CN211500608U - 一种水锁伤害物理模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水锁伤害物理模拟装置，涉及煤层气开发技术领域。该方法应用于储层伤害模拟系统，包括地质环境模拟及控制系统、压裂液注入系统和煤层气排采系统，地质环境模拟及控制系统包括夹持器，压裂液注入系统包括第一煤层气注入系统和压裂液注入子系统，煤层气排采系统包括第二煤层气注入系统；该方法包括通过第一煤层气注入系统和第二煤层气注入系统向夹持器注气，模拟压裂液侵入前的煤层气产出渗透率；再模拟压裂液侵入储层过程；再通过第一煤层气注入系统向夹持器注气，模拟压裂液返排过程。该方法用以解决现有的水锁伤害模拟方法由于难以体现和反映压裂液侵入‑返排这一实际煤层气排采过程导致的模拟不准确的问题。

Description

一种水锁伤害物理模拟装置

技术领域

本实用新型涉及煤层气开发技术领域，具体而言，涉及一种水锁伤害物理模拟装置。

背景技术

随着当前国际和国内经济的高速发展，能源日渐短缺，环境压力较大且煤矿安全生产的形势严峻，煤层气作为一种清洁能源，具有很大的利用价值，其开采工艺和技术也日渐成熟。近年来，很多国家采用了不同的开采技术对煤层气进行开采，取得了显著成效。

压裂及排采过程中侵入的外来液部分为不可移动相，导致储层含水饱和度增大、气相渗透率降低，进而导致煤储层产生水锁伤害。煤储层普遍具有亲水性，且孔喉为大小不等、形状各异且彼此曲折的毛细管纳米孔隙，具备极强的水锁潜势。

目前的水锁伤害及评价方法一般采用室内实验测试方法，但现有测试方法通常未考虑实际煤层气开发过程中压裂液侵入及返排这一过程，而是直接建立饱和柱状煤样以气驱进行水锁伤害模拟，但不同含水饱和度下表征的水锁伤害难以体现和反映压裂液侵入-返排这一实际煤层气排采过程，因此存在模拟不准确的问题。

实用新型内容

基于上述问题，本实用新型提供一种水锁伤害物理模拟装置，用以解决现有的水锁伤害模拟装置由于难以体现和反映压裂液侵入-返排这一实际煤层气排采过程导致的模拟不准确的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种水锁伤害物理模拟装置，包括储层伤害模拟系统，储层伤害模拟系统包括：地质环境模拟及控制系统、压裂液注入系统和煤层气排采系统；地质环境模拟及控制系统包括用于放置样品的夹持器；

地质环境模拟及控制系统，用于模拟储层所处的目标地质环境状态；

压裂液注入系统包括第一煤层气注入系统和压裂液注入子系统，所述第一煤层气注入系统和压裂液注入子系统均连接所述夹持器的第一端，煤层气排采系统包括第二煤层气注入系统，所述煤层气排采系统连接所述夹持器的第二端；第一煤层气注入系统用于模拟储层在人工裂缝一侧的压力状态，第二煤层气注入系统用于模拟储层在储层基质一侧的压力状态；在夹持器已处于目标地质环境状态后，第一煤层气注入系统和第二煤层气注入系统用于向夹持器注气，以模拟压裂液侵入前的煤层气状态，以获取压裂液侵入前的第一气相渗透率；

压裂液注入子系统向所述夹持器内注入压裂液，用于模拟压裂液侵入储层过程；

第一煤层气注入系统用于向夹持器内注气，以模拟在压裂液侵入后的压裂液返排过程，以获取压裂液返排过程中的第二气相渗透率，第一气相渗透率和第二气相渗透率用于确定气相渗透伤害率，气相渗透伤害率用于评价水锁伤害对气相渗透率的伤害程度。

在上述实现过程中，地质环境模拟及控制系统用于模拟储层所在的地质环境状态如地层温度和地层压力，此外，实际开采过程中，储层的一侧为人工裂缝的壁面，另一侧为储层基质，在此基础上，分别通过第一煤层气注入系统和第二煤层气注入系统分别向夹持器的两端注气；第一煤层气注入系统用于模拟储层在人工裂缝一侧的压力状态，第二煤层气注入系统用于模拟储层在储层基质一侧的压力状态；通过注气压力来模拟储层两端所承受的不同的压力，从而模拟了储层原位地质条件和压裂液侵入前的煤层气产出渗透率，为模拟实际开采过程中的压裂液侵入-返排过程奠定了基础；

