CN113945482A - 低渗煤层注co2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，包括气体吸附解吸模块、气体扩散渗流试验模块和煤体的体积应力应变测量模块；气体吸附解吸模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验；气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验；煤体的体积应力应变测量模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试；整体系统配合气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭及煤层气(瓦斯)开采领域技术领域，更具体的说是涉及一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法。
背景技术
燃煤产生的CO2排放及采煤过程中大量瓦斯的排放均为碳排放的主要途径之一，因而煤炭资源开采过程中的煤层气(瓦斯)作为一种新型、清洁能源的抽采利用及燃煤过程中产生的CO2的捕获、利用、封存(CCUS)利用受到了广泛关注。为满足国家的需求，保障人类使用新型、清洁的能源和保护人类生态环境安全，发展一种集CO2减排与新型清洁能源(煤层气)的开发利用的技术尤为必要。
中国低渗煤储层分布广泛，其中碎软低渗煤层比例高达82％，渗透率低，而煤体破碎的含煤区具有丰富的煤层气资源，通过常规的原位煤层气开采方法很难成功，尤其在构造软煤发育区实现原位煤层气开发尤为困难。与此同时，构造软煤发育区的煤层气(瓦斯)资源的综合利用对促进地方经济、减轻矿井灾害程度、减少温室气体排放、提高矿区环境质量等均具有重要意义。另一方面，中国以煤炭为主要消费构成的能源结构势必产生巨量的CO2排放，如何将捕获的CO2注入到低渗煤层实现CO2的地质封存和煤层气的开采，是当前低渗煤层煤层气开发、CO2地质封存面临的重要理论与技术问题，也是当前实现双碳目标途径要研究的重要课题。目前低渗煤层原位煤层气开发尚处于试验阶段，没有取得实质的突破和成功，对于构造软煤的低渗煤层发育区采用原位煤层气开发更未见深入的报道，对低渗煤层CO2-ECBM更未见研究和报道。低渗煤层CO2-ECBM工艺的难点在于评价其可注性，刻画注入过程中煤储层孔渗性能的变化、注入过程中流体吸附解吸运移过程，因而研究低渗煤层CO2-ECBM连续过程煤储层物性变化及流体运移规律才是关键所在。
鉴于此，在试验室内通过模拟CO2注入低渗煤层强化煤层气开采连续性过程，对于研究低渗煤层区域CO2的地质埋藏和实现原位煤层气的强化开发至关重要，设计一种可用于在试验室内实现低渗煤层CO2-ECBM连续性过程的模拟试验方法，是低渗煤层发育区实现原位煤层气开采研究中亟待解决的一项课题，对CO2的地质处置和低渗煤层发育区原位煤层气开采均具有重要的理论指导。而现有试验方法设计针对的主要为原生结构煤储层，且试验方法孤立地拆解了CO2注入煤层驱替煤层气的连续过程的各个环节，且不能实现实时采集试验样品进行试验分析数据，未实现实时监控。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，包括：气体吸附解吸模块、气体扩散渗流试验模块和煤体的体积应力应变测量模块；所述气体吸附解吸模块具有并联的用于为整体系统供给氦气、甲烷和二氧化碳的三个气瓶；所述气体吸附解吸模块、所述气体扩散渗流试验模块和所述煤体的体积应力应变测量模块相互连通，且分别具有用于放置煤样的容器；
所述气体吸附解吸模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验；所述气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验；所述煤体的体积应力应变测量模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试；整体系统配合所述气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价。
通过上述技术方案，本试验方法能够模拟CO2注入低渗煤层驱替煤层气过程中气体的吸附解吸量、煤样的体积应变、煤样的渗透率测量、储层伤害评价，动态实时模拟CO2-ECBM过程中气体扩散-渗流过程，并实现低渗煤层 CO2-ECBM过程中混合气体的取样、组份含量的分析化验；本试验方法可控程度高，易于操作、试验方法安全可靠。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述气体吸附解吸模块包括氦气瓶、甲烷瓶和二氧化碳瓶；所述氦气瓶的出口连接第一控制阀和第一流量计；所述甲烷瓶的出口连接第二控制阀和第二流量计；所述二氧化碳瓶的出口连接第三控制阀和第三流量计；所述氦气瓶、所述甲烷瓶和所述二氧化碳瓶并联后依次连接第四控制阀、第一缓冲罐、第五控制阀、储气罐、第六控制阀、第一气体增压泵、第一压力传感器、储罐、减压阀、第七控制阀、第四流量计、第二压力传感器和第十二控制阀；所述第四流量计和所述第十二控制阀之间具有与所述第二压力传感器连通的支路，依次连接第一恒温恒速注入泵、第八控制阀、第十四压力传感器和第二气体增压泵；所述第二压力传感器和所述第十二控制阀之间具有两条并联的支路分别连接标准罐和样品罐；连接所述标准罐的支路上安装有第十控制阀和第八压力传感器，并与主路形成另一条且与所述第十控制阀连通的支路，并安装有第九控制阀；连接所述样品罐的支路上安装有第十一控制阀和第九压力传感器；所述标准罐和所述样品罐置于具有两个腔室的电热恒温水浴缸内，所述电热恒温水浴缸的两个腔室均具有温度传感器；所述第一气体增压泵连接有第一静音空压机；所述第二气体增压泵连接有第二静音空压机。