地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置的製作方法

2023-11-06 23:53:52

專利名稱：地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實驗裝置，尤其是可以有效模擬原位地層條件下煤儲層多種增產改造方式及其效果的地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置。
背景技術：
隨著我國能源結構不斷優化，對天然氣的需求不斷增大，天然氣供需矛盾日趨突出。我國煤層氣資源量巨大，據全國新一輪油氣資源評價結果，我國埋深2000m的煤層氣地質資源總量為36.8萬億立方米，與常規天然氣資源基本相當，是我國形成天然氣增長點的重要資源。然而我國煤層滲透率普遍偏低，影響我國煤層氣規模化、商業化開發，特別是是深部煤層處於高應力、較高高溫、高地層壓力下滲透率更加惡化，據實測數據800m以深煤層滲透率大都小於甚至遠小於0.lmD，這給深部煤層氣資源開採造成極大困難。因此，要採出/抽出深部煤層氣資源必須採取儲層改造增滲措施。而增產方式包括很多種:比如物理壓裂、洞穴完井及化學改造，如何針對儲層特點，優選儲層改造方式，對於我們提高煤層氣米收率和效率意義重大。目前國內外尚未見到組合模擬不同煤儲層增產改造實驗裝置，不能滿足洞穴水力壓裂、泡沫壓裂及裸眼洞穴增產方式模擬的要求；現在國內已研製出三軸水力壓裂設備，如中石油廊坊分院及中國石油大學，但是均未考慮溫度因素，且無法同時測試增產改造過程滲透率變化，對於改造效果分析多基於裂縫描述；由於煤儲層壓裂造縫起裂、延伸及擴展的發育規律，現在數值模擬方式分析難以準確模擬增產改造效果；原位煤層現場施工方式分析增產改造方式可行，但是成本過高、效率低，且地下煤層複雜難於清楚掌握影響改造效果因素以及如何最優化改造方式。

發明內容
為了克服現有的技術不能有效模擬多種地層條件以及煤儲層增產改造方式的問題，本發明提供了一種地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置，該實驗裝置不僅可以組合模擬不同煤儲層增產改造方式，還可以準確分析模擬增產改造效果，成本低、效率高、易於操作，有效節約了人力物力，給科研工作者帶來了很大的便利。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:該實驗裝置設有一個平板狀的載荷平臺，載荷平臺上設有電加熱恆溫箱，電加熱恆溫箱為實驗巖心提供溫度，電加熱恆溫箱中裝有煤樣，煤樣的外圍依次設有密封膠套及帶管線孔的巖心夾持器，密封膠套可密封巖心，使之與外部流體隔離，巖心夾持器可用來夾持住巖心，固定巖心，並提供壓力加載的平臺，巖心夾持器的X、Y、Z方向分別加載有X向圍壓加載裝置、Y向圍壓加載裝置及Z向圍壓加載裝置，實驗油管依次穿過電加熱恆溫箱的箱壁、巖心夾持器及密封膠套插入到煤樣中，實驗油管的外部吻合嵌套有實驗套管，實驗油管與管線I及管線II的一端相連，管線I與管線II的另一端分別連通著氣瓶及水箱，氣瓶與增加泵相連，管線I與管線II上均設有控制閥門及壓力計；所述實驗油管的側面分別連接著煤屑收集箱及壓力快速釋放箱，實驗油管與壓力快速釋放箱之間設有流量控制器；所述帶管線孔的巖心夾持器的六個面均連接有管路，管路與氣液分離裝置相連通，氣液分離裝置連接有氣體流量計及液體流量計。該實驗裝置進行氣/水壓裂模擬實驗的步驟如下:
(I)初始條件設定:將煤樣固定好，按照實驗設計的地層條件下樣品所處的溫度及壓力環境，調節電加熱恆溫箱、X向圍壓加載裝置、Y向圍壓加載裝置及Z向圍壓加載裝置到設計的溫度和圍壓，打開氣瓶和控制閥門，使用增壓泵增壓至地層條件下流體壓力，使煤樣的初始儲層流體壓力達到平衡。(2)壓裂實驗:平衡後，進一步改變增壓泵的壓力至設計的壓裂壓力，通過實驗油管，注入到煤樣中，進行壓裂實驗模擬。(3)壓裂煤粉清理:壓裂實驗結束後，由於會產生碎屑堵塞裂縫，因此須對壓裂煤粉清理，打開鑽孔煤屑收集箱閥門，仍然通過步驟2的方式使實驗油管氣體連續注入，返吹煤粉至煤屑收集箱；
(4)滲透率測定:再按照設計的壓力，如步驟2中程序，通過實驗油管向煤樣端面中心孔注入氣體，流體從軸心孔進入煤樣，通過分布在巖心夾持器四側表面的流體計量系統，測量煤樣外表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心鑽孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，根據測得煤樣內外壓差和流量來計算四個方向滲透率，進而分析壓裂效果。該實驗裝置進行洞穴完井模擬實驗的步驟如下:
(I)初始條件設定:將煤樣固定好，按照實驗設計的地層條件下煤樣所處的溫度及壓力環境，調節電加熱恆溫箱、X向圍壓加載裝置、Y向圍壓加載裝置及Z向圍壓加載裝置到設計的溫度和圍壓，打開氣瓶和控制閥門，使用增壓泵增壓至地層條件下流體壓力，使煤樣的初始儲層流體壓力達到平衡。(2)洞穴完井實驗:平衡後，進一步改變增壓泵的壓力至設計的壓裂壓力，通過實驗油管，注入到煤樣中。(3)快速壓力釋放造穴:打開壓力快速釋放箱的閥門，採用流量控制器設置好指定流量或者直接開閉流量控制器使管路直接連通大氣，將圓形小鑽孔中壓力迅速釋放；洞穴完井實驗結束後，由於會產生碎屑，須對煤粉清理，打開鑽孔煤屑收集箱閥門，仍然通過步驟2的方式使實驗油管氣體連續注入，返吹煤粉至煤屑收集箱；
(4)滲透率測定:再按照設計的壓力，如步驟2中程序，通過實驗油管向煤樣端面中心孔注入氣體，流體從軸心孔進入煤樣，通過分布在巖心夾持器四側表面的流體計量系統，測量煤樣外表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心鑽孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，根據測得煤樣內外壓差和流量來計算四個方向滲透率，進而分析壓裂效果。另外，所述地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置還可利用注入二氧化碳或者其他流體注入煤層，從而實現通過化學方式改變儲層滲透率效果模擬。本發明的有益效果是，該實驗裝置不僅可以組合模擬不同煤儲層增產改造方式，還可以準確分析模擬增產改造效果，成本低、效率高、易於操作，有效節約了人力物力，給科研工作者帶來了很大的便利。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明的結構原理示意圖。圖2是電加熱恆溫箱的俯視圖。圖中，1.控制閥門，2.壓力計，3.增壓泵，4.管線I，5.煤屑收集箱，6.管線II，
7.實驗油管，8.流量控制器，9.實驗套管，10.Z向圍壓加載裝置，11.壓力快速釋放箱，12.壓力計I，13.氣液分離裝置，14.氣體流量計，15.液體流量計，16.控制閥門II，17.X向圍壓加載裝置，18.電加熱恆溫箱，19.煤樣，20.巖心夾持器，21.載荷平臺，22.固定裝置，23.水箱，24.氣瓶，25.Y向圍壓加載裝置，26.管路，27.密封膠套。
具體實施例方式在圖中，該實驗裝置設有一個平板狀的載荷平臺21，載荷平臺21上設有電加熱恆溫箱18,電加熱恆溫箱18為實驗巖心提供溫度，電加熱恆溫箱18中裝有煤樣19,煤樣19的外圍依次設有密封膠套27及帶管線孔的巖心夾持器20，密封膠套27可密封巖心，使之與外部流體隔離，巖心夾持器20可用來夾持住巖心，固定巖心，並提供壓力加載的平臺，巖心夾持器20的X、Y、Z方向分別加載有X向圍壓加載裝置17、Y向圍壓加載裝置25及Z向圍壓加載裝置10，實驗油管7依次穿過電加熱恆溫箱18的箱壁、巖心夾持器20及密封膠套27插入到煤樣19中，實驗油管7的外部吻合嵌套有實驗套管9，實驗油管7與管線I 4及管線II 6的一端相連，管線I 4與管線II 6的另一端分別連通著氣瓶24及水箱23，氣瓶24與增加泵3相連，管線I 4與管線II 6上均設有控制閥門I及壓力計2 ;所述實驗油管7的側面分別連接著煤屑收集箱5及壓力快速釋放箱11，實驗油管7與壓力快速釋放箱11之間設有流量控制器8 ;所述帶管線孔的巖心夾持器20的六個面均連接有管路26，管路26與氣液分離裝置13相連通，氣液分離裝置13連接有氣體流量計14及液體流量計15。該實驗裝置進行氣/水壓裂模擬實驗的步驟如下:
(I)初始條件設定:將煤樣19固定好，按照實驗設計的地層條件下樣品所處的溫度及壓力環境，調節電加熱恆溫箱18、X向圍壓加載裝置17、Y向圍壓加載裝置25及Z向圍壓加載裝置10到設計的溫度和圍壓，打開氣瓶24和控制閥門I，使用增壓泵3增壓至地層條件下流體壓力，使煤樣19的初始儲層流體壓力達到平衡。(2)壓裂實驗:平衡後，進一步改變增壓泵3的壓力至設計的壓裂壓力，通過實驗油管7，注入到煤樣19中，進行壓裂實驗模擬。(3)壓裂煤粉清理:壓裂實驗結束後，由於會產生碎屑堵塞裂縫，因此須對壓裂煤粉清理，打開鑽孔煤屑收集箱5閥門，仍然通過步驟2的方式使實驗油管7氣體連續注入，返吹煤粉至煤屑收集箱5;