再通过压裂液注入子系统向夹持器内注入压裂液，模拟压裂液侵入储层的过程；因为实际开采过程中，压裂液侵入时，储层基质的压力是不变的；

再通过第一煤层气注入系统向夹持器内注气，以模拟在压裂液侵入后的压裂液返排过程，进而获知压裂液侵入前后气相渗透率的变化；

因此，本装置通过地质环境模拟及控制系统了模拟储层所在的地质环境状态，并通过压裂液注入系统和煤层气排采系统模拟了实际煤层气排采过程中储层的压力状态以及压裂液侵入-返排这一实际煤层气排采过程，提高了水锁伤害模拟的准确性。

进一步地，地质环境模拟及控制系统还包括轴压加载子系统、围压加载子系统和温度控制子系统、温度传感器、模拟监测子系统以及压力传感器和流量传感器；

轴压加载子系统通过管道连接到夹持器的两端，围压加载子系统通过管道连接到夹持器的中部，轴压加载子系统和围压加载子系统用于将样品的轴压和围压升至地层应力；

温度控制子系统用于控制和调节夹持器的温度，用于将夹持器的温度升至地层温度，以便使夹持器处于目标地质环境状态；

温度传感器、压力传感器和流量传感器均与模拟监测子系统通信连接，在模拟压裂液注入和返排过程中分别用于测量和控制流量、温度和压力。

在上述实现过程中，轴压加载子系统和围压加载子系统分别为夹持器的两端和中部提供高压流体，使得轴压加载子系统和围压加载子系统交替作用，将轴压和围压升至地层应力；温度控制子系统对夹持器进行加热，使得夹持器的温度升至地层温度；再通过模拟监测子系统监测流量、温度和压力，使得在实验过程中，夹持器中样品的状态达到目标地质环境状态。

进一步地，压裂液注入系统设置在夹持器的第一端，煤层气排采系统设置在夹持器的第二端，压裂液注入系统还包括第一渗透压控制子系统、第一加热器、第一调压装置、中间容器、恒压恒流泵和空气压缩机；

第一煤层气注入系统通过管道依次连接第一调压装置、第一加热器和第一渗透压控制子系统，第一渗透压控制子系统通过管道连接夹持器；第一调压装置和第一渗透压控制子系统用于调节夹持器的注气气压，以便通过第一煤层气注入系统以第三压力向夹持器注气；其中，第三压力用于模拟人工裂缝中的压力；

压裂液注入子系统依次连接恒压恒流泵、中间容器和第一加热器，恒压恒流泵用于为压裂液注入提供动力，以便通过压裂液注入子系统以第二压力向夹持器内注入压裂液，用于模拟压裂液侵入储层过程；其中，第二压力大于第一压力，第一压力用于模拟储层基质的压力；

第一加热器用于对注入夹持器的气体和压裂液进行加热；

空气压缩机通过管道连接恒压恒流泵，空气压缩机用于对夹持器进行负压抽真空。

在上述实现过程中，第一煤层气注入系统通过管道以第三压力向夹持器注气，用以模拟人工裂缝一侧的压力状态，在此过程中，第一调压装置和第一渗透压控制子系统共同作用使得注气气压处于第三压力状态；压裂液注入子系统通过管道以第二压力向夹持器注入压裂液，用以模拟压裂液侵入过程，在此过程中，恒压恒流泵用以提供注液动力；第一加热器对注入的气体和液体进行加热；在夹持器处于目标地质环境状态之前，需要利用空气压缩机对夹持器进行负压抽真空，使得整个实验装置均处于真空状态。

进一步地，煤层气排采系统还包括第二渗透压控制子系统、第二加热器和第二调压装置；

第二煤层气注入系统通过管道连接第二调压装置，第二调压装置依次连接第二加热器和第二渗透压控制子系统，第二渗透压控制子系统通过管道连接夹持器；第二调压装置和第二渗透压控制子系统用于调节夹持器的注气气压，用于通过第二煤层气注入系统以第一压力向夹持器注气。

