本發(fā)明涉及天然氣的開采領(lǐng)域，具體的，本發(fā)明涉及一種模擬復(fù)合多層氣藏開采的實(shí)驗(yàn)方法及裝置。
背景技術(shù)：
世界非常規(guī)天然氣資源豐富，各大沉積盆地普遍發(fā)育豐富的煤層氣藏、致密砂巖氣藏和頁巖氣藏。隨著非常規(guī)氣藏勘探開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤層、致密砂巖層和頁巖層多層疊置現(xiàn)象逐漸普遍。對于厚度較小的氣層，單層開采存在產(chǎn)能低、開采難度大的問題。為了提高氣井產(chǎn)能和效率，實(shí)現(xiàn)氣井的高效開采，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了多儲層分層壓裂合層排采，合層壓裂合層排采等工藝技術(shù)。多層合采不僅可以提高單井產(chǎn)能，減小油壓，改善整個(gè)氣田的開發(fā)效益，還能夠延長氣井穩(wěn)產(chǎn)期，減小氣井綜合成本，已成為氣井增產(chǎn)降本的有效手段。
目前，用于氣藏多層合層開采模擬研究的實(shí)驗(yàn)方法和裝置主要針對單一類型氣藏，如砂巖氣藏多層合層開采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M、煤層氣藏多層合層開采氣液流動(dòng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M等。而國內(nèi)煤層\致密砂巖層\頁巖層的合層開采處于工程試驗(yàn)階段，相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究仍處于空白領(lǐng)域。因此，提供一種模擬煤層\致密砂巖層\頁巖層合層開采的實(shí)驗(yàn)裝置及對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法是必要且緊迫的。
2010年，胡勇等人設(shè)計(jì)了一種氣藏多層合采物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置通過多個(gè)長巖心夾持器并聯(lián)，模擬氣體在氣藏中多個(gè)氣層內(nèi)部的流動(dòng)；通過高壓氣源和氣體增壓器向巖心孔隙飽和氣，模擬氣藏儲層原始壓力，通過高壓注射泵向多個(gè)巖心夾持器中的巖心加圍壓，模擬上覆巖層壓力；通過裝置末端的調(diào)壓閥和質(zhì)量流量計(jì)控制生產(chǎn)壓差和流量，模擬氣藏定產(chǎn)量衰竭或定壓差衰竭開采；通過長巖心夾持器正體上與進(jìn)出口端得壓力傳感器記錄沿程壓力變化，通過長巖心夾持器末端的質(zhì)量流量計(jì)記錄各層的質(zhì)量流量，通過計(jì)算機(jī)對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制關(guān)系曲線。該裝置的缺點(diǎn)是：只能對同一種類型氣藏進(jìn)行模擬，而不能模擬煤層氣藏和頁巖氣藏的開采；只能模擬單相氣體在儲層中的運(yùn)移，不能考慮液相的影響；不能模擬原始儲層的溫度條件。
2015年，易同生等人設(shè)計(jì)和組裝了一種多煤層合采的煤層氣井筒氣液兩相流模擬裝置。該裝置主要包括回收系統(tǒng)、井筒模擬系統(tǒng)、儲層模擬系統(tǒng)、調(diào)整系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；厥障到y(tǒng)連接在井筒模擬系統(tǒng)的頂部，儲層模擬系統(tǒng)與井筒模擬系統(tǒng)的導(dǎo)孔連接，調(diào)整系統(tǒng)連接在井筒模擬系統(tǒng)的外側(cè)與底部，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接在回收系統(tǒng)、井筒模擬系統(tǒng)與儲層模擬系統(tǒng)相互間的連接處。該裝置能夠模擬一定井斜角條件下，經(jīng)排水降壓后，原始儲層條件下多個(gè)煤層依次解吸，并經(jīng)過煤層氣井筒的環(huán)空和油管產(chǎn)出這一物理過程。該裝置的缺點(diǎn)是：裝置只能模擬多煤層的合層開采，不能推廣到多種類型氣藏多層合層開采的模擬；不能模擬原始儲層的溫度條件；甲烷只能吸附在水膜上，實(shí)驗(yàn)獲得的吸附量較實(shí)際情況偏小。
2013年，劉向君等人設(shè)計(jì)了一種頁巖氣藏開采模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置包括高壓氣源系統(tǒng)、注入系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、恒溫箱系統(tǒng)、回壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。該裝置將不同尺度大小的巖心串聯(lián)起來，可模擬頁巖氣藏中的多尺度孔隙特征，反映出因多尺度效應(yīng)影響的頁巖氣滲流具有的多尺度特征，能夠模擬頁巖氣藏的開采過程，綜合評價(jià)不同開采方式的開采機(jī)理和開采動(dòng)態(tài)。該裝置的缺點(diǎn)是：裝置只能模擬單相氣體在儲層中的運(yùn)移，不能考慮液相的影響，與頁巖儲層實(shí)際情況不符；裝置在平板模型巖心夾持器中用平板巖心模擬頁巖氣的吸附解吸，不能有效模擬原始儲層的三維應(yīng)力環(huán)境，不能準(zhǔn)確揭示頁巖氣在頁巖中的吸附解吸的規(guī)律。
目前，關(guān)于非常規(guī)氣藏中氣體的跨尺度流動(dòng)特征的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究較為欠缺，因此在煤層\致密砂巖層\頁巖層合層開采的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，考慮各氣層中氣體的跨尺度流動(dòng)具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種模擬復(fù)合多層氣藏開采的實(shí)驗(yàn)裝置；
本發(fā)明的另一目的在于提供使用所述實(shí)驗(yàn)裝置模擬復(fù)合多層氣藏開采實(shí)驗(yàn)方法。
為達(dá)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種模擬復(fù)合多層氣藏開采的實(shí)驗(yàn)裝置，其中，所述復(fù)合多層氣藏為煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣氣藏；所述裝置包括注入系統(tǒng)1、煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3、頁巖模型系統(tǒng)4、回壓系統(tǒng)5、回收系統(tǒng)6和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7；其中注入系統(tǒng)1經(jīng)過第一多通道閥81分別與煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3和頁巖模型系統(tǒng)4連接；煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3和頁巖模型系統(tǒng)4再分別經(jīng)過第二多通道閥82與回壓系統(tǒng)5連接；所述回壓系統(tǒng)5與回收系統(tǒng)6連接；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7分別與煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3、頁巖模型系統(tǒng)4、和回收系統(tǒng)6連接以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述多通道閥為六通道閥。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述注入系統(tǒng)包括注入系統(tǒng)高壓氣瓶11、注入系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)12、注入系統(tǒng)增壓泵13、注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14、注入系統(tǒng)氣體中間容器15、雙缸泵16、液體中間容器17和真空泵18；所述注入系統(tǒng)高壓氣瓶和注入系統(tǒng)增壓泵順序通過注入系統(tǒng)主管路與第一多通道閥81連接，所述注入系統(tǒng)增壓泵還分別與注入系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)和注入系統(tǒng)氣體中間容器連接，注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵與注入系統(tǒng)氣體中間容器連接，在注入系統(tǒng)增壓泵與第一多通道閥連接的主管路上，連接液體中間容器和真空泵，所述雙缸泵與液體中間容器連接。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述高壓氣瓶為甲烷高壓氣瓶；其中所述甲烷優(yōu)選為高純甲烷。