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述气体扩散渗流试验模块包括沿所述第十二控制阀延伸的两条支路：一条支路依次连接第二恒压恒速注入泵、第十三控制阀和集气瓶；所述第二恒压恒速注入泵连接有第三压力传感器；另一条支路依次连接第十四控制阀、第一压力计、第一夹持器、第二压力计、第六压力传感器、第一回压阀、第十五控制阀、第五流量计、收集罐和第六流量计；所述第一回压阀连接有第七压力传感器；所述第一回压阀和所述第七压力传感器之间的管路上具有支路，并依次连接有第二缓冲罐、第十六控制阀和第一回压泵；所述第一夹持器的进口依次连接有第五压力计、第六压力传感器和第六压力计；所述第五压力计和所述第六压力计之间连接有与所述第六压力传感器连通的轴压跟踪泵。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述煤体的体积应力应变测量模块包括连接在所述第十二控制阀和所述第十四控制阀之间的支路，并依次连接有第十七控制阀、第三压力计、第十压力传感器、第二夹持器、第十一压力传感器、第四压力计、第十二压力传感器、第二回压阀、第二十控制阀和气相色谱仪；所述第二回压阀连接有第十三压力传感器；所述第二回压阀和所述第十三压力传感器之间的管路上具有支路，依次连接有第三缓冲罐、第十八控制阀和第二回压泵；所述样品罐通过管路连接第二十五控制阀后与所述气相色谱仪连通；所述第二回压阀和所述第二十控制阀之间的管路具有支路，并连接有气液分离器，所述气液分离器的出口对应第一电子天平上的烧杯；所述第二夹持器内部腔室连接有电动背压阀，所述电动背压阀的出口对应第二电子天平上的烧杯；所述第一夹持器和所述第二夹持器均至于加热箱内；所述第一夹持器上安装有多个温度传感器和压力传感器；所述第二夹持器上安装有温度传感器和压力传感器。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述第一夹持器和所述第二夹持器的内腔连通，且连通的管路上安装有第二十一控制阀和第二十二控制阀；所述第二十一控制阀和所述第二十二控制阀之间具有支路，并依次连接有第四压力传感器和环压跟踪泵。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述第二压力计和所述第六压力传感器之间的管路与所述第四压力计和所述第十二压力传感器之间的管路连通，并安装有第二十三控制阀和第二十四控制阀；所述第二十三控制阀和所述第二十四控制阀之间具有支路，并依次连接有第四缓冲罐和真空泵。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验具体包括以下步骤：
S1、将达到平衡水分的煤样准确称量，迅速装入所述样品罐中；
S2、打开所述电热恒温水浴缸，调节温度，使所述样品罐和所述标准罐的温度稳定在设定的目标储层温度；
S3、向系统内注入氦气，压力高于等温吸附实验最高压力1MPa；
S4、根据所述第八压力传感器和所述第九压力传感器采集所述标准罐和所述样品罐的压力数据，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
S5、打开所述真空泵，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S6、打开所述氦气瓶，向系统内注入氦气，调节所述标准罐压力值达到 2MPa-3MPa，关闭所述第十控制阀；
S7、打开所述第十控制阀和所述第十一控制阀，待压力平衡后采集一组数据；
S8、重复步骤S5-步骤S7两次；自由空间体积重复测定三次，其中两两之间差值不大于1cm3；
S9、计算煤样体积，计算出所述样品罐内的自由空间体积；
S10、打开所述真空泵，将系统抽真空；进行CO2驱替过程吸附实验；
S11、试验压力设置为2MPa-20MPa，以2MPa递增，共10个试验压力点；
S12、关闭所述真空泵；打开所述第二控制阀，利用所述第一气体增压泵向所述样品罐内注入CH4，调节所述标准罐压力达到目标压力，当吸附结束前6h，CH4储罐压力波动范围在±0.01MPa内时，认为吸附过程达到平衡状态，采集温度、压力、时间等相关数据；
S13、打开所述第三控制阀，以10MPa的压力持续向煤体中注入12h的超临界CO2，调节所述标准罐的压力达到目标压力；
S14、打开所述第二十五控制阀，关闭所述第二十控制阀，使用所述气相色谱仪对气体进行分析；
S15、数据收集完成时，关闭所述第二十五控制阀，打开所述第十二控制阀和所述第十三控制阀，打开所述第二恒压恒速注入泵对气体进行收集；完成CO2驱替吸附实验。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试具体包括以下步骤：
S1、在所述第二夹持器中放置煤样，打开所述加热箱，温度设置为吸附实验对应设定的储层温度，打开所述环压跟踪泵设置稳定的环压，温度与压力平衡12h，进行体积膨胀测试；
