CN106812523B - 一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，包括控制电脑、实验桌、液压缸支撑架、加压水泵、真空泵、一级煤层甲烷回收瓶、二级煤层甲烷回收瓶、三级煤层甲烷回收瓶、甲烷供气瓶、氦气储气瓶、液压缸、煤层加压水箱、回水箱、保温水箱和煤层加压室，煤层加压室的侧部连接有水气多用管线，煤层加压室内设置有三通道气体回收管道。本发明还公开了多煤层煤层气井排采物理模拟装置的实验方法。本发明通过选取物性参数接近所要模拟多煤层的煤样，使得实验结果更具准确性；在实验前对煤样进行压裂处理，使得煤样中能够形成接近储层条件下、经人工改造后的缝网。本发明可直接用于对多煤层中排水采气的模拟，为预测实际生产过程中的排采效果、制定合理的排采制度提供依据。

Description

一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法

技术领域

本发明属于煤层气排采技术领域，尤其涉及一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法。

背景技术

我国煤层气资源较为丰富，煤层在沉积过程中会经历较为复杂的构造运动，煤阶较高时，煤层的渗透率偏低，同时开采过程中受储层压敏作用等的影响，选择恰当的排采技术、确立适宜的排采制度受到了广泛关注。

据调研，目前公开的相关领域的专利主要是针对井下排水采气装置或方法的设计，还未曾有过用于实验室模拟煤层气井排采的装置。实验室中，煤层气排采需要模拟的关键步骤包括甲烷的吸附与解吸，国内外普遍采用的等温吸附实验中甲烷气体的吸附解吸原理进行模拟。由于在实验前没有对煤样进行压裂处理，使得煤样不能很接近煤储层（温度、压力及含水状况）的状态，导致实验结果具有较大的误差。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能模拟煤储层温度、压力及含水状况以提高实验结果的状态多煤层煤层气井排采物理模拟装置及其实验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，包括控制电脑1、实验桌12、液压缸支撑架13、加压水泵501、真空泵601、一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001、氦气储气瓶1101、液压缸14、煤层加压水箱4、回水箱18、保温水箱3和煤层加压室23，实验桌12上开设有五个通孔，实验桌12下部固定设有分别对应设置在五个通孔下方的气瓶支撑架2，一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001和氦气储气瓶1101的下部对应穿过一个通孔并设置在气瓶支撑架2上；

控制电脑1、加压水泵501、真空泵601、液压缸支撑架13和煤层加压室23均设置在实验桌12上，煤层加压室23位于液压缸支撑架13之间，液压缸14设置在液压缸支撑架13上，保温水箱3设置在煤层加压室23周围，保温水箱3内设置有恒温加热器16，煤层加压室23上部设置有煤粉加压盖21，液压缸14的动力输出端垂直朝下设置并通过液压联轴器15与煤粉加压盖21上表面传动连接；煤层加压水箱4和回水箱18均设置在实验桌12下表面，加压水泵501的抽水口通过抽水管与煤层加压水箱4连接；

煤层加压室23的侧部连接有伸出保温水箱3的水气多用管线，煤层加压室23内设置有三通道气体回收管道25，三通道气体回收管道25的上端和下端分别伸出煤粉加压盖21和煤层加压室23底部，回水箱18通过回水管40与三通道气体回收管道25下端连接；

加压水泵501的出水口通过进水管42与水气多用管线连接，真空泵601用过真空管43与水气多用管线连接，甲烷供气瓶1001通过甲烷供气管44与水气多用管线连接，氦气储气瓶1101通过氦气供气管45与水气多用管线连接，一级煤层甲烷回收瓶801通过一级煤层甲烷回收管46与三通道气体回收管道25的外层通道连接，二级煤层甲烷回收瓶701通过二级煤层甲烷回收管47与三通道气体回收管道25的中层通道连接、三级煤层甲烷回收瓶901通过三级煤层甲烷回收管48与三通道气体回收管道25的内层通道连接。

煤层加压室23包括顶部敞口的圆筒体，煤粉加压盖21的外壁滑动装配在煤层加压室23内上部，煤层加压室23内滑动装配有上隔板49和下隔板24，煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24均呈圆盘形，煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24的外圆壁上均设有与煤层加压室23内壁密封滑动配合的第一密封圈22，煤层加压室23内在下隔板24和煤层加压室23底部之间形成一级煤层试验腔，煤层加压室23内在下隔板24和上隔板49之间形成二级煤层试验腔，煤层加压室23内在煤粉加压盖21和上隔板49之间形成三级煤层试验腔，煤层加压室23底部开设有穿孔，煤层加压室23底部下表面固定连接有与穿孔对应的连接管50，所述的回水管40上端与连接管50下端固定连接。

