CN105156094B - 一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，属于煤层气开采领域，装置中的平流泵(13)的出口管路串接背压阀(14)、电磁流量计(16)后与活塞搅拌容器(1)的上腔连通，活塞搅拌容器(1)的下腔与岩心夹持器(5)的轴向入口连通；岩心夹持器(5)的进口处设有压力传感器I(4)，出口管路置于天平(11)上的容器中；电磁阀(7)两端分别与空压机(6)和液体增压泵(8)连接，液体增压泵(8)的出口与岩心夹持器(5)环压的进口连通；装置还包括用于监测可控制的电气控制及监控***。该装置能够完成煤层气开采过程中煤层流体及煤粉的运移及淤堵试验。该装置控压、控流量精度高，压力、流量波动性小，容易安装、操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种在实验室内模拟煤粉运移的试验装置，特别是涉及一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，属于煤层气开采领域。
背景技术
随着我国国民经济的发展，传统能源的供应量逐渐减少，而且在生产生活中排放的大量二氧化碳所产生的温室效应已经严重威胁到整个自然的生态安全，人类对新型、清洁能源的需求越来越大，因而煤层气作为一种新型、清洁能源受到了广泛关注。我国具有丰富的煤层气资源，煤层气开发对缓解我国油气资源紧张现状、减轻矿井灾害程度、减少温室气体排放等具有重要意义。经统计沁水盆地南部部分煤层气井煤粉产出量较大，平均检泵周期为6个月，频繁的检泵作业对气井生产动态产生负面影响，同时也增加了煤层气的排采成本。煤粉运移规律的研究已成为煤层气开发技术的核心难题之一，对煤储层保护以及生产参数的科学确定具有重要意义。但是，目前煤粉来源等尚不清楚，煤层气井排采过程中产出煤粉的机理研究未见报道，严重阻碍了煤粉防治和有效排采管控的实施。
鉴于此，在试验室内模拟煤储层围压条件，实现煤层气开采过程中煤层流体及煤粉的运移试验过程，对研究煤粉的运移规律具有重要的理论指导意义，对于指导煤层气的生产作业具有实际指导意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，该装置能够完成煤层围压环境下，煤层气开采过程中煤层流体及煤粉的运移及淤堵试验，得到试验条件下煤粉的流量、流速、压力降等试验数据，并得到最终的煤层流体及煤粉的运移及淤堵试验结果。本装置控压、控流量精度高，压力、流量波动性小，数据显示准确、直观，且结构紧凑、便于控制、容易安装、操作简单。
为了达到上述目的，煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，包括活塞搅拌容器、岩心夹持器、空压机、电磁阀、液体增压泵、天平、平流泵、背压阀、电磁流量计和电气控制及监控***，所述的平流泵的进口管路口置于容器III内，出口管路依次串接背压阀、电磁流量计后与活塞搅拌容器的上腔连通，活塞搅拌容器的下腔与岩心夹持器的轴向入口连通；岩心夹持器的轴向出口管路口置于容器II内，岩心夹持器的轴向进口管路上设有压力传感器I，容器II放置在天平上；电磁阀两端分别与空压机和液体增压泵连接，液体增压泵的进口管路口置于容器I内，出口与岩心夹持器环压的进口连通，岩心夹持器环压的出口管路口置于容器I内；所述的电气控制及监控***由电气元件及控制软件组成；
进一步的，在平流泵的出口管路上设有阀门一，在电磁流量计的出口管路上设有阀门二，在活塞搅拌容器上腔进口管路上设有阀门三，在活塞搅拌容器下腔与压力传感器I之间连接管路上设有阀门四，在岩心夹持器的进口管路和出口管路上分别设有阀门八和阀门十一，在液体增压泵和岩心夹持器环压的连接管路上设有阀门九，在岩心夹持器环压的出口管路上设有阀门十；
进一步的，所述的活塞搅拌容器包括容器筒、活塞和搅拌器，活塞置于容器筒内，其轴线与容器筒的轴线重合，搅拌器与容器筒的下腔底部连接；
进一步的，试验装置还包括备用的活塞搅拌容器，两个活塞搅拌容器的上腔和与平流泵出口连通的管路并联连通，下腔和与岩心夹持器轴向进口连通的管路并联连通；备用的活塞搅拌容器的上腔进口管路上设有阀门五，其下腔与压力传感器I之间的连接管路上设有阀门六；
进一步的，在背压阀和电磁流量计之间的管路上设有压力传感器II；
进一步的，在两个活塞搅拌容器下腔的底部分别设有连通大气的管路，在管路上分别设有阀门十二和阀门十三；
进一步的，所有所述的阀门为单向阀。