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
S3、打开所述真空泵，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S4、向所述第二夹持器内通入氦气标定样品室与管线的自由空间体积，同时标定注气引起的煤岩骨架回弹变形产生的第一排液量；
S5、标定流程完成后，打开样品室出口阀门，待出口气体流量稳定后，测试煤岩原始渗透率；
S6、自由空间体积、排液量及渗透率测试结束后，再次对设备管线与样品室真空处理；
S7、关闭所述第一控制阀和所述第二十四控制阀，打开所述第二控制阀，以试验压力点压力稳定向所述第二夹持器内通入CH4，待煤体吸附平衡后，记录此时的压力与温度，并利用所述第一电子天平计量煤岩吸附过程的排液量，并测得此时的煤体变形的第二排液量；
S8、关闭所述第二控制阀，打开所述第三控制阀，以试验压力点压力稳定向所述第二夹持器中注入CO2，直到煤岩样品吸附达到平衡，记录此时的压力与温度，并利用所述第一电子天平计量煤岩吸附过程的排液量，并测得此时的煤体变形的第三排液量。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验具体包括以下步骤：
S1、关闭所有控制阀，在所述第一夹持器中放置样品，打开所述加热箱，温度设置为吸附实验对应设定的储层温度，打开所述环压跟踪泵和所述轴压跟踪泵，设置稳定的围压，温度与压力平衡12h，进行渗流实验；
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好。
S3、打开所述真空泵，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S4、向所述第一夹持器内通入氦气，出口气体流量稳定后，通过所述第一压力计和所述第二压力计读数，根据达西定律计算煤岩原始的第一渗透率；
S5、再次打开所述真空泵进行真空处理，关闭所述第一控制阀，打开所述第二控制阀，以试验压力点压力稳定向所述第一夹持器中注入CH4，待吸附平衡后，记录此时的温度与压力，通过压力计读数记录，计算此时的第二渗透率；
S6、关闭所述第二控制阀，打开所述第三控制阀，以试验压力点压力稳定向所述第一夹持器中注入CO2，直到煤岩样品吸附达到平衡，记录此时的温度与压力，通过压力计读数记录，并计算此时的第三渗透率。
S7、设定的目标储层温度的吸附实验完成后，将所述加热箱设置为其他温度，并且再次检测设备的气密性，测试其他温度下的煤样渗透率；或者改变围压，测试不同围压条件下的渗透率。
优选的，在上述一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法中，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价具体包括以下步骤：
S1、取备用煤样装载在所述第一夹持器中，打开所述环压跟踪泵和所述轴压跟踪泵，设置稳定的围压，打开所述第一控制阀、所述第四控制阀、所述第五控制阀、所述第六控制阀、所述第七控制阀、所述第十二控制阀、所述第十四控制阀、所述第十五控制阀、所述第十六控制阀和所述第二十三控制阀；利用氦气对整个管路进行冲冼，并检查设备密封性。
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好。打开所述真空泵，对试验系统进行24h的抽真空处理；向所述第一夹持器内通入氦气，出口气体流量稳定后；记录所述第二压力传感器、所述第六压力传感器、所述第五流量计、所述第一压力计和所述第二压力计的读数；
S3、通过调节围压，重复步骤S2，观测记录回压过程中进出口压力计和流量计的读数；重复围压增加与回压试验过程，并记录进出口压力计和流量计的读数；
S4、根据煤样初始渗透率、CO2驱替煤层气试验过程中压力计读数计算所得的渗透率，依据储层敏感性评价方法评价低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，该试验方法能够在试验室内进行低渗煤层气注CO2驱替煤层气连续过程中的气体吸附解吸实验、气体扩散渗流试验、驱替过程中煤体体积应变的测量及煤储层伤害评价；本试验方法可控程度高、易于控制、安装方便、操作简单、安全可靠。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验系统的结构示意图。
其中：
100-氦气瓶；101-甲烷瓶；102-二氧化碳瓶；103-第一控制阀；104-第一流量计；105-第二控制阀；106-第二流量计；107-第三控制阀；108-第三流量计；109-第四控制阀；110-第一缓冲罐；111-第五控制阀；112-储气罐；113- 第六控制阀；114-第一气体增压泵；115-第一压力传感器；116-储罐；117-减压阀；118-第七控制阀；119-第四流量计；120-第二压力传感器；121-第十二控制阀；122-第一恒温恒速注入泵；123-第八控制阀；124-第十四压力传感器； 125-第二气体增压泵；126-标准罐；127-样品罐；128-第十控制阀；129-第八压力传感器；130-第九控制阀；131-第十一控制阀；132-第九压力传感器；133- 电热恒温水浴缸；134-第一静音空压机；135-第二静音空压机；
