CN112049610B - 煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置与方法，包括用于对多层煤层合层排采时参数变化进行测试的参数动态变化测试系统、用于向参数动态变化测试系统内注入气体和液体的若干组气液注入系统、数据采集处理系统，参数动态变化测试系统包括若干单一煤层基块及应力加载机构、排采井筒和测试机构，若干单一煤层基块及应力加载机构通过第一管路相互连通成至少两层，每个单一煤层基块及应力加载机构均通过第二管路连通一组气液注入系统，排采井筒通过第二管路与单一煤层基块及应力加载机构连通，本发明能够较准确的判识出多煤层合层排采煤层气井不同储层渗透率、压力梯度、所受应力环境、围岩补给等条件下的动态参数变化。

Description

煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置与方法

技术领域

本发明涉及多煤层排采技术领域，特别是一种煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置与方法。

背景技术

我国很多地区发育有多煤层，若仅对其中的一层煤进行开发，开发时的成本相对可能较高。若对多煤层发育区进行合层开发，原始状态下两层煤或多层煤的储层压力梯度、储层渗透率、围岩补给量等差异性导致排采时两层煤或多层煤储层压力、有效应力、渗透率等参数变化不同，这些变化的差异会对煤层的产水量、产气量、排采影响半径等参数产生重要影响。为了研究排采时煤储层动态参数的变化规律和耦合作用及层间干扰，一些研究者基于地下水动力学、渗流力学原理建立合层排采数学模型，求取排采过程中的动态参数。一些研究者采用Eclipse、Comet、CMG、Matlab等软件进行模拟计算，设置参数的准确程度对模拟结果影响较大。采用试井的方法耗费时间长、费用高，不可能对所有的井都进行试井操作。尤其是当两层或两层以上的煤层合层排采时，不同排采压降速率下引起的煤层渗透率的变化不同。为了查明合层排采时不同降压速率下引起的动态参数变化规律及耦合作用下影响半径和产气效果的差异，亟需研制一种针对两层或多层煤合层采用不同排采降压速率排采时，不同储层渗透率、压力梯度、所受应力环境、围岩补给等条件下的动态参数变化，以期得出不同储层条件下合层排采时最优的排采工作制度，为最大化的煤层气累计产气量提供重要保障。

发明内容

本发明是针对目前两层或两层以上的煤层合层排采时，不同压降速度下每层煤的排采动态参数变化规律不明，导致排采工作制度制定盲目的问题，通过研制该测试装置，能对两层或两层以上的煤层合层排采时不同储层压力、压降速度、围岩补给量等条件下的各个煤层的渗透率、影响半径、产水量、产气量等参数变化进行测试，得出不同储层条件下压降速率-渗透率之间的关系，以期为最大化的提高煤层气井合层排采的累计产气量提供重要保障。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，包括用于对多层煤层合层排采时参数变化进行测试的参数动态变化测试系统、用于向参数动态变化测试系统内注入气体和液体的若干组气液注入系统、数据采集处理系统，所述参数动态变化测试系统包括若干单一煤层基块及应力加载机构、排采井筒和测试机构，若干单一煤层基块及应力加载机构通过第一管路相互连通成至少两层，每个单一煤层基块及应力加载机构均通过第二管路连通一组气液注入系统，所述排采井筒通过第二管路与单一煤层基块及应力加载机构连通，所述测试机构包括第一流量计、第二流量计、压力表、第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一流量计、压力表和第一电磁阀均位于第一管路上，所述第二流量计和第二电磁阀均位于第二管路上，所述第二管路上设置有用于将气体和液体压入到单一煤层基块及应力加载机构的气体压缩泵，所述数据采集系统包括计算机和数据线，所述数据线分别与第一流量计、第二流量计、压力表、第一电磁阀、第二电磁阀相连接；

进一步的，所述单一煤层基块及应力加载机构包括煤层基块、用于为实验煤样加载围压的围压加载水袋和用于为实验煤样加载轴压的环形承压钢板，所述煤层基块包括中空的煤芯仓位、 位于煤芯仓位两端的第一入水口和出水口、位于煤芯仓位上的第二入水口和第三入水口，所述第一入水口通过第一管路连通相邻的煤层基块的出水口，所述第二入水口通过第二管路连通气液注入系统，邻层的煤层基块之间通过第三入水口和第一管路相互连通；

进一步的，所述围压加载水袋包覆在煤芯仓位的外壁上，所述环形承压钢板位于煤芯仓位的侧端、并通过后盖与煤芯仓位固定，所述后盖通过煤芯仓位上设置的螺纹接口与煤芯仓位螺纹连接，所述环形承压钢板与煤芯仓位的侧壁之间设置有环形橡胶垫；

