CN103256045A - 煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，包括岩心驱替模块、抽真空模块、可视化岩心夹持模块、底水模拟模块、围压模块、回压模块、计量模块、显微数码影像分模块、温控及数据采集模块；该动态评价仪模拟矿场近井条件下观察、评价煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞等运动规律的实验设备，能够用来分析、观察煤层气井煤粉来源，煤粉运移通道，定量评价煤粉沉降、堵塞对储层渗透率及生产的影响，并确立排水采气参数与产出煤粉之间的关系，为减少煤粉产出，降低设备磨损率，优化排采制度提供实验基础；可以观察煤粉在岩心中的运动规律，探索煤粉运移条件下的最优排采制度，获取最大资源利用率。

Description

煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪

技术领域

本发明属于煤层气勘探与开采行业，尤其涉及一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪。

背景技术

目前煤层气井大多采用水平技术、水力压裂改造技术和多元气体驱替技术提高气井单井产量。但我国大部分煤层地质构造复杂，构造煤发育，煤质具有较脆、胶结性差、易碎和易坍塌等特点，开采过程中存在严重的产出煤粉现象。煤粉在煤层中的运移可沉降堵塞渗流通道，使得煤层气井递减速度加快，甚至停产；煤粉运移至井筒后或在井底堆积，或进入排采管路，最终导致卡泵、埋泵等现象的发生，严重影响煤层气开发进程，降低煤层气开采效益，因此合理控制和管理煤粉产出已经成为煤层气井高产稳产的关键。

在煤层气井产出煤粉研究方面：首先，国内外学者对煤粉的来源存在很大争议。部分学者认为煤粉来源于钻井过程中产生的岩屑及钻头钻进对围岩所造成的破坏；部分学者认为煤粉是储层形成过程中受构造地质力作用而自身赋存在储层中的；还有的学者认为煤粉是由于增产措施(水力压裂)对岩石的破坏而形成的，因此，煤粉来源存在很大争议；其次，煤粉运移通道、位置尚不清楚。有学者认为煤粉可以在整个储层内部运移，只要是压力降波动到的地方，都可以使得煤粉运移；有学者认为煤粉运移仅仅能在裂缝运移，而且只存在于近井地带；其三，针对煤粉运移影响因素，国内外没做实验过研究；其四，煤粉运动过程中是如何沉降和堵塞的？沉降、堵塞后对生产造成什么影响？国内外学者也没做过研究。

目前国内外缺乏一套专门模拟矿场近井条件下观察、评价煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞等运动规律的实验设备，能够用来分析、观察煤层气井煤粉来源，煤粉运移通道，定量评价煤粉沉降、堵塞对储层渗透率及生产的影响，并确立排水采气参数与产出煤粉之间的关系，为减少煤粉产出，降低设备磨损率，优化排采制度提供实验基础。

该设备可对煤粉的来源、影响煤粉运移的因素、煤粉与排采制度之间的关系、煤粉运移的通道、影响煤粉运动的因素与后果、单相、两相渗流时煤粉运动行行为、产出煤粉和气井产量之间的关系做出定量评价，可以观察煤粉在岩心中的运动规律，可探索煤粉运移条件下的最优排采制度，获取最大资源利用率。

发明内容

本发明的目的在于利用一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，旨在解决目前国内外缺乏一套专门模拟矿场近井条件下观察、评价煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞等运动规律实验设备的问题。

本发明的目的在于提供一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，所述动态评价仪包括：

岩心驱替模块，用于模拟矿场排水采气单相、双相流动时提供驱替动力；

抽真空模块，与所述岩心驱替、岩心可视化夹持模块连接，用于将可视化夹持模块中岩样抽成真空使得甲烷气体充分和岩样充分接触吸附并用煤层地层水饱和模拟储层水环境；

可视化岩心夹持模块，与所述岩心驱替模块、计量模块、围压模块、回压模块、抽真空模块、底水模拟模块、显微数码影像模块、计量模块相连接，用于通过采用源自煤层的真实岩样模拟不同渗透率、不同孔隙结构下煤粉的产生、运移、沉降、堵塞行为与岩心内部压力梯度、解析压力、生产压差、流速之间的关系；

底水模拟模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，用于模拟煤层气气井排水采气过程中，煤层储层底部含水情况；

围压模拟模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于模拟矿场排水采气时储层围岩所受围压变化情况，围岩所受围压情况决定了岩石中孔隙结构变形情况，孔隙结构变形与煤层产气、产水、产煤粉关系密切，流压和围压共同决定了煤粉运移情况；

