煤储层裂隙气、水导流能力动态变化模拟测试装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于
煤层气安全生产技术领域，尤其涉及一种煤储层裂隙气、水导流能力动态变化模拟测试装置。
背景技术
[0002]
煤层气主要以
吸附状态赋存在煤储层中，目前，地面煤层气主要是通过抽排煤储层中的水使煤储层的压力降低，煤层气
解吸产出。煤储层裂隙的大小、长度、不同长度、宽度的裂隙组合、煤层中水的流动距离、流动过程路径的选择等的差异性，都将影响着煤层气井排采时产出水的多少，而产出水的多少一定程度上又会影响煤层气井产气范围内压力的降低幅度，最终影响了煤层气井的产气量。
[0003] 煤储层是处于三维空间中的，水的产出，使煤储层中裂隙、煤基质所受的力增加，会引起煤储层裂隙的部分闭合，部分闭合的裂隙，导致煤储层裂隙导流能力发生变化。裂隙导流能力的变化，将影响着后续排采时煤层气井的产水量，最终影响了煤层气井的产气量。
[0004] 煤层气井排采时，一般经历着饱和水单相流阶段、非饱和水单相流阶段、气水两相流阶段等三个阶段。排采时，相态的变化导致影响煤层气井产气量的主要控因素的变化。当煤层气井的排采从仅排水到气、水同时排采时，气和水共享着煤储层裂隙通道，气产出量的多少、水流出的多少等的不同都将导致煤储层裂隙闭合程度的不同，这些也会影响煤层气井的产气量。
[0005] 综上可见，煤储层本身裂隙组合的复杂性、排采过程中水流动路径选择的多样性、气水耦合作用对裂隙影响的多变性，排采时水、气来源的差异性，都将引起煤层气井排采时裂隙导流能力的变化，最终影响了煤层气井的产气量。查明这些条件对煤层气井的影响是优化煤层气储层改造工艺技术、排采控制工作制度制定的
基础。但目前，还没有一种比较成熟的装置能对不同情况下排采过程中裂隙导流能力的变化进行动态监测。因此，亟需一种设备能对上述不同情况进行模拟，最终查明不同裂隙发育程度、不同产水、产气等情况下煤储层裂隙导流能力的变化及对煤层气井产气量的影响，以期为煤层气井储层改造工艺优化、排采工作制度制定提供理论依据。实用新型内容
[0006] 本实用新型要解决的为了解决
现有技术存在的不足和
缺陷，提供一种煤储层裂隙气、水导流能力动态变化模拟测试装置，该装置可真实模拟出煤层气排采过程中裂隙的变化导致的产水、产气的差异，以期为煤层气井储层改造工艺优化、排采工作制度制定提供理论依据。
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：煤储层裂隙气、水导流能力动态变化模拟测试装置，包括煤储层水、气供给系统，煤储层裂隙模拟系统，水、气分离测量系统和数据监测采集系统；煤储层水、气供给系统的出口与煤储层裂隙模拟系统的进口连接，煤储层裂隙模拟系统的出口与水、气分离测量系统连接；煤储层水、气供给系统，煤储层裂隙模拟系统，水、气分离测量系统分别与数据监测采集系统通过数据线24连接。
[0008] 所述煤储层水、气供给系统包括甲烷高压气瓶1、水箱2、第一水管21、第一气管22、气水混合器7和均流器8，甲烷高压气瓶1的出气口通过第一气管22与气水混合器7的进口连接，水箱2的出水口通过第一水管21与气水混合器7的进口连接，第一水管21上沿水流方向依次设有第一
阀门3a、注入
泵4和第一流量传感计6a，第一气管22上沿气流方向依次设有第二阀门3b、第一空气
压缩机5a和第二流量传感计6b，气水混合器7通过第一气水管23伸入到均流器8内，气水混合器7的进口处设有第五阀门3e，第一气水管23上设有第六阀门3f，第一气水管23的出口设有
喷嘴9，气水混合器7上设有第一压力传感计10a，均流器8上设有第二压力传感计10b，第一阀门3a、第二阀门3b、第五阀门3e、第一流量传感计6a、第二流量传感计6b、第一压力传感计10a和第二压力传感计10b分别通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0009] 所述第一水管21在第一流量传感计6a的出口处通过第二水管25与第一气水管23连接，第二水管25上设有第三阀门3c，第一气管22在第二流量传感计6b的出口处通过第二气管26与第一气水管23连接，第二气管26上设有第四阀门3d。