所述的高純甲烷可以為常規(guī)市售的高純甲烷，譬如純度大于99.99％的甲烷。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述注入系統(tǒng)還包括注入系統(tǒng)排空閥198；所述注入系統(tǒng)排空閥設(shè)置在注入系統(tǒng)增壓泵與第一多通道閥之間的管路上。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，是在注入系統(tǒng)排空閥和第一多通道閥連接的主管路上，連接液體中間容器和真空泵；
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述注入系統(tǒng)還包括七個(gè)注入系統(tǒng)閥門191、192、193、194、195、196、197，所述注入系統(tǒng)閥門分別設(shè)置在如下的每兩個(gè)直接用管路連接的設(shè)備之間的管路上：注入系統(tǒng)高壓氣瓶、注入系統(tǒng)增壓泵、注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵、注入系統(tǒng)氣體中間容器、雙缸泵、液體中間容器、和真空泵，以及設(shè)置在注入系統(tǒng)增壓泵與注入系統(tǒng)排空閥之間的主管路上、真空泵與主管路連接的管路上、和液體中間容器與主管路連接的管路上。
如圖1所示，在注入系統(tǒng)中，下列閥門設(shè)置在如下設(shè)備之間的管路上：閥門191在高壓氣瓶和增壓泵之間，閥門192在增壓泵和排空閥之間，閥門193在增壓泵和氣體中間容器之間，閥門194在氣體中間容器和高壓驅(qū)替泵之間，閥門195在真空泵和主管路之間，閥門196在液體中間容器和主管路之間，閥門197在液體中間容器和雙缸泵之間。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，煤層模型系統(tǒng)2包括煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀21、煤層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器22、煤層系統(tǒng)平板巖心夾持器23、煤層系統(tǒng)油壓泵24、煤層系統(tǒng)水壓泵25、煤層系統(tǒng)恒溫箱26和煤層系統(tǒng)氣液分離器27，第一多通道閥81與煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀、煤層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器、煤層系統(tǒng)平板巖心夾持器和煤層系統(tǒng)氣液分離器通過煤層模型系統(tǒng)主管路順序串聯(lián)，煤層系統(tǒng)油壓泵與煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀連接，煤層系統(tǒng)水壓泵通過第三多通道閥83分別與兩個(gè)巖心夾持器和煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀連接，煤層系統(tǒng)氣液分離器的兩個(gè)出口端(氣體出口和液體出口)通過管路匯聚后與第二多通道閥82連接，還在主管路上設(shè)置支管路與煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀并聯(lián)以將煤層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器與第一多通道閥直接連接，所述煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀、煤層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器和煤層系統(tǒng)平板巖心夾持器置于煤層系統(tǒng)恒溫箱內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述煤層模型系統(tǒng)還包括十二個(gè)煤層系統(tǒng)閥門2901、2902、2903、2904、2905、2906、2907、2908、2909、2910、2911、2912，其中兩個(gè)煤層系統(tǒng)閥門設(shè)置在支管路上，其余的分別設(shè)置在除了煤層系統(tǒng)油壓泵和煤層系統(tǒng)水壓泵以外的其他煤層模型系統(tǒng)設(shè)備之間、管路連接點(diǎn)之間、以及設(shè)備與管路連接點(diǎn)之間的管路上。
如圖1所示，在煤層模型系統(tǒng)中，下列閥門設(shè)置在如下設(shè)備之間的管路上：閥門2901在第一多通道閥和煤層模型系統(tǒng)支管路之間，閥門2902在支管路與三軸吸附解吸儀的入口端之間，閥門2903在支管路與三軸吸附解吸儀的出口端之間，閥門2904在支管路和全直徑巖心夾持器之間，閥門2905在全直徑巖心夾持器和平板巖心夾持器之間，閥門2906在平板巖心夾持器和氣液分離器之間，閥門2907在氣液分離器和第二多通道閥之間，閥門2908和閥門2909以支管路靠近第一多通道閥的一端為起點(diǎn)順序設(shè)置在支管路上，閥門2910在三軸吸附解吸儀和第三多通道閥之間連接的管路上，閥門2911在全直徑巖心夾持器和第三多通道閥之間連接的管路上，閥門2912在平板巖心夾持器和第三多通道閥之間連接的管路上。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，致密砂巖層模型系統(tǒng)3包括砂巖層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器31、砂巖層系統(tǒng)平板模型巖心夾持器32、砂巖層系統(tǒng)水壓泵33、砂巖層系統(tǒng)恒溫箱35和砂巖層系統(tǒng)氣液分離器35，其中第一多通道閥81與砂巖層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器、砂巖層系統(tǒng)平板模型巖心夾持器和砂巖層系統(tǒng)氣液分離器通過致密砂巖層模型系統(tǒng)主管路順序串聯(lián)，砂巖層系統(tǒng)水壓泵通過第四多通道閥84分別與砂巖層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器和砂巖層系統(tǒng)平板模型巖心夾持器連接，砂巖層系統(tǒng)氣液分離器的兩個(gè)出口端(氣體出口和液體出口)通過管路匯聚后與第二多通道閥82連接，所述砂巖層系統(tǒng)全直徑巖心夾持器和砂巖層系統(tǒng)平板巖心夾持器置于砂巖層系統(tǒng)恒溫箱內(nèi)；
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述致密砂巖層模型系統(tǒng)還包括六個(gè)砂巖層系統(tǒng)閥門361、362、363、364、365、366，所述砂巖層系統(tǒng)閥門設(shè)置在除了砂巖層系統(tǒng)水壓泵以外的其他致密砂巖層模型系統(tǒng)設(shè)備之間、管路連接點(diǎn)之間、以及設(shè)備與管路連接點(diǎn)之間的管路上。
