CN207164042U - 煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，包括排采阶段模拟系统、围压控制系统、煤粉测试系统和关键参数控制系统，排采阶段模拟系统的出口与煤粉测试系统的入口通过管路连接，围压控制系统的出液端与煤粉测试系统的进液端通过管路连接，关键参数控制系统通过数据线分别与排采阶段模拟系统、围压控制系统和煤粉测试系统连接。本实用新型还包括用于制作岩心试样的煤裂隙发育制作模型，煤裂隙发育制作模型包括柱状外壳和钢制裂缝模板。本实用新型能模拟不同煤层裂隙发育状况的装置，通过模拟现场煤储层条件及所受外界环境条件，得出不同条件下各种关键参数对煤粉产出量的影响，为现场排采工作制度提供更可靠的理论依据和借鉴。

Description

煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置

技术领域

本实用新型属于煤矿安全技术领域，具体涉及一种煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置。

背景技术

地面煤层气井主要是通过排水-降压使煤层气解吸产出的。排采阶段不同，煤粉产出的主控因素有所差异。单相水流排采阶段，煤层主要受到水流的冲刷作用，若排采强度过大，产水量过多，可能导致煤粉沿着煤层裂隙向井筒运移。煤粉产出一方面可能使煤层裂隙宽度增加；另一方面由于缺少了煤粉的支撑，煤层在围岩重力及水平应力作用下可能导致裂隙宽度减小。在双重作用下，变形程度差异导致排水阶段煤粉产出量与渗透率关系变得复杂。进入产气阶段，游离气体的压力和冲力作用可能使煤层中的煤粉进一步产出，煤储层渗透率的大小既与煤粉产出量有关，同时又与气体解吸、有效应力有关，使得煤粉产出与渗透率关系更加复杂。煤粉产出量不仅与产水量、产气量等有关，还与煤层本身裂隙的宽度、长度、密度、形态等有关，煤层本身裂隙发育程度的差异，对产水量、产气量也会有重要影响。

为了查明煤层气井不同排采阶段煤粉产出量与压差、水量、气量等关系，国内外研究者通过钻取煤柱，放置在三轴夹持器里，设置不同的围压和轴压来模拟煤层所受应力环境，测试不同压差下煤粉产出量。由于受所选煤样限制，所选煤样裂隙发育程度不明确，导致煤粉产出量的研究更多基于宏观方面，其与流量、压差、裂隙发育程度等精细描述方面显得不足，针对什么样的煤储层，不同排采阶段需要采取怎么样的排采工作制度无法给出较明确的回答。一些研究者采用制作煤板，在其中夹持支撑剂、煤粉等来测试一定压差、流量下支撑剂、煤粉产出量，通过构建相应数学模型来得出其关系，由于模拟条件与实际存在一定差异，数学模拟的准确性的验证存在一定困难。为了更好地得出煤层气井不同排采阶段产水量、煤层裂隙发育程度、产气量、气/水混合等不同条件下煤粉产出量，以便为现场不同储层条件下煤层气井排采提供指导，因此亟需一种设备，既能模拟不同裂缝形态，又能模拟煤层所受应力状态，测试不同排采阶段煤粉产出量，更科学有效的指导煤层气井排采制度的制定。

实用新型内容

针对目前不同煤储层裂隙下压差、产水量、产气量与煤粉产出量关系不明，无法真正指导现场煤层气排采生产的现实，设计了一种能模拟不同煤层裂隙发育状况的装置，通过模拟现场煤储层条件及所受外界环境条件，得出不同条件下各种关键参数对煤粉产出量的影响，为现场排采工作制度提供更可靠的理论依据和借鉴。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，包括排采阶段模拟系统、围压控制系统、煤粉测试系统和关键参数控制系统，排采阶段模拟系统的出口与煤粉测试系统的入口通过管路连接，围压控制系统的出液端与煤粉测试系统的进液端通过管路连接，关键参数控制系统通过数据线分别与排采阶段模拟系统、围压控制系统和煤粉测试系统连接。

排采阶段模拟系统包括气相模拟装置、液相模拟装置和气液混合装置，

气相模拟装置包括高压气瓶组和第一气体增压组，

高压气瓶组包括若干高压气瓶，各高压气瓶经第一高压气管并联后与第一增压进气管的进气端连接，各第一高压气管上分别设有邻近高压气瓶的减压阀；

第一气体增压组包括若干个气体增压装置和若干个驱动装置，驱动装置与气体增压装置配套，各气体增压装置之间通过增压连接管连接，各气体增压装置的结构相同，第一气体增压装置包括第一气体增压室和第一高压储气室，第一气体增压室通过第一增压进气管和第一高压气管与高压气瓶连接，第一增压进气管上设有邻近第一气体增压室的第一单向阀，第一气体增压室通过第二高压气管与高压储气室连接，第二高压气管上分别设有邻近第一气体增压室的第二单向阀和邻近第一高压储气室的第三单向阀，第一气体增压室内滑动连接有气体增压活塞，气体增压活塞上固定连接有活塞杆；增压连接管上设有邻近第一高压储气室的气体增压自动控制阀；

驱动装置包括第一电机、转盘和转动杆，第一电机的动力输出轴与转盘传动连接，转盘的边沿固定连接有铰接块，转动杆的一端与铰接块通过销轴铰接，转动杆的另一端与活塞杆通过销轴铰接；

