CN107091798B - 急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置。在岩心夹持器内部设柱状岩心室、围压加载腔和轴压加载腔。柱状岩心室内置柱状中空煤岩心，煤岩心中空中设置耐热耐冻玻璃封闭腔。轴压加载腔和围压加载腔均连接所述轴压围压加载系统。孔渗测试系统的气体加载装置的管路通入柱状岩心室，气体收集装置管路依次连接流量计和柱状岩心室。本发明采用微波体加热、液氮降温，能有效模拟高低温连续变换环境下煤岩内部孔裂隙的变形变位以及发生与发展等改造过程。围压和轴压加载，可模拟储层原始渗流特征。提供不同频率和幅度的快速变温改造，可有效检验煤岩储层的温变敏感性，为储层变温改造现场应用提供实验依据。

Description

急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置

技术领域

本发明涉及煤层气储层改造技术领域，尤其涉及一种通过温度的改变来进行储层改造的模拟装置。

背景技术

我国多数地区煤层气储层属于特低渗透或致密储层，煤层气采收率极低，必须采取人工强化增产措施。目前，水力压裂是煤层气开发最常用的储层改造技术，但水力压裂储层改造不可避免的会产生煤粉堵塞储层渗流通道，同时压裂液的注入也会伤害储层，导致储层渗透率下降，限制煤层气的解吸。

与常规储层改造方法（如水力压裂等）相比，储层高温热处理改造技术具有不需注入任何物质、渗透率增效明显、无污染等特点，特别是在石油天然气行业已进行初步的实践研究。本专利提出的急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其作用实质是利用变温过程孔隙热蒸发、冷凝固以及结构改变，使得煤孔裂隙变形、变位和产生，最终形成相互沟通裂缝网络，从而有效增加煤层气储层的渗透率。但这在煤层气储层改造方面的应用尚属新的领域，尚没有相关的实验模拟装置可以准确的模拟煤储层的变温改造过程，更无法准确的评价变温储层改造技术对煤储层孔渗的增效效果，严重制约了变温储层改造技术的机理研究及其在煤层气开发中的应用。

发明内容

本发明的目的是,克服现有技术存在的缺陷，提供一种模拟储层条件下在钻孔内部通过变温的方式进行储层改造的模拟装置，其可以快速的实现储层变温，能够真实的模拟储层在高低温连续变换作用下孔裂隙变形变位、发生与发展等改造过程及其改造效果，旨在模拟原始地层条件下快速变温过程对储层孔渗的促进效果，以深化其作用机理。

为实现上述目的，本发明提出的急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，包括岩心夹持器、微波加热系统、液氮降温系统、孔渗测试系统、轴压围压加载系统。其特征是：

所述岩心夹持器内部设有柱状岩心室、围压加载腔和和活塞盘室。围压加载腔环绕柱状岩心室，围压加载腔与柱状岩心室之间用耐高温胶套间隔。柱状岩心室内置柱状煤岩心（所述柱状煤岩心为可置换的被测物），煤岩心中轴部为空心，空心中设置耐热耐冻玻璃封闭腔。耐热耐冻玻璃封闭腔由所述微波加热系统加热，并由所述液氮降温系统降温。

活塞盘室与柱状岩心室之间由第一活塞腔贯通，与第一活塞腔位置相对的第二活塞腔将活塞盘室与外部联通，活塞杆穿过第二活塞腔和第一活塞腔后，活塞杆前部抵住柱状煤岩心。所述活塞杆前部与柱状岩心结构相一致，即中轴部为空心。活塞杆上设有活塞盘，活塞盘置于活塞盘室内，将活塞盘室分为前后两部分，其中位于后部的部分为轴压加载腔。所述轴压加载腔和围压加载腔均连接所述轴压围压加载系统。所述轴压围压加载系统包括手摇泵；所述手摇泵出气口用管路分别连接至轴压加载腔和围压加载腔。

所述孔渗测试系统包括气体加载装置和气体收集装置。所述气体加载装置的管路穿过活塞杆后通入柱状岩心室。所述气体收集装置管路连接流量计后接入柱状岩心室的另一端。

所述微波加热系统，包括微波发生器、微波控制器、微波天线、旋转装置和温度传感器，所述微波天线置于耐热耐冻玻璃封闭腔中，其端部安装在所述旋转装置上并与所述微波发生器连接。所述温度传感器设置在柱状岩心室内并连接至微波控制器所述温度传感器设置在柱状岩心室底部并连接至微波控制器。