如圖1所示，在致密砂巖層模型系統(tǒng)中，下列閥門設(shè)置在如下設(shè)備之間的管路上：閥門361在第一多通道閥和全直徑巖心夾持器之間，閥門362在全直徑巖心夾持器和平板模型巖心夾持器之間，閥門363在平板模型巖心夾持器和氣液分離器之間，閥門364在氣液分離器和第二多通道閥之間，閥門365在第四多通道閥和全直徑巖心夾持器之間，閥門366在第四多通道閥和平板模型巖心夾持器之間。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，頁巖模型系統(tǒng)4包括頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀41、頁巖系統(tǒng)全直徑巖心夾持器42、頁巖系統(tǒng)平板巖心夾持器43、頁巖系統(tǒng)油壓泵44、頁巖系統(tǒng)水壓泵45、頁巖系統(tǒng)恒溫箱46和頁巖系統(tǒng)氣液分離器47，第一多通道閥81與頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀、頁巖系統(tǒng)全直徑巖心夾持器、頁巖系統(tǒng)平板巖心夾持器和頁巖系統(tǒng)氣液分離器通過頁巖模型系統(tǒng)主管路順序串聯(lián)，頁巖系統(tǒng)油壓泵與頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀連接，頁巖系統(tǒng)水壓泵通過第五多通道閥85分別與兩個(gè)巖心夾持器和頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀連接，頁巖系統(tǒng)氣液分離器的兩個(gè)出口端(氣體出口和液體出口)通過管路匯聚后與第二多通道閥82連接，還在主管路上設(shè)置支管路與頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀并聯(lián)以將頁巖系統(tǒng)全直徑巖心夾持器與第一多通道閥直接連接，所述頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀、頁巖系統(tǒng)全直徑巖心夾持器和頁巖系統(tǒng)平板巖心夾持器置于頁巖系統(tǒng)恒溫箱內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述頁巖模型系統(tǒng)還包括十二個(gè)頁巖系統(tǒng)閥門4801、4802、4803、4804、4805、4806、4807、4808、4809、4810、4811、4812，其中兩個(gè)頁巖系統(tǒng)閥門設(shè)置在支管路上，其余的分別設(shè)置在除了頁巖系統(tǒng)油壓泵和頁巖系統(tǒng)水壓泵以外的其他頁巖模型系統(tǒng)設(shè)備之間、管路連接點(diǎn)之間、以及設(shè)備與管路連接點(diǎn)之間的管路上。
如圖1所示，在頁巖模型系統(tǒng)中，下列閥門設(shè)置在如下設(shè)備之間的管路上：閥門4801在第一多通道閥和頁巖模型系統(tǒng)支管路之間，閥門4802在支管路與三軸吸附解吸儀的入口端之間，閥門4803在支管路與三軸吸附解吸儀的出口端之間，閥門4804在支管路和全直徑巖心夾持器之間，閥門4805在全直徑巖心夾持器和平板巖心夾持器之間，閥門4806在平板巖心夾持器和氣液分離器之間，閥門4807在氣液分離器和第二多通道閥之間，閥門4808和閥門4809以支管路靠近第一多通道閥的一端為起點(diǎn)順序設(shè)置在支管路上，閥門4810在三軸吸附解吸儀和第三多通道閥之間連接的管路上，閥門4811在全直徑巖心夾持器和第三多通道閥之間連接的管路上，閥門4812在平板巖心夾持器和第三多通道閥之間連接的管路上。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述回壓系統(tǒng)5包括回壓系統(tǒng)高壓氣瓶51、回壓系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)52、回壓系統(tǒng)增壓泵53、回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵54、回壓系統(tǒng)氣體中間容器55、回壓閥56和回壓系統(tǒng)排空閥575，所述回壓系統(tǒng)高壓氣瓶與回壓系統(tǒng)增壓泵、回壓閥和第二多通道閥82通過主管路順序串聯(lián)連接，所述回壓系統(tǒng)排空閥通過管路與回壓系統(tǒng)增壓泵和回壓閥之間的管路連接，回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵和回壓系統(tǒng)氣體中間容器連接，回壓系統(tǒng)氣體中間容器通過管路與回壓系統(tǒng)排空閥和回壓系統(tǒng)增壓泵之間的管路連接。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述回壓系統(tǒng)高壓氣瓶為惰性氣體氣瓶；其中優(yōu)選為氮?dú)飧邏簹馄?；更?yōu)選為高純氮?dú)飧邏簹馄俊?/p>
所述的高純氮?dú)鉃槌Ｒ?guī)市售的高純氮?dú)?，譬如為純度大?9.999％的氮?dú)狻?/p>
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述回壓系統(tǒng)還包括四個(gè)回壓系統(tǒng)閥門571、572、573、574，所述回壓系統(tǒng)閥門分別設(shè)置在如下通過管路直接連接的回壓系統(tǒng)設(shè)備之間：回壓系統(tǒng)高壓氣瓶、回壓系統(tǒng)排空閥、回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵、回壓系統(tǒng)氣體中間容器，以及設(shè)置在回壓系統(tǒng)增壓泵和回壓系統(tǒng)排空閥之間的主管路上、和回壓系統(tǒng)氣體中間容器與主管路連接的管路上。
如圖1所示，在回壓系統(tǒng)中，下列閥門設(shè)置在如下設(shè)備之間的管路上：閥門571在排空閥和增壓泵之間，閥門572在增壓泵和高壓氣瓶之間，閥門573在增壓泵和氣體中間容器之間，閥門574在氣體中間容器和高壓驅(qū)替泵之間。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述回收系統(tǒng)6包括水池61、廢氣罐62和回收系統(tǒng)氣液分離器63，所述回收系統(tǒng)氣液分離器的液體出口與水池連接、氣體出口與廢氣罐連接，回收系統(tǒng)氣液分離器的入口與回壓系統(tǒng)5的回壓閥56連接。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述回收系統(tǒng)還包括回收系統(tǒng)閥門64，其設(shè)置在回收系統(tǒng)氣液分離器與回壓閥之間的管路上。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括11個(gè)壓力傳感器7101、7102、7103、7104、7105、7106、7107、7108、7109、7110、7111、4個(gè)氣體流量計(jì)721、722、723、724、4個(gè)液體流量計(jì)731、732、733、734和計(jì)算機(jī)74，所述壓力傳感器分別設(shè)置在煤層模型系統(tǒng)2和頁巖模型系統(tǒng)4各自的三軸吸附解吸儀、全直徑巖心夾持器和平板模型巖心夾持器的入口端和出口端，以及致密砂巖層模型系統(tǒng)3的全直徑巖心夾持器和平板模型巖心夾持器的入口端和出口端，氣體流量計(jì)分別設(shè)置在四個(gè)氣液分離器的氣體出口端，液體流量計(jì)分別設(shè)置在四個(gè)氣體分離器的液體出口端，上述的壓力傳感器、液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)分別與計(jì)算機(jī)電連接。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，本發(fā)明各系統(tǒng)所述的高壓驅(qū)替泵為高精度高壓驅(qū)替泵。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，本發(fā)明各系統(tǒng)所述的油壓泵和水壓泵分別為手動(dòng)油壓泵和手動(dòng)水壓泵。
其中可以理解的是，本發(fā)明各系統(tǒng)所述的三軸吸附解吸儀的入口端和出口端為本領(lǐng)域習(xí)慣性稱呼，入口端通常是指接入管路的一端，即與第一多通道閥連接的一端；出口端是指接出管路的一端，即與各系統(tǒng)的全直徑巖心夾持器連接的一端。
其中，本發(fā)明所述的連接，如果沒有特別說明是電連接的話，通常是指通過管路連接。
另一方面，本發(fā)明還提供了使用所述實(shí)驗(yàn)裝置模擬復(fù)合多層氣藏開采實(shí)驗(yàn)方法，其中，所述方法包括如下步驟：
(1)組裝儀器，設(shè)置恒溫箱溫度并檢測氣密性；
