CN103132971A

CN103132971A - 注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置

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Publication number: CN103132971A
Application number: CN2013100763018A
Authority: CN
Inventors: 倪小明; 李全中; 王延斌; 刘晓; 李哲远
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: CN103132971B

Abstract

本发明公开了一种注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，包括用于模拟煤储层压力和温度状况的煤储层模拟系统、用于向煤储层模拟系统注入甲烷气体或氦气体的气体注入系统；用于向煤储层模拟系统注入高压液体、使煤储层模拟系统模拟裂隙发育程度，以及向煤储层模拟系统注入二氧化碳的压裂模拟注二氧化碳系统；用于吸收煤储层模拟系统排出的二氧化碳的二氧化碳吸收装置以及用于采集数据并进行过程控制的数据采集控制系统。本发明能够模拟煤储层真实条件，模拟现场压裂和泵注CO₂过程，针对不同裂隙发育程度煤体和不同煤储层条件，模拟注入不同CO₂量情况下的提高煤层气采收率效果，针对特定煤储层得出最优注CO₂量。

Description

注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，尤其涉及一种用来提高煤层甲烷采用率的测试模拟装置。

背景技术

煤层气作为一种新型、洁净能源，受到了人们广泛的关注。煤层气主要储藏在煤层中，我国煤储层低渗的特点决定了开发煤层气需要进行增透改造，水力压裂是目前煤储层改造的主要方式之一。随着煤层埋藏深度的加大，仅靠水力压裂工艺技术提高煤层气井的产能捉襟见肘，在温度、压力相同的情况，煤对二氧化碳气体的吸附能力要远远大于对甲烷的吸附能力，因此，人们开始尝试通过注二氧化碳气体或液体来提高煤层甲烷的采收率，在现场也进行了一些试验，但煤储层压力、储层裂隙发育程度、地质构造条件等的差异性，造成了目前现场注二氧化碳的技术都处于摸索阶段，而且什么样的储层注二氧化碳有效？什么样的储层注二氧化碳无效？什么样的储层注二氧化碳能更好地提高采收率？能提高多少采收率？注多少二氧化碳可以得到最高的采收率？对于这些问题，依靠本领域的现有技术不能给予比较客观的评价。工程的盲目性一方面造成了投资风险的增加，另一方面使人们无法客观的评价此种工艺的优劣。现场应用、现场推广都受到了很大限制。

为了更好地回答现场由于储层压力、煤层吸附能力、裂隙发育程度等造成的开发工艺的差异性，即什么样的储层采用什么样的泵注参数才能更好地提高煤层甲烷的采收率，亟需一种装置能模拟储层条件及泵注工艺，对不同情况下注二氧化碳提高甲烷的采收率进行测试，以便回答这些问题，从而减少工程的盲目性，为现场不同储层条件下泵注二氧化碳提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置。

为实现上述目的，本发明的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置包括如下系统和装置：用于模拟煤储层压力和温度状况的煤储层模拟系统；用于通过气体总管向煤储层模拟系统注入甲烷气体或氦气体的气体注入系统；用于通过压裂管路向煤储层模拟系统注入高压液体、使煤储层模拟系统模拟裂隙发育程度，以及向煤储层模拟系统注入二氧化碳的压裂模拟注二氧化碳系统；用于通过气体总管吸收煤储层模拟系统排出的二氧化碳的二氧化碳吸收装置以及用于采集数据并进行过程控制的数据采集控制系统。

