CN114428044A - 用于测量裂缝型界面层间窜流特征的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量裂缝型界面层间窜流特征的系统，包括：层间窜流模拟装置，其用于对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟；数据监测装置，其用于分别监测砂岩样品注气端及出口端的流量，以及分别监测煤岩样品注气端及出口端的流量；数据处理装置，其用于在不同的煤岩层压力设定值、和不同的砂岩层压力设定值的组合条件下实施层间窜流实验，获取相应的砂岩注气和产气流量、以及煤岩注气和产气流量，基于此，得到分别在裂缝型界面的界面阻力系数。本发明实现了在不同地应力和裂隙条件下的层间窜流量和窜流阻力系数的量化测定，能够对多层合采过程中煤层和砂岩层间的窜流量进行准确表征。
Description
技术领域
本发明涉及油气开发技术领域，尤其是涉及一种用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统及方法。
背景技术
在我国滇东-黔西地区的煤层具有层数多、单层厚度小以及在煤层与煤层之间常有含气砂岩夹层的特点，加拿大的马蹄谷盆地和美国的粉河盆地也有类似的煤层气区块。对于单层厚度比较小的多煤层气藏，需要钻一口贯穿多个煤层和砂岩含气层的气井，采用合层压裂、共同排采的方式来进行开发，来达到经济高效开发煤层气的目标。在合层压裂过程中，相邻的煤层和砂岩层之间会形成复杂的裂缝网络，同时，由于煤层和砂岩层的排采方式差异，在合采过程中煤层和相邻砂岩层会由于压力差异在层间进行流动交换，形成窜流。
现有层间窜流量的测定实验装置和测定方法，主要针对常规的多层砂岩油气藏，这种油气藏相邻两层岩心均为砂岩岩心，在测定过程中没有考虑界面特征的影响，也没有考虑地应力对层间窜流的影响，而这些因素在测定煤岩与砂岩之间的层间窜流量必须要考虑的。一方面，煤层与砂岩层界面由于受到不同的沉积作用和胶结作用的影响，并且，煤岩和砂岩组成矿物类型不同，因此，这两种岩石的界面效应更强，在进行界面效应分析时，需要考虑煤岩的特殊物性、以及层间界面效应对煤层与砂岩层间窜流量测定的影响。
由于煤岩与砂岩裂隙型界面层间窜流阻力测定装置及方法，对煤层气和砂岩气混合气藏中流体的运移规律和合采井的产能预测至关重要。由于现有层间窜流测量的实验装置主要是针对常规多层油气藏，并采用多个圆柱岩心并联的方式进行模拟，这种物理模拟方式只能定性地研究多个油气层之间的窜流情况，并不能准确测定多个油气层之间的流体运移情况。另外，煤岩和砂岩层间界面划分为熔合界面、裂缝型界面和过渡型界面，常规的层间窜流装置对熔合界面窜流量的测定有一定的可行性，但是对于裂缝型界面的层间窜流测定有困难。
因而，现有技术需要提供一种针对煤岩和砂岩之间裂缝型界面的层间窜流实验装置，从而能够对煤岩和砂岩间的裂缝型界面的层间窜流阻力特征进行量化计算。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测量裂缝型界面层间窜流特征的系统，包括：层间窜流模拟装置，其用于对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟；数据监测装置，其用于在实施层间窜流实验时对窜流模拟气体分别通入砂岩层内的砂岩样品和煤岩层内的煤岩样品的流量状态进行监测；数据处理装置，其用于在不同的煤岩层压力设定值、和不同的砂岩层压力设定值的组合条件下实施层间窜流实验，获取相应的砂岩注气和产气流量、以及煤岩注气和产气流量，基于此，得到分别在所述裂缝型界面的砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，以表征当前层间窜流特征。
优选地，所述层间窜流模拟装置包括：第一岩心夹持器，所述第一夹持器构造有砂岩层入口及砂岩层出口，并且在所述第一岩心夹持器的煤岩接临端面处设置有按照预设结构排列的若干第一裂缝和第一井筒孔；第二岩心夹持器，所述第二夹持器构造有煤岩层入口及煤岩层出口，并且在所述第二岩心夹持器的砂岩接临端面处设置有按照所述预设结构排列的若干第二裂缝和第二井筒孔；界面带，其用于利用第一类渗透材料将所述第一岩心夹持器的所述煤岩接临端面与所述第二岩心夹持器的所述砂岩接临端面相连接，使得所述第一裂缝与所述第二裂缝形成为裂缝连通通路、并且所述第一井筒孔与所述第二井筒孔形成为井筒连通通路；第一围压腔，其构造于所述第一岩心夹持器的外围；第二围压腔，其构造于所述第二岩心夹持器的外围。
优选地，所述第一岩心夹持器包括第一模拟井筒、环绕于所述第一模拟井筒的砂岩样品、容纳所述砂岩样品的第一胶桶段、设置于所述砂岩样品的煤岩接临端面的第一垫片及第一端面压头、和设置于所述砂岩样品的非煤岩接临端面的第二垫片及第二端面压头；所述第二岩心夹持器包括第二模拟井筒、环绕于所述第二模拟井筒的煤岩样品、容纳所述煤岩样品的第二胶桶段、设置于所述煤岩样品的砂岩接临端面的第三垫片及第三端面压头、和设置于所述煤岩样品的非砂岩接临端面的第四垫片及第四端面压头。
优选地，在所述第一垫片的端面圆心处设置有第一井孔，在所述第一端面压头的端面圆心处设置有第二井孔，其中，所述第一井孔和所述第二井孔形成为所述第一井筒孔；在所述第三垫片的端面圆心处设置有第三井孔，在所述第三端面压头的端面圆心处设置有第四井孔，其中，所述第三井孔和所述第四井孔形成为所述第二井筒孔。
优选地，在所述第一垫片的第一轴线方向上设置有预设数量个所述第一裂缝，并且在所述第一端面压头的所述第一轴线方向上设置有所述预设数量个第一类窜流孔，其中，每条所述第一裂缝的缝宽大于对应位置处的所述第一类窜流孔的直径；在所述第三垫片的所述第一轴线方向上设置有所述预设数量个所述第二裂缝，并且在所述第三端面压头的所述第一轴线方向上设置有所述预设数量个第二类窜流孔，其中，每条所述第二裂缝的缝宽大于对应位置处的所述第二类窜流孔的直径，所述第一类窜流孔的孔径尺寸与所述第二类窜流孔的孔径尺寸相同，所述第一裂缝的尺寸规格与所述第二裂缝的尺寸规格相同。
优选地，所述数据处理装置按照如下步骤计算所述界面阻力系数：确定不同的煤岩层入口及出口压力设定值、和不同的砂岩层入口及出口压力设定值的组合条件；在实施层间窜流实验时，分别获取在指定压力设定值组合条件下对应的包括煤岩渗透率、砂岩渗透率、砂岩注气流量、砂岩产气流量、煤岩注气流量、煤岩产气流量、层间窜流量、以及层间气体窜流速度在内的实验中间结果数据组；根据相邻两组所述实验中间结果数据组，利用预设的界面阻力算式，计算所述界面阻力系数。
优选地，在获取在指定压力设定值组合条件下对应的煤岩渗透率过程中，包括：对煤岩岩心进行渗透率室内实验，得到裂缝在不同水平地应力条件下的煤岩渗透率，基于此，绘制煤岩层渗透率随裂缝压力变化的第一曲线；根据不同的指定煤岩层入口及出口压力设定值，计算相应压力设定值条件下的裂缝孔压，从而利用所述第一曲线得到不同压力设定值条件下对应的煤岩渗透率。
优选地，所述界面阻力算式利用如下表达式表示：