三通道气体回收管道25自上而下依次穿过煤粉加压盖21、上隔板49、下隔板24和穿孔后伸入到连接管50内；

三通道气体回收管道25包括同轴向设置的外回收管51、中回收管52和内回收管53，中回收管52设置在外回收管51内部，内回收管53设置在中回收管52内部，中回收管52和内回收管53上端均封堵，外回收管51上端通过一节软管与一级煤层甲烷回收管46的进气口连接，中回收管52与外回收管51之间形成一级煤层气水回收通道，中回收管52与内回收管53之间形成二级煤层气水回收通道，内回收管53内部为三级煤层气水回收通道，外回收管51、中回收管52和内回收管53折弯后自上而下依次形成上竖直段、中水平段和下竖直段，上竖直段中上部位于煤粉加压盖21上方，上竖直段下部和中水平段设置在煤粉加压盖21内，外回收管51上开设有与一级煤层试验腔连通的第一透孔54，中回收管52上开设有与二级煤层试验腔连通的第二透孔55，内回收管53上开设有与三级煤层试验腔连通的第三透孔56；煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24上设置有均外回收管51外壁滑动密封配合的第二密封圈26，中回收管52上端沿径向方向连接有第一管接头57，内回收管53上端沿径向方向连接有第二管接头58，第一管接头57通过一节软管与二级煤层甲烷回收管47的进气口连接，第二管接头58通过一节软管与三级煤层甲烷回收管48的进气口连接。

水气多用管线包括四通管接头33、第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61的出口端连接在煤层加压室23的侧部并分别与一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔连通，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61上分别设置有一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61的进口端分别与四通管接头33的三个接口连接，四通管接头33的第四个接口分别与进水管42、真空管43、甲烷供气管44和氦气供气管45的出口端连接。

一级煤层甲烷回收管46上设置有一级煤层甲烷回收球阀802、一级煤层甲烷回收压力表803和一级煤层甲烷回收流量计804；

二级煤层甲烷回收管47上设置有二级煤层甲烷回收球阀703、二级煤层甲烷回收压力表702和二级煤层甲烷回收流量计704；

三级煤层甲烷回收管48上设置有三级煤层甲烷回收球阀902、三级煤层甲烷回收压力表903和三级煤层甲烷回收流量计904。

甲烷供气管44上安装有甲烷供气球阀1002、甲烷供气压力表1003和甲烷供气流量计1004；

氦气供气管45上安装有氦气供气球阀1102、氦气供气压力表1103和氦气供气流量计1104；

进水管42上安装有进水球阀504、进水压力表503和进水流量计502；

真空管43上安装有真空球阀602及真空压力表603；

回水箱18上设有回水压力表20和回水液位计19，回水管40上设置有回水调压阀17。

所述的进水流量计502、进水压力表503、真空压力表603、二级煤层甲烷回收压力表702、二级煤层甲烷回收球阀703、氦气供气压力表803、氦气流量计804、一级煤层甲烷回收压力表803、一级煤层甲烷回收流量计804、三级煤层甲烷回收压力表903、三级煤层甲烷回收流量计904、甲烷压力表1003、甲烷流量计1004、氦气压力表1103、氦气流量计1104、回水压力表20、回水液位计19分别通过数据信号线与控制电脑1连接，用来监测各气体及液体压力、流量及液位，为控制电脑1进行数据分析提供数据支撑。

多煤层煤层气井排采物理模拟装置的实验方法，包括以下步骤，

A、准备煤层煤样：在试井阶段，根据开采的煤样得出煤阶、埋深、孔隙度、含气性、渗透性的性质，到类似的煤矿中选取相应的煤样；

B、把选取的煤样改造成为圆柱形状，并进行缝隙改造，使煤样成为一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29，分部对应放到煤层加压室23中的一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔内，煤粉加压盖21、上隔板49、下隔板24、第一密封圈22和第二密封圈26实现各个煤层煤样之间密封作用，防止各级煤层煤样之间水与气串通；

C、关闭进水球阀504、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102和回水调压阀17，打开真空球阀602、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32；开启真空泵601，通过真空泵601将对煤层加压室内部以及一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29内部抽真空；

D、抽完真空后，关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、回水调压阀17、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，启动液压缸14，液压缸14向下顶压煤粉加压盖21，煤粉加压盖21向下压三级煤层煤样29，再通过上隔板49下压二级煤层煤样28，再通过下隔板24下压一级煤层煤样27，还原各级储层压力状态；

E、注入惰性保护气体：关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002和回水调压阀17，打开氦气球阀1102、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32；将氦气储气瓶1101中高压氦气压入煤层加压室23内，使整个煤层加压室23处于惰性气体保护状态，保证试验安全性；

F、注入甲烷气体：关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、氦气供气球阀1102、回水调压阀17、二级煤层注入球阀31、三级煤层注入球阀32，打开甲烷供气球阀1002、一级煤层注入球阀30；将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的一级煤层煤样27内，使一级煤层煤样27吸附甲烷气体，通过甲烷流量计1004得到进入一级煤层煤样27内甲烷气体量；然后关闭一级煤层注入球阀30，打开二级煤层注入球阀31，将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的二级煤层煤样28内，使二级煤层煤样28吸附甲烷气体，通过甲烷流量计1004得到进入二级煤层煤样28内甲烷气体量；再关闭二级煤层注入球阀31，打开三级煤层注入球阀32，将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气的三级煤层煤样29内，使三级煤层煤样29吸附甲烷气体，通过甲烷管线流量计1004得到进入三级煤层煤样29内甲烷气体量；

