CN110700794B - 一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统，包括试件成型系统、实验箱体、供气系统、抽采系统和数据采集系统。试件成型系统主要包括：固定梁、液压油缸、支柱、成型压头、工作台、液压动力机构、控制台等组成；实验箱体左右相对的两侧面均设置有数据采集孔，箱体前后两侧分别设置有一个抽采孔；供气系统包括气瓶、减压阀、阀门、压力表、气路管；抽采系统主要由转子阀门、压力表、气路管、抽采管、三通接头、密封卡套、转子流量计和隔膜流量计组成；数据采集系统主要包括数据采集管、传感器、无纸记录仪、集成数据线、通讯接口、计算机。该实验系统操作简便，煤层相似材料的相似性高，可以实时采集多样、准确的实验数据。

Description

一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统

技术领域

本发明涉及煤层气开采技术领域，尤其涉及一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统。

背景技术

井下瓦斯抽采是我国获取瓦斯能源的主要方式。通常情况下，井下抽采的瓦斯浓度不高，且抽采量和浓度极易受到煤矿采掘的影响，所以其瓦斯资源利用率较低。地面钻井瓦斯抽采具有抽采期长、抽采浓度大的特点，其产出瓦斯可以大规模利用，从而把煤层气视为一种真正的矿产资源，但这种开发方式前期投入较大，所以为保证良好的经济效应，地面瓦斯抽采对煤层气含量、赋存条件等都有着较高的要求。

随着煤层开采深度加深，渗透率加大，普通的地面立井瓦斯抽采回报率越来越低，这使得地面井瓦斯抽采的发展遇到了瓶颈，多分支水平井具有增大井筒控制面积、提高瓦斯采出率的特点。水平井钻井成本虽然是地面立井的1.5~2倍，但其瓦斯抽采量却是地面立井的4~8倍。近些年来，随着定向钻进工艺水平的提高，多分支水平井在各地得到了广泛的推广和应用，但目前对多分支水平井作用下煤层瓦斯抽采过程中煤层气渗流特征，煤层瓦斯分布规律的研究还不够明晰，煤层多分支水平井分布参数的优化多根据工程经验，缺乏系统的理论指导。

通过实验室相似材料物理模拟实验对多分支水平井进行优化，研究多分支水平井形态对瓦斯抽采效果的影响以及煤储层参数的变化规律，从而合理减少钻孔进尺，节约工程成本，提高抽采效率，对现场工程应用有着极其重要的指导意义。

发明内容

针对现有煤层气开采技术领域中的大型物理模拟实验平台的单一性和局限性，本发明目的是提供一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统，包括试件成型系统，实验箱体，供气系统，抽采系统和数据采集系统。

所述试件成型系统包括固定梁、液压油缸、支柱、成型压头、工作台、液压动力机构、控制台、油管、集成线缆；所述工作台上通过多根支柱支撑有固定梁，所述固定梁底面安装液压油缸，所述液压油缸的伸缩杆端部安装成型压头；所述液压油缸通过油管连接液压动力机构，所述液压动力机构由控制台操作。

所述工作台上放置有实验箱体，所述实验箱体上左右相对的两侧面均设置有数据采集孔，实验箱体前后两侧分别设置有一个抽采孔，所述实验箱体上盖有密封盖，所述密封盖中央设有注气孔。

所述供气系统包括气瓶，所述气瓶依次通过气路管连接减压阀、阀门、压力表后与密封盖的注气孔连接。

所述抽采系统包括抽采主管，所述抽采主管通过三通接头连接若干抽采支管，所述抽采主管两端分别与实验箱体前后侧的抽采孔连接；所述抽采孔依次通过气路管连接阀门、压力表、转子流量计和隔膜流量计。

所述数据采集系统包括通过集成数据线依次连接的传感器柜体、无纸记录仪、通讯接口、计算机，所述实验箱体两侧的数据采集孔分别通过数据采集管与传感器柜体内的相应传感器连接。

实验时，首先在实验箱体内放入煤储层相似材料，设置压力参数，通过试件成型系统压制成型，之后通过气瓶注入实验气体，然后通过抽采系统进行试验。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、可以制作大尺寸煤储层相似材料，其物理性质相似程度有可控制、相似度高。

2、可以在模拟真实条件下煤层多分支井的瓦斯抽采过程，研究煤储层的渗流-温度-应力耦合物理场变化规律。

3、可以通过对系统的改进研究其他煤储层瓦斯抽采、驱替、增透等宏观实验，用途广泛。

4、操作简便，可以实时采集多样、准确的实验数据。

本发明设计合理，可以制作大尺寸煤储层相似材料，其物理性质相似程度有可控制、相似度高的优点。利用本发明不仅可以在模拟真实条件下煤层多分支井的瓦斯抽采过程，研究煤储层的渗流-温度-应力耦合物理场变化规律，还可以通过对系统的改进研究其他煤储层瓦斯抽采、驱替、增透等宏观实验，用途广泛。该实验系统操作简便，煤层相似材料的相似性高，可以实时采集多样、准确的实验数据。