其中，qgcross表示所述层间气体窜流速度，A表示岩心端面面积，ρs表示窜流模拟气体在标准大气压下的密度，ps表示指定的砂岩层入口压力设定值，μsg表示窜流模拟气体在指定砂岩层入口及出口压力设定值条件下的黏度，ρsg表示窜流模拟气体在指定砂岩层入口及出口压力设定值条件下的密度，ksz表示窜流模拟气体在指定砂岩层入口及出口压力设定值条件下的砂岩渗透率，pc表示指定的煤岩层入口压力设定值，μcg表示窜流模拟气体在指定煤岩层入口及出口压力设定值条件下的黏度，ρcg表示窜流模拟气体在指定煤岩层入口及出口压力设定值条件下的密度，kcz表示窜流模拟气体在指定煤岩层入口及出口压力设定值条件下的煤岩渗透率，β1、β2分别表示窜流模拟气体在所述裂缝型界面砂岩端和煤岩端的界面阻力系数。
优选地，所述层间窜流模拟装置还包括：围压加载装置，其用于分别向所述砂岩样品和所述煤岩样品加载围压；轴压加载装置，其用于分别向所述砂岩样品和所述煤岩样品加载轴压。注气装置，其用于分别向所述砂岩样品与所述第一模拟井筒之间所形成的第一环形空间区域、以及所述煤岩样品与所述第二模拟井筒之间所形成的第二环形空间区域注入窜流模拟气体。
另一方面，本发明还提供了一种用于测量裂缝型界面层间窜流特征的方法，所述方法通过如上述所述的系统来实现，所述方法包括如下步骤：数据处理装置确定不同的煤岩层压力设定值、和不同的砂岩层压力设定值的组合；层间窜流模拟装置针对不同的组合条件，对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟，以实施相应组合条件下的层间窜流实验；数据监测装置在实施层间窜流实验时对窜流模拟气体分别通入砂岩层内的砂岩样品和煤岩层内的煤岩样品的流量状态进行监测；所述数据处理装置获取不同组合条件下对应的砂岩注气和产气流量、以及煤岩注气和产气流量，基于此，得到分别在所述裂缝型界面的砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，以表征当前层间窜流特征。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明公开了一种用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统。该系统通过利用煤岩与砂岩裂隙型界面层间窜流阻力测定装置实现在不同地应力和裂隙条件下的层间窜流量和窜流阻力系数的量化测定，能够对多层合采过程中煤层和砂岩层间的窜流量进行准确量化表征。本发明主要应用在多层非常规油气脏的开发领域，特别是关于层间干扰的动态评价方法。随着国内非常规油气田的深入开发，多煤层气藏、多层页岩气藏和致密气藏的开发逐渐增多，层间干扰对合采井开发效果影响很大，多层油气藏的开发需要优先进行层间干扰评价，因此，对于煤岩与砂岩裂缝型界面层间窜流阻力测定具有广阔的应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统的整体结构示意图。
图2是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统的具体结构示意图。
图3是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中岩心夹持器的剖面结构示意图。
图4是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中岩心夹持器的接临端面井筒孔和窜流孔的分布状态示意图。
图5是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中煤岩与砂岩窜流连通结构示意图。
图6是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中裂缝结构设计示意图的第一示例。
图7是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中裂缝结构设计示意图的第二示例。
图8是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中煤层、砂岩层和裂缝界面的理想几何模型的示意图。
图9是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中数据处理装置的流程示意图。
图10是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中煤层渗透率随孔隙压力变化的示意图。
图11是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中层间窜流量随孔隙压力变化的示意图。
图12是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的方法的步骤图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在我国滇东-黔西地区的煤层具有层数多、单层厚度小以及在煤层与煤层之间常有含气砂岩夹层的特点，加拿大的马蹄谷盆地和美国的粉河盆地也有类似的煤层气区块。对于单层厚度比较小的多煤层气藏，需要钻一口贯穿多个煤层和砂岩含气层的气井，采用合层压裂、共同排采的方式来进行开发，来达到经济高效开发煤层气的目标。在合层压裂过程中，相邻的煤层和砂岩层之间会形成复杂的裂缝网络，同时，由于煤层和砂岩层的排采方式差异，在合采过程中煤层和相邻砂岩层会由于压力差异在层间进行流动交换，形成窜流。
现有层间窜流量的测定实验装置和测定方法，主要针对常规的多层砂岩油气藏，这种油气藏相邻两层岩心均为砂岩岩心，在测定过程中没有考虑界面特征的影响，也没有考虑地应力对层间窜流的影响，而这些因素在测定煤岩与砂岩之间的层间窜流量必须要考虑的。一方面，煤层与砂岩层界面由于受到不同的沉积作用和胶结作用的影响，并且，煤岩和砂岩组成矿物类型不同，因此，这两种岩石的界面效应更强，在进行界面效应分析时，需要考虑煤岩的特殊物性、以及层间界面效应对煤层与砂岩层间窜流量测定的影响。
由于煤岩与砂岩裂隙型界面层间窜流阻力测定装置及方法，对煤层气和砂岩气混合气藏中流体的运移规律和合采井的产能预测至关重要。由于现有层间窜流测量的实验装置主要是针对常规多层油气藏，并采用多个圆柱岩心并联的方式进行模拟，这种物理模拟方式只能定性地研究多个油气层之间的窜流情况，并不能准确测定多个油气层之间的流体运移情况。另外，煤岩和砂岩层间界面划分为熔合界面、裂缝型界面和过渡型界面，常规的层间窜流装置对熔合界面窜流量的测定有一定的可行性，但是对于裂缝型界面的层间窜流测定有困难。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统及方法。该系统包括层间窜流模拟装置、数据监测装置和数据处理装置。具体地，层间窜流模拟装置用来对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟，其中设计了用于模拟井筒在砂岩层环境下的砂岩层部分、用于模拟井筒在煤岩层环境下的煤岩层部分、在砂岩层与煤岩层之间的裂缝界面、用于在进行层间窜流模拟时向砂岩样品和煤岩样品分别施加外围向压力的围压加载装置、用于在进行层间窜流模拟时向砂岩样品和煤岩样品分别施加轴向压力的轴压加载装置、以及用于在进行层间窜流模拟时施加地层窜流流体的(快速)注气装置。数据监测装置用来监测砂岩层注气端及出口端的流量、以及煤岩层注气端及出口端的流量。数据处理装置用来对层间窜流模拟实验采集到的砂岩层入口和出口的流量数据、以及煤岩层入口和出口的流量数据，得到在不同的煤岩层井周入口及出口压力设定值和不同的砂岩层入口及出口井周压力设定值的组合条件下，构造出的窜流气体分别在裂缝型界面砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，从而表征当前层间窜流的动态变化特征。