(4)滲透率測定:再按照設計的壓力，如步驟2中程序，通過實驗油管7向煤樣19端面中心孔注入氣體，流體從軸心孔進入煤樣19，通過分布在巖心夾持器20四側表面的流體計量系統，測量煤樣19外表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心鑽孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，根據測得煤樣19內外壓差和流量來計算四個方向滲透率，進而分析壓裂效果O該實驗裝置進行洞穴完井模擬實驗的步驟如下:
(I)初始條件設定:將煤樣19固定好，按照實驗設計的地層條件下煤樣所處的溫度及壓力環境，調節電加熱恆溫箱18、Χ向圍壓加載裝置17、Υ向圍壓加載裝置25及Z向圍壓加載裝置10到設計的溫度和圍壓，打開氣瓶24和控制閥門1，使用增壓泵3增壓至地層條件下流體壓力，使煤樣19的初始儲層流體壓力達到平衡。(2)洞穴完井實驗:平衡後，進一步改變增壓泵3的壓力至設計的壓裂壓力，通過實驗油管7，注入到煤樣19中。(3)快速壓力釋放造穴:打開壓力快速釋放箱11的閥門，採用流量控制器8設置好指定流量或者直接開閉流量控制器8使管路26直接連通大氣，將圓形小鑽孔中壓力迅速釋放；洞穴完井實驗結束後，由於會產生碎屑，須對煤粉清理，打開鑽孔煤屑收集箱5閥門，仍然通過步驟2的方式使實驗油管7氣體連續注入，返吹煤粉至煤屑收集箱5 ；
(4)滲透率測定:再按照設計的壓力，如步驟2中程序，通過實驗油管7向煤樣19端面中心孔注入氣體，流體從軸心孔進入煤樣19，通過分布在巖心夾持器20四側表面的流體計量系統，測量煤樣19外表面不同方向的流量或流速，同時記錄中心鑽孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，根據測得煤樣19內外壓差和流量來計算四個方向滲透率，進而分析壓裂效果O另外，所述地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置還可利用注入二氧化碳或者其他流體注入煤層，從而實現通過化學方式改變儲層滲透率效果模擬。
權利要求
1.地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置，該實驗裝置設有一個平板狀的載荷平臺(21)，其特徵在於，載荷平臺(21)上設有電加熱恆溫箱(18)，電加熱恆溫箱(18)為實驗巖心提供溫度，電加熱恆溫箱(18)中裝有煤樣(19)，煤樣(19)的外圍依次設有密封膠套(27)及帶管線孔的巖心夾持器(20)，實驗油管(7)依次穿過電加熱恆溫箱(18)的箱壁、巖心夾持器(20)及密封膠套(27)插入到煤樣(19)中，實驗油管(7)與管線I (4)及管線II (6)的一端相連，管線I (4)與管線II (6)的另一端分別連通著氣瓶(24)及水箱(23)，氣瓶(24)與增加泵(3)相連；所述實驗油管(7)的側面分別連接著煤屑收集箱(5)及壓力快速釋放箱(11)，所述帶管線孔的巖心夾持器(20 )的六個面均連接有管路(26 )，管路(26 )與氣液分離裝置(13)相連通，氣液分離裝置(13)連接有氣體流量計(14)及液體流量計(15)。
2.根據權利要求1所述的地層條件下煤儲層增產改造實驗裝，其特徵在於，所述巖心夾持器(20)的X、Y、Z方向分別加載有X向圍壓加載裝置(17)、Y向圍壓加載裝置(25)及Z向圍壓加載裝置(10)。
3.根據權利要求1所述的地層條件下煤儲層增產改造實驗裝，其特徵在於，所述實驗油管(7)的外部吻合嵌套有實驗套管(9)。
4.根據權利要求1所述的地層條件下煤儲層增產改造實驗裝，其特徵在於，所述管線I (4)與管線II (6)上均設有控制閥門(I)及壓力計(2)。
5.根據權利要求1所述的地層條件下煤儲層增產改造實驗裝，其特徵在於，所述實驗油管(7 )與壓力快速釋放箱(11)之間設有流量控制器(8 )。
全文摘要
本發明涉及一種地層條件下煤儲層增產改造實驗裝置，該實驗裝置設有一個載荷平臺，載荷平臺上設有電加熱恆溫箱，電加熱恆溫箱中裝有煤樣，煤樣的外圍依次設有密封膠套及帶管線孔的巖心夾持器，巖心夾持器的X、Y、Z方向分別加載有X向圍壓加載裝置、Y向圍壓加載裝置及Z向圍壓加載裝置，實驗油管插入到煤樣中；所述實驗油管的側面分別連接著煤屑收集箱及壓力快速釋放箱；所述帶管線孔的巖心夾持器的六個面均連接有管路，管路與氣液分離裝置相連通。該實驗裝置不僅可以組合模擬不同煤儲層增產改造方式，還可以準確分析模擬增產改造效果，成本低、效率高、易於操作，有效節約了人力物力，給科研工作者帶來了很大的便利。
文檔編號E21B43/25GK103195401SQ20131011077
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者申建, 秦勇, 陳剛, 傅雪海, 韋重韜, 金髮禮, 汪崗 申請人:中國礦業大學