專利名稱：煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種完井模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尤其涉及一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
1986年Meridian石油公司開始在美國(guó)圣胡安盆地使用裸眼洞穴完井技術(shù)，使目標(biāo)煤層坍塌以擴(kuò)大井眼形成洞穴，洞穴完井后煤層氣井的煤層氣產(chǎn)量是射孔完井后水力壓裂的3-20倍，且成本低于大型水力壓裂，到目前為止，圣胡安盆地已有4000多口煤層氣井， 其中1/3為洞穴完井，洞穴完井累計(jì)產(chǎn)氣量占整個(gè)盆地產(chǎn)氣量的76%。與美國(guó)的煤層氣洞穴完井相比，由于受到設(shè)備和認(rèn)識(shí)上的原因，我國(guó)的煤層氣洞穴完井還沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)井底壓力激動(dòng)或煤層內(nèi)部的應(yīng)力波動(dòng)，洞穴遠(yuǎn)端的微裂紋根本沒(méi)有受到周期性的張性和剪切力作用影響，所以最終效果都不理想。因此需要在煤層氣洞穴完井增產(chǎn)機(jī)理及造洞穴技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究，以形成我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤層氣洞穴完井理論和技術(shù)。煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)洞穴完井，是煤層氣井動(dòng)態(tài)注入/排放造洞穴工藝，以43. 5-56. 6立方米/分鐘的排量，在1-6個(gè)小時(shí)內(nèi)，將空氣或者空氣與水的混合物注入煤層氣井井筒，使井口壓力達(dá)到lOMpa，然后突然打開地面液動(dòng)閥，快速卸載井筒內(nèi)部壓力，激發(fā)井筒壁面煤層發(fā)生坍塌以擴(kuò)大井眼，重復(fù)注入憋壓與排出卸壓過(guò)程，直到井筒內(nèi)產(chǎn)生一穩(wěn)定洞穴，成功后的洞穴完井加大了煤層的暴露面積，增大了地層導(dǎo)流能力，高壓流體的注入和卸壓過(guò)程中，產(chǎn)生了的張性裂縫和誘導(dǎo)剪切裂縫，能有效的連通井筒和未傷害的儲(chǔ)層，產(chǎn)生多個(gè)方向的自支撐裂縫，貫通了儲(chǔ)層中以前沒(méi)有連通的裂縫，從而大大提高了井眼周圍儲(chǔ)層的滲透率，達(dá)到增產(chǎn)的目的。但是，由于進(jìn)行煤層氣洞穴完井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的費(fèi)用投資巨大，耗時(shí)長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)成本高， 不具有快速、多次、多地層實(shí)驗(yàn)的能力，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量和采集非常困難，并且即使洞穴完井成功，其增產(chǎn)機(jī)理也很難解釋和分析，因此，我國(guó)對(duì)煤層氣洞穴完井的增產(chǎn)機(jī)理及工藝流程研究非常少。本發(fā)明人針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，由此有效的模擬洞穴完井過(guò)程，從而得出洞穴完井的增產(chǎn)機(jī)理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，用以模擬洞穴完井過(guò)程，從而得出洞穴完井的增產(chǎn)機(jī)理。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，所述評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置由方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)、三軸伺服加載系統(tǒng)、氣液加壓注入系統(tǒng)、收集計(jì)量系統(tǒng)和監(jiān)控處理系統(tǒng)構(gòu)成；該方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)設(shè)置在一框架內(nèi)，該方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)包括一正方體煤巖模型，該煤