这样，本发明提供了一种适用于测量煤岩和砂岩之间裂缝型界面的层间窜流实验系统，能够对煤岩和砂岩间的裂缝型界面的层间窜流阻力特征进行量化表征。
图1是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统的整体结构示意图。如图1所示，本发明所述的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统(以下简称“层间窜流特征测量系统”)包括：层间窜流模拟装置10、数据监测装置20和数据处理装置30。
层间窜流模拟装置10用于通过构造砂岩模拟层、煤岩模拟层和两个模拟层之间的裂缝型界面，来对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟。数据监测装置20用于在实施层间窜流实验时，对窜流模拟气体分别通入砂岩层内的砂岩样品和煤岩层内的煤岩样品的流量状态进行监测。一方面，数据监测装置20用于在进行层间窜流模拟实验中的模拟砂岩层(井周)环境及生产状态时，分别监测砂岩层样品的注气端(砂岩层入口)的流量数据、以及出口端的流量(砂岩层出口)。另外，数据监测装置20还用来在进行层间窜流模拟实验中的模拟煤岩层(井周)环境及生产状态时，分别监测煤岩层样品的注气端(煤岩层入口)的流量、以及出口端(煤岩层出口)的流量。数据处理装置30采用处理器设备，用于在预设的不同的煤岩层井周压力设定值(包括煤岩层入口压力设定值和煤岩层出口压力设定值)、以及不同的砂岩层井周压力设定值的组合条件下，针对每种压力组合条件来实施相应的层间窜流实验，采集并获取相应的砂岩层注气端流量(数据组)、砂岩层产气流量(数据组)、煤岩注气端流量(数据组)和煤岩产气流量(数据组)，基于此，通过计算层间窜流量或气体层间窜流速率来得到不同压力组合条件下的裂缝型界面的阻力系数。
这样，通过上述所述的层间窜流特征测量系统，能够针对上述每种压力组合条件均得到已构造的裂缝型界面，分别得到在界面砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，从而利用这些阻力系数，来表征当前层间窜流量的动态变化特征。
图2是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统的具体结构示意图。下面结合图1和图2，对本发明所述的层间窜流特征测量系统的内部结构进行详细说明。
如图1所示，层间窜流模拟装置10至少包括：第一岩心夹持器11、第二岩心夹持器12、界面带13、第一围压腔14和第二围压腔15。第一岩心夹持器11用来对层间窜流模拟实验所需的砂岩层地质结构以及砂岩层所在的地层压力环境来进行模拟。第一岩心夹持器11构造有砂岩层(油或气)入口和砂岩层(油或气)出口，并且，在第一岩心夹持器11的煤岩接临端面处设置有按照预设结构排列的若干第一裂缝和第一井筒孔。第二岩心夹持器12用来对层间窜流模拟实验所需的煤岩层地质结构以及煤岩层所在的地层压力环境来进行模拟。第二岩心夹持器12构造有煤岩层(油或气)入口和煤岩层(油或气)出口，并且，在第二岩心夹持器12的砂岩接临端面处设置有按照上述预设结构排列的若干第二裂缝和第二井筒孔。
其中，第一岩心夹持器11与第二岩心夹持器12关于下述界面带对称，二者内部结构及尺寸、裂缝分布状态、井筒孔分布状态等方面均相同。第一岩心夹持器11与第二岩心夹持器12均构造为圆柱形结构。在实施层间窜流实验前，需要将第一岩心夹持器11通过下述界面带13与第二岩心夹持器12相对接，形成为煤岩与砂岩窜流连通结构。此时，参考图5，第一岩心夹持器11具有上、下两个端面，远离第二岩心夹持器12的端面(第一岩心夹持器11上端面)形成为非煤岩接临端面，并且与界面带13接触的端面(第一岩心夹持器11下端面)形成为煤岩接临端面；第二岩心夹持器12也具有上、下两个端面，远离第一岩心夹持器11的端面(第二岩心夹持器12下端面)形成为非砂岩接临端面，并且与界面带13接触的端面(第二岩心夹持器12上端面)形成为砂岩接临端面。
参考图1和图5，界面带13用于利用第一类渗透材料将第一岩心夹持器11的煤岩接临端面与第二岩心夹持器12的砂岩接临端面相连接(对接)，使得每条第一裂缝与每条第二裂缝形成为形状、位置、规格尺寸均相匹配的裂缝连通通路，并且使得第一井筒孔与第二井筒孔也形成为形状、位置、规格尺寸均相匹配的井筒连通通路。需要说明的是，在本发明实施例中，第一类渗透材料为高渗透材料(具体地，高渗透材料的渗透率大于>1000mD)。
图3是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中岩心夹持器的剖面结构示意图。图5是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中的煤岩与砂岩窜流连通结构示意图。下面参考图3和图5，对上述第一岩心夹持器11和第二岩心夹持器12的内部结构进行说明。
如图3所示，第一岩心夹持器11包括但不限于：第一模拟井筒、砂岩样品、第一胶桶段、第一垫片、第一端面压头、第二垫片和第二端面压头。砂岩样品环绕于第一模拟井筒的外围，因此，在本发明实施例中，砂岩样品为环形结构，并且砂岩样品的圆柱中空部分的孔径与第一模拟井筒的外直径相匹配，使得砂岩样品的圆柱中空部分的内表面与第一模拟井筒的外表面完全贴合。第一胶桶段用于容纳砂岩样品。也就是说，第一胶桶段环绕于砂岩样品的外围，并且第一胶桶段的圆柱中空部分的孔径与砂岩样品的外直径相匹配(相同)。
第一垫片设置于砂岩样品的煤岩接临端面处。也就是说，第一垫片的第一面与砂岩样品相贴合。其中，第一垫片为有一定厚度的圆形结构，第一垫片的直径与砂岩样品的端面直径相一致。第一垫片的第二面与第一端面压头的第一面相贴合，使得第一端面压头设置于第一垫片的外侧。第一端面压头的第一面的直径与第一垫片的直径相一致。第二垫片设置于砂岩样品的非煤岩接临端面处。也就是说，第二垫片的第一面与砂岩样品相贴合。其中，第二垫片也为具有一定厚度的圆形结构，第二垫片的直径与砂岩样品的端面直径相一致。第二垫片的第二面与第二端面压头的第一面相贴合，使得第二端面压头设置于第二垫片的外侧。第二端面压头的第一面的直径与第二垫片的直径相一致。由此，在第一端面压头和第二端面压头的共同作用下，将砂岩样品进行夹持固定。