在上述实现过程中，第二煤层气注入系统通过管道以第一压力向夹持器注气，用以模拟储层所在储层基质一侧的压力状态，在此过程中，第二调压装置和第二渗透压控制子系统均用于调压，两者共同作用使得在整个模拟实验过程中注气气压一直处于第一压力状态，提高对第一压力控制的准确性。

进一步地，第一煤层气注入系统、压裂液注入子系统和第二煤层气注入系统注入夹持器的气体和压裂液的温度与夹持器内的温度差值均小于预设温度值。

在上述实现过程中，注入夹持器内的气液温度均应与夹持器内的样品的温度一致或温度差值小于预设温度值，防止注入气液后夹持器内样品的温度发生改变，对模拟结果造成影响。

进一步地，所述温度控制子系统为恒温箱。

进一步地，所述模拟监测子系统为计算机。

进一步地，所述地质环境模拟及控制系统对所述样品施加的压力范围为0-30MPa。

进一步地，所述地质环境模拟及控制系统对所述样品施加的温度范围为20-80℃。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的水锁伤害物理模拟方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的水锁伤害物理模拟方法的场景示意图；

图3为本申请实施例提供的水锁伤害物理模拟装置的结构示意图。

图标：600-地质环境模拟及控制系统；601-压力传感器；602-轴压加载子系统；603-夹持器；604-温度传感器；605-流量传感器；606-模拟监测子系统；607-围压加载子系统；608-温度控制子系统；700-压裂液注入系统； 701-第一渗透压控制子系统；702-第一加热器；703-第一调压装置；704-第一煤层气注入系统；705-中间容器；706-空气压缩机；707-压裂液注入子系统；708-恒压恒流泵；800-煤层气排采系统；801-第二渗透压控制子系统；802-第二加热器；803-第二调压装置；804-第二煤层气注入系统；900-样品； 901-水侵范围；902-井筒；903-人工裂缝；904-储层基质。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

请参看图1，图1为本申请实施例提供的一种水锁伤害物理模拟方法；该方法应用于储层伤害模拟系统，该储层伤害模拟系统包括地质环境模拟及控制系统600、压裂液注入系统700和煤层气排采系统800，地质环境模拟及控制系统600包括用于放置样品900的夹持器603，压裂液注入系统 700包括第一煤层气注入系统704和压裂液注入子系统707，煤层气排采系统800包括第二煤层气注入系统804；该方法可以包括以下步骤：

步骤S100：通过地质环境模拟及控制系统600模拟储层所处的目标地质环境状态。

可选的，地质环境模拟及控制系统600还包括轴压加载子系统602、围压加载子系统607和温度控制子系统608；通过地质环境模拟及控制系统 600模拟储层所处的目标地质环境状态，包括：

在对放置有样品900的夹持器603进行负压抽真空后，分别通过轴压加载子系统602和围压加载子系统607将放置在夹持器603中的样品900 的轴压和围压升至地层应力，通过温度控制子系统608将夹持器603的温度升至地层温度，以便使夹持器603处于目标地质环境状态。

其中，地层应力可以表示为P_f，地层温度可以表示为T_f。

在上述实现过程中，该目标地质环境状态为样品900处于实际开采时的原位地质环境状态，由于储层所在的地质环境包括地层压力和地层温度，并且处于真空状态，所以在模拟实验进行之前，应当使得夹持器603处于目标地质环境状态内，以便使夹持器603内的样品900处于实际开采时的原位地质环境状态下，确保后续模拟实验的准确性；地质环境模拟及控制系统对样品可以施加的压力范围为0-30MPa，对所述样品施加的温度范围为20-80℃。

步骤S200：通过第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804 向已处于目标地质环境状态的夹持器603注气，用于模拟压裂液侵入前的煤层气产出状态，以获取压裂液侵入前的第一气相渗透率。

在上述实现过程中，示例的，本申请实施例中采用的样品900可以为干燥的柱状煤芯试件，在放入夹持器603之前，需要测量该柱状煤芯试件的直径D，长度L以及孔隙度φ；

此外，在压裂液侵入之前，只有单一相态即气相，所以此时的煤层气产出渗透率即为气相渗透率，通过利用达西定律获取第一气相渗透率；而压裂液侵入后具有气相和水相两种相态，此时气体渗流渗透率即为气相渗透率。

可选的，压裂液注入系统700连接夹持器603的第一端，煤层气排采系统800连接夹持器603的第二端，通过第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804向已处于地质环境状态的夹持器603注气，包括以下步骤：