200-第二恒压恒速注入泵；201-第十三控制阀；202-集气瓶；203-第三压力传感器；204-第十四控制阀；205-第一压力计；206-第一夹持器；207-第二压力计；208-第六压力传感器；209-第一回压阀；210-第十五控制阀；211-第五流量计；212-收集罐；213-第六流量计；214-第七压力传感器；215-第二缓冲罐；216-第十六控制阀；217-第一回压泵；218-第五压力计；219-第六压力传感器；220-第六压力计；221-轴压跟踪泵；
300-第十七控制阀；301-第三压力计；302-第十压力传感器；303-第二夹持器；304-第十一压力传感器；305-第四压力计；306-第十二压力传感器；307- 第二回压阀；308-第二十控制阀；309-气相色谱仪；310-第十三压力传感器； 311-第三缓冲罐；312-第十八控制阀；313-第二回压泵；314-第二十五控制阀； 315-气液分离器；316-第一电子天平；317-电动背压阀；318-第二电子天平； 319-加热箱；320-第二十一控制阀；321-第二十二控制阀；322-第四压力传感器；323-环压跟踪泵；324-第二十三控制阀；325-第二十四控制阀；326-第四缓冲罐；327-真空泵。
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。
参见附图1，本发明实施例公开了一种低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，包括：气体吸附解吸模块、气体扩散渗流试验模块和煤体的体积应力应变测量模块；气体吸附解吸模块具有并联的用于为整体系统供给氦气、甲烷和二氧化碳的三个气瓶；气体吸附解吸模块、气体扩散渗流试验模块和煤体的体积应力应变测量模块相互连通，且分别具有用于放置煤样的容器；
气体吸附解吸模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验；气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验；煤体的体积应力应变测量模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试；整体系统配合气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价。
为了进一步优化上述技术方案，气体吸附解吸模块包括氦气瓶100、甲烷瓶101和二氧化碳瓶102；氦气瓶100的出口连接第一控制阀103和第一流量计104；甲烷瓶101的出口连接第二控制阀105和第二流量计106；二氧化碳瓶102的出口连接第三控制阀107和第三流量计108；氦气瓶100、甲烷瓶101 和二氧化碳瓶102并联后依次连接第四控制阀109、第一缓冲罐110、第五控制阀111、储气罐112、第六控制阀113、第一气体增压泵114、第一压力传感器115、储罐116、减压阀117、第七控制阀118、第四流量计119、第二压力传感器120和第十二控制阀121；第四流量计119和第十二控制阀121之间具有与第二压力传感器120连通的支路，并依次连接第一恒温恒速注入泵122、第八控制阀123、第十四压力传感器124和第二气体增压泵125；第二压力传感器120和第十二控制阀121之间具有两条并联的支路分别连接标准罐126 和样品罐127；连接标准罐126的支路上安装有第十控制阀128和第八压力传感器129，并与主路形成另一条且与第十控制阀128连通的支路，并安装有第九控制阀130；连接样品罐127的支路上安装有第十一控制阀131和第九压力传感器132；标准罐126和样品罐127置于具有两个腔室的电热恒温水浴缸 133内，电热恒温水浴缸133的两个腔室均具有温度传感器；第一气体增压泵 114连接有第一静音空压机134；第二气体增压泵125连接有第二静音空压机 135。
为了进一步优化上述技术方案，气体扩散渗流试验模块包括沿第十二控制阀121延伸的两条支路：一条支路依次连接第二恒压恒速注入泵200、第十三控制阀201和集气瓶202；第二恒压恒速注入泵200连接有第三压力传感器 203；另一条支路依次连接第十四控制阀204、第一压力计205、第一夹持器 206、第二压力计207、第六压力传感器208、第一回压阀209、第十五控制阀 210、第五流量计211、收集罐212和第六流量计213；第一回压阀209连接有第七压力传感器214；第一回压阀209和第七压力传感器214之间的管路上具有支路，并依次连接有第二缓冲罐215、第十六控制阀216和第一回压泵 217；第一夹持器206的进口依次连接有第五压力计218、第六压力传感器219 和第六压力计220；第五压力计218和第六压力计220之间连接有与第六压力传感器219连通的轴压跟踪泵221。
为了进一步优化上述技术方案，煤体的体积应力应变测量模块包括连接在第十二控制阀121和第十四控制阀204之间的支路，并依次连接有第十七控制阀300、第三压力计301、第十压力传感器302、第二夹持器303、第十一压力传感器304、第四压力计305、第十二压力传感器306、第二回压阀307、第二十控制阀308和气相色谱仪309；第二回压阀307连接有第十三压力传感器310；第二回压阀307和第十三压力传感器310之间的管路上具有支路，依次连接有第三缓冲罐311、第十八控制阀312和第二回压泵313；样品罐127 通过管路连接第二十五控制阀314后与气相色谱仪309连通；第二回压阀307 和第二十控制阀308之间的管路具有支路，并连接有气液分离器315，气液分离器315的出口对应第一电子天平316上的烧杯；第二夹持器303内部腔室连接有电动背压阀317，电动背压阀317的出口对应第二电子天平318上的烧杯；第一夹持器206和第二夹持器303均至于加热箱319内；第一夹持器206上安装有多个温度传感器和压力传感器；第二夹持器303上安装有温度传感器和压力传感器。
