CN109577936B - 通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置及实验方法。其技术方案是设计了一套完整的填装煤岩、饱和甲烷、注空气、点火、燃烧、采气、计量等实验装置及实验方法。实验能够模拟煤岩在地下燃烧、加热煤层、并产生二氧化碳，提高煤层气解吸、扩散和渗流速率，从而提高煤层气井产量的过程和机理。本实验装置能够监测燃烧前缘推进的过程，监测不同位置的温度、压力，模拟地下温度场和压力场的变化；可以模拟并优化最佳的空气注入量、注气速度、采气速度、燃烧半径，模拟最佳的火烧煤层实施时机。本实验装置和方法能够模拟火烧煤层提高煤层气产量的机理和过程，并为矿场应用提供优化的技术参数。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气实验领域，具体地涉及一种通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置及实验方法。
背景技术
我国的煤层具有变质程度高、孔隙度和渗透率低、但含气量高、资源量丰富的特点，开发潜力巨大。但由于受物性差的影响，煤层气开发过程中单井产气量低、稳产时间短及采收率低，严重影响煤层气开发的整体效益。
煤层气的开发需要经过解吸—扩散—渗流三个过程，每个过程都影响到煤层气的产量。煤燃烧可以产生高温和CO2，高温可以提高煤层气的解吸和扩散的速率，高温可以使煤岩失水、收缩、焦化，产生裂缝，提高渗流能力；CO2可以置换煤层中吸附的甲烷，驱替甲烷。鉴于上述机理，火烧煤层可以提高煤层井的产量和采收率。
因此，在这样的背景下，研制出了通过火烧煤层提高煤层气产量的物理模拟实验装置，并提出了完善的实验方法，以期为火烧煤层提高煤层气采收率技术提供可靠的实验基础，为矿场煤层气开发方案编制、参数优化提供实验依据。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置及实验方法，其可以使煤岩吸附气体、装置自动点火、模拟煤地下燃烧过程、抽汲气体并计量，可以监测煤在燃烧管中的燃烧状态和燃烧前缘的推进速度和距离，模拟煤层燃烧提高产气量的完整过程和机理。
具体地，本发明提供一种通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置，其包括注入单元、煤岩燃烧单元、点火单元、采气及计量单元以及监测单元，
所述注入单元用于提供气源，并将气体注入燃烧管使煤样吸附气体，并且可以注入空气为煤燃烧提供氧气，其包括空气压缩机、氦气和甲烷储气罐、调压阀以及电子流量计；
所述煤岩燃烧单元包括煤岩燃烧管、防护罩以及水循环降温装置，所述煤岩燃烧管用于装填煤样并使煤样在其中燃烧，所述防护罩设在所述煤岩燃烧管外部，所述防护罩与所述煤岩燃烧管外壁之间形成一个环形空间，所述环形空间用于充填降温的循环水，所述水循环降温装置用于为系统降温；
所述点火单元为高温干烧电热棒，用于实现自动点火；
所述采气及计量单元包括真空泵、电子流量计、冷却器以及集气罐，真空泵与燃烧管之间产生压差使气体采出进入集气罐，所述电子流量计用于计量气体的体积，所述集气罐用于储存采出的气体，所述冷却器用于冷却高温的气体；
所述监测单元包括多个压力计以及温度感应器，所述压力计以及温度感应器等间距布置在所述煤岩燃烧管上，其配置用监测燃烧过程中不同位置的压力和温度。
优选地，所述压力计为压力计，所述温度感应器为热电偶温度监测计。
优选地，所述煤岩燃烧管的出口端设置有盖体，所述盖体内设置有耐高温密封条。
本发明还包括一种基于所述的通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置的模拟实验方法，包括以下步骤：
S1、把煤岩粉碎筛分，选择颗粒直径在2-3mm之间的煤岩样，放置在干燥箱中，在80℃条件下，烘干一段时间，然后装填煤岩样到煤岩燃烧管内压实，拧紧盖体保证密封，之后打开煤岩燃烧管的出口端开关抽真空，然后再关闭所有开关；
