本發(fā)明涉及煤層氣開發(fā)領(lǐng)域領(lǐng)域，尤其涉及一種用于煤層氣井排采的模擬試驗(yàn)裝置和方法。

背景技術(shù)：

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)能源的供應(yīng)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，而且人類活動(dòng)中排放的大量二氧化碳所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重威脅到整個(gè)自然的生態(tài)安全，人類對(duì)新型、清潔的能源需求越來越大，因而煤層氣作為一種新型、清潔能源受到了廣泛關(guān)注。

我國具有豐富的煤層氣資源，煤層氣開發(fā)對(duì)緩解我國油氣資源緊張現(xiàn)狀、減輕礦井災(zāi)害程度、減少溫室氣體排放等均具有重要意義。如何從煤層中高效開采煤層氣及提高煤層氣井產(chǎn)量是當(dāng)前研究的重要課題，煤層氣井排采管控是影響煤層氣井后期開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，對(duì)煤儲(chǔ)層保護(hù)、煤層氣井持續(xù)高產(chǎn)具有重要意義。目前均認(rèn)識(shí)到煤層氣井排采管控對(duì)煤層氣井產(chǎn)量變化的影響的重要性，但對(duì)于排采作業(yè)制度與煤層氣井排采過程中產(chǎn)生的煤儲(chǔ)層傷害如賈敏效應(yīng)和速敏效應(yīng)之間的耦合關(guān)系、不同煤儲(chǔ)層發(fā)生賈敏和速敏效應(yīng)的機(jī)理及排采控制手段均未見深入的報(bào)道，嚴(yán)重制約了煤層氣井排采管控技術(shù)的有效提高和實(shí)施。

鑒于此，在試驗(yàn)室內(nèi)通過模擬氣水飽和階段的煤儲(chǔ)層條件，實(shí)現(xiàn)煤層氣排采過程中煤儲(chǔ)層流體流動(dòng)時(shí)賈敏和速敏形成和有效控制的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，對(duì)研究煤層氣井排采時(shí)賈敏和速敏如何通過排采管控具有重要的理論指導(dǎo)意義，對(duì)于指導(dǎo)煤層氣的生產(chǎn)作業(yè)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種用于煤層氣井排采的模擬試驗(yàn)裝置和方法。

為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種用于煤層氣井排采的模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：高壓氣瓶、錐形瓶、裝填煤樣容器、量筒、水槽和集氣瓶；所述錐形瓶、量筒和集氣瓶上均具有刻度；

所述高壓氣瓶和錐形瓶均通過管路與裝填煤樣容器連通；所述高壓氣瓶內(nèi)盛裝有CH₄，其與裝填煤樣容器之間的管路上設(shè)有控制氣閥、開關(guān)閥和進(jìn)口氣體流量計(jì)；所述錐形瓶內(nèi)盛裝有模擬地層水，其與裝填煤樣容器之間的管路上設(shè)有進(jìn)口流量控制閥和第一液體流量計(jì)；所述裝填煤樣容器內(nèi)設(shè)有用于裝載煤心柱的巖心夾持器，所述巖心夾持器具有膠套，所述巖心夾持器外壁與所述裝填煤樣容器內(nèi)壁相抵；所述裝填煤樣容器還通過管路分別連接量筒和水槽，所述裝填煤樣容器與量筒之間的管路上設(shè)有第一氣水控制閥、出口流量控制閥和第二液體流量計(jì)，所述裝填煤樣容器和水槽之間的管路設(shè)有出口氣體控制閥、出口氣體流量計(jì)和第二氣水控制閥；所述集氣瓶倒置在水槽內(nèi)，所述裝填煤樣容器和水槽之間的管路出氣口位于所述集氣瓶內(nèi)。

優(yōu)選地，上述管路為亞克力管路。

優(yōu)選地，所述開關(guān)閥為電磁閥。

優(yōu)選地，還包括若干個(gè)盛裝不同濃度地層水并帶刻度的備用錐形瓶，所述地層水內(nèi)含有煤粉與粘土顆粒。

優(yōu)選地，所述煤粉的粒徑小于0.1mm，質(zhì)量濃度不超過10%。

優(yōu)選地，上述閥門的精度為0.4級(jí)，上述氣體或液體流量計(jì)的精度為0.2級(jí)。

本發(fā)明還提出一種采用上述模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

S1：將準(zhǔn)備好的的煤心柱裝入膠套中，密封后將膠套置于巖心夾持器中，并將巖心夾持器置于裝填煤樣容器內(nèi)，用密封材料密封裝填煤樣容器的管路接口可能發(fā)漏氣漏水的地方；

