CN110186813A - 一种裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，包括煤粉液供给系统、压力测试系统、裂隙流动观测系统、固液流速测量系统；还公开了裂隙条件下煤粉群的动力学特征的测试方法，包括、煤粉前处理过程、夹持器流体装载过程、煤粉流动与观测过程、固液流速以及固相测粒径量过程。本发明能适用于测量煤粉群在裂隙条件下的动力学特征，煤粉粒径分布对煤粉群运移动态的影响，测试过程科学，测试结果准确，为煤层气的有效开发创造了良好的条件。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气开采领域，涉及煤层气藏的开发领域，具体涉及裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统及测试方法。
背景技术
由于地质储量巨大，煤层气的有效开发可以改善我国能源结构并补充常规天然气在我国地域分布和供给量上的不足。由于煤层脆性较强，生产过程中易产生煤粉，容易在储层中形成液-固两相流动，从而堵塞煤层流动通道，降低气井产能。因此，煤粉的运移机理以及动力学特征是进行煤层气开发设计的关键问题。目前关于煤粉动力学特征的研究国内外学者都做了大量工作，普遍根据单粒径颗粒受力分析和实验，推导研究煤粉的动力学特征。然而，煤粉运移过程是一个多粒径耦合传质过程，单一粒径的实验研究难以直接获得煤粉的动力学特征。因此，有学者提出了煤粉群的概念，通过煤粉群的运移实验研究其动力学特征。
目前，煤粉群的动力学特征研究尚停留在理论方面，没有学者进行过实验研究，亦没有实验能够测量裂隙条件下煤粉群的动力学特征。
发明内容
本发明旨在提供一种裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，适用于测量煤粉群在裂隙条件下的动力学特征，煤粉粒径分布对煤粉群运移动态的影响，本发明同时公开了采用该装置对裂隙条件下煤粉群的动力学特征进行测试的方法。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开的裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，包括煤粉液供给系统、压力测试系统、裂隙流动观测系统、固液流速测量系统；所述煤粉液供给系统具体包括煤粉液混合池、第一针型阀、混砂泵，所述压力测试系统包括压力传感器、第二针型阀；所述裂隙条件模拟系统包括刻蚀玻璃板夹持器、摄像机、光源、计算机；所述固液流量系统包括量筒；所述第一针型阀的入口端连通煤粉液混合池，所述混砂泵的入口端连通第一针型阀的出口端，所述混砂泵的出口端连通第二针型阀的入口端，所述第二针型阀的出口端连通刻蚀玻璃板夹持器的入口端，所述量筒连通刻蚀玻璃板夹持器的出口端，所述摄像机、光源分别位于刻蚀玻璃板夹持器的相对两侧，摄像机连接影像处理系统。
进一步的，所述固液流量系统还包括激光粒度测试仪。
优选的，所述煤粉液混合池与第一针型阀之间的连通管线、第一针型阀与混砂泵之间的连通管线、混砂泵与第二针型阀之间的连通管线、第二针型阀与刻蚀玻璃板夹持器之间的连通管线均为耐压管线。
优选的，所述摄像机为高速摄像机，所述影像处理系统为高速影像处理系统，所述摄像机与光源正对。
本发明还公开一种测试方法，采用所述裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统进行裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试。
优选的，所述测试方法包括以下过程：
a、煤粉前处理过程；
b、夹持器流体装载过程；
c、煤粉流动与观测过程；
d、固液流速以及固相测粒径量过程。
优选的，所述煤粉前处理过程为：取煤样粉碎，用振动筛获得不同粒径的煤粉样品。
优选的，所述夹持器流体装载过程包括：一定粒径的煤粉放入刻蚀玻璃板中，打开第一针型阀和第二针型阀，在玻璃板夹持器内通入水；或者，从煤粉液混合池中将一定粒径的煤粉混合均匀，直接用混砂泵注入夹持器。
优选的，所述煤粉流动与观测过程包括：通过混砂泵将不同流速的煤粉液混合池中盐水或煤粉液通入刻蚀玻璃板夹持器中，打开光源，通过摄像机和影像处理系统观测煤粉的运移情况。
优选的，所述固液流速以及固相测粒径量过程包括：通过量筒测试液相和固相的共同体积流速，液固分离后，测试固相的体积流速和粒径分布，再将刻蚀玻璃板夹持器中捕集的煤粉冲出，称量煤粉质量。