G、煤层含水含气工况的模拟：关闭真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、回水调压阀17，打开进水球阀504、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31、三级煤层注入球阀32，利用加压水泵501将煤层加压水箱4内的水泵入煤层加压室23内，与煤层加压室23内的一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29充分接触从而使得水进入到煤层中；

H、安装于保温水箱3上的恒温加热器16对保温水箱3中的水进行加热，使保温水箱3内的水对煤层加压室23内的煤层煤样模拟井下实际温度，使在试验过程中保持恒温状态，通过调节恒温加热器16功率大小得到不同温度下的试验工况模拟；

I、关闭进水球阀504、真空球阀602、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，打开二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902及回水调压阀17，通过调节回水调压阀17的开度实现在不同回水压力下煤层气的释放工况模拟；二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902及回水调压阀17打开后，一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29经三通道气体回收管道25实现气水分离；

J、一级煤层煤样27内的水和气经第一透孔54进入到一级煤层气水回收通道，二级煤层煤样28内的水和气经第二透孔55进入到二级煤层气水回收通道，三级煤层煤样29内的水和气经第三透孔56进入到三级煤层气水回收通道，一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29的水由于重力作用向下流动，经连接管50和回水管40共同流入回水箱18中，各个煤层煤样所释放的甲烷由于密度轻向上移动，三通道气体回收管道25由同轴向设置的外回收管51、中回收管52和内回收管53组成，在甲烷气体回收过程中甲烷向上浮动时各个煤层所释放的甲烷互相隔开，在收集各个煤层所释放的甲烷时互相没有影响实现甲烷独立采集，一级煤层煤样27所释放的甲烷经一级煤层气水回收通道进入到一级煤层甲烷回收瓶801中，二级煤层煤样28所释放的甲烷经二级煤层气水回收通道进入到二级煤层甲烷回收瓶701中，三级煤层煤样29所释放的甲烷经三级煤层气水回收通道进入到三级煤层甲烷回收瓶901中，一级煤层甲烷回收流量计804、二级煤层甲烷回收流量计704、三级煤层甲烷回收流量计904分别计量出各个煤层煤样所释放的甲烷气体量；

K、一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29在上述步骤过程中进入的甲烷量以及释放出的甲烷量均为独立的变量，从而可通过控制电脑1计算得到各煤层释放出甲烷量与总共存储的甲烷量比值从而得到多级煤层开采过程中煤层气所释放的能力。

采取以上技术方案，本发明具有以下优点：

1、通过选取物性参数接近所要模拟多煤层的煤样，使得实验结果更具准确性。

2、在实验前对煤样进行压裂处理，使得煤样中能够形成接近储层条件下、经人工改造后的缝网。

3、模拟储层条件下的温度、压力及含水状况，还原了地层条件。

4、通过排水降低煤样中的压力，使吸附气解吸，与实际生产过程接近。

5、该装置可直接用于对多煤层中排水采气的模拟，为预测实际生产过程中的排采效果、制定合理的排采制度提供依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中煤层加压室的纵向剖视图；

图3是图1中三通道气体回收管道的放大图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，包括控制电脑1、实验桌12、液压缸支撑架13、加压水泵501、真空泵601、一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001、氦气储气瓶1101、液压缸14、煤层加压水箱4、回水箱18、保温水箱3和煤层加压室23，实验桌12上开设有五个通孔，实验桌12下部固定设有分别对应设置在五个通孔下方的气瓶支撑架2，一级煤层甲烷回收瓶801、二级煤层甲烷回收瓶701、三级煤层甲烷回收瓶901、甲烷供气瓶1001和氦气储气瓶1101的下部对应穿过一个通孔并设置在气瓶支撑架2上；

控制电脑1、加压水泵501、真空泵601、液压缸支撑架13和煤层加压室23均设置在实验桌12上，煤层加压室23位于液压缸支撑架13之间，液压缸14设置在液压缸支撑架13上，保温水箱3设置在煤层加压室23周围，保温水箱3内设置有恒温加热器16，煤层加压室23上部设置有煤粉加压盖21，液压缸14的动力输出端垂直朝下设置并通过液压联轴器15与煤粉加压盖21上表面传动连接；煤层加压水箱4和回水箱18均设置在实验桌12下表面，加压水泵501的抽水口通过抽水管与煤层加压水箱4连接；

煤层加压室23的侧部连接有伸出保温水箱3的水气多用管线，煤层加压室23内设置有三通道气体回收管道25，三通道气体回收管道25的上端和下端分别伸出煤粉加压盖21和煤层加压室23底部，回水箱18通过回水管40与三通道气体回收管道25下端连接；