附图说明

图1表示本发明系统的结构示意图。

图2表示实验箱体、密封盖、抽采管的结构示意图。

图3表示抽采管的断面结构。

图4表示抽采管的A1-A2剖面图。

图5表示抽采管的B1-B2剖面图。

图6表示物理实验箱体主视图。

图7表示物理实验箱体侧视图。

图8表示压力传感器密封结构示意图。

图9表示温度传感器密封结构示意图。

图中：1-固定梁，2-液压油缸，3-支柱，4-成型压头，5-工作台，6-液压动力机构，7-控制台，8-油管，9-集成线缆，10-实验箱体，11-固定板，12-气瓶，13-减压阀，14-阀门，15-压力表，16-（不锈钢）气路管，17-抽采主管，17a-抽采支管，18-三通接头，19a-压力传感器，19b-温度传感器（热电偶），20-转子流量计，21-隔膜流量计，22-数据采集管，23-传感器柜体，24-无纸记录仪，25-集成数据线，26-通讯接口，27-计算机；100-密封盖，101-硅胶密封圈，102-密封凹槽，103-数据采集孔，104-抽采孔，105-加强筋，106-螺孔，107-注气孔，108-注气孔圆型气腔，109-箱体内腔，110-（不锈钢）卡套接头，111-密封卡套，112-密封橡圈，113-（热电偶）测温线，114-环氧树脂；1701-内气管，1702-护孔管，1703-气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统，如图1所示，包括试件成型系统，实验箱体，供气系统，抽采系统和数据采集系统。

如图1所示，试件成型系统包括固定梁1、液压油缸2、支柱3、成型压头4、工作台5、液压动力机构6、控制台7、油管8、集成线缆9；工作台5上通过多根支柱3支撑有固定梁1，固定梁1底面安装液压油缸2，并通过安装于支柱3上的固定板11进一步固定，液压油缸2的伸缩杆端部安装成型压头4；液压油缸2通过油管8连接液压动力机构6，液压动力机构6通过油管8为液压油缸2提供动力。液压动力机构6由控制台7操作，控制台7通过集成线缆9与计算机27连接并对整个试件成型系统进行监测和控制。需要说明的是，试件成型系统中核心部件为500T成型压力机，该压力机可以选用满足该实验要求的任何型号压力机。成型压头4为压力机附属配件，尺寸为1000mm×1000mm×300mm，可以安装在液压油缸2下部，对放入实验箱体10内部的煤相似材料进行压制成型。试件成型过程可被分为三次。

如图1所示，工作台5上放置有实验箱体10。

如图7所示，实验箱体10上左右相对的两侧面均对称设置有36个（3×12）数据采集孔103，如图6所示，实验箱体10前后两侧分别设置有一个抽采孔104，如图2所示，实验箱体10外围四周有加强筋105，保证在做作煤相似材料和充入高压气体时箱体不会发生变形，实验箱体10上盖有密封盖100，实验箱体10上端面设有密封凹槽102，宽度为1cm的矩形的硅胶密封圈101放置于密封凹槽102内，实验箱体10与密封盖11之间采用硅胶密封圈101通过密封螺钉固定。密封盖100中央设有一个注气孔107，密封盖100内表面位于注气孔107处设有注气孔圆形气腔108，由传统的点对点接触转换为内措式接触，保证了箱体注气过程中的气密性。实验箱体10上部和密封盖100四周都设有螺孔106。需要特别说明的是，实验箱体10材质为钢，采用浇筑工艺制成，实验箱体10的内腔109尺寸为1000mm×1000mm×300mm，壁厚40mm，密封盖100尺寸为1200mm×1200mm，厚度40mm；实验箱体整体材质由QB235钢板加固组成，实验箱体10和密封盖100设置的所有通孔都有内螺纹，在密封盖板上拧上20个螺丝固定于箱体上，实验箱体10为物理模拟实验的主要容器。实验开始时，煤相似材料按照比例混合并被放入实验箱体10的内腔109。将硅胶密封圈101放入密封凹槽102后，用高强度密封螺钉将密封盖100和实验箱体10固定。该实验箱体是模拟煤层瓦斯赋存条件并保证整个过程的密封装置，数据采集孔配套相应尺寸的硅胶圈加密封堵头，可以实现不同路径，不同监测位置的切换。

