CN105298487B - 一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，属于煤层气地面开采模拟试验方法。该方法由第一注气装置、第二注液装置分别提供压力可控、流速稳定的气体及液体注入条件；由模拟渗流装置模拟一定地应力下煤储层中贾敏效应的产生；由气液计量装置测定回压阀后气、液流速；抽空饱水装置使注入前装置管路达到饱气、饱水状态。试验方法的具体步骤包括：不同含水饱和度煤柱制备、抽空饱和、气密性检查、贾敏效应模拟试验、试验装置清理。能够在实验室内实现煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验，可测定启动压力梯度、气液相渗透率及其变化特征。本发明解决了煤储层中气液两相渗流贾敏效应定量评价的难题，对煤层气井排采制度优化具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于煤层气地面开采模拟试验方法，特别涉及一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法。
背景技术
我国煤层气资源丰富，预测埋深2000m以浅煤层气地质资源量达36.8×1012m3，与常规天然气资源量相当。煤层气规模化开发能够缓解我国常规油气能源短缺形势，降低煤矿瓦斯事故发生几率，减少煤矿生产中温室气体排放量，可产生显著的经济、环境、安全及社会效益。
煤层气井排采过程中，气泡、液珠在煤储层孔隙喉道或裂隙变窄处遇阻。欲通过，则需克服珠泡变形所带来的阻力，这种阻力称为贾敏效应。受复杂地质背景及较高煤变质程度的共同影响，我国煤储层普遍具有孔隙度低、渗透性差的特点。对于低孔、低渗的煤储层而言，由于其孔隙喉道狭小，显微裂隙发育不规则，因此更容易产生严重的贾敏效应。此外，随着排采过程中吸附气大量解吸及运移，煤储层中含水、含气饱和度突变，形成不稳定的气液两相渗流，贾敏效应的影响将更为突出。此时，液相渗流的启动压力梯度增大，液相渗透率亦快速下降，地层水及压裂液难以排出，压降漏斗扩展困难，成为导致煤层气井难以高产、稳产的重要原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤储层中气液两相渗流条件下贾敏效应的模拟试验方法，解决现有技术中存在的低孔、低渗煤储层贾敏效应强且难以定量评价，排采过程中煤储层易受伤害，煤层气井难以长期高产、稳产的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，由第一注气装置向模拟渗流装置提供压力可控、流速稳定的气体注入条件；由第二注液装置向模拟渗流装置提供压力可控、流速稳定的地层水、钻井液、返排液注入条件；模拟渗流装置输入端与第一注气装置、第二注液装置相连，输出端与回压装置相连，模拟煤储层中气液两相渗流条件下贾敏效应的产生及强度变化过程；由气液计量装置分别计量气液两相渗流管路中气体、液体的流量及流速；由抽空饱水装置抽空模拟试验装置管路中的气体或液体，使模拟试验前管路达到饱水或饱气状态；
所述的第一注气装置(1)包括：气体钢瓶(1-1)、一号阀门(1-2)、第一压力表(1-3)、增压泵(1-4)、高压储气罐(1-5)、调压阀(1-7)、定值器(1-8)、一号二阀组(1-9)和二号阀门(1-11)；
气体钢瓶(1-1)、一号阀门(1-2)、增压泵(1-4)、高压储气罐(1-5)、第二压力表(1-6)、调压阀(1-7)、定值器(1-8)、一号二阀组(1-9)、第一压力变送器(1-10)和二号阀门(1-11)通过管道顺序连接，二号阀门(1-11)的另一端通过管道同时与模拟渗流装置(3)的十号阀门(3-2)和十六号阀门(3-8)连接；第一压力表(1-3)连接在一号阀门(1-2)和增压泵(1-4)之间的管道上；第二压力表(1-6)连接在高压储气罐(1-5)上；第一压力变送器(1-10)连接在一号二阀组(1-9)上；
所述的第二注液装置(2)包括：储水容器(2-1)、恒速恒压泵(2-2)、三号阀门(2-3)、四号阀门(2-4)、五号阀门(2-5)、六号阀门(2-6)、七号阀门(2-7)、第一活塞容器(2-8)、第二活塞容器(2-9)、第三活塞容器(2-10)、二号二阀组(2-11)、三号二阀组(2-12)、四号二阀组(2-13)、八号阀门(2-14)、五号二阀组(2-15)、第二压力变送器(2-16)和九号阀门(2-17)；