第一气体增压组中的第二高压储气室通过第一增压出气管与气液混合装置连接，第一增压出气管上设有邻近第二高压储气室的第一自动控制阀；

液相模拟装置包括第二气体增压组和液体增压组，第二气体增压组和第一气体增压组的结构相同，第二气体增压组中的气体增压室通过第二增压进气管与大气连通，第二气体增压组中的高压储气室通过第二增压出气管与液体增压组的第一输气管连接，第一输气管上设有第一压力表，液体增压组包括若干个水压缸，水压缸内滑动连接有液体增压活塞，液体增压活塞将水压缸内部分隔为气体腔和液体腔，各水压缸的气体腔一端经第二输气管并联后与第一输气管连接，各第二输气管上分别设有邻近水压缸的第二自动控制阀，各水压缸的液体腔一端经第一高压水管并联后与第二高压水管连接，各第一高压水管上分别设有邻近水压缸的第三自动控制阀；

水压缸通过第一高压水管和第二高压水管与气液混合装置连接；

气液混合装置包括储集缸，储集缸的内壁上安装有第二压力表，

气相模拟装置中的第一增压出气管与储集缸连接，第一增压出气管上设有邻近储集缸的第四自动控制阀和邻近储集缸的第三压力表；

液相模拟装置中的第二高压水管与储集缸连接，第二高压水管上设有邻近储集缸的第五自动控制阀和邻近储集缸的水压表；

储集缸通过气液两相管路与煤粉测试系统连接，气液两相管路上设有邻近储集缸的第六自动控制阀和邻近储集缸的第四压力表。

围压控制系统包括结构相同的第一增压泵、第二增压泵和第三增压泵，第一增压泵、第二增压泵和第三增压泵均分别配套设置有第二电机，

第一增压泵、第二增压泵和第三增压泵均包括泵体、增压器底板、围压增压活塞、导轨、手动转盘、从动轮、主动轴、从动轴、螺套、挡板、激光测距器和液压管，泵体外形为圆筒形，围压增压活塞滑动连接在泵体内，围压增压活塞将泵体内部分隔为压裂液腔和驱动腔，增压器底板固定连接在泵体的压裂液腔一端，泵体的两侧设置有所述导轨，导轨的一端与增压器底板固定连接，导轨与泵体的轴线位于同一平面内，手动转盘设置在泵体的驱动腔一端外侧，手动转盘与主动轴传动连接，从动轮位于手动转盘内侧并传动连接在主动轴上，主动轴与螺套通过设置在主动轴上的螺旋凸起和设置在螺套内的螺旋槽传动连接，挡板设置在泵体与螺套之间，挡板的两端插设在导轨内并与导轨滑动连接，螺套的一端固定连接在挡板上，主动轴由外向内依次穿过挡板和泵体并伸入驱动腔内，从动轴为空心结构，主动轴外套设所述从动轴，从动轴的一端由外向内穿过泵体并与围压增压活塞固定连接，从动轴的另一端与挡板固定连接；

激光测距器安装在增压器底板上并与第一集线器通过数据线连接；第二电机与第一集线器通过数据线连接，第二电机的动力输出轴上传动连接有主动轮，主动轮通过皮带与从动轮传动连接，第一集线器与关键参数控制系统通过数据线连接；泵体于压裂液腔一端的内壁上开设有充液口，充液口上螺接有密封塞，泵体的压裂液腔通过液压管与煤粉测试系统连接，液压管上设有第五压力表，第五压力表与第一集线器通过数据线连接。

煤粉测试系统包括夹持支架、夹持外壳、第一岩心垫块、第二岩心垫块、胶套、排粉管道、激光粒度器和煤粉筛，

夹持外壳为圆筒状结构，夹持外壳内设置有岩心试样，夹持外壳沿轴向水平固定在夹持支架上，第一岩心垫块的外轮廓为圆柱形，第一岩心垫块分为气液两相进口部和气液两相出口部，气液两相进口部为实心且轴心处沿轴向设有进气长孔，气液两相出口部包括若干个同心圆环，相邻两个同心圆环之间围成扩散腔，各扩散腔与进气长孔连通，夹持外壳的进口端开设有第一垫块安装孔，夹持外壳的出口端开设有第二垫块安装孔，第二垫块安装孔于夹持外壳的出口端端面上沿径向开设有两个对称的垫块安装槽，夹持外壳内于靠近进口端的一侧沿轴向固定连接有第一环形支撑座，夹持外壳内于靠近出口端的一侧沿周向固定连接有第二环形支撑座，第一环形支撑座和第二环形支撑座之间为岩样放置腔，胶套为内径与岩心试样直径匹配的环状结构，胶套的长度大于岩心试样的长度，装有岩心试样的胶套沿轴向安装在第一环形支撑座和第二环形支撑座上，

第一岩心垫块由外向内依次穿过第一垫块安装孔和第一环形支撑座后与岩心的一端抵接，第一岩心垫块外套设有环形活塞，环形活塞沿轴向滑动连接在夹持外壳内，夹持外壳的进口端内壁与环形活塞之间为轴向增压腔室，环形活塞与第一环形支撑座之间为轴向降压腔室，胶套与岩样放置腔的内壁之间为围压增压腔室，

第二岩心垫块包括圆柱状主体和两个沿径向对称设置在圆柱状主体上的安装耳，安装耳与垫块安装槽的大小相匹配，圆柱状主体沿轴向均布有若干贯通圆柱状主体的筛孔，第二岩心垫块由外向内依次穿过第二垫块安装孔和第二环形支撑座后与岩心的另一端抵接，第二岩心垫块的安装耳卡接在夹持外壳的出口端内壁上，