S2、把煤岩燃烧管的进口端连接上甲烷储气罐，打开进气端开关，向煤岩燃烧管内注入甲烷，压力平衡后关闭进气端开关，记录注入的总甲烷气量V1；让煤岩充分吸附，等待压力稳定，吸附达到平衡后，打开排气开关自然释放掉游离的甲烷，记录排放掉的甲烷气体量V2，关上排气开关，计算出燃烧管中煤样总的甲烷吸附量V吸附；
S3、在煤岩燃烧管出口端利用真空泵抽汲甲烷气体，当无甲烷气体产出后，关闭出口端开关，等待解吸时间t1后再打开抽气系统排气，直到无气体产出后关闭出口端开关，反复操作步骤S3，直至时间t1后再打开系统，当无气体产出后停止抽气，关闭出口端开关，计算总产出的甲烷气体量V3；
S4、在煤岩燃烧管进口端注入空气后关闭，计量注入的空气量，并打开高温干烧电热棒点火，利用监测单元监测高温干烧电热棒附近的温度，监测点火成功后，打开进气开关注入空气，关掉高温干烧电热棒的电源，打开煤岩燃烧管的出口端，抽取气体，并计量气体，燃烧前缘推进到煤岩燃烧管距离s处时，关闭进气开关，熄火，继续抽气，当无气体产出后，关闭整个系统，等待解吸时间t1后再打开抽气系统开关抽气，直到无气体产出后关闭出口端开关，反复操作上述间歇抽气的过程，当间隔时间t1后再打开系统至无气体产出后，间歇时间延长至t2，抽取气体直至无气体产出后，关闭煤岩燃烧管出口端开关，结束整个采气操作，计算出点火后累计产出的甲烷气体量V4；
S5、利用气相色谱仪分析多类气体的相对含量，计量集气罐中甲烷和其它气体的总量，计算出火烧煤层提高产气量的幅度；
S6、通过重复步骤S1-S5，不断改变点火的时间、注入空气量、注入空气速度、抽气速度、控制火烧前缘的推进速度和距离，得出最合理的注采参数。
优选地，步骤S4中当监测单元监测高温干烧电热棒附近的温度为700摄氏度时，判定点火成功。
优选地，时间t1为24h，时间t2为48h，距离s为500mm。
优选地，步骤S5的多类气体包括CH4、CO2、CO、O2以及N2。
优选地，步骤S5中计算火烧煤层提高产气量的幅度的具体方法为
S51、采出气体，通过气相色谱仪测出各气体的含量，计算出总的CH4产出量V采:
V采＝V3+V4
S52、计算火烧煤层提高的CH4产量的百分比β和总的CH4采收率η：
V吸附＝V1-V2
V1为总的注入CH4量，单位为m3；V2为排放掉的CH4量，单位为m3；V吸附为燃烧管中煤样吸附的总CH4量，单位为m3；V3为模拟常规开采阶段的CH4产量，单位为m3；V4为模拟火烧煤层阶段的CH4产量，单位为m3；V采为抽采出的总CH4量，单位为m3；β为火烧煤层提高的CH4产量的百分比，单位为％；η为总的CH4采收率，单位为％。
优选地，步骤S6具体包括以下步骤：
S61、首先按照步骤S3完成常规采气，计量累计产出的CH4量V3，然后按照步骤S4完成点火和火烧采气，计量累计产出的CH4量V4，通过改变步骤S3的抽气周期次数，不断地改变点火时间，或不经过常规抽气直接点火，对比不同点火时间累计产出的CH4量V4，优化出最合理火烧时机；
S62、按照步骤S4完成点火和火烧采气，根据温度监测数据，通过不断变换火烧半径，对比不同燃烧半径条件下累计产出的CH4量V4，优化出最合理的燃烧半径；
S63、按照步骤S4完成点火和火烧采气，通过不断变换注空气的速度，控制火烧前缘的推进速度，对比不同注空气速度下的累计产出的CH4量V4，优化出最合理的注空气速度和火烧前缘的推进速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明可以使煤岩吸附气体、装置自动点火、模拟煤地下燃烧过程、抽汲气体并计量，可以监测煤在燃烧管中的燃烧状态和燃烧前缘的推进速度和距离，模拟煤层燃烧提高产气量的完整过程和机理。
依据本发明的实验装置和实验方法，可以优化出最合理的空气注入量和注入速度、合理的燃烧半径、合理的燃烧前缘推进速度、合理的排采速度。为火烧煤层提高煤层气产量和采收率技术提供基础参数。
附图说明
图1是本发明通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置图；
图2是本发明燃烧管结构图及燃烧示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1及图2所示，本发明的模拟实验装置由注入单元、煤岩燃烧单元、自动点火单元、采气及计量单元、监测单元等五个部分组成：