回压模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，回压模块与岩心驱替模块共同模拟矿场排水采气时井底流压及动液面变化情况，回压模块模拟气井生产时井底流压大小，井底流压的大小与产气、产水、产煤粉关系密切，通过控制井底流压也可模拟排水采气时气井内动液面的变化对排水采气的影响；

计量模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于将自可视化岩心夹持器模块所产生的气、液、固三相流体通过特定的方式逐步分离，并自动计量气、液的产量，主要模拟矿场气井分离计量装置；

显微数码影像分模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于拍摄岩样表面照片或对煤粉运移行为进行录像，记录煤粉产生位置、运移通道及运移后果；

温控及数据采集模块，用于通过对设备温度的调控模拟储层内部实际温度以及用于将可视化岩心夹持模块进出口压力、岩心不同位置压力分布情况、不同围压压力、不同回压压力、不同分层内流体流速、压力梯度分布、计量***得到的产水量、产气量通过传感器及数据采集面板及时自动记录下来。

进一步，所述岩心驱替模块包括恒速恒压泵、单通控制阀、单向控制阀、地层水活塞容器、甲烷活塞容器、进口端压力传感器、蒸馏水装置；

恒速恒压泵开启之后，蒸馏水经过蒸馏水装置由单向控制阀控制方向至单通控制阀，单通控制阀下面分别是甲烷活塞容器和地层水活塞容器，两个活塞容器有两个四个单通控制阀决定流体流向，进口端压力传感器设置在岩心夹持器模块进口端，。

进一步，所述抽真空模包括真空缓冲容器、真空泵、第一放空阀，第二单通；

真空泵与真空缓冲容器相连，真空缓冲容器与第一放空阀、第二单通相连，第二单通与可视化岩心夹持模块进口端连接。

进一步，所述可视化岩心夹持模块包括可视化岩心夹持器、压板、垫板、螺母组合、衬板、进口孔、胶套、底水水槽、观察玻璃、压盖、显微镜观察窗、进口端滤芯、出口端滤芯、岩心内部压力传感器、底水进水孔、出口端压力传感器；

压板中部有显微观察窗，垫板设置在所述压板与观察玻璃之间；垫板和观察玻璃的***设置有两个所述衬板，一个衬板设置在压板下端，另一个设置在所述压盖上端；压盖内部有中空部分，设置有所述岩心室、底水进水孔、底水水槽、胶套、岩心内部压力传感器、进口端滤芯、出口端滤芯，其中进口端滤芯与出口端滤芯分别设置在岩心室前端和末端，中空部分设置在观察玻璃的下方；压板通过双头螺栓与所述压盖固定连接；压盖前方设置有进口孔，进口孔与驱替模块相连。

进一步，所述底水模拟模块包括第二单通、底水活塞容器、底水驱替泵，底水压力检测传感器；

底水驱替泵与底水活塞容器相连，底水活塞容器与底水压力传感器和第二单通相连，第二单通与可视化岩心加持模块底水孔进口端相连；

进一步，所述围压模拟模块包括自动围压跟踪泵，环压压力传感器、第二放空阀；

自动环压跟踪泵与第二放空阀、环压压力传感器相连，自动环压跟踪泵与可视化岩心夹持模块相连，自动环压跟踪泵左边是环压压力传感器，下面是第二放空阀，上面连接可视化岩心夹持模块；

进一步，所述回压模块包括回压泵、回压压力传感器、回压阀；

回压阀与回压泵、回压压力传感器相连后，与可视化岩心夹持模块出口端相接。

进一步，所述计量模块包括：滤芯、双向阀、气液分离器、自动气体质量流量计、电子天平；

滤芯和双向控制阀连接后与可视化岩心夹持器出口端连接，双向控制阀连接气液分离器，分液分离器与电子天平、自动气体质量流量计相连，电子天平设置在气液分离器的下面，自动气体质量流量计设置在气液分离器的左边。

进一步，所述显微数码影像分模块包括显微镜、摄像机、显微镜与摄像机接口、内置程控拍摄软件的计算机；

显微镜上面与显微镜与摄像机接口相接，下面对准可视化岩心夹持模块中的微观观察窗口；显微与摄像机接口和摄像机相接、摄像机经线路连接计算机，计算机内置程控拍摄软件。

进一步，所述所述驱替模块、岩心夹持模块、底水模拟模块设置在温控箱内部；

所述温控及数据采集模块包括七个压力传感器、数据采集板、计算机***；数据采集板设置于温控箱外部并与计算机***相连接；两个压力传感器分布在可视化夹持模块进、出端，两个设置在可视化岩心夹持器内部，一个压力传感器设置在回压模块中，一个设置在围压模块中，一个设置在底水模块中。