煤粉筛设置在夹持外壳的出口侧，第二岩心垫块的出口端与煤粉筛通过排粉管道连通，排粉管道上设有激光粒度器，激光粒度器与关键参数控制系统通过数据线连接，储集缸通过气液两相管路与进气长孔连接，气液两相管路上设有流量计，流量计与关键参数控制系统通过数据线连接，轴向增压腔室与第一增压泵的液压管连通，轴向降压腔室与第二增压泵的液压管连通，围压增压腔室和第三增压泵的液压管连通。

关键参数控制系统包括计算机和工作台，计算机安装在工作台上，计算机通过数据线分别与排采阶段模拟系统、围压控制系统和煤粉测试系统中的第一电机、气体增压自动控制阀、第一自动控制阀、第二自动控制阀、第三自动控制阀、第四自动控制阀、第五自动控制阀、第六自动控制阀、第一压力表、第二压力表、第三压力表、第四压力表、水压表、第一集线器、激光粒度器和流量计通过数据线连接。

本实用新型还包括用于制作岩心试样的煤裂隙发育制作模型，煤裂隙发育制作模型包括柱状外壳和钢制裂缝模板，柱状外壳为两个半圆弧板围成的圆筒状结构，柱状外壳外套设有紧固圆环，钢制裂缝模板包括手柄和裂缝模板，裂缝模板的长度和柱状外壳的长度相匹配，钢制裂缝模板采用钢板制成。

裂缝模板的裂缝宽度分为1mm与10mm两种，裂缝模板的裂缝形态包括直缝型、波浪缝型、网状缝型、树叉缝型和鱼骨缝型，直缝型裂缝模板由沿柱状外壳的轴向设置的直线条状板沿柱状外壳的径向均匀间隔排列而成，波浪缝型裂缝模板由沿柱状外壳的轴向设置的波浪条状板沿柱状外壳的径向均匀间隔排列而成，网状缝型裂缝模板由呈斜十字交叉的网状板组成，树叉缝型裂缝模板由沿轴向设置的树叉分支组成，鱼骨缝型裂缝模板由若干个沿柱状外壳的径向设置的鱼骨形分支沿柱状外壳的轴向均匀间隔排列而成。

采用上述技术方案，本实用新型具有以下优点：

通过改变排采过程中水、气和水/气相态，来模拟不同的排采阶段，最大限度对排采过程中储层流体变化进行表征。围压模拟系统通过同时对岩心轴向和径向控制实现自动增压，模拟煤储层压力条件。煤裂缝发育制作模型通过模具采用不同比例相似材料压制成型，模拟煤储层的裂缝形态分布，制作岩心试样，装入夹持器中以备测试。煤粉测试系统通过针对不同裂缝形态岩心模拟，测试不同条件下煤粉运移产出情况，对煤粉粒径，产出量进行测试。关键参数控制系统通过软件计算反馈至相应控制设备，进行相应参数调控。

本实用新型通过煤裂隙发育模型能最大限度的模拟现场不同煤层裂隙发育程度，为明确煤层气井排采过程产气量、产水量、压差等参数与不同粒径煤粉量之间关系提供了重要保障；本实用新型能通过排采阶段模拟系统模拟现场排采过程中煤储层中流体变化状态，对不同裂缝形态下产出煤粉量进行测试，分析，为不同排采阶段排采工作制度制定提供理论指导。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中排采阶段模拟系统的结构示意图；

图3是本实用新型中围压模拟系统的结构示意图；

图4是本实用新型中煤粉测试系统的结构示意图；

图5是图4中第一岩心垫块的外侧结构示意图；

图6是图4中第一岩心垫块的内侧结构示意图；

图7是图4中第二岩心垫块的外侧结构示意图；

图8是图4中夹持外壳的出口端端面示意图；

图9是本实用新型中煤裂隙发育制作模型中的柱状外壳的结构示意图；

图10是图9的剖面结构示意图；

图11是直缝型裂缝模板的结构示意图；

图12是波浪缝型裂缝模板的结构示意图；

图13是网状缝型裂缝模板的结构示意图；

图14是树叉缝型裂缝模板的结构示意图；

图15是鱼骨缝型裂缝模板的结构示意图；

图16是制作而成的直缝型岩心试样的结构示意图；

图17是制作而成的波浪缝型岩心试样的结构示意图；

图18是制作而成的网状缝型岩心试样的结构示意图；

图19是制作而成的树叉缝型岩心试样的结构示意图；

图20是制作而成的鱼骨缝型岩心试样的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图20所示，本实用新型的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，包括排采阶段模拟系统Ⅰ、围压模拟系统Ⅱ、煤粉测试系统Ⅳ和关键参数控制系统Ⅴ，排采阶段模拟系统Ⅰ的出口与煤粉测试系统Ⅳ的入口通过管路连接，围压模拟系统Ⅱ的出液端与煤粉测试系统Ⅳ的进液端通过管路连接，关键参数控制系统Ⅴ通过数据线分别与排采阶段模拟系统Ⅰ、围压模拟系统Ⅱ和煤粉测试系统Ⅳ连接。