所述液氮降温系统，包括液氮箱和干燥罐、缓冲罐以及真空泵。所述液氮箱连接的液氮喷头置入所述耐热耐冻玻璃封闭腔端部，耐热耐冻玻璃封闭腔另一端引出管路接入干燥罐，干燥罐依次串接缓冲罐和真空泵。所述液氮喷头为旋喷型液氮喷头，能够均匀地将液氮喷洒到耐热耐冻玻璃封闭腔内，以实现快速均匀降温的目的。

所述柱状岩心室，置于绝热罩内。所述绝热罩为热导率低且难以吸收微波的材料，如硅质保温板等。

所述孔渗测试系统的气体加载装置，包括气瓶、气体增压泵、气体储集罐、参考缸；气瓶接气体增压泵，气体增压泵依次连接放空阀和减压阀后连接参考缸，在所述放空阀至减压阀之间安装所述气体储集罐。所述参考缸用管路连接至柱状岩心室。所述气体储集罐用以储集实验气体，所述增压泵用以增加气体储集罐所储集的气体压力，以满足实验要求。所述参考缸连接有温度传感器，用以监测参考缸内的气体温度。所述柱状岩心室另一侧连接流量计和气体收集装置，可实时观测岩心室内的渗流速度，用以确定煤岩样的渗透率。

本发明提供的急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置具有如下优点：

微波加热为体加热，具有过程可控、选择性加热、效率高等特点；液氮降温具有降温速度快、幅度大等特点，辅以内腔旋喷降温方式，可快速实现储层变温，能够有效模拟高低温连续变换环境下煤岩内部孔裂隙的变形变位以及发生与发展等改造过程，并对改造效果进行评价。

通过围压和轴压加载系统，可模拟原始地层条件下储层的渗流特征；岩心为中空型，可直观的模拟以钻孔为媒介的变温储层改造过程，

提供不同频率和幅度的快速变温改造，可有效检验煤岩储层的温变敏感性，为储层变温改造的现场应用提供实验依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置结构示意图。

图中：1.真空泵；2.缓冲罐；3.阀门Ⅰ；4.真空表；5.干燥罐；6.液氮箱；7.电磁阀；8.循环泵；9.放空阀Ⅰ；10安全阀；11.气瓶；12.阀门Ⅱ；13.气体增压泵；14.放空阀Ⅱ；15.气体储集罐；16.储罐压力表；17.减压阀；18.参考缸；19.温度传感器Ⅰ；20.压力传感器；21.阀门Ⅲ；22.放空阀Ⅲ；23.阀门Ⅳ；24.放空阀Ⅳ；25.阀门Ⅴ；26.手摇泵压力表；27.手摇泵；28.流量计；29.气体收集装置；30.电机；31.导波管；32.微波发生器；33.微波控制器；34.微波电源；35.轴压加载腔；36.围压加载腔；37.耐高温胶套；38.温度传感器Ⅱ；39.旋转装置；40.液氮管线；41.液氮喷头；42. 耐热耐冻玻璃封闭腔；43.微波天线；44.柱状岩心室；45.夹持器；46.绝热罩。

具体实施方式

下面结合实施列，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，包括岩心夹持器、微波加热系统、液氮降温系统、孔渗测试系统、轴压围压加载系统。

所述岩心夹持器45内部设有柱状岩心室44、围压加载腔36和活塞盘室。围压加载腔环绕柱状岩心室44，围压加载腔与柱状岩心室之间用耐高温胶套37间隔。

柱状岩心室内的置柱状煤岩心中轴部为空心，空心中设置耐热耐冻玻璃封闭腔42。为减少对微波天线所辐射微波的吸收和反射作用，所述耐热耐冻玻璃封闭腔42为耐高压并能承受冷热骤变温差变化的玻璃材质。

活塞盘室与柱状岩心室之间由第一活塞腔贯通，与第一活塞腔位置相对的第二活塞腔将活塞盘室与外部联通，活塞杆穿过第二活塞腔和第一活塞腔后，活塞杆前部抵住柱状煤岩心。活塞杆上设有活塞盘，活塞盘置于活塞盘室内，将活塞盘室分为前后两部分，其中位于后部的部分为轴压加载腔35。

