煤层裂缝径向流动过程煤粉运移监测可视模拟装置及方法

本发明涉及一种煤层裂缝径向流动过程煤粉运移监测可视模拟装置及方法，属于煤层气开发工程。

背景技术：

1、我国煤层气资源开发潜力巨大，但煤层中流体渗流阻力大，通常实施水力压裂等增产措施在煤层中构建支撑剂裂缝系统，才能实现煤层气经济有效开发。然而，在煤层气开发过程从钻井、压裂及生产阶段煤层都会不同程度地产出煤粉，并被流体携带运移，在压裂裂缝系统中及生产井附近发生堵塞，尤其是井筒割缝处煤粉的聚集堵塞严重影响开发过程煤层气井产能。

2、因此，探究储层径向流过程中煤粉运移、沉积以及堵塞裂缝及井筒特征是煤粉防治降低其对煤层气生产影响的前提。但目前针对径向流渗流截面渐变条件下煤层裂缝中流体携带煤粉运移、沉积、堵塞现象的研究未见报道，同时也缺乏针对井筒割缝处渗流截面突变对煤粉运移堵塞特征的研究。

3、目前已有的模拟煤层裂缝中煤粉运移的可视实验装置未考虑煤层裂缝中充填支撑剂的情况，且模型只能实现线性流动的模拟，无法完成煤粉径向流过程运移沉积特征的相关模拟，这与真实煤层中煤粉及流体的运移状态存在较大差异。此外，已有的可视模型出口处设计均为小孔，模拟过程中煤粉在尺寸较大的裂缝空间中运移并由小孔流出，小孔处极易形成煤粉堵塞，而真实井筒处为一系列的割缝，已有的模型不仅模拟的出口处堵塞特征与真实井筒处堵塞存在较大差异，而且小孔处的堵塞极易造成模拟实验失败。因此已有模型不能实现对井筒割缝处渗流截面突变特征制约下煤粉堵塞规律的模拟，忽略了煤粉堵塞最严重、对煤层气井产能影响程度最大的因素。此外，已有的实验模拟装置也无法探究超声波对井筒割缝处及井筒附近裂缝中径向流过程煤粉运移堵塞的影响效果。总之，目前缺乏考虑径向流及井筒割缝处渗流截面突变制约下支撑剂充填裂缝中煤粉运移堵塞的可视模拟装置，无法直观认识真实储层中煤粉在裂缝中的运移堵塞动态及超声波解堵机制。

4、针对目前缺乏直观认识径向流及井筒割缝处渗流截面突变制约下支撑剂充填裂缝中煤粉运移堵塞规律的方法，制作适用于径向流且出口处为割缝的可视煤粉运移物理模拟实验的模型，为研究煤层气开发过程中煤粉在支撑剂裂缝径向流过程中运移堵塞规律提供有效可靠的物理模拟实验方法。同时，该装置可加载超声波，为探索煤粉在裂缝及井筒处堵塞的防治方法提供研究手段。

技术实现思路

1、本发明提供一种煤层裂缝径向流动过程煤粉运移监测可视模拟装置及方法。

2、具体技术方案为：

3、煤层裂缝径向流动过程煤粉运移监测可视模拟装置，包括：注入系统、可视模型、超声波发生装置、回压系统、产出液收集及计量系统、摄像机、控制及数据采集处理系统；

4、注入系统内的注入泵，连接中间容器，将中间容器中的流体注入可视模型中；中间容器有三个，分别装有粉煤粉悬浊液、盐水、甲烷；装有煤粉悬浊液的中间容器带有电磁搅拌器。

5、可视模型的产出口连接回压系统，可视模型模拟煤层中支撑剂充填裂缝及井筒，显示流体携带煤粉运移堵塞的规律；

6、回压系统，连接产出液收集及计量系统，回压系统包括回压阀和回压泵，用于控制产出口端压力，模拟井底流压；

7、产出液收集及计量系统，收集产出口的液体，并通过称重获得产出液的流量数据；

8、控制及数据采集处理系统，包括数据线、压力计和计算机，控制流体注入参数，记录流体产出参数；

9、超声波发生装置，包括超声波发生器和超声波转换器，超声波转换器可布置在可视模型不同位置，向可视模型发射超声波，影响煤粉运移及堵塞；

10、摄像机，记录可视模型中煤粉运移堵塞过程。

11、其中，所述的可视模型包括铸铁模型主体、有机玻璃盖板及割缝井筒；铸铁模型主体设有圆形槽，圆形槽外缘均匀分布多个喇叭状注入口；圆形槽中心为漏斗状的产出口；圆形槽的中心设割缝井筒，割缝井筒上设有割缝；