步骤S201：开启第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804，用于模拟储层分别在人工裂缝903一侧和储层基质904一侧的压力状态，通过第二煤层气注入系统804以第一压力向夹持器603注气。

步骤S202：通过第一煤层气注入系统704以第三压力向夹持器603注气。

步骤S203：当第一煤层气注入系统704的出口流量稳定后，记录流量值Q₁；其中，第一压力用于模拟储层基质904的压力，第三压力用于模拟人工裂缝903中的压力。

其中，第一气相渗透率k₁的计算公式为：

其中，μ_g为气体粘度，单位为mP·s；L为样品900的长度，单位为 cm；A为样品900的横截面积，单位为cm²；p_a为当前测试条件下的标准大气压，单位为MPa；P₁为第一压力，P₃为第三压力；k₁为气相渗透率，单位为mD。

在上述实现过程中，如图2所示，为本申请实施例提供的水锁伤害物理模拟方法的场景示意图，由于煤层气开采时储层被井筒902分裂，使得在井筒902处会出现人工裂缝903(为清晰显示，人工裂缝903的开度有所扩大)，其他部位仍是储层基质904，靠近人工裂缝903的部分为水侵范围901，储层基质904由于储层重力作用而产生压力，导致人工裂缝903处的压力与储层基质904处的压力不同；因此在模拟过程中，夹持器603的第一端即与压裂液注入系统700连接的一端(图3中的A端)可以代表实际开采过程中的人工裂缝903的壁面一侧，夹持器603的第二端即与煤层气排采系统800连接的另一端(图3中的B端)可以代表实际开采过程中的储层基质904一侧，样品900放入夹持器603后，夹持器603中样品900 的A端代表水侵人工裂缝壁面，夹持器603中样品900的B端代表储层基质壁面，分别通过第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804向已处于目标地质环境状态的对应的夹持器603的A端和B端注气，利用第一煤层气注入系统704的注气压力模拟人工裂缝903处的压力状态，利用第二煤层气注入系统804的注气压力模拟储层基质904的压力状态，从而模拟了储层原位地质条件和压裂液侵入前的煤层气产出渗透率，即第一气相渗透率，为模拟实际开采过程中的压裂液侵入-返排过程奠定了基础。

具体地，由于储层在人工裂缝903处和储层基质904处的压力不同，因此可以通过第一煤层气注入系统704以第三压力向夹持器603的左端注气，第三压力用于模拟人工裂缝903中的压力；可以通过第二煤层气注入系统804以第一压力向夹持器603的右端注气，第一压力用于模拟储层基质904的压力，第一压力大于第三压力；还原了一端为人工裂缝903壁面、另一端为储层基质904的储层在压裂液侵入前所处的压力状态。

步骤S300：通过压裂液注入子系统707向夹持器603内注入压裂液，用于模拟压裂液侵入储层过程。

可选的，通过压裂液注入子系统707向夹持器603内注入压裂液，可以包括以下步骤：

步骤S301：开启压裂液注入子系统707。

步骤S302：通过压裂液注入子系统707以第二压力向夹持器603内注入压裂液；其中，第二压力大于第一压力。

在上述实现过程中，压裂液注入子系统707从左端向夹持器603内注入压裂液，即从人工裂缝903一侧注入压裂液，压裂液可以采用地层水，用于模拟压裂液侵入过程，在此过程中，压裂液注入压力为第二压力，该第二压力大于第一压力，方便压裂液注入到储层基质904内。

步骤S400：通过第一煤层气注入系统704向放置有样品900的夹持器 603内注气，用于模拟压裂液返排过程，以获取压裂液返排过程中的第二气相渗透率。

可选的，通过第一煤层气注入系统704向夹持器603内注气，可以包括以下步骤：

步骤S401：当压裂液注入子系统707的注入流量达到稳定状态后，重新开启第一煤层气注入系统704；第一煤层气注入系统704的压力为第三压力，第二煤层气注入系统804的压力为第一压力。

步骤S402：当第一煤层气注入系统704达到稳定状态后，记录第一煤层气注入系统704的出口流量Q₂。

在上述实现过程中，压裂液侵入前后，夹持器603左右两端的压力仍然分别保持在第三压力和第一压力状态，从而模拟实际开采过程中，压裂液的返排过程，因为在实际开采过程中，在一端为人工裂缝903壁面、另一端为储层基质904的储层的压力状态不变；并且模拟压裂液侵入和返排的过程中，第二煤层气注入系统804始终保持开启状态且压力为第一压力，因为实际开采过程中，储层的压力状态是不变的。

