CN110410061A - 一种煤层气渗透滤失测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气渗透滤失测试装置，属于能源与机械测量技术领域，包括装置本体，所述装置本体有工业铝合金框架和钢化玻璃组成的密闭加压水仓、有计量泵、流量计和压力表管道系统组成的泵送系统、湿度传感器、称重传感器、数据采集卡，控制箱，所述控制箱内部有电脑主机、控制电路板、电源模块。本装置通过泵送系统对煤岩进行压裂液滤失实验，所述湿度传感器实时监测压裂液在滤失过程中液体走向，同时整个装置都采用钢化玻璃结构，在保证滤失装置的强度情况下可以对煤样滤失整个进行观察，并且所述高精度称重传感器，对滤失过程实时监测，通过上位机软件LABVIEW测得滤失过程的滤失量和滤失速率。

Description

一种煤层气渗透滤失测试装置

技术领域

本发明涉及机械测量技术领域，具体为一种煤层气渗透滤失测试装置。

背景技术

煤层气是一种非常规天然气，是我国21世纪主要的接替能源之一。煤层气主要以三种状态存在于煤层中，其三种状态主要是：在煤孔隙表面上呈吸附状态、在煤的孔隙及裂缝内呈游离状态、溶解在煤层水中呈游离状态。其中吸附状态是主要形态，吸附气量占煤层气含量的绝大多数。一般煤层气的开采主要是利用水力压裂来进行开发的。水力压裂通常要向钻孔中注入高压液体并限制其在预定井段压开煤层，形成长达数十米至一百多米的夹砂裂缝，然后排水降压。当煤层压力降至解吸压力以下时，煤层气从煤的微孔表面解吸，并扩散进入煤的裂隙系统，再从裂隙系统渗流至压开的裂缝中，最后在比原井眼面积大得多的裂缝中汇集流向井眼并被采出至地面。煤储层压裂产生的裂缝最好与煤层的开采面割理方向垂直，以获得更高的产气量，因此压裂效果直接关系到生产井的成败。在压裂过程中，裂缝几何形态及导流能力是压裂设计的核心，分析压裂液在煤层中流动情况对煤层气井压裂设计的准备工作是非常重要的。

压裂过程中压裂液会随着裂缝向地层滤失，煤岩压裂计算中不可忽略的一个重要参数之一就是滤失系数。一般来说，直接利用常规的滤失系数公式，带入试验测定的渗透率和孔隙度值计算，结果和实际情况会偏差很大。其主要原因是由于常规砂岩储层比煤的孔隙压缩变化系数要大得多，这种大的压缩性会让煤岩对压力变化非常敏感。压裂液被泵送入煤层时，压裂液的压力远大于地层表面流体压力，这种压差会使得煤层原来的缝隙孔隙变大。这样煤层中天然裂缝会被撑开，导致压裂液的滤失，并且影响裂缝发育。

压裂液粘度、压裂液的造壁性、流体的压缩性直接影响着压裂液在裂缝中的滤失效果。这是由于煤岩孔隙-裂隙结构的发育，同时煤岩本身的渗透率也不高，因此施工过程中采用造壁性弱的压裂液在煤裂缝表面就形成不了滤缝用来阻止进一步的滤失。所以压裂液的滤失系数不会是一个恒定值，会受到缝内净压力变化影响。

压裂液的大量滤失也可能是由于原生裂缝的影响，这是因为压裂液从原生裂缝渗透到地层，造成孔隙压力上升，拉伸应力作用减弱，裂隙不容易被起裂。这样流体不足以开启新的裂缝而是不断滤失到岩石之中。因此，对煤层中压裂液滤失的测定主要考虑的参数是滤失系数，其中还需要考虑的是地层应力、煤岩中裂缝走向等。

滤失效应严重影响了水力压裂现场施工效果,为了节约成本,必须设计滤失试验仪器开展室内实验研究。根据煤层气藏的特点,通过滤失实验研究便于更好的评估压裂液的压裂效果，对煤层压裂设计、压裂液的选择等有指导作用。在滤失实验基础上,形成较为规范的滤失室内评价技术,对推动煤储层水力压裂技术的发展具有重要意义。

煤岩压裂液滤失实验方法，大部分是常规油气储层的压裂液滤失实验方法，这类方法主要是通过泵将压裂液泵入并调整回压使压裂液在一定的滤失压差下并以一定剪切速率流过岩心端面，压裂液一部分滤失到岩心内，另一部分通过岩心壁面流走，测取滤失到岩心的滤液的时间和滤失量。对煤岩进行滤失实验时，采用的是类似的技术。这种方法最主要的缺陷是岩芯太小，而且经过处理的煤岩芯的岩石物理性质已完全改变，不能不能代表煤储层的滤失能力。这些滤失实验都是对压裂液做相关评价，不能评价煤储层的滤失能力及压裂液滤失的时空分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤层气渗透滤失测试装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤层气渗透滤失测试装置，包括装置本体，所述装置本体有工业铝合金框架和钢化玻璃组成的密闭加压水仓、有计量泵、流量计和压力表管道系统组成的泵送系统、湿度传感器、称重传感器、数据采集卡，控制箱，所述控制箱内部有电脑主机、控制电路板、电源模块等，所述通过泵送系统对煤岩进行压裂液滤失实验，所述湿度传感器实时监测压裂液在滤失过程中液体走向，同时整个装置都采用钢化玻璃结构，在保证滤失装置的强度情况下可以对煤样滤失整个进行观察，并且所述高精度称重传感器，对滤失过程实时监测，通过上位机软件LABVIEW测得滤失过程的滤失量和滤失速率，并且可以同时通过试验测得不同煤样，不同压裂液的滤失量和滤失速率。