[0010] 所述煤储层裂隙模拟系统包括第二气水管27、底座14、支杆12、夹持机构15、固定机构13、裂隙管模具11和为裂隙管模具11外部提供围压的围压机构，第二气水管27两端分别与均流器8的出口和裂隙管模具11的进口连接，第二气水管27上设有第七阀门3g和第三压力传感计10c，支杆12垂直设在底座14上，裂隙管模具11通过夹持机构15设在支杆12上、固定机构13将相邻两个底座14固定连接为一体，第七阀门3g和第三压力传感计10c分别通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0011] 所述裂隙管模具11包括管体28，管体28呈直线状或弯曲状，管体28内设有与第二气水管27连接的裂隙管29，裂隙管29内填充有
支撑剂，管体28与裂隙管29之间构成的空腔与围压机构连接。
[0012] 所述围压机构包括氦气高压气瓶16和第三气管30，第三气管30的两端分别与氦气高压气瓶16的出气口和空腔连接，第三气管30上沿气流方向依次设有第八阀门3h、第二空气压缩机5b和第四压力传感计10d，第四压力传感计10d通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0013] 所述支杆12
自上而下设有插孔31，夹持机构15包括通过螺丝34可拆卸连接的第一夹持板32和第二夹持板33，第一夹持板32和第二夹持板33之间具有一排用于夹持裂隙管模具11的夹持孔35，第二夹持板33的两端设有伸入到插孔31内的插杆36。
[0014] 所述固定机构包括设在两个底座14最外侧的四根支杆12外部的两根螺杆37，两根螺杆37的相同一侧分别通过一
块穿设在螺杆37上的
压板38连接，螺杆37上设有用于紧固压板38的
螺母39。
[0015] 所述水、气分离测量系统包括第三气水管40、气水分离器17、气囊18和水瓶19，第三气水管40的两端分别与裂隙管模具11的出口和气水分离器17的进口连接，第三气水管40上设有第五压力传感计10e和第九阀门3i，气水分离器17的出气口与气囊18的进气口之间设有第四气管41，第四气管41上设有第三流量传感计6c和第十阀门3j，气水分离器
17的出水口与水瓶19的进水口之间设有第三水管42，第三水管42上设有第四流量传感计
6d和第十一阀门3k，第五压力传感计10e、第三流量传感计6c和第四流量传感计6d分别通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0016] 所述数据监测采集系统为安装有数据监测采集分析
软件的计算机20。
[0017] 本实用新型中的煤储层水、气供给系统的作用是模拟煤层气井排采时煤储层及围岩中排出的水和气体，向煤储层裂隙模拟系统中提供水和气体。煤储层裂隙模拟系统能够模拟储层中不同大小、不同长度、不同方向、不同填充段等裂隙组合条件下的煤岩裂隙形态。水、气分离测量系统的作用是将裂隙管模具中流出的水和气体进行分离，并测试出裂隙管中气和水的流量。数据监测采集系统主要一台安装有
数据采集软件的计算机组成，主要作用是将各个系统中实时记录的压力、流量、时间等数据传输到计算机，根据数据能进行分析，得出不同情况下裂隙导流能力的变化。
[0018] 本实用新型克服了煤储层本身裂隙形态的多样性、煤层气井排采过程中裂隙变化的复杂性等导致无法准确得到这些变化对煤层气井的产气贡献及影响的问题。本实用新型能够模拟煤储层所受
应力状态，对不同围压、不同排采阶段、不同裂隙长度、裂隙宽度、裂隙组合下煤储层裂隙导流能力的变化进行比较准确的测试，为煤层气井排采工作制度提供理论依据。模拟煤层气井的排采过程，能对煤层气井排采过程中煤层中水、气在不同裂隙组合、不同压力等条件下的路径选择进行判识，为研究煤层气井产气机理提供理论支撑。