继续参考图1和图3，第二岩心夹持器12包括但不限于：第二模拟井筒、煤岩样品、第二胶桶段、第三垫片、第三端面压头、第四垫片和第四端面压头。煤岩样品环绕于第二模拟井筒的外围，因此，在本发明实施例中，煤岩样品为环形结构，并且煤岩样品的圆柱中空部分的孔径与第二模拟井筒的外直径相匹配，使得砂岩样品的圆柱中空部分的内表面与第一模拟井筒的外表面完全贴合。第二胶桶段用于容纳煤岩样品。也就是说，第二胶桶段环绕于煤岩样品的外围，并且第二胶桶段的圆柱中空部分的孔径与煤岩样品的外直径相匹配(相同)。
第三垫片设置于煤岩样品的砂岩接临端面处。也就是说，第三垫片的第一面与煤岩样品相贴合。其中，第三垫片为具有一定厚度的圆形结构，第三垫片的直径与煤岩样品的端面直径相一致。第三垫片的第二面与第三端面压头的第一面相贴合，使得第三端面压头设置于第三垫片的外侧。第三端面压头的第一面的直径与第三垫片的直径相一致。第四垫片设置于煤岩样品的非砂岩接临端面处。也就是说，第四垫片的第一面与煤岩样品相贴合。其中，第四垫片也为具有一定厚度的圆形结构，第四垫片的直径与煤岩样品的端面直径相一致。第四垫片的第二面与第四端面压头的第一面相贴合，使得第四端面压头设置于第四垫片的外侧。第四端面压头的第一面的直径与第四垫片的直径相一致。由此，在第三端面压头和第四端面压头的共同作用下，将煤岩样品进行夹持固定。
进一步，在本发明实施例中，第一岩心夹持器11与第二岩心夹持器12是关于界面带的几何中心点所在水平面(初始平面)完全对称的，因此，第一岩心夹持器11内的各部件的尺寸规格与第二岩心夹持器12内的同位置(对应)部件的尺寸规格是完全相同的(例如：第一模拟井筒与第二模拟井筒互为关于初始平面的同位置对应部件，砂岩样品与煤岩样品互为关于初始平面的同位置对应部件，第一胶桶段与第二胶桶段互为关于初始平面的同位置对应部件，第一垫片与第三垫片互为关于初始平面的同位置对应部件，第二垫片与第四垫片互为关于初始平面的同位置对应部件，第一端面压头与第三端面压头互为关于初始平面的同位置对应部件，第二端面压头与第四端面压头互为关于初始平面的同位置对应部件)。
更进一步地说，为了构成上述裂缝连通通路和井筒连通通路，本发明实施例在上述第一垫片和第三垫片内设置有相应的井孔(通孔)和裂缝(通孔)，并且在上述第一端面压头和第三端面压头内设置有相应的窜流孔(通孔)。
图4是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中岩心夹持器的接临端面井筒孔和窜流孔的分布状态示意图。如图4所示，在上述第一垫片的端面圆心处设置有第一井孔(第一井孔为通孔)，并且，在第一端面压头的端面圆心处设置有第二井孔(第二井孔为通孔)。其中，第一井孔的直径与第二井孔的直径相一致，因此，在第一垫片与第一端面压头相贴合时，在二者贴合后形成的结构内的端面圆心处形成为上述第一井筒孔。在上述第三垫片的端面圆心处设置有第三井孔(第三井孔为通孔)，并且，在第三端面压头的端面圆心处设置有第四井孔(第四井孔为通孔)。其中，第三井孔的直径与第四井孔的直径相一致，因此，在第三垫片与第三端面压头相贴合时，在二者贴合后形成的结构内的端面圆心处形成为上述第二井筒孔。
这样，便形成了用于模拟相邻的砂岩层与煤岩层所构成的地层区域的井筒段通路部分的实体环境搭建。更进一步地说，在将上述第一岩心夹持器11和第二岩心夹持器12通过第一类渗透材料相连接后，基于第一岩心夹持器11和第二岩心夹持器12之间关于初始平面完全对称的结构及位置关系，使得第一井筒孔在相同(轴向)位置处对应有相应的第二井筒孔，从而使得第一井筒孔与相同位置处的第二井筒孔形成为井筒连通通路。
图6是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中裂缝结构设计示意图的第一示例。图7是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中裂缝结构设计示意图的第二示例。
进一步，在第一垫片(端面)的第一轴线方向上，按照预设的第一间隔，排列有预设的第一数量个第一裂缝，并且，在第一端面压头(端面)的第一轴线方向上，也按照上述第一间隔，排列有第一数量个的第一类窜流孔(第一类窜流孔为通孔)。其中，每条第一裂缝的缝宽(每条第一裂缝的缝长大于缝宽)大于同一对应位置处的第一类窜流孔的直径。由于第一垫片内的第一裂缝的分布方向、排列间隔和裂缝数量均相同，故在第一垫片和第一端面压头相贴合时，每条第一裂缝的相同(轴向)位置处均对应有相应的第一类窜流孔，使得每条第一裂缝将同位置处的第一类窜流孔进行完全覆盖。
同样地，基于第一岩心夹持器11与第二岩心夹持器12是关于初始平面完全对称的，在第三垫片(端面)的第一轴线方向上，按照上述第一间隔，同样设置有第一数量个的第二裂缝，并且，在第三端面压头(端面)的第一轴线方向上，也按照上述第一间隔，设置有第一数量个的第二类窜流孔(第二类窜流孔为通孔)。其中，每条第二裂缝的缝宽(每条第二裂缝的缝长大于缝宽)大于同一对应位置处的第二类窜流孔的直径。由于第三垫片内的第二裂缝的分布方向、排列间隔和裂缝数量均相同，故在第三垫片和第三端面压头相贴合时，每条第二裂缝的相同(轴向)位置处均对应有相应的第二类窜流孔，使得每条第二裂缝将同位置处的第二类窜流孔进行完全覆盖。更进一步地说，第一类窜流孔的孔径尺寸与第二类窜流孔的孔径尺寸相同，第一裂缝的尺寸规格与第二裂缝的尺寸规格相同。
在第一个示例中，第一垫片的第一裂缝的排列方向、排列间隔、裂缝数量、和裂缝走向，按照图6所示的方式进行设置，并且，第三垫片的第二裂缝的排列方向、排列间隔、裂缝数量、和裂缝走向，也按照图6所示的方式进行设置。进一步，第一端面压头的第一类窜流孔对应的窜流孔数量、排列间隔、孔径尺寸等参数，按照图6所示的方式进行设置，并且，第三端面压头的第二类窜流孔对应的窜流孔数量、排列间隔、孔径尺寸等参数，也按照图6所示的方式进行设置。例如：上述第一数量为4、裂缝走向(裂缝缝长的方向)与上述第一轴线方向垂直等。
在第二个示例中，第一垫片的第一裂缝的排列方向、排列间隔、裂缝数量、和裂缝走向，按照图7所示的方式进行设置，并且，第三垫片的第二裂缝的排列方向、排列间隔、裂缝数量、和裂缝走向，也按照图7所示的方式进行设置。进一步，第一端面压头的第一类窜流孔对应的窜流孔数量、排列间隔、孔径尺寸等参数，按照图7所示的方式进行设置，并且，第三端面压头的第二类窜流孔对应的窜流孔数量、排列间隔、孔径尺寸等参数，也按照图7所示的方式进行设置。例如：上述第一数量为4、裂缝走向(裂缝缝长的方向)与上述第一轴线方向成锐角角度等。