所述煤储层模拟系统包括用以盛装煤样的煤样室、用以缓冲和储存气体的标准容器室、用以向煤样提供围压的液压稳压机、用以使煤样室和标准容器室保持恒温的温度控制器，以及用来对煤样室和标准容器室抽真空用的真空泵，煤样室与标准容器室之间设有连接阀门，液压稳压机通过液压管路与煤样室相连通；所述标准容器室顶部连接有标准容器管路，标准容器管路上设有标准容器压力传感器和标准容器阀门；所述煤样室顶部连接有压裂管路和煤样室管路，煤样室管路上设有煤样室压力传感器和煤样室注气阀门，煤样室注气阀门处的煤样室管路上设有流量传感计；所述气体注入系统包括甲烷高压气瓶、氦高压气瓶和第一空气压缩机；甲烷高压气瓶连接有甲烷出气管，甲烷出气管上设有甲烷出气阀门；氦高压气瓶连接有氦气出气管，氦气出气管上设有氦气出气阀门；所述压裂模拟注二氧化碳系统包括二氧化碳高压气瓶、压裂水箱、第二空气压缩机和增压器，所述二氧化碳高压气瓶、压裂水箱和第二空气压缩机均与所述增压器相连通，所述增压器与所述压裂管路相连通；所述增压器出口处的压裂管路上设有增压器出口阀门，所述煤样室进口处的压裂管路上设有煤样室压裂阀门；所述二氧化碳吸收装置内盛有氢氧化钙溶液，二氧化碳吸收装置顶部连通有排空管，排空管上设有干燥管、排空阀门和排空压力传感器；排空阀门处的排空管上设有流量传感计；所述气体注入系统、煤储层模拟系统和二氧化碳吸收装置之间设有所述的气体总管；所述甲烷出气管、氦气出气管、第一空气压缩机的出气管、标准容器管路和煤样室管路均与所述气体总管相连通；所述气体总管的末端通入二氧化碳吸收装置中的氢氧化钙溶液内；气体总管内的气体由前向后流动，所述标准容器管路后方的气体总管上设有第一吸收阀门，二氧化碳吸收装置前的气体总管上设有第二吸收阀门，第二吸收阀门前的气体总管上设有气相色谱仪；所述真空泵通过抽真空管路与煤储层模拟系统前的气体总管相连通；抽真空管路上设有真空泵阀门；数据采集控制系统包括电控装置，所述增压器、标准容器阀门、煤样室注气阀门、标准容器压力传感器、煤样室压力传感器、气相色谱仪、排空压力传感器以及所述各流量传感计均与电控装置相连接。

所述液压稳压机通过三根液压管路与煤样室相连通，分别为连通煤样室底部的中间液压管路和连通煤样室侧部的两根侧部液压管路。

所述二氧化碳吸收装置包括两个盛有氢氧化钙溶液的密闭容器，气体总管的末端通入第一密闭容器中的氢氧化钙溶液内，第一密闭容器的顶部连通有串联气路，串联气路通入第二密闭容器内的氢氧化钙溶液中，所述排空管连接在第二密闭容器的顶部。

所述伺服增压泵的排量为0.2－10cm³/min。

所述煤样室和标准容器室均设置在固定支架上。

所述煤样室连接有卸压管路，卸压管路上设有卸压阀门，卸压阀门出口下方设有接水箱。

所述增压器采用具有程序控制器的MTS伺服增压器。

本发明能够模拟煤储层真实条件，模拟现场压裂和泵注CO₂过程，针对不同裂隙发育程度煤体和不同煤储层条件，得出最优泵注参数。本发明能够通过改变向煤体中注入的CO₂量，模拟注入不同CO₂量情况下的提高煤层气采收率效果，针对特定煤储层得出最优注CO₂量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是图1中B处的放大图；

图4是图1中C处的放大图；

图5是图1中D处的放大图。

具体实施方式

图1至图5中粗线条所示为流体管路，与计算机相连的细线条所示为信号（控制）线路。

如图1至图5所示，本发明的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置包括如下系统和装置：

用于模拟煤储层压力和温度状况的煤储层模拟系统；

用于通过气体总管49向煤储层模拟系统注入甲烷气体或氦气体的气体注入系统；

用于通过压裂管路43向煤储层模拟系统注入高压液体、使煤储层模拟系统模拟裂隙发育程度，以及向煤储层模拟系统注入二氧化碳的压裂模拟注二氧化碳系统；

用于通过气体总管49吸收煤储层模拟系统排出的二氧化碳的二氧化碳吸收装置以及用于采集数据并进行过程控制的数据采集控制系统。

如图1、图3和图5所示，所述煤储层模拟系统包括用以盛装煤样的煤样室23、用以缓冲和储存气体的标准容器室20、用以向煤样提供围压的液压稳压机22、用以使煤样室23和标准容器室20保持恒温的温度控制器21，以及用来对煤样室23和标准容器室20抽真空用的真空泵26，煤样室23与标准容器室20之间设有连接阀门34，液压稳压机22通过液压管路与煤样室23相连通。

所述标准容器室20顶部连接有标准容器管路44，标准容器管路44上设有标准容器压力传感器16和标准容器阀门14；所述煤样室23顶部连接有压裂管路43和煤样室管路45，煤样室管路45上设有煤样室压力传感器17和煤样室注气阀门15，煤样室注气阀门15处的煤样室管路45上设有流量传感计，流量传感计为现有技术，图未示。