巖模型底面設(shè)有一向上延伸的模擬井筒，煤巖模型頂面設(shè)有多個(gè)向下延伸的測(cè)壓孔，煤巖模型外側(cè)設(shè)有密封膠套，在膠套外側(cè)且對(duì)應(yīng)煤巖模型的六個(gè)側(cè)面上固定設(shè)有壓板，在所述上、下側(cè)壓板以及膠套上與模擬井筒和測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)有透孔，各測(cè)壓孔內(nèi)設(shè)有帶壓力傳感器的測(cè)壓管；所述三軸伺服加載系統(tǒng)包括三個(gè)伺服加壓油缸，該三個(gè)油缸設(shè)置在煤巖模型外側(cè)的空間三個(gè)方向上并向煤巖模型施加壓力；氣液加壓注入系統(tǒng)包括密封設(shè)置在下側(cè)壓板上并與模擬井筒導(dǎo)通的連通器，該連通器上部設(shè)有進(jìn)氣管、進(jìn)水管和帶壓力傳感器的測(cè)壓管，連通器下部設(shè)有一電動(dòng)球閥，該電動(dòng)球閥下端連接有一卸壓管，該卸壓管底端對(duì)應(yīng)設(shè)有一煤粉收集水槽。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述煤巖模型頂面設(shè)有四個(gè)測(cè)壓孔。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，各加壓油缸的進(jìn)口方向分別安裝一伺服閥，用來(lái)精確控制閥門的開關(guān)和進(jìn)油量。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述各伺服加壓油缸上設(shè)有力傳感器和位移傳感器，各伺服加壓油缸連接有控制其動(dòng)作的全數(shù)字控制器。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述進(jìn)氣管通過(guò)第一通道與第一水壓和氣壓加壓缸連接，所述進(jìn)水管通過(guò)第二通道與第二水壓和氣壓加壓缸連接，該兩個(gè)加壓缸由一伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該第一水壓和氣壓加壓缸通過(guò)第一選擇開關(guān)與儲(chǔ)氣瓶和儲(chǔ)液罐連通，該第二水壓和氣壓加壓缸通過(guò)第二選擇開關(guān)與儲(chǔ)氣瓶和儲(chǔ)液罐連通；所述第一通道上設(shè)有單向?qū)ㄟM(jìn)氣管的第一單向閥，所述第二通道上設(shè)有單向?qū)ㄟM(jìn)水管的第二單向閥。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述正方體煤巖模型是在原煤上切割形成；正方體煤巖模型的尺寸為300mmX 300mmX 300mm ；所述模擬井筒直徑為30mm，深度為200mm ；所述各測(cè)壓孔的直徑為6mm，鉆進(jìn)深度為160mm。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述模擬井筒位于煤巖模型底面的中心位置并向上垂直延伸設(shè)置，所述各測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)設(shè)置在模擬井筒的周圍。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中，所述卸壓管直徑為30mm、25mm、20mm、15mm、IOmm 或 5mm。本發(fā)明的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，可以在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層壓力下大塊煤巖中洞穴的形成過(guò)程，從而了解洞穴完井的機(jī)理，通過(guò)洞穴周圍不同位置處的孔隙壓力的測(cè)量，分析洞穴形成前、洞穴形成過(guò)程中和洞穴形成后周圍煤巖的孔隙壓力響應(yīng)，了解洞穴完井過(guò)程中煤巖周圍裂縫的發(fā)育及擾動(dòng)，通過(guò)洞穴實(shí)驗(yàn)后洞穴周圍煤巖滲透性的測(cè)定，分析洞穴完井對(duì)煤巖滲透性的改善作用，從而可以比較全面的評(píng)價(jià)洞穴完井增產(chǎn)的可能原因，為現(xiàn)場(chǎng)洞穴完井工藝設(shè)計(jì)提供新途徑。本發(fā)明的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、模擬不同儲(chǔ)層環(huán)境、可重復(fù)使用性，既可以分析洞穴完井的增產(chǎn)機(jī)理，又可以為煤層氣洞穴完井現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。


