CN107358858B - 煤层生物气成藏过程模拟装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤层气开发领域，具体涉及一种煤层生物气成藏过程模拟装置及实验方法，该装置包括模拟煤层与菌液相互作用的生物气生成与储存系统，模拟控制煤层埋藏深度的压力控制与监测系统，模拟观测煤储层中产生的甲烷气体量、气体成分和同位素分析、甲烷菌活性测定的菌液循环及生物气检测系统，实现生物气生成与储存系统恒温控制的温度调控系统；所述压力控制与监测系统、温度调控系统、菌液循环及生物气检测系统分别与生物气生成与储存系统连接，压力控制与监测系统以及温度调控系统外接上位计算机。该装置及实验方法可探索生物气生成随着煤层抬升和下降的成藏过程，同时通过对煤层变压、控温、注入菌液，模拟煤层生物气的生成和赋存规律。

Description

煤层生物气成藏过程模拟装置及实验方法

技术领域

本发明属于煤层气开发领域，具体涉及一种煤层生物气成藏过程模拟装置及实验方法。

背景技术

煤层气作为赋存在煤储层中以甲烷为主的气体，是一种洁净能源，其中生物成因气在煤层气开发利用中占有很大的比重，受到了越来越多的关注，潜在的经济效益巨大。通过煤层埋深、地温、产甲烷菌群和营养液等条件变化模拟煤层生物气的富集过程，可以揭示煤层生物气的成藏机理，对煤层生物气的资源勘查、评价和开发都有重要指导意义。同时，深入研究煤层生物气成藏过程，能够丰富煤层气富集模式，指导煤层气勘探和开发的最佳靶区优选。

发明内容

本发明提供了一种煤层生物气成藏过程模拟装置及实验方法，该装置及实验方法探索生物气生成随着煤层抬升和下降的成藏过程，同时通过对煤层变压、控温、注入菌液，模拟煤层生物气的生成和赋存规律。

本发明采用如下技术方案：

一种煤层生物气成藏过程模拟装置，包括：

模拟煤层与菌液相互作用的生物气生成与储存系统；

模拟控制煤层埋藏深度的压力控制与监测系统；

模拟观测煤储层中产生的甲烷气体量、气体成分和同位素分析、甲烷菌活性测定的菌 液循环及生物气检测系统；

实现生物气生成与储存系统恒温控制的温度调控系统；

所述压力控制与监测系统、温度调控系统、菌液循环及生物气检测系统分别与生物气 生成与储存系统连接，压力控制与监测系统以及温度调控系统外接上位计算机。

所述的生物气生成与储存系统包括顶部敞口的装样缸以及用于盖封装样缸的复合钢板，所述复合钢板上设有甲烷溢出气孔，气孔处连接有甲烷漏气报警器，压力控制与监测系统与复合钢板连接并对复合钢板产生垂直向下的压力；温度调控系统连接作用于装样缸的外表面；菌液循环及生物气检测系统与装样缸内腔连通。

所述的复合钢板为双层结构，包括下层带孔钢板和上层封盖钢板，带孔钢板上的孔为甲烷溢出气孔，上下两层钢板由若干钢柱平衡支撑。

所述的压力控制与监测系统包括加压钢板、加压油缸、压力控制系统和压力传感器，加压钢板垂直向下紧压复合钢板的封盖钢板，加压钢板由竖向行程的加压油缸驱动，加压油缸与压力控制系统连接，压力传感器与装样缸内腔连接，压力控制系统和压力传感器连接上位计算机。

所述的温度调控系统包括恒温控制箱、保温隔热层和温度控制系统，装样缸设于恒温控制箱内，恒温控制箱与装样缸之间设有保温隔热层，恒温控制箱与温度控制系统连接，温度控制系统连接上位计算机。