附图说明
[0019] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0020] 图2是本实用新型中裂隙管模具的
实施例一的结构示意图；
[0021] 图3是本实用新型中裂隙管模具的实施例二的结构示意图；
[0022] 图4是本实用新型中裂隙管的实施例一的结构示意图；
[0023] 图5是本实用新型中裂隙管的实施例二的结构示意图；
[0024] 图6是本实用新型中夹持机构的结构示意图；
[0025] 图7是本实用新型
中底座、支杆和固定机构13的结构示意图；
[0026] 图8是图7中底座和支杆的A-A向视图；
[0027] 图9是图7的俯视图。
具体实施方式
[0028] 如图1～图9所示，本实用新型的煤储层裂隙气、水导流能力动态变化模拟测试装置，包括煤储层水、气供给系统，煤储层裂隙模拟系统，水、气分离测量系统和数据监测采集系统；煤储层水、气供给系统的出口与煤储层裂隙模拟系统的进口连接，煤储层裂隙模拟系统的出口与水、气分离测量系统连接；煤储层水、气供给系统，煤储层裂隙模拟系统，水、气分离测量系统分别与数据监测采集系统通过数据线24（图1中的虚线）连接。
[0029] 煤储层水、气供给系统包括甲烷高压气瓶1、水箱2、第一水管21、第一气管22、气水混合器7和均流器8，甲烷高压气瓶1的出气口通过第一气管22与气水混合器7的进口连接，水箱2的出水口通过第一水管21与气水混合器7的进口连接，第一水管21上沿水流方向依次设有第一阀门3a、注入泵4和第一流量传感计6a，第一气管22上沿气流方向依次设有第二阀门3b、第一空气压缩机5a和第二流量传感计6b，气水混合器7通过第一气水管23伸入到均流器8内，气水混合器7的进口处设有第五阀门3e，第一气水管23上设有第六阀门3f，第一气水管23的出口设有喷嘴9，气水混合器7上设有第一压力传感计10a，均流器8上设有第二压力传感计10b，第一阀门3a、第二阀门3b、第五阀门3e、第一流量传感计
6a、第二流量传感计6b、第一压力传感计10a和第二压力传感计10b分别通过所述数据线
24与数据监测采集系统连接。
[0030] 第一水管21在第一流量传感计6a的出口处通过第二水管25与第一气水管23连接，第二水管25上设有第三阀门3c，第一气管22在第二流量传感计6b的出口处通过第二气管26与第一气水管23连接，第二气管26上设有第四阀门3d。这样可以使水或甲烷气体不通过气水混合器7直接进入到均流器8中。
[0031] 煤储层水、气供给系统主要用来向煤储层裂隙模拟系统中提供不同流量，不同压力、不同流速条件下的水和气体。
[0032] 甲烷高压气瓶1主要用来提供甲烷气体；水箱2用来提供水源，水箱2是长方体，长、宽、高分别为2m×1m×1m；第一空气压缩机5a和注入泵4分别将甲烷高压气瓶1中的气体和水箱2中的水注入气水混合器7。气水混合器7主要将第一气管22和第一水管21进入的
流体混合均匀。
[0033] 均流器8为自行设计的简易装置，为长方体形状，长宽高分别为300mm×200mm×200mm，进口在均流器8的上部正中间
位置，在均流器8内部进口处安装有喷嘴9，喷嘴9底部为长方形，大小为180mm×60mm，喷嘴9的作用主要是将进入到均流器
8的流体喷洒在均流器8的下部，出口在均流器8下部的正中间位置，出口孔呈两排，共10个，可以连接10个裂隙管模具，出口孔间的距离为30mm，孔径大小为15mm，均流器8上安装有第二压力传感计10b，能够测试得出均流器8内部的压力，均流器8的主要作用是将水、气流体均匀分配到每个裂隙管模具11中。