为了进一步优化上述技术方案，第一夹持器206和第二夹持器303的内腔连通，且连通的管路上安装有第二十一控制阀320和第二十二控制阀321；第二十一控制阀320和第二十二控制阀321之间具有支路，并依次连接有第四压力传感器322和环压跟踪泵323。
为了进一步优化上述技术方案，第二压力计207和第六压力传感器208 之间的管路与第四压力计305和第十二压力传感器306之间的管路连通，并安装有第二十三控制阀324和第二十四控制阀325；第二十三控制阀324和第二十四控制阀325之间具有支路，并依次连接有第四缓冲罐326和真空泵327。
本实施例的具体使用方法为：
低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验具体包括以下步骤：
S1、将达到平衡水分的煤样准确称量，迅速装入样品罐127中；
S2、打开电热恒温水浴缸133，调节温度，使样品罐127和标准罐126 的温度稳定在设定的目标储层温度；
S3、向系统内注入氦气，压力高于等温吸附实验最高压力1MPa；
S4、根据第八压力传感器129和第九压力传感器132采集标准罐126和样品罐127的压力数据，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
S5、打开真空泵327，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S6、打开氦气瓶100，向系统内注入氦气，调节标准罐126压力值达到 2MPa-3MPa，关闭第十控制阀128；
S7、打开第十控制阀128和第十一控制阀131，待压力平衡后采集一组数据；
S8、重复步骤S5-步骤S7两次；自由空间体积重复测定三次，其中两两之间差值不大于1cm3；
S9、计算煤样体积，计算出样品罐127内的自由空间体积；
S10、打开真空泵327，将系统抽真空；进行CO2驱替过程吸附实验；
S11、试验压力设置为2MPa-20MPa，以2MPa递增，共10个试验压力点；
S12、关闭真空泵327；打开第二控制阀105，利用第一气体增压泵114 向样品罐127内注入CH4，调节标准罐126压力达到目标压力，当吸附结束前6h，CH4储罐压力波动范围在±0.01MPa内时，认为吸附过程达到平衡状态，采集温度、压力、时间的相关数据；
S13、打开第三控制阀107，以10MPa的压力持续向煤体中注入12h的超临界CO2，调节标准罐126的压力达到目标压力；
S14、打开第二十五控制阀314，关闭第二十控制阀308，使用气相色谱仪309对气体进行分析；
S15、数据收集完成时，关闭第二十五控制阀314，打开第十二控制阀121 和第十三控制阀201，打开第二恒压恒速注入泵200对气体进行收集；完成 CO2驱替吸附实验。
低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试具体包括以下步骤：
S1、在第二夹持器303中放置煤样，打开加热箱319，温度设置为吸附实验对应设定的储层温度，打开环压跟踪泵323设置稳定的环压，温度与压力平衡12h，进行体积膨胀测试；
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
S3、打开真空泵327，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S4、向第二夹持器303内通入氦气标定样品室与管线的自由空间体积，同时标定注气引起的煤岩骨架回弹变形产生的第一排液量；
S5、标定流程完成后，打开样品室出口阀门，待出口气体流量稳定后，测试煤岩原始渗透率；
S6、自由空间体积、排液量及渗透率测试结束后，再次对设备管线与样品室真空处理；
S7、关闭第一控制阀103和第二十四控制阀325，打开第二控制阀105，以试验压力点压力稳定向第二夹持器303内通入CH4，待煤体吸附平衡后，记录此时的压力与温度，并利用第一电子天平316计量煤岩吸附过程的排液量，并测得此时的煤体变形的第二排液量；
S8、关闭第二控制阀105，打开第三控制阀107，以试验压力点压力稳定向第二夹持器303中注入CO2，直到煤岩样品吸附达到平衡，记录此时的压力与温度，并利用第一电子天平316计量煤岩吸附过程的排液量，并测得此时的煤体变形的第三排液量。
低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验具体包括以下步骤：
S1、关闭所有控制阀，在第一夹持器206中放置样品，打开加热箱319，温度设置为吸附实验对应设定的储层温度，打开环压跟踪泵323和轴压跟踪泵221，设置稳定的围压，温度与压力平衡12h，进行渗流实验；
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好。