排采阶段模拟系统Ⅰ包括气相模拟装置100、液相模拟装置200和气液混合装置300，

气相模拟装置100包括高压气瓶组和第一气体增压组，

高压气瓶组包括若干高压气瓶1，各高压气瓶1经第一高压气管101并联后与第一增压进气管401的进气端连接，各第一高压气管101上分别设有邻近高压气瓶1的减压阀2；

第一气体增压组包括若干个气体增压装置和若干个驱动装置，驱动装置与气体增压装置配套，各气体增压装置之间通过增压连接管131连接，各气体增压装置的结构相同，第一气体增压装置包括第一气体增压室4和第一高压储气室12，第一气体增压室4通过第一增压进气管401和第一高压气管101与高压气瓶1连接，第一增压进气管401上设有邻近第一气体增压室4的第一单向阀3，第一气体增压室4通过第二高压气管10与第一高压储气室12连接，第二高压气管10上分别设有邻近第一气体增压室4的第二单向阀9和邻近第一高压储气室12的第三单向阀11，第一气体增压室4内滑动连接有气体增压活塞5，气体增压活塞5上固定连接有活塞杆501；增压连接管131上设有邻近第一高压储气室12的气体增压自动控制阀13；

驱动装置包括第一电机7、驱动转盘6和转动杆8，第一电机7的动力输出轴与驱动转盘6传动连接，驱动转盘6的边沿固定连接有铰接块601，转动杆8的一端与铰接块601通过销轴铰接，转动杆8的另一端与活塞杆501通过销轴铰接；

第一气体增压组中的第二高压储气室15通过第一增压出气管23与气液混合装置300连接，第一增压出气管23上设有邻近第二高压储气室15的第一自动控制阀16；

液相模拟装置200包括第二气体增压组和液体增压组，第二气体增压组和第一气体增压组的结构相同，第二气体增压组中的气体增压室172通过第二增压进气管173与大气连通，第二气体增压组中的高压储气室171通过第二增压出气管174与液体增压组的第一输气管18连接，第一输气管18上设有第一压力表17，液体增压组包括若干个水压缸19，水压缸19内滑动连接有液体增压活塞21，液体增压活塞21将水压缸19内部分隔为气体腔和液体腔，各水压缸19的气体腔一端经第二输气管181并联后与第一输气管18连接，各第二输气管181上分别设有邻近水压缸19的第二自动控制阀20，各水压缸19的液体腔一端经第一高压水管191并联后与第二高压水管31连接，各第一高压水管191上分别设有邻近水压缸19的第三自动控制阀22；

水压缸19通过第一高压水管191和第二高压水管31与气液混合装置300连接；

气液混合装置300包括储集缸27，储集缸27的内壁上安装有第二压力表26，

气相模拟装置100中的第一增压出气管23与储集缸27连接，第一增压出气管23上设有邻近储集缸27的第四自动控制阀24和邻近储集缸27的第三压力表25；

液相模拟装置200中的第二高压水管31与储集缸27连接，第二高压水管31上设有邻近储集缸27的第五自动控制阀30和邻近储集缸27的水压表32；

储集缸27通过气液两相管路51与煤粉测试系统Ⅳ连接，气液两相管路51上设有邻近储集缸27的第六自动控制阀28和邻近储集缸27的第四压力表29。

围压模拟系统Ⅱ包括结构相同的第一增压泵45、第二增压泵46和第三增压泵47，第一增压泵45、第二增压泵46和第三增压泵47均分别配套设置有第二电机44，

第一增压泵45、第二增压泵46和第三增压泵47均包括泵体471、增压器底板35、围压增压活塞38、导轨37、手动转盘43、从动轮441、主动轴39、从动轴40、螺套42、挡板41、激光测距器36和液压管34，泵体471外形为圆筒形，围压增压活塞38滑动连接在泵体471内，围压增压活塞38将泵体471内部分隔为压裂液腔和驱动腔，增压器底板35固定连接在泵体471的压裂液腔一端，泵体471的两侧设置有所述导轨37，导轨37的一端与增压器底板35固定连接，导轨37与泵体471的轴线位于同一平面内，手动转盘43设置在泵体471的驱动腔一端外侧，手动转盘43与主动轴39传动连接，从动轮441位于手动转盘43内侧并传动连接在主动轴39上，主动轴39与螺套42通过设置在主动轴39上的螺旋凸起和设置在螺套42内的螺旋槽传动连接，挡板41设置在泵体471与螺套42之间，挡板41的两端插设在导轨37内并与导轨37滑动连接，螺套42的一端固定连接在挡板41上，主动轴39由外向内依次穿过挡板41和泵体471并伸入驱动腔内，从动轴40为空心结构，主动轴39外套设所述从动轴40，从动轴40的一端由外向内穿过泵体471并与围压增压活塞38固定连接，从动轴40的另一端与挡板41固定连接；

激光测距器36安装在增压器底板35上并与第一集线器48通过数据线连接，激光测距器36用于测量挡板41与增压器底板35之间的距离，根据行进距离大小控制增压泵的增压速率；第二电机44与第一集线器48通过数据线连接，第二电机44的动力输出轴上传动连接有主动轮441，主动轮441通过皮带与从动轮441传动连接，第一集线器48与关键参数控制系统Ⅴ通过数据线连接；泵体471于压裂液腔一端的内壁上开设有充液口，充液口上螺接有密封塞49，泵体471的压裂液腔通过液压管34与煤粉测试系统Ⅳ连接，液压管34上设有第五压力表33，第五压力表33与第一集线器48通过数据线连接。