这样，便形成了用于模拟相邻的砂岩层与煤岩层所构成的地层区域的裂缝通路部分的实体环境搭建。更进一步地说，在将上述第一岩心夹持器11和第二岩心夹持器12通过第一类渗透材料相连接后，基于第一岩心夹持器11和第二岩心夹持器12之间关于初始平面完全对称的结构及位置关系，使得每个第一类窜流孔在相同位置处对应有相应的第二类窜流孔，从而使得每条第一裂缝与相同(轴向)位置处的第二裂缝形成为裂缝连通通路。另外，在本发明实施例中，第一模拟井筒、砂岩样品、第一胶桶段、第一垫片、第一端面压头、第二垫片、第二端面压头、第二模拟井筒、煤岩样品、第二胶桶段、第三垫片、第三端面压头、第四垫片、以及第四端面压头的轴线全部重合。
继续参考图1和图5，第一围压腔14构造于第一岩心夹持器11的外围，用于为层间窜流模拟实验所需模拟的砂岩层外围压力提供相应的外围压力聚集空间。第二围压腔15构造于第二岩心夹持器15的外围，用于为层间窜流模拟实验所需模拟的煤岩层外围压力提供相应的外围压力聚集空间。
进一步，在本发明实施例中，砂岩样品与第一胶桶段之间填充有上述第一类渗透材料，并且，在煤岩样品与第二胶桶段之间同样填充有上述第一类渗透材料。其中，第一垫片、第二垫片、第三垫片和第四垫片，均采用橡胶材料。所有压头采用金属材料。本发明实施例将1块砂岩岩心样品和1块煤岩岩心样品分别装入橡胶筒中，岩心和橡胶筒之间充填高渗透材料，在每块岩心样品的两端分别放置一块橡胶垫片，在砂岩岩心和煤岩岩心相邻的端面垫片按图6或图7来进行设计，从而对裂缝型界面进行实体环境模拟，同时，可以防止流体在端面上产生流动。
另外，在本发明实施例中，使用金属抱箍将第一胶桶段和砂岩样品进行固定并安装于下述第一围压腔14内，同时装入第一端面压头和第二端面压头之间(夹持固定)。需要说明的是，在本发明实施例中，参考图3，第一胶桶段的高度需要大于砂岩样品高度，并且第一胶桶段的几何中心点所在的水平面与砂岩样品的几何中心点所在水平面重合，使得第一胶桶段(的高度)能够将砂岩样品、第一垫片和第二垫片包围于胶桶内部空间，同时，使得第一胶桶段(的高度)还能够将第一端面压头和第二端面压头的部分高度包围于胶桶内部空间。这样，在使用金属抱箍将第一胶桶段固定时，会同时将砂岩样品稳定夹持住。
同样地，在本发明实施例中，使用金属抱箍将第二胶桶段和煤岩样品进行固定并安装于下述第二围压腔15内，同时装入第三端面压头和第四端面压头之间(夹持固定)。需要说明的是，在本发明实施例中，参考图3，第二胶桶段的高度需要大于砂岩样品高度，并且第二胶桶段的几何中心点所在的水平面与煤岩样品的几何中心点所在水平面重合，使得第二胶桶段(的高度)能够将煤岩样品、第三垫片和第四垫片包围于胶桶内部空间，同时，使得第二胶桶段(的高度)还能够将第三端面压头和第四端面压头的部分高度包围于胶桶内部空间。这样，在使用金属抱箍将第二胶桶段固定时，会同时将煤岩样品稳定夹持住。
进一步，当实施层间窜流模拟实验时，在关于初始平面完全对称的第一岩心夹持器11和第二岩心夹持器12中，窜流模拟气体会通过每条第一裂缝、每条第一裂缝在垂向方向上的相同位置处对应的第一类窜流孔、与每个第一类窜流孔在垂向方向上相同位置处的第二类窜流孔、以及每个第二类窜流孔在垂向方向上的相同位置处的第二裂缝，所形成的裂缝连通通路之间窜流。更进一步地说，如图5所示，在界面带13的第一类渗透材料内，针对每个裂缝连通通路内的第一类窜流孔与第二类窜流孔之间设置有相应的流量计，使得利用这些流量计在层间窜流实验实施时，能够通过数据监测装置对每条裂缝连通通路的层间窜流流量数据进行实时监测。
继续参考图1，在上述层间窜流模拟装置10中，还包括：围压加载装置16、轴压加载装置17和注气装置18。围压加载装置16分别与第一围压腔14和第二围压腔15连通。围压加载装置16用来在实施层间窜流实验过程中，通过向第一围压腔14进行加载压力(通入围压液)来对砂岩样品的围压进行加载，以对实际地层环境下的井周砂岩的地层压力(围压)环境进行模拟，同时，在实施层间窜流实验过程中，通过向第二围压腔15进行加载压力(通入围压液)来对煤岩样品的围压进行加载，以对实际地层环境下的井周煤岩的地层压力(围压)环境进行模拟。
轴压加载装置17分别与砂岩样品和煤岩样品连接。轴压加载装置17用来在实施层间窜流实验过程中，对砂岩样品的轴压进行加载，以对实际地层环境下的井周砂岩的地层压力(轴压)环境进行模拟，同时，在实施层间窜流实验过程中，对煤岩样品的轴压进行加载，以对实际地层环境下的井周煤岩的地层压力(轴压)环境进行模拟。
需要说明的是，为了防止各围压腔内的流体从围压腔进入砂岩岩心和/或煤岩岩心，在压力加载过程中，保持向砂岩样品施加的轴向压力高于围压压力，并且，保持向煤岩样品施加的轴向压力也高于围压压力。
进一步，注气装置18用来在实施层间窜流实验过程中，分别向砂岩样品与第一模拟井筒之间所形成的第一环形空间区域注入窜流模拟气体、以及煤岩样品与第二模拟井筒之间所形成的第二环形空间区域注入窜流模拟气体，以对实际地层环境下的煤岩层与砂岩层之间的窜流气体进行模拟。参考图1，注气装置18包括气瓶、气体分压阀、第一注气管道和第二注气管道。其中，气体分压阀的上游端与气瓶相连通，气体分压阀的第一个下游端口通过第一注气管道与上述第一环形空间区域相连通，气体分压阀的第二个下游端口通过第二注气管道与上述第二环形空间区域相连通。在层间窜流实验开始实施时，用于存储窜流模拟气体的气瓶打开，窜流模拟气体通过气体分压阀分别流入第一环形空间区域和第二环形空间区域，以开始对煤岩层与砂岩层的层间窜流过程进行模拟。
需要说明的是，在本发明实施例中，注气装置18与第一环形空间区域之间的连通接口形成为砂岩层入口，第一模拟井筒的上端面开口形成为砂岩层出口；注气装置18与第二环形空间区域之间的连通接口形成为煤岩层入口，第二模拟井筒的上端面开口形成为煤岩层出口。
进一步，数据监测装置20包括但不限于若干个流量计和压力计。其中，在本发明实施例中，在已构造的砂岩层入口处设置有流量计和压力计、在已构造的砂岩层出口处设置有流量计和压力计、在已构造的煤岩层入口处设置有流量计和压力计、在已构造的煤岩层出口处设置有流量计和压力计。
另外，在本发明实施例中，层间窜流特征测量系统还包括：四个压力控制阀(未图示)。具体地，第一压力控制阀设置于已构造的砂岩层入口处，用来在实施层间窜流实验过程中，将砂岩层入口压力调节至指定的砂岩层入口压力设定值。第二压力控制阀设置于已构造的砂岩层出口处，用来在实施层间窜流实验过程中，将砂岩层出口压力调节至指定的砂岩层出口压力设定值。第三压力控制阀设置于已构造的煤岩层入口处，用来在实施层间窜流实验过程中，将煤岩层入口压力调节至指定的煤岩层入口压力设定值。第四压力控制阀设置于已构造的煤岩层出口处，用来在实施层间窜流实验过程中，将煤岩层出口压力调节至指定的煤岩层出口压力设定值。