五号阀门(2-5)、第一活塞容器(2-8)和二号二阀组(2-11)通过管道顺序连接，构成第一通路；六号阀门(2-6)、第二活塞容器(2-9)和三号二阀组(2-12)通过管道顺序连接，构成第二通路；七号阀门(2-7)、第三活塞容器(2-10)和四号二阀组(2-13)通过管道顺序连接，构成第三通路；第一通路、第二通路和第三通路相并联，一端与并联的三号阀门(2-3)和四号阀门(2-4)连接，另一端与串的八号阀门(2-14)、五号二阀组(2-15)和九号阀门(2-17)连接，九号阀门(2-17)的另一端通过管道同时与模拟渗流装置(3)的十四号阀门(3-6)和十七号阀门(3-9)连接；四号阀门(2-4)的另一端通过管道通至储水容器(2-1)，三号阀门(2-3)通过恒速恒压泵(2-2)至储水容器(2-1)；在五号二阀组(2-15)上连接有第二压力变送器(2-16)；
所述的模拟渗流装置(3)包括：煤心夹持器(3-1)、十号阀门(3-2)、十一号阀门(3-3)、十二号阀门(3-4)、十三号阀门(3-5)、十四号阀门(3-6)、十五号阀门(3-7)、十六号阀门(3-8)、十七号阀门(3-9)、十八号阀门(3-10)、十九号阀门(3-11)、环压泵(3-12)、六号二阀组(3-13)、第三压力变送器(3-14)和二十号阀门(3-15)；
十号阀门(3-2)、十六号阀门(3-8)、十五号阀门(3-7)、十三号阀门(3-5)、十七号阀门(3-9)和十四号阀门(3-6)通过管道连接构成闭环管路；煤心夹持器(3-1)通过管道和十一号阀门(3-3)与抽空饱水装置(6)的二十四号阀门(6-3)连接；煤心夹持器(3-1)通过管道与二十号阀门(3-15)、六号二阀组(3-13)和环压泵(3-12)顺序连接，在六号二阀组(3-13)上连接有第三压力变送器(3-14)；煤心夹持器(3-1)通过管道与十二号阀门(3-4)连接，十二号阀门(3-4)的另一端通过管道同时与十五号阀门(3-7)、十三号阀门(3-5)连接；十六号阀门(3-8)和十五号阀门(3-7)之间通过管道连接有十九号阀门(3-11)，十九号阀门(3-11)的另一端通过管道与回压装置(4)的第二回压阀(4-9)连接；十三号阀门(3-5)和十七号阀门(3-9)之间通过管道与十八号阀门(3-10)连接，十八号阀门(3-10)的另一端通过管道与回压装置(4)的第一回压阀(4-7)连接；
所述的回压装置(4)包括：回压泵(4-1)、二十一号阀门(4-2)、回压缓冲容器(4-3)、七号二阀组(4-4)、第四压力变送器(4-5)、二十二号阀门(4-6)、第一回压阀(4-7)、二十三号阀门(4-8)和第二回压阀(4-9)；
回压泵(4-1)、二十一号阀门(4-2)、回压缓冲容器(4-3)和七号二阀组(4-4)通过管道顺序连接，在七号二阀组(4-4)上连接有第四压力变送器(4-5)；七号二阀组(4-4)同时与二十二号阀门(4-6)和二十三号阀门(4-8)连接；二十二号阀门(4-6)的输出端与第一回压阀(4-7)输入端连接，第一回压阀(4-7)的输出端与气液计量装置(5)的电子皂膜流量计(5-1)连接；二十三号阀门(4-8)的输出端与第二回压阀(4-9)的输入端连接，第二回压阀(4-9)的输出端通过管道通入气液计量装置(5)的量筒(5-2)中；
所述的气液计量装置(5)包括：电子皂膜流量计(5-1)、量筒(5-2)和天平(5-3)；量筒(5-2)置于天平(5-3)上。
煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法的具体步骤如下：
(a)不同含水饱和度煤柱制备：沿煤层层理方向钻取煤柱，利用覆压孔渗仪测定煤柱的孔隙度及渗透率，并依次制备以下三类样品：①将煤柱放入真空干燥箱中，70℃下抽真空干燥至恒重，制备干燥煤柱并准备进行贾敏效应模拟试验；②模拟试验后的煤柱放入抽空饱水装置，并在一定压力下加压饱水至恒重，制备饱和地层水、钻井液或返排液的煤柱，并准备进行贾敏效应模拟试验；③模拟试验后的煤柱放入离心机中，调节离心机转速使煤柱中部分地层水、钻井液或返排液被甩出，制备不同含水饱和度煤柱并准备进行贾敏效应模拟试验；
(b)抽空饱和：接通电源，接通第一注气装置或第二注液装置，控制系统中其他阀门的开合，启动真空泵，打开二十四号阀门，使正、反向注水模拟试验前装置管路处于饱水状态，正、反向注气模拟试验前装置管路处于饱气状态；抽空饱和操作后，关闭二十四号阀门；
(c)气密性检查：将煤柱放入煤心夹持器中，关闭十八阀门、十九号阀门，使第一注气装置或第二注液装置输出40MPa左右的气压或液压，以检查模拟试验装置的气密性；若模拟试验装置气密性良好，则开展气液两相渗流贾敏效应模拟试验；
(d)实施贾敏效应模拟试验：
所述的贾敏效应模拟试验包括以下四个方面：
①启动压力梯度测试：启动环压泵，给不同初始含水饱和度的煤柱加环压，环压大小根据煤样所在深度的地应力大小决定，待环压稳定后进行启动压力梯度测试；启动压力梯度测试过程中，煤心夹持器进口端压力初始值设定为0.5MPa，每隔3小时压力增加0.3MPa，直至量筒中有水滴落下或电子皂膜流量计中有气流显示，对比不同初始含水饱和度煤柱注水、注气条件下的启动压力梯度；
