CN104564125B - 软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置及实验方法 - Google Patents

软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置，包括软煤储层模拟系统、高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统，本发明首先制备与实际软煤储层的煤样粒度及顶板相似的模拟系统，通过高压注气建立软煤与瓦斯平衡系统，在相同的条件下分别采用水力压裂系统和爆破控制系统对软煤的顶板进行强化，依据数据采集记录系统对两种强化措施进行分析，对比两种强化增透方法对软煤储层的瓦斯抽采效果。本发明便于操作、经济实用、安全可靠、结构紧凑、易于组装、实用性强、结合测试系统多、测试时间短，能够很好的模拟研究水力压裂和爆破这两种增透方式对于软煤的增透效果，为寻求适合软煤的增透方式提供很好的实验支撑。

Description

软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置及实验方法
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采和煤层气地面开采技术领域，尤其涉及一种软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置及实验方法。
背景技术
我国煤层经历了多期地质构造运动，煤的原生结构逐渐被破坏，形成了碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构等不同的构造煤，其中碎粒煤和糜棱煤俗称“软煤”，同时也是煤与瓦斯突出重灾区，故又称为“突出煤”，该类煤的主要特点是瓦斯含量高、煤粒度小、残余力学强度低、渗透率低、水敏性强。煤矿井下瓦斯治理中，常采用密集钻孔或者保护层等高额经济投入换取有限的抽采率。地面煤层气开发主要是采用水力压裂技术，但软煤存在的水敏与支撑剂嵌入伤害抵消了水力强化效果，因此还鲜有在软煤发育区成功的先例，也被称为煤层气开发的禁区。目前不论是地面煤层气开发还是井下瓦斯治理，虽然采取了多种强化增透技术，如水力压裂和裸眼洞穴等，但对于构造破坏严重的软煤还没有相应有效的技术手段。本实验装置针对此问题，避开软煤本身，设计了一套从煤层顶板进行间接强化，并对比水力压裂和爆破两种常用措施的抽采效果，探索一种适合软煤储层的瓦斯强化抽采技术。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种便于操作、经济实用、安全可靠的软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置及实验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置，包括软煤储层模拟系统、高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统；
所述的软煤储层模拟系统包括箱体17，箱体17内盛装有与软煤层粒度相同的煤粉12，煤粉12上表面设有模拟的煤层顶板的不同类型岩石试样13；
所述的数据采集记录系统由计算机11、水力/爆破压力监测系统和瓦斯抽采流量监测系统组成，水力/爆破压力监测系统包括第一压力表4和压力接收器15；瓦斯抽采流量监测系统包括瓦斯抽采流量表6、瓦斯抽采流量控制阀9和流量接收器16，计算机11分别连接有第一数据信号线22和第二数据信号线23，第一压力表4和压力接收器15设在第一数据信号线22上，压力接收器15位于第一压力表4和计算机11之间，瓦斯抽采流量表6和流量接收器16设在第二数据信号线23上，流量接收器16位于瓦斯抽采流量表6和计算机11之间，瓦斯抽采流量表6与箱体17顶部之间设有瓦斯溢出管24，瓦斯抽采流量控制阀9设在瓦斯溢出管24上；