以下附圖僅旨在于對(duì)本發(fā)明做示意性說(shuō)明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中，圖1 為本發(fā)明煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 為圖1中a-a剖視示意圖。圖3 為圖1中b_b剖視示意圖。圖4 為本發(fā)明中方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5 為本發(fā)明中氣液加壓注入系統(tǒng)及收集計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6A 為本發(fā)明中膠套的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6B 為在圖6A中膠套底面裁切出的方塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖7 為本發(fā)明中連通器與壓板連接的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖1-圖7所示，本發(fā)明提出一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置100，所述評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置100由方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)1、三軸伺服加載系統(tǒng)2、氣液加壓注入系統(tǒng)3、收集計(jì)量系統(tǒng)4和監(jiān)控處理系統(tǒng)5構(gòu)成；該方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)1設(shè)置在一框架6內(nèi)， 該方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)1包括一正方體煤巖模型11，該煤巖模型11底面設(shè)有一向上延伸的模擬井筒111，煤巖模型11頂面設(shè)有多個(gè)向下延伸的測(cè)壓孔112，煤巖模型11外側(cè)設(shè)有密封膠套12，在膠套12外側(cè)且對(duì)應(yīng)煤巖模型11的六個(gè)側(cè)面上固定設(shè)有壓板13，在所述上、下側(cè)壓板13以及膠套12上與模擬井筒111和測(cè)壓孔112對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)有透孔， 各測(cè)壓孔112內(nèi)設(shè)有帶壓力傳感器的測(cè)壓管51 ；如圖1、圖2、圖3所示，所述三軸伺服加載系統(tǒng)2包括三個(gè)伺服加壓油缸21、22和23，該三個(gè)油缸設(shè)置在煤巖模型11外側(cè)的空間三個(gè)方向上并向煤巖模型11施加壓力；氣液加壓注入系統(tǒng)3包括密封設(shè)置在下側(cè)壓板13的透孔上并與模擬井筒111導(dǎo)通的連通器31，如圖7所示，該連通器31上部設(shè)有進(jìn)氣管311、進(jìn)水管312和帶壓力傳感器的測(cè)壓管52，連通器31下部設(shè)有一電動(dòng)球閥41，該電動(dòng)球閥41 下端連接有一卸壓管42，該卸壓管42底端對(duì)應(yīng)設(shè)有一煤粉收集水槽43。本發(fā)明的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，可以在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層壓力下大塊煤巖中洞穴的形成過(guò)程，從而了解洞穴完井的機(jī)理，通過(guò)洞穴周圍不同位置處的孔隙壓力的測(cè)量，分析洞穴形成前、洞穴形成過(guò)程中和洞穴形成后周圍煤巖的壓力響應(yīng)，了解洞穴完井過(guò)程中煤巖周圍裂縫的發(fā)育及擾動(dòng)，通過(guò)洞穴實(shí)驗(yàn)后洞穴周圍煤巖滲透性的測(cè)定，分析洞穴完井對(duì)煤巖滲透性的改善作用，從而可以比較全面的評(píng)價(jià)洞穴完井增產(chǎn)的可能原因，為現(xiàn)場(chǎng)洞穴完井工藝設(shè)計(jì)提供新途徑。在本實(shí)施方式中，所述正方體煤巖模型11是在原煤上切割形成；正方體煤巖模型 11的尺寸為300mmX 300mmX 300mm ；所述模擬井筒111直徑為30mm，深度為200mm ；所述各測(cè)壓孔112的直徑為6mm，鉆進(jìn)深度為160mm。