进一步的，所述排采井筒包括外筒和内筒，所述外筒与内筒通过第三管路相互连通，所述第三管路上设置有单向阀，所述单向阀的控制方向为由内筒到外筒，所述内筒的外侧壁上设置有至少两个侧向口，所述侧向口通过第二管路与单一煤层基块及应力加载机构连通，所述内筒的上部安装有电动机，所述电动机上固定有抽水垫片，所述抽水垫片与内筒的内径相同。

进一步的，所述气液注入系统包括氮气瓶、水箱、电控阀门、气体压缩泵、液体泵、气液混合箱、废液箱，所述氮气瓶通过第四管路与气液混合箱连通，所述水箱通过第五管路与气液混合箱连通，所述气液混合箱通过第二管路与单一煤层基块及应力加载机构连接，所述气液混合箱的底部通过第六管路与废液箱连通；

进一步的，所述第四管路上设置有电控阀门、气体压缩泵和第三流量计，所述第五管路上设置有电控阀门、液体泵和第四流量计，所述第六管路上设置有电控阀门和第五流量计；

一种煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）仪器调试与组装：首先检查第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计、第五流量计、压力表、电磁阀、电控阀门、气体压缩泵、液体泵运行正常，并对其进行仪表调零，在单一煤层基块及应力加载机构内放入实验用煤柱后依次对参数动态变化测试系统、气液注入系统和数据采集处理系统进行组装，管路接口处缠防水胶带做密封处理，最后采用数据线分别连接第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计、第五流量计、压力表、电磁阀、电控阀门、气体压缩泵、液体泵。

（2）气密性检查：完成组装后进行气密性检查，首先关闭所有管路阀门，所述管路阀门包括电磁阀和电控阀门，打开气体压缩泵后，开始向系统内注气，依次打开各个管路阀门，对应各个流量计、压力表等仪表偏转正常，即证明仪器气密性良好，检查结束后依次关闭所有管路阀门。

（3）实验参数设置：根据实验需求和设定的排采制度依次调节气体压缩泵注入气体压力、液体泵注入液体压力，煤层围压、轴压加载参数，井筒排采速率。向实验系统内注入水用以驱替各管路内的气体。

（4）煤层气井合层排采过程参数动态变化测试：准备工作结束后，开始排采井筒内的水，排采井筒和煤层基块之间压差逐渐增大，当压差增大至设定启动压力时，电磁阀打开，煤层基块内的水开始向排采井筒内流动，煤层基块和煤层基块间的控制原理与煤层基块和排采井筒间的控制原理相同；当煤层基块内压力下降至临界解吸压力时，气液注入系统由单一液相注入转为气水混合相注入。

（5）数据处理与分析：煤层气井合层排采过程参数动态变化测试结束后，整理存档实验过程中计算机记录的各仪表数据，以备后期人工查验和数据分析。

与现有技术相比，本发明的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置与方法，具备以下有益效果:

(1) 通过本发明的层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，能够较准确的判识出多煤层合层排采煤层气井不同储层渗透率、压力梯度、所受应力环境、围岩补给等条件下的动态参数变化。

（2）通过本发明的层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，能够较准确查明排采过程中多煤层储层环境差异下层间窜流和井口倒灌现象。

（3）本发明的装置可实现不同储层条件下煤层气井合层排采过程参数动态变化测试，为制定相应条件下最优的排采工作制度提供指导，为最大化的煤层气累计产气量提供重要保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统连接结构示意图；

图2为本发明的气液注入系统连接结构示意图；

图3为本发明的单一煤层基块及应力加载机构示意图；

图4为图3的侧视结构示意图；

图5为本发明的排采井筒结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-5所示的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，包括用于对多层煤层合层排采时参数变化进行测试的参数动态变化测试系统、用于向参数动态变化测试系统内注入气体和液体的若干组气液注入系统、数据采集处理系统，所述参数动态变化测试系统包括若干单一煤层基块及应力加载机构、排采井筒和测试机构，若干单一煤层基块及应力加载机构通过第一管路1相互连通成至少两层，每个单一煤层基块及应力加载机构均通过第二管路2连通一组气液注入系统，所述排采井筒通过第二管路2与单一煤层基块及应力加载机构连通，所述测试机构包括第一流量计3、第二流量计4、压力表5、第一电磁阀6和第二电磁阀7，所述第一流量计3、压力表5和第一电磁阀6均位于第一管路1上，所述第二流量计4和第二电磁阀7均位于第二管路2上，所述第二管路2上设置有用于将气体和液体压入到单一煤层基块及应力加载机构的气体压缩泵8，所述数据采集系统包括计算机9和数据线10，所述数据线10分别与第一流量计3、第二流量计4、压力表5、第一电磁阀6、第二电磁阀7相连接，第一流量计3、压力表5用于监测排采过程中流体流量和单一煤层基块及应力加载机构的压力，当不同单一煤层基块及应力加载机构间的压力差达到预先设定参数时，第一电磁阀6打开，向排采井筒内流动。