所述孔渗测试系统包括气体加载装置和气体收集装置。所述气体加载装置，包括气瓶11、气体增压泵13、气体储集罐15、参考缸18、流量计28、气体收集装置29。柱状岩心室后端部用管路穿出活塞杆后端后依次连接阀门Ⅲ21、压力传感器20、参考缸18、减压阀17、放空阀Ⅱ14、气体增压泵13、阀门Ⅱ12和气瓶11。在所述放空阀Ⅱ14至减压阀17之间安装气体储集罐15和储罐压力表16。所述气体储集罐15用以储集实验气体，所述增压泵13用以增加气体储集罐15所储集的气体压力，以满足实验要求。所述参考缸18连接有温度传感器19，用以监测参考缸18内的气体温度。所述流量计28用管路连接至柱状岩心室44前端，可实时观测岩心室44内的渗流速度。所述气体收集装置29用于收集经流量计29排出的废弃测试气体。

所述微波加热系统，包括微波发生器32、微波控制器33、微波天线43、旋转装置39和温度传感器38，所述微波天线43置于耐热耐冻玻璃封闭腔42中，其端部安装在所述旋转装置39上并与所述微波发生器33连接。所述温度传感器38设置在柱状岩心室44底部并连接至微波控制器33。电机30带动旋转装置39转动，进而带动向柱状岩心室44内辐射微波的微波天线43转动，以实现对煤岩样的均匀加热。微波天线43通过导波管31连接至微波发生器32。微波发生器32连接微波控制器33和微波电源34。微波控制器33接收温度传感器信号Ⅱ38，控制微波发生器32工作。

所述液氮降温系统，包括液氮箱6和干燥罐5、缓冲罐2以及真空泵1。液氮箱6与液氮喷头41之间的管路上依次串接有电磁阀7、循环泵8和放空阀Ⅰ9，液氮喷头41置于耐热耐冻玻璃封闭腔42一端。耐热耐冻玻璃封闭腔42另一端，依次串联连接安全阀10、干燥罐5、真空表4、阀门Ⅰ3、缓冲罐2和真空泵1。所述液氮喷头41为旋喷型，能够均匀地将液氮喷洒到耐热耐冻玻璃封闭腔42内，以实现快速均匀降温的目的。所述安全阀10可设定开启压力，当液氮冷却汽化为氮气后，耐热耐冻玻璃封闭腔42内压力升高，当压力超过安全阀10设定压力后，阀门打开，耐热耐冻玻璃封闭腔42内高温气体被真空泵抽离，达到充分冷却的目的。所述电磁阀7接收温度传感器38信号，控制降温所用液氮的供应。

所述柱状岩心室，置于绝热罩46内。所述绝热罩为热导率低且难以吸收微波的材料，如硅质保温板等。

所述轴压围压加载系统，包括手摇泵27。所述手摇泵27出气口依次连接手摇泵压力表26、阀门Ⅳ23和阀门Ⅴ25，阀门Ⅳ23经放空阀Ⅲ22连接至轴压加载腔35，阀门Ⅴ25经放空阀Ⅳ24连接至围压加载腔36。

使用本发明装置进行煤层气储层改造模拟的工作过程：

1.煤岩中空柱样的制备。利用水钻法先钻取直径50mm×100mm的柱状样品，然后沿柱状样品的中轴线钻取内径为15mm的中空柱状样品，机械切割磨平试样的两端，使上下两端水平平行；制样过程中要保证试样的完整性，不可出现人为裂隙。

2.气密性检验。将标准的钢制柱状标件放入岩心夹持器，给定一定的轴压、围压，向其中注入一定压力的气体，恒温条件下，压力稳定后持续48小时保持密封，经密封检验合格开始正式实验。

3.岩心轴压围压加载。先利用手摇泵27经阀门Ⅳ23，提供一定轴压至夹紧即可；关闭阀门Ⅳ23，打开阀门Ⅴ25，利用手摇泵27将围压加载至设定压力；关闭阀门Ⅴ25，打开阀门Ⅳ23，利用手摇泵27将轴压加载至设定压力。

4.样品初始孔渗测定。关闭减压阀17，利用增压泵13将气体储集罐15内压力升高到预设压力后，打开减压阀17，关闭阀门Ⅲ21，待参考缸18内气体压力稳定后，关闭减压阀17，记录温度传感器Ⅰ19数据；打开阀门Ⅲ21,使参考缸18内气体向岩心室44内膨胀，直到达到新的平衡压力，记录温度传感器Ⅱ38数据，依据标定的各腔体的体积，按照波义耳定律计算孔隙体积；利用增压泵13将气体储集罐15内压力升高到预设压力后，打开减压阀17至设定入口压力，待压力稳定后，记录此压差下的气体流量，按照达西定律计算渗透率。