本发明提供的煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，首次设计、制造了一套可在室内模拟煤层气条件下储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价实验设备，填补了国内关于煤层气煤粉研究物理模拟领域技术空白，为煤层气提高采收率技术的进一步发展奠定了坚实的基础；首次采用底水进水孔与水槽模拟底水变化情况；通过进出口压力差模拟排水采气时井筒内动液面变化情况；该设备亦能模拟矿场煤岩所受围压压力、井底压力、温度条件，更贴近储层的实际情况；可以在实验时通过成像设备实时观察煤粉的产生位置、堵塞、运移情况；可开展不同压力、不同流速、不同底水含量对煤粉的影响实验研究；计量模块可对气、液、固三相自动分离，并实时记录气、液产出量；数据采集模块可以将各个模块的压力、流速、产水、产气数据全自动记录，实验过程实现了无人值守，具有记录数据快速、准确、自动化程度高等特点，此外，本发明结构简单，操作方便，稳定性高，有着良好的推广价值和应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的可视化岩样夹持器剖视结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供了煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪的结构。为了便于说明仅仅示出了与本发明相关的部分。

该煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪包括：

岩心驱替模块，用于模拟矿场排水采气单相、双相流动阶段提供流动驱替动力；

抽真空模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，用于将岩心驱替模块中岩心抽成真空使得甲烷气体充分和岩样充分接触吸附并用地层水饱和模拟储层底水环境；

可视化岩心夹持模块，与所述岩心驱替模块、计量模块、围压模块、回压模块、抽真空模块、底水模拟模块、显微数码影像模块、计量模块相连接，用于通过采用源自煤层的真实岩样模拟煤粉的产生、运移、沉降、堵塞行为与岩心内部压力梯度、解析压力、不同生产压差、不同流速之间的关系；

底水模拟模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，用于模拟煤层气气井排水采气过程中，煤层储层底部含水情况；

围压模拟模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于模拟矿场排水采气时储层围岩所受围压变化情况，围岩所受围压情况决定了岩石中孔隙结构变形情况，孔隙结构变形与煤层产气、产水、产煤粉关系密切，流压和围压共同决定了煤粉运移情况；

回压模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，回压模块与岩心驱替模块共同模拟矿场排水采气时井底流压及动液面变化情况，回压模块模拟气井生产时井底流压大小，井底流压的大小与产气、产水、产煤粉关系密切，通过控制井底流压也可模拟排水采气时气井内动液面的变化对排水采气的影响；

计量模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于将自可视化岩心夹持器模块所产生的气、液、固三相流体通过特定的方式逐步分离，并自动计量气、液的产量，主要模拟矿场气井分离计量装置；

显微数码影像分模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于拍摄岩样表面照片或对煤粉运移进行录像，记录煤粉产生位置、运移通道及运移后果；

温控及数据采集模块，温控用于模拟储层内部实际温度，数据采集将岩心夹持进、出口压力、岩心不同位置压力分布情况、不同围压压力、不同回压压力、不同分层内流体流速、压力梯度分布、计量***得到的产水量、产气量通过传感器及数据采集面板及时自动记录下来。

作为本发明实施例的一优化方案，岩心驱替模块包括恒速恒压泵、单通控制阀、单向控制阀、地层水活塞容器、甲烷活塞容器、进口端压力传感器、蒸馏水装置。

单向阀门的主要功能在于控制给恒速恒压泵供液并使得供给的液体不会反向流入蒸馏水中；

恒速恒压泵的主要功能在于为可视化岩心夹持提供动力，通过恒速恒压泵、单通控制阀、单向控制阀、地层水活塞容器、甲烷活塞容器、一个蒸馏水装置控制可视化岩心夹持进口端驱动动力大小；

第一单通阀门的功能是决定流体流动方向；

地层水活塞容器和甲烷活塞容器是用于将泵入的流体通过活塞中间容器的活塞推进器缓缓推动容器中的流体经进入可视化岩心夹持器模块；

进口压力传感器的主要功能是实时监测可视化岩心加持器模块进口驱替端压力大小。

作为本发明实施例的一优化方案，抽真空模包括真空缓冲容器、真空泵、第一放空阀，第一单通。

真空泵的功能在于配合第一单通将可视化岩心夹持模块中的岩样抽真空；

真空缓冲容器主要功能是防止可视化岩心加持模块中流体直接流入真空泵对真空泵造成损坏；

第一放空阀的功能是待抽真空完成后，将多余的压力通过第一放空阀10释放掉。

作为本发明实施例的一优化方案，可视化岩心夹持模块包括可视化岩心夹持器、压板、垫板、螺母组合、衬板、进口孔、胶套、底水水槽、观察玻璃、压盖、显微镜观察窗、进口端滤芯、出口端滤芯、岩心内部压力传感器、底水进水孔、出口端压力传感器。