所述模擬井筒111位于煤巖模型11底面的中心位置并向上垂直延伸設(shè)置，所述各測(cè)壓孔112對(duì)應(yīng)設(shè)置在模擬井筒111的周圍(如圖 2所示)。在本實(shí)施方式中，所述煤巖模型11頂面設(shè)有四個(gè)測(cè)壓孔112，將測(cè)壓管51分別插入各測(cè)壓孔112中，測(cè)壓管51外壁面與測(cè)壓孔112之間的間隙注入環(huán)氧樹脂膠密封，測(cè)壓管51采用直徑3mm的不銹鋼管，測(cè)壓管51通過(guò)上壓板13上對(duì)應(yīng)的直徑IOmm左右的透孔穿出壓板13外，各測(cè)壓管51上連接一壓力傳感器，構(gòu)成四個(gè)傳感器測(cè)壓點(diǎn)A、B、C、D，用來(lái)采集各測(cè)壓點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，壓力傳感器另一端與電腦上的數(shù)據(jù)采集板相連。在本實(shí)施方式中，因?yàn)闇y(cè)壓孔112不在正方體煤巖模型11的中心，在加載三軸向壓應(yīng)力時(shí)，測(cè)壓管51與壓板13 —定會(huì)有相對(duì)位移，所以上壓板13上鉆設(shè)的多個(gè)透孔其直徑為IOmm左右，主要是為了把測(cè)壓管51的管接頭穿出壓板外與壓力傳感器連接，同時(shí)也為了正方體煤巖模型11變形(相對(duì)位移)時(shí)，壓板13不會(huì)剪到測(cè)壓管51。進(jìn)一步，所述各伺服加壓油缸21、22、23對(duì)正方體煤巖模型11伺服加載三軸向不同壓應(yīng)力，伺服加壓油缸21為水平⑴加壓油缸，伺服加壓油缸22為水平⑴加壓油缸， 該兩個(gè)加壓油缸21、22主要用來(lái)伺服加載水平方向的壓應(yīng)力；伺服加壓油缸23為垂直加壓油缸，主要用來(lái)加載垂向壓應(yīng)力；三個(gè)方向的加壓油缸需要三臺(tái)全數(shù)字EDC220控制器來(lái)伺服控制，由一個(gè)伺服油源用來(lái)給三個(gè)方向的加壓油缸供油。各加壓油缸的進(jìn)口方向，都安裝一伺服閥，用來(lái)精確控制閥門的開關(guān)和進(jìn)油量，三個(gè)加壓油缸上面都安裝有力傳感器和位移傳感器，力傳感器、位移傳感器還相連有力放大器、位移放大器，主要用來(lái)放大位移傳感器和力傳感器的信號(hào)，使得到的力與位移數(shù)據(jù)更加精確，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加壓油缸加力與行程的精確控制，從而保證伺服加壓力載荷過(guò)程中煤巖模型11不會(huì)被壓碎。在本實(shí)施方式中， 由一微機(jī)來(lái)程序控制所有的全數(shù)字EDC220控制器并收集數(shù)據(jù)，輸出圖形、曲線。在本實(shí)施方式中，所述各壓板13外側(cè)還可設(shè)置一加壓板14，伺服加壓油缸的出力面貼著加壓板14 (如圖1、圖2和圖3所示)。在本實(shí)施方式中，方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)是煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的核心，本模型結(jié)構(gòu)既可以實(shí)現(xiàn)洞穴完井的評(píng)價(jià)，又可以實(shí)現(xiàn)水力壓裂的模擬測(cè)試，這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的多功能；所述壓板13與膠套12主要用來(lái)保證加載三軸向各向異性壓應(yīng)力時(shí)模型的密封性。常規(guī)三軸壓裂實(shí)驗(yàn)，一般不涉及試樣內(nèi)部的密封問(wèn)題，或者試樣內(nèi)部加壓一般不考慮壓力外漏問(wèn)題，而煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置主要用來(lái)模擬煤氣井洞穴完井的機(jī)理過(guò)程，測(cè)試洞穴完井的參數(shù)，分析洞穴完井的機(jī)理，得出洞穴完井的適應(yīng)性、匹配性儲(chǔ)層條件及增產(chǎn)機(jī)理，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)介質(zhì)為煤巖，屬于裂縫發(fā)育體，對(duì)煤巖內(nèi)模擬井筒增壓時(shí)， 為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，必須保證井筒內(nèi)部壓力不外漏，煤巖體六個(gè)面上壓力不壁串，因此，模型整體密封設(shè)計(jì)成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵所在。