加压水泵501的出水口通过进水管42与水气多用管线连接，真空泵601用过真空管43与水气多用管线连接，甲烷供气瓶1001通过甲烷供气管44与水气多用管线连接，氦气储气瓶1101通过氦气供气管45与水气多用管线连接，一级煤层甲烷回收瓶801通过一级煤层甲烷回收管46与三通道气体回收管道25的外层通道连接，二级煤层甲烷回收瓶701通过二级煤层甲烷回收管47与三通道气体回收管道25的中层通道连接、三级煤层甲烷回收瓶901通过三级煤层甲烷回收管48与三通道气体回收管道25的内层通道连接。

煤层加压室23包括顶部敞口的圆筒体，煤粉加压盖21的外壁滑动装配在煤层加压室23内上部，煤层加压室23内滑动装配有上隔板49和下隔板24，煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24均呈圆盘形，煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24的外圆壁上均设有与煤层加压室23内壁密封滑动配合的第一密封圈22，煤层加压室23内在下隔板24和煤层加压室23底部之间形成一级煤层试验腔，煤层加压室23内在下隔板24和上隔板49之间形成二级煤层试验腔，煤层加压室23内在煤粉加压盖21和上隔板49之间形成三级煤层试验腔，煤层加压室23底部开设有穿孔，煤层加压室23底部下表面固定连接有与穿孔对应的连接管50，所述的回水管40上端与连接管50下端固定连接。

三通道气体回收管道25自上而下依次穿过煤粉加压盖21、上隔板49、下隔板24和穿孔后伸入到连接管50内；

三通道气体回收管道25包括同轴向设置的外回收管51、中回收管52和内回收管53，中回收管52设置在外回收管51内部，内回收管53设置在中回收管52内部，中回收管52和内回收管53上端均封堵，外回收管51上端通过一节软管与一级煤层甲烷回收管46的进气口连接，中回收管52与外回收管51之间形成一级煤层气水回收通道，中回收管52与内回收管53之间形成二级煤层气水回收通道，内回收管53内部为三级煤层气水回收通道，外回收管51、中回收管52和内回收管53折弯后自上而下依次形成上竖直段、中水平段和下竖直段，上竖直段中上部位于煤粉加压盖21上方，上竖直段下部和中水平段设置在煤粉加压盖21内，外回收管51上开设有与一级煤层试验腔连通的第一透孔54，中回收管52上开设有与二级煤层试验腔连通的第二透孔55，内回收管53上开设有与三级煤层试验腔连通的第三透孔56；煤粉加压盖21、上隔板49和下隔板24上设置有均外回收管51外壁滑动密封配合的第二密封圈26，中回收管52上端沿径向方向连接有第一管接头57，内回收管53上端沿径向方向连接有第二管接头58，第一管接头57通过一节软管与二级煤层甲烷回收管47的进气口连接，第二管接头58通过一节软管与三级煤层甲烷回收管48的进气口连接。

水气多用管线包括四通管接头33、第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61的出口端连接在煤层加压室23的侧部并分别与一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔连通，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61上分别设置有一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，第一通气通水管59、第二通气通水管60和第三通气通水管61的进口端分别与四通管接头33的三个接口连接，四通管接头33的第四个接口分别与进水管42、真空管43、甲烷供气管44和氦气供气管45的出口端连接。

一级煤层甲烷回收管46上设置有一级煤层甲烷回收球阀802、一级煤层甲烷回收压力表803和一级煤层甲烷回收流量计804；

二级煤层甲烷回收管47上设置有二级煤层甲烷回收球阀703、二级煤层甲烷回收压力表702和二级煤层甲烷回收流量计704；

三级煤层甲烷回收管48上设置有三级煤层甲烷回收球阀902、三级煤层甲烷回收压力表903和三级煤层甲烷回收流量计904。

甲烷供气管44上安装有甲烷供气球阀1002、甲烷供气压力表1003和甲烷供气流量计1004；

氦气供气管45上安装有氦气供气球阀1102、氦气供气压力表1103和氦气供气流量计1104；

进水管42上安装有进水球阀504、进水压力表503和进水流量计502；

真空管43上安装有真空球阀602及真空压力表603；

回水箱18上设有回水压力表20和回水液位计19，回水管40上设置有回水调压阀17。

所述的进水流量计502、进水压力表503、真空压力表603、二级煤层甲烷回收压力表702、二级煤层甲烷回收球阀703、氦气供气压力表803、氦气流量计804、一级煤层甲烷回收压力表803、一级煤层甲烷回收流量计804、三级煤层甲烷回收压力表903、三级煤层甲烷回收流量计904、甲烷压力表1003、甲烷流量计1004、氦气压力表1103、氦气流量计1104、回水压力表20、回水液位计19分别通过数据信号线与控制电脑1连接，用来监测各气体及液体压力、流量及液位，为控制电脑1进行数据分析提供数据支撑。