本发明通过用岩心夹持器装试验样品，通过液体增压泵向岩心夹持器的环空内注入介质增加岩心夹持器的围压模拟煤层高压、密封的环境，通过平流泵给活塞搅拌容器上腔注入介质加压向岩心夹持器内注入水煤混合物(悬浊物)，通过压力传感器和电磁流量计及天平直接记录或者换算试验数据，并收集流出流体，以备检测流出流体的成分，实现了模拟煤层气开采过程中煤层流体及煤粉的运移及淤堵的试验，得到了试验条件下煤粉的流量、流速、压力降等试验数据，并得到了最终的煤层流体及煤粉的运移及淤堵试验结果。本装置控压、控流量精度高，压力、流量波动性小，数据显示准确、直观，且结构紧凑、便于控制、容易安装、操作简单。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1、活塞搅拌容器，2、搅拌器，3-1、阀门一，3-2、阀门二，3-3、阀门三，3-4、阀门四，3-5、阀门五，3-6、阀门六，3-7、阀门七，3-8、阀门八，3-9、阀门九，3-10、阀门十，3-11、阀门十一，3-12、阀门十二，3-13、阀门十三，4、压力传感器I，5、岩心夹持器，6、空压机，7、电磁阀，8、液体增加泵，9、容器I，10、容器II，11、天平，12、容器III，13、平流泵，14、背压阀，15、压力传感器II，16、电磁流量计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，包括活塞搅拌容器1、岩心夹持器5、空压机6、电磁阀7、液体增压泵8、天平11、平流泵13、背压阀14、电磁流量计16和电气控制及监控***，所述的平流泵13的进口管路口置于容器III12内，出口管路依次串接背压阀14、电磁流量计16后与活塞搅拌容器1的上腔连通，活塞搅拌容器1的下腔与岩心夹持器5的轴向进口连通；岩心夹持器5的轴向出口管路口置于容器II10内，岩心夹持器5的轴向进口管路上设有压力传感器I4，容器II10放置在天平11上，天平11为高精度的电子天平；电磁阀7两端分别与空压机6和液体增压泵8连接，液体增压泵8的进口管路口置于容器I9内，出口与岩心夹持器5环压的进口连通，岩心夹持器5环压的出口管路口置于容器I9内；所述的电气控制及监控***由工控机、显示器及变送仪表、高速摄像机、配电电路等电气元件及控制软件组成。
所述的岩心夹持器5的直径为50mm，长度为50～200mm可调，外部采用316L钢制造，内部样品室采用胶套制造，胶套两端分别由与其内径相同的钢垫块密封，最后用O型圈分别套在两个垫块外的胶套上，胶套与岩心夹持器5外壁之间的空间为环空，通过向环空内部注入介质实现增加围压，岩心夹持器固定在采用316L钢制造的支架上；岩心夹持器5的样品室内的最高工作压力为16MPa；所述的平流泵13的注入流量范围为0-30ml/min，最高工作压力为16MPa；所述的活塞搅拌容器1的容量为5L，最高工作压力为16MPa；所述的空压机6和液体增压泵8的压力范围为0-20MPa；所述的压力传感器I4和背压阀14的精度为0.4级，所述的电磁流量计16的精度为0.2级；用于试验的煤柱的直径为50mm，长度为50～200mm可调。
电气控制及监控***的主要功能是：①对电气设备的配电，整个试验装置的安全保护和报警等；②对整个模拟试验装置的压力、流量等进行采集、存储、处理和显示，同时具备集中控制台远程控制与就地手动控制两种模式；③对岩心夹持器5以外状态进行视频监控，以保障***安全。整个试验流程可通过人机界面设定为自动完成或人工干预完成，实验数据可保存为指定数据格式，并实现报表生成、打印操作。
在平流泵13的出口管路上设有阀门一3-1，在电磁流量计的出口管路上设有阀门二3-2，在活塞搅拌容器1上腔进口管路上设有阀门三3-3，在活塞搅拌容器1下腔与压力传感器I4之间连接管路上设有阀门四3-4，在岩心夹持器5的进口管路和出口管路上分别设有阀门八3-8和阀门十一3-11，在液体增压泵8和岩心夹持器5环压的连接管路上设有阀门九3-9，在岩心夹持器5环压的出口管路上设有阀门十3-10；所有的阀门用于控制试验装置中流体是否流通。
所述的活塞搅拌容器1包括容器筒、活塞和搅拌器2，活塞置于容器筒内，其轴线与容器筒的轴线重合，搅拌器2与容器筒的下腔底部连接，试验开始前，将配置好的试验用水煤混合物(悬浊液)装入活塞搅拌容器1的下腔中，试验过程中，可通过开启搅拌器2的电机进行搅拌防止煤粉沉积在活塞搅拌容器的底部，影响试验的精度。