岩样放入可视化岩心夹持器后，按照顺序将岩心夹持器组装起来，将此模块与驱替模块、抽真空模块、围压模块、回压模块、底水模拟模块、显微摄像模块、计量模块连接起来，抽真空模块将可视化岩心夹持模块中的岩样抽真空饱和水，底水模拟模块模拟地层含底水含量，围压模块为夹持器中的岩样提供围压，回压模块为岩样提供回压，驱替模块提供驱动动力，显微摄像模块实时记录气、液、固三相在岩样孔隙结构中的运动行为，计量模块将可视化岩心夹持模块流体的气、液、固三相逐步分离并准确计量。

作为本发明实施例的一优化方案，底水模拟模块包括第二单通、底水活塞容器、底水驱替泵；底水驱替泵为底水活塞容器提供驱动压力，通过第二单通控制进入岩心驱替模块模拟底水含量。

作为本发明实施例的一优化方案，围压模拟模块包括自动围压跟踪泵，环压压力传感器、第二放空阀；

作为本发明实施例的一优化方案，回压模块包括回压泵、回压压力传感器、回压阀；回压泵提供回压的大小，回压阀主要作用是当回压达到设定大小时，阀门自动开启，回压压力传感器用于测量回压的大小。

作为本发明实施例的一优化方案，计量模块包括：滤芯、双向阀、气液分离器、气体质量测量计、电子天平；

滤芯的作用在于将煤粉提出留在过滤芯中；

气液分离器能够将混合着的气体和液体自动分离；

电子天平将分离后的液体自动计量；

气体质量测量计将气体自动计量。

作为本发明实施例的一优化方案，显微数码影像分模块包括显微镜、摄像机、显微镜与摄像机接口、内置程控拍摄软件的计算机；显微镜为1600倍的光学放大显微镜，可以观察到岩样表面微米级孔隙结构；摄像机为300万像素的成像摄像机，用于拍摄岩样表面照片或对煤粉运移进行录像；程控拍摄软件通过计算机直接控制拍摄参数，文件存贮、转换等，全部操作过程在计算机上实现；分析软件由全功能影象分析软件IMAGEEX，可进行面积形态和光密度分析；荧光图像定量分析；细胞分析、生物芯片分析、颗粒计数分析；材料检测；质量QC，通过软件***可以将移动的煤粉颗粒数、颗粒大小、质量、移动颗粒数所占面积大小，全部计算出来。

作为本发明实施例的一优化方案，温控及数据采集模块包括温控箱、七个压力传感器。

以下结合图2和图3对本发明实施例提供的煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪的结构作进一步的说明。

驱替模块主要由一台恒速恒压泵3、四个单通控制阀4、一个单向控制阀2、地层水活塞容器5、甲烷活塞容器6、一个进口端压力传感器7、一个蒸馏水装置1组成，岩心驱替模块与可视化岩心加持模块紧密相连，其主要作用在于模拟矿场排水采气单相、双相流动时提供流动驱替动力，此外此模块和抽真空模块配合可以对岩样进行实验初始准备工作。蒸馏水装置1的主要功能是为恒速恒压泵提供净化后的液体；单向阀门2的主要功能在于控制给恒速恒压泵供液并使得供给的液体不会反向流入蒸馏水中；恒速恒压泵3的主要功能在于为可视化岩心夹持提供动力，通过恒速恒压泵、单向控制阀、单通控制阀、地层水活塞容器、甲烷活塞容器、一个蒸馏水装置控制可视化岩心夹持模块进口端驱动动力大小；第一单通4阀门的功能是决定流体流动方向；地层水活塞容器5和甲烷活塞容器6则是模拟地下实际地层中储层所含流体，盛满甲烷或者煤层地层水，功能在于将泵入的流体通过活塞中间容器的活塞推进器缓缓推动容器中的流体经进入可视化岩心夹持器模块；进口压力传感器7的主要功能是实时监测可视化岩心加持器模块进口驱替端压力大小；岩心驱替模块的工作流程是：流体通过恒速恒压泵3驱替泵受蒸馏水装置1和单向阀门2控制分别进入地层水活塞容器5或甲烷活塞容器6，而后经过第一单通4在恒速恒压泵3作用下将压力传递使得活塞容器能够平稳推动流体(甲烷或地层水)经地层水活塞容器5或甲烷活塞容器6进入可视化岩心加持模块，进口端压力由进口压力传感器7实时监测、记录；此模块通过恒速恒压泵3、地层水活塞容器5、甲烷活塞容器6模拟矿场排水采气时流体单相流动或者双相流动，和回压模块一同决定可视化模块中岩样所受压差大小，可以观察、模拟评价单相、双相流动条件下岩样中煤粉与生产压差、流速之间的关系，可模拟不同动液面高度煤粉产生情况；