②净环压稳定条件下单相渗透率测试：保持模拟试验过程中环压及注入端压力恒定，连续监测气相或液相渗透率随注入时间的变化规律，对比不同初始含水饱和度煤柱单相渗透率的变化特征；
③净环压变化条件下单相渗透率测试：启动环压泵，给不同初始含水饱和度煤柱加环压，保持注入端压力恒定，使环压先增大后减小，最大环压值根据煤样所在深度的地应力大小决定；记录不同净环压所对应的单相稳定渗透率值，分析不同初始含水饱和度煤柱单相渗透率随净环压的变化规律；
④压差稳定条件下的单相渗透率测试：启动环压泵，给不同初始含水饱和度的煤柱加环压，环压大小根据煤样所在深度的地应力大小决定，待环压稳定后进行压差稳定条件下的单相渗透率测试；启动回压泵，设定回压值，且保持模拟渗流装置前后端压差恒定，当气液两相渗流达到稳定状态后记录气相或液相渗透率值；在保持模拟渗流装置前后端压差恒定的条件下逐步提高注入端压力及回压，记录单相渗透率随注入端压力的变化特征。
(e)试验装置清理：模拟试验结束后，通过一号二阀组、二号二阀组、三号二阀组、四号二阀组、六号二阀组、七号二阀组将试验装置内液体、气体压力慢慢泄放；关闭第一注气装置控制一号阀门、模拟渗流装置气体出口端十八号阀门，拆下第一活塞容器、第二活塞容器、第三活塞容器并用去离子水清洗干净，各盛装500ml去离子水后将第一活塞容器、第二活塞容器、第三活塞容器安装复位；启动恒速恒压泵，依次打开五号阀门、六号阀门、七号阀门，用去离子水清洗试验装置中液体流经的管路，直至管路被冲洗干净；启动真空泵，打开二十四号阀门，将装置管路中残留的去离子水吸入抽空缓冲容器中，使模拟渗流装置管路达到饱气状态。
进一步的，所述模拟渗流装置中，输入端最高驱动压力为38MPa，输出端最低压力为常压，环压泵所提供的最大环压为40MPa，试验温度为室温。
进一步的，所述不同含水饱和度煤柱制备中，采用同一煤柱依次制备干燥煤样、饱水煤样、不同含水饱和度煤样，以保证测试煤柱孔隙度、渗透率一致，便于测试结果的对比分析。
进一步的，所述模拟渗流装置中，通过合理控制气、水流向十号阀门、十一号阀门、十二号阀门、十三号阀门、十四号阀门、十五号阀门、十六号阀门、十七号阀门、十八号阀门、十九号阀门的开关，实现正向注气、反向注气或正向注液、反向注液条件下气液两相渗流贾敏效应模拟，测定气、液相渗透率及其变化特征。
本发明的有益效果是：与当前煤储层中气液两相渗流模拟试验方法相比，开展煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟，可定量评价煤储层中气液两相渗流条件下贾敏效应的强弱，提出减弱贾敏效应的工程施工及排采控制措施，为煤层气井排采制度优化提供依据，使煤层气地面开发获得更好的经济、环境与社会效益。
附图说明
图1为本发明所使用的试验装置的结构示意图。
图中，1、第一注气装置；2、第二注液装置；3、模拟渗流装置；4、回压装置；5、气液计量装置；6、抽空饱水装置；1-1、气体钢瓶；1-2、一号阀门；1-3、第一压力表；1-4、增压泵；1-5、高压储气罐；1-6、第二压力表；1-7、调压阀；1-8、定值器；1-9、一号二阀组；1-10、第一压力变送器；1-11、二号阀门；2-1、储水容器；2-2、恒速恒压泵；2-3、三号阀门；2-4、四号阀门；2-5、五号阀门；2-6、六号阀门；2-7、七号阀门；2-8、第一活塞容器；2-9、第二活塞容器；2-10、第三活塞容器；2-11、二号二阀组；2-12、三号二阀组；2-13、四号二阀组；2-14、八号阀门；2-15、五号二阀组；2-16、第二压力变送器；2-17、九号阀门；3-1、煤心夹持器；3-2、十号阀门；3-3、十一号阀门；3-4、十二号阀门；3-5、十三号阀门；3-6、十四号阀门；3-7、十五号阀门；3-8、十六号阀门；3-9、十七号阀门；3-10、十八号阀门；3-11、十九号阀门；3-12、环压泵；3-13、六号二阀组；3-14、第三压力变送器；3-15、二十号阀门；4-1、回压泵；4-2、二十一号阀门；4-3、回压缓冲容器；4-4、七号二阀组；4-5、第四压力变送器；4-6、二十二号阀门；4-7、第一回压阀；4-8、二十三号阀门；4-9、第二回压阀；5-1、电子皂膜流量计；5-2、量筒；5-3、天平；6-1、真空泵；6-2、抽空缓冲容器；6-3、二十四号阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，由第一注气装置1向模拟渗流装置3提供压力可控、流速稳定的气体注入条件；由第二注液装置2向模拟渗流装置3提供压力可控、流速稳定的地层水、钻井液、返排液注入条件；模拟渗流装置输入端与第一注气装置1、第二注液装置2相连，输出端与回压装置4相连，模拟煤储层中气液两相渗流条件下贾敏效应的产生及强度变化过程；由气液计量装置5分别计量气液两相渗流管路中气体、液体的流量及流速；由抽空饱水装置抽空模拟试验装置管路中的气体或液体，使模拟试验前管路达到饱水或饱气状态；