S3、打开真空泵327，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S4、向第一夹持器206内通入氦气，出口气体流量稳定后，通过第一压力计205和第二压力计207读数，根据达西定律计算煤岩原始的第一渗透率；
S5、再次打开真空泵327进行真空处理，关闭第一控制阀103，打开第二控制阀105，以试验压力点压力稳定向第一夹持器206中注入CH4，待吸附平衡后，记录此时的温度与压力，通过压力计读数记录，计算此时的第二渗透率；
S6、关闭第二控制阀105，打开第三控制阀107，以试验压力点压力稳定向第一夹持器206中注入CO2，直到煤岩样品吸附达到平衡，记录此时的温度与压力，通过压力计读数记录，并计算此时的第三渗透率。
S7、设定的目标储层温度的吸附实验完成后，将加热箱319设置为其他温度，并且再次检测设备的气密性，测试其他温度下的煤样渗透率；或者改变围压，测试不同围压条件下的渗透率。
低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价具体包括以下步骤：
S1、取备用煤样装载在第一夹持器206中，打开环压跟踪泵323和轴压跟踪泵221设置稳定的围压，打开第一控制阀103、第四控制阀109、第五控制阀111、第六控制阀113、第七控制阀118、第十二控制阀121、第十四控制阀204、第十五控制阀210、第十六控制阀216和第二十三控制阀324；利用氦气对整个管路进行冲冼，并检查设备密封性。
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好。打开真空泵327，对试验系统进行24h的抽真空处理；向第一夹持器206内通入氦气，出口气体流量稳定后；记录第二压力传感器120、第六压力传感器219、第五流量计211、第一压力计205和第二压力计207的读数；
S3、通过调节围压，重复步骤S2，观测记录回压过程中进出口压力计和流量计的读数；重复围压增加与回压试验过程，并记录进出口压力计和流量计的读数；
S4、根据煤样初始渗透率、CO2驱替煤层气试验过程中压力计读数计算所得的渗透率，依据储层敏感性评价方法评价低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，包括：气体吸附解吸模块、气体扩散渗流试验模块和煤体的体积应力应变测量模块；所述气体吸附解吸模块具有并联的用于为整体系统供给氦气、甲烷和二氧化碳的三个气瓶；所述气体吸附解吸模块、所述气体扩散渗流试验模块和所述煤体的体积应力应变测量模块相互连通，且分别具有用于放置煤样的容器；
所述气体吸附解吸模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验；所述气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验；所述煤体的体积应力应变测量模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试；整体系统配合所述气体扩散渗流试验模块用于进行低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价。
2.根据权利要求1所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述气体吸附解吸模块包括氦气瓶(100)、甲烷瓶(101)和二氧化碳瓶(102)；所述氦气瓶(100)的出口连接第一控制阀(103)和第一流量计(104)；所述甲烷瓶(101)的出口连接第二控制阀(105)和第二流量计(106)；所述二氧化碳瓶(102)的出口连接第三控制阀(107)和第三流量计(108)；所述氦气瓶(100)、所述甲烷瓶(101)和所述二氧化碳瓶(102)并联后依次连接第四控制阀(109)、第一缓冲罐(110)、第五控制阀(111)、储气罐(112)、第六控制阀(113)、第一气体增压泵(114)、第一压力传感器(115)、储罐(116)、减压阀(117)、第七控制阀(118)、第四流量计(119)、第二压力传感器(120)和第十二控制阀(121)；所述第四流量计(119)和所述第十二控制阀(121)之间具有与所述第二压力传感器(120)连通的支路，并依次连接第一恒温恒速注入泵(122)、第八控制阀(123)、第十四压力传感器(124)和第二气体增压泵(125)；所述第二压力传感器(120)和所述第十二控制阀(121)之间具有两条并联的支路分别连接标准罐(126)和样品罐(127)；连接所述标准罐(126)的支路上安装有第十控制阀(128)和第八压力传感器(129)，并与主路形成另一条且与所述第十控制阀(128)连通的支路，并安装有第九控制阀(130)；连接所述样品罐(127)的支路上安装有第十一控制阀(131)和第九压力传感器(132)；所述标准罐(126)和所述样品罐(127)置于具有两个腔室的电热恒温水浴缸(133)内，所述电热恒温水浴缸(133)的两个腔室均具有温度传感器；所述第一气体增压泵(114)连接有第一静音空压机(134)；所述第二气体增压泵(125)连接有第二静音空压机(135)。