基于上述层间窜流特征测量系统，本发明还提出了一种用于测量裂缝型界面层间窜流特征的方法(以下简称“层间窜流特征测量方法”)。图12是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的方法的步骤图。如图12所示，上述层间窜流特征测量方法包括如下步骤：步骤S100数据处理装置30确定不同的煤岩层压力设定值、和不同的砂岩层压力设定值的组合(数据组)；步骤S200层间窜流模拟装置10针对不同的煤岩层井周压力设定值、和不同的砂岩层井周压力设定值的组合条件，对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟，以实施相应组合条件下的层间窜流实验；步骤S300数据监测装置20在实施层间窜流实验时，对窜流模拟气体分别通入砂岩层内的砂岩样品和煤岩层内的煤岩样品的流量状态进行监测；步骤S400数据处理装置30获取不同组合条件下对应的砂岩注气和产气流量、以及煤岩注气和产气流量，基于此，得到分别在当前裂缝型界面的砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，以表征当前层间窜流特征。
下面针对本发明所述的层间窜流特征测量系统所执行的裂缝型界面层间窜流特征测量方法的流程进行说明。在层间窜流特征测量实验中，详细的实验步骤如下：
1)准备实验阶段：
①将1块砂岩岩心和1块煤岩岩心分别装入橡胶筒中，岩心和橡胶筒之间充填高渗透材料，在岩心的两端分别放一块橡胶垫片，在砂岩岩心和煤岩岩心相邻的端面垫片按图6或图7进行设计，模拟裂缝型界面，同时，可以防止流体在端面上产生流动。另外，使用金属抱箍固定胶桶和岩心，编号后，装入对应的岩心夹持器端面压头内；
②使用快速注液装置(轴压加载装置)向各轴压腔快速注入轴压液，并加载轴压至2MPa；
③向各围压腔注入0.8MPa左右的气体，并检验装置(层间窜流模拟装置)的密封性；
④如果装置密封性完好，打开各围压腔阀门，排出围压腔气体，并使用快速注液装置(围压加载装置)向围压腔快速注入围压液。
2)实验阶段：
①打开机柜、软件开关，检查所有设备示数是否有异常；
②检查操作台上所有开关是否处于关闭状态；
③使用围压加载装置和轴压加载装置内的ISCO泵，逐步加载围压、轴压到指定压力状态。为了防止围压液从围压腔进入岩心，在压力加载过程中保持轴向压力高于围压；
④打开注气装置内的气瓶，通过四个压力控制阀，将煤岩层注气(入口)压力和出口气体压力调节到指定的设定值，并将砂岩层注气(入口)压力和出口气体压力调节到指定的设定值，观察两种岩心的入口流量计和出口流量计示数是否均在量程范围内，如果均在量程范围内，利用数据监测装置记录砂岩岩心的注气流量(入口流量)、煤岩岩心的注气流量(入口流量)、砂岩岩心的产气流量(出口流量)、煤岩岩心的产气流量(出口流量)，如果存在任意一个流量计的数据不在量程范围内，则重新调整砂岩层入口压力和出口气体压力的设定值、以及煤岩层入口压力和出口气体压力的设定值；
⑤利用数据处理装置根据数据监测装置记录的四个位置的流量值，分别计算已构造的窜流气体分别在裂缝型界面砂岩端和煤岩端的界面阻力系数，从而完成针对当前压力设定值组合条件下的层间窜流实验，得到相应的层间窜流特征；
⑥调节下一组砂岩层入口压力和出口气体压力设定值、以及煤岩层入口压力和出口气体压力设定值，从而重复步骤③④⑤，测量下一组流量数据，并计算裂缝型界面的层间窜流特征，依次循环，直到所有压力设定值组合均得到一组层间窜流特征后，进入到步骤⑦。
⑦利用数据处理装置计算所有组(层间窜流)实验得到的裂缝型界面在砂岩端的界面阻力系数进行平均值，从而得到煤岩层与砂岩层间的裂缝型界面在砂岩端的层间窜流阻力系数，以及利用数据处理装置计算所有组(层间窜流)实验得到的裂缝型界面在煤岩端的界面阻力系数进行平均值，从而得到煤岩层与砂岩层间的裂缝型界面在煤岩端的层间窜流阻力系数。
3)结束实验阶段：
①关闭气瓶，待入口、出口流量为零；
②逐步卸载围压、轴压；
③检查操作台上所有开关是否处于关闭状态；
④关闭机柜与软件。
图9是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中数据处理装置的流程示意图。下面结合图9，对上述数据处理装置30的具体流程进行说明。
在本发明实施例中，为了准确地对砂岩层与煤岩层之间的窜流过程进行模拟，需要预先设计出不同组压力设定值组合(数据组)，从而针对每组压力设定值组合条件，实施相应的层间窜流模拟实验，并针对当前压力设定值条件记录下一组流量数据组。其中，一组压力设定值组合至少包括：砂岩层入口压力设定值、砂岩层出口压力设定值、煤岩层入口压力设定值、以及煤岩层出口压力设定值。压力设定值组合通过上述四个压力控制阀来调节，从而使得窜流模拟气体在相应的压力设定值组合条件的限制下，对层间窜流过程进行准确模拟，待一定时间后，记录下一组流量数据组(一组流量数据组包括：砂岩层入口流量数据、砂岩层出口流量数据、煤岩层入口流量数据、以及煤岩层出口流量数据)。因此，步骤一，数据处理装置30会先确定出不同的煤岩层入口及出口压力设定值和不同的砂岩层入口及出口压力设定值的组合条件，即确定出不同(组)的压力设定值组合。
步骤二，在实施层间窜流实验时，数据处理装置30会分别获取在指定压力设定值组合条件下，对应的包括煤岩层渗透率、砂岩层渗透率、砂岩注气流量(通过砂岩层入口处的流量计记录得到)、砂岩产气流量(通过砂岩层出口处的流量计记录得到)、煤岩注气流量(通过煤岩层入口处的流量计记录得到)、煤岩产气流量(通过砂岩层出口处的流量计记录得到)、层间实际窜流量(通过砂岩注气流量、砂岩产气流量、煤岩注气流量和煤岩产气流量，计算得到)、以及层间气体窜流速度在内的实验中间结果数据组。接着，步骤三，数据处理装置30会根据相邻两组指定压力设定值组合条件分别得到的实验中间结果数据组，利用界面阻力算式，计算出分别在裂缝型界面砂岩端、煤岩端的组内界面阻力系数。
最后，步骤四，数据处理装置30会将当前得到的所有组指定压力设定值组合条件下得到的裂缝型界面在砂岩端的组内界面阻力系数进行平均值计算，从而将当前平均值作为煤岩层与砂岩层间的裂缝型界面在砂岩端的层间窜流阻力系数。同时，在步骤四中，数据处理装置30还会将当前得到的所有组指定压力设定值组合条件下得到的裂缝型界面在煤岩端的组内界面阻力系数进行平均值计算，从而将当前平均值作为煤岩层与砂岩层间的裂缝型界面在煤岩端的层间窜流阻力系数。
这样，随着针对不同组指定压力设定值组合条件下的窜流实验的不断实施(实验组数的增加)，窜流气体分别在裂缝型界面砂岩端、煤岩端的层间窜流阻力系数也会随着组内界面阻力系数的数据量的增多而不断的变化，从而利用这些实时变化的窜流气体在裂缝型界面砂岩端的层间窜流阻力系数、窜流气体在裂缝型界面煤岩端的界面阻力系数，来表征砂岩层与煤岩层之间的裂缝型界面层间窜流量的动态变化特征。
进一步，在上述步骤二中，在针对一组指定压力设定值组合条件来实施层间窜流实验时，数据处理装置30会通过如下步骤来计算出在指定压力设定值组合条件下对应的煤岩层渗透率。具体的，步骤S211(未图示)，数据处理装置30会对煤岩岩心进行渗透率室内实验，得到在不同水平地应力条件下的煤岩渗透率数据(kcz)，而后根据这些数据，绘制出煤岩层渗透率随孔隙压力变化的第一曲线。更具体地说，依据煤岩岩心进行渗透率实验，可以计算出不同水平地应力条件下的煤岩岩心的裂隙压缩系数Cf1、以及煤岩渗透率kcz；而后，根据不同水平地应力条件下的煤岩岩心的裂隙压缩系数Cf1和相应的煤岩渗透率kcz，利用S&D模型拟合出任意水平有效地应力条件下的煤岩渗透率数据，即煤岩孔隙渗透率随孔隙压力变化的第一曲线，参见图10。表1为针对煤岩岩心的渗透率室内实验的实验数据，展示了通过渗透率室内实验获得不同水平地应力条件下的煤岩渗透率数据的一个具体示例。