如图3-4所示，在本实施例中，所述单一煤层基块及应力加载机构包括煤层基块11、用于为实验煤样加载围压的围压加载水袋12和用于为实验煤样加载轴压的环形承压钢板13，所述煤层基块包括中空的煤芯仓位110、 位于煤芯仓位两端的第一入水口111和出水口112、位于煤芯仓位110上的第二入水口113和第三入水口114，所述第一入水口111通过第一管路1连通相邻的煤层基块11的出水口112，所述第二入水口113通过第二管路2连通气液注入系统，邻层的煤层基块11之间通过第三入水口114和第一管路1相互连通，煤芯仓位110用于放置实验煤柱。

如图3-4所示，在本实施例中，所述围压加载水袋12包覆在煤芯仓位110的外壁上，围压加载水袋12可以设置水袋进出水口，通过水袋内注水量控制围压，所述环形承压钢板13位于煤芯仓位110的侧端、并通过后盖14与煤芯仓位110固定，所述后盖14通过煤芯仓位110上设置的螺纹接口115与煤芯仓位110螺纹连接，通过后盖14旋入螺纹接口115的距离限定实验用加载轴压，所述环形承压钢板13与煤芯仓位110的侧壁之间设置有环形橡胶垫15。螺纹接口115用于连接环形承压钢板13为实验煤样加载轴压；环形橡胶垫14用于增加气密性和保护实验煤样。

如图1-2所示，在本实施例中，所述气液注入系统包括氮气瓶16、水箱17、电控阀门18、气体压缩泵19、液体泵20、气液混合箱21、废液箱22，所述氮气瓶16通过第四管路23与气液混合箱21连通，所述水箱17通过第五管路24与气液混合箱21连通，所述气液混合箱21通过第二管路2与单一煤层基块及应力加载机构连接，所述气液混合箱21的底部通过第六管路25与废液箱22连通。

如图1-2所示，在本实施例中，所述第四管路23上设置有电控阀门18、气体压缩泵19和第三流量计26，所述第五管路24上设置有电控阀门18、液体泵20和第四流量计27，所述第六管路25上设置有电控阀门18和第五流量计28，所述废液箱22上设置有放空口29。

如图5所示，在本实施例中，所述排采井筒包括外筒30和内筒31，所述外筒30与内筒31通过第三管路32相互连通，所述第三管路32上设置有单向阀33，所述单向阀33的控制方向为由内筒31到外筒30，所述内筒31的外侧壁上设置有至少两个侧向口34，所述侧向口34通过第二管路2与单一煤层基块及应力加载机构连通，所述内筒31的上部安装有电动机35，所述电动机35上固定有抽水垫片36，所述抽水垫片36与内筒31的内径相同，电动机35用以带动抽水垫片36，将水从内筒压入外筒30和煤层基块中。

如图1-5所示，煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）仪器调试与组装：首先检查第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计、第五流量计、压力表、电磁阀、电控阀门、气体压缩泵、液体泵运行正常，并对其进行仪表调零，在单一煤层基块及应力加载机构内放入实验用煤柱后依次对参数动态变化测试系统、气液注入系统和数据采集处理系统进行组装，管路接口处缠防水胶带做密封处理，最后采用数据线分别连接第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计、第五流量计、压力表、电磁阀、电控阀门、气体压缩泵、液体泵。

（2）气密性检查：完成组装后进行气密性检查，首先关闭所有管路阀门，所述管路阀门包括电磁阀和电控阀门，打开气体压缩泵后，开始向系统内注气，依次打开各个管路阀门，对应各个流量计、压力表等仪表偏转正常，即证明仪器气密性良好，检查结束后依次关闭所有管路阀门。

（3）实验参数设置：根据实验需求和设定的排采制度依次调节气体压缩泵注入气体压力、液体泵注入液体压力，煤层围压、轴压加载参数，井筒排采速率。向实验系统内注入水用以驱替各管路内的气体。

（4）煤层气井合层排采过程参数动态变化测试：准备工作结束后，开始排采井筒内的水，排采井筒和煤层基块之间压差逐渐增大，当压差增大至设定启动压力时，电磁阀打开，煤层基块内的水开始向排采井筒内流动，煤层基块和煤层基块间的控制原理与煤层基块和排采井筒间的控制原理相同；当煤层基块内压力下降至临界解吸压力时，气液注入系统由单一液相注入转为气水混合相注入。