所述的菌液循环及生物气检测系统包括菌液循环单元和生物气检测单元，菌液循环单元包括压力水泵、菌液箱和循环水泵，生物气检测单元包括菌体活性检测仪、气/水分离装置、气相色谱仪、质谱仪和压力泵，压力水泵、菌液箱、循环水泵、菌体活性检测仪、气/水分离装置和装样缸依次通过管路循环连接构成菌液循环管路，气/水分离装置、气相色谱仪、质谱仪、压力泵和装样缸依次通过管路循环连接构成循环生物气检测回路，所述压力水泵与装样缸菌液进口之间的管路上设有流量计Ⅰ和开关Ⅰ，循环水泵和气/水分离装置之间的管路上设有开关Ⅱ和流量计Ⅱ，气/水分离装置与装样缸的出气/水口连接且连接管路上设有开关Ⅲ和减压阀，气/水分离装置与气相色谱仪之间连接有流量计Ⅲ，压力泵与装样缸进气口之间设有开关Ⅳ。

所述装样缸的各管路接口处均安装有滤网。

煤层生物气成藏过程模拟装置的实验步骤如下：

1）在装样缸内装入煤样模拟煤层生物气储层，在储层上放置不同岩性的岩体，岩体上 方通过复合钢板密封，复合钢板的一侧开口处连接甲烷漏气报警器，加压钢板放在复合钢 板的中心，均匀加压；将装样缸安装于恒温控制箱内并与菌液循环及生物气检测系统连接， 装样缸的各接口处安装滤网，并将接口处进行密封，密封压力要大于菌液的注入压力；

2）通过计算机将温度控制系统的温度设定为T1，模拟煤层埋藏的初始温度；

3）通过计算机控制加压钢板对煤层加压，设定初始压力P1，模拟煤层上覆岩层压力；

4）首先打开进菌液管道开关Ⅰ，将菌液注入煤储层中，模拟煤层在产甲烷菌群和营养液 作用下产生生物甲烷，持续设定的时间后，通过计算机操控温度控制系统改变储层温度为 T2，模拟煤层温度发生的相应变化；

5）通过计算机控制，通过加压钢板改变煤层的上覆岩层压力为P2，模拟煤层埋深发生 的变化；

6）打开装样缸左侧的减压阀和出气/水开关Ⅲ，气/水流出后通过气/水分离装置，分离 后的气体进入气相色谱仪进行气体组分分析，分析后进入质谱仪进行生物气成因分析；分 离后的液体进入菌体活性检测仪，将活性好的产甲烷菌循环注入菌液箱，实现菌液的循环 利用；

7）装样缸右侧的压力传感器实时观测煤层生物气的储层压力，表征生物气在煤层埋深 发生变化过程中的成藏过程。

采用上述技术方案，将菌液注入煤层中，通过流量计可以实现注入量的控制和记录，在对煤层中的气/水泵出分离的过程中，可以分析煤层中菌群产生的甲烷气体量，模拟煤层生物气的成藏过程。

煤层生物气生成与储存系统主要通过煤层与菌液相互作用，观察生物气的产生与赋存过程。所述的温度调控系统是由恒温控制箱和保温隔热层组成，主要功能是保证体系温度始终保持预设温度。

压力控制与监测系统以煤层的抬升和下降为依据，对煤层埋藏深度进行控制。

气/水分离装置可以将煤层生物气储层中的气/水经减压后进行分离实现实时观测煤储层中产生的甲烷气体量，并通过收集装置分别进行成分和同位素分析，分离的水质可以测试菌液中产甲烷菌的活性。

本发明可以在实验室内模拟煤层生物气成藏过程，通过对煤层温度、压力的测控，再现煤层生物气成藏过程。通过对分离的气/水进行气体组分和生物气成因分析，研究煤层产甲烷菌群生物产气过程中活性特征，查明煤层生物气成藏过程与菌群代谢之间的协同效应。

本发明实验初始条件：恒温箱的温度设为T1，上覆岩层压力设为P1，在装样缸中装入煤样，在装样缸各个接口处采用高性能密封材料密封，并在接口处均安装过滤网，以防止煤样进入管道造成堵塞，关闭所有开关，进行气密性测试。