该实验箱体10用于研究瓦斯抽采过程中煤层孔隙压力、温度的变化规律，以实现对煤层状态的实时监测；还可以利用箱体前后分别预设的抽气孔进行二元或多元气体注气驱替实验，实时监测抽采口的气体组分及浓度的变化。该物理实验箱体可以对煤层瓦斯抽采运移过程进行实时监测，可以改变注气和抽采口路径，采集监测水平层位及数量，具有操作简单和采集多样性的特点。

如图1所示，供气系统包括气瓶12，气瓶12依次通过不锈钢气路管16连接减压阀13、阀门14、压力表15后与密封盖100的注气孔107连接，不锈钢气路管16可以采用螺纹连接方式与注气孔107连接。气瓶12一般使用高纯甲烷气体，为了不同实验目的，也可使用其他气体。

如图2所示，抽采系统包括抽采主管17，抽采主管17通过三通接头18连接若干抽采支管17a，可以实现不同形状抽采管路的组装。本实施例中仅给出其中一种抽采管路形状，可以设计不同的抽采管路形状满足实验需求。抽采主管17两端分别与实验箱体10前后侧的抽采孔104连接，抽采主管17可以采用螺纹连接方式与抽采孔104连接；抽采孔104依次通过不锈钢气路管16连接阀门14、压力表15、转子流量计20和隔膜流量计21，不锈钢气路管16可以采用螺纹连接方式与抽采孔104连接。如图7所示，抽采孔104可以为台阶孔，其大端与抽采主管17螺纹连接、其小端与不锈钢气路管16螺纹连接。需要说明的是，本实施例中所述抽采主管17及抽采支管17a采用的是黄铜管，也可采用其他不易受压变形、耐腐蚀的材质。不锈钢气路管16为钢管，柔韧性比黄铜管弱，易保持形态，不易受压变形。

进一步的，抽采主管17由护孔管1702和内气管1701嵌套组成，护孔管1702和内气管1701的两端通过环板连接后构成管路，护孔管1702和内气管1701之间具有一定的间隙，用于气体通过；抽采主管17和抽采支管17a的结构相同；如图3、5所示，护孔管1702的管壁上沿轴向开有多组气孔，每组气孔数量为四个、且分布于护孔管1702同一截面的径向四个方向；如图3、4所示，内气管1701的管壁上开有多组气孔，每组气孔数量为四个、且分布于内气管1701同一截面的径向四个方向；如图3所示，护孔管1702和内气管1701上的每组气孔位于同一截面、且位置相错，即护孔管1702和内气管1701的管壁都内错设置四个对称的气孔1703。抽采主管17由管路和多个三通接头构成，管路中位于外部的护孔管上加工有螺纹，用于安装三通接头，每个三通接头也都连接一根抽采支管17a，模拟构成多分支水平井。抽采时，气体由护孔管1702的管壁上的气孔1703进入，沿护孔管1702和内气管1701之间的间隙，由内气管1701管壁上的气孔1703进入内气管1701，内气管是相通的，然后通过实验箱体10的抽采孔104进入不锈钢气路管16后抽采出。

如图1所示，数据采集系统包括通过集成数据线25依次连接的传感器柜体23、无纸记录仪24、通讯接口26、计算机27，实验箱体10两侧的数据采集孔103分别通过数据采集管22与传感器柜体23内的相应传感器连接，从而实现对实验数据的实时采集。本实施例中采用的有压力传感器19a和温度传感器19b，也可以根据实验目内容使用其他类型传感器。

压力传感器密封结构主要包括压力传感器19a、数据采集管10（钢管）、不锈钢卡套接头110、密封橡圈112等。如图8所示，实验箱体10左侧的数据采集孔103内安装密封卡套111，以保证箱体的气密性，位于传感器柜体23内的每个压力传感器19a分别连接数据采集管22后穿过相应的密封卡套111伸入至实验箱体10内，密封卡套111外端通过密封胶圈112安装卡套接头110后将该数据采集管22固定。采用压力传感器进行监测时，煤层内各点处气体压力由气体压力传感器监测，由于压力传感器体积大，埋入煤层会影响实验效果，所以在实验过程中采取箱体外测量的方式进行监测，数据采集管（不锈钢气路管）末端放置在箱体内测点处，将测点处的气体压力传送到实验箱体外侧的压力传感器处进行测量。为减小不锈钢气路管内气体含量的差异对监测结果的影响，不锈钢气路管长度均相等。