（5）数据处理与分析：煤层气井合层排采过程参数动态变化测试结束后，整理存档实验过程中计算机记录的各仪表数据，以备后期人工查验和数据分析。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，其特征在于，包括用于对多层煤层合层排采时参数变化进行测试的参数动态变化测试系统、用于向参数动态变化测试系统内注入气体和液体的若干组气液注入系统、数据采集处理系统，所述参数动态变化测试系统包括若干单一煤层基块及应力加载机构、排采井筒和测试机构，若干单一煤层基块及应力加载机构通过第一管路相互连通成至少两层，每个单一煤层基块及应力加载机构均通过第二管路连通一组气液注入系统，所述排采井筒通过第一管路与单一煤层基块及应力加载机构连通，所述测试机构包括第一流量计、第二流量计、压力表、第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一流量计、压力表和第一电磁阀均位于第一管路上，所述第二流量计和第二电磁阀均位于第二管路上，所述第二管路上设置有用于将气体和液体压入到单一煤层基块及应力加载机构的气体压缩泵，所述数据采集处理系统包括计算机和数据线，所述数据线分别与第一流量计、第二流量计、压力表、第一电磁阀、第二电磁阀相连接。

2.根据权利要求1所述的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，其特征在于，所述单一煤层基块及应力加载机构包括煤层基块、用于为实验煤样加载围压的围压加载水袋和用于为实验煤样加载轴压的环形承压钢板，所述煤层基块包括中空的煤芯仓位、 位于煤芯仓位两端的第一入水口和出水口、位于煤芯仓位上的第二入水口和第三入水口，所述第一入水口通过第一管路连通相邻的煤层基块的出水口，所述第二入水口通过第二管路连通气液注入系统，邻层的煤层基块之间通过第三入水口和第一管路相互连通。

3.根据权利要求2所述的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，其特征在于，所述围压加载水袋包覆在煤芯仓位的外壁上，所述环形承压钢板位于煤芯仓位的侧端、并通过后盖与煤芯仓位固定，所述后盖通过煤芯仓位上设置的螺纹接口与煤芯仓位螺纹连接，所述环形承压钢板与煤芯仓位的侧壁之间设置有环形橡胶垫。

4.根据权利要求1所述的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，其特征在于，所述排采井筒包括外筒和内筒，所述外筒与内筒通过第三管路相互连通，所述第三管路上设置有单向阀，所述单向阀的控制方向为由内筒到外筒，所述内筒的外侧壁上设置有至少两个侧向口，所述侧向口通过第一管路与单一煤层基块及应力加载机构连通，所述内筒的上部安装有电动机，所述电动机上固定有抽水垫片，所述抽水垫片与内筒的内径相同。

5.根据权利要求1所述的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，其特征在于，所述气液注入系统包括氮气瓶、水箱、电控阀门、气体压缩泵、液体泵、气液混合箱、废液箱，所述氮气瓶通过第四管路与气液混合箱连通，所述水箱通过第五管路与气液混合箱连通，所述气液混合箱通过第二管路与单一煤层基块及应力加载机构连接，所述气液混合箱的底部通过第六管路与废液箱连通。

6.根据权利要求5所述的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置，其特征在于，所述第四管路上设置有电控阀门、气体压缩泵和第三流量计，所述第五管路上设置有电控阀门、液体泵和第四流量计，所述第六管路上设置有电控阀门和第五流量计。

7.一种如权利要求6所述的煤层气井合层排采时各煤层参数动态变化测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）仪器调试与组装：首先检查第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计、第五流量计、压力表、电磁阀、电控阀门、气体压缩泵、液体泵运行正常，并对其进行仪表调零，在单一煤层基块及应力加载机构内放入实验用煤柱后依次对参数动态变化测试系统、气液注入系统和数据采集处理系统进行组装，管路接口处缠防水胶带做密封处理，最后采用数据线分别连接第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计、第五流量计、压力表、电磁阀、电控阀门、气体压缩泵、液体泵；

（2）气密性检查：完成组装后进行气密性检查，首先关闭所有管路阀门，所述管路阀门包括电磁阀和电控阀门，打开气体压缩泵后，开始向系统内注气，依次打开各个管路阀门，对应各个流量计、压力表仪表偏转正常，即证明仪器气密性良好，检查结束后依次关闭所有管路阀门；

（3）实验参数设置：根据实验需求和设定的排采制度依次调节气体压缩泵注入气体压力、液体泵注入液体压力，煤层围压、轴压加载参数，井筒排采速率，向实验系统内注入水用以驱替各管路内的气体；

（4）煤层气井合层排采过程参数动态变化测试：准备工作结束后，开始排采井筒内的水，排采井筒和煤层基块之间压差逐渐增大，当压差增大至设定启动压力时，电磁阀打开，煤层基块内的水开始向排采井筒内流动，煤层基块和煤层基块间的控制原理与煤层基块和排采井筒间的控制原理相同；当煤层基块内压力下降至临界解吸压力时，气液注入系统由单一液相注入转为气水混合相注入；

（5）数据处理与分析：煤层气井合层排采过程参数动态变化测试结束后，整理存档实验过程中计算机记录的各仪表数据，以备后期人工查验和数据分析。