所述的高压注气平衡系统包括气瓶10、第二压力表5、气体阀门8和气体加压泵3，气瓶10的出气口通过第一高压气管18与气体加压泵3的进气口连接，气体加压泵3的出气口连接有穿过箱体17并伸入到煤粉12内的第二高压气管19，第二压力表5和气体阀门8沿气流方向设在第二高压气管19上；
所述的水力压裂系统包括水箱1、高压水泵2和进水控制阀7，水箱1的出口通过第一高压水管20与高压水泵2的进口连接，高压水泵2与箱体17之间设有第二高压水管21，进水控制阀7和第一压力表4沿水流方向顺次设在第二高压水管21上；
所述的爆破控制系统包括兼顾爆破控制和填装炸药功能的爆破控制器14，爆破控制器14设在箱体17顶部。
软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置的实验方法，包括以下步骤：
（1）、在箱体17内装入模拟软煤储层的煤粉12，在煤粉12上方铺设不同类型的岩石试样13模拟软煤的顶板，并连接上高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统；
（2）、打开气瓶10、气体阀门8和气体加压泵3将甲烷气体注入软煤层，并通过第二压力表5记录进气压力，用计时工具记录进气时间，注气完成后，关闭气瓶10和气体加压泵3，进气结束之后，静置一段时间之后完成注气平衡；
（3）、注气平衡之后，打开进水控制阀7和高压水泵2，向箱体17内部注入高压水，然后结合第一压力表４、压力接收器15和计算机11观察压力数据变化，判断是否将煤层的模拟顶板压裂；
（4）、压裂完成后，关闭进水控制阀7和高压水泵2，打开瓦斯抽采流量控制阀9，通过瓦斯抽采流量表6、流量接收器16和计算机11实时监测水力压裂后的瓦斯抽采量变化，并在计算机11上绘制瓦斯抽采流量数据曲线；
（5）、数据记录完成之后，将箱体17内煤粉12和岩石试样13移除，重复步骤1和2；
（6）、注气平衡完成之后，关闭进水控制阀7打开爆破控制器14装入定量炸药，通过爆破控制器14引爆箱体17内预置炸药，结合第一压力表4、压力接收器15和计算机11观察爆破过程中压力数据变化；
（7）、爆破完成之后，打开瓦斯抽采流量控制阀9，通过瓦斯抽采流量表6、流量接收器16和计算机11实时监测爆破后的瓦斯抽采量变化，并在计算机上绘制瓦斯抽采流量数据曲线；
（8）、实验结束，清理现场回收材料，对比两次流量数据曲线，验证强化抽采模拟效果。
所述水力压裂系统和爆破控制系统是两个独立的系统，每次进行作业时只能对煤层进行一个系统测试，且两个系统测试的软煤模拟储层以及注气的压力、时间和注气之后的平衡时间完全相同，测试结束之后通过计算机11保留数据，然后更换软煤再进行另外一个系统测试，测试完之后同样保留数据，测试结束之后，两个测试系统数据对比分析得出强化抽采的模拟效果。
采用上述技术方案，本发明提供了一种软煤储层瓦斯强化抽采的对比实验装置，实现了在同一个装置上面对于软煤的两个增透方式的模拟，并且可以对比出增透后的抽采效果，为寻求适合软煤的增透方式提供依据。本发明首先制备与实际软煤储层的煤样粒度及顶板相似的模拟系统，通过高压注气建立软煤与瓦斯平衡系统，在相同的条件下分别采用水力压裂系统和爆破控制系统对软煤的顶板进行强化，依据数据采集记录系统对两种强化措施进行分析，对比两种强化增透方法对软煤储层的瓦斯抽采效果。
本发明便于操作、经济实用、安全可靠、结构紧凑、易于组装、实用性强、结合测试系统多、测试时间短，能够很好的模拟研究水力压裂和爆破这两种增透方式对于软煤的增透效果，为寻求适合软煤的增透方式提供很好的实验支撑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置，包括软煤储层模拟系统、高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统。
软煤储层模拟系统包括箱体17，箱体17内盛装有与软煤层粒度相同的煤粉12，煤粉12上表面设有模拟的煤层顶板的不同类型岩石试样13。