多煤层煤层气井排采物理模拟装置的实验方法，包括以下步骤，

A、准备煤层煤样：在试井阶段，根据开采的煤样得出煤阶、埋深、孔隙度、含气性、渗透性的性质，到类似的煤矿中选取相应的煤样；

B、把选取的煤样改造成为圆柱形状，并进行缝隙改造，使煤样成为一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29，分部对应放到煤层加压室23中的一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔内，煤粉加压盖21、上隔板49、下隔板24、第一密封圈22和第二密封圈26实现各个煤层煤样之间密封作用，防止各级煤层煤样之间水与气串通；

C、关闭进水球阀504、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102和回水调压阀17，打开真空球阀602、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32；开启真空泵601，通过真空泵601将对煤层加压室内部以及一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29内部抽真空；

D、抽完真空后，关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、回水调压阀17、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，启动液压缸14，液压缸14向下顶压煤粉加压盖21，煤粉加压盖21向下压三级煤层煤样29，再通过上隔板49下压二级煤层煤样28，再通过下隔板24下压一级煤层煤样27，还原各级储层压力状态；

E、注入惰性保护气体：关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002和回水调压阀17，打开氦气球阀1102、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32；将氦气储气瓶1101中高压氦气压入煤层加压室23内，使整个煤层加压室23处于惰性气体保护状态，保证试验安全性；

F、注入甲烷气体：关闭进水球阀504、真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、氦气供气球阀1102、回水调压阀17、二级煤层注入球阀31、三级煤层注入球阀32，打开甲烷供气球阀1002、一级煤层注入球阀30；将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的一级煤层煤样27内，使一级煤层煤样27吸附甲烷气体，通过甲烷流量计1004得到进入一级煤层煤样27内甲烷气体量；然后关闭一级煤层注入球阀30，打开二级煤层注入球阀31，将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的二级煤层煤样28内，使二级煤层煤样28吸附甲烷气体，通过甲烷流量计1004得到进入二级煤层煤样28内甲烷气体量；再关闭二级煤层注入球阀31，打开三级煤层注入球阀32，将甲烷供气瓶1001中高压甲烷气体压入带惰性保护气的三级煤层煤样29内，使三级煤层煤样29吸附甲烷气体，通过甲烷管线流量计1004得到进入三级煤层煤样29内甲烷气体量；

G、煤层含水含气工况的模拟：关闭真空球阀602、二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、回水调压阀17，打开进水球阀504、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31、三级煤层注入球阀32，利用加压水泵501将煤层加压水箱4内的水泵入煤层加压室23内，与煤层加压室23内的一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29充分接触从而使得水进入到煤层中；

H、安装于保温水箱3上的恒温加热器16对保温水箱3中的水进行加热，使保温水箱3内的水对煤层加压室23内的煤层煤样模拟井下实际温度，使在试验过程中保持恒温状态，通过调节恒温加热器16功率大小得到不同温度下的试验工况模拟；

I、关闭进水球阀504、真空球阀602、甲烷供气球阀1002、氦气供气球阀1102、一级煤层注入球阀30、二级煤层注入球阀31和三级煤层注入球阀32，打开二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902及回水调压阀17，通过调节回水调压阀17的开度实现在不同回水压力下煤层气的释放工况模拟；二级煤层甲烷回收球阀703、一级煤层甲烷回收球阀802、三级煤层甲烷回收球阀902及回水调压阀17打开后，一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29经三通道气体回收管道25实现气水分离；

J、一级煤层煤样27内的水和气经第一透孔54进入到一级煤层气水回收通道，二级煤层煤样28内的水和气经第二透孔55进入到二级煤层气水回收通道，三级煤层煤样29内的水和气经第三透孔56进入到三级煤层气水回收通道，一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29的水由于重力作用向下流动，经连接管50和回水管40共同流入回水箱18中，各个煤层煤样所释放的甲烷由于密度轻向上移动，三通道气体回收管道25由同轴向设置的外回收管51、中回收管52和内回收管53组成，在甲烷气体回收过程中甲烷向上浮动时各个煤层所释放的甲烷互相隔开，在收集各个煤层所释放的甲烷时互相没有影响实现甲烷独立采集，一级煤层煤样27所释放的甲烷经一级煤层气水回收通道进入到一级煤层甲烷回收瓶801中，二级煤层煤样28所释放的甲烷经二级煤层气水回收通道进入到二级煤层甲烷回收瓶701中，三级煤层煤样29所释放的甲烷经三级煤层气水回收通道进入到三级煤层甲烷回收瓶901中，一级煤层甲烷回收流量计804、二级煤层甲烷回收流量计704、三级煤层甲烷回收流量计904分别计量出各个煤层煤样所释放的甲烷气体量；