5.变温改造过程。启动电机29，按照设定的转速带动旋转装置39，进而带动微波天线43转动；接通微波电源34，使微波发生器32工作，通过波导管31将微波传输至旋转的微波天线43，当岩心温度达到设定温度后，温度传感器38向微波控制器33和电磁阀7发射信号，微波控制器33接收信号后断开微波电源34，微波加热过程停止；电磁阀7接收信号后开启，液氮箱6内液氮经循环泵8泵至液氮喷头41，旋喷入特种玻璃腔42，液氮预热汽化，当特种玻璃腔42内压力达到安全阀10的预设压力后，安全阀10开启，高温氮气被真空泵抽离，往复循环此降温过程，当岩心温度低于预设温度后，温度传感器38向微波控制器33和电磁阀7发射信号，电磁阀7接收信号后关闭，液氮降温过程停止；微波控制器33接收信号后，接通微波电源34，开始加热过程。如此，循环上述过程。

6.改造后孔渗测试。重复过程4，对比改造前后的孔渗变化情况，评价变温改造效果。

7.开展不同变温速度或不同变温幅度的对比实验。

8.结束实验。按照先卸载轴压再卸载围压的顺序进行卸压。

以上所述仅为本发明最佳的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，包括岩心夹持器、微波加热系统、液氮降温系统、孔渗测试系统、轴压围压加载系统；其特征是：

所述岩心夹持器内部设有柱状岩心室、围压加载腔和和活塞盘室；围压加载腔环绕柱状岩心室，围压加载腔与柱状岩心室之间用耐高温胶套间隔；

柱状岩心室内置柱状煤岩心，煤岩心中轴部为空心，空心中设置耐热耐冻玻璃封闭腔；耐热耐冻玻璃封闭腔由所述微波加热系统加热，并由所述液氮降温系统降温；

活塞盘室与柱状岩心室之间由第一活塞腔贯通，与第一活塞腔位置相对的第二活塞腔将活塞盘室与外部联通，活塞杆穿过第二活塞腔和第一活塞腔后，活塞杆前部抵住柱状煤岩心；活塞杆上设有活塞盘，活塞盘置于活塞盘室内，将活塞盘室分为前后两部分，其中位于后部的部分为轴压加载腔；所述轴压加载腔和围压加载腔均连接所述轴压围压加载系统；

所述孔渗测试系统包括气体加载装置和气体收集装置，所述气体加载装置的管路穿过活塞杆后通入柱状岩心室，所述气体收集装置管路连接流量计后接入柱状岩心室的另一端。

2.根据权利要求1所述一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其特征是：所述微波加热系统，包括微波发生器、微波控制器、微波天线、旋转装置和温度传感器，所述微波天线置于耐热耐冻玻璃封闭腔中，其端部安装在所述旋转装置上并与所述微波发生器连接；所述温度传感器设置在柱状岩心室内并连接至微波控制器。

3.根据权利要求1所述一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其特征是：所述液氮降温系统，包括液氮箱和干燥罐、缓冲罐以及真空泵；所述液氮箱连接的液氮喷头置入所述耐热耐冻玻璃封闭腔端部，耐热耐冻玻璃封闭腔另一端引出管路接入干燥罐，干燥罐依次串接缓冲罐和真空泵。

4.根据权利要求3所述一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其特征是：所述液氮喷头为旋喷型液氮喷头。

5.根据权利要求1所述一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其特征是：所述柱状岩心室，置于绝热罩内；所述绝热罩为硅质保温板。

6.根据权利要求1所述一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其特征是：所述气体加载装置，包括气瓶、气体增压泵、气体储集罐、参考缸；气瓶接气体增压泵，气体增压泵依次连接放空阀和减压阀后连接参考缸，在所述放空阀至减压阀之间安装所述气体储集罐。

7.根据权利要求1所述一种急式冷热交替煤层气储层改造模拟装置，其特征是：所述轴压围压加载系统，包括手摇泵；所述手摇泵出气口用管路分别连接至轴压加载腔和围压加载腔。