其中，利用达西定律获取第二渗透率，第二气相渗透率k₂的计算公式为：

其中，公式中各参数定义与第一气相渗透率k₁的计算公式中的各参数定义相同，在此不再赘述。

步骤S500：根据第一气相渗透率k₁和第二气相渗透率k₂确定气相渗透伤害率，气相渗透伤害率用于评价水锁伤害对气相渗透率的伤害程度。

其中，水锁伤害对气相渗透率的伤害程度可以表示为：

其中，PDR即为渗透率损害率(Permeability Damage Ratio)，PDR越高，则伤害程度越高。

本申请实施例还提供了一种水锁伤害物理模拟装置，如图3所示，为本申请实施例提供的水锁伤害物理模拟装置的结构示意图，该装置包括储层伤害模拟系统，储层伤害模拟系统包括但不限于：地质环境模拟及控制系统600、压裂液注入系统700和煤层气排采系统800；地质环境模拟及控制系统600包括用于放置样品900的夹持器603；

地质环境模拟及控制系统600，用于模拟储层所处的目标地质环境状态。

压裂液注入系统700包括第一煤层气注入系统704和压裂液注入子系统707，煤层气排采系统800包括第二煤层气注入系统804；第一煤层气注入系统704用于模拟储层在人工裂缝903一侧的压力状态，第二煤层气注入系统804用于模拟储层在储层基质904一侧的压力状态；在夹持器603 已处于目标地质环境状态后，第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804用于向夹持器603注气，以模拟压裂液侵入前的煤层气状态，以获取压裂液侵入前的第一气相渗透率；

压裂液注入子系统707用于模拟压裂液侵入储层过程；

第一煤层气注入系统704还用于向夹持器603内注气，以模拟在压裂液侵入后的压裂液返排过程，以便利用达西定律计算第二气相渗透率，第一气相渗透率和第二气相渗透率用于确定气相渗透伤害率，气相渗透伤害率用于评价水锁伤害对气相渗透率的伤害程度。

在上述实现过程中，地质环境模拟及控制系统600用于模拟储层所在的地质环境状态如地层温度和地层压力，此外，实际开采过程中，储层的一侧人工裂缝903的壁面，另一侧为储层基质904；因此在模拟过程中，夹持器603的第一端即与压裂液注入系统700连接的一端(图3中的A端) 可以代表实际开采过程中的人工裂缝903的壁面一侧，夹持器603的第二端即与煤层气排采系统800连接的另一端(图3中的B端)可以代表实际开采过程中的储层基质904一侧，样品900放入夹持器603后，样品900 的A端代表水侵壁面，样品900的B端代表储层基质904，分别通过第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804分别向已处于目标地质环境状态的对应的夹持器603的A端和B端注气；第一煤层气注入系统704 用于模拟储层在人工裂缝903一侧的压力状态，第二煤层气注入系统804 用于模拟储层在储层基质904一侧的压力状态；通过注气压力来模拟储层两端所承受的不同的压力，从而模拟了储层原位地质条件和压裂液侵入前的煤层气产出渗透率，为模拟实际开采过程中的压裂液侵入-返排过程奠定了基础；

再通过压裂液注入子系统707以第三压力向夹持器603的A端注入压裂液，模拟压裂液侵入储层的过程；因为实际开采过程中，压裂液侵入时，储层基质904的压力是不变的，所以压裂液侵入过程中，第二煤层气注入系统804的压力处于第一压力状态；更加直观、高效的模拟了压裂液侵入过程；

再通过第一煤层气注入系统704以第三压力向夹持器603的A端内注气，以模拟在压裂液侵入后的压裂液返排过程，在此过程中，第二煤层气注入系统804的压力处于第一压力状态，使得能够高度模拟压裂液返排过程，并且由于考虑了实际煤层气开发过程中压裂液侵入及返排这一过程，因此能够使水锁伤害模拟的更加准确。

可选的，地质环境模拟及控制系统600还包括轴压加载子系统602、围压加载子系统607和温度控制子系统608、温度传感器604、模拟监测子系统606以及压力传感器601和流量传感器605；