试验装置还包括另一个备用的活塞搅拌容器1，两个活塞搅拌容器1的上腔和与平流泵13出口连通的管路并联连通，下腔和与岩心夹持器5轴向进口连通的管路并联连通；备用的活塞搅拌容器1的上腔进口管路上设有阀门五3-5，其下腔与压力传感器I4之间连接管路上设有阀门六3-6；试验过程中，若是一个活塞搅拌容器1中的用于试验的水煤混合物(悬浊液)用完，可以用另一个备用的活塞搅拌容器1继续试验，保证试验的顺利完成，避免试验中断而影响试验结果数据的精度。
在背压阀14和电磁流量计16之间的管路上设有压力传感器II15，用于测量管路内的压力。
在两个活塞搅拌容器1下腔的底部分别设有连通大气的管路，在管路上分别设有阀门十二3-12和阀门十三3-13，当试验结束后，若是活塞搅拌容器1内的水煤混合物(悬浊液)没有用完，即可通过打开此处的阀门十二3-12和阀门十三3-13进行泄流。
平流泵13的出口管路与岩心夹持器5的进口管路之间是连通的，且连通管路上设有阀门七3-7，需要做渗流试验时，无需经过活塞搅拌容器1，直接经过阀门七3-7所在的管路直接向岩心夹持器5注水即可进行试验。
所述的阀门一3-1～阀门十三3-13为单向阀，只允许液体单向流动，防止因液体的回流而导致试验结果的不准确。
本装置进行煤粉运移试验时所用的水煤混合物(悬浊液)为煤粉小颗粒悬浮于煤层水中形成的流体混合物。用本装置进行煤粉运移试验时，需要精确地实时计量沿着管线流进岩心夹持器5内的样品室中的水煤混合物(悬浊液)的流量，但是目前尚无能够精确计量水煤混合物(悬浊液)流量的高精度流量计，因为精度高的流量计是不允许通过悬浊液的，悬浊液会严重堵塞、损坏流量计。为了解决这一问题，准确计量、控制注入岩心夹持器的水煤混合物(悬浊液)的流量，本试验采用了清水推动水煤混合物(悬浊液)的方法。所应用的原理是：水的压缩性非常小，可以忽略，则在活塞搅拌容器1上下腔管线直径相同的情况下，平流泵13将清水注入活塞搅拌容器1上腔的流量与活塞搅拌容器1下腔悬浊液流出的流量相同，所以只需要精确控制、计量活塞搅拌容器1上腔清水注入的流量，即可准确得到活塞搅拌容器1下腔悬浊流出的流量和悬浊液注入岩心夹持器5的流量。
为了提高本试验装置的适应性，本试验装置可以通过煤粉最大粒径为3mm的水煤混合物(悬浊液)；允许通过最大质量浓度为20％左右的水煤混合物(悬浊液)，另外，煤粉粒径越大，设备所允许通过的煤粉质量浓度越小，不大于10％的质量浓度值是煤粉粒径为2mm时的最大允许质量浓度。所以本实验装置能够模拟实际煤层气井产出煤层水中所有粒径煤粉的运移。
本发明所用的最小区域面积为4500mm×6500mm；为确保试验的安全，划分为控制区、试验区，控制区与试验区隔离，确保人员操作处于安全区域，可通过摄像头在控制室内观察监控试验区。
本发明的煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验方法，步骤如下：
(1)将准备好的煤柱或胶结、压实的压裂砂装入岩心夹持器5的胶套中，胶套两端分别装入与其内径相同的钢垫块，将O型圈分别套在两个垫块外的胶套上，将胶套置于岩心夹持器5中，调节岩心夹持器5的长度，将胶套和试验样品固定好；
(2)将配置好的浓度一定、容量一定的水煤混合物(悬浊液)放入清洗干净的活塞搅拌容器1的下腔中；
(3)将整个试验装置中的连接管线、电源等连接好，打开电源和电气控制及监控***；
(4)在容器I9和容器III12中盛满清水；
(5)打开空压机6和液体增压泵8，打开液体增压泵8和岩心夹持器5之间的阀门3-9，向岩心夹持器5的环空内注水加围压，围压达到试验设计值时停止增加围压；
(6)打开背压阀14，并设置为试验设定压力，设置平流泵13输出压力为试验设计压力，通过背压阀14和平流泵13的共同控制和调节，确保试验过程中压力的稳定；打开岩心夹持器5进口和出口处的阀门八3-8和阀门十一3-11，打开平流泵13和活塞搅拌容器1连通管路上的阀门一3-1和阀门二3-2，关闭一个活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门五3-5和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门六3-6，打开另一个活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门三3-3和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门四3-4，向活塞搅拌容器1上腔注水加压，开始向岩心夹持器5中注入水煤混合物(悬浊液)；试验过程中，当活塞搅拌容器1中的水煤混合物(悬浊液)用尽时，关闭活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门三3-3和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门四3-4，打开另一个活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门五3-5和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门六3-6，继续向岩心夹持器5注入水煤混合物(悬浊液)；