K、一级煤层煤样27、二级煤层煤样28和三级煤层煤样29在上述步骤过程中进入的甲烷量以及释放出的甲烷量均为独立的变量，从而可通过控制电脑1计算得到各煤层释放出甲烷量与总共存储的甲烷量比值从而得到多级煤层开采过程中煤层气所释放的能力。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，其特征在于：包括控制电脑（1）、实验桌（12）、液压缸支撑架（13）、加压水泵（501）、真空泵（601）、一级煤层甲烷回收瓶（801）、二级煤层甲烷回收瓶（701）、三级煤层甲烷回收瓶（901）、甲烷供气瓶（1001）、氦气储气瓶（1101）、液压缸（14）、煤层加压水箱（4）、回水箱（18）、保温水箱（3）和煤层加压室（23），实验桌（12）上开设有五个通孔，实验桌（12）下部固定设有分别对应设置在五个通孔下方的气瓶支撑架（2），一级煤层甲烷回收瓶（801）、二级煤层甲烷回收瓶（701）、三级煤层甲烷回收瓶（901）、甲烷供气瓶（1001）和氦气储气瓶（1101）的下部对应穿过一个通孔并设置在气瓶支撑架（2）上；

控制电脑（1）、加压水泵（501）、真空泵（601）、液压缸支撑架（13）和煤层加压室（23）均设置在实验桌（12）上，煤层加压室（23）位于液压缸支撑架（13）之间，液压缸（14）设置在液压缸支撑架（13）上，保温水箱（3）设置在煤层加压室（23）周围，保温水箱（3）内设置有恒温加热器（16），煤层加压室（23）上部设置有煤粉加压盖（21），液压缸（14）的动力输出端垂直朝下设置并通过液压联轴器（15）与煤粉加压盖（21）上表面传动连接；煤层加压水箱（4）和回水箱（18）均设置在实验桌（12）下表面，加压水泵（501）的抽水口通过抽水管与煤层加压水箱（4）连接；

煤层加压室（23）的侧部连接有伸出保温水箱（3）的水气多用管线，煤层加压室（23）内设置有三通道气体回收管道（25），三通道气体回收管道（25）的上端和下端分别伸出煤粉加压盖（21）和煤层加压室（23）底部，回水箱（18）通过回水管（40）与三通道气体回收管道（25）下端连接；

加压水泵（501）的出水口通过进水管（42）与水气多用管线连接，真空泵（601）用过真空管（43）与水气多用管线连接，甲烷供气瓶（1001）通过甲烷供气管（44）与水气多用管线连接，氦气储气瓶（1101）通过氦气供气管（45）与水气多用管线连接，一级煤层甲烷回收瓶（801）通过一级煤层甲烷回收管（46）与三通道气体回收管道（25）的外层通道连接，二级煤层甲烷回收瓶（701）通过二级煤层甲烷回收管（47）与三通道气体回收管道（25）的中层通道连接、三级煤层甲烷回收瓶（901）通过三级煤层甲烷回收管（48）与三通道气体回收管道（25）的内层通道连接；

煤层加压室（23）包括顶部敞口的圆筒体，煤粉加压盖（21）的外壁滑动装配在煤层加压室（23）内上部，煤层加压室（23）内滑动装配有上隔板（49）和下隔板（24），煤粉加压盖（21）、上隔板（49）和下隔板（24）均呈圆盘形，煤粉加压盖（21）、上隔板（49）和下隔板（24）的外圆壁上均设有与煤层加压室（23）内壁密封滑动配合的第一密封圈（22），煤层加压室（23）内在下隔板（24）和煤层加压室（23）底部之间形成一级煤层试验腔，煤层加压室（23）内在下隔板（24）和上隔板（49）之间形成二级煤层试验腔，煤层加压室（23）内在煤粉加压盖（21）和上隔板（49）之间形成三级煤层试验腔，煤层加压室（23）底部开设有穿孔，煤层加压室（23）底部下表面固定连接有与穿孔对应的连接管（50），所述的回水管（40）上端与连接管（50）下端固定连接；

三通道气体回收管道（25）自上而下依次穿过煤粉加压盖（21）、上隔板（49）、下隔板（24）和穿孔后伸入到连接管（50）内；

三通道气体回收管道（25）包括同轴向设置的外回收管（51）、中回收管（52）和内回收管（53），中回收管（52）设置在外回收管（51）内部，内回收管（53）设置在中回收管（52）内部，中回收管（52）和内回收管（53）上端均封堵，外回收管（51）上端通过一节软管与一级煤层甲烷回收管（46）的进气口连接，中回收管（52）与外回收管（51）之间形成一级煤层气水回收通道，中回收管（52）与内回收管（53）之间形成二级煤层气水回收通道，内回收管（53）内部为三级煤层气水回收通道，外回收管（51）、中回收管（52）和内回收管（53）折弯后自上而下依次形成上竖直段、中水平段和下竖直段，上竖直段中上部位于煤粉加压盖（21）上方，上竖直段下部和中水平段设置在煤粉加压盖（21）内，外回收管（51）上开设有与一级煤层试验腔连通的第一透孔（54），中回收管（52）上开设有与二级煤层试验腔连通的第二透孔（55），内回收管（53）上开设有与三级煤层试验腔连通的第三透孔（56）；煤粉加压盖（21）、上隔板（49）和下隔板（24）上设置有均外回收管（51）外壁滑动密封配合的第二密封圈（26），中回收管（52）上端沿径向方向连接有第一管接头（57），内回收管（53）上端沿径向方向连接有第二管接头（58），第一管接头（57）通过一节软管与二级煤层甲烷回收管（47）的进气口连接，第二管接头（58）通过一节软管与三级煤层甲烷回收管（48）的进气口连接。