煤粉测试系统Ⅳ包括夹持支架65、夹持外壳54、第一岩心垫块53、第二岩心垫块61、胶套59、排粉管道62、激光粒度器63和煤粉筛64，

夹持外壳54为圆筒状结构，夹持外壳54内设置有岩心试样60，夹持外壳54沿轴向水平固定在夹持支架65上，第一岩心垫块53的外轮廓为圆柱形，第一岩心垫块53分为气液两相进口部和气液两相出口部，气液两相进口部为实心且轴心处沿轴向设有进气长孔531，气液两相出口部包括若干个同心圆环，相邻两个同心圆环之间围成扩散腔532，各扩散腔532与进气长孔531连通，夹持外壳54的进口端开设有第一垫块安装孔541，夹持外壳54的出口端开设有第二垫块安装孔542，第二垫块安装孔542于夹持外壳54的出口端端面66上沿径向开设有两个对称的垫块安装槽661，夹持外壳54内于靠近进口端的一侧沿轴向固定连接有第一环形支撑座543，夹持外壳54内于靠近出口端的一侧沿周向固定连接有第二环形支撑座544，第一环形支撑座543和第二环形支撑座544之间为岩样放置腔，胶套59为内径与岩心试样60直径匹配的环状结构，胶套59的长度大于岩心试样60的长度，装有岩心试样60的胶套59沿轴向安装在第一环形支撑座543和第二环形支撑座544上，

第一岩心垫块53由外向内依次穿过第一垫块安装孔541和第一环形支撑座543后与岩心试样60的一端抵接，第一岩心垫块53外套设有环形活塞56，环形活塞56沿轴向滑动连接在夹持外壳54内，夹持外壳54的进口端内壁与环形活塞56之间为轴向增压腔室55，环形活塞56与第一环形支撑座543之间为轴向降压腔室57，胶套59与岩样放置腔的内壁之间为围压增压腔室58，

第二岩心垫块61包括圆柱状主体和两个沿径向对称设置在圆柱状主体上的安装耳611，安装耳611与垫块安装槽661的大小相匹配，圆柱状主体沿轴向均布有若干贯通圆柱状主体的筛孔612，第二岩心垫块61由外向内依次穿过第二垫块安装孔542和第二环形支撑座544后与岩心试样60的另一端抵接，第二岩心垫块61的安装耳611卡接在夹持外壳54的出口端内壁上，第二岩心垫块61由外向内装入夹持外壳54中后，旋转90度，安装耳611即可卡在夹持外壳54的出口端内壁上，

煤粉筛64设置在夹持外壳54的出口侧，第二岩心垫块61的出口端与煤粉筛64通过排粉管道62连通，排粉管道62上设有激光粒度器63，激光粒度器63与关键参数控制系统Ⅴ通过数据线连接，储集缸27通过气液两相管路51与进气长孔531连接，气液两相管路51上设有流量计52，流量计52与关键参数控制系统Ⅴ通过数据线连接，轴向增压腔室55与第一增压泵45的液压管34连通，轴向降压腔室57与第二增压泵46的液压管34连通，围压增压腔室58和第三增压泵47的液压管34连通。

关键参数控制系统Ⅴ包括计算机67和工作台68，计算机67安装在工作台68上，计算机67通过数据线分别与排采阶段模拟系统Ⅰ、围压模拟系统Ⅱ和煤粉测试系统Ⅳ中的第一电机7、气体增压自动控制阀13、第一自动控制阀16、第二自动控制阀20、第三自动控制阀22、第四自动控制阀24、第五自动控制阀30、第六自动控制阀28、第一压力表17、第二压力表26、第三压力表25、第四压力表29、水压表32、第一集线器48、激光粒度器63和流量计52通过数据线连接。

本实用新型还包括用于制作岩心试样60的煤裂隙发育制作模型Ⅲ，煤裂隙发育制作模型Ⅲ包括柱状外壳70和钢制裂缝模板，柱状外壳70为两个半圆弧板围成的圆筒状结构，柱状外壳70外套设有紧固圆环71，钢制裂缝模板包括手柄73和裂缝模板72，裂缝模板72的长度和柱状外壳70的长度相匹配，钢制裂缝模板采用钢板制成，所述钢板选用冷作模具钢，其硬度高，可保证模具不因外力和环境变化而使形状变化。

裂缝模板72的裂缝宽度分为1mm与10mm两种，裂缝模板72的裂缝形态包括直缝型、波浪缝型、网状缝型、树叉缝型和鱼骨缝型，直缝型裂缝模板（如图11所示）由沿柱状外壳70的轴向设置的直线条状板沿柱状外壳70的径向均匀间隔排列而成，波浪缝型裂缝模板（如图12所示）由沿柱状外壳70的轴向设置的波浪条状板沿柱状外壳70的径向均匀间隔排列而成，网状缝型裂缝模板（如图13所示）由呈斜十字交叉的网状板组成，树叉缝型裂缝模板（如图14所示）由沿轴向设置的树叉分支组成，鱼骨缝型裂缝模板（如图15所示）由若干个沿柱状外壳70的径向设置的鱼骨形分支沿柱状外壳70的轴向均匀间隔排列而成。

使用本实用新型所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置的测试方法，包括以下步骤：

（1）、实验样品制作：

根据实验要求选取不同区块不同煤阶煤样，破碎煤样，筛选不同粒径煤粉；根据不同粒径比例与相似材料进行配比，通过使用煤裂隙发育制作模型Ⅲ制作岩心试样60，进行养护，打磨试样；