[0034] 煤储层裂隙模拟系统包括第二气水管27、底座14、支杆12、夹持机构15、固定机构13、裂隙管模具11和为裂隙管模具11外部提供围压的围压机构，第二气水管27两端分别与均流器8的出口和裂隙管模具11的进口连接，第二气水管27上设有第七阀门3g和第三压力传感计10c，支杆12垂直设在底座14上，裂隙管模具11通过夹持机构15设在支杆12上、固定机构13将相邻两个底座14固定连接为一体，第七阀门3g和第三压力传感计10c分别通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0035] 裂隙管模具11包括管体28，管体28呈直线状或弯曲状，管体28内设有与第二气水管27连接的裂隙管29，裂隙管29内填充有支撑剂，支撑剂由
石英砂、核桃壳、玻璃球等组成，管体28与裂隙管29之间构成的空腔与围压机构连接。
[0036] 围压机构包括氦气高压气瓶16和第三气管30，第三气管30的两端分别与氦气高压气瓶16的出气口和空腔连接，第三气管30上沿气流方向依次设有第八阀门3h、第二空气压缩机5b和第四压力传感计10d，第四压力传感计10d通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0037] 支杆12自上而下设有插孔31，夹持机构15包括通过螺丝34可拆卸连接的第一夹持板32和第二夹持板33，第一夹持板32和第二夹持板33之间具有一排用于夹持裂隙管模具11的夹持孔35，第二夹持板33的两端设有伸入到插孔31内的插杆36。
[0038] 固定机构包括设在两个底座14最外侧的四根支杆12外部的两根螺杆37，两根螺杆37的相同一侧分别通过一块穿设在螺杆37上的压板38连接，螺杆37上设有用于紧固压板38的螺母39。
[0039] 煤储层裂隙模拟系统主要用来模拟真实储层条件下不同方向、不同长度、不同大小裂隙组合条件下的煤岩裂隙。
[0040] 裂隙管模具11由管体28和裂隙管29等组成。裂隙管模具11的管体28由有机玻璃材料制成，有机玻璃具有耐高压的特点，
弹性模量3第一夹持板32Pa左右，与煤的弹性模量相近，管体28直径为30mm，长度有100mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm不同的规格，如图2为直线型的裂隙管模具11，同时为了模拟弯曲的裂隙，一些管体28弯曲30°、45°、60°、90°等不同的
角度，如图3所示为弯曲型的裂隙管模具11，管体28壁厚均为10mm，管体28
侧壁上端有一个孔径为5mm的圆孔，圆孔与围压相连接，可以通过圆孔向管体28和裂隙管29之间的空腔内注入气体，利用气体的压力来模拟裂隙管29外部的压力；裂隙管29在管体28中均匀布置，每个裂隙管模具11中有16个相同孔径和长度的裂隙管29，裂隙管模具11中布置16个裂隙管29的原因是：当裂隙管29的孔径较小时，裂隙管29内的流体流量也较小，单个裂隙管29的流体流量使用流量传感计不容易测试，所以裂隙管模具11中布置16个相同的裂隙管29，通过测试整个裂隙管模具11中的流量来得出单个裂隙管29的流量，管体28的进口端和出口端都有一个带有16个孔的圆环，圆环在管体28的内部，裂隙管29穿设在圆环的孔中连接为一体，进入管体28的流体然后在进入到16个裂隙管29中。
裂隙管模具11进口和出口分别安装有第三压力传感计10c和第四压力传感计10d，能够监测裂隙管模具11进口和出口的压力，并传输到数据监测采集系统。
[0041] 裂隙管29也由有机玻璃材料制成，设在管体28内部。裂隙管29壁厚均为2mm，一些裂隙管29的孔径相同（如图4所示），孔径分别有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm不同的规格，一些裂隙管29内部的孔径是变化的（如图5所示），可以由两种或多种不同孔径的裂隙管29按照不同的长度比例组合在一起，但是裂隙管29的总长度不变，裂隙管29总长度分别有80mm、180mm、280mm、380mm、480mm、580mm不同的规格。