抽真空模块，主要作用是将可视化岩心夹持模块中岩心抽成真空使得甲烷气体充分和岩样充分接触吸附并用地层水饱和模拟储层底水环境，此模块由真空缓冲容器8、真空泵9、第一放空阀10组成，真空泵9的功能在于配合第一单通4将可视化岩心加持模块中的岩样抽真空，真空缓冲容器8的主要功能是防止可视化岩心加持模块中流体直接流入真空泵9对真空泵9造成损坏，第一放空阀10的功能是待抽真空完成后，将压力通过第一放空阀10释放掉；整个模块的工作流程为：设备检查后，将整个实验装置所以器件关闭，同时将岩样放入可视化岩心加持模块并经围压模块加围压后，打开与真空泵9相连的第一单通4将岩样抽真空24小时，然后关闭第一单通4并通过第一放空阀10放空后开启蒸馏水装置1、单向阀门2、恒速恒压泵3、第一单通4、甲烷活塞容器6使甲烷气体进入岩样充分吸附48小时，而后关闭第一单通4、甲烷活塞容器6、第一单通4，打开单通27、底水活塞容器28、底水驱替泵29、底水泵压力传感器30使得底水进入岩样充分饱和48小时，而后关闭；

可视化岩心加持模块由可视化岩心夹持器11、压板12、垫板13、螺母组合14、衬板15、进口孔16、胶套17、底水水槽18、观察玻璃19、压盖20、显微镜观察窗21、进口端滤芯22、出口端滤芯23、岩心内部压力传感器24、底水进水孔25、出口端压力传感器26构成，其主要功能是通过采用源自煤层的真实岩样模拟不同渗透率，不同孔隙结构下煤粉的产生、运移、沉降、堵塞行为与岩心内部压力梯度、解析压力、不同生产压差、不同流速之间的关系，此模块与程控和显微数码影像分模块结合，便可以在计算机上面将实验驱替时岩样中煤粉的运动行为或照相或摄像实时记录下来，人们可以通过计算机屏幕观察煤粉的来源，可以直观的观察在不同的排采条件、不同的压力、不同流速、单、双相条件下煤粉的启动、煤粉的运移、煤粉的沉降、煤粉的堵塞，可以观察煤粉运动与煤岩孔隙结构之间的关系，亦可以观察煤粉、气、水之间相互作用行为。可视化岩心夹持器由一个模拟底水进水孔25、一个环压孔、一个进口端、一个出口端，两个岩心内部压力传感器24、一个进口端滤芯22、一个出口端滤芯23、一个压板12、一个垫板13、十二个螺母14组合、两个衬板15、一个岩样胶套17、一个底水水槽18、观察玻璃19、一个压盖20、4个显示器观察窗口21组成，具体结构图见附图2，可视化岩心加持模块可以承受80MPa压力、120摄氏度温度，可以模拟煤层气井井底真实温度压力，底水进水孔25下部和底水模拟模块相连，底水进水孔25上部与底水水槽18相接；环压孔与围压模块相连；进口端与驱替模块相接；出口端与回压模块、计量模块相连；进口端滤芯22设置在进口端和岩样之间，防止地层水或者甲烷气体中杂质进入岩心，堵塞孔隙结构，影响原始渗透性，出口端滤芯23设置在岩样与出口端之间，防止实验过程中岩样中产生的大颗粒进入管线导致管线堵塞；底水水槽18上面是岩心室，可容纳长10厘米、宽10厘米、厚度2.5厘米的煤岩岩板；胶套17则设置在底水水槽18和压盖20之间，作用在于卡持岩心并传递压力，加载围压时，压力通过液压油使胶套17变形使得胶套17紧紧卡持住岩样，防止实验过程中松动等；可视化岩心夹持模块的横侧面均匀分布着两个岩心内部压力传感器24，监测实验过程中岩样内部不同位置压力梯度变化；此模块的工作流程为：流体自地层水活塞容器5或甲烷活塞容器6进入进口端后经可视化岩心夹持器11达到出口，在此过程中通过围压模块对岩样施加围压，通过进口泵和回压模块模拟井底流压及井筒中动液面高低，通过该底水模块模拟、控制各个储层岩样底水含量，通过计量模块监测流出的气、水、煤粉；