注入单元包括空气压缩机1、氦气和甲烷储气罐2、三个调压阀3、流量计4、单向阀22和若干个开关13。单向阀22和若干个开关13的配置用于提供气源，并将气体注入燃烧管使煤样吸附气体，注入空气为煤燃烧提供氧气，通过控制气体注入量控制燃烧速度。氦气和甲烷储气罐2的出口端上设置有阀门21和调压阀3。
煤岩燃烧单元包括煤岩燃烧管5，防护罩6以及水循环降温装置，水循环降温装置包括进口端71以及出口端72。煤岩燃烧单元是整个实验装置的核心部分，煤岩燃烧管5用于装填煤样，煤岩燃烧管5是耐高温的钢材料，与防护罩6之间为环空，可以通过水循环为系统降温。
点火单元为高温干烧电热棒8，用于实现自动点火。
采气及计量单元包括真空泵9、冷却装置10、电子流量计11、集气罐12、排空口15以及单向阀和若干开关，利用真空泵与燃烧管之间产生压差，使气体采出并进入集气罐12；分别通过电子流量计11和集气罐12计量气体的体积，冷却装置10是冷却高温的气体，排空口15是排出燃烧管中的游离气体，集气罐12上配置有阀门21、压力计和调压阀。
监测单元包括压力计和温度感应器，沿燃烧管等间距布置压力计和温度感应器14，监测燃烧过程中不同位置的压力和温度，监测燃烧前缘的推进速度。
图2为煤岩燃烧管5的结构示意图，其内部包括燃烧区101和未燃烧区103，并利用冷却水102冷却燃烧管的管壁。煤岩燃烧管5的右端设置有采气出口104。
图1和图2中相同的符号为相同的元器件，只标注了一个说明，符号未标注的与其相同符号的元器件意义和功能相同。
表1为模拟实验装置中各元器件的相关参数
本发明的实验方法及步骤
(1)煤岩样品准备
准备实验煤样多组(以备多次使用)，预先测定好煤样的工业组分、孔隙度、渗透率等基础参数；把煤岩破碎、筛分，筛选出2-3mm粒径的样品供实验用。
把煤样放置到干燥箱中烘干处理，在80℃条件下烘干8h。
(2)实验装置的密封性检查
打开注气开关，关闭系统的其它阀门和开关，开启空气压缩机注入空气，待到系统压力达到3MPa后关闭空气压缩机，关闭系统的所有开关，观察12小时，压力不下降为合格，如果压力连续不断下降的话，说明系统漏气，检查漏气部位，进行密封。
(3)系统体积标定
把系统连接上一个标准容器(已标定过体积的容器)，对整个系统进行抽真空，关闭系统与标准容器之间的开关，然后打开氦气气源向系统中充入2MPa的氦气，记录系统的压力。再打开与标准容器之间的连接开关，使二者连通，再记录整个系统的压力。根据波义尔定律可以计算出系统的体积V0：
式中：V0为系统的体积，m3；Vb为标准容器的体积，m3；P1为打开连接开关前的压力，MPa；P2为打开连接开关后的压力，MPa。
(4)填装煤样
把烘干好的煤样称重，然后填充到燃烧管中，并压实，拧紧燃烧管的盖体，盖体和燃烧管之间有耐高温的密封条密封。记录充填煤样的重量。
(5)燃烧管中自由空间体积标定
用步骤(3)的方法，标定出系统中煤样颗粒间的自由空间体积V自由。
(6)燃烧管抽空
开启真空泵，压力设定为-0.5MPa，打开抽气开关，抽真空，直到系统达到设置压力，自动停机，关闭抽气开关和真空泵。停滞24h后再进行这样的抽真空操作。反复(6)步骤的操作过程，直到当打开真空泵就没有压力变化，电子流量计没有流量显示后，关闭抽气开关和真空泵，结束该步骤的操作。
(7)饱和甲烷气体
a、把进口端连接上甲烷储气罐，打开进气端开关，向煤岩燃烧管内注入甲烷，注入压力2MPa，压力平衡后关闭注气开关，记录注入的总甲烷气体量V1。让煤岩充分吸附，等待压力稳定(压力连续两天内不再下降)，吸附达到平衡后，打开排气阀门自然释放掉游离的甲烷，记录排放掉的甲烷气体量V2，关上排气开关，计算出燃烧管中煤样总的吸附甲烷气体量V吸附。
b、在煤岩燃烧管出口端利用抽气泵抽汲甲烷气体，当无甲烷气体产出后，关闭出口端开关，等待解吸24h后再打开抽气系统采气，直到无气体产出后关闭出口端开关，反复操作步骤b，直至解吸后再打开系统，当无气体产出后结束抽气，关闭出口端开关，计算总产出的甲烷气体量V3；