与管体28相对应，一些裂隙管29也是弯曲的，分别弯曲30°、45°、60°、90°等不同的角度，与管体28组合在一起，来模拟弯曲的裂隙。裂隙管29的内径大小可以用来模拟煤岩裂隙的张开度，同一个裂隙管29的孔径变化来模拟裂隙张开度的变化，裂隙管29的弯曲来模拟一条裂隙走向的变化，裂隙管29的长短用来模拟裂隙的长度，不同的裂隙管模具11通过固定机构组合在一起，可以模拟整个煤岩
裂隙网络。裂隙管29内可以放置石英砂或核桃壳或玻璃球等支撑剂，来模拟不同的支撑剂对煤岩裂隙的支撑作用。
[0042] 第二空气压缩机5b主要用来向管体28和裂隙管29之间的空腔内注入气体，利用注入的气体压力作为裂隙管29外部的压力，用来模拟裂隙外部的围压。
[0043] 底座14、支杆12、夹持机构15和固定机构13的作用是将不同大小长度的裂隙管模具11按照不同的角度固定在一起。
[0044] 底座14为长方体
钢板，长宽高分别为600mm×100mm×10mm，底座14正中间布置一排支杆12，共5个，支杆12垂直
焊接在底座14上，两个支杆12之间的距离为100mm，支杆12为外径20mm，壁厚5mm的钢管，支杆12长为700mm，支杆12一侧的管壁上每隔25mm就有一个孔径12mm的插孔31，可以将第二夹持板33的两端的插杆36插在不同支杆12的插孔
31内。
[0045] 夹持机构15主要由第一夹持板32和第二夹持板33两部分组成，如图6所示，夹持机构15能够将裂隙管模具11固定在第一夹持板32和第二夹持板33之间的夹持孔35中，第一夹持板32和第二夹持板33通过螺丝34固定在一起，第一夹持板32为长为550mm、宽为20mm、厚为5mm的钢片，钢片上每隔50mm有一个夹口，两个夹口中间有直径为5mm的孔；第二夹持板33中间部分与第一夹持板32相同，两端分别焊接有长为30mm，直径为10mm的插杆36，插杆36可以插在支杆12上直径12mm的插孔31内。通过第一夹持板32和第二夹持板33之间的直径为5mm的孔，用螺丝34将第一夹持板32部分和第二夹持板33部分通过固定在一起，将一个或多个裂隙管模具11放在夹持孔35中，从而与夹持机构15固定在一起。一般情况下，裂隙管模具11需要两个夹持机构15固定，然后将不同夹持机构15两端可以插在不同底座14上支杆12的孔眼里，通过将第二夹持板33的两端的插杆36插在不同的插孔31里来调整裂隙管模具11的角度。
[0046] 固定机构13主要作用是将两个底座14固定在一起，主要由两片压板38和两条螺杆37组成，压板38长为600mm，宽为20mm，厚为10mm，压板38两端50mm处有一个孔径为12mm的孔；螺杆37长为600mm，直径为10mm，螺杆37上有
螺纹，用两片压板38将两个底座
14夹在中间，两个螺杆37分别插在压板38两端的插口里，通过螺母39紧固。
[0047] 水、气分离测量系统包括第三气水管40、气水分离器17、气囊18和水瓶19，第三气水管40的两端分别与裂隙管模具11的出口和气水分离器17的进口连接，第三气水管40上设有第五压力传感计10e和第九阀门3i，气水分离器17的出气口与气囊18的进气口之间设有第四气管41，第四气管41上设有第三流量传感计6c和第十阀门3j，气水分离器17的出水口与水瓶19的进水口之间设有第三水管42，第三水管42上设有第四流量传感计6d和第十一阀门3k，第五压力传感计10e、第三流量传感计6c和第四流量传感计6d分别通过所述数据线24与数据监测采集系统连接。
[0048] 水气分离测量系统的作用是将裂隙管模具11流出的水气分离，并测试得出气和水的流量。气水分离器17主要作用是将裂隙管模具11中产出的气水分离。第三流量传感计6c和第四流量传感计6d分别安装在气水分离后的第四气管41和第三水管42上，用来测量气水分离后气和水的流量。气囊18用来接收产出的气体，水瓶19用来接收产出的水。
[0049] 数据监测采集系统主要由一台安装有数据监测采集分析软件的计算机20组成。
[0050] 计算机20与各系统中的一些压力