在本實(shí)施方式中，所述膠套12為一立方硅膠殼體(如圖6A、圖6B所示)，其尺寸略小于正方體煤巖模型11的尺寸，將正方體煤巖模型11放入所述膠套12時(shí)，先將整體的六面體膠套底面剪出^OmmX ^Omm的方塊121，然后將正方體煤巖模型11放入膠套12內(nèi)， 之后將剪出的方塊121再貼在底部(再作適當(dāng)?shù)拿芊?，方塊121中間再開一個(gè)直徑40mm 的所述透孔122，透孔122用來(lái)使模擬井筒111導(dǎo)通于連通器31。由于膠套12的尺寸比正方體煤巖模型11小一些(為邊長(zhǎng)的立方殼體)，可使膠套12能緊貼在煤巖模型11 上，這樣可以保證煤巖模型11與外面完全隔絕，膠套外的六塊壓板13可以使得膠套12密封很高的壓力(20MPa以上)，由于壓板13與煤巖模型11間通過(guò)膠套傳遞壓力，所以膠套是被壓縮的，這樣在煤巖模型11的一個(gè)面上就不會(huì)產(chǎn)生壓力的流動(dòng)。如圖4所示，在本實(shí)施方式中，所述相鄰的兩個(gè)壓板13上分別設(shè)有壓板固定塊 131，安裝壓板13時(shí)，由螺栓連接相鄰的壓板固定塊131，用來(lái)單方向固定壓板13，使安裝的壓板不至于散開。在本實(shí)施方式中，連通器31主要作用是連接進(jìn)氣管路和進(jìn)液管路，排放模擬井筒 111內(nèi)部的氣體或者液體，以及憋壓卸壓循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的煤屑；連通器上的測(cè)壓管52連接的壓力傳感器構(gòu)成對(duì)模擬井筒111出口的測(cè)壓點(diǎn)E(如圖7所示)。如圖5所示，所述進(jìn)氣管311通過(guò)第一通道321與第一水壓和氣壓加壓缸331連
6接，所述進(jìn)水管312通過(guò)第二通道322與第二水壓和氣壓加壓缸332連接，該兩個(gè)加壓缸 331和332由一伺服電機(jī)34驅(qū)動(dòng)，該第一水壓和氣壓加壓缸331通過(guò)第一選擇開關(guān)351與儲(chǔ)氣瓶36和儲(chǔ)液罐37連通，該第二水壓和氣壓加壓缸332通過(guò)第二選擇開關(guān)352與儲(chǔ)氣瓶36和儲(chǔ)液罐37連通；所述第一通道321上設(shè)有單向?qū)ㄟM(jìn)氣管的第一單向閥381，所述第二通道322上設(shè)有單向?qū)ㄟM(jìn)水管的第二單向閥382。本實(shí)施方式中，儲(chǔ)氣瓶36 (為氮?dú)馄?及儲(chǔ)液罐37主要為加壓注入系統(tǒng)提供氣源和液源，與水壓和氣壓加壓缸331和332相連接，通過(guò)伺服電機(jī)34及滾珠絲杠39使水壓和氣壓加壓缸壓縮氣體或者液體增壓，增壓后的氣體或者液體，通過(guò)單向閥，進(jìn)入進(jìn)氣管和/ 或進(jìn)水管，再經(jīng)過(guò)連通器31注入到模擬井筒111中。在本實(shí)施方式中，連通器下部電動(dòng)球閥41后面可以接不同直徑的卸壓管42，通過(guò)改變卸壓管42的直徑來(lái)改變卸壓速度，從而產(chǎn)生不同的造洞穴效果和增產(chǎn)激勵(lì)效果。在本實(shí)施方式中，所述卸壓管直徑可為30mm、25mm、20mm、15mm、IOmm或5mm。卸壓循環(huán)過(guò)程中坍塌出來(lái)的煤屑和流體由卸壓管42導(dǎo)出后，由煤粉收集水槽43收集，最后再由煤粉收集盒 (圖中未示出)進(jìn)行收集。煤粉收集盒底面為錐面，中間儲(chǔ)集水，錐面上端放有較大煤顆粒收集盒，下端為粉塵收集盒，將所有收集的煤粉放進(jìn)烘干箱烘干稱重，實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)過(guò)程作出描述一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)試壓得出注氮?dú)庠鰤?、卸壓循環(huán)煤巖試樣產(chǎn)生初始洞穴的壓力一門限壓力；產(chǎn)生穩(wěn)定洞穴的過(guò)程及對(duì)煤巖的激勵(lì)作用。二、實(shí)驗(yàn)初始條件安裝的煤巖試樣面割理方向平行于最大水平主應(yīng)力方向(水平X加壓油缸加壓方向或者水平Y(jié)加壓油缸加壓方向)，煤巖試樣標(biāo)號(hào)為M1，連通器上卸壓管的直徑30mm，最小水平主應(yīng)力加載5MPa，最大水平主應(yīng)力加載7MPa，垂向應(yīng)力加載 IlMPa ；或者最大水平主應(yīng)力及最小水平主應(yīng)力加載5MPa，垂向應(yīng)力加載llMPa。