（2）、岩心力学性质测试：

将制作的不同柱状岩心试样60，按照裂隙类型进行分类，每组选取若干进行力学性质测试；通过电子万能压力实验机上进行煤样岩石力学性质测试，得出煤样的单轴抗压强度、弹性模量、松泊比等岩石力学性质参数，分析岩心试样60是否满足实验要求；

（3）、组装实验装置和气密性检测

连接所有的实验装置以及管道，并密封管道，同时检查煤粉测试系统Ⅳ的联通情况，通过向实验装置中注水，检测实验装置的气密性，并准备进行实验；

（4）、实验分组与测试

对制作的岩心试样60根据不同裂缝类型和碎煤采集区进行分组编号，测试时将不同岩心试样60放入夹持外壳54中实验并收集产出的煤粉，进行烘干并进行煤粉粒径、质量含量测试，分析岩心试样60中裂缝在不同尺度和形态下的煤粉产出特征；结合实验中两相流中气液比例和流体压力等参数，对不同流体条件、气液比例、裂缝形态及尺寸条件下的煤粉粒径与煤粉量进行记录，分析；

（5）、综合研究

通过关键参数控制系统Ⅴ设定不同气液比例，不同压力，制作裂缝分布岩心模型，模拟排采过程井底流压变化结合实验分组，测试出不同排采阶段以及不同围压作用下裂缝尺寸及形态变化时煤粉产出量和产出粒径，及煤粉中矿物含量，并结合压力参数，分析裂缝形态及尺寸对排采过程的影响，研究针对不同排采阶段不同裂缝形态下煤粉产出规律。

步骤（1）中实验样品制作的具体步骤为：煤储层相似材料骨料采用石膏和粒径0.18~0.85mm的碎煤，胶结剂采用硅酸盐水泥，所用硅酸盐水泥为425号普通硅酸盐水泥，辅料采用活性炭、水和粒径0.45-0.85mm的沙子，低围压模拟时直接采用碎煤胶结压制成型，高围压时以不同水泥比例为依据设计不同质量配比，岩心制作时，首先调制原料，依次加入碎煤、石膏、水泥、水，将糊状材料放置柱状外壳70中，在柱状外壳70的中心位置分别放置直缝型裂缝模板、波浪缝型裂缝模板、网状缝型裂缝模板、树叉缝型裂缝模板和鱼骨缝型裂缝模板，进行胶结成型，成型后在压制机上进行压制分别得到直缝型岩心试样（如图16所示）、波浪缝型岩心试样（如图17所示）、网状缝型岩心试样（如图18所示）、树叉缝型岩心试样（如图19所示）和鱼骨缝型岩心试样（如图20所示），隔天进行养护后取出钢制裂缝模板；

步骤（4）中将岩心试样60放入夹持外壳54中实验并收集产出的煤粉的具体步骤为：

a）、将岩心试样60套入胶套59后通过第二垫块安装孔542装入夹持外壳54内，并沿轴向安装在第一环形支撑座543和第二环形支撑座544上，将第二岩心垫块61从第二垫块安装孔542装入夹持外壳54内，再旋转90度，保证第二岩心垫块61的安装耳611卡在夹持外壳54的出口端内壁上，岩心试样60的两个端部分别与第一岩心垫块53和第二岩心垫块61抵接；

b）、通过计算机67控制排采阶段模拟系统Ⅰ开始工作，气相模拟装置100工作时，高压气瓶1通过减压阀2将气体通入第一高压气管101和第一增压进气管401中，经第一单向阀3进入气体增压室4中，第一电机7通过转动带动转动杆8运动，转动杆8带动气体增压活塞5在气体增压室4内往复移动，第一单向阀3关闭，第二单向阀9和第三单向阀11打开，高压气体进入高压储气室12中，气体增压自动控制阀13处于关闭状态，多次操作使高压储气室12达到一定压力后，计算机67控制气体增压自动控制阀13打开使高压气体进入相邻气体增压装置的第二气体增压室14中，并再次通过气体增压活塞5加压进入第二高压储气室15中，实验开始时，高压气体通过第一增压出气管23进入储集缸27中提供气源；液相模拟装置200工作时，通过第二气体增压组对液体增压组增压，保持一定压力，通过第一压力表17控制动力压力，计算机67控制第二自动控制阀20打开，高压气体通过第一输气管18和第二输气管181后进入水压缸19的气体腔，推动液体增压活塞21对液体腔中的液体进行增压，通过第一压力表17反馈给计算机67记录压力值，压力达到实验压力时，计算机67控制第三自动控制阀22开启，高压水通过第一高压水管191和第二高压水管31进入储集缸27中提供水源；气液混合装置300工作时，气源从第一增压出气管23经第四自动控制阀24进入储集缸27中，水源通过第二高压水管31经第五自动控制阀30进入储集缸27中，通过第四自动控制和第五自动控制阀30对气液比例及压力进行调节，模拟单向流、气水两相流实验条件；

c）、同时，通过计算机67控制围压模拟系统Ⅱ开始工作，计算机67控制第一增压泵45和第三增压泵47的第二电机44启动，带动主动轴39转动，通过螺套42传递至从动轴40，推动挡板41沿导轨37移动，推动围压增压活塞38移动将压裂液压入液压管34中进行增压，当压力达到设定压力时，第五压力表33反馈至计算机67停止增压；第一增压泵45通过液压管34向轴向增压腔室55注入高压液，进行轴向增压，同时第三增压泵47通过液压管34向围压增压腔室58增加围压，模拟地层压力条件，进行实验；