本发明能针对煤粉群运移的特点，测试裂隙空间内煤粉群运移的动力学特征，测试过程科学，测试结果准确，为煤层气的有效开发创造了良好的条件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1-煤粉液混合池，21-针型阀，22-针型阀，3-混砂泵，4-压力表，51-刻蚀玻璃板夹持器，52-高速摄像机，53-光源，54-高速影像处理设备，6-量筒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开的裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，包括煤粉液供给系统、压力测试系统、裂隙流动观测系统、固液流速测量系统；具体的：
煤粉液供给系统包括：煤粉液混合池1、第一针型阀21、混砂泵3以及相应的耐压管线。
煤粉液混合池1为不锈钢制20L水槽，水槽中有混合搅拌装置，可以保持煤粉在水中处于均匀悬浮状态，煤粉液混合池1通过耐压管线连接第一针型阀21可以调节流速，关闭第一针型阀21可以关闭供液能力，第一针型阀21通过耐压管线连接混砂泵3。
压力测试系统包括：第二针型阀22、压力传感器4以及相应的耐压管线。
第二针型阀22可以保护压力传感器的最大流量限制、压力传感器4可以测量流入刻蚀玻璃板夹持器51前的流体压力动态，压力传感器4通过耐压管线与刻蚀玻璃板夹持器51相连。
裂隙流动观测系统包括：刻蚀玻璃板夹持器51、高速摄像机52，光源53，高速影像处理设备54以及耐压管线。
刻蚀玻璃板夹持器51可以加刻蚀玻璃板，高速摄像头52与高速影像处理设备53通过数据线相连，刻蚀玻璃板夹持器51通过耐压管线与量筒6相连。
固液流量系统包括：量筒6、激光粒度测试仪以及相应水槽。
量筒6用于承接刻蚀玻璃板夹持器51中流出的煤粉液(固+液混合流体)，承接出的流体通过激光粒度测试仪进行分析测试。
本发明还公开了裂隙条件下煤粉群动力学特征测的测试方法，应用上述测试系统，整个测试分为四个部分完成：包括四个过程：煤粉前处理过程、夹持器流体装载过程、煤粉流动与观测过程、固液流速以及固相测粒径量过程，具体步骤如下：
一、煤粉前处理过程
1、将取得的煤样粉碎，用振动筛获得不同粒径的煤粉样品。
2、通过电子天平测量不同粒径煤粉的质量，按一定比例配置不同粒径分布的煤粉样品。
二、夹持器流体装载过程
1、将一定粒径的煤粉放入刻蚀玻璃板中，将含有煤粉的刻蚀玻璃板放入刻蚀玻璃板夹持器51中，连接仪器设备；或直接将不含煤粉的刻蚀玻璃板放入岩心加持器51中，连接设备。
2、通过盐水测试刻蚀玻璃板夹持器51中刻蚀玻璃板的渗透率。
3、打开第一针型阀21和第二针型阀22，在刻蚀玻璃板加持器51内通入不同流速的盐水；或在煤粉液混合池1中将一定粒径的煤粉混合均匀，直接用混砂泵3注入刻蚀玻璃板加持器51。
三、煤粉流动与观测过程
1、通过混砂泵3将煤粉液混合池1中的盐水或是煤粉液以不同流速的条件通入刻蚀玻璃板夹持器51。
2、通过压力传感器4，记录刻蚀玻璃板夹持器51前端的压力，通过量筒6记录流入岩心夹持器的流量。
3、打开光源53，通过高速摄像机52和影像处理系统54观测煤粉的运移情况。
四、固液流速以及固相测粒径量过程
1、通过量筒6测试液相和固相的共同体积流速Vt。
2、液固分离后，测试固相的体积流速Vc以及液相的体积流速Vw，根据记录的煤粉运移影像，划分煤粉开始运移、连续运移和开始沉降时刻的煤粉液流速。
3、通过激光粒度仪测试固相的粒径分布。
4、通过盐水测试实验后的刻蚀玻璃板夹持器51中刻蚀玻璃板的渗透率，并将刻蚀玻璃板中捕集的煤粉取出，测量其质量。
利用裂隙条件下煤粉群动力学特征的测试实验系统，我们还可以通过改变水的矿化度与酸碱度、系统的围压以及流动前端的压力来模拟这些因素对裂隙条件下煤粉群动力学特征的影响。
具体测试例如下：
裂隙条件下煤粉群动力学特征测的测试方法，应用上述测试系统，整个测试分为四个部分完成：包括四个过程：煤粉前处理过程、夹持器流体装载过程、煤粉流动与观测过程、固液流速以及固相测粒径量过程，具体步骤如下：
一、煤粉前处理过程
1、将取得的煤样粉碎，用振动筛获得不同粒径的煤粉样品。
2、通过电子天平测量不同粒径煤粉的质量，按一定比例配置不同粒径分布的煤粉样品。
二、夹持器流体装载过程
1、将一定粒径的煤粉放入刻蚀玻璃板中，将含有煤粉的刻蚀玻璃板放入刻蚀玻璃板夹持器51中，连接仪器设备；或直接将不含煤粉的刻蚀玻璃板放入岩心加持器51中，连接设备。
2、通过盐水测试刻蚀玻璃板夹持器51中刻蚀玻璃板的渗透率。
3、打开第一针型阀21和第二针型阀22，在玻璃板加持器51内通入不同流速的盐水；或在煤粉液混合池1中将一定粒径的煤粉混合均匀，直接用混砂泵3注入夹持器51。
三、煤粉流动与观测过程
1、通过混砂泵3将煤粉液混合池1中的盐水或是煤粉液以不同流速的条件通入刻蚀玻璃板夹持器51。
