一种地层深部气热共采的模拟实验装置及使用方法与流程

1.本发明属于天然气和地热勘探开发技术领域，具体涉及一种地层深部气热共采的模拟实验装置及使用方法。


背景技术：

2.地热资源是一种集热、矿、水为一体的宝贵矿产资源，也是一种绿色低碳、可循环利用的再生能源，具有极其稳定、不受时间、季节、气候等因素影响的特点，可以很大程度上补充或替代城市传统供暖系统，作为城镇居民供热采暖的能量来源，被誉为21世纪最具开发价值的绿色新型能源之一。
3.地层深部天然气藏埋藏较深，部分深部煤层气埋深超过1500m，页岩气埋藏深度超过了3500m。巨大的埋深，导致气藏储层温度较高，当埋藏深度超过2400m时，储层温度超过了100℃。目前，页岩气的开发需要经历排水、降压、产气等阶段，气藏开发规模较大时，压裂液规模基本都在几万方以上。排采产出的水携带储层中的热量极少被有效利用，这是对地热资源的极大浪费。
4.随着埋深的增加，地应力逐渐增加，储层裂隙容易闭合，导致储层渗透率降低，不利于气、水的产出。但是埋藏较浅，储层温度值较低，可利用的地热资源较少。如何实现天然气藏和地热共采，最大程度上利用这两种资源，兼顾地热温度与渗透率之间的关系，建立不同深度下地热温度与渗透率的耦合机制，为高效开发利用地热资源提供理论指导，是本专利研究的重点难点问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种地层深部气热共采的模拟实验装置及使用方法，模拟不同埋藏深度的天然气藏和地热资源的共采情况，揭示不同深度条件下地热温度与渗透率的耦合机制，得出气、热共采的最佳深度或深度区间。
6.第一方面，所述地层深部气热共采的模拟实验装置，包括依次连接的供水供气单元、至少一个模拟地层腔和检测单元，所述供水供气单元包括供水装置和供气装置，供水装置和供气装置并联模拟地层腔的进口；每个模拟地层腔的内部设有地质样品，外部设有加热装置和围压装置，用于使模拟地层腔达到模拟地层对应的温度和围压；所述检测单元包括与模拟地层腔的出口并联的气路管道和水路管道，水路管道上设有检测器和液体流量计，用于测算采热量，气路管道上设有气体流量计，用于检测采气量。
7.可选的，所述供水装置包括储水器、增压泵和第一压力计，增压泵的出口通过第一压力计连接储水器的输出管路，为储水器输出的水增压，模拟压裂用水。
8.可选的，所述供气装置包括气瓶和第二压力计，第二压力计设在气瓶的输出气路上，气瓶内储存甲烷气，用于模拟地层输出的煤层气或页岩气。
9.可选的，所述围压装置包括围压泵和第三压力计，围压泵通过第三压力计连接模
拟地层腔的进口或出口，使模拟地层腔内部压力达到真实深度的地层围压。
10.可选的，所述气路管道上依次设有气水分离器和气体流量计，水路管道上依次设有检测器和液体流量计，所述检测器为热交换器，气路管道设在水路管道的上方。
11.当需要同时对多个不同的埋深的地层进行合采实验时，将多个模拟地层腔并联，每个模拟地层腔具有对应的加热装置和围压装置，用于使得每个模拟地层腔根据各自的埋深（即埋藏深度），设置对应的围压和温度；所述供水装置和供气装置并联若干个模拟地层腔的进口，气路管道和水路管道并联若干个模拟地层腔的出口。
12.第二方面，本发明还提供所述地层深部气热共采的模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤：（1）根据垂直应力估算方程式计算不同埋深的地层的围压，根据地温与深度关系方程式计算不同埋深的地层的温度；（2）利用模拟地层腔模拟一个埋深的地层，利用加热装置使得模拟地层腔的温度达到步骤（1）计算得到的该埋深对应的地层温度，利用围压装置使得模拟地层腔的围压达到步骤（1）计算得到的该埋深对应的地层围压；（3）开启供水装置和供气装置，向模拟地层腔供水供气；同时开启气路管道的气体流量计、水路管道的检测器和液体流量计；（4）所述模拟实验装置状态稳定后，记录液体流量计的流量、热水进出检测器的温度，计算热水的热值q；（5）利用模拟地层腔分别模拟不同埋深的地层，重复步骤（2）-（4），得出不同埋深条件下地热温度与渗透率的耦合机制。
13.步骤（1）中，所述垂直应力估算方程式为sv=0.027
×
h，地温与深度关系方程式为t=0.036
×
h+14。
14.可选的，步骤（3）中，供水装置的增压泵提供的压力为0.5-2mpa，供气装置的气瓶提供的压力为0.5-2mpa，优选的，供水压力和供气压力相同。
15.可选的，步骤（3）中，开启气水分离器、气体流量计、热交换器和液体流量计，使得分离后的气体流经气体流量计，使得所述冷介质和热水流经热交换器，换热后热水流经液体流量计。
16.可选的，步骤（4）中，所述模拟实验装置需要运行30-40min，达到稳定状态。
17.步骤（4）中，所述热水的热值q的计算公式如下：q=c
×
ρ
水
×
l
×
t
×
(t
g-th)其中，q为热值，j；c为水的比热容，4.2
×
103j/(kg
•
℃)；ρ
水
为水的密度，1
×
103kg/m3；l为热水的流量，m3/min；t为实验时间，min；tg为热水进入热交换器的温度，℃；th为热水流出热交换器的温度，℃。