d）、岩心试样60被第一岩心垫块53和第二岩心垫块61卡住，储集缸27中的流体通过气液两相管路51进入煤粉测试系统Ⅳ中的第一岩心垫块53，对岩心试样60进行实验，形成的煤粉从第二岩心垫块61的筛孔612中流出，经过煤粉通道，激光粒度测试器对煤粉粒径进行测试，通过煤粉筛64过滤煤粉并进行称量确定煤粉质量，计算机67通过收集激光粒度器63中粒度分布数据对煤粉粒度进行数据采集；

e）、实验结束后，计算机67控制第二增压泵46的第二电机44启动，第二增压泵46向轴向降压腔室57增压，同时计算机67控制第一增压泵45和第三增压泵47的第二电机44反向转动，进行压力卸载。

所述压制机、激光粒度器63和煤粉筛64为现有常规装置，具体结构不再详述。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：包括排采阶段模拟系统、围压控制系统、煤粉测试系统和关键参数控制系统，排采阶段模拟系统的出口与煤粉测试系统的入口通过管路连接，围压控制系统的出液端与煤粉测试系统的进液端通过管路连接，关键参数控制系统通过数据线分别与排采阶段模拟系统、围压控制系统和煤粉测试系统连接。

2.根据权利要求1所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：排采阶段模拟系统包括气相模拟装置、液相模拟装置和气液混合装置，

气相模拟装置包括高压气瓶组和第一气体增压组，

高压气瓶组包括若干高压气瓶，各高压气瓶经第一高压气管并联后与第一增压进气管的进气端连接，各第一高压气管上分别设有邻近高压气瓶的减压阀；

第一气体增压组包括若干个气体增压装置和若干个驱动装置，驱动装置与气体增压装置配套，各气体增压装置之间通过增压连接管连接，各气体增压装置的结构相同，第一气体增压装置包括第一气体增压室和第一高压储气室，第一气体增压室通过第一增压进气管和第一高压气管与高压气瓶连接，第一增压进气管上设有邻近第一气体增压室的第一单向阀，第一气体增压室通过第二高压气管与高压储气室连接，第二高压气管上分别设有邻近第一气体增压室的第二单向阀和邻近第一高压储气室的第三单向阀，第一气体增压室内滑动连接有气体增压活塞，气体增压活塞上固定连接有活塞杆；增压连接管上设有邻近第一高压储气室的气体增压自动控制阀；

驱动装置包括第一电机、转盘和转动杆，第一电机的动力输出轴与转盘传动连接，转盘的边沿固定连接有铰接块，转动杆的一端与铰接块通过销轴铰接，转动杆的另一端与活塞杆通过销轴铰接；

第一气体增压组中的第二高压储气室通过第一增压出气管与气液混合装置连接，第一增压出气管上设有邻近第二高压储气室的第一自动控制阀；

液相模拟装置包括第二气体增压组和液体增压组，第二气体增压组和第一气体增压组的结构相同，第二气体增压组中的气体增压室通过第二增压进气管与大气连通，第二气体增压组中的高压储气室通过第二增压出气管与液体增压组的第一输气管连接，第一输气管上设有第一压力表，液体增压组包括若干个水压缸，水压缸内滑动连接有液体增压活塞，液体增压活塞将水压缸内部分隔为气体腔和液体腔，各水压缸的气体腔一端经第二输气管并联后与第一输气管连接，各第二输气管上分别设有邻近水压缸的第二自动控制阀，各水压缸的液体腔一端经第一高压水管并联后与第二高压水管连接，各第一高压水管上分别设有邻近水压缸的第三自动控制阀；

水压缸通过第一高压水管和第二高压水管与气液混合装置连接；

气液混合装置包括储集缸，储集缸的内壁上安装有第二压力表，

气相模拟装置中的第一增压出气管与储集缸连接，第一增压出气管上设有邻近储集缸的第四自动控制阀和邻近储集缸的第三压力表；

液相模拟装置中的第二高压水管与储集缸连接，第二高压水管上设有邻近储集缸的第五自动控制阀和邻近储集缸的水压表；

储集缸通过气液两相管路与煤粉测试系统连接，气液两相管路上设有邻近储集缸的第六自动控制阀和邻近储集缸的第四压力表。

3.根据权利要求2所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：围压控制系统包括结构相同的第一增压泵、第二增压泵和第三增压泵，第一增压泵、第二增压泵和第三增压泵均分别配套设置有第二电机，

第一增压泵、第二增压泵和第三增压泵均包括泵体、增压器底板、围压增压活塞、导轨、手动转盘、从动轮、主动轴、从动轴、螺套、挡板、激光测距器和液压管，泵体外形为圆筒形，围压增压活塞滑动连接在泵体内，围压增压活塞将泵体内部分隔为压裂液腔和驱动腔，增压器底板固定连接在泵体的压裂液腔一端，泵体的两侧设置有所述导轨，导轨的一端与增压器底板固定连接，导轨与泵体的轴线位于同一平面内，手动转盘设置在泵体的驱动腔一端外侧，手动转盘与主动轴传动连接，从动轮位于手动转盘内侧并传动连接在主动轴上，主动轴与螺套通过设置在主动轴上的螺旋凸起和设置在螺套内的螺旋槽传动连接，挡板设置在泵体与螺套之间，挡板的两端插设在导轨内并与导轨滑动连接，螺套的一端固定连接在挡板上，主动轴由外向内依次穿过挡板和泵体并伸入驱动腔内，从动轴为空心结构，主动轴外套设所述从动轴，从动轴的一端由外向内穿过泵体并与围压增压活塞固定连接，从动轴的另一端与挡板固定连接；