由上所述，本发明以煤样来模拟煤层，以加压、控温系统调控煤层埋藏深度，模拟煤层生物气成藏环境，通过分离煤储层中的气/水，分析甲烷气体的生成量和菌群活性，实现了煤层生物气成藏的全程监控。本发明的反应条件容易控制，装置结构紧凑，操作方便，对研究生物气生成与富集具有重要的意义。

附图说明

图1为模拟装置的结构示意图；

图中：1-装样缸，2-恒温控制箱，3-保温隔热层，4-温度控制系统，5-甲烷漏气报警器， 6-加压钢板，7-加压油缸，8-复合钢板，9-压力控制系统，10-计算机，11-压力传感器，12-滤 网，13-流量计Ⅰ，14-开关Ⅰ，15-压力水泵，16-菌液箱，17-岩体，18-循环水泵，19-开关Ⅱ， 20-菌体活性检测仪，21-流量计Ⅱ，22-气/水分离装置，23-流量计Ⅲ，24-开关Ⅲ，25-减压 阀，26-气相色谱仪，27-质谱仪，28-压力泵，29-开关Ⅳ。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示的煤层生物气成藏过程模拟装置，包括生物气生成与储存系统，温度调控系 统，压力控制与监测系统，菌液循环及生物气检测系统。

生物气生成与储存系统包括装样缸1、复合钢板8，装样缸1是由不带封口的钢制长方体构成，用来装煤样和不同岩性的岩体，上层盖有复合钢板8，将煤样装入装样缸1模拟煤层，煤样自下而上依次放置不同岩性的岩体17和复合钢板8，复合钢板由带孔钢板、支撑钢柱和封盖钢板构成，溢出的甲烷气体可通过气孔扩散出来，复合钢板左侧开口，连接甲烷漏气报警器5，如果岩体无法封闭生成的甲烷气体时，对溢出甲烷气体进行报警，钢板上方覆盖有保温隔热层，加压钢板6设置在复合钢板8中心处实现均匀加压。装样缸1右侧上端开口处连接压力传感器11，其另一端连接计算机10，中部开口处连接注菌液管道，装样缸左侧上端开口处连接循环进气管，下端开口处连接出气/水管，其另一端连接气/水分离装置22。装样缸开口处都设有滤网，防止煤粒堵塞管路。

温度调控系统包括设置在装样缸外的恒温控制箱2和保温隔热层3，以及用于调控恒温控制箱的温度控制系统4，其另一端由计算机10控制，煤层生物气生成与储存系统均位于恒温控制箱2内。

压力控制与监测系统包括加压钢板6、加压油缸7和压力控制系统9，加压钢板6置于煤层生物气生成与储存系统中的复合钢板8中心处，并与加压油缸7和压力控制系统9相连，由计算机10控制。压力传感器设置在模拟装置右侧，与计算机相连。

菌液循环及生物气检测系统包括菌液循环单元和生物气检测单元，菌液循环单元由菌液箱、压力水泵、进水开关和循环水泵组成，进菌液管道上安装有流量计，压力水泵提供菌液进入装样缸的动力，菌液箱提供注入煤样的产甲烷菌群和营养液。生物气检测单元由减压阀、气/水分离装置、气相色谱仪、质谱仪、压力水泵和菌体活性检测仪组成，气/水分离装置出气管上安装有气量计，出水管上安装有流量计，减压阀将装置内流出的高压气/水降压，气/水分离装置可将气/水分离后收集，压力水泵提供生物气进入装置和菌液循环的动力，各进出管道上安装有开关。