所述的第一注气装置1包括：气体钢瓶1-1、一号阀门1-2、第一压力表1-3、增压泵1-4、高压储气罐1-5、调压阀1-7、定值器1-8、一号二阀组1-9和二号阀门1-11；
气体钢瓶1-1、一号阀门1-2、增压泵1-4、高压储气罐1-5、第二压力表1-6、调压阀1-7、定值器1-8、一号二阀组1-9、第一压力变送器1-10和二号阀门1-11通过管道顺序连接，二号阀门1-11的另一端通过管道同时与模拟渗流装置3的十号阀门3-2和十六号阀门3-8连接；第一压力表1-3连接在一号阀门1-2和增压泵1-4之间的管道上；第二压力表1-6连接在高压储气罐1-5上；第一压力变送器1-10连接在一号二阀组1-9上；
所述的第二注液装置2包括：储水容器2-1、恒速恒压泵2-2、三号阀门2-3、四号阀门2-4、五号阀门2-5、六号阀门2-6、七号阀门2-7、第一活塞容器2-8、第二活塞容器2-9、第三活塞容器2-10、二号二阀组2-11、三号二阀组2-12、四号二阀组2-13、八号阀门2-14、五号二阀组2-15、第二压力变送器2-16和九号阀门2-17；
五号阀门2-5、第一活塞容器2-8和二号二阀组2-11通过管道顺序连接，构成第一通路；六号阀门2-6、第二活塞容器2-9和三号二阀组2-12通过管道顺序连接，构成第二通路；七号阀门2-7、第三活塞容器2-10和四号二阀组2-13通过管道顺序连接，构成第三通路；第一通路、第二通路和第三通路相并联，一端与并联的三号阀门2-3和四号阀门2-4连接，另一端与串的八号阀门2-14、五号二阀组2-15和九号阀门2-17连接，九号阀门2-17的另一端通过管道同时与模拟渗流装置3的十四号阀门3-6和十七号阀门3-9连接；四号阀门2-4的另一端通过管道通至储水容器2-1，三号阀门2-3通过恒速恒压泵2-2至储水容器2-1；在五号二阀组2-15上连接有第二压力变送器2-16；
所述的模拟渗流装置3包括：煤心夹持器3-1、十号阀门3-2、十一号阀门3-3、十二号阀门3-4、十三号阀门3-5、十四号阀门3-6、十五号阀门3-7、十六号阀门3-8、十七号阀门3-9、十八号阀门3-10、十九号阀门3-11、环压泵3-12、六号二阀组3-13、第三压力变送器3-14和二十号阀门3-15；
十号阀门3-2、十六号阀门3-8、十五号阀门3-7、十三号阀门3-5、十七号阀门3-9和十四号阀门3-6通过管道连接构成闭环管路；煤心夹持器3-1通过管道和十一号阀门3-3与抽空饱水装置6的二十四号阀门6-3连接；煤心夹持器3-1通过管道与二十号阀门3-15、六号二阀组3-13和环压泵3-12顺序连接，在六号二阀组3-13上连接有第三压力变送器3-14；煤心夹持器3-1通过管道与十二号阀门3-4连接，十二号阀门3-4的另一端通过管道同时与十五号阀门3-7、十三号阀门3-5连接；十六号阀门3-8和十五号阀门3-7之间通过管道连接有十九号阀门3-11，十九号阀门3-11的另一端通过管道与回压装置4的第二回压阀4-9连接；十三号阀门3-5和十七号阀门3-9之间通过管道与十八号阀门3-10连接，十八号阀门3-10的另一端通过管道与回压装置4的第一回压阀4-7连接；
所述的回压装置(4)包括：回压泵4-1、二十一号阀门4-2、回压缓冲容器4-3、七号二阀组4-4、第四压力变送器4-5、二十二号阀门4-6、第一回压阀4-7、二十三号阀门4-8和第二回压阀4-9；
回压泵4-1、二十一号阀门4-2、回压缓冲容器4-3和七号二阀组4-4通过管道顺序连接，在七号二阀组4-4上连接有第四压力变送器4-5；七号二阀组4-4同时与二十二号阀门4-6和二十三号阀门4-8连接；二十二号阀门4-6的输出端与第一回压阀4-7输入端连接，第一回压阀4-7的输出端与气液计量装置5的电子皂膜流量计5-1连接；二十三号阀门4-8的输出端与第二回压阀4-9的输入端连接，第二回压阀4-9的输出端通过管道通入气液计量装置5的量筒5-2中；
所述的气液计量装置5包括：电子皂膜流量计5-1、量筒5-2和天平5-3；量筒5-2置于天平5-3上。
本发明的煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法的具体步骤如下：
(a)不同含水饱和度煤柱制备。沿煤层层理方向钻取直径长度L为50mm左右的煤柱，利用覆压孔渗仪测定煤柱的孔隙度及渗透率，并依次制备以下三类样品：①将煤柱放入真空干燥箱中，70℃下抽真空干燥4h左右至恒重，制备干燥煤柱并准备进行贾敏效应模拟试验；②模拟试验后的煤柱放入抽空饱水装置，并在一定压力下加压饱水4h左右至恒重，制备饱和地层水、钻井液或返排液的煤柱，计算煤柱含水率，并准备进行贾敏效应模拟试验；③模拟试验后的煤柱放入离心机中，调节离心机转速使煤柱中部分地层水、钻井液或返排液被甩出，制备不同含水饱和度煤柱并准备进行贾敏效应模拟试验。