表1煤岩渗透率室内实验的实验数据
图10是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中煤层渗透率随孔隙压力变化的示意图。如图10所示，三角形数据点表示室内实验得到的离散化的不同水平地应力(孔隙压力)对应的煤岩渗透率(在本发明实施例中，利用煤岩渗透比参数来表示煤岩渗透率在不同孔隙压力下的渗透率变化状态，煤岩渗透率比表示某一孔隙压力下对应的煤岩实际渗透率与初始渗透率之比)数据点，实线则表示利用S&D模型对前述离散化煤岩渗透率数据点拟合出的第一曲线(S&D模型预测曲线)。这样，在已知任意孔隙压力数值的情况下，便能够第一曲线，立即得到相应的煤岩渗透率数据，进一步得到在当前孔隙压力数值下对应的煤岩渗透率，从而进入到步骤S22(未图示)。
在步骤S212中，数据处理装置30会根据当前组压力设定值组合内的煤岩层入口压力设定值和煤岩层出口压力设定值，计算出相应压力设定值组合条件下的裂缝型界面处的裂缝所受到的地应力(记为第一地应力)，从而利用第一曲线得到指定压力设定值条件下对应的煤岩渗透率。具体地，首先，数据处理装置30会根据当前组压力设定值组合内的煤岩层入口压力设定值和煤岩层出口压力设定值，并结合煤岩与砂岩窜流连通结构的裂缝型界面的结构特征，计算出第一地应力；而后，利用第一曲线，直接得到第一地应力作为孔隙压力时对应的煤岩渗透率数据，从而得到了针对当前组压力设定值组合条件下的煤岩渗透率数据。这样，数据处理装置30会不断利用步骤S212得到不同组的压力设定值组合条件下的煤岩渗透率数据。
在实际应用过程中，对于任一煤岩层或砂岩层来说，层间窜流量等于产气流量与注气流量之间的差值。对于煤样，如果窜流气体从砂岩流向煤岩，则煤岩的气体窜流量为正(+)，否则为负(-)。对于砂岩，如果窜流气体从砂岩流向煤岩，则砂岩的气体窜流量为负(-)，否则为正(+)。理想情况下，砂岩和煤岩的窜流量之和为零，实际上，窜流量之和一般不为零，因为，流量计的测量会有一定的误差。因此，在本发明实施例所述的每组层间窜流模拟实验中，选取砂岩和煤岩的窜流量之和的绝对值的平均值作为实际窜流量。
进一步，在上述步骤二中，在针对一组指定压力设定值组合条件来实施层间窜流实验时，数据处理装置30会通过如下步骤来计算出在指定压力设定值组合条件下对应的层间气体窜流速度。在本发明实施例中，层间气体窜流速度的计算、以及后续步骤三中的组内界面阻力系数，是根据已构建的煤岩与砂岩窜流连通结构中的基于煤岩层、砂岩层和裂隙型界面的理想几何模型层间窜流模型推导出来的。
图8是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中煤层、砂岩层和裂缝界面的理想几何模型的示意图。如图8所示，煤岩层与砂岩层界面胶结不完全，存在裂隙，假设界面上的裂缝是均匀分布的。此时，窜流模拟气体从煤岩层流向砂岩层的流动方向并不是垂直于界面的，其层间窜流为径向流。
如图8所示，径向流外边界半径和内边界半径、以及胶结带的宽度(胶结带宽度为上述第一间隔)和裂隙的宽度(上述第一裂缝或第二裂缝的宽度)的关系满足如下列表达式所示：
其中，r1表示径向流的外边界半径，r2表示径向流的内边界半径，a表示胶结带的宽度(即第一间隔)，b表示第一裂缝或第二裂缝的宽度。
由于，砂岩层厚度(砂岩样品的高度)hs远远大于a和b，即
式(1)简化为：
其中，hs表示砂岩层层厚(砂岩样品的高度)，hc表示煤岩层层厚(煤岩样品的高度)。由此，裂隙型界面对应的煤岩层和砂岩层之间的层间气体窜流速度可利用如下表达式来表示：
其中，对于窜流气体来说，基于达西定律和垂直界面方向的质量守恒，得到如下表达式：
将式(5)代入式(4)后，得到气体窜流速率为：
进一步，将表达式(6)进行转化后，得到上述界面阻力算式。其中，界面阻力算式利用如下表达式表示：
其中，qgcross表示层间气体窜流速度，A表示岩心端面面积，ρs表示窜流模拟气体在标准大气压下的密度，ps表示指定的砂岩层入口压力设定值，μsg窜流模拟气体在指定的砂岩层入口及出口压力设定值条件下的黏度，ρsg表示窜流模拟气体在指定的砂岩层入口及出口压力设定值条件下的密度，ksz表示窜流模拟气体在指定的砂岩层入口及出口压力设定值条件下的砂岩渗透率，pc表示指定的煤岩层入口压力设定值，μcg表示窜流模拟气体在指定的煤岩层入口及出口压力设定值条件下的黏度，ρcg表示窜流模拟气体在指定的煤岩层入口及出口压力设定值条件下的密度，kcz表示窜流模拟气体在指定的煤岩层入口及出口压力设定值条件下的煤岩渗透率，β1、β2分别表示窜流模拟气体在裂缝型界面砂岩端和煤岩端的(组内)界面阻力系数。
这样，在上述步骤三中，基于多组层间窜流模拟实验，能够获得每组实验得到的煤岩与砂岩之间的层间窜流量实验数据(通过每组窜流实验所记录的四处流量计的流量数据)，基于此，进一步计算出层间窜流速度的实验数据。由此，利用上述式(7)，通过相邻两组层间窜流模拟实验得到的流量数据组，反算出一组组内界面阻力系数β1和β2。表2为多组层间窜流模拟实验的实验数据，展示了不同组指定压力设定值组合条件下计算出相应的组内界面阻力系数的一个具体示例。
表2多组层间窜流模拟实验的实验数据
最后，在上述步骤四种，对所有组内界面阻力系数β1、β2分别求取平均值后，便可得到平均界面阻力系数，即煤岩层与砂岩层间的裂缝型界面在砂岩端的层间窜流阻力系数
煤岩层与砂岩层间的裂缝型界面在煤岩端的层间窜流阻力系数
图11是本申请实施例的用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统中层间窜流量随孔隙压力变化的示意图。如图11所示，在将不同组指定压力设定值组合条件转换为已构建裂缝型界面的裂缝压力值后(每组指定压力设定值组合对应有一个相应的裂缝压力值)，黑色数据点则表示窜流模拟实验得到的离散化的每组裂缝压力值对应的窜流气体实际窜流量，实线曲线则表示利用模型拟合后对前述离散化的窜流量数据点拟合出的连续的第二曲线。其中，第二曲线表示任意压力设定值组合条件下对应的窜流气体实际窜流量变化曲线。由此，在本发明实施例中，可以同时利用上述第二曲线、以及动态变化的
和
来表征当前煤岩层和砂岩层之间的层间窜流特征。
本发明公开了一种用于测量煤岩与砂岩间裂缝型界面层间窜流特征的系统。该系统通过利用煤岩与砂岩裂隙型界面层间窜流阻力测定装置实现在不同地应力和裂隙条件下的层间窜流量和窜流阻力系数的量化测定，能够对多层合采过程中煤层和砂岩层间的窜流量进行准确量化表征。本发明主要应用在多层非常规油气脏的开发领域，特别是关于层间干扰的动态评价方法。随着国内非常规油气田的深入开发，多煤层气藏、多层页岩气藏和致密气藏的开发逐渐增多，层间干扰对合采井开发效果影响很大，多层油气藏的开发需要优先进行层间干扰评价，因此，对于煤岩与砂岩裂缝型界面层间窜流阻力测定具有广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种用于测量裂缝型界面层间窜流特征的系统，包括：