底水模拟模块由第二单通27、底水活塞容器28、底水驱替泵29与底水泵压力传感器30组成，其功能在于模拟煤层气气井排水采气过程中，煤层储层底部含水情况。底水驱替泵29为底水活塞容器28提供驱动压力，通过第二单通27控制进入可视化岩心夹持模块模拟底水含量；底水活塞容器28则盛满煤层真实底层水样；底水模块的压力监测由底水泵压力传感器30实时记录；底水模拟模块工作流程为：煤样底部含水量大小通过底水活塞容器28经第二单通27缓缓进入底水进水孔25，而后在底水水槽18中聚集，在底水驱替泵29提供的压力作用下向岩心上部均匀推进；

围压模拟模块，由一个自动围压跟踪泵31，一个环压压力传感器32、一个第二放空阀33组成，围压模块模拟矿场排水采气时储层围岩所受围压变化情况，围岩所受围压情况决定了岩石中孔隙结构变形情况，结构变形情况与产气、产水、产煤粉关系密切，煤粉的运移从根本上受制于煤层孔隙结构在不同围压下的形态。围压模块中自动围压跟踪泵31为可视化岩心夹持器模块提供围压，环压压力传感器32则实时监测围压的数值，其工作流程是：自动围压跟踪泵31将围压传递至可视化岩心夹持模块的可视化岩心夹持器11、压板12之间使得胶套17变形产生围压，进而模拟煤岩所受应力情况，实验结束后，通过第二放空阀33对围压经行卸载；

回压模块由回压泵34、回压压力传感器35、回压阀36组成，回压模块与驱替模块共同模拟矿场排水采气时井底流压及动液面变化情况，回压模块模拟气井生产时井底流压大小，井底流压的大小与产气、产水、产煤粉关系密切，通过控制井底流压也可模拟排水采气时，气井内动液面的变化对排水采气的影响。回压模块中回压泵34提供回压的大小，回压阀36主要作用是当回压达到设定大小时，阀门自动开启，回压阀36停止工作，可视化岩心夹持器11驱替出的流体进入计量模块，小于设定的回压数值时，阀门自动闭合，回压阀36开始工作将回压加载至设定数值后自动停止，此时流体可视化岩心夹持器11中所产生流体不进入计量***，回压的大小由回压压力传感器35瞬时测定。其工作流程是：回压阀36控制回压泵34所产生的压力大小，而数值的产生则有回压压力传感器35记录，回压模块与驱替进口压力的差值决定了岩样中收受压差大小，压差模拟气井生产时井底压力大小，压力大小和煤粉密切相关；

计量模块，由滤芯37、双向阀38、气液分离器39、气体质量流量计40、电子天平41组成，其功能在于将自可视化岩心夹持器11模块所产生的气、液、固三相流体通过特定的方式逐步分离，并自动计量气、液的产量，此模块主要模拟矿场气井分离计量装置。流体自岩心出口端流出后，可能包含煤粉，滤芯37的作用在于将煤粉提出留在过滤芯中，气液分离器39，能够将混合着的气体和液体自动分离，分离后的液体由电子天平41自动计量，气体则由气体质量流量计40自动计量。其工作流程在于：具体方式是气、液、固混合流体自可视化岩心夹持模块出口流出后，先通过圆形煤粉收集器将岩心中产生的煤粉粉尘收集起来，而后气液两相通过气液分离器39自动分离成液相和气相，气相通过自动气体质量流量计40测量，液体质量通过电子天平41监测。

显微数码影像分模块由显微镜42、摄像机44、显微镜与摄像机接口43、内置程控拍摄软件的计算机45组成，显微42为1600倍的光学放大显微镜，可以观察到岩样表面微米级孔隙结构；摄像机44为300万像素的成像摄像机，用于拍摄岩样表面照片或对煤粉运移进行录像；程控拍摄软件45通过计算机直接控制拍摄参数，文件存贮、转换等，全部操作过程在计算机上实现；分析软件由全功能影象分析软件IMAGEEX，可进行面积形态和光密度分析；荧光图像定量分析；细胞分析、生物芯片分析、颗粒计数分析；材料检测；质量QC，通过软件***可以将移动的煤粉颗粒数、颗粒大小、质量、移动颗粒数所占面积大小，全部计算出来。

温控及数据采集模块，由一个温控箱46、七个压力传感器构成，主要功能是模拟储层内部实际温度并将可视化岩心夹持模块进、出口压力、岩心不同位置压力分布情况、不同围压压力、不同回压压力、不同分层内流体流速、压力梯度分布、计量***得到的产水量、产气量通过传感器及数据采集面板及时自动记录下来，为使用数据分析软件处理数据打下基础，具有计量准确、自动化程度高等优点。