轴压加载子系统602通过管道连接到夹持器603的两端，围压加载子系统607通过管道连接到夹持器603的中部，轴压加载子系统602和围压加载子系统607用于将样品900的轴压和围压升至地层应力；

温度控制子系统608用于控制和调节夹持器603的温度，例如可以采用恒温箱，用于将夹持器603的温度升至地层温度，以便使夹持器603处于目标地质环境状态；

温度传感器604、压力传感器601和流量传感器605均与模拟监测子系统606通信连接，在模拟压裂液注入和返排过程中用于测量流量、温度和压力。

在上述实现过程中，轴压加载子系统602和围压加载子系统607分别为夹持器603的两端和中部提供高压流体，例如氟油，具有优异的化学惰性和热稳定性；使得轴压加载子系统602和围压加载子系统607交替作用，将轴压和围压升至地层应力；温度控制子系统608对夹持器603进行加热，使得夹持器603的温度升至地层温度；再通过模拟监测子系统606监测流量、温度和压力，即温度传感器604、压力传感器601和流量传感器605将测量得到的温度、压力和流量数据在模拟监测子系统606上进行实时显示，使得在模拟实验过程中，夹持器603中样品900的状态能够与目标地质环境状态保持一致，在本申请的实施例中，示例的，模拟监测子系统606可以采用计算机，将温度、流量和压力数据实时在计算机上进行显示，方便及时控制。

可选的，压裂液注入系统700连接夹持器603的第一端，煤层气排采系统800连接夹持器603的第二端，在本实施例中，压裂液注入系统700 通过管道连接夹持器603的左端，煤层气排采系统800通过管道连接夹持器603的右端；压裂液注入系统700还包括但不限于第一渗透压控制子系统701、第一加热器702、第一调压装置703、中间容器705、恒压恒流泵708和空气压缩机706；

第一煤层气注入系统704通过管道依次连接第一调压装置703、第一加热器702和第一渗透压控制子系统701，第一渗透压控制子系统701通过管道连接夹持器603；第一调压装置703和第一渗透压控制子系统701用于调节夹持器603的注气气压，以便通过第一煤层气注入系统704以第三压力向夹持器603注气；其中，第三压力用于模拟人工裂缝903中的压力；

压裂液注入子系统707依次连接恒压恒流泵708、中间容器705和第一加热器702，恒压恒流泵708用于为压裂液注入提供动力，以便通过压裂液注入子系统707以第二压力向夹持器603内注入压裂液，用于模拟压裂液侵入储层过程；其中，第二压力大于第一压力，第一压力用于模拟储层基质904的压力；

第一加热器702用于对注入夹持器603的气体和压裂液进行预加热；

空气压缩机706通过管道连接恒压恒流泵708，空气压缩机706用于对夹持器603进行负压抽真空。

在上述实现过程中，第一煤层气注入系统704通过管道以第三压力向夹持器603注气，用以模拟人工裂缝903一侧的压力状态，在此过程中，第一调压装置703和第一渗透压控制子系统701共同作用确保注气气压处于第三压力状态；压裂液注入子系统707通过管道以第二压力向夹持器603 注入压裂液，用以模拟压裂液侵入过程，在此过程中，恒压恒流泵708用以提供注液动力；第一加热器702对注入的气体和液体进行预加热；在本实施例中，示例的，注入夹持器603的气体采用的是甲烷，在夹持器603 处于目标地质环境状态之前，需要利用空气压缩机706对夹持器603进行负压抽真空，使得整个实验装置均处于真空状态，与实际开采过程中储层所处的真空状态保持一致。

可选的，煤层气排采系统800还包括但不限于第二渗透压控制子系统 801、第二加热器802和第二调压装置803；

第二煤层气注入系统804通过管道连接第二调压装置803，第二调压装置803依次连接第二加热器802和第二渗透压控制子系统801，第二渗透压控制子系统801通过管道连接夹持器603；第二调压装置803和第二渗透压控制子系统801用于调节夹持器603的注气气压，以便通过第二煤层气注入系统804以第一压力向夹持器603注气。