(7)观察压力传感器I4和压力传感器II15或显示器上控制软件中压力值，并对背压阀14和平流泵13进行适当调节，使岩心夹持器5入口处的压力值达到试验压力；岩心夹持器5出口处放空，为大气压，因此，压力传感器I4测得的压力值减去大气压即为岩心夹持器5入口和出口的压力差；试验过程中，当岩心渗透性发生变化时，注入压力不变，会引起岩心夹持器5入口流量的变化，此时，通过电磁流量计16将流量信息传递给平流泵13，并由平流泵13自动调节注入流量，使岩心夹持器5入口处的压力始终保持为定值，压力误差不超过0.05MPa，从而保证岩心夹持器5两端的压差为定值；
(8)试验过程中，由控制软件监测、记录压力传感器I4、天平11和电磁流量计16的数值变化情况，并计算出岩心夹持器5入口与出口的实时压差，绘制相关数据随时间的变化曲线，岩心夹持器5流出的悬浊液由与出口相连的容器II10接收；
(9)试验结束后，打开岩心夹持器5环空与容器I9之间连接管路上的阀门十3-10并打开两个活塞搅拌容器1底部的阀门十二3-12和阀门十三3-13进行泄流，解除管路连接；打开岩心夹持器5，将取出试验样品，清洗试验容器。
本发明的另一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验方法，步骤如下：
(1)将准备好的煤柱或胶结、压实的压裂砂装入岩心夹持器5的胶套中，胶套两端分别装入与其内径相同的钢垫块，将O型圈分别套在两个垫块外的胶套上，将胶套置于岩心夹持器5中，调节岩心夹持器5的长度，将胶套和试验样品固定好；
(2)将配置好的浓度一定、容量一定的水煤混合物(悬浊液)放入清洗干净的活塞搅拌容器1的下腔中；
(3)将整个试验装置中的连接管线、电源等连接好，打开电源和电气控制及监控***；
(4)在容器I9和容器III12中盛满清水；
(5)打开空压机6和液体增压泵8，打开液体增压泵8和岩心夹持器5之间的阀门九3-9，向岩心夹持器5的环空内注水加围压，围压达到试验设计值时停止增加围压；
(6)打开背压阀14，并设置为最高工作压力，设置平流泵13输出流量为试验设计流量；打开岩心夹持器5进口和出口处的阀门八3-8和阀门十一3-11，打开平流泵13和活塞搅拌容器1连通管路上的阀门一3-1和阀门二3-2，关闭一个活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门五3-5和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门六3-6，打开另一个活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门三3-3和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门四3-4，向活塞搅拌容器1上腔注水加压，开始向岩心夹持器5中注入水煤混合物(悬浊液)；试验过程中，当活塞搅拌容器1中的水煤混合物(悬浊液)用尽时，关闭活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门三3-3和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门四3-4，打开另一个活塞搅拌容器1上腔入口处的阀门五3-5和下腔与岩心夹持器5连通管路上的阀门六3-6，继续向岩心夹持器5注入水煤混合物(悬浊液)；
(7)观察电磁流量计16或显示器上控制软件中流量值，并对平流泵13进行适当调节，使岩心夹持器5入口处的流量值达到试验设定流量；岩心夹持器5出口处放空，为大气压，因此，压力传感器I4测得的压力值减去大气压即为岩心夹持器5入口和出口的压力差，从岩心夹持器5中流出流体的流量由根据天平11称量的容器II10中流体的重量换算得到；试验过程中，当岩心渗透性发生变化时，若流量不变，会引起岩心夹持器5入口压力的变化，此时，通过压力传感器I4将压力信息传递给平流泵13，并由平流泵13自动调节注入压力，使岩心夹持器5入口处的流量始终保持为定值，流量误差不超过0.01ml/m；
