41，分别设在对应的加塞活塞上，三个位移传感器用来检测三个方向的加载活塞的位移，便于更精确地对模拟煤层的围压进行控制。

所述的应变测量仪为分布式光纤测量仪，沿着相似材料煤层内水平井水平段方向分布；采用光纤光栅埋入式应变计测量试验过程中相似材料煤层内部的形变，以便长期观测相似材料结构应力应变的变化并进行状态分析。

一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验方法，包括如下步骤：

1)根据录井、测井数据，确定试验模拟地层层序及基础性质，包括岩性、力学性质、含水性、孔隙特征；

根据相似性原理，计算试验模拟地层相似材料特性，包括厚度、密度、力学性质、含水性、渗透性、孔隙度；计算试验模拟的水平井及直井的长度和井径；

采用煤粉、石英砂、石膏、水泥、贝壳粉、胶结剂作为主材料，通过调节材料的比例，制作相似材料，并对其进行密度、渗流特征、吸附性、力学性质、孔隙特征、渗透性的测试，考察所配比的相似材料是否与计算所得的相似材料特征一致，如不一致，则改变配比重新配置相似材料，直至二者一致；

根据地层层序及相似性原理计算所得的煤及岩层厚度，按照调整好的相似材料配比，在样品仓4.1内自上而下铺设顶层相似材料岩层、相似材料煤层和底层相似材料岩层，同时布置应力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针，并根据实际含水性对相似材料进行润湿，铺设时，预留u型井空间，预留的井段长度与井径与相似原理计算结果相一致，并将井下喷射系统埋入预留的水平井空间，井下喷射系统及其管柱包裹铜带，在样品仓4.1内壁铺设铜带；

2)布置好各个设备的位置并将设备连接；将样品仓4.1置于恒温房(图中未画出)内预热，达到试验设计温度；

打开阀门一1.51、阀门四1.54、阀门六1.56、阀门七1.57、阀门九1.59和阀门十六2.87，向样品仓4.1内相似材料煤层井内注入he至试验设计压力，同时开启x方向液压伺服站4.22、y方向液压伺服站4.23和z方向液压伺服站4.21，向样品仓4.1增加围压至试验设计压力；检查装置的气密性；若气密性合格，进行下一步骤；若气密性不合格，重复步骤1)和步骤2)；

3)关闭阀门一1.51，再打开阀门十2.81、阀门十三2.84、阀门十七2.88、阀门十八5.1和阀门十九6.6，启动真空泵5，卸掉整个试验系统管路内部的he并对系统抽真空；

4)关闭阀门十2.81、阀门十三2.84、阀门十七2.88、阀门十八5.1和阀门十九6.6，打开阀门二1.52或阀门三1.53，向样品仓4.1内相似材料煤层内注入co2或ch4(考虑ch4易爆，最好采用n2代替)至样品仓4.1内气体压力稳定在试验设计压力，同时，开启x方向液压伺服站4.22、y方向液压伺服站4.23和z方向液压伺服站4.21，向样品仓4.1增加围压至试验设计压力；

5)关闭所有阀门，并使空压机1.6和增压泵1.7停止工作；打开阀门十2.81、阀门十三2.84和阀门十七2.88，根据试验要求的脉冲频率、压力和速度设定高模量弹簧2.5的压缩长度(即位移传感器检测到的位移)、液压泵2.2的注入压力和速度、离合器的工作频率；启动液压泵2.2向液压缸2.4和冲击压力腔2.7内注入液体，离合器工作，液压缸2.4活塞杆带动导杆2.51向左移动压缩高模量弹簧2.5，当位移传感器一2.6检测到的高模量弹簧2.5的压缩度(即高模量弹簧2.5有安装板的位移)达到实验设计压缩长度时，离合器停止工作，导杆2.51与液压缸2.4的活塞杆脱离，高模量弹簧2.5的回复力使得冲击活塞2.71快速右移，对冲击压力腔2.7内的液体形成瞬间脉冲动力，高模量弹簧2.5回复力释放完成后，液压缸2.4活塞杆右移，离合器工作，带动导杆2.51与液压缸2.4活塞杆接合并随之向左移动重复压缩弹簧及释放脉冲动力的过程，冲击压力腔2.7内的液体即会以试验设计的脉冲频率、压力、速率由井下喷射系统注入到相似材料煤层的水平井内，对相似材料煤层进行切割、破碎，造成相似材料煤层的水平井水平段空间坍塌破坏形成卸压洞穴，并驱替气-液-煤混合物向直井段运移；同时，由应变测量仪、温度传感器、压力传感器和饱和度探针测量相似材料煤层内部应力应变、温度和饱和度变化，测量的数据可通过进一步计算获得相似材料力学性质变化及激励卸压所造成的气体解吸情况、水相相对渗透率、气相相对渗透率等，由测量装置3.2测量相似材料内部的电位变化，进而可确定相似材料内流体场的变化；

6)关闭所有阀门，并使液压泵2.2停止工作；打开阀门十九6.6，将相似材料煤层井下的煤-液-气混合物举升到井外进入气液固分离器6.1中，分离出的煤层气、激励液和煤粉分别进入气体收集瓶6.7、电子天平称重装置一6.4和电子天平称重装置二6.5中；

7)试验结束后，卸掉样品仓4.1中的气体和加载的围压，拆卸管路，打开样品仓4.1，取出试验后的相似材料、井下喷射系统、传感器、测量仪及探针等，清洗样品仓4.1内部。

在进行步骤5)时，可以同时打开截止阀2.12，使磨料罐2.11内的磨料进入混合腔2.13内，形成固液混合流体，能够增强激励液对相似材料的切割能力。

步骤1)中采用煤层矿化水或8％nacl溶液进行润湿，能够尽可能地保证润湿后的相似材料与实际底层材料各项参数相近。

相似材料煤层内铺设大于等于两层分布式光纤测量仪，分布式光纤测量仪大于两层时，分布式光纤测量仪在高度方向上等间距设置；能够尽可能地测量相似材料煤层内各处的应变，为实际生产提供理论指导。