12、有机玻璃盖板和割缝井筒倒扣于铸铁模型主体上，机玻璃盖板、割缝井筒与铸铁模型主体接触面分别设有盖板垫片和井筒垫片密封；加固螺丝将有机玻璃盖板、铸铁模型主体固定连接；

13、圆形槽部分作为圆饼形填砂裂缝空间。

14、为了模拟煤层中真压裂支撑剂充填裂缝中径向流特征，本模型设计的裂缝空间整体呈圆饼形，模型外缘设置多个注入口，且注入孔为喇叭状，以防注入口煤粉堵塞，模型内缘为割缝圆筒以模拟煤层气生产井，模型模拟的裂缝空间充填支撑剂。流体由外缘注入口注入，流体携带煤粉在裂缝空间内呈径向流的方式流向内缘井筒，由割缝流出被收集。同时可在模型不同位置加载超声波，探究超声波对煤粉运移堵塞的影响。

15、模型的主体材料为有机玻璃及铸铁，分别制作有机玻璃的割缝井筒有机玻璃盖板，铸铁的裂缝空间主体。根据模型有机玻璃盖板及割缝井筒设计尺寸通过激光切割有机玻璃材料，激光切割的精度为0.1mm。模型裂缝空间外缘尺寸直径为50cm，中心割缝井筒内径为5cm，割缝井筒上割缝宽度1mm，平均间隔4mm，圆形有机玻璃盖板外缘直径54cm，割缝井筒位于有机玻璃盖板中心，割缝井筒与有机玻璃盖板为一个整体。裂缝空间主要通过圆饼形铸铁铣槽实现，圆形槽的外缘直径50cm，铸铁外缘钻喇叭形状的注入口，中心铣出与割缝井筒尺寸相同的漏斗状产出口。

16、模型主要通过密封垫及加固螺丝实现其裂缝空间的封闭性。首先通过专用溶融胶水将环形有机玻璃盖板密封垫片粘贴在有机玻璃盖板上，并将环形井筒密封垫片粘贴于井筒上。将带有井筒的有机玻璃盖板倒扣与铸铁凹槽中，加固模型外缘螺丝，最后通过注入口向模拟的圆饼形裂缝空间内填入支撑剂。

17、煤层裂缝径向流动过程煤粉运移监测可视模拟方法，包括以下步骤：

18、连接模拟装置，检查装置气密性后，关闭盐水和甲烷通路，通过注入系统，由可视模型外缘的注入孔向裂缝空间内注入煤粉悬浊液，通过回压系统调节产出端的压力，模拟流体携带煤粉运移过程，产出端收集并记录流体产出规律；

19、关闭煤粉悬浊液通路，通过注入系统向可视模型中注入盐水和甲烷，模拟排采阶段煤粉的运移；

20、另外实验过程中，可选择是否打开超声波发生器以及布置超声波转换器，对可视模型加载超声波，获得超声波对煤粉运移动态的干扰；

21、实验期间通过摄像机记录煤粉运移及在割缝井筒割缝处形成堵塞的全过程，通过控制及数据采集处理系统图形识别绘制煤粉运移动态图；

22、产出液收集及计量系统收集产出液取样，编号并记录取样时间，数据采集处理系统记录各项数据。

23、本发明具有的技术效果：

24、煤层裂缝径向流动过程煤粉运移监测可视模拟装置的设计基于煤层支撑剂压裂裂缝中流体携带煤粉径向流以及煤层气井割缝井筒特征，设置模型为圆形，注入孔均匀分布在模型外缘，注入的流体携带煤粉沿径向流向填砂模型中心的井筒，经井筒割缝流出模型，煤粉在裂缝空间运移及穿过割缝时沉积堵塞，煤粉的运移堵塞动态更符合真实煤层中煤粉的运移规律。该模型尺寸较大且能承受一定的压力，能实现一定压差下的气水两相流动，探究气水两相流携带煤粉运移特征。同时该模型能实现可视效果，结合图像采集处理系统定量研究煤粉运移规律。此外可在模型加载超声波，研究超声波对不同位置煤粉运移沉积的影响，尤其是可以探究井筒割缝超声波煤粉解堵措施的可行性。因此该可视模型能较好模拟支撑剂填充的裂缝中气液两相径向流动过程中煤粉的运移动态，以及井筒割缝堵塞状态，为煤层气压裂开发过程煤粉运移规律及防治措施的研究提供可靠手段。