菌液循环及生物气检测系统具体包括菌液箱16、气/水分离装置22、气相色谱仪26、质谱仪27和压力泵28，菌液箱16通过进菌液管道与压力水泵15相连，管道上设置开关14、流量计13，通过压力水泵提供动力将菌液注入到煤层中。气/水分离装置22通过出气/水管与装样缸相连，之间的管道上设置有减压阀25和开关24，分离的气体依次通过气相色谱仪26和质谱仪27，沿气流方向依次设置有流量计23、压力泵28和开关29，液体则流进菌体活性检测仪20，经过压力水泵18循环进入菌液箱，管道上依次设置有流量计21和开关19。

煤层生物气成藏过程模拟装置的实验方法，包括以下步骤：

（1）在装样缸1内装入煤样模拟生物气生成和储层的煤层，在煤样上面依次放置不同岩 性的岩体17，上方放有复合钢板8，保证密封良好，复合钢板8左侧开口处连接甲烷漏气报警 器5，加压钢板6放在复合钢板8中心，使加压均匀。连接安装模拟实验装置的各接口处均安 装滤网12，且将所有接口处进行严格密封，且密封压力要大于菌液的注入压力，装样缸1位 于恒温控制箱2内；

（2）通过操控计算机10将温度控制系统4的温度设定为初始煤层温度T1；

（3）在计算机10上设定煤层上覆岩层的初始压力P1，并通过加压钢板6对煤层加压；

（4）首先打开进菌液管道开关14，将菌液注入煤样中，等待一段时间，模拟煤层生物气 的生成过程，然后通过计算机10操控温度控制系统4改变储层温度为T2，模拟煤层温度发生 了变化；

（5）通过计算机10改变煤层的上覆岩层压力为P2，通过加压钢板6实现，模拟煤层的埋 深发生的变化；

（6）打开装样缸左侧的减压阀25和出气/水开关24，气/水流出后通过气/水分离装置 22，分离后的气体进入气相色谱仪26进行气体组分分析，分析后进入质谱仪27进行同位素 分析，液体进入菌体活性检测仪20，将活性好的产甲烷菌循环注入菌液箱16，实现菌液的循 环利用，若活性较差，不再继续循环。

（7）装样缸右侧的压力传感器11可实时观测煤层生物气的储层压力，表征生物气在地质变迁过程中的成藏过程。

其中，本发明中所述温度控制系统和压力控制系统均为现有技术，温度控制系统可参考乐建波著的《温度控制系统》，压力控制系统可采用常规的气、液压传动控制。

以上所述仅为本发明的一种具体实施例，但本发明的实施例并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤层生物气成藏过程模拟装置，其特征在于，包括：模拟煤层与菌液相互作用的生物气生成与储存系统；模拟控制煤层埋藏深度的压力控制与监测系统；模拟观测煤储层中产生的甲烷气体量、气体成分和同位素分析、甲烷菌活性测定的菌液循环及生物气检测系统；实现生物气生成与储存系统恒温控制的温度调控系统；所述压力控制与监测系统、温度调控系统、菌液循环及生物气检测系统分别与生物气 生成与储存系统连接，压力控制与监测系统以及温度调控系统外接上位计算机（10），

所述的生物气生成与储存系统包括顶部敞口的装样缸（1）以及用于盖封装样缸（1）的复合钢板（8），所述的复合钢板（8）上设有甲烷溢出气孔，气孔处连接有甲烷漏气报警器（5），压力控制与监测系统与复合钢板（8）连接并对复合钢板（8）产生垂直向下的压力；温度调控系统连接作用于装样 缸（1）的外表面；菌液循环及生物气检测系统与装样缸（1）内腔连通，

所述的压力控制与监测系统包括加压钢板（6）、加压油缸（7）、压力控制系统（9）和压力传感器（11），加压钢板（6）垂直向下紧压复合钢板（8）的封盖钢板，加压钢板（6）由竖向行程的加压油缸（7）驱 动，加压油缸（7）与压力控制系统（9）连接，压力传感器（11）与装样缸（1）内腔连接，压力控制系统（9）和压力传感器（11）连接上位计算机（10），