(b)抽空饱和。接通电源，接通注气系统1或注液系统2，合理控制装置中其他阀门的开合，启动真空泵6-1，打开二十三号阀门6-3，使正、反向注水模拟试验前装置管路处于饱水状态，正、反向注气模拟试验前装置管路处于饱气状态；抽空饱和操作后，关闭阀门6-3。
(c)气密性检查。将煤柱放入煤心夹持器3-1中，关闭十八号阀门3-10、十九号阀门3-11，使注气系统1或注液系统2输出40MPa左右的气压或液压，以检查模拟试验装置的气密性；若模拟试验装置气密性良好，则开展气液两相渗流贾敏效应模拟试验。
(d)贾敏效应模拟试验。
模拟试验内容包括以下四个方面：
①启动压力梯度测试：启动环压泵3-12，给不同初始含水饱和度的煤柱加环压，环压大小根据煤样所在深度的地应力大小决定，待环压稳定后进行启动压力梯度测试；启动压力梯度测试过程中，煤心夹持器3-1进口端压力初始值设定为0.5MPa，每隔3小时压力增加0.3MPa，直至量筒5-2中有水滴落下或电子皂膜流量计5-1中有气流显示，对比不同初始含水饱和度煤柱注水、注气条件下的启动压力梯度。
②净环压稳定条件下单相渗透率测试：保持模拟试验过程中环压及注入端压力恒定，连续监测气相或液相渗透率随注入时间的变化规律，对比不同初始含水饱和度煤柱单相渗透率的变化特征。
③净环压变化条件下单相渗透率测试：启动环压泵3-12，给不同初始含水饱和度煤柱加环压，保持注入端压力恒定，使环压先增大后减小，最大环压值根据煤样所在深度的地应力大小决定；记录不同净环压所对应的单相稳定渗透率值，分析不同初始含水饱和度煤柱单相渗透率随净环压的变化规律。
④压差稳定条件下的单相渗透率测试：启动环压泵3-12，给不同初始含水饱和度的煤柱加环压，环压大小根据煤样所在深度的地应力大小决定，待环压稳定后进行压差稳定条件下的单相渗透率测试；启动回压泵4-1，设定回压值，且保持模拟渗流系统3前后端压差恒定，当气液两相渗流达到稳定状态后记录气相或液相渗透率值；在保持模拟渗流系统3前后端压差恒定的条件下逐步提高注入端压力及回压，记录单相渗透率随注入端压力的变化特征。
(e)试验装置清理模拟试验结束后，通过一号二阀组1-9、二号二阀组2-11、三号二阀组2-12、四号二阀组2-13、六号二阀组3-13、七号二阀组4-4将试验装置内液体、气体压力慢慢泄放；关闭第一注气装置1控制一号阀门1-2、模拟渗流装置3气体出口端十八号阀门3-10，拆下第一活塞容器2-8、第二活塞容器2-9、第三活塞容器2-10并用去离子水清洗干净，各盛装500ml去离子水后将第一活塞容器2-8、第二活塞容器2-9、第三活塞容器2-10安装复位；启动恒速恒压泵2-2，依次打开五号阀门2-5、六号阀门2-6、七号阀门2-7，用去离子水清洗试验装置中液体流经的管路，直至管路被冲洗干净；启动真空泵6-1，打开二十四号阀门6-3，将装置管路中残留的去离子水吸入抽空缓冲容器6-2中，使模拟渗流装置(3)管路达到饱气状态。
如图1所示，本发明所使用的试验系统，模拟试验方法的系统包括第一注气装置1、第二注液装置2、模拟渗流装置3、回压装置4、气液计量装置5和抽空饱水装置6；
第一注气装置1，与模拟渗流装置3输入端相连，用于提供压力可控、流速稳定的气体注入条件；
第二注液装置2，与模拟渗流装置3输入端相连，用于提供压力可控、流速稳定的地层水、钻井液、返排液注入条件；
模拟渗流装置3，输入端与第一注气装置1、第二注液装置2相连，输出端与回压装置4中十八号阀门3-10、十九号阀门3-11相连，用于模拟煤储层中气液两相渗流条件下贾敏效应的产生及强度变化过程；环压泵4-1为煤心夹持器3-1中煤心样品提供可控环压，模拟煤样所处的埋深-地应力条件；
回压装置4，与模拟渗流装置3输出端相连，用于控制模拟渗流装置3输出端压力；
气液计量装置5，分别与回压装置4中十八号阀门3-10、十九号阀门3-11后端相连，计量气液两相渗流管路中气体、液体的流量及流速；
抽空饱水装置6，与模拟渗流装置3输入端相连，用于抽空模拟试验系统管路中的气体或液体，使模拟试验前管路达到饱水或饱气状态；
所述的第一注气装置1包括依次连接的气体钢瓶1-1、一号阀门1-2、第一压力表1-3、增压泵1-4、高压储气罐1-5、调压阀1-7、定值器1-8、一号二阀组1-9、二号阀门1-11；第二压力表1-6与高压储气罐1-5相连，指示高压储气罐1-5内压力值；第一压力变送器1-10与一号二阀组1-9相连接，显示第一注气装置1输出端压力值；气体钢瓶1-1中储存氮气，氮气经增压泵1-4压缩后最高压力可达20MPa，经调压阀1-7、定值器1-8后使第一注气装置1连续、稳定输出驱动压力。