c、在煤岩燃烧管进口端注入空气后关闭，计量注入的空气量，并打开高温干烧电热棒点火，利用监测单元监测热点火器附近的温度，当温度稳定在700℃后，说明点火成功，再打开注空气开关注空气，关掉高温干烧电热棒的电源，打开煤岩燃烧管出口端，抽汲气体，并计量气体，燃烧前缘推进到500mm处时，关闭进气开关，熄火，继续抽气，当无气体产出后，关闭整个系统，等待解吸24h后再打开抽气系统抽气，直到无气体产出后关闭出口端开关，反复这个间歇抽气的过程，当间歇24h后再打开系统无气体产出后，间歇时间延长至48h(即再延长24h)，如果有气体产出继续抽汲，抽至无气体产出后，关闭出口端开关，反复循环这一操作。如果打开系统再也没有气体产出的话，就结束整个排气操作，计算出累计产出的甲烷气体量V4；
d、利用气相色谱仪分析多类气体的相对含量，计量集气罐中甲烷和其它气体的总量，计算出火烧煤层提高的甲烷气体产量的幅度，具体包括以下步骤：
d1、采出气体，通过气相色谱仪测出各气体的含量，计算出总的甲烷产出量V采:
V采＝V3+V4
d2、计算火烧煤层提高的甲烷产量的百分比β和总的甲烷采收率η：
V吸附＝V1-V2
V1为总的注入CH4气体量，单位为m3；V2为排放掉的CH4气体量，单位为m3；V吸附为燃烧管中煤样吸附的总CH4气体量，单位为m3；V3为模拟常规开采阶段的CH4气体产量，单位为m3；V4为模拟火烧煤层阶段的CH4气体产量，单位为m3；V采为抽采出的总CH4气体量，单位为m3；β为火烧煤层提高的CH4气体产量的百分比，单位为％；η为总的CH4气体采收率，单位为％。
(8)合理的点火时间和合理的注采参数优
通过重复步骤(1)-(7)，不断改变点火的时间、注空气量、注空气速度、抽气速度以及控制火烧前缘的推进速度和距离，对比各条件下的火烧煤层提高CH4产气量的百分比β和CH4的采收率η，从中优选出最好的点火时间和最合理的注采参数。
合理参数优化实例说明：
合理点火时机的对比实验，先常规采气，当常规采气无气体采出后再点燃煤采气，可以采出含气量的73％；如果不经过常规采气，直接点燃煤采气，只能采出含气量的31％。因此可以得出合理的火烧采气流程应该是先常规采气，当常规采气无气体采出后再火烧采气。
合理燃烧半径对比实验，对比燃烧半径为300mm、500mm、800mm时停火，计算各自总的采气量，500mm的累计采气量最高，即500mm为最佳该燃烧半径。
同样方法可以优化出火烧前缘的最佳推进速度和最佳的注空气速度参数，在此不再赘述。表1为模拟实验装置中各元器件的相关参数。
表1模拟实验装置中各元器件的相关参数
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置，其特征在于：其包括注入单元、煤岩燃烧单元、点火单元、采气及计量单元以及监测单元，
所述注入单元用于提供气源，并将气体注入煤岩燃烧管使煤样吸附气体，并且可以注入空气为煤燃烧提供氧气，其包括空气压缩机、氦气储气罐、甲烷储气罐、调压阀以及电子流量计；
所述煤岩燃烧单元包括煤岩燃烧管、防护罩以及水循环降温装置，所述煤岩燃烧管用于装填煤样并使煤在其中燃烧，所述防护罩设在所述煤岩燃烧管外部，所述防护罩与所述煤岩燃烧管外壁之间形成一个环形空间，所述环形空间用于充填降温的循环水，所述水循环降温装置用于为系统降温；
所述点火单元为高温干烧电热棒，用于实现自动点火；
所述采气及计量单元包括真空泵、冷却器、电子流量计以及集气罐，真空泵与煤岩燃烧管之间产生压差使气体采出进入集气罐，所述电子流量计用于计量气体的体积，所述集气罐用于储存采出的气体，所述冷却器用于冷却高温的气体；
所述监测单元包括多个压力计以及温度感应器，所述压力计以及温度感应器等间距布置在所述煤岩燃烧管上，其配置用于监测燃烧过程中不同位置的压力和温度。
2.根据权利要求1所述的通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置，其特征在于：所述温度感应器为热电偶温度监测计。
3.根据权利要求1所述的通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置，其特征在于：所述煤岩燃烧管的出口端设置有盖体，所述盖体内设置有耐高温密封条。