3.根据权利要求2所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述气体扩散渗流试验模块包括沿所述第十二控制阀(121)延伸的两条支路：一条支路依次连接第二恒压恒速注入泵(200)、第十三控制阀(201)和集气瓶(202)；所述第二恒压恒速注入泵(200)连接有第三压力传感器(203)；另一条支路依次连接第十四控制阀(204)、第一压力计(205)、第一夹持器(206)、第二压力计(207)、第六压力传感器(208)、第一回压阀(209)、第十五控制阀(210)、第五流量计(211)、收集罐(212)和第六流量计(213)；所述第一回压阀(209)连接有第七压力传感器(214)；所述第一回压阀(209)和所述第七压力传感器(214)之间的管路上具有支路，并依次连接有第二缓冲罐(215)、第十六控制阀(216)和第一回压泵(217)；所述第一夹持器(206)的进口依次连接有第五压力计(218)、第六压力传感器(219)和第六压力计(220)；所述第五压力计(218)和所述第六压力计(220)之间连接有与所述第六压力传感器(219)连通的轴压跟踪泵(221)。
4.根据权利要求3所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述煤体的体积应力应变测量模块包括连接在所述第十二控制阀(121)和所述第十四控制阀(204)之间的支路，并依次连接有第十七控制阀(300)、第三压力计(301)、第十压力传感器(302)、第二夹持器(303)、第十一压力传感器(304)、第四压力计(305)、第十二压力传感器(306)、第二回压阀(307)、第二十控制阀(308)和气相色谱仪(309)；所述第二回压阀(307)连接有第十三压力传感器(310)；所述第二回压阀(307)和所述第十三压力传感器(310)之间的管路上具有支路，依次连接有第三缓冲罐(311)、第十八控制阀(312)和第二回压泵(313)；所述样品罐(127)通过管路连接第二十五控制阀(314)后与所述气相色谱仪(309)连通；所述第二回压阀(307)和所述第二十控制阀(308)之间的管路具有支路，并连接有气液分离器(315)，所述气液分离器(315)的出口对应第一电子天平(316)上的烧杯；所述第二夹持器(303)内部腔室连接有电动背压阀(317)，所述电动背压阀(317)的出口对应第二电子天平(318)上的烧杯；所述第一夹持器(206)和所述第二夹持器(303)均至于加热箱(319)内；所述第一夹持器(206)上安装有多个温度传感器和压力传感器；所述第二夹持器(303)上安装有温度传感器和压力传感器。
5.根据权利要求6所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述第一夹持器(206)和所述第二夹持器(303)的内腔连通，且连通的管路上安装有第二十一控制阀(320)和第二十二控制阀(321)；所述第二十一控制阀(320)和所述第二十二控制阀(321)之间具有支路，并依次连接有第四压力传感器(322)和环压跟踪泵(323)。
6.根据权利要求7所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述第二压力计(207)和所述第六压力传感器(208)之间的管路与所述第四压力计(305)和所述第十二压力传感器(306)之间的管路连通，并安装有第二十三控制阀(324)和第二十四控制阀(325)；所述第二十三控制阀(324)和所述第二十四控制阀(325)之间具有支路，并依次连接有第四缓冲罐(326)和真空泵(327)。
7.根据权利要求6所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体吸附解吸试验具体包括以下步骤：
S1、将达到平衡水分的煤样准确称量，迅速装入所述样品罐(127)中；
S2、打开所述电热恒温水浴缸(133)，调节温度，使所述样品罐(127)和所述标准罐(126)的温度稳定在设定的目标储层温度；
S3、向系统内注入氦气，压力高于等温吸附实验最高压力1MPa；
S4、根据所述第八压力传感器(129)和所述第九压力传感器(132)采集所述标准罐(126)和所述样品罐(127)的压力数据，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
S5、打开所述真空泵(327)，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S6、打开所述氦气瓶(100)，向系统内注入氦气，调节所述标准罐(126)压力值达到2MPa-3MPa，关闭所述第十控制阀(128)；
S7、打开所述第十控制阀(128)和所述第十一控制阀(131)，待压力平衡后采集一组数据；
S8、重复步骤S5-步骤S7两次；自由空间体积重复测定三次，其中两两之间差值不大于1cm3；
S9、计算煤样体积，计算出所述样品罐(127)内的自由空间体积；
S10、打开所述真空泵(327)，将系统抽真空；进行CO2驱替过程吸附实验；
S11、试验压力设置为2MPa-20MPa，以2MPa递增，共10个试验压力点；
S12、关闭所述真空泵(327)；打开所述第二控制阀(105)，利用所述第一气体增压泵(114)向所述样品罐(127)内注入CH4，调节所述标准罐(126)压力达到目标压力，当吸附结束前6h，CH4储罐压力波动范围在±0.01MPa内时，认为吸附过程达到平衡状态，采集温度、压力、时间的相关数据；
S13、打开所述第三控制阀(107)，以10MPa的压力持续向煤体中注入12h的超临界CO2，调节所述标准罐(126)的压力达到目标压力；