数据采集记录系统由计算机11、水力/爆破压力监测系统和瓦斯抽采流量监测系统组成，水力/爆破压力监测系统包括第一压力表4和压力接收器15；瓦斯抽采流量监测系统包括瓦斯抽采流量表6、瓦斯抽采流量控制阀9和流量接收器16，计算机11分别连接有第一数据信号线22和第二数据信号线23，第一压力表4和压力接收器15设在第一数据信号线22上，压力接收器15位于第一压力表4和计算机11之间，瓦斯抽采流量表6和流量接收器16设在第二数据信号线23上，流量接收器16位于瓦斯抽采流量表6和计算机11之间，瓦斯抽采流量表6与箱体17顶部之间设有瓦斯溢出管24，瓦斯抽采流量控制阀9设在瓦斯溢出管24上。
高压注气平衡系统包括气瓶10、第二压力表5、气体阀门8和气体加压泵3，气瓶10的出气口通过第一高压气管18与气体加压泵3的进气口连接，气体加压泵3的出气口连接有穿过箱体17并伸入到煤粉12内的第二高压气管19，第二压力表5和气体阀门8沿气流方向设在第二高压气管19上。
水力压裂系统包括水箱1、高压水泵2和进水控制阀7，水箱1的出口通过第一高压水管20与高压水泵2的进口连接，高压水泵2的与箱体17之间设有第二高压水管21，进水控制阀7和第一压力表4沿水流方向顺次设在第二高压水管21上。
爆破控制系统包括兼顾爆破控制和填装炸药功能的爆破控制器14，爆破控制器14设在箱体17顶部。
软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置的实验方法，包括以下步骤：
（1）、在箱体17内装入模拟软煤储层的煤粉12，在煤粉12上方铺设不同类型的岩石试样13模拟软煤的顶板，并连接上高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统；
（2）、打开气瓶10、气体阀门8和气体加压泵3将甲烷气体注入软煤层，并通过第二压力表5记录进气压力，用计时工具记录进气时间，注气完成后，关闭气瓶10和气体加压泵3，进气结束之后，静置一段时间之后完成注气平衡；
（3）、注气平衡之后，打开进水控制阀7和高压水泵2，向箱体17内部注入高压水，然后结合第一压力表４、压力接收器15和计算机11观察压力数据变化，判断是否将煤层的模拟顶板压裂；
（4）、压裂完成后，关闭进水控制阀7和高压水泵2，打开瓦斯抽采流量控制阀9，通过瓦斯抽采流量表6、流量接收器16和计算机11实时监测水力压裂后的瓦斯抽采量变化，并在计算机11上绘制瓦斯抽采流量数据曲线；
（5）、数据记录完成之后，将箱体17内煤粉12和岩石试样13移除，重复步骤1和2；
（6）、注气平衡完成之后，关闭进水控制阀7打开爆破控制器14装入定量炸药，通过爆破控制器14引爆箱体17内预置炸药，结合第一压力表4、压力接收器15和计算机11观察爆破过程中压力数据变化；
（7）、爆破完成之后，打开瓦斯抽采流量控制阀9，通过瓦斯抽采流量表6、流量接收器16和计算机11实时监测爆破后的瓦斯抽采量变化，并在计算机上绘制瓦斯抽采流量数据曲线；
（8）、实验结束，清理现场回收材料，对比两次流量数据曲线，验证强化抽采模拟效果。
水力压裂系统和爆破控制系统是两个独立的系统，每次进行作业时只能对煤层进行一个系统测试，且两个系统测试的软煤模拟储层以及注气的压力、时间和注气之后的平衡时间完全相同，测试结束之后通过计算机11保留数据，然后更换软煤再进行另外一个系统测试，测试完之后同样保留数据，测试结束之后，两个测试系统数据对比分析得出强化抽采的模拟效果。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置，其特征在于：包括软煤储层模拟系统、高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统；
所述的软煤储层模拟系统包括箱体（17），箱体（17）内盛装有与软煤层粒度相同的煤粉（12），煤粉（12）上表面设有模拟的煤层顶板的不同类型岩石试样（13）；