如图1和图2所示，所述气体注入系统包括甲烷高压气瓶1、氦高压气瓶2和第一空气压缩机5；甲烷高压气瓶1顶部连接有甲烷出气管46，甲烷出气管46上设有甲烷出气阀门3；氦高压气瓶2顶部连接有氦气出气管47，氦气出气管47上设有氦气出气阀门4。

如图1和图2所示，所述压裂模拟注二氧化碳系统包括二氧化碳高压气瓶6、压裂水箱8、第二空气压缩机9和增压器10，所述二氧化碳高压气瓶6、压裂水箱8和第二空气压缩机9均与所述增压器10相连通，所述增压器10与所述压裂管路43相连通；所述增压器10出口处的压裂管路43上设有增压器出口阀门11，所述煤样室23进口处的压裂管路43上设有煤样室压裂阀门12；

如图1和图4所示，所述二氧化碳吸收装置内盛有Ca（OH）₂（氢氧化钙）溶液，二氧化碳吸收装置顶部连通有排空管48，排空管48上设有干燥管30、排空阀门31和排空压力传感器32；排空阀门31处的排空管48上设有流量传感计，流量传感计为现有技术，图未示。

如图1至图5所示，所述气体注入系统、煤储层模拟系统和二氧化碳吸收装置之间设有气体总管49；所述甲烷出气管46、氦气出气管47、第一空气压缩机5的出气管、标准容器管路44和煤样室管路45均与所述气体总管49相连通；所述气体总管49的末端通入二氧化碳吸收装置中的氢氧化钙溶液内；气体总管49内的气体由前向后流动，所述标准容器管路44后方的气体总管49上设有第一吸收阀门13，二氧化碳吸收装置前的气体总管49上设有第二吸收阀门28，第二吸收阀门28前的气体总管49上设有气相色谱仪27；所述真空泵26通过抽真空管路50与煤储层模拟系统前的气体总管49相连通；抽真空管路50上设有真空泵阀门25。

如图1和图4所示，数据采集控制系统包括电控装置33（电控装置33最好采用计算机，也可以采用单片机、PLC等其他形式的电控装置），所述增压器10、标准容器阀门14、煤样室注气阀门15、标准容器压力传感器16、煤样室压力传感器17、气相色谱仪27、排空压力传感器32以及所述各流量传感计均与电控装置33相连接。

如图1和图3所示，所述液压稳压机22通过三根液压管路与煤样室23相连通，分别为连通煤样室23底部的中间液压管路41和连通煤样室23侧部的两根侧部液压管路42。使用时中间液压管路41为煤样室23提供纵向压力，侧部液压管路42为煤样室23提供四周压力。

如图1和图4所示，所述二氧化碳吸收装置包括两个盛有氢氧化钙溶液的密闭容器，气体总管49的末端通入第一密闭容器29A中的氢氧化钙溶液内，第一密闭容器29A的顶部连通有串联气路51，串联气路51通入第二密闭容器29B内的氢氧化钙溶液中，所述排空管48连接在第二密闭容器29B的顶部。

如图1和图3所示，所述煤样室23和标准容器室20均设置在固定支架24上。所述煤样室23连接有卸压管路52，卸压管路52上设有卸压阀门18，卸压阀门18出口下方设有接水箱19。

其中，所述伺服增压泵的排量为0.2－10cm³/min，所述增压器10采用具有程序控制器的MTS伺服增压器。

利用本发明进行实验测试的步骤如下：

（1）第一步骤是气密性检查

依照图1至图5连接各装置与管路，向本发明的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置中注入少量气体并进行压力测试，检查系统中各装置的气密性。

（2）第二步骤是注CH₄气体含气量测试

①在钻石机上加工制作长、宽、高分别为300mm×200mm×200mm煤样，并称量煤样质量，将煤样放于煤样室23内。

②调节温度控制器21，设定煤储层模拟系统温度，使其与煤储层温度相当，调节液压稳压机22，设定煤样上方压力和四周压力，以模拟煤储层所受围压。

③打开氦气出气阀门4和标准容器阀门14，使第一吸收阀门13保持关闭状态，向煤储层模拟系统中注入氦气，注入气体的压力比本次实验设计最高压力（即本次实验所要模拟的煤储层的压力）大20%，关闭氦气出气阀门4和标准容器阀门14，检查煤储层模拟系统的气密性。