S14、打开所述第二十五控制阀(314)，关闭所述第二十控制阀(308)，使用所述气相色谱仪(309)对气体进行分析；
S15、数据收集完成时，关闭所述第二十五控制阀(314)，打开所述第十二控制阀(121)和所述第十三控制阀(201)，打开所述第二恒压恒速注入泵(200)对气体进行收集；完成CO2驱替吸附实验。
8.根据权利要求6或7所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤体体积应变量测试具体包括以下步骤：
S1、在所述第二夹持器(303)中放置煤样，打开所述加热箱(319)，温度设置为吸附实验对应设定的储层温度，打开所述环压跟踪泵(323)设置稳定的环压，温度与压力平衡12h，进行体积膨胀测试；
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好；
S3、打开所述真空泵(327)，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S4、向所述第二夹持器(303)内通入氦气标定样品室与管线的自由空间体积，同时标定注气引起的煤岩骨架回弹变形产生的第一排液量；
S5、标定流程完成后，打开样品室出口阀门，待出口气体流量稳定后，测试煤岩原始渗透率；
S6、自由空间体积、排液量及渗透率测试结束后，再次对设备管线与样品室真空处理；
S7、关闭所述第一控制阀(103)和所述第二十四控制阀(325)，打开所述第二控制阀(105)，以试验压力点压力稳定向所述第二夹持器(303)内通入CH4，待煤体吸附平衡后，记录此时的压力与温度，并利用所述第一电子天平(316)计量煤岩吸附过程的排液量，并测得此时的煤体变形的第二排液量；
S8、关闭所述第二控制阀(105)，打开所述第三控制阀(107)，以试验压力点压力稳定向所述第二夹持器(303)中注入CO2，直到煤岩样品吸附达到平衡，记录此时的压力与温度，并利用所述第一电子天平(316)计量煤岩吸附过程的排液量，并测得此时的煤体变形的第三排液量。
9.根据权利要求8所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的气体扩散渗流试验具体包括以下步骤：
S1、关闭所有控制阀，在所述第一夹持器(206)中放置样品，打开所述加热箱(319)，温度设置为吸附实验对应设定的储层温度，打开所述环压跟踪泵(323)和所述轴压跟踪泵(221)，设置稳定的围压，温度与压力平衡12h，进行渗流实验；
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好。
S3、打开所述真空泵(327)，对试验系统进行24h的抽真空处理；
S4、向所述第一夹持器(206)内通入氦气，出口气体流量稳定后，通过所述第一压力计(205)和所述第二压力计(207)读数，根据达西定律计算煤岩原始的第一渗透率；
S5、再次打开所述真空泵(327)进行真空处理，关闭所述第一控制阀(103)，打开所述第二控制阀(105)，以试验压力点压力稳定向所述第一夹持器(206)中注入CH4，待吸附平衡后，记录此时的温度与压力，通过压力计读数记录，计算此时的第二渗透率；
S6、关闭所述第二控制阀(105)，打开所述第三控制阀(107)，以试验压力点压力稳定向所述第一夹持器(206)中注入CO2，直到煤岩样品吸附达到平衡，记录此时的温度与压力，通过压力计读数记录，并计算此时的第三渗透率。
S7、设定的目标储层温度的吸附实验完成后，将所述加热箱(319)设置为其他温度，并且再次检测设备的气密性，测试其他温度下的煤样渗透率；或者改变围压，测试不同围压条件下的渗透率。
10.根据权利要求9所述的低渗煤层注CO2驱替煤层气连续过程的模拟试验方法，其特征在于，所述低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害评价具体包括以下步骤：
S1、取备用煤样装载在所述第一夹持器(206)中，打开所述环压跟踪泵(323)和所述轴压跟踪泵(221)设置稳定的围压，打开所述第一控制阀(103)、所述第四控制阀(109)、所述第五控制阀(111)、所述第六控制阀(113)、所述第七控制阀(118)、所述第十二控制阀(121)、所述第十四控制阀(204)、所述第十五控制阀(210)、所述第十六控制阀(216)和所述第二十三控制阀(324)；利用氦气对整个管路进行冲冼，并检查设备密封性。
S2、向系统内注入氦气，利用氦气对整个管路进行冲冼，压力在6h内保持不变，则视为系统气密性良好。打开所述真空泵(327)，对试验系统进行24h的抽真空处理；向所述第一夹持器(206)内通入氦气，出口气体流量稳定后；记录所述第二压力传感器(120)、所述第六压力传感器(219)、所述第五流量计(211)、所述第一压力计(205)和所述第二压力计(207)的读数；
S3、通过调节围压，重复步骤S2，观测记录回压过程中进出口压力计和流量计的读数；重复围压增加与回压试验过程，并记录进出口压力计和流量计的读数；
S4、根据煤样初始渗透率、CO2驱替煤层气试验过程中压力计读数计算所得的渗透率，依据储层敏感性评价方法评价低渗煤层注CO2驱替煤层气过程中的煤储层伤害。
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