传感器、流量传感器相连接，主要作用是将实时记录的压力、流量、时间等数据采集到数据监测采集系统中，一方面能够对采集到的数据进行在线实时显示，一方面能够将采集到的数据进行分析处理，分析计算得出单个裂隙以及整个储层裂隙网络产水产气能力以及产水产气能力的变化。
[0051] 本实用新型在工作使用时，可以按照以下实验步骤进行：
[0052] （1）连接实验装置
[0053] 根据实验设置，选择不同裂隙管孔径，不同长度、不同弯曲度的裂隙管模具11，并将支撑剂（石英砂、核桃壳、玻璃球）放入裂隙管模具11的裂隙管29中，将不同的裂隙管模具11调整成不同的角度（图1中画出了只有一种裂隙管模具11时的示意图），通过底座14、支杆12、夹持机构15和固定机构13将裂隙管模具11固定起来。按照实验装置示意图1，将系统各部分连接组装起来。
[0054] （2）气密性检查
[0055] 对连接后的实验装置的气密性进行检查。
[0056] （3）实验测试
[0057] a.初始裂隙导流能力测试
[0058] 设置裂隙管模具11的气压，用来模拟真实储层所受的应力。然后通入高压氦气，通过测试流量和压力，对每根裂隙管29的导流能力进行计算。计算公式为：
[0059]
[0060] 式中：K气为气相渗透率，m2； P1为进口压力，MPa；P2为出口压力，此处可记为大气3
压力，0.101MPa，Q气为气体流量，m/s；μ气为气体
粘度，mPa·s； L为裂隙管长度，m；A 为裂
2
隙管横截面积，m。
[0061] b. 初始水相渗透率测试通过泵注入一定压力的液体，测试其流量和压力，利用下面的公式得出水相渗透率。
[0062]
[0063] 式中： K水为水相渗透率，mD；P1为进口压力，MPa；P2为出口压力，此处可记为大气3
压力，0.101MPa；Q水为水的流量，m/s；μ水为水的粘度，mPa·s；L为裂隙管长度，m；A 为裂
2
隙管横截面积，m。
[0064] c. 不同气、水压力下气水混合相渗透率测试
[0065] 把气、水混合，通过设置压力，得出气、水混合相下气相相对渗透率和水相相对渗透率。
[0066] d. 排采过程中饱和水阶段裂隙导流能力测试
[0067] 通过设置不同的围压来模拟饱和水过程中储层所受有效应力的变化，对不同围压下水相渗透率进行测试。测试方法与前面一样
[0068] e. 排采过程中气、水两相流阶段裂隙导流能力测试
[0069] 通过设置不同的围压和气、水混合压力和流量，来模拟排采过程中产气量和产水量的变化，并进行不同围压、不同气、水混合压力和不同流量下的渗透率测试，得出排采过程中气、水两相流阶段裂隙导流能力的变化。
[0070] 具体测试为，先打开氦气高压气瓶16的第八阀门3h，通过第二空气压缩机5b向裂隙管模具11中裂隙管29的外部注入高压气体，充当裂隙管29外部的围压，不同的裂隙管模具11中注入的气体压力相同，当达到设计压力时，停止注入。
[0071] 然后通过计算机20，打开水箱2的第一阀门3a、甲烷高压气瓶1的第二阀门3b和气水混合气前端第五阀门3e，通过第一气管22和第一水管21向气水混合器7中注入一定体积气体和水，当气水混合器7中压力达到设计压力时，关闭上述阀门，停止注入。
[0072] 接着，打开气囊18前部的第十阀门3j、水瓶19前部的第九阀门3i、裂隙管模具11的第七阀门3g和均流器8前部的第六阀门3f，开始进行实验测试。
[0073] 然后再设置不同的围压，重复上述步骤，直到达到测试的数据为止。
[0074] f．不同裂隙组合下的导流能力测试
[0075] 可以改变裂隙管29的组合，或在裂隙管29中加入不同粒度的支撑剂，形成不同的裂隙组合，重复上述过程进行测试。
[0076] （4）实验结果处理
[0077] 根据采集的数据，进行分析处理，计算得出单个裂隙和整个裂隙网络在不同围压、不同产气量、不同产水量、不同排采阶段的裂隙导流能力的变化。
[0079] 测试完成后，拆除并整理各部分实验装置。