18.可选的，步骤（5）中，不同埋深实验时，步骤（3）的供水压力均相同，不同埋深实验时，供气压力均相同；通过比较不同埋深时，得到的热水的热值q，找到最大热值q对应的埋深或埋深区间。本发明中不同埋深的地层的渗透率影响气、水的产出，上述热值q的计算公式中已经包含了热水的流量，即热值q中包含了渗透率因素的考虑。
附图说明
19.图1为地层深部气热共采的模拟实验装置的结构示意图；图2为实施例中得到的埋深与热量q的数据图。
20.附图中，1-模拟地层腔，2-地质样品，3-加热装置，4-液体流量计，5-气体流量计，6-储水器，7-增压泵，8-第一压力计，9-气瓶，10-第二压力计，11-围压泵，12-第三压力计，13-气水分离器，14-热交换器。
具体实施方式
21.本实施例提供所述地层深部气热共采的模拟实验装置，如图1所示，包括依次连接的供水供气单元、模拟地层腔1和检测单元，所述供水供气单元包括供水装置和供气装置，供水装置和供气装置并联模拟地层腔1的进口；每个模拟地层腔1的内部设有地质样品2，外部设有加热装置3和围压装置，用于使模拟地层腔1达到模拟地层对应的温度和围压；所述检测单元包括与模拟地层腔1的出口并联的气路管道和水路管道，水路管道上设有检测器和液体流量计4，用于测算采热量，气路管道上设有气体流量计5，用于检测采气量。
22.可选的，所述供水装置包括储水器6、增压泵7和第一压力计8，增压泵7的出口通过第一压力计8连接储水器6的输出管路，为储水器6输出的水增压，模拟压裂用水。
23.可选的，所述供气装置包括气瓶9和第二压力计10，第二压力计10设在气瓶9的输出气路上，气瓶9内储存甲烷气，用于模拟地层输出的煤层气或页岩气。
24.进一步可选的，所述储水器6的输出管路和气瓶9的输出气路合并为一条管路后再连接模拟地层腔1的进口，使得水气混合后再输入模拟地层腔1，模拟真实采气情况。
25.可选的，所述加热装置3围绕模拟地层腔1的外部四周设置，便于为模拟地层腔1均匀加热，以模拟真实的地层地热情况。加热装置3采用常规加热装置3即可，例如加热套、加热板、电炉等。
26.可选的，所述围压装置包括围压泵11和第三压力计12，围压泵11通过第三压力计12连接模拟地层腔1的进口或出口，使模拟地层腔1内部压力达到真实深度的地层围压。
27.可选的，所述气路管道上依次设有气水分离器13和气体流量计5，水路管道上依次设有检测器和液体流量计4，所述检测器为热交换器14，气路管道设在水路管道的上方。
28.从模拟地层腔1输出的采气和热水，经过气水分离器13分离，气体继续沿气路管道经过气体流量计5，再输入对应的气体收集装置；热水流下并进入水路管道，经过热交换器14与冷介质换热，然后经过液体流量计4再输入对应的液体收集装置；吸收热量后的冷介质为其它装置供热，例如加热装置3，或实验室采暖。
29.当需要同时对多个不同的埋深的地层进行合采实验时，将多个模拟地层腔1并联，每个模拟地层腔1具有对应的加热装置3和围压装置，用于使得每个模拟地层腔1根据各自的埋深（即埋藏深度），设置对应的围压和温度；所述供水装置和供气装置并联若干个模拟地层腔1的进口，气路管道和水路管道并联若干个模拟地层腔1的出口。
30.本领域技术人员可以根据实验需要，在上述各个部件的前后管道处安装开关或阀门，便于控制气体、液体的流动。
31.本实施例还提供所述地层深部气热共采的模拟实验装置的使用方法，包括以下步
骤：（1）根据垂直应力估算方程式sv=0.027
×
h计算不同埋深的地层的围压，根据地温与深度关系方程式t=0.036
×
h+14计算不同埋深的地层的温度；表1 不同埋深的地层对应的围压和温度（2）利用模拟地层腔1模拟一个埋深的地层，利用加热装置3使得模拟地层腔1的温度达到步骤（1）计算得到的该埋深对应的地层温度，利用围压装置使得模拟地层腔1的围压达到步骤（1）计算得到的该埋深对应的地层围压；（3）开启供水装置和供气装置，向模拟地层腔1供水供气，增压泵7和气瓶9提供的压力均为2mpa；同时开启气路管道的气水分离器13、气体流量计5、水路管道的热交换器14和液体流量计4，使得分离后的气体流经气体流量计5，使得所述冷介质和热水流经热交换器14，换热后热水流经液体流量计4；（4）所述模拟实验装置运行30min，达到稳定状态后，记录液体流量计4的流量、热水进出热交换器14的温度，计算热水的热值q；热值q的计算公式如下：q=c
×
ρ
水
×
l
×
t
×
(t
g-th)其中，q为热值，j；c为水的比热容，4.2
×
103j/(kg
•
℃)；ρ
水
为水的密度，1
×
103kg/m3；l为热水的流量，m3/min；t为实验时间，min；tg为热水进入热交换器14的温度，℃；th为热水流出热交换器14的温度，℃；（5）利用模拟地层腔1分别模拟表1中不同埋深的地层，重复步骤（2）-（4），步骤（3）的供水压力和供气压力均为2mpa，得出不同埋深条件下地热温度与渗透率的耦合机制，通过比较不同埋深时，得到的热水的热值q，找到最大热值q对应的埋深区间为3000-3500m，如图2所示。
32.步骤（1）中，所述垂直应力估算方程式是由hoek和brown于1980年提出的（brown, e.t., hoek, e., 1980. underground excavations in rock. crc press.），地温与深度关系方程式是由杨绪充于1984年提出的（杨绪充.东营凹陷地温特征及深部勘探问题[j].石油学报,1984(03):19-26.）。