④打开标准容器阀门14和真空泵阀门25，用真空泵26将煤样室23抽真空3小时，然后关闭标准容器阀门14和真空泵阀门25。

⑤打开甲烷出气阀门3，标准容器阀门14，向标准容器室20内注入甲烷（CH₄）气体，直到达到设定压力值（即所模拟煤储层的压力）左右，关闭甲烷高压气瓶1；待吸附平衡后，关闭煤样室23与标准容器室20之间的连接阀门34，设置程序，计算机采集系统自动采集吸附平衡压力p₁的数值。

⑥ 根据系统平衡压力，结合标准容器室20体积、煤样质量得出吸附平衡后的吸附量，绘制等温吸附曲线。

（3）压裂和注二氧化碳过程

①把煤样装入煤样室23后，依照上述第二步骤即注CH₄气体含气量测试中的方法，再次模拟煤储层压力和温度，设置其温度和压力。

②打开增压器出口阀门11和煤样室压裂阀门12，通过MTS伺服增压器10按照预先设计的泵注程序和排量向煤储层模拟系统注入液体（水），计算机采集装置实时记录压裂过程的压力P₂和排量等参数。

③ 在注入过程中，为了防止注入压力过高，液体无处流动，可以根据流量及压力情况打开卸压阀门18，使液体流出到接水箱19。

④依照上述第二步骤即注CH₄气体含气量测试中的方法，再次模拟煤储层压力和温度，设置其温度和压力，设置标准容器室20压力，使煤样室23压力与含气量测试中的压力相等。

⑤ 打开二氧化碳高压气瓶6阀门7、增压器出口阀门11和煤样室压裂阀门12，通过MTS伺服增压器10向煤储层系统注入二氧化碳气体，并实时记录二氧化碳注入量，直到煤样室23处的压力达到预设值P₂。

（4）二氧化碳提高采收率测试

① 通过计算机数据采集控制系统，设定煤样室23降压后的压力，关闭煤样室压裂阀门12，打开第一吸收阀门13、煤样室注气阀门15、第二吸收阀门28和排空阀门31，储层压力降低，混合气体解吸。当煤样室压力传感器17读数达到设定压力后，关闭第一吸收阀门13和煤样室注气阀门15（第一吸收阀门13和煤样室注气阀门15最好采用电磁阀并与作为电控装置33的计算机相连，以便实现自动控制），将煤样室压力传感器17测量的混合气体解吸后的平衡压力记录为P₃，气相色谱仪27测试解吸排出混合气体二氧化碳和甲烷的相对浓度，排空阀门31处的流量传感计记录排出的CH₄气体流量V₂，通过排空压力传感器32监控排空压力。

② 实验数据处理：

达到吸附平衡压力P₁时计算机采集系统测试吸附量为V₁，注二氧化碳后降压排出的混合气体经过处理除去二氧化碳后，剩余CH₄气体量V₂为采出的气体量。注二氧化碳后降压到P3。煤层气采收率=V₂/ V₁*100%。

对于同样条件的煤储层，在不同次的模拟试验中，P₂可以采用不同的数值如10MPa，以确定特定煤储层条件下，注入二氧化碳的量与煤层采收率的关系，从而指导工程实践，避免工程盲目性带来的损失。通过本发明得到最佳的二氧化碳泵注参数后，就可以用到实际的煤储层当中，通过向煤储层注入由本发明得到的适量二氧化碳得到最优的甲烷采收率。

Claims

1.注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：包括如下系统和装置：

用于模拟煤储层压力和温度状况的煤储层模拟系统；

用于通过气体总管（49）向煤储层模拟系统注入甲烷气体或氦气体的气体注入系统；

用于通过压裂管路（43）向煤储层模拟系统注入高压液体、使煤储层模拟系统模拟裂隙发育程度，以及向煤储层模拟系统注入二氧化碳的压裂模拟注二氧化碳系统；

用于通过气体总管（49）吸收煤储层模拟系统排出的二氧化碳的二氧化碳吸收装置以及用于采集数据并进行过程控制的数据采集控制系统。

2.根据权利要求1所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：

所述煤储层模拟系统包括用以盛装煤样的煤样室（23）、用以缓冲和储存气体的标准容器室（20）、用以向煤样提供围压的液压稳压机（22）、用以使煤样室（23）和标准容器室（20）保持恒温的温度控制器（21），以及用来对煤样室（23）和标准容器室（20）抽真空用的真空泵（26），煤样室（23）与标准容器室（20）之间设有连接阀门（34），液压稳压机（22）通过液压管路与煤样室（23）相连通；