(2)對煤層模型系統(tǒng)2抽真空，先在低圍壓下抽真空，然后增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓順序?yàn)槊簩幽Ｐ拖到y(tǒng)的平板巖心夾持器23、全直徑巖心夾持器22、和三軸吸附解吸儀21，然后將煤層模型系統(tǒng)入口管路封閉；對致密砂巖層模型系統(tǒng)3抽真空，先在低圍壓下抽真空，然后增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓順序?yàn)橹旅苌皫r層模型系統(tǒng)的平板巖心夾持器32、和全直徑巖心夾持器31，然后將致密砂巖層模型系統(tǒng)入口管路封閉；對頁巖層模型系統(tǒng)4抽真空，先在低圍壓下抽空，然后增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓順序?yàn)轫搸r層模型系統(tǒng)的平板巖心夾持器43、全直徑巖心夾持器42、和三軸吸附解吸儀41，然后將頁巖層模型系統(tǒng)入口管路封閉；
(3)在回壓系統(tǒng)5中，將回壓系統(tǒng)高壓氣瓶51中的氣體轉(zhuǎn)入回壓系統(tǒng)氣體中間容器55，用回壓系統(tǒng)增壓泵53對回壓系統(tǒng)氣體中間容器中的氣體增壓到設(shè)定壓力后，用回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵54調(diào)節(jié)回壓系統(tǒng)氣體中間容器的壓力，加壓到實(shí)驗(yàn)壓力，待穩(wěn)定后，讓氣體充滿回壓閥56，并保持回壓閥壓力不變；
(4)對煤層模型系統(tǒng)的三軸吸附解吸儀中煤樣吸附處理，對煤樣施加軸壓至設(shè)定值，利用注入系統(tǒng)1將注入系統(tǒng)高壓氣瓶11中的氣體通入煤層模型系統(tǒng)的三軸吸附解吸儀，并使氣體充分吸附，然后將煤層模型系統(tǒng)入口管路封閉；對頁巖模型系統(tǒng)三軸吸附解吸儀中頁巖樣品進(jìn)行吸附處理，對頁巖樣品施加軸壓至設(shè)定值，利用注入系統(tǒng)將注入系統(tǒng)高壓氣瓶中的氣體通入頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀，調(diào)節(jié)頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀的壓力至設(shè)定值，然后將頁巖模型系統(tǒng)入口管路封閉；
(5)封閉煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀的入口管路，利用注入系統(tǒng)的雙缸泵16和煤層模型系統(tǒng)的支管路對煤層模型系統(tǒng)的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行飽和地層水處理，然后將煤層模型系統(tǒng)入口管路封閉；利用雙缸泵對致密砂巖層模型系統(tǒng)的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行飽和地層水處理，然后將致密砂巖層模型系統(tǒng)入口管路封閉；利用注入系統(tǒng)的雙缸泵和頁巖層模型系統(tǒng)的支管路對頁巖層模型系統(tǒng)的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行飽和地層水處理，然后將頁巖層模型系統(tǒng)入口管路封閉；
(6)利用注入系統(tǒng)高壓氣瓶的氣體通過增壓對致密砂巖層模型系統(tǒng)中的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行氣驅(qū)水操作，直到巖心達(dá)到原始含水飽和度，然后將致密砂巖層模型系統(tǒng)入口和出口管路封閉；利用注入系統(tǒng)高壓氣瓶的氣體，對頁巖層模型系統(tǒng)中的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行氣驅(qū)水操作，直到巖心達(dá)到原始含水飽和度，然后將頁巖層模型系統(tǒng)入口和出口管路封閉，并關(guān)閉注入系統(tǒng)高壓氣瓶；
(7)通過回壓系統(tǒng)的高壓驅(qū)替泵來使得回壓閥壓力保持下降，將煤層模型系統(tǒng)、致密砂巖層模型系統(tǒng)和頁巖模型系統(tǒng)與回壓閥連通，模擬煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣合層開采；同時(shí)分別測量煤層模型系統(tǒng)、致密砂巖層模型系統(tǒng)和頁巖層模型系統(tǒng)的氣體和液體流量，記錄各個(gè)壓力傳感器的壓力變化；對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可得到整個(gè)合層開采過程中的壓力-時(shí)間關(guān)系，采氣量-時(shí)間關(guān)系，采液量-時(shí)間關(guān)系，采氣量-壓力關(guān)系，采液量-壓力關(guān)系，并分析模擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)開采過程及開采機(jī)理。
其中，本發(fā)明步驟(2)所述低圍壓為本領(lǐng)域慣用術(shù)語，而根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中步驟(2)對煤層模型系統(tǒng)2抽真空后，先在0.5-1Mpa的低圍壓下抽真空，然后增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓順序?yàn)槊簩幽Ｐ拖到y(tǒng)的平板巖心夾持器23、全直徑巖心夾持器22、和三軸吸附解吸儀21，然后將煤層模型系統(tǒng)入口管路封閉。
其中，步驟(5)所述對煤層模型系統(tǒng)的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行飽和地層水處理、對致密砂巖層模型系統(tǒng)進(jìn)行飽和地層水處理、以及對頁巖層模型系統(tǒng)的兩個(gè)巖心夾持器進(jìn)行飽和地層水處理可以參照本領(lǐng)域常規(guī)的操作，而根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其分別各自獨(dú)立包括加大驅(qū)替壓差，并分別調(diào)節(jié)煤層模型系統(tǒng)、致密砂巖層模型系統(tǒng)或頁巖層模型系統(tǒng)的壓力至設(shè)定值，使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定。
其中，步驟(6)可以采用本領(lǐng)域常規(guī)操作來確定巖樣含水飽和度，而根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，步驟(6)是采用稱重法確定巖樣含水飽和度。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，其中，所述方法包括如下步驟：
(1)組裝儀器，設(shè)置恒溫箱溫度并檢測氣密性：組裝實(shí)驗(yàn)儀器，然后分別設(shè)置恒溫箱(26、34、46)的溫度為實(shí)驗(yàn)溫度，關(guān)閉如下閥門：煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3和頁巖模型系統(tǒng)4各自與第一多通道閥81連接的閥門2901，361，4801、各模型系統(tǒng)的平板巖心夾持器23，32，43與氣液分離器27，35，47之間的閥門2906，363，4806、注入系統(tǒng)1的液體中間容器17與第一多通道閥81之間的閥門196、真空泵18與第一多通道閥81之間的閥門195、增壓泵13與第一多通道閥81之間的閥門192，198；將注入系統(tǒng)高壓氣瓶11的氣體轉(zhuǎn)入到注入系統(tǒng)中間容器15中，用注入系統(tǒng)增壓泵13對注入系統(tǒng)中間容器15中氣體增壓到設(shè)定壓力，利用注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)注入系統(tǒng)中間容器壓力，待穩(wěn)定后，關(guān)閉高壓氣瓶11與增壓泵13之間的閥門191，打開各模型系統(tǒng)各自與第一多通道閥連接的閥門2901，361，4801、增壓泵13與第一多通道閥81之間的閥門192，使高壓氣體緩慢轉(zhuǎn)入模型系統(tǒng)中，檢查裝置密封性；