温度传感器密封结构主要包括热电偶测温线113、不锈钢卡套接头111、密封橡圈112、环氧树脂114、温度传感器19b。如图9所示，实验箱体10右侧的数据采集孔103内安装密封卡套111，以保证箱体的气密性，密封卡套111内穿过数据采集管22（可以采用不锈钢气路管），每根数据采集管22内通过环氧树脂114密封穿过测温线113，密封卡套111外端通过密封胶圈112安装卡套接头110后将该数据采集管22固定，测温线113一端与埋设于实验箱体10的温度传感器19b连接、其另一端连接无纸记录仪24。需说明的是，对于煤层温度的监测需要将温度传感器埋于箱体内部，温度传感器19b的热电偶测温线113需要穿过箱体连接到无纸记录仪24上进行监测，温度监测孔的密封方法就是在压力监测孔密封的基础上将热电偶测温线穿过不锈钢气路管注入环氧树脂进行密封。在箱体中埋设温度传感器时，应避免传感器触头与箱体外壳碰触，以免影响实验误差。温度传感器较长，在安装中应避免触头发生弯曲与碰撞。温度传感器为易损坏物件，在固定传感器时切勿用力过大。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种多分支水平井煤层瓦斯抽采物理模拟实验系统，其特征在于，包括试件成型系统，实验箱体，供气系统，抽采系统和数据采集系统；

所述试件成型系统包括固定梁（1）、液压油缸（2）、支柱（3）、成型压头（4）、工作台（5）、液压动力机构（6）、控制台（7）、油管（8）、集成线缆（9）；所述工作台（5）上通过多根支柱（3）支撑有固定梁（1），所述固定梁（1）底面安装液压油缸（2），所述液压油缸（2）的伸缩杆端部安装成型压头（4）；所述液压油缸（2）通过油管（8）连接液压动力机构（6），所述液压动力机构（6）由控制台（7）操作；

所述工作台（5）上放置有实验箱体（10），所述实验箱体（10）上左右相对的两侧面均设置有数据采集孔（103），实验箱体（10）前后两侧分别设置有一个抽采孔（104），所述实验箱体（10）上盖有密封盖（100），所述密封盖（100）中央设有注气孔（107）；

所述供气系统包括气瓶（12），所述气瓶（12）依次通过气路管（16）连接减压阀（13）、阀门（14）、压力表（15）后与密封盖（100）的注气孔（107）连接；

所述抽采系统包括抽采主管（17），所述抽采主管（17）通过三通接头（18）连接若干抽采支管（17a），所述抽采主管（17）两端分别与实验箱体（10）前后侧的抽采孔（104）连接；所述抽采孔（104）依次通过气路管（16）连接阀门（14）、压力表（15）、转子流量计（20）和隔膜流量计（21）；

所述数据采集系统包括通过集成数据线（25）依次连接的传感器柜体（23）、无纸记录仪（24）、通讯接口（26）、计算机（27），所述实验箱体（10）两侧的数据采集孔（103）分别通过数据采集管（22）与传感器柜体（23）内的相应传感器连接；

所述控制台（7）通过集成线缆（9）与计算机（27）连接；

所述实验箱体（10）上左右两侧面对称均设置有36个数据采集孔（103）；

所述实验箱体（10）外围四周设有加强筋（105）；

所述实验箱体（10）上端面设有密封凹槽（102），所述实验箱体（10）与密封盖（100）之间采用硅胶密封圈（101）通过密封螺钉固定；

所述抽采主管（17）由护孔管（1702）和内气管（1701）嵌套组成；所述护孔管（1702）的管壁上沿轴向开有多组气孔，每组气孔数量为四个、且分布于护孔管（1702）同一截面的径向四个方向；所述内气管（1701）的管壁上开有多组气孔，每组气孔数量为四个、且分布于内气管（1701）同一截面的径向四个方向；所述护孔管（1702）和内气管（1701）上的每组气孔位于同一截面、且位置相错；

所述实验箱体（10）左侧的数据采集孔（103）内安装密封卡套（111），位于传感器柜体（23）内的压力传感器（19a）分别连接数据采集管（22）后穿过相应的密封卡套（111）伸入至实验箱体（10）内，所述密封卡套（111）外端通过密封胶圈（112）安装卡套接头（110）后将该数据采集管（22）固定；

所述实验箱体（10）右侧的数据采集孔（103）内安装密封卡套（111），所述密封卡套（111）内穿过数据采集管（22），每根数据采集管（22）内通过环氧树脂（114）密封穿过测温线（113），所述密封卡套（111）外端通过密封胶圈（112）安装卡套接头（110）后将该数据采集管（22）固定，所述测温线（113）一端与埋设于实验箱体（10）的温度传感器（19b）连接、其另一端连接无纸记录仪（24）；

所述密封盖（100）内表面位于注气孔（107）处设有注气孔圆形气腔（108）。

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