激光测距器安装在增压器底板上并与第一集线器通过数据线连接；第二电机与第一集线器通过数据线连接，第二电机的动力输出轴上传动连接有主动轮，主动轮通过皮带与从动轮传动连接，第一集线器与关键参数控制系统通过数据线连接；泵体于压裂液腔一端的内壁上开设有充液口，充液口上螺接有密封塞，泵体的压裂液腔通过液压管与煤粉测试系统连接，液压管上设有第五压力表，第五压力表与第一集线器通过数据线连接。

4.根据权利要求3所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：煤粉测试系统包括夹持支架、夹持外壳、第一岩心垫块、第二岩心垫块、胶套、排粉管道、激光粒度器和煤粉筛，

夹持外壳为圆筒状结构，夹持外壳内设置有岩心试样，夹持外壳沿轴向水平固定在夹持支架上，第一岩心垫块的外轮廓为圆柱形，第一岩心垫块分为气液两相进口部和气液两相出口部，气液两相进口部为实心且轴心处沿轴向设有进气长孔，气液两相出口部包括若干个同心圆环，相邻两个同心圆环之间围成扩散腔，各扩散腔与进气长孔连通，夹持外壳的进口端开设有第一垫块安装孔，夹持外壳的出口端开设有第二垫块安装孔，第二垫块安装孔于夹持外壳的出口端端面上沿径向开设有两个对称的垫块安装槽，夹持外壳内于靠近进口端的一侧沿轴向固定连接有第一环形支撑座，夹持外壳内于靠近出口端的一侧沿周向固定连接有第二环形支撑座，第一环形支撑座和第二环形支撑座之间为岩样放置腔，胶套为内径与岩心试样直径匹配的环状结构，胶套的长度大于岩心试样的长度，装有岩心试样的胶套沿轴向安装在第一环形支撑座和第二环形支撑座上，

第一岩心垫块由外向内依次穿过第一垫块安装孔和第一环形支撑座后与岩心的一端抵接，第一岩心垫块外套设有环形活塞，环形活塞沿轴向滑动连接在夹持外壳内，夹持外壳的进口端内壁与环形活塞之间为轴向增压腔室，环形活塞与第一环形支撑座之间为轴向降压腔室，胶套与岩样放置腔的内壁之间为围压增压腔室，

第二岩心垫块包括圆柱状主体和两个沿径向对称设置在圆柱状主体上的安装耳，安装耳与垫块安装槽的大小相匹配，圆柱状主体沿轴向均布有若干贯通圆柱状主体的筛孔，第二岩心垫块由外向内依次穿过第二垫块安装孔和第二环形支撑座后与岩心的另一端抵接，第二岩心垫块的安装耳卡接在夹持外壳的出口端内壁上，

煤粉筛设置在夹持外壳的出口侧，第二岩心垫块的出口端与煤粉筛通过排粉管道连通，排粉管道上设有激光粒度器，激光粒度器与关键参数控制系统通过数据线连接，储集缸通过气液两相管路与进气长孔连接，气液两相管路上设有流量计，流量计与关键参数控制系统通过数据线连接，轴向增压腔室与第一增压泵的液压管连通，轴向降压腔室与第二增压泵的液压管连通，围压增压腔室和第三增压泵的液压管连通。

5.根据权利要求4所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：关键参数控制系统包括计算机和工作台，计算机安装在工作台上，计算机通过数据线分别与排采阶段模拟系统、围压控制系统和煤粉测试系统中的第一电机、气体增压自动控制阀、第一自动控制阀、第二自动控制阀、第三自动控制阀、第四自动控制阀、第五自动控制阀、第六自动控制阀、第一压力表、第二压力表、第三压力表、第四压力表、水压表、第一集线器、激光粒度器和流量计通过数据线连接。

6.根据权利要求5所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：还包括用于制作岩心试样的煤裂隙发育制作模型，煤裂隙发育制作模型包括柱状外壳和钢制裂缝模板，柱状外壳为两个半圆弧板围成的圆筒状结构，柱状外壳外套设有紧固圆环，钢制裂缝模板包括手柄和裂缝模板，裂缝模板的长度和柱状外壳的长度相匹配，钢制裂缝模板采用钢板制成。

7.根据权利要求6所述的煤层气井排采过程煤粉产出模拟测试装置，其特征在于：裂缝模板的裂缝宽度分为1mm与10mm两种，裂缝模板的裂缝形态包括直缝型、波浪缝型、网状缝型、树叉缝型和鱼骨缝型，直缝型裂缝模板由沿柱状外壳的轴向设置的直线条状板沿柱状外壳的径向均匀间隔排列而成，波浪缝型裂缝模板由沿柱状外壳的轴向设置的波浪条状板沿柱状外壳的径向均匀间隔排列而成，网状缝型裂缝模板由呈斜十字交叉的网状板组成，树叉缝型裂缝模板由沿轴向设置的树叉分支组成，鱼骨缝型裂缝模板由若干个沿柱状外壳的径向设置的鱼骨形分支沿柱状外壳的轴向均匀间隔排列而成。