(2)關(guān)閉注入系統(tǒng)增壓泵13與第一多通道閥81連接的閥門192，打開真空泵18與第一多通道閥連接的閥門195，利用注入系統(tǒng)的真空泵18對模型系統(tǒng)進(jìn)行抽真空：關(guān)閉致密砂巖層模型系統(tǒng)3和頁巖模型系統(tǒng)4各自與第一多通道閥81連接的閥門361，4801，開啟煤層模型系統(tǒng)2與第一多通道閥連接81的閥門2901，在低圍壓的條件下抽真空，然后用煤層系統(tǒng)水壓泵25增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓的順序?yàn)槊簩幽Ｐ拖到y(tǒng)的平板巖心夾持器23，全直徑巖心夾持器22，三軸吸附解吸儀21；關(guān)閉煤層模型系統(tǒng)2與第一多通道閥連接81的閥門2901，打開致密砂巖層模型系統(tǒng)3與第一多通道閥連接81的閥門361，在低圍壓的條件下抽真空，然后用砂巖層系統(tǒng)水壓泵33增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓的順序?yàn)橹旅苌皫r層模型系統(tǒng)的平板巖心夾持器32，全直徑巖心夾持器31；關(guān)閉致密砂巖層模型系統(tǒng)3與第一多通道閥81連接的閥門361，打開頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81連接的閥門4801，在低圍壓的條件下抽真空，后用頁巖模型系統(tǒng)水壓泵45增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓的順序?yàn)轫搸r模型系統(tǒng)4的平板巖心夾持器43，全直徑巖心夾持器42，三軸吸附解吸儀41，抽完之后，關(guān)閉頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81連接的閥門4801、以及注入系統(tǒng)1的真空泵18與第一多通道閥連接的閥門195；
(3)將回壓系統(tǒng)高壓氣瓶51中的氣體轉(zhuǎn)入回壓系統(tǒng)中間容器55，用回壓系統(tǒng)增壓泵53對回壓系統(tǒng)中間容器55中的氣體增壓到設(shè)定壓力后，用回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵54調(diào)節(jié)回壓系統(tǒng)中間容器55的壓力到實(shí)驗(yàn)壓力，穩(wěn)定后，緩慢打開回壓閥56與回壓系統(tǒng)增壓泵53之間的閥門571，讓氣體緩慢充滿回壓閥，保持回壓閥壓力不變；
(4)對煤層模型系統(tǒng)2的三軸吸附解吸儀21中煤樣吸附處理：關(guān)閉煤層模型系統(tǒng)支管路上的閥門2908，2909，利用煤層模型系統(tǒng)的油壓泵24對煤樣施加軸壓至設(shè)定值，將注入系統(tǒng)高壓氣瓶11中的氣體轉(zhuǎn)入注入系統(tǒng)中間容器15，利用注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14對注入系統(tǒng)中間容器中氣體增壓到設(shè)定壓力，穩(wěn)定后，打開注入系統(tǒng)排空閥198和注入系統(tǒng)增壓泵13與第一多通道閥81連接的閥門192，排出管線中的空氣后，關(guān)閉注入系統(tǒng)排空閥198和煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀21出口端與支管路之間的閥門2903，打開煤層模型系統(tǒng)2與第一多通道閥81連接的閥門2901，向煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀21通入氣體，利用注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀21的壓力，持續(xù)注入2-10天，直至注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14的體積不再變化為止，然后關(guān)閉煤層模型系統(tǒng)2與第一多通道閥81連接的閥門2901；對頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀41中頁巖樣品進(jìn)行吸附處理：關(guān)閉頁巖模型系統(tǒng)4支管路上的閥門4808，4809，利用頁巖系統(tǒng)油壓泵44對頁巖樣品施加軸壓至設(shè)定值，打開頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81連接的閥門4801，關(guān)閉頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀41出口端與支管路之間的閥門4803，向頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀41通入氣體，利用注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀41的壓力至設(shè)定值，直至注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14的體積不再變化為止，然后關(guān)閉頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81連接的閥門4801；
(5)關(guān)閉注入系統(tǒng)增壓泵13與第一多通道閥81連接的閥門192、煤層系統(tǒng)三軸吸附解吸儀21入口端與支管路之間的閥門2902、三軸吸附解吸儀21出口端與支管路之間的閥門2903、致密砂巖層模型系統(tǒng)3和頁巖模型系統(tǒng)4各自與第二多通道閥82連接的閥門364，4807，打開煤層模型系統(tǒng)2與第一多通道閥81連接的閥門2901、煤層模型系統(tǒng)2的支管路上的閥門2908，2909、煤層模型系統(tǒng)的支管路與第二多通道閥82之間的主管路上的所有閥門2904，2905，2906，2907、注入系統(tǒng)1的液體中間容器17與第一多通道閥81之間的閥門196，利用注入系統(tǒng)的雙缸泵16對煤層模型系統(tǒng)2的兩個(gè)巖心夾持器22，23進(jìn)行飽和地層水處理，逐漸加大驅(qū)替壓差，調(diào)節(jié)煤層模型系統(tǒng)2的壓力至設(shè)定值，并使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定，關(guān)閉煤層模型系統(tǒng)2與第一多通道閥81和第二多通道閥82連接的閥門2901，2907；打開致密砂巖層模型系統(tǒng)3的主管路上的全部閥門361，362，363，364，利用注入系統(tǒng)1的雙缸泵16對致密砂巖層模型系統(tǒng)3的兩個(gè)巖心夾持器31，32進(jìn)行飽和地層水處理，逐漸加大驅(qū)替壓差，調(diào)節(jié)致密砂巖層模型系統(tǒng)3的壓力至設(shè)定值，并使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定，關(guān)閉致密砂巖層模型系統(tǒng)3與第一多通道閥81和第二多通道閥82連接的閥門361，364；關(guān)閉頁巖系統(tǒng)三軸吸附解吸儀41的入口端與支管路之間的閥門4802、三軸吸附解吸儀41的出口端與支管路之間的閥門4803，打開頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81連接的閥門4801、頁巖模型系統(tǒng)4的支管路上的閥門4808，4809、以及頁巖模型系統(tǒng)4的支管路與第二多通道閥82之間的主管路上的全部閥門4804，4805，4806，4807，利用注入系統(tǒng)雙缸泵16對頁巖層模型系統(tǒng)4的兩個(gè)巖心夾持器42，43進(jìn)行飽和地層水處理，逐漸加大驅(qū)替壓差，調(diào)節(jié)頁巖層模型系統(tǒng)4的壓力至設(shè)定值，并使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定，關(guān)閉頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81和第二多通道閥82連接的閥門4801，4807；