所述的第二注液装置2包括依次连接的储水容器2-1、恒速恒压泵2-2、三号阀门2-3、五号阀门2-5、六号阀门2-6、七号阀门2-7、第一活塞容器2-8、第二活塞容器2-9、第三活塞容器2-10、二号二阀组2-11、三号二阀组2-12、四号二阀组2-13、八号阀门2-14、五号二阀组2-15、九号阀门2-17；四号阀门2-4连接至三号阀门2-3后端并形成回路，可泄除活塞容器前端管路压力；第二压力变送器2-16与五号二阀组2-15相连接，显示第二注液装置2输出端压力值；第一活塞容器2-8、第二活塞容器2-9、第三活塞容器2-10及其前端五号阀门2-5、六号阀门2-6、七号阀门2-7、后端二号二阀组2-11、三号二阀组2-12、四号二阀组2-13相并联；3个活塞容器中分别盛装地层水、钻井液、返排液作为第二注液装置2的注入液，模拟煤储层中不同类型液体的流动过程；恒速恒压泵2-2为正向、反向注液提供动力源，最高工作压力达40MPa，流速0.0001-10ml/min；第一活塞容器2-8、第二活塞容器2-9、第三活塞容器2-10作为注入液和驱动液的隔离和压力传输元件，为不锈钢材质，单个体积为2500mL。
所述的模拟渗流装置3包括煤心夹持器3-1、十号阀门3-2、十一号阀门3-3、十二号阀门3-4、十三号阀门3-5、十四号阀门3-6、十五号阀门3-7、十六号阀门3-8、十七号阀门3-9、十八号阀门3-10、十九号阀门3-11及为煤心提供环压的环压泵3-12、六号二阀组3-13、二十号阀门3-15；第三压力变送器3-14与六号二阀组3-13相连接，显示作用于煤心上的环压值；通过控制十号阀门3-2、十一号阀门3-3、十二号阀门3-4、十三号阀门3-5、十四号阀门3-6、十五号阀门3-7、十六号阀门3-8、十七号阀门3-9、十八号阀门3-10、十九号阀门3-11的开关，可分别模拟气体正向、气体反向、液体正向、液体反向注入条件下两相渗流贾敏效应的产生过程；与煤心加持器3-1所匹配的煤柱直径长度L＝25mm-75mm；环压泵3-12所提供的最高环压为40MPa，模拟试验过程中限定的最高驱动压力为38MPa，试验温度为室温。
所述的回压装置4包括依次连接的回压泵4-1、十三号阀门4-2、回压缓冲容器4-3、七号二阀组4-4、二十二号阀门4-6、二十三号阀门4-8、第一回压阀4-7、第二回压阀4-9；第四压力变送器4-5与七号二阀组4-4相连接，显示回压装置4输出端压力值；第一回压阀4-7安装于煤心夹持器3-1后端的气管路上，控制出口端气压；第二回压阀4-9安装于煤心夹持器3-1后端的水管路上，控制出口端液压。
所述的气液计量装置5包括计量气体流量、流速的电子皂膜流量计5-1及计量液体流量、流速的量筒5-2、电子天平5-3；量筒5-2规格的选择根据液体流速、流量大小调整，电子天平5-3绝对精度为千分之一。
所述的抽空饱水装置6包括依次连接的真空泵6-1、抽空缓冲容器6-2、二十四号阀门6-3；模拟气液两相渗流试验前，通过合理控制装置中阀门的开关，抽空操作后可使模拟两相渗流管路达到饱气或饱水状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，其特征在于：模拟试验方法，由第一注气装置（1）向模拟渗流装置（3）提供压力可控、流速稳定的气体注入条件；由第二注液装置（2）向模拟渗流装置（3）提供压力可控、流速稳定的地层水、钻井液、返排液注入条件；模拟渗流装置输入端与第一注气装置（1）、第二注液装置（2）相连，输出端与回压装置（4）相连，模拟煤储层中气液两相渗流条件下贾敏效应的产生及强度变化过程；由气液计量装置（5）分别计量气液两相渗流管路中气体、液体的流量及流速；由抽空饱水装置抽空模拟试验装置管路中的气体或液体，使模拟试验前管路达到饱水或饱气状态；
所述的第一注气装置（1）包括：气体钢瓶（1-1）、一号阀门（1-2）、第一压力表（1-3）、增压泵（1-4）、高压储气罐（1-5）、调压阀（1-7）、定值器（1-8）、一号二阀组（1-9）和二号阀门（1-11）；
气体钢瓶（1-1）、一号阀门（1-2）、增压泵（1-4）、高压储气罐（1-5）、第二压力表（1-6）、调压阀（1-7）、定值器（1-8）、一号二阀组（1-9）、第一压力变送器（1-10）和二号阀门（1-11）通过管道顺序连接，二号阀门（1-11）的另一端通过管道同时与模拟渗流装置（3）的十号阀门（3-2）和十六号阀门（3-8）连接；第一压力表（1-3）连接在一号阀门（1-2）和增压泵（1-4）之间的管道上；第二压力表（1-6）连接在高压储气罐（1-5）上；第一压力变送器（1-10）连接在一号二阀组（1-9）上；