3、通过高速摄像机52和影像处理系统54，通过压力传感器4记录稳定流动后刻蚀玻璃板夹持器51前端的压力，通过量筒6记录流入岩心夹持器的流量。
四、固液流速以及固相测粒径量过程
1、通过量筒6测试液相和固相的共同体积流速Vt。
2、液固分离后，测试固相的体积流速Vc以及液相的体积流速Vw，记录煤粉开始运移、连续运移和开始沉降时刻的煤粉液流速。
3、通过激光粒度仪测试固相的粒径分布。
4、通过盐水测试实验后的刻蚀玻璃板夹持器51中刻蚀玻璃板的渗透率，并将刻蚀玻璃板中捕集的煤粉取出，测量其质量。
测试结果：
表格1的数据为实验测得的原始数据，表格2为通过计算得到的煤粉液动力学特征数据。
表1测量数据
表2煤粉运移动力学特征量
| 煤粉启动流速 | 稳定携粉流速 | 煤粉沉降流速 | 煤粉捕集量 | 渗透率最终值 |
| >5.23ml/min | >15.24ml/min | <4.57ml/ml | 50.24g | 2453.9mD |
本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本发明的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本发明的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (10)
1.一种裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，其特征在于，包括煤粉液供给系统、压力测试系统、裂隙流动观测系统、固液流速测量系统；所述煤粉液供给系统具体包括煤粉液混合池、第一针型阀、混砂泵，所述压力测试系统包括压力传感器、第二针型阀；所述裂隙条件模拟系统包括刻蚀玻璃板夹持器、摄像机、光源、计算机；所述固液流量系统包括量筒；所述第一针型阀的入口端连通煤粉液混合池，所述混砂泵的入口端连通第一针型阀的出口端，所述混砂泵的出口端连通第二针型阀的入口端，所述第二针型阀的出口端连通刻蚀玻璃板夹持器的入口端，所述量筒连通刻蚀玻璃板夹持器的出口端，所述摄像机、光源分别位于刻蚀玻璃板夹持器的相对两侧，摄像机连接影像处理系统。
2.根据权利要求1所述的裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，其特征在于，所述固液流量系统还包括激光粒度测试仪。
3.根据权利要求1或2所述的裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，其特征在于：所述煤粉液混合池与第一针型阀之间的连通管线、第一针型阀与混砂泵之间的连通管线、混砂泵与第二针型阀之间的连通管线、第二针型阀与刻蚀玻璃板夹持器之间的连通管线均为耐压管线。
4.根据权利要求1或2所述的裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试系统，其特征在于，所述摄像机为高速摄像机，所述影像处理系统为高速影像处理系统。
5.一种测试方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的动力学特征测试系统进行裂隙条件下煤粉群的动力学特征测试。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，包括以下过程：
a、煤粉前处理过程；
b、夹持器流体装载过程；
c、煤粉流动与观测过程；
d、固液流速以及固相测粒径量过程。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述煤粉前处理过程为：取煤样粉碎，用振动筛获得不同粒径的煤粉样品。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述夹持器流体装载过程包括：一定粒径的煤粉放入刻蚀玻璃板中，打开第一针型阀和第二针型阀，在玻璃板夹持器内通入水；或者，从煤粉液混合池中将一定粒径的煤粉混合均匀，直接用混砂泵注入夹持器。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述煤粉流动与观测过程包括：通过混砂泵将不同流速的煤粉液混合池中盐水或煤粉液通入刻蚀玻璃板夹持器中，打开光源，通过摄像机和影像处理系统观测煤粉的运移情况。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，所述固液流速以及固相测粒径量过程包括：通过量筒测试液相和固相的共同体积流速，液固分离后，测试固相的体积流速和粒径分布，再将刻蚀玻璃板夹持器中捕集的煤粉冲出，称量煤粉质量。
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