(6)關(guān)閉注入系統(tǒng)1的液體中間容器17與第一多通道閥81之間的閥門196，打開注入系統(tǒng)增壓泵13與第一多通道閥81之間的閥門192、致密砂巖層模型系統(tǒng)3與第一多通道閥81和第二多通道閥82連接的閥門361，364，將注入系統(tǒng)高壓氣瓶11的氣體通過增壓，轉(zhuǎn)入致密砂巖層模型系統(tǒng)3中的兩個(gè)巖心夾持器31，32進(jìn)行氣驅(qū)水操作，逐漸增大驅(qū)替壓差，利用注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)致密砂巖層模型系統(tǒng)3的壓力至實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，并對巖樣進(jìn)行稱重，確定巖樣含水飽和度達(dá)到原始含水飽和度，然后關(guān)閉致密砂巖層模型系統(tǒng)3與第一多通道閥81和第二多通道閥82連接的閥門361，364；打開頁巖模型系統(tǒng)4與第一多通道閥81和第二多通道閥82連接的閥門4801，4807，將注入系統(tǒng)高壓氣瓶11的氣體通過增壓轉(zhuǎn)入頁巖層模型系統(tǒng)4中的兩個(gè)巖心夾持器42，43進(jìn)行氣驅(qū)水操作，逐漸增大驅(qū)替壓差，利用注入系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)頁巖層模型系統(tǒng)4的壓力至實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，并對巖樣進(jìn)行稱重，確定巖樣含水飽和度達(dá)到原始含水飽和度，然后關(guān)閉在本步驟中開啟的閥門192，4801，4807；
(7)設(shè)置回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵54的壓力值，調(diào)節(jié)回壓系統(tǒng)回壓閥56壓力，使回壓閥的壓力以恒定速率逐漸降低，打開煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3、頁巖模型系統(tǒng)4各自與第二多通道閥82連接的閥門2907，364，4807，模擬煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣合層開采；同時(shí)分別測量煤層模型系統(tǒng)、致密砂巖層模型系統(tǒng)和頁巖層模型系統(tǒng)的氣液分離器的氣體和液體流量，合采初期，每30-60分鐘記錄一次時(shí)間和氣、液流量值，記錄各個(gè)壓力傳感器的壓力變化，數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)93的儲存模塊中；回壓閥56的壓力值降低到實(shí)驗(yàn)壓力點(diǎn)后，保持回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵54的驅(qū)替壓力值不變，氣、液流量值數(shù)據(jù)點(diǎn)可改為10-12小時(shí)記錄一次，直到出口端沒有氣體和液體產(chǎn)出；然后關(guān)閉回壓系統(tǒng)5的回壓閥56和增壓泵53之間的閥門571，打開回壓系統(tǒng)排空閥575，緩慢卸掉回壓閥56的壓力，記錄氣、液流量值，記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)為10-12小時(shí)一次，直到出口端沒有氣體和液體產(chǎn)出；對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可得到整個(gè)合層開采過程中的壓力-時(shí)間關(guān)系，采氣量-時(shí)間關(guān)系，采液量-時(shí)間關(guān)系，采氣量-壓力關(guān)系，采液量-壓力關(guān)系，并分析模擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)開采過程及開采機(jī)理。
根據(jù)本發(fā)明一些具體實(shí)施方案，步驟(7)設(shè)置回壓系統(tǒng)高壓驅(qū)替泵54的壓力值，調(diào)節(jié)回壓系統(tǒng)回壓閥56壓力，控制回壓以2-3MPa為步長，以0.5-1h為間隔逐漸降低。
其中可以理解的是，步驟(3)氣體流向回壓閥56受閥門571控制，所述緩慢打開回壓閥56與回壓系統(tǒng)增壓泵53之間的閥門571，可使氣體流量由小到大流向回壓閥，從而避免突然的大流量流體對回壓閥造成沖擊。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種模擬復(fù)合多層氣藏開采的實(shí)驗(yàn)方法及裝置。本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明技術(shù)方案通過將煤層模型系統(tǒng)、致密砂巖層模型系統(tǒng)和頁巖層模型系統(tǒng)并聯(lián)起來，施加不同的圍壓和溫度，可模擬地層中煤層、致密砂巖層和頁巖層在不同疊置關(guān)系、不同層位組合、不同開采次序下的開采動(dòng)態(tài)，可綜合評價(jià)和優(yōu)選煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣的合采參數(shù)；在煤層模型系統(tǒng)、致密砂巖層模型系統(tǒng)和頁巖層模型系統(tǒng)內(nèi)，將不同尺度大小的巖心串聯(lián)起來，可模擬各個(gè)氣藏中的多尺度孔隙特征，反映出因多尺度效應(yīng)影響的流體滲流具有的多尺度特征，能夠準(zhǔn)確模擬合采過程中，不同開發(fā)方式下各層或總體的開采機(jī)理及開采動(dòng)態(tài)；注入系統(tǒng)可選擇性的為模型系統(tǒng)內(nèi)的巖心注入地層水和甲烷，還原地層原始條件下巖心內(nèi)的氣水分布，從而有效模擬煤層/致密砂巖層/頁巖層內(nèi)氣液兩相流動(dòng)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的設(shè)備示意圖。
其中的點(diǎn)線框用來表示各系統(tǒng)；虛線框表示各系統(tǒng)的恒溫箱；較淺顏色的線條表示電連接。
具體實(shí)施方式
以下通過具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施過程和產(chǎn)生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn)，不作為對本案可實(shí)施范圍的限定。
實(shí)施例1
如圖1所示，本發(fā)明提供一種模擬煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣合層開采過程的實(shí)驗(yàn)裝置，包括注入系統(tǒng)1、煤層模型系統(tǒng)2、致密砂巖層模型系統(tǒng)3、頁巖模型系統(tǒng)4、回壓系統(tǒng)5、回收系統(tǒng)6及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7。
在注入系統(tǒng)中，注入系統(tǒng)通過第一多通道閥(六通閥)81與煤層模型系統(tǒng)的入口閥門2901、致密砂巖層模型系統(tǒng)的入口閥門361、頁巖模型系的入口閥門4801連接。高純甲烷高壓氣瓶11依次連接閥門191、增壓泵13、氣體中間容器15，高純甲烷高壓氣瓶11為氣體中間容器15提供穩(wěn)定氣源，增壓泵13與空氣壓縮機(jī)12相連接，為氣體中間容器15的氣體穩(wěn)定的增壓。高精度高壓驅(qū)替泵14依次與氣體中間容器15、閥門192、第一多通道閥81連接，高精度高壓驅(qū)替泵14為氣體中間容器15提供壓力源，使其中氣體以更穩(wěn)定的壓力進(jìn)入模型系統(tǒng)。雙缸泵16依次與液體中間容器17、第一多通道閥81連接，雙缸泵16為液體中間容器17提供穩(wěn)定液源和壓力源，使液體以更穩(wěn)定的壓力進(jìn)入模型系統(tǒng)。真空泵18依次與閥門195、第一多通道閥81連接，真空泵18為模型系統(tǒng)中的巖心部分進(jìn)行抽真空。閥門192和真空泵18的出口閥門195之間連接有排空閥198，可排除注入系統(tǒng)中的空氣。