三、實(shí)驗(yàn)步驟(0)將煤巖試樣安裝在模型系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)三軸伺服加載系統(tǒng)，給實(shí)驗(yàn)用的煤巖模型樣品加載各向異性壓應(yīng)力。(1)檢查5個(gè)壓力探測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E上的壓力傳感器的壓力是否為0，確定都為 0后，開始實(shí)驗(yàn)。(2)進(jìn)行注氣憋壓/卸壓循環(huán)前，開啟氣液加壓注入系統(tǒng)在2秒內(nèi)注入0. 3MPa的氮?dú)?使模擬井筒的壓力為0. 3MPa)。(3)注氣開始時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)5個(gè)壓力傳感器，記錄各壓力探測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。(4)當(dāng)模擬井筒內(nèi)氣體壓力達(dá)到0. 時(shí)，關(guān)閉氣液加壓注入系統(tǒng)，觀察5個(gè)壓力探測(cè)點(diǎn)的壓力變化，檢查整個(gè)裝置的氣密性。如果E點(diǎn)(測(cè)模擬井筒內(nèi)的壓力)壓力下降到一定值然后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在低壓下，氣密性是正常的。穩(wěn)定一段時(shí)間后，開啟連通器上的電動(dòng)球閥，開始卸壓，直到5個(gè)壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)都為0時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)球閥，開始進(jìn)行注氣憋壓/卸壓循環(huán)實(shí)驗(yàn)。(5)開啟氣液加壓注入系統(tǒng)，快速注入氮?dú)猓?0-60秒的時(shí)間內(nèi)使模擬井筒內(nèi)的氣體壓力達(dá)到4. 5MPa。(6)注氣開始時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)5個(gè)壓力傳感器，記錄各壓力探測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。(7)模擬井筒內(nèi)氣體壓力達(dá)到4. 5Mpa時(shí)，保持增壓壓力不變，觀察5個(gè)壓力傳感器的壓力變化，直到5個(gè)壓力傳感器的壓力都為4. 5MPa時(shí)，或者5個(gè)壓力傳感器壓力相等并接近4. 5Mpa時(shí)。(8)用直徑為30mm的卸壓管快速卸壓，記錄卸壓過(guò)程中各壓力探測(cè)點(diǎn)的壓力變化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。(9)通過(guò)煤粉收集盒，收集卸壓過(guò)程中噴射出來(lái)的煤屑，包括卸壓管線中沾粘的煤屑以及噴射到水槽里面的煤屑，將收集的煤屑烘干、稱重。(注煤的密度一般取1434Kg/ m3)，從而估算出產(chǎn)生洞眼的體積。關(guān)閉電動(dòng)球閥，重新安裝好卸壓管線，將煤粉收集水槽更換為等量清水，為一下次注氣/卸壓循環(huán)作準(zhǔn)備。(10)如果噴射出來(lái)的煤屑量非常少，具體少于30 50g，或者卸壓時(shí)，壓力探測(cè)點(diǎn) A、B、C、D中沒(méi)有出現(xiàn)一條降幅較大的壓力曲線，則說(shuō)明模擬井筒內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生洞穴或者沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)生洞穴的初始條件。(11)重復(fù)上述步驟(I)-(IO)注氣憋壓/卸壓循環(huán)5次，確定產(chǎn)生洞穴的初始條件與此壓力狀態(tài)下的循環(huán)次數(shù)沒(méi)有關(guān)系，并記錄每次各壓力探測(cè)點(diǎn)的壓力變化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。(12)當(dāng)推斷沒(méi)有產(chǎn)生初始洞穴時(shí)，每次氮?dú)獾淖⑷雺毫υ黾?. 5MPa，重復(fù)上述步驟(I)-(Il)，經(jīng)驗(yàn)顯示，不同的煤巖，相同應(yīng)力條件下，相同宜徑卸壓管快速卸壓，有一個(gè)產(chǎn)生初始洞穴的門限壓力。