优选的，所述方法包括以下步骤：

步骤1：打开所述泵送系统，在加满水时通过所述称重传感器测出此时重量；

步骤2：观察煤样有清水渗出时试验现象，记录此时水压，所述称重传感器，湿度传感器数据；

步骤3：关掉水泵，停止给水，处理干净渗流出来的水，记录此时所述称重传感器数据，并关闭计算机控制器数据采集；

步骤4：拆卸煤样，测出煤样重量。

优选的，所述湿度传感器布置在煤样底部，用来监控压裂液在滤失过程中的走向。

优选的，所述称重传感器在装置本体的底部，用来实时监测滤失过程中的质量变化；所述数据采集卡用来采集湿度传感器和称重传感器所采集的信号。

优选的，所述铝合金型框主要起保护和支撑玻璃水仓的作用，所述渗水口主要起减小煤样和出水口的接触面积，所述后挡板和导向装置用来加持固定不同大小和形状的煤样。

优选的，所述铝合金框和螺杆挡板组成的可试压加持系统，可实现加压来模拟底层压力。

优选的，所述通过泵泵送水通过出水口进入高压软管，此时开启总水阀，同时此刻泄压水阀是关闭的，水通过三通阀，水通过快速接头向注水仓流入，此时压力表压力为零，同时慢慢开启泄压水阀，慢慢调节泄压水口出水量，此时压力表的压力会产生一个波动，适时调节泄压水口使压力维持在需要的位置。当滤失完成后直接拔掉快速接头，然后就可以对整个仪器称重，算出煤样滤失量。

优选的，所述数据采集卡能实时采集装置的湿度和重量数据，并传递给上位机。

优选的，所述控制电路有单片机、水泵和24v电源模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)设计能够模拟地层滤失渗水的试验仪器机械装置；

(2)能够适用于各种大小不同，地层不同的煤岩滤失试验；

(3)可自动检测滤失情况，并对数据进行存储和处理；

(4)可实现对原始数据进一步优化分析，对煤样滤失效果评价，本发明设计合理，功能齐全，使用方便可靠，高精度，高效率。

附图说明

图1是本发明一种煤层气渗透滤失测试装置的工作流程图；

图2是本发明一种煤层气渗透滤失测试装置的整体机械结构示意图；

图3是本发明一种煤层气渗透滤失测试装置的围压加载装置结构示意图；

图4是本发明一种煤层气渗透滤失测试装置的加载装置结构示意图；

图5是本发明一种煤层气渗透滤失测试装置的泵送水压系统结构示意图。

图中：1、铝合金型框，2、玻璃水仓，3、渗水口，4、煤样，5、后挡板，6、导向装置，7、围压机构，8、布置湿度传感器底板，21、螺杆，22、螺母，23、后挡板，24、铝合金框架，25、前挡板，26、左侧挡板，27、煤样，28、右侧挡板，29、铝合金框架，31、铝合金框架，32、螺母，33、螺杆，34、铝合金框架，41、计量泵电动机，42、计量泵出水口，43、计量泵进水口，44、计量泵泵体，45、总水阀，46、三通阀，47、压力表，48、泄压水阀，49、泄压水口，410、快速接头，411、注水仓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种煤层气渗透滤失测试装置，

请参考图1，本发明提供的煤层气渗透滤失测试装置工作流程图，在不对煤岩压裂情况下，取得大块原样煤岩，采用0-3Mpa内可调泵送系统对煤岩进行压裂液滤失试验，并通过在大煤样底部布置湿度传感器来实时监测压裂液在滤失过程中液体走向，同时整个装置都采用钢化玻璃结构，在保证滤失装置的强度情况下可以对煤样滤失整个进行观察，并且装置底部安装有高精度称重传感器，对滤失过程实时监测，通过上位机软件测得滤失过程的滤失量和滤失速率，并且可以同时通过试验测得不同煤样，不同压裂液的滤失量和滤失速率。