S2：將試驗(yàn)裝置中的所有管路連接好，并將所有閥門關(guān)閉；

S3：打開進(jìn)口流量控制閥、第一氣水控制閥、出口氣體控制閥、第二氣水控制閥，待管路中充注滿地層水后，關(guān)閉所有控制閥；

S4：打開控制氣閥、開關(guān)閥、進(jìn)口流量控制閥、第一氣水控制閥、出口氣體控制閥、出口流量控制閥、第二氣水控制閥，觀測(cè)進(jìn)口氣體流量計(jì)、第一液體流量計(jì)、第二液體流量計(jì)、出口氣體流量計(jì)讀數(shù)變化；調(diào)節(jié)控制氣閥和進(jìn)口流量控制閥，當(dāng)管路中地層水不流動(dòng)，即煤樣中產(chǎn)生了賈敏效應(yīng)時(shí)，記錄試驗(yàn)過程中的氣體流量、液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S5：在S4基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)控制氣閥以加大CH₄氣體流速，或調(diào)高的錐形瓶以改變水頭高度，當(dāng)管路中地層水重新流動(dòng)，即煤樣中賈敏效應(yīng)被打破時(shí)，關(guān)閉所有控制閥，記錄試驗(yàn)過程中氣體流量、液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S6：在錐形瓶中裝入含煤粉或粘土顆粒的地層水，打開控制氣閥、開關(guān)閥、第一氣水控制閥、出口流量控制閥，并沖洗管路，沖洗一段時(shí)間后關(guān)閉控制氣閥、開關(guān)閥、出口流量控制閥，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量控制閥，以使地層水緩慢流動(dòng)；觀測(cè)管路中地層水流速和第二液體流量計(jì)，當(dāng)管路水地層水不流動(dòng)和液體流量計(jì)讀數(shù)不再變化，即巖心夾持器中煤樣發(fā)生速敏效應(yīng)時(shí)，記錄試驗(yàn)過程中液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S7：在S6基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量控制閥，以降低地層水流量流速，并觀測(cè)地層水是否重新流動(dòng)；

S8：若當(dāng)?shù)貙铀匦铝鲃?dòng)，即速敏效應(yīng)被打破時(shí)，記錄試驗(yàn)液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；若地層水未重新流動(dòng)，即速敏效應(yīng)未被打破，降低錐形瓶中地層水煤粉和粘土含量直至清水，取備用煤心柱重復(fù)試驗(yàn)操作S6和S7，直至地層水重新流動(dòng)，記錄試驗(yàn)液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S9：試驗(yàn)結(jié)束后，打開內(nèi)置巖心夾持器，取出試驗(yàn)樣品，解除管路連接，清洗試驗(yàn)容器和管路，并對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行孔滲物性分析。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的實(shí)施效果如下：

該試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法能夠模擬煤儲(chǔ)層接近臨界解吸壓力進(jìn)入產(chǎn)氣階段時(shí)煤儲(chǔ)層流體流動(dòng)過程、模擬產(chǎn)氣過程中賈敏效應(yīng)的形成過程及如何打破賈敏效應(yīng)的過程，并得到試驗(yàn)條件下氣水流體的流量、流速及試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)；模擬產(chǎn)水過程中速敏效應(yīng)的形成過程及如何打破速敏效應(yīng)的過程，并得到試驗(yàn)條件下地層水流體的流量、流速及試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)。結(jié)合地層水中固相顆粒含量濃度、速敏試驗(yàn)前后煤樣孔滲測(cè)試結(jié)果，能夠分析不同煤儲(chǔ)層條件下賈敏和速敏效應(yīng)形成和控制的排采管控條件。

本發(fā)明控流量精度高，氣水流速流量波動(dòng)性小，數(shù)據(jù)顯示直觀、準(zhǔn)確，試驗(yàn)操作簡單、安全且易于控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的模擬試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的試驗(yàn)方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明的內(nèi)容。