2.根据权利要求1所述的一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，其特征在于：水气多用管线包括四通管接头（33）、第一通气通水管（59）、第二通气通水管（60）和第三通气通水管（61），第一通气通水管（59）、第二通气通水管（60）和第三通气通水管（61）的出口端连接在煤层加压室（23）的侧部并分别与一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔连通，第一通气通水管（59）、第二通气通水管（60）和第三通气通水管（61）上分别设置有一级煤层注入球阀（30）、二级煤层注入球阀（31）和三级煤层注入球阀（32），第一通气通水管（59）、第二通气通水管（60）和第三通气通水管（61）的进口端分别与四通管接头（33）的三个接口连接，四通管接头（33）的第四个接口分别与进水管（42）、真空管（43）、甲烷供气管（44）和氦气供气管（45）的出口端连接。

3.根据权利要求2所述的一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，其特征在于：一级煤层甲烷回收管（46）上设置有一级煤层甲烷回收球阀（802）、一级煤层甲烷回收压力表（803）和一级煤层甲烷回收流量计（804）；

二级煤层甲烷回收管（47）上设置有二级煤层甲烷回收球阀（703）、二级煤层甲烷回收压力表（702）和二级煤层甲烷回收流量计（704）；

三级煤层甲烷回收管（48）上设置有三级煤层甲烷回收球阀（902）、三级煤层甲烷回收压力表（903）和三级煤层甲烷回收流量计（904）。

4.根据权利要求3所述的一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，其特征在于：甲烷供气管（44）上安装有甲烷供气球阀（1002）、甲烷供气压力表（1003）和甲烷供气流量计（1004）；

氦气供气管（45）上安装有氦气供气球阀（1102）、氦气供气压力表（1103）和氦气供气流量计（1104）；

进水管（42）上安装有进水球阀（504）、进水压力表（503）和进水流量计（502）；

真空管（43）上安装有真空球阀（602）及真空压力表（603）；

回水箱（18）上设有回水压力表（20）和回水液位计（19），回水管（40）上设置有回水调压阀（17）。

5.根据权利要求4所述的一种多煤层煤层气井排采物理模拟装置，其特征在于：所述的进水流量计（502）、进水压力表（503）、真空压力表（603）、二级煤层甲烷回收压力表（702）、二级煤层甲烷回收球阀（703）、氦气供气压力表（803）、氦气流量计（804）、一级煤层甲烷回收压力表（803）、一级煤层甲烷回收流量计（804）、三级煤层甲烷回收压力表（903）、三级煤层甲烷回收流量计（904）、甲烷压力表（1003）、甲烷流量计（1004）、氦气压力表（1103）、氦气流量计（1104）、回水压力表（20）、回水液位计（19）分别通过数据信号线与控制电脑（1）连接，用来监测各气体及液体压力、流量及液位，为控制电脑（1）进行数据分析提供数据支撑。

6.采用如权利要求5所述的多煤层煤层气井排采物理模拟装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤，

A、准备煤层煤样：在试井阶段，根据开采的煤样得出煤阶、埋深、孔隙度、含气性、渗透性的性质，到类似的煤矿中选取相应的煤样；

B、把选取的煤样改造成为圆柱形状，并进行缝隙改造，使煤样成为一级煤层煤样（27）、二级煤层煤样（28）和三级煤层煤样（29），分部对应放到煤层加压室（23）中的一级煤层试验腔、二级煤层试验腔和三级煤层试验腔内，煤粉加压盖（21）、上隔板（49）、下隔板（24）、第一密封圈（22）和第二密封圈（26）实现各个煤层煤样之间密封作用，防止各级煤层煤样之间水与气串通；

C、关闭进水球阀（504）、二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）、甲烷供气球阀（1002）、氦气供气球阀（1102）和回水调压阀（17），打开真空球阀（602）、一级煤层注入球阀（30）、二级煤层注入球阀（31）和三级煤层注入球阀（32）；开启真空泵（601），通过真空泵（601）将对煤层加压室内部以及一级煤层煤样（27）、二级煤层煤样（28）和三级煤层煤样（29）内部抽真空；

D、抽完真空后，关闭进水球阀（504）、真空球阀（602）、二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）、甲烷供气球阀（1002）、氦气供气球阀（1102）、回水调压阀（17）、一级煤层注入球阀（30）、二级煤层注入球阀（31）和三级煤层注入球阀（32），启动液压缸（14），液压缸（14）向下顶压煤粉加压盖（21），煤粉加压盖（21）向下压三级煤层煤样（29），再通过上隔板（49）下压二级煤层煤样（28），再通过下隔板（24）下压一级煤层煤样（27），还原各级储层压力状态；