4.一种基于权利要求1所述的通过火烧煤层提高煤层气产量的模拟实验装置进行模拟实验的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、把煤岩粉碎筛分，选择颗粒直径在2-3mm之间的煤岩样，放置在干燥箱中烘干一段时间，然后装填煤岩样到煤岩燃烧管内压实，拧紧盖体保证密封，之后打开煤岩燃烧管的出口端开关抽真空，然后再关闭所有开关；
S2、把煤岩燃烧管的进口端连接上甲烷储气罐，打开进气端开关，向煤岩燃烧管内注入甲烷，压力平衡后关闭进气端开关，记录注入的总气量V1；让煤岩充分吸附，等待压力稳定，吸附达到平衡后，打开排气开关自然释放掉游离的甲烷，记录排放掉的甲烷气体量V2，关上排气开关，计算出煤岩燃烧管中煤样总的吸附气量V吸附；
S3、在煤岩燃烧管出口端利用真空泵抽汲甲烷气体，当无甲烷气体产出后，关闭出口端开关，等待解吸时间t1后再打开抽气系统排气，直到无气体产出后关闭出口端开关；
S4、重复操作步骤S3，直至时间t1后再打开系统，当无气体产出后停止抽气，关闭出口端开关，计算总产出的甲烷气体量V3；
S5、在煤岩燃烧管进口端注入空气后关闭，计量注入的空气量，并打开高温干烧电热棒点火，利用监测单元监测高温干烧电热棒附近的温度，监测点火成功后，打开进气端开关注入空气，关掉高温干烧电热棒的电源，打开煤岩燃烧管的出口端，抽取气体，并计量气体，燃烧前缘推进到煤岩燃烧管距离s处时，关闭进气端开关，熄火，继续抽气，当无气体产出后，关闭整个系统，等待解吸时间t1后再打开抽气系统开关抽气，直到无气体产出后关闭出口端开关，重复操作上述关闭整个系统，等待解吸时间t1后再打开抽气系统开关抽气，直到无气体产出后关闭出口端开关的过程，当间隔时间t1后再打开系统至无气体产出后，间歇时间延长至t2，抽取气体直至无气体产出后，关闭煤岩燃烧管出口端开关，结束整个采气操作，计算出点火后累计产出的甲烷气体量V4；
S6、利用气相色谱仪分析多类气体的相对含量，计量集气罐中甲烷和其它气体的总量，计算出火烧煤层提高产气量的幅度；
S7、通过重复步骤S1-S5，不断改变点火的时间、注入空气量、注入空气速度、抽气速度、控制火烧前缘的推进速度和距离，得出最合理的注采参数。
5.根据权利要求4所述的模拟实验方法，其特征在于：步骤S4中当监测单元监测高温干烧电热棒附近的温度为700摄氏度时，判定点火成功。
6.根据权利要求4所述的模拟实验方法，其特征在于：时间t1为24h，时间t2为48h，距离s为500mm。
7.根据权利要求4所述的模拟实验方法，其特征在于：步骤S6的多类气体包括CH4、CO2、CO、O2以及N2。
8.根据权利要求4所述的模拟实验方法，其特征在于：步骤S6中计算火烧煤层提高产气量的幅度的具体方法为
S61、采出气体，通过气相色谱仪测出各气体的含量，计算出总的CH4产出量V采:
V采＝V3+V4
S62、计算火烧煤层提高的CH4产量的百分比β和总的CH4采收率η：
V吸附＝V1-V2
V1为总的注入CH4量，单位为m3；V2为排放掉的CH4量，单位为m3；V吸附为煤岩燃烧管中煤样吸附的总CH4量，单位为m3；V3为模拟常规开采阶段的CH4产量，单位为m3；V4为模拟火烧煤层阶段的CH4产量，单位为m3；V采为抽采出的总CH4量，单位为m3；β为火烧煤层提高的CH4产量的百分比，单位为％；η为总的CH4采收率，单位为％。
9.根据权利要求4所述的模拟实验方法，其特征在于：步骤S7具体包括以下步骤：
S71、首先按照步骤S3和S4完成常规采气，计量累计产出的CH4量V3，然后按照步骤S5完成点火和火烧采气，计量累计产出的CH4量V4，通过改变步骤S4的抽气周期次数，不断地改变点火时间，或不经过常规抽气直接点火，对比不同点火时间累计产出的CH4量V4，优化出最合理火烧时机；
S72、按照步骤S5完成点火和火烧采气，根据温度监测数据，通过不断变换火烧半径，对比不同燃烧半径条件下累计产出的CH4量V4，优化出最合理的燃烧半径；
S73、按照步骤S5完成点火和火烧采气，通过不断变换注空气的速度，控制火烧前缘的推进速度，对比不同注空气速度下的累计产出的CH4量V4，优化出最合理的注空气速度和火烧前缘的推进速度。
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