在上述实现过程中，第二煤层气注入系统804通过管道以第一压力向夹持器603的B端注气，用以模拟储层所在储层基质904一侧的压力状态，在此过程中，第二调压装置803和第二渗透压控制子系统801均用于调压，两者共同作用使得在整个模拟实验过程中注气气压处于第一压力状态，提高对第一压力控制的准确性。

此外，在模拟实验过程中，第一煤层气注入系统704、压裂液注入子系统707和第二煤层气注入系统804注入夹持器603的气体如甲烷和压裂液如地层水的温度与夹持器603内的温度差值均应小于预设温度值。

在上述实现过程中，预设的温度值可以根据需要进行设定，示例的，注入夹持器603内的气液温度如甲烷和地层水的温度均应与夹持器603内的样品900的温度相同，防止注入气液后夹持器603内样品900的温度发生改变，对模拟结果造成影响。

示例的，本申请实施例还提供了一种水锁伤害物理模拟方法的具体实验过程，包括以下步骤：

步骤1：获取储层的柱状煤芯试件，干燥后测量其直径D为25.32mm、长度L为48.12mm，孔隙度为8.12％；再将该柱状煤芯试件放置于夹持器 603中；在常温下将第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804中充满甲烷(5MPa)，压裂液注入子系统707中充满地层水。

步骤2：通过地质环境模拟及控制系统600模拟储层所处的目标地质环境状态：

对夹持器603进行负压(0.1MPa)抽真空60分钟，通过轴压加载子系统602和围压加载子系统607交替作用，使得该柱状煤芯试件的轴压和围压达到深埋2000m的地层应力20Mpa，再利用温度控制子系统608对夹持器603进行持续加热30分钟，使其温度达到地层温度60℃，并且升温过程中，该柱状煤芯试件的轴压和围压保持不变。

步骤3：模拟压裂液侵入前的煤层气产出渗透率：

开启第一煤层气注入系统704和第二煤层气注入系统804，第一煤层气注入系统704以9Mpa压力向夹持器603的A端内注入甲烷，第二煤层气注入系统804以10Mpa压力向夹持器603的B端内注入甲烷，压力稳定后记录第一煤层气注入系统704出口的甲烷流量Q₁为0.022ML/min，再利用达西定律计算第一气相渗透率k₁为0.0045mD。

步骤4：模拟压裂液侵入储层过程：

关闭第一煤层气注入系统704，开启压裂液注入子系统707，压裂液注入子系统707以15Mpa压力向夹持器603内注入地层水，在此过程中，第二煤层气注入系统804的压力保持10Mpa不变，通过温度控制子系统608 对夹持器603加热，使得该柱状煤芯试件的温度保持不变(地层温度60℃)。

步骤5：模拟压裂液返排过程：

当压裂液注入子系统707的注入流量达到稳定状态后，重新开启第一煤层气注入系统704，第一煤层气注入系统704仍以9Mpa压力向夹持器603 内注入甲烷，在此过程中，第二煤层气注入系统804的压力保持10Mpa不变，通过温度控制子系统608对夹持器603加热，使得该柱状煤芯试件的温度保持不变(地层温度60℃)；待稳定后，记录第一煤层气注入系统704 出口的甲烷流量Q₂为0.007ML/min，再利用达西定律计算第二气相渗透率 k₂为0.0014mD。

步骤6：评价水锁伤害对气相渗透率的伤害程度PDR为68.89％。

综上所述，通过模拟深部煤储层所处的地质环境和实际煤层气排采过程中的压裂液侵入-返排过程，解决了现有的水锁伤害模拟方法由于难以体现和反映压裂液侵入-返排这一实际煤层气排采过程导致的模拟不准确的问题，提高了水锁伤害物理模拟结果的准确性，并且获知深层的地下储层水锁伤害前后的储层气相渗透率的变化。因而本申请可以满足深部和浅部煤储层水锁伤害的物理模拟要求。

在上述所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本实用新型实施例不再多加赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本实用新型实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本实用新型实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本实用新型所必须的。

在本实用新型的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本实用新型实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，包括储层伤害模拟系统，所述储层伤害模拟系统包括：地质环境模拟及控制系统、压裂液注入系统和煤层气排采系统；所述地质环境模拟及控制系统包括用于放置样品的夹持器；