在煤層模型系統(tǒng)中，煤層模型系統(tǒng)的入口閥門2901依次與閥門2902、三軸吸附解吸儀21、閥門2903、閥門2904、全直徑巖心夾持器22、閥門2905、平板模型巖心夾持器23、閥門2906、氣液分離器27、閥門2907和第二多通道閥(六通閥)82連接。三軸吸附解吸儀21中采用的平板巖心的幾何尺寸為(長×寬×厚)為50mm×50mm×100mm，平板巖心為弱或不水濕以及微裂縫不發(fā)育的露頭煤巖巖心；全直徑巖心夾持器22采用巖心尺寸(直徑×長度)為50mm×100mm，全直徑巖心為強(qiáng)水濕以及大孔和微裂縫發(fā)育的天然或露頭煤巖巖心；平板巖心夾持器23采用的平板巖心的幾何尺寸為(長×寬×厚)100mm×100mm×50mm，平板巖心為人造煤巖巖心，巖心內(nèi)采用措施產(chǎn)生一定深度和厚度的裂縫。三軸吸附解吸儀21、全直徑巖心夾持器22和平板巖心夾持器23均位于恒溫箱26中，恒溫箱26可精確控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需的溫度。手動(dòng)水壓泵25通過第三多通道閥(六通閥)83分別與三軸吸附解吸儀21、全直徑巖心夾持器22和平板巖心夾持器23連接，主要為實(shí)驗(yàn)巖心提供圍壓。手動(dòng)油壓泵24與三軸吸附解吸儀21連接，為三軸吸附解吸儀21提供軸壓。一條支路管線與三軸吸附解吸儀21并聯(lián)，閥門2908和閥門2909控制支路管線的開啟和關(guān)閉，支路管線主要用于選擇性地為模型系統(tǒng)內(nèi)的巖心注入地層水和甲烷，還原地層原始條件下巖心內(nèi)的氣水分布。
在致密砂巖層模型系統(tǒng)中，致密砂巖層模型系統(tǒng)的入口閥門361依次與全直徑巖心夾持器31、閥門362、平板模型巖心夾持器32、閥門363、氣液分離器35、閥門364和第二多通道閥82連接。全直徑巖心夾持器31采用巖心尺寸(直徑×長度)為50mm×100mm，全直徑巖心為天然或露頭致密砂巖巖心；平板巖心夾持器32采用的平板巖心的幾何尺寸為(長×寬×厚)100mm×100mm×50mm，平板巖心為人造致密砂巖巖心，巖心內(nèi)采用措施產(chǎn)生一定深度和厚度的裂縫。全直徑巖心夾持器31和平板巖心夾持器32均位于恒溫箱34中，恒溫箱34可精確控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需的溫度。手動(dòng)水壓泵33通過第四多通道閥(六通閥)84分別與全直徑巖心夾持器31和平板巖心夾持器32連接，主要為實(shí)驗(yàn)巖心提供圍壓。
在頁巖層模型系統(tǒng)中，頁巖層模型系統(tǒng)的入口閥門4801依次與閥門4802、三軸吸附解吸儀41、閥門4803、閥門4804、全直徑巖心夾持器42、閥門4805、平板模型巖心夾持器43、閥門4806，氣液分離器47、閥門4807和第二多通道閥82連接。三軸吸附解吸儀41中采用的平板巖心的幾何尺寸為(長×寬×厚)為50mm×50mm×100mm，平板巖心為弱或不水濕以及微裂縫不發(fā)育的露頭頁巖巖心；全直徑巖心夾持器42采用巖心尺寸(直徑×長度)為50mm×100mm，全直徑巖心為強(qiáng)水濕以及大孔和微裂縫發(fā)育的天然或露頭頁巖巖心；平板巖心夾持器43采用的平板巖心的幾何尺寸為(長×寬×厚)100mm×100mm×50mm，平板巖心為人造頁巖巖心，巖心內(nèi)采用措施產(chǎn)生一定深度和厚度的裂縫。三軸吸附解吸儀41、全直徑巖心夾持器42和平板巖心夾持器43均位于恒溫箱46中，恒溫箱46可精確控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需的溫度。手動(dòng)水壓泵45通過第五多通道閥(六通閥)85分別與三軸吸附解吸儀41、全直徑巖心夾持器42和平板巖心夾持器43連接，主要為實(shí)驗(yàn)巖心提供圍壓。手動(dòng)油壓泵44與三軸吸附解吸儀41連接，為三軸吸附解吸儀41提供軸壓。一條支路管線與三軸吸附解吸儀41并聯(lián)，閥門4808和閥門4809控制支路管線的開啟和關(guān)閉，支路管線主要用于選擇性地為模型系統(tǒng)內(nèi)的巖心注入地層水和甲烷，還原地層原始條件下巖心內(nèi)的氣水分布。
在回壓系統(tǒng)中，回壓系統(tǒng)的回壓閥56的進(jìn)口端通過第二多通道閥82與煤層模型系統(tǒng)的出口閥門2907、致密砂巖層模型系統(tǒng)的出口閥門364、頁巖模型系的出口閥門4807連接，回壓閥56用于控制模擬開采過程中的輸出壓力。高純氮?dú)飧邏簹馄?1依次連接閥門572、增壓泵53、氣體中間容器55，高純氮?dú)飧邏簹馄?1為氣體中間容器55提供穩(wěn)定氣源，增壓泵53與空氣壓縮機(jī)52相連接，為氣體中間容器84的氣體穩(wěn)定的增壓。高精度高壓驅(qū)替泵54依次與氣體中間容器55、閥門571、回壓閥56連接，高精度高壓驅(qū)替泵54為氣體中間容器55提供壓力源，控制回壓閥56的壓力。
回收系統(tǒng)包括水池61和廢氣罐62，水池61與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的液體流量計(jì)734連接，廢氣罐62與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的氣體流量計(jì)724連接，回收系統(tǒng)主要用于收集實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)生的廢氣和廢液。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括壓力傳感器7101、7102、7103、7104、7105、7106、7107、7108、7109、7110、7111，氣體流量計(jì)721、722、723、724，液體流量計(jì)731、732、733、734，計(jì)算機(jī)74。壓力傳感器7101、7102、7103、7104、7105、7106、7107、7108、7109、7110、7111分別位于在煤層模型、致密砂巖層系統(tǒng)和頁巖層系統(tǒng)內(nèi)三軸吸附解吸儀和兩個(gè)巖心夾持器的進(jìn)口端和出口端，用于監(jiān)測流體在各層流動(dòng)過程中的壓力分布。氣液分離器27、35、47的入口端與平板巖心夾持器23、32、43的出口閥門2906、363、4806連接，出口端分別連接氣體流量計(jì)721、722、723和液體流量計(jì)731、732、733，用于記錄經(jīng)過各層的流體流量。氣液分離器63入口端與回壓閥56的出口閥門64連接，出口端分別連接氣體流量計(jì)724和液體流量計(jì)734，用于記錄三層總的流體流量。計(jì)算機(jī)74中包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)采集模塊收集壓力傳感器和氣、液流量計(jì)記錄的數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊通過分析，可得到合層開采過程中各層或總體的壓力—時(shí)間之間的關(guān)系，采氣量—時(shí)間之間的關(guān)系，采液量—時(shí)間之間的關(guān)系，采氣量—壓力之間的關(guān)系，采液量—壓力之間的關(guān)系等；數(shù)據(jù)儲存模塊可將數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。
本發(fā)明提供根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)裝置模擬煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣合層開采過程的方法，包括以下實(shí)驗(yàn)步驟：
1.組裝儀器：按照圖1的實(shí)驗(yàn)裝置圖組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別設(shè)置恒溫箱26，恒溫箱34和恒溫箱46的實(shí)驗(yàn)溫度；
2.裝置氣密性檢測：關(guān)閉煤層模型系統(tǒng)的入口閥門2901和閥門2906，致密砂巖層模型系統(tǒng)入口閥門361和閥門363，頁巖模型系統(tǒng)入口閥門4801和閥門4806，注入系統(tǒng)中液體中間容器的出口閥門196，真空泵出口閥門195，增壓泵與第一通道閥之間的閥門192和閥門198。將高純甲烷高壓氣瓶11的氣體轉(zhuǎn)入到中間容器15中，用增壓泵13對中間容器15中氣體增壓到設(shè)定壓力，利用高精度高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)中間容器15壓力。待穩(wěn)定后，關(guān)閉高壓氣瓶11與增壓泵13之間的閥門191，打開模型系統(tǒng)的入口閥門2901、閥門361和閥門4801，增壓泵13與第一多通道閥81之間的閥門192，使高壓氣體緩慢轉(zhuǎn)入模型系統(tǒng)中，進(jìn)行試壓工作，檢查裝置密封性；