所述的数据采集记录系统由计算机（11）、水力/爆破压力监测系统和瓦斯抽采流量监测系统组成，水力/爆破压力监测系统包括第一压力表（4）和压力接收器（15）；瓦斯抽采流量监测系统包括瓦斯抽采流量表（6）、瓦斯抽采流量控制阀（9）和流量接收器（16），计算机（11）分别连接有第一数据信号线（22）和第二数据信号线（23），第一压力表（4）和压力接收器（15）设在第一数据信号线（22）上，压力接收器（15）位于第一压力表（4）和计算机（11）之间，瓦斯抽采流量表（6）和流量接收器（16）设在第二数据信号线（23）上，流量接收器（16）位于瓦斯抽采流量表（6）和计算机（11）之间，瓦斯抽采流量表（6）与箱体（17）顶部之间设有瓦斯溢出管（24），瓦斯抽采流量控制阀（9）设在瓦斯溢出管（24）上；
所述的高压注气平衡系统包括气瓶（10）、第二压力表（5）、气体阀门（8）和气体加压泵（3），气瓶（10）的出气口通过第一高压气管（18）与气体加压泵（3）的进气口连接，气体加压泵（3）的出气口连接有穿过箱体（17）并伸入到煤粉（12）内的第二高压气管（19），第二压力表（5）和气体阀门（8）沿气流方向设在第二高压气管（19）上；
所述的水力压裂系统包括水箱（1）、高压水泵（2）和进水控制阀（7），水箱（1）的出口通过第一高压水管（20）与高压水泵（2）的进口连接，高压水泵（2）与箱体（17）之间设有第二高压水管（21），进水控制阀（7）和第一压力表（4）沿水流方向顺次设在第二高压水管（21）上；
所述的爆破控制系统包括兼顾爆破控制和填装炸药功能的爆破控制器（14），爆破控制器（14）设在箱体（17）顶部。
2.根据权利要求1所述的软煤储层瓦斯强化抽采对比实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、在箱体（17）内装入模拟软煤储层的煤粉（12），在煤粉（12）上方铺设不同类型的岩石试样（13）模拟软煤的顶板，并连接上高压注气平衡系统、水力压裂系统、爆破控制系统和数据采集记录系统；
（2）、打开气瓶（10）、气体阀门（8）和气体加压泵（3）将甲烷气体注入软煤层，并通过第二压力表（5）记录进气压力，用计时工具记录进气时间，注气完成后，关闭气瓶（10）和气体加压泵（3），进气结束之后，静置一段时间之后完成注气平衡；
（3）、注气平衡之后，打开进水控制阀（7）和高压水泵（2），向箱体（17）内部注入高压水，然后结合第一压力表（４）、压力接收器（15）和计算机（11）观察压力数据变化，判断是否将煤层的模拟顶板压裂；
（4）、压裂完成后，关闭进水控制阀（7）和高压水泵（2），打开瓦斯抽采流量控制阀（9），通过瓦斯抽采流量表（6）、流量接收器（16）和计算机（11）实时监测水力压裂后的瓦斯抽采量变化，并在计算机（11）上绘制瓦斯抽采流量数据曲线；
（5）、数据记录完成之后，将箱体（17）内煤粉（12）和岩石试样（13）移除，重复步骤（1）和（2）；
（6）、注气平衡完成之后，关闭进水控制阀（7）打开爆破控制器（14）装入定量炸药，通过爆破控制器（14）引爆箱体（17）内预置炸药，结合第一压力表（4）、压力接收器（15）和计算机（11）观察爆破过程中压力数据变化；
（7）、爆破完成之后，打开瓦斯抽采流量控制阀（9），通过瓦斯抽采流量表（6）、流量接收器（16）和计算机（11）实时监测爆破后的瓦斯抽采量变化，并在计算机上绘制瓦斯抽采流量数据曲线；
（8）、实验结束，清理现场回收材料，对比两次流量数据曲线，验证强化抽采模拟效果。
3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征在于：所述水力压裂系统和爆破控制系统是两个独立的系统，每次进行作业时只能对煤层进行一个系统测试，且两个系统测试的软煤模拟储层以及注气的压力、时间和注气之后的平衡时间完全相同，测试结束之后通过计算机（11）保留数据，然后更换软煤再进行另外一个系统测试，测试完之后同样保留数据，测试结束之后，两个测试系统数据对比分析得出强化抽采的模拟效果。
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