所述地质环境模拟及控制系统，用于模拟储层所处的目标地质环境状态；

所述压裂液注入系统包括第一煤层气注入系统和压裂液注入子系统，所述第一煤层气注入系统和压裂液注入子系统均连接所述夹持器的第一端，所述煤层气排采系统包括第二煤层气注入系统，所述煤层气排采系统连接所述夹持器的第二端；所述第一煤层气注入系统用于模拟储层在人工裂缝一侧的压力状态，所述第二煤层气注入系统用于模拟储层在储层基质一侧的压力状态；在所述夹持器已处于所述目标地质环境状态后，所述第一煤层气注入系统和所述第二煤层气注入系统用于向所述夹持器注气，以模拟压裂液侵入前的煤层气产出状态，以获取压裂液侵入前的第一气相渗透率；

所述压裂液注入子系统向所述夹持器内注入压裂液，用于模拟压裂液侵入储层过程；

所述第一煤层气注入系统用于向所述夹持器内注气，以模拟在压裂液侵入后的压裂液返排过程，以获取压裂液返排过程的第二气相渗透率，所述第一气相渗透率和第二气相渗透率用于确定气相渗透伤害率，所述气相渗透伤害率用于评价水锁伤害对气相渗透率的伤害程度。

2.根据权利要求1所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述地质环境模拟及控制系统还包括轴压加载子系统、围压加载子系统和温度控制子系统、温度传感器、模拟监测子系统以及压力传感器和流量传感器；

所述轴压加载子系统通过管道连接到所述夹持器的两端，所述围压加载子系统通过管道连接到所述夹持器的中部，所述轴压加载子系统和所述围压加载子系统用于将所述样品的轴压和围压升至地层应力；

所述温度控制子系统用于控制和调节所述夹持器的温度，用于将所述夹持器内的温度升至地层温度，以便使所述夹持器处于所述目标地质环境状态；

所述温度传感器、所述压力传感器和所述流量传感器均与所述模拟监测子系统通信连接，在模拟压裂液注入和返排过程中分别用于测量温度、压力和流量。

3.根据权利要求1所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述压裂液注入系统设置在所述夹持器的第一端，所述煤层气排采系统设置在所述夹持器的第二端，所述压裂液注入系统还包括第一渗透压控制子系统、第一加热器、第一调压装置、中间容器、恒压恒流泵和空气压缩机；

所述第一煤层气注入系统通过管道依次连接所述第一调压装置、所述第一加热器和所述第一渗透压控制子系统，所述第一渗透压控制子系统通过管道连接所述夹持器；所述第一调压装置和所述第一渗透压控制子系统用于调节所述夹持器的注气气压，以便通过所述第一煤层气注入系统以第三压力向所述夹持器注气；其中，所述第三压力用于模拟人工裂缝中的压力；

所述压裂液注入子系统依次连接所述恒压恒流泵、所述中间容器和所述第一加热器，所述恒压恒流泵用于为压裂液注入提供动力，以便通过所述压裂液注入子系统以第二压力向所述夹持器内注入压裂液，用于模拟压裂液侵入储层过程；其中，所述第二压力大于第一压力，所述第一压力用于模拟储层基质的压力；

所述第一加热器用于对注入所述夹持器的气体和压裂液进行预加热；

所述空气压缩机通过管道连接所述恒压恒流泵，所述空气压缩机用于对所述夹持器进行负压抽真空。

4.根据权利要求3所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述煤层气排采系统还包括第二渗透压控制子系统、第二加热器和第二调压装置；

所述第二煤层气注入系统通过管道连接所述第二调压装置，所述第二调压装置依次连接所述第二加热器和所述第二渗透压控制子系统，所述第二渗透压控制子系统通过管道连接所述夹持器；所述第二调压装置和所述第二渗透压控制子系统用于调节所述夹持器的注气气压，用于通过第二煤层气注入系统以第一压力向夹持器注气。

5.根据权利要求1所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述第一煤层气注入系统、压裂液注入子系统和第二煤层气注入系统注入所述夹持器的气体和压裂液的温度与所述夹持器内的温度差值均小于预设温度值。

6.根据权利要求2所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述温度控制子系统为恒温箱。

7.根据权利要求2所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述模拟监测子系统为计算机。

8.根据权利要求1所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述地质环境模拟及控制系统对所述样品施加的压力范围为0-30MPa。

9.根据权利要求1所述的水锁伤害物理模拟装置，其特征在于，所述地质环境模拟及控制系统对所述样品施加的温度范围为20-80℃。

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