所述的第二注液装置（2）包括：储水容器（2-1）、恒速恒压泵（2-2）、三号阀门（2-3）、四号阀门（2-4）、五号阀门（2-5）、六号阀门（2-6）、七号阀门（2-7）、第一活塞容器（2-8）、第二活塞容器（2-9）、第三活塞容器（2-10）、二号二阀组（2-11）、三号二阀组（2-12）、四号二阀组（2-13）、八号阀门（2-14）、五号二阀组（2-15）、第二压力变送器（2-16）和九号阀门（2-17）；
五号阀门（2-5）、第一活塞容器（2-8）和二号二阀组（2-11）通过管道顺序连接，构成第一通路；六号阀门（2-6）、第二活塞容器（2-9）和三号二阀组（2-12）通过管道顺序连接，构成第二通路；七号阀门（2-7）、第三活塞容器（2-10）和四号二阀组（2-13）通过管道顺序连接，构成第三通路；第一通路、第二通路和第三通路相并联，一端与并联的三号阀门（2-3）和四号阀门（2-4）连接，另一端与串的八号阀门（2-14）、五号二阀组（2-15）和九号阀门（2-17）连接，九号阀门（2-17）的另一端通过管道同时与模拟渗流装置（3）的十四号阀门（3-6）和十七号阀门（3-9）连接；四号阀门（2-4）的另一端通过管道通至储水容器（2-1），三号阀门（2-3）通过恒速恒压泵（2-2）至储水容器（2-1）；在五号二阀组（2-15）上连接有第二压力变送器（2-16）；
所述的模拟渗流装置（3）包括：煤心夹持器（3-1）、十号阀门（3-2）、十一号阀门（3-3）、十二号阀门（3-4）、十三号阀门（3-5）、十四号阀门（3-6）、十五号阀门（3-7）、十六号阀门（3-8）、十七号阀门（3-9）、十八号阀门（3-10）、十九号阀门（3-11）、环压泵（3-12）、六号二阀组（3-13）、第三压力变送器（3-14）和二十号阀门（3-15）；
十号阀门（3-2）、十六号阀门（3-8）、十五号阀门（3-7）、十三号阀门（3-5）、十七号阀门（3-9）和十四号阀门（3-6）通过管道连接构成闭环管路；煤心夹持器（3-1）通过管道和十一号阀门（3-3）与抽空饱水装置（6）的二十四号阀门（6-3）连接；煤心夹持器（3-1）通过管道与二十号阀门（3-15）、六号二阀组（3-13）和环压泵（3-12）顺序连接，在六号二阀组（3-13）上连接有第三压力变送器（3-14）；煤心夹持器（3-1）通过管道与十二号阀门（3-4）连接，十二号阀门（3-4）的另一端通过管道同时与十五号阀门（3-7）、十三号阀门（3-5）连接；十六号阀门（3-8）和十五号阀门（3-7）之间通过管道连接有十九号阀门（3-11），十九号阀门（3-11）的另一端通过管道与回压装置（4）的第二回压阀（4-9）连接；十三号阀门（3-5）和十七号阀门（3-9）之间通过管道与十八号阀门（3-10）连接，十八号阀门（3-10）的另一端通过管道与回压装置（4）的第一回压阀（4-7）连接；
所述的回压装置（4）包括：回压泵（4-1）、二十一号阀门（4-2）、回压缓冲容器（4-3）、七号二阀组（4-4）、第四压力变送器（4-5）、二十二号阀门（4-6）、第一回压阀（4-7）、二十三号阀门（4-8）和第二回压阀（4-9）；
回压泵（4-1）、二十一号阀门（4-2）、回压缓冲容器（4-3）和七号二阀组(4-4)通过管道顺序连接，在七号二阀组(4-4)上连接有第四压力变送器(4-5)；七号二阀组(4-4)同时与二十二号阀门(4-6)和二十三号阀门(4-8)连接；二十二号阀门(4-6)的输出端与第一回压阀(4-7)输入端连接，第一回压阀(4-7)的输出端与气液计量装置（5）的电子皂膜流量计(5-1)连接；二十三号阀门(4-8)的输出端与第二回压阀(4-9)的输入端连接，第二回压阀(4-9)的输出端通过管道通入气液计量装置（5）的量筒(5-2)中；
所述的气液计量装置（5）包括：电子皂膜流量计(5-1)、量筒(5-2)和天平(5-3)；量筒(5-2)置于天平(5-3)上。
2.根据权利要求1所述的一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，其特征在于：模拟试验方法的具体步骤如下：
（a）不同含水饱和度煤柱制备：沿煤层层理方向钻取煤柱，利用覆压孔渗仪测定煤柱的孔隙度及渗透率，并依次制备以下三类样品：①将煤柱放入真空干燥箱中，70℃下抽真空干燥至恒重，制备干燥煤柱并准备进行贾敏效应模拟试验；②模拟试验后的煤柱放入抽空饱水装置，并在一定压力下加压饱水至恒重，制备饱和地层水、钻井液或返排液的煤柱，并准备进行贾敏效应模拟试验；③模拟试验后的煤柱放入离心机中，调节离心机转速使煤柱中部分地层水、钻井液或返排液被甩出，制备不同含水饱和度煤柱并准备进行贾敏效应模拟试验；