(8)试验过程中，由控制软件监测、记录平流泵13、压力传感器I4、天平11和电磁流量计16的数值变化情况，并计算出岩心夹持器5入口与出口的实时压差，绘制相关数据随时间的变化曲线，岩心夹持器5流出的悬浊液由与出口相连的容器II10接收；
(9)试验结束后，打开岩心夹持器5环空与容器I9之间连接管路上的阀门十3-10并打开两个活塞搅拌容器1底部的阀门十二3-12和阀门十三3-13进行泄流，解除管路连接；打开岩心夹持器5，将取出试验样品，清洗试验容器。
通过对煤层气井监测可知，实际煤层气井产出煤层水中所携带的煤粉粒径一般不大于1mm，由于压裂液返排时会携带出1-2mm粒径的煤粉，因此本试验所采用的水煤混合物(悬浊液)中煤粉粒径最大为2mm；实际煤层气井产出煤层水中煤粉的质量浓度不大于10％，因此，本试验所采用的水煤混合物(悬浊液)的浓度不大于10％。
本试验中，所用的压裂砂目数为65～14目(即0.212-1.18mm)。
Claims (6)
1.一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，其特征在于：包括活塞搅拌容器(1)、岩心夹持器(5)、空压机(6)、电磁阀(7)、液体增压泵(8)、天平(11)、平流泵(13)、背压阀(14)、电磁流量计(16)和电气控制及监控***，所述的平流泵(13)的进口管路口置于容器III(12)内，出口管路依次串接背压阀(14)、电磁流量计(16)后与活塞搅拌容器(1)的上腔连通，活塞搅拌容器(1)的下腔与岩心夹持器(5)的轴向进口连通；岩心夹持器(5)的轴向出口管路口置于容器II(10)内，岩心夹持器(5)的轴向进口管路上设有压力传感器I(4)，容器II(10)放置在天平(11)上；电磁阀(7)两端分别与空压机(6)和液体增压泵(8)连接，液体增压泵(8)的进口管路口置于容器I(9)内，出口与岩心夹持器(5)环压的进口连通，岩心夹持器(5)环压的出口管路口置于容器I(9)内；所述的电气控制及监控***由电气元件及控制软件组成；
在平流泵(13)的出口管路上设有阀门一(3-1)，在电磁流量计的出口管路上设有阀门二(3-2)，在活塞搅拌容器(1)上腔进口管路上设有阀门三(3-3)，在活塞搅拌容器(1)下腔与压力传感器I(4)之间连接管路上设有阀门四(3-4)，在岩心夹持器(5)的进口管路和出口管路上分别设有阀门八(3-8)和阀门十一(3-11)，在液体增压泵(8)和岩心夹持器(5)环压的连接管路上设有阀门九(3-9)，在岩心夹持器(5)环压的出口管路上设有阀门十(3-10)。
2.根据权利要求1所述的一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，其特征是：所述的活塞搅拌容器(1)包括容器筒、活塞和搅拌器(2)，活塞置于容器筒内，其轴线与容器筒的轴线重合，搅拌器(2)与容器筒的下腔底部连接。
3.根据权利要求2所述的一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，其特征是：还包括备用的活塞搅拌容器(1)，两个活塞搅拌容器(1)的上腔和与平流泵(13)出口连通的管路并联连通，下腔和与岩心夹持器(5)轴向进口连通的管路并联连通；备用的活塞搅拌容器(1)的上腔进口管路上设有阀门五(3-5)，其下腔与压力传感器I(4)之间的连接管路上设有阀门六(3-6)。
4.根据权利要求3所述的一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，其特征是：在背压阀(14)和电磁流量计(16)之间的管路上设有压力传感器II(15)。
5.根据权利要求4所述的一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，其特征是：在两个活塞搅拌容器(1)下腔的底部分别设有连通大气的管路，在管路上分别设有阀门十二(3-12)和阀门十三(3-13)。
6.根据权利要求5所述的一种煤层气井排采产出煤粉运移模拟试验装置，其特征是：所述的阀门一(3-1)～阀门六(3-6)、阀门八(3-8)～阀门十三(3-13)为单向阀。
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