E、注入惰性保护气体：关闭进水球阀（504）、真空球阀（602）、二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）、甲烷供气球阀（1002）和回水调压阀（17），打开氦气球阀（1102）、一级煤层注入球阀（30）、二级煤层注入球阀（31）和三级煤层注入球阀（32）；将氦气储气瓶（1101）中高压氦气压入煤层加压室（23）内，使整个煤层加压室（23）处于惰性气体保护状态，保证试验安全性；

F、注入甲烷气体：关闭进水球阀（504）、真空球阀（602）、二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）、氦气供气球阀（1102）、回水调压阀（17）、二级煤层注入球阀（31）、三级煤层注入球阀（32），打开甲烷供气球阀（1002）、一级煤层注入球阀（30）；将甲烷供气瓶（1001）中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的一级煤层煤样（27）内，使一级煤层煤样（27）吸附甲烷气体，通过甲烷流量计（1004）得到进入一级煤层煤样（27）内甲烷气体量；然后关闭一级煤层注入球阀（30），打开二级煤层注入球阀（31），将甲烷供气瓶（1001）中高压甲烷气体压入带惰性保护气氦气的二级煤层煤样（28）内，使二级煤层煤样（28）吸附甲烷气体，通过甲烷流量计（1004）得到进入二级煤层煤样（28）内甲烷气体量；再关闭二级煤层注入球阀（31），打开三级煤层注入球阀（32），将甲烷供气瓶（1001）中高压甲烷气体压入带惰性保护气的三级煤层煤样（29）内，使三级煤层煤样（29）吸附甲烷气体，通过甲烷管线流量计（1004）得到进入三级煤层煤样（29）内甲烷气体量；

G、煤层含水含气工况的模拟：关闭真空球阀（602）、二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）、甲烷供气球阀（1002）、氦气供气球阀（1102）、回水调压阀（17），打开进水球阀（504）、一级煤层注入球阀（30）、二级煤层注入球阀（31）、三级煤层注入球阀（32），利用加压水泵（501）将煤层加压水箱（4）内的水泵入煤层加压室（23）内，与煤层加压室（23）内的一级煤层煤样（27）、二级煤层煤样（28）和三级煤层煤样（29）充分接触从而使得水进入到煤层中；

H、安装于保温水箱（3）上的恒温加热器（16）对保温水箱（3）中的水进行加热，使保温水箱（3）内的水对煤层加压室（23）内的煤层煤样模拟井下实际温度，使在试验过程中保持恒温状态，通过调节恒温加热器（16）功率大小得到不同温度下的试验工况模拟；

I、关闭进水球阀（504）、真空球阀（602）、甲烷供气球阀（1002）、氦气供气球阀（1102）、一级煤层注入球阀（30）、二级煤层注入球阀（31）和三级煤层注入球阀（32），打开二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）及回水调压阀（17），通过调节回水调压阀（17）的开度实现在不同回水压力下煤层气的释放工况模拟；二级煤层甲烷回收球阀（703）、一级煤层甲烷回收球阀（802）、三级煤层甲烷回收球阀（902）及回水调压阀（17）打开后，一级煤层煤样（27）、二级煤层煤样（28）和三级煤层煤样（29）经三通道气体回收管道（25）实现气水分离；

J、一级煤层煤样（27）内的水和气经第一透孔（54）进入到一级煤层气水回收通道，二级煤层煤样（28）内的水和气经第二透孔（55）进入到二级煤层气水回收通道，三级煤层煤样（29）内的水和气经第三透孔（56）进入到三级煤层气水回收通道，一级煤层煤样（27）、二级煤层煤样（28）和三级煤层煤样（29）的水由于重力作用向下流动，经连接管（50）和回水管（40）共同流入回水箱（18）中，各个煤层煤样所释放的甲烷由于密度轻向上移动，三通道气体回收管道（25）由同轴向设置的外回收管（51）、中回收管（52）和内回收管（53）组成，在甲烷气体回收过程中甲烷向上浮动时各个煤层所释放的甲烷互相隔开，在收集各个煤层所释放的甲烷时互相没有影响实现甲烷独立采集，一级煤层煤样（27）所释放的甲烷经一级煤层气水回收通道进入到一级煤层甲烷回收瓶（801）中，二级煤层煤样（28）所释放的甲烷经二级煤层气水回收通道进入到二级煤层甲烷回收瓶（701）中，三级煤层煤样（29）所释放的甲烷经三级煤层气水回收通道进入到三级煤层甲烷回收瓶（901）中，一级煤层甲烷回收流量计（804）、二级煤层甲烷回收流量计（704）、三级煤层甲烷回收流量计（904）分别计量出各个煤层煤样所释放的甲烷气体量；

K、一级煤层煤样（27）、二级煤层煤样（28）和三级煤层煤样（29）在上述步骤过程中进入的甲烷量以及释放出的甲烷量均为独立的变量，从而可通过控制电脑（1）计算得到各煤层释放出甲烷量与总共存储的甲烷量比值从而得到多级煤层开采过程中煤层气所释放的能力。

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