（b）抽空饱和：接通电源，接通第一注气装置（1）或第二注液装置（2），控制系统中其他阀门的开合，启动真空泵（6-1），打开二十四号阀门（6-3），使正、反向注水模拟试验前装置管路处于饱水状态，正、反向注气模拟试验前装置管路处于饱气状态；抽空饱和操作后，关闭二十四号阀门（6-3）；
（c）气密性检查：将煤柱放入煤心夹持器（3-1）中，关闭十八号阀门（3-10）、十九号阀门（3-11），使第一注气装置（1）或第二注液装置（2）输出40MPa左右的气压或液压，以检查模拟试验装置的气密性；若模拟试验装置气密性良好，则开展气液两相渗流贾敏效应模拟试验；
（d）实施贾敏效应模拟试验：
（e）试验装置清理：模拟试验结束后，通过一号二阀组（1-9）、二号二阀组（2-11）、三号二阀组（2-12）、四号二阀组（2-13）、六号二阀组（3-13）、七号二阀组（4-4）将试验装置内液体、气体压力慢慢泄放；关闭第一注气装置（1）控制一号阀门（1-2）、模拟渗流装置（3）气体出口端十八号阀门（3-10），拆下第一活塞容器（2-8）、第二活塞容器（2-9）、第三活塞容器（2-10）并用去离子水清洗干净，各盛装500ml去离子水后将第一活塞容器（2-8）、第二活塞容器（2-9）、第三活塞容器（2-10）安装复位；启动恒速恒压泵（2-2），依次打开五号阀门（2-5）、六号阀门（2-6）、七号阀门（2-7），用去离子水清洗试验装置中液体流经的管路，直至管路被冲洗干净；启动真空泵（6-1），打开二十四号阀门（6-3），将装置管路中残留的去离子水吸入抽空缓冲容器（6-2）中，使模拟渗流装置（3）管路达到饱气状态。
3.根据权利要求1所述的一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，其特征在于：所述的贾敏效应模拟试验包括以下四个方面：
①启动压力梯度测试：启动环压泵（3-12），给不同初始含水饱和度的煤柱加环压，环压大小根据煤样所在深度的地应力大小决定，待环压稳定后进行启动压力梯度测试；启动压力梯度测试过程中，煤心夹持器（3-1）进口端压力初始值设定为0.5MPa，每隔3小时压力增加0.3MPa，直至量筒（5-2）中有水滴落下或电子皂膜流量计（5-1）中有气流显示，对比不同初始含水饱和度煤柱注水、注气条件下的启动压力梯度；
②净环压稳定条件下单相渗透率测试：保持模拟试验过程中环压及注入端压力恒定，连续监测气相或液相渗透率随注入时间的变化规律，对比不同初始含水饱和度煤柱单相渗透率的变化特征；
③净环压变化条件下单相渗透率测试：启动环压泵（3-12），给不同初始含水饱和度煤柱加环压，保持注入端压力恒定，使环压先增大后减小，最大环压值根据煤样所在深度的地应力大小决定；记录不同净环压所对应的单相稳定渗透率值，分析不同初始含水饱和度煤柱单相渗透率随净环压的变化规律；
④压差稳定条件下的单相渗透率测试：启动环压泵（3-12），给不同初始含水饱和度的煤柱加环压，环压大小根据煤样所在深度的地应力大小决定，待环压稳定后进行压差稳定条件下的单相渗透率测试；启动回压泵（4-1），设定回压值，且保持模拟渗流装置（3）前后端压差恒定，当气液两相渗流达到稳定状态后记录气相或液相渗透率值；在保持模拟渗流装置（3）前后端压差恒定的条件下逐步提高注入端压力及回压，记录单相渗透率随注入端压力的变化特征。
4.根据权利要求1所述的一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，其特征在于：所述模拟渗流装置（3）中，输入端最高驱动压力为38MPa，输出端最低压力为常压，环压泵（3-12）所提供的最大环压为40MPa，试验温度为室温。
5.根据权利要求2所述的一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，其特征在于：所述不同含水饱和度煤柱制备中，采用同一煤柱依次制备干燥煤样、饱水煤样、不同含水饱和度煤样，以保证测试煤柱孔隙度、渗透率一致，便于测试结果的对比分析。
6.根据权利要求1所述的一种煤储层中气液两相渗流贾敏效应模拟试验方法，其特征在于：所述模拟渗流装置（3）中，通过合理控制气、水流向十号阀门（3-2）、十一号阀门（3-3）、十二号阀门（3-4）、十三号阀门（3-5）、十四号阀门（3-6）、十五号阀门（3-7）、十六号阀门（3-8）、十七号阀门（3-9）、十八号阀门（3-10）、十九号阀门（3-11）的开关，实现正向注气、反向注气或正向注液、反向注液条件下气液两相渗流贾敏效应模拟，测定气、液相渗透率及其变化特征。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20180612 Termination date: 20211202 |
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