所述标准容器室（20）顶部连接有标准容器管路（44），标准容器管路（44）上设有标准容器压力传感器（16）和标准容器阀门（14）；

所述煤样室（23）顶部连接有压裂管路（43）和煤样室管路（45），煤样室管路（45）上设有煤样室压力传感器（17）和煤样室注气阀门（15），煤样室注气阀门（15）处的煤样室管路（45）上设有流量传感计；

所述气体注入系统包括甲烷高压气瓶（1）、氦高压气瓶（2）和第一空气压缩机（5）；甲烷高压气瓶（1）连接有甲烷出气管（46），甲烷出气管（46）上设有甲烷出气阀门（3）；氦高压气瓶（2）连接有氦气出气管（47），氦气出气管（47）上设有氦气出气阀门（4）；

所述压裂模拟注二氧化碳系统包括二氧化碳高压气瓶（6）、压裂水箱（8）、第二空气压缩机（9）和增压器（10），所述二氧化碳高压气瓶（6）、压裂水箱（8）和第二空气压缩机（9）均与所述增压器（10）相连通，所述增压器（10）与所述压裂管路（43）相连通；所述增压器（10）出口处的压裂管路（43）上设有增压器出口阀门（11），所述煤样室（23）进口处的压裂管路（43）上设有煤样室压裂阀门（12）；

所述二氧化碳吸收装置内盛有氢氧化钙溶液，二氧化碳吸收装置顶部连通有排空管（48），排空管（48）上设有干燥管（30）、排空阀门（31）和排空压力传感器（32）；排空阀门（31）处的排空管（48）上设有流量传感计；

所述气体注入系统、煤储层模拟系统和二氧化碳吸收装置之间设有所述的气体总管（49）；所述甲烷出气管（46）、氦气出气管（47）、第一空气压缩机（5）的出气管、标准容器管路（44）和煤样室管路（45）均与所述气体总管（49）相连通；所述气体总管（49）的末端通入二氧化碳吸收装置中的氢氧化钙溶液内；气体总管（49）内的气体由前向后流动，所述标准容器管路（44）后方的气体总管（49）上设有第一吸收阀门（13），二氧化碳吸收装置前的气体总管（49）上设有第二吸收阀门（28），第二吸收阀门（28）前的气体总管（49）上设有气相色谱仪（27）；所述真空泵（26）通过抽真空管路（50）与煤储层模拟系统前的气体总管（49）相连通；抽真空管路（50）上设有真空泵阀门（25）；

数据采集控制系统包括电控装置（33），所述增压器（10）、标准容器阀门（14）、煤样室注气阀门（15）、标准容器压力传感器（16）、煤样室压力传感器（17）、气相色谱仪（27）、排空压力传感器（32）以及所述各流量传感计均与电控装置（33）相连接。

3.根据权利要求2所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：所述液压稳压机（22）通过三根液压管路与煤样室（23）相连通，分别为连通煤样室（23）底部的中间液压管路（41）和连通煤样室（23）侧部的两根侧部液压管路（42）。

4.根据权利要求3所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：所述二氧化碳吸收装置包括两个盛有氢氧化钙溶液的密闭容器，气体总管（49）的末端通入第一密闭容器（29A）中的氢氧化钙溶液内，第一密闭容器（29A）的顶部连通有串联气路（51），串联气路（51）通入第二密闭容器（29B）内的氢氧化钙溶液中，所述排空管（48）连接在第二密闭容器（29B）的顶部。

5.根据权利要求4所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：所述伺服增压泵的排量为0.2－10cm³/min。

6.根据权利要求5所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：所述煤样室（23）和标准容器室（20）均设置在固定支架（24）上。

7.根据权利要求6所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：所述煤样室（23）连接有卸压管路（52），卸压管路（52）上设有卸压阀门（18），卸压阀门（18）出口下方设有接水箱（19）。

8.根据权利要求2－7中任一项所述的注二氧化碳提高煤层甲烷采收率的测试模拟装置，其特征在于：所述增压器（10）采用具有程序控制器的MTS伺服增压器。