下面结合设备煤层气煤粉产生、运移、沉降、堵塞高温高压动态评价仪对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1.原煤岩制备：从井下取上来的煤块在地面封蜡后带回实验室，用煤样切割机沿垂直于煤样钻取方向保持匀速缓慢切割，以保证煤样中的原层位物性参数不变，然后在打磨机上将切割的煤样缓慢磨成实验规格煤样；

2.设备检查：将标准的钢制岩样放入岩心夹持器，并将七个模块***打开，运行1～2个小时，检测设备各个部件的密封性、运行情况、及传感器的校对是否正确；

3.开启温控及数据采集模，开启进口端压力传感器7、岩心内部压力传感器24、出口端压力传感器26、底水泵压力传感器30、环压压力传感器32，通过温控箱46加热至煤层气地层温度，并在实验过程中保持温度不变。各类传感器一直开启，保证能够及时检测到各个部位的数据；

4.抽真空、吸附、模拟原始底水：①确保整个设备能够正确运行后，将已经打磨好的煤层岩样放入可视化岩心夹持器11中，然后关闭第一单通4、双向阀38，开启真空缓冲容器8、真空泵9及岩心进口路线上面的第一单通4，抽真空24小时后关闭抽真空模块，然后开启蒸馏水装置1、单向阀门2、恒速恒压泵3及第一单通4、甲烷活塞容器6、第一单通4线路，将甲烷通过1极其缓慢注入可视化岩心夹持器11中，注入时间为48小时，压力必须缓慢推动甲烷活塞容器6缓缓进入可视化岩心夹持器11，在此过程中将可视化岩心夹持器中的口端压力传感器7、岩心内部压力传感器24、出口端压力传感器26、底水泵压力传感器30、环压压力传感器32打开，及时监测并记录岩心中围压、流压的变化，而后关闭与第一单通4、甲烷活塞容器6、第一单通4线路；

②将与单通27、底水活塞容器28、底水驱替泵29、底水泵压力传感器30、蒸馏水装置1、单向阀门2、恒速恒压泵3、第一单通4、地层水活塞容器5、第一单通4管路打开，再以极低的速度缓缓注入煤层地层水及储层底水，直至可视化岩心夹持器11中的压力与煤层气储层初始压力相同时，停止注入，关闭第一单通4、地层水活塞容器5、第一单通4，关闭27、底水活塞容器28、底水驱替泵29、底水泵压力传感器30管路；

5.开启围压模块，分别开启自动环压跟踪泵31、环压压力传感器32、第二放空阀33将岩心围压升至地层开采时，煤层煤岩实际所受围压大小，然后停止；

6.开启回压模块，开启回压泵34、回压压力传感器35、回压阀36、滤芯37、双向阀38，通过控制回压压力大小，模拟实际矿场井底流压，模拟矿场动液面高度、与驱替模块配合模拟储层压差差异对煤粉运移的影响；

7.开启计量模块，开启滤芯37、双向阀38、气液分离器39、气体质量测量计40、电子天平41，将自岩心夹持器出口端流体的混合流体通过不同的部件分离计量，并时刻关注压力传感器所记录数值的变化；

8.不同因素观察、评价煤粉运移，根据不同的实验目的开启驱替模块、底水模拟模块或调节回压压力值大小，分别评价储层压力梯度变化时、动液面高度变化时、流速改变时、单相时、两相流动时煤粉运移情况，及评价煤粉运移对排水采气的影响；

9.实验结束；10.计量煤粉量；11.数据分析；12撰写实验报告。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述动态评价仪包括：

岩心驱替模块，用于模拟矿场排水采气单相、双相流动时提供驱替动力；

抽真空模块，与所述岩心驱替模块、岩心可视化夹持模块连接，用于将可视化夹持模块中岩样抽成真空使得甲烷气体充分和岩样充分接触吸附并用煤层地层水饱和模拟储层水环境；

可视化岩心夹持模块，与所述岩心驱替模块相连接，用于通过采用源自煤层的真实岩样模拟不同渗透率、不同孔隙结构下煤粉的产生、运移、沉降、堵塞行为与岩心内部压力梯度、解析压力、生产压差、流速之间的关系；

底水模拟模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，用于模拟煤层气气井排水采气过程中，煤层储层底部含水情况；

围压模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于模拟矿场排水采气时储层围岩所受围压变化情况；

回压模块，与所述可视化岩心夹持模块连接，用于与可视化岩心夹持模块共同模拟矿场排水采气时井底流压及动液面变化情况；

计量模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于将自可视化岩心夹持器模块所产生的气、液、固三相流体通过特定的方式逐步分离，并自动计量气、液的产量；