层间窜流模拟装置，其用于对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟；
数据监测装置，其用于在实施层间窜流实验时对窜流模拟气体分别通入砂岩层内的砂岩样品和煤岩层内的煤岩样品的流量状态进行监测；
数据处理装置，其用于在不同的煤岩层压力设定值、和不同的砂岩层压力设定值的组合条件下实施层间窜流实验，获取相应的砂岩注气和产气流量、以及煤岩注气和产气流量，基于此，得到分别在所述裂缝型界面的砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，以表征当前层间窜流特征。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述层间窜流模拟装置包括：
第一岩心夹持器，所述第一夹持器构造有砂岩层入口及砂岩层出口，并且在所述第一岩心夹持器的煤岩接临端面处设置有按照预设结构排列的若干第一裂缝和第一井筒孔；
第二岩心夹持器，所述第二夹持器构造有煤岩层入口及煤岩层出口，并且在所述第二岩心夹持器的砂岩接临端面处设置有按照所述预设结构排列的若干第二裂缝和第二井筒孔；
界面带，其用于利用第一类渗透材料将所述第一岩心夹持器的所述煤岩接临端面与所述第二岩心夹持器的所述砂岩接临端面相连接，使得所述第一裂缝与所述第二裂缝形成为裂缝连通通路、并且所述第一井筒孔与所述第二井筒孔形成为井筒连通通路；
第一围压腔，其构造于所述第一岩心夹持器的外围；
第二围压腔，其构造于所述第二岩心夹持器的外围。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述第一岩心夹持器包括第一模拟井筒、环绕于所述第一模拟井筒的砂岩样品、容纳所述砂岩样品的第一胶桶段、设置于所述砂岩样品的煤岩接临端面的第一垫片及第一端面压头、和设置于所述砂岩样品的非煤岩接临端面的第二垫片及第二端面压头；
所述第二岩心夹持器包括第二模拟井筒、环绕于所述第二模拟井筒的煤岩样品、容纳所述煤岩样品的第二胶桶段、设置于所述煤岩样品的砂岩接临端面的第三垫片及第三端面压头、和设置于所述煤岩样品的非砂岩接临端面的第四垫片及第四端面压头。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
在所述第一垫片的端面圆心处设置有第一井孔，在所述第一端面压头的端面圆心处设置有第二井孔，其中，所述第一井孔和所述第二井孔形成为所述第一井筒孔；
在所述第三垫片的端面圆心处设置有第三井孔，在所述第三端面压头的端面圆心处设置有第四井孔，其中，所述第三井孔和所述第四井孔形成为所述第二井筒孔。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，
在所述第一垫片的第一轴线方向上设置有预设数量个所述第一裂缝，并且在所述第一端面压头的所述第一轴线方向上设置有所述预设数量个第一类窜流孔，其中，每条所述第一裂缝的缝宽大于对应位置处的所述第一类窜流孔的直径；
在所述第三垫片的所述第一轴线方向上设置有所述预设数量个所述第二裂缝，并且在所述第三端面压头的所述第一轴线方向上设置有所述预设数量个第二类窜流孔，其中，每条所述第二裂缝的缝宽大于对应位置处的所述第二类窜流孔的直径，所述第一类窜流孔的孔径尺寸与所述第二类窜流孔的孔径尺寸相同，所述第一裂缝的尺寸规格与所述第二裂缝的尺寸规格相同。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置按照如下步骤计算所述界面阻力系数：
确定不同的煤岩层入口及出口压力设定值、和不同的砂岩层入口及出口压力设定值的组合条件；
在实施层间窜流实验时，分别获取在指定压力设定值组合条件下对应的包括煤岩渗透率、砂岩渗透率、砂岩注气流量、砂岩产气流量、煤岩注气流量、煤岩产气流量、层间窜流量、以及层间气体窜流速度在内的实验中间结果数据组；
根据相邻两组所述实验中间结果数据组，利用预设的界面阻力算式，计算所述界面阻力系数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在获取在指定压力设定值组合条件下对应的煤岩渗透率过程中，包括：
对煤岩岩心进行渗透率室内实验，得到裂缝在不同水平地应力条件下的煤岩渗透率，基于此，绘制煤岩层渗透率随裂缝压力变化的第一曲线；
根据不同的指定煤岩层入口及出口压力设定值，计算相应压力设定值条件下的裂缝孔压，从而利用所述第一曲线得到不同压力设定值条件下对应的煤岩渗透率。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述界面阻力算式利用如下表达式表示：
其中，qgcross表示所述层间气体窜流速度，A表示岩心端面面积，ρs表示窜流模拟气体在标准大气压下的密度，ps表示指定的砂岩层入口压力设定值，μsg表示窜流模拟气体在指定砂岩层入口及出口压力设定值条件下的黏度，ρsg表示窜流模拟气体在指定砂岩层入口及出口压力设定值条件下的密度，ksz表示窜流模拟气体在指定砂岩层入口及出口压力设定值条件下的砂岩渗透率，pc表示指定的煤岩层入口压力设定值，μcg表示窜流模拟气体在指定煤岩层入口及出口压力设定值条件下的黏度，ρcg表示窜流模拟气体在指定煤岩层入口及出口压力设定值条件下的密度，kcz表示窜流模拟气体在指定煤岩层入口及出口压力设定值条件下的煤岩渗透率，β1、β2分别表示窜流模拟气体在所述裂缝型界面砂岩端和煤岩端的界面阻力系数。
9.根据权利要求3～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述层间窜流模拟装置还包括：
围压加载装置，其用于分别向所述砂岩样品和所述煤岩样品加载围压；
轴压加载装置，其用于分别向所述砂岩样品和所述煤岩样品加载轴压。
注气装置，其用于分别向所述砂岩样品与所述第一模拟井筒之间所形成的第一环形空间区域、以及所述煤岩样品与所述第二模拟井筒之间所形成的第二环形空间区域注入窜流模拟气体。
10.一种用于测量裂缝型界面层间窜流特征的方法，其特征在于，所述方法通过如权利要求1～9中任一项所述的系统来实现，所述方法包括如下步骤：
数据处理装置确定不同的煤岩层压力设定值、和不同的砂岩层压力设定值的组合；
层间窜流模拟装置针对不同的组合条件，对砂岩与煤岩间裂缝型界面的层间窜流过程进行模拟，以实施相应组合条件下的层间窜流实验；
数据监测装置在实施层间窜流实验时对窜流模拟气体分别通入砂岩层内的砂岩样品和煤岩层内的煤岩样品的流量状态进行监测；
所述数据处理装置获取不同组合条件下对应的砂岩注气和产气流量、以及煤岩注气和产气流量，基于此，得到分别在所述裂缝型界面的砂岩端、煤岩端的界面阻力系数，以表征当前层间窜流特征。
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