请参考图2，本发明提供的煤层气渗透滤失测试装置整体机械结构示意图，玻璃水仓2是安装在铝合金型框1内部，铝合金型框1主要起保护和支撑玻璃水仓2的作用，由于钢化玻璃采用的工艺是将玻璃热处理，而且热处理之后的钢化玻璃有内应力不能进行加工，因此，钢化玻璃直接的配合尺寸难免会有很大的误差，这种误差会导致玻璃和玻璃直接配合有很大的缝隙，这种缝隙在高水压下使用一般的密封材料是做不到密封的，因此这里需要密封胶来进行玻璃框架的内密封，同时由于煤样4的表面粗糙度很大，而且煤岩的易碎性导致了煤端面密封比较难以解决，这里加入渗水口3这样的一个零件，减小煤样和出水口的接触面积，同时利用塑钢泥的固化性和防水性对渗水口和煤样接触边界进行密封，使塑钢泥完全固化，同时由于实验每次使用煤样的大小和形状有很大差异，因此煤样加持固定也必须根据不同的煤样进行固定。这里采用铝合金制作的后挡板5，后面采用螺杆推杆和后挡板固定，底部采用滑轮导向6，在盒子后面用螺母对螺杆进行实时固定，这样利用渗水口和后挡板对不同煤样进行加持固定。

请参考图3和图4，本发明提供的煤层气渗透滤失测试装置围压加载装置图级简化后加压装置图，主要有螺杆21，螺母22，后挡板23，铝合金框架24，前挡板25，左侧挡板26，煤样27，右侧挡板28，铝合金框架29和铝合金框架31，螺母32，螺杆33，铝合金框架34，通过此装置组成的可试压加持系统，对煤样实现加压来模拟底层压力。

请参考图5，本发明提供的煤层气渗透滤失测试装置整体泵送水压系统结构图，泵送系统的主要工作流程是通过泵泵送水通过计量泵出水口42进入高压软管，此时开启总水阀45，同时此刻泄压水阀48是关闭的，水通过三通阀46，水通过快速接头410向注水仓411流入，此时压力表47压力是为零的，随着注水仓水注满，水的压力慢慢上升，产生了一个背压效果，压力表水压度数会慢慢上升，同时慢慢开启泄压水阀48，慢慢调节泄压水口出水量，此时水压表的压力会产生一个波动，适时调节泄压水口49使压力维持在需要的位置，当滤失完成后直接拔掉快速接头，然后就可以对整个仪器称重，算出煤样滤失量，剩余装置为计量泵电动机41，计量泵进水口43，计量泵泵体44。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种煤层气渗透滤失测试装置及其方法，包括装置本体，所述装置本体有工业铝合金框架和钢化玻璃组成的密闭加压水仓、有计量泵、流量计和压力表管道系统组成的泵送系统、湿度传感器、称重传感器、数据采集卡，控制箱，所述控制箱内部有电脑主机、控制电路板、电源模块等，所述通过泵送系统对煤岩进行压裂液滤失实验，所述湿度传感器实时监测压裂液在滤失过程中液体走向，同时整个装置都采用钢化玻璃结构，在保证滤失装置的强度情况下可以对煤样滤失整个进行观察，并且所述高精度称重传感器，对滤失过程实时监测，通过上位机软件LABVIEW测得滤失过程的滤失量和滤失速率，并且可以同时通过试验测得不同煤样，不同压裂液的滤失量和滤失速率。

2.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：打开所述泵送系统，在加满水时通过所述称重传感器测出此时重量；

步骤2：观察煤样有清水渗出时试验现象，记录此时水压，所述称重传感器，湿度传感器数据；

步骤3：关掉水泵，停止给水，处理干净渗流出来的水，记录此时所述称重传感器数据，并关闭计算机控制器数据采集；

步骤4：拆卸煤样，测出煤样重量。

3.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述湿度传感器布置在煤样底部，用来监控压裂液在滤失过程中的走向。

4.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述称重传感器在装置本体的底部，用来实时监测滤失过程中的质量变化；所述数据采集卡用来采集湿度传感器和称重传感器所采集的信号。

5.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述铝合金型框(1)主要起保护和支撑玻璃水仓(2)的作用，所述渗水口(3)主要起减小煤样和出水口的接触面积。所述后挡板(5)和导向装置(6)用来加持固定不同大小和形状的煤样。

6.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述铝合金框(24,29)和螺杆挡板(21,23，25,26,28,)组成的可试压加持系统，可实现加压来模拟底层压力。

7.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述通过泵泵送水通过出水口(42)进入高压软管，此时开启总水阀(45)，同时此刻泄压水阀(48)是关闭的，水通过三通阀(46)，水通过快速接头向注水仓(411)流入，此时压力表(47)压力为零，同时慢慢开启泄压水阀(48)，慢慢调节泄压水口(49)出水量，此时压力表(47)的压力会产生一个波动，适时调节泄压水口(49)使压力维持在需要的位置，当滤失完成后直接拔掉快速接头(410)，然后就可以对整个仪器称重，算出煤样滤失量。

8.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述数据采集卡能实时采集装置的湿度和重量数据，并传递给上位机。

9.根据权利要求1所述的一种煤层气渗透滤失测试装置，其特征在于：所述控制电路有单片机、水泵和24v电源模块。