如圖1所示，圖1為本發(fā)明所述的模擬試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，圖2為本發(fā)明所述的試驗(yàn)方法的流程示意圖。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明所述的用于煤層氣井排采的模擬試驗(yàn)裝置，包括：高壓氣瓶1、錐形瓶7、裝填煤樣容器8、量筒14、水槽18和集氣瓶17；所述錐形瓶7、量筒14和集氣瓶17上均具有刻度；

所述高壓氣瓶1和錐形瓶7均通過管路與裝填煤樣容器8連通；所述高壓氣瓶1內(nèi)盛裝有CH₄，其與裝填煤樣容器8之間的管路上設(shè)有控制氣閥2、開關(guān)閥3和進(jìn)口氣體流量計(jì)4；所述錐形瓶7內(nèi)盛裝有模擬地層水，其與裝填煤樣容器8之間的管路上設(shè)有進(jìn)口流量控制閥6和第一液體流量計(jì)5；所述裝填煤樣容器8內(nèi)設(shè)有用于裝載煤心柱的巖心夾持器9，所述巖心夾持器9具有膠套，所述巖心夾持器9外壁與所述裝填煤樣容器8內(nèi)壁相抵；所述裝填煤樣容器8還通過管路分別連接量筒14和水槽18，所述裝填煤樣容器8與量筒14之間的管路上設(shè)有第一氣水控制閥10、出口流量控制閥12和第二液體流量計(jì)13，所述裝填煤樣容器8和水槽18之間的管路設(shè)有出口氣體控制閥11、出口氣體流量計(jì)15和第二氣水控制閥16；所述集氣瓶17倒置在水槽18內(nèi)，所述裝填煤樣容器8和水槽18之間的管路出氣口位于所述集氣瓶17內(nèi)。

在有的實(shí)施例中，上述管路為亞克力管路，具有良好的透明性，便于觀察管路內(nèi)的水流動(dòng)情況。

在有的實(shí)施例中，所述開關(guān)閥3為電磁閥，方便控制。

上述方案還包括若干個(gè)盛裝不同濃度地層水并帶刻度的備用錐形瓶7，所述地層水內(nèi)含有煤粉與粘土顆粒。

上述方案中的煤粉的粒徑小于0.1mm，質(zhì)量濃度不超過10%。

參照?qǐng)D2，本發(fā)明還提出一種采用上述模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其包括以下步驟：

S1：將準(zhǔn)備好的的煤心柱裝入膠套中，密封后將膠套置于巖心夾持器9中，并將巖心夾持器9置于裝填煤樣容器8內(nèi)，用密封材料密封裝填煤樣容器9的管路接口可能發(fā)漏氣漏水的地方；

S2：將試驗(yàn)裝置中的所有管路連接好，并將所有閥門關(guān)閉；

S3：打開進(jìn)口流量控制閥6、第一氣水控制閥10、出口氣體控制閥11、第二氣水控制閥16，待管路中充注滿地層水后，關(guān)閉所有控制閥；

S4：打開控制氣閥2、開關(guān)閥3、進(jìn)口流量控制閥6、第一氣水控制閥10、出口氣體控制閥11、出口流量控制閥12、第二氣水控制閥16，觀測(cè)進(jìn)口氣體流量計(jì)4、第一液體流量計(jì)5、第二液體流量計(jì)13、出口氣體流量計(jì)15讀數(shù)變化；調(diào)節(jié)控制氣閥2和進(jìn)口流量控制閥6，當(dāng)管路中地層水不流動(dòng)，即煤樣中產(chǎn)生了賈敏效應(yīng)時(shí)，記錄試驗(yàn)過程中的氣體流量、液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S5：在S4基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)控制氣閥2以加大CH₄氣體流速，或調(diào)高的錐形瓶7以改變水頭高度，當(dāng)管路中地層水重新流動(dòng)，即煤樣中賈敏效應(yīng)被打破時(shí)，關(guān)閉所有控制閥，記錄試驗(yàn)過程中氣體流量、液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S6：在錐形瓶7中裝入含煤粉或粘土顆粒的地層水，打開控制氣閥2、開關(guān)閥3、第一氣水控制閥10、出口流量控制閥12，并沖洗管路，沖洗一段時(shí)間后關(guān)閉控制氣閥2、開關(guān)閥3、出口流量控制閥12，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量控制閥6，以使地層水緩慢流動(dòng)；觀測(cè)管路中地層水流速和第二液體流量計(jì)13，當(dāng)管路水地層水不流動(dòng)和液體流量計(jì)讀數(shù)不再變化，即巖心夾持器9中煤樣發(fā)生速敏效應(yīng)時(shí)，記錄試驗(yàn)過程中液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S7：在S6基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量控制閥6，以降低地層水流量流速，并觀測(cè)地層水是否重新流動(dòng)；