3.抽真空操作：關(guān)閉閥門192，打開閥門195，利用真空泵18對模型系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。首先關(guān)閉閥門361和閥門4801，保持閥門2901開啟，對煤層模型系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，先在低圍壓的條件下抽空，后用手動(dòng)水壓泵25逐漸增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓的順序?yàn)槠桨鍘r心夾持器23，全直徑巖心夾持器22，三軸吸附解吸儀21。煤層模型系統(tǒng)抽完之后，關(guān)閉閥門2901，打開閥門361，對致密砂巖層模型系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，先在低圍壓的條件下抽空，后用手動(dòng)水壓泵33逐漸增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓的順序?yàn)槠桨鍘r心夾持器32，全直徑巖心夾持器31。致密砂巖層模型系統(tǒng)抽完之后，關(guān)閉閥門361，打開閥門4801，對頁巖層模型系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，先在低圍壓的條件下抽空，后用手動(dòng)水壓泵45逐漸增加圍壓到實(shí)驗(yàn)要求，加壓的順序?yàn)槠桨鍘r心夾持器43，全直徑巖心夾持器42，三軸吸附解吸儀41，抽完之后，關(guān)閉閥門4801和閥門195；
4.回壓設(shè)定：將氮?dú)飧邏簹馄?1中的氣體轉(zhuǎn)入中間容器55，用增壓泵53對中間容器55中的氣體增壓到設(shè)定壓力后，用高精度高壓驅(qū)替泵154調(diào)節(jié)中間容器的壓力，加壓到實(shí)驗(yàn)壓力，待穩(wěn)定后，緩慢打開閥門571，讓氣體緩慢充滿回壓閥56的腔體，保持回壓閥56的壓力不變。
5.巖樣吸附處理：首先進(jìn)行三軸吸附解吸儀21中煤樣的吸附處理，關(guān)閉閥門2908、閥門2909，利用手動(dòng)油壓泵24對煤樣施加軸壓至設(shè)定值，將高純甲烷高壓氣瓶11中的氣體轉(zhuǎn)入中間容器15，利用高精度高壓驅(qū)替泵14對中間容器15中氣體增壓到設(shè)定壓力，待穩(wěn)定一段時(shí)間后，打開放空閥198和閥門192，排出管線中的空氣后，關(guān)閉放空閥198和閥門2903，打開閥門2901，向三軸吸附解吸儀21通入高純甲烷氣體，利用高精度高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)三軸吸附解吸儀21的壓力，為了讓氣體充分吸附，持續(xù)注入的時(shí)間一般需要2-10天，直至高精度高壓驅(qū)替泵14的體積不再變化為止，然后關(guān)閉閥門2901。其后對三軸吸附解吸儀41中頁巖樣品進(jìn)行吸附處理，關(guān)閉閥門4808、閥門4809，利用手動(dòng)油壓泵44對頁巖樣品施加軸壓至設(shè)定值，打開閥門4801，關(guān)閉閥門4803，向三軸吸附解吸儀41通入高純甲烷氣體，利用高精度高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)三軸吸附解吸儀41的壓力至設(shè)定值，直至高精度高壓驅(qū)替泵14的體積不再變化為止，然后關(guān)閉閥門4801；
6.巖樣飽和水處理：關(guān)閉閥門192、閥門2902、閥門2903、閥門364、閥門4807，打開閥門2901、閥門2908、閥門2909、閥門2907、閥門2906、閥門2904、閥門2905閥門196，利用雙缸泵16對煤層模型系統(tǒng)的巖心夾持器22和巖心夾持器23進(jìn)行飽和地層水處理，逐漸加大驅(qū)替壓差，調(diào)節(jié)煤層模型系統(tǒng)的壓力至設(shè)定值，并使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定，關(guān)閉閥門2901和閥門2907。打開閥門361、閥門362、閥門363、閥門364，利用雙缸泵16對致密砂巖層模型系統(tǒng)的巖心夾持器31和巖心夾持器32進(jìn)行飽和地層水處理，逐漸加大驅(qū)替壓差，調(diào)節(jié)致密砂巖層模型系統(tǒng)的壓力至設(shè)定值，并使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定，關(guān)閉閥門361和閥門364。關(guān)閉閥門4802、閥門4803，打開閥門4801、閥門4808、閥門4809、閥門4804、閥門4805、閥門4806、閥門4807，利用雙缸泵16對頁巖層模型系統(tǒng)的巖心夾持器42和巖心夾持器43進(jìn)行飽和地層水處理，逐漸加大驅(qū)替壓差，調(diào)節(jié)頁巖層模型系統(tǒng)的壓力至設(shè)定值，并使得系統(tǒng)的進(jìn)液量和出液量穩(wěn)定，關(guān)閉閥門4801和閥門4807。
7.巖心含水飽和度處理：關(guān)閉閥門196，打開閥門192、閥門361、閥門364，將高純甲烷高壓氣瓶11的氣體通過增壓，轉(zhuǎn)入致密砂巖層模型系統(tǒng)中的巖心夾持器31和巖心夾持器32，進(jìn)行氣驅(qū)水操作。逐漸增大驅(qū)替壓差，利用高精度高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)致密砂巖層模型系統(tǒng)的壓力至實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，并對巖樣進(jìn)行稱重，確定巖樣含水飽和度達(dá)到原始含水飽和度，然后關(guān)閉閥門361和閥門364。打開閥門4801和閥門4807，將高純甲烷高壓氣瓶11的氣體通過增壓，轉(zhuǎn)入頁巖層模型系統(tǒng)中的巖心夾持器42和巖心夾持器43，進(jìn)行氣驅(qū)水操作。逐漸增大驅(qū)替壓差，利用高精度高壓驅(qū)替泵14調(diào)節(jié)頁巖層模型系統(tǒng)的壓力至實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，并對巖樣進(jìn)行稱重，確定巖樣含水飽和度達(dá)到原始含水飽和度，然后關(guān)閉閥門4801、閥門4807、閥門192；
8.設(shè)置高精度高壓驅(qū)替泵54的壓力值，調(diào)節(jié)回壓閥56的壓力，使回壓閥56的壓力逐漸降低，并保持一定的壓降速率，打開閥門2907、閥門364、閥門4807，模擬煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣合層開采。氣體流量計(jì)721和液體流量計(jì)731分別測量煤層模型系統(tǒng)的氣體和液體流量，氣體流量計(jì)722和液體流量計(jì)732分別測量致密砂巖層模型系統(tǒng)的氣體和液體流量，氣體流量計(jì)723和液體流量計(jì)733分別測量頁巖層模型系統(tǒng)的氣體和液體流量，氣體流量計(jì)724和液體流量計(jì)734分別測量合層開采的氣體和液體流量。合采初期，每30分鐘記錄一次時(shí)間和氣、液流量值，數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)74的儲存模塊中。計(jì)算機(jī)74的數(shù)據(jù)采集模塊檢測并記錄各個(gè)壓力傳感器7101、7102、7103、7104、7105、7106、7107、7108、7109、7110、7111的壓力變化，并保存在計(jì)算機(jī)74的儲存模塊中；
9.回壓閥的壓力值降低到實(shí)驗(yàn)壓力點(diǎn)后，保持高精度高壓泵的驅(qū)替壓力值不變，采氣、采液量數(shù)據(jù)點(diǎn)可改為12小時(shí)記錄一次，直到出口端沒有氣體和液體產(chǎn)出；
10.關(guān)閉閥門571，打開放空閥575，緩慢卸掉回壓閥56的壓力，記錄采氣量與采液量，記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)可為12小時(shí)一次，直到出口端沒有氣體和液體產(chǎn)出；
11.對計(jì)算機(jī)74記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可得到整個(gè)合層開采過程中的壓力-時(shí)間之間的關(guān)系，采氣量-時(shí)間之間的關(guān)系，采液量-時(shí)間之間的關(guān)系，采氣量-壓力之間的關(guān)系，采液量-壓力之間的關(guān)系等，可分析模擬實(shí)驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)開采過程及開采機(jī)理。