所述的菌液循环及生物气检测系统包括菌液循环单元和生物气检测单元，菌液循环单元包括压力水泵 （15）、菌液箱（16）和循环水泵（18），生物气检测单元包括菌体活性检测仪（20）、气/水分离 装置（22）、气相色谱仪（26）、质谱仪（27）和压力泵（28），压力水泵（15）、菌液箱（16）、循环水泵（18）、菌体活性检测仪（20）、气/水分离装置（22）和装样缸（1）依次通过管路循环连接构 成菌液循环管路，气/水分离装置（22）、气相色谱仪（26）、质谱仪（27）、压力泵（28）和装样缸 （1）依次通过管路循环连接构成循环生物气检测回路，所述压力水泵（15）与装样缸（1）菌液 进口之间的管路上设有流量计Ⅰ（13）和开关Ⅰ（14），循环水泵（18）和气/水分离装置（22）之间的管路上设有开关Ⅱ（19）和流量计Ⅱ（21），气/水分离装置（22）与装样缸（1）的出气/水口连接且连接管路上设有开关Ⅲ（24）和减压阀（25），气/水分离装置（22）与气相色谱仪（26）之间连接有流量计Ⅲ（23），压力泵（28）与装样缸（1）进气口之间设有开关Ⅳ（29），

所述的温度调控系统包括恒温控制箱（2）、保温隔热层（3）和温度控制系统（4），装样缸（1）设于恒温控制箱（2）内，恒温控制箱（2）与装样缸（1）之间设有保温隔热层（3），恒温控制箱（2）与温度控制系 统（4）连接，温度控制系统（4）连接上位计算机（10）。

2.根据权利要求1所述的煤层生物气成藏过程模拟装置，其特征在于：所述的复合钢板（8）为双层结构，包括下层带孔钢板和上层封盖钢板，带孔钢板上的孔为甲烷溢出气孔，上下两层钢板由若干钢柱平衡支撑。

3.根据权利要求2所述的煤层生物气成藏过程模拟装置，其特征在于：所述装样缸（1）的各管路接口处均安装有滤网（12）。

4.一种基于权利要求1或2或3所述煤层生物气成藏过程模拟装置的实验方法，其特征在于，实验步骤如下：

1）在装样缸（1）内装入煤样模拟煤层生物气储层，在储层上放置不同岩性的岩体，岩体上方通过复合钢板（8）密封，复合钢板（8）的一侧开口处连接甲烷漏气报警器（5），加压钢板（6）放在复合钢板（8）的中心，均匀加压；将装样缸（1）安装于恒温控制箱（2）内并与菌液循环及生物气检测系统连接，装样缸（1）的各接口处安装滤网（12），并将接口处进行密封，密封压力要大于菌液的注入压力；

2）通过计算机将温度控制系统的温度设定为T1，模拟煤层埋藏的初始温度；

3）通过计算机控制加压钢板（6）对煤层加压，设定初始压力P1，模拟煤层上覆岩层压力；

4）首先打开进菌液管道开关Ⅰ（14），将菌液注入煤储层中，模拟煤层在产甲烷菌群和营养液作用下产生生物甲烷，持续设定的时间后，通过计算机操控温度控制系统改变储层温度为T2，模拟煤层温度发生的相应变化；

5）通过计算机控制，通过加压钢板（6）改变煤层的上覆岩层压力为P2，模拟煤层埋深发生的变化；

6）打开装样缸（1）左侧的减压阀（25）和出气/水开关Ⅲ（24），气/水流出后通过气/水分离装置（22），分离后的气体进入气相色谱仪（26）进行气体组分分析，分析后进入质谱仪（27）进行生物气成因分析；分离后的液体进入菌体活性检测仪（20），将活性好的产甲烷菌循环注入菌液箱（16），实现菌液的循环利用；

7）装样缸右侧的压力传感器（11）实时观测煤层生物气的储层压力，表征生物气在煤层埋深发生变化过程中的成藏过程。

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