S8：若當(dāng)?shù)貙铀匦铝鲃?dòng)，即速敏效應(yīng)被打破時(shí)，記錄試驗(yàn)液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；若地層水未重新流動(dòng)，即速敏效應(yīng)未被打破，降低錐形瓶7中地層水煤粉和粘土含量直至清水，取備用煤心柱重復(fù)試驗(yàn)操作S6和S7，直至地層水重新流動(dòng)，記錄試驗(yàn)液體流量和試驗(yàn)時(shí)間；

S9：試驗(yàn)結(jié)束后，打開內(nèi)置巖心夾持器9，取出試驗(yàn)樣品，解除管路連接，清洗試驗(yàn)容器和管路，并對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行孔滲物性分析。

上述方案中，巖心夾持器9的直徑25mm，長度50mm，巖心夾持器9裝在裝填煤樣容器8中，其外壁與煤樣裝填容器8內(nèi)壁之內(nèi)涂抹凡士林保證密封。

由錐形瓶7流出的地層水流量范圍為0-700ml/min（約0-1m3/d），能夠真實(shí)模擬煤層中地層水的流速，最高地層水流體壓力0.1MPa。

巖心夾持器9入口處的流量保持為定值時(shí)，流量誤差不超0.01ml/min。

上述方案中的閥門的精度為0.4級(jí)，上述氣體或液體流量計(jì)的精度為0.2級(jí)，能夠保證測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，保證試驗(yàn)結(jié)果可靠性。

上述方案中的閥門均為單向閥，只允許流體單向流動(dòng)，防止因流體的回流導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。

上述方案中的計(jì)時(shí)器的精度為千分之一秒。用于試驗(yàn)的煤心柱的直徑為25mm，長度為50mm。試驗(yàn)中所使用的煤樣可采用事先測(cè)定了煤的孔滲參數(shù)的不同變質(zhì)程、不同儲(chǔ)層物性煤樣。

為了提高試驗(yàn)裝置的適應(yīng)性，本試驗(yàn)裝置可以通過地層水中煤粉和粘土顆粒最大粒徑為0.1mm（即200目）的固相顆粒，允許通過最大固相顆粒質(zhì)量濃度為10%的地層水混合物，較真實(shí)地模擬實(shí)際煤層氣井產(chǎn)出地層水時(shí)固相顆粒在煤儲(chǔ)層中的流動(dòng)狀況。

本發(fā)明的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法能夠模擬煤儲(chǔ)層接近臨界解吸壓力進(jìn)入產(chǎn)氣階段時(shí)煤儲(chǔ)層流體流動(dòng)過程、模擬產(chǎn)氣過程中賈敏效應(yīng)的形成過程及如何打破賈敏效應(yīng)的過程，并得到試驗(yàn)條件下氣水流體的流量、流速及試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)；模擬產(chǎn)水過程中速敏效應(yīng)的形成過程及如何打破速敏效應(yīng)的過程，并得到試驗(yàn)條件下地層水流體的流量、流速及試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)。結(jié)合地層水中固相顆粒含量濃度、速敏試驗(yàn)前后煤樣孔滲測(cè)試結(jié)果，能夠分析不同煤儲(chǔ)層條件下賈敏和速敏效應(yīng)形成和控制的排采管控條件。

本發(fā)明控流量精度高，氣水流速流量波動(dòng)性小，數(shù)據(jù)顯示直觀、準(zhǔn)確，試驗(yàn)操作簡單、安全且易于控制。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。