显微数码影像分模块，与所述可视化岩心夹持器模块连接，用于拍摄岩样表面照片或对煤粉运移行为进行录像，记录煤粉产生位置、运移通道及运移后果；

温控及数据采集模块，用于通过对设备温度的调控模拟储层内部实际温度以及用于将可视化岩心夹持模块进出口压力、岩心不同位置压力分布情况、不同围压压力、不同回压压力、不同分层内流体流速、压力梯度分布、计量***得到的产水量、产气量通过传感器及数据采集面板及时自动记录下来。

2.如权利要求1所述的煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述岩心驱替模块包括恒速恒压泵、单通控制阀、单向控制阀、地层水活塞容器、甲烷活塞容器、进口端压力传感器、蒸馏水装置；

恒速恒压泵开启之后，蒸馏水经过蒸馏水装置由单向控制阀控制方向至单通控制阀，单通控制阀下面分别是甲烷活塞容器和地层水活塞容器，两个活塞容器有两个四个单通控制阀决定流体流向，进口端压力传感器设置在岩心夹持器模块进口端。

3.如权利要求1所述的煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述抽真空模包括真空缓冲容器、真空泵、第一放空阀，第二单通；

真空泵与真空缓冲容器相连，真空缓冲容器与第一放空阀、第二单通相连，第二单通与可视化岩心夹持模块相接。

4.如权利要求1所述的煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述可视化岩心夹持模块包括可视化岩心夹持器、压板、垫板、螺母组合、衬板、进口孔、胶套、底水水槽、观察玻璃、压盖、显微镜观察窗、进口端滤芯、出口端滤芯、岩心内部压力传感器、底水进水孔、出口端压力传感器；

压板中部设有显微观察窗，垫板设置在所述压板与观察玻璃之间；垫板和观察玻璃的***设置有两个所述衬板，一个衬板设置在压板下端，另一个设置在所述压盖上端；压盖内部有中空部分，设置有所述岩心室、底水进水孔、底水水槽、胶套、岩心内部压力传感器、进口端滤芯、出口端滤芯，其中进口端滤芯与出口端滤芯分别设置在岩心室前端和末端，中空部分设置在观察玻璃的下方；压板通过双头螺栓与所述压盖固定连接；压盖前方设置有进口孔，进口孔与驱替模块相连。

5.如权利要求1所述的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述底水模拟模块包括第二单通、底水活塞容器、底水驱替泵，底水压力检测传感器；

底水驱替泵与底水活塞容器相连，底水活塞容器与底水压力传感器和第二单通相连，第二单通与可视化岩心夹持模块底水孔进口端相接。

6.如权利要求1所述的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述围压模拟模块包括自动围压跟踪泵，环压压力传感器、第二放空阀；

自动环压跟踪泵与第二放空阀、环压压力传感器相连，自动环压跟踪泵与可视化岩心夹持模块相连，自动环压跟踪泵左边是环压压力传感器，下面是第二放空阀，上面连接可视化岩心夹持模块。

7.如权利要求1所述的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述回压模块包括回压泵、回压压力传感器、回压阀；

回压阀与回压泵、回压压力传感器相连后，与可视化岩心夹持模块出口端相接。

8.如权利要求1所述的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述计量模块包括：滤芯、双向阀、气液分离器、自动气体质量流量计、电子天平；

滤芯和双向控制阀连接后与可视化岩心夹持器出口端连接，双向控制阀连接气液分离器，分液分离器与电子天平、自动气体质量流量计相连，电子天平设置在气液分离器的下面，自动气体质量流量计设置在气液分离器的左边。

9.如权利要求1所述的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述显微数码影像分模块包括显微镜、摄像机、显微镜与摄像机接口、内置程控拍摄软件的计算机；

显微镜上面与显微镜与摄像机接口相接，下面对准可视化岩心夹持模块中的微观观察窗口；显微与摄像机接口和摄像机相接、摄像机经线路连接计算机，计算机内置程控拍摄软件。

10.如权利要求1所述的一种煤层气储层煤粉产生、运移、沉降、堵塞动态评价仪，其特征在于，所述驱替模块、岩心夹持模块、底水模拟模块设置在温控箱内部；

所述温控及数据采集模块包括七个压力传感器、数据采集板、计算机***；数据采集板设置于温控箱外部并与计算机***相连接；两个压力传感器分布在可视化夹持模块进、出端，两个设置在可视化岩心夹持器内部，一个压力传感器设置在回压模块中，一个设置在围压模块中，一个设置在底水模块中。

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