(13)當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注入壓力達(dá)到門限壓力，快速卸壓時(shí)模擬井筒內(nèi)將產(chǎn)生初始洞穴，判別條件為大量噴出煤屑，具體大于40-50克，或者壓力探測(cè)點(diǎn)A、B、C、D中出現(xiàn)較明顯的降壓曲線。(14)收集卸壓過(guò)程中噴射出來(lái)的煤屑，包括卸壓管線中沾粘的煤屑以及噴射到水槽里面的煤屑，將收集的煤屑烘干、稱重。重新安裝好卸壓管線，將煤粉收集水槽更換定量清水，為下一次注氣增壓/卸壓循環(huán)作準(zhǔn)備。(15)開始在最高壓力為門限壓力的條件下，重復(fù)步驟(I)-(IO)，進(jìn)行另一輪注氣憋壓/卸壓循環(huán)，快速注入氮?dú)?，設(shè)定氮?dú)庾⑷胨俣葹?0-60秒內(nèi)增壓到門限壓力，然后保持此壓力，待5個(gè)壓力傳感器壓力等于門限壓力或者趨于穩(wěn)定接近于門限壓力。(16)用一個(gè)直徑為30mm的卸壓管快速卸壓，記錄卸壓過(guò)程中各壓力點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及噴射出來(lái)的煤屑重量。清洗卸壓管線及煤粉收集水槽。(17)保持此條件不變，重復(fù)步驟(1 和(16)直到噴射出來(lái)的煤屑量很少，具體少于20-50g，可以看成已形成穩(wěn)定洞穴，一般循環(huán)5-10次就可以達(dá)到穩(wěn)定洞穴的條件。(18)形成穩(wěn)定洞穴后，采用X射線CT掃描儀，掃描已形成穩(wěn)定洞穴的煤巖樣品 Ml，觀察洞穴的發(fā)育方向及裂縫的發(fā)育方向。(19)CT掃描后，將煤巖樣品Ml切割開，垂直于模擬井筒水平方向切開，觀察煤巖樣品內(nèi)部洞穴發(fā)育方向及具體裂縫發(fā)育方向。(20)從已形成穩(wěn)定洞穴的煤巖樣品Ml上取小直徑煤心(直徑25mm)，分別沿面割理方向和端割理方向鉆取，面割理方向鄰洞穴部位及鄰煤樣壁面的煤心，編號(hào)Ml-FXO和 Ml-FXl ；端割理方向鄰洞穴部位及鄰煤樣壁面的煤心，編號(hào)Ml-BXO和Ml-BXl ；0代表近洞穴，1代表近壁面。(21)對(duì)所取小直徑煤心進(jìn)行滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其滲透率，并與未進(jìn)行洞穴實(shí)驗(yàn)的原煤巖面割理及端割理方向所取煤心滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照。
由上所述，本發(fā)明運(yùn)用煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，可以在煤層氣洞穴完井增產(chǎn)機(jī)理及造洞穴技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究，以形成我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤層氣洞穴完井理論和技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)洞穴完井工藝投資巨大，耗時(shí)長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)成本高，不具有快速，多次，多地層實(shí)驗(yàn)的能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常難采集，并且即使洞穴完井成功，其增產(chǎn)機(jī)理也很難解釋和分析。 而本發(fā)明煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、模擬不同儲(chǔ)層環(huán)境、可重復(fù)使用性，即可以分析洞穴完井的增產(chǎn)機(jī)理，又可以為煤層氣洞穴完井現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實(shí)施方式
，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置由方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)、三軸伺服加載系統(tǒng)、氣液加壓注入系統(tǒng)、收集計(jì)量系統(tǒng)和監(jiān)控處理系統(tǒng)構(gòu)成；該方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)設(shè)置在一框架內(nèi)，該方形煤巖模型及其夾持系統(tǒng)包括一正方體煤巖模型，該煤巖模型底面設(shè)有一向上延伸的模擬井筒，煤巖模型頂面設(shè)有多個(gè)向下延伸的測(cè)壓孔，煤巖模型外側(cè)設(shè)有密封膠套，在膠套外側(cè)且對(duì)應(yīng)煤巖模型的六個(gè)側(cè)面上固定設(shè)有壓板，在所述上、下側(cè)壓板以及膠套上與模擬井筒和測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)有透孔，各測(cè)壓孔內(nèi)設(shè)有帶壓力傳感器的測(cè)壓管；所述三軸伺服加載系統(tǒng)包括三個(gè)伺服加壓油缸，該三個(gè)油缸設(shè)置在煤巖模型外側(cè)的空間三個(gè)方向上并向煤巖模型施加壓力；氣液加壓注入系統(tǒng)包括密封設(shè)置在下側(cè)壓板上并與模擬井筒導(dǎo)通的連通器，該連通器上部設(shè)有進(jìn)氣管、進(jìn)水管和帶壓力傳感器的測(cè)壓管，連通器下部設(shè)有一電動(dòng)球閥，該電動(dòng)球閥下端連接有一卸壓管，該卸壓管底端對(duì)應(yīng)設(shè)有一煤粉收集水槽。
2.如權(quán)利要求1所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述煤巖模型頂面設(shè)有四個(gè)測(cè)壓孔。
3.如權(quán)利要求1所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于各加壓油缸的進(jìn)口方向分別安裝一伺服閥，用來(lái)精確控制閥門的開關(guān)和進(jìn)油量。
4.如權(quán)利要求1所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述各伺服加壓油缸上設(shè)有力傳感器和位移傳感器，各伺服加壓油缸連接有控制其動(dòng)作的全數(shù)字控制器。
5.如權(quán)利要求1所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述進(jìn)氣管通過(guò)第一通道與第一水壓和氣壓加壓缸連接，所述進(jìn)水管通過(guò)第二通道與第二水壓和氣壓加壓缸連接，該兩個(gè)加壓缸由一伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該第一水壓和氣壓加壓缸通過(guò)第一選擇開關(guān)與儲(chǔ)氣瓶和儲(chǔ)液罐連通，該第二水壓和氣壓加壓缸通過(guò)第二選擇開關(guān)與儲(chǔ)氣瓶和儲(chǔ)液罐連通；所述第一通道上設(shè)有單向?qū)ㄟM(jìn)氣管的第一單向閥，所述第二通道上設(shè)有單向?qū)ㄟM(jìn)水管的第二單向閥。
6.如權(quán)利要求1所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述正方體煤巖模型是在原煤上切割形成；正方體煤巖模型的尺寸為300mmX300mmX300mm ；所述模擬井筒直徑為30mm，深度為200mm ；所述各測(cè)壓孔的直徑為6mm，鉆進(jìn)深度為160mm。
7.如權(quán)利要求6所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述模擬井筒位于煤巖模型底面的中心位置并向上垂直延伸設(shè)置，所述各測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)設(shè)置在模擬井筒的周圍。
8.如權(quán)利要求6所述的煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述卸壓管直徑為 30mm、25mm、20mm、15mm、IOmm 或 5mm0
全文摘要
本發(fā)明為一種煤層氣洞穴完井評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括設(shè)置在一框架內(nèi)的正方體煤巖模型，該煤巖模型底面設(shè)有一向上延伸的模擬井筒，煤巖模型頂面設(shè)有多個(gè)向下延伸的測(cè)壓孔，煤巖模型外側(cè)設(shè)有密封膠套，在膠套外側(cè)且對(duì)應(yīng)煤巖模型的六個(gè)側(cè)面上固定設(shè)有壓板，在上、下側(cè)壓板以及膠套上與模擬井筒和測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)的位置分別設(shè)有透孔，各測(cè)壓孔內(nèi)設(shè)有帶壓力傳感器的測(cè)壓管；三個(gè)伺服加壓油缸設(shè)置在煤巖模型外側(cè)的空間三個(gè)方向上；一連通器被密封設(shè)置在下側(cè)壓板上并與模擬井筒導(dǎo)通，該連通器上部設(shè)有進(jìn)氣管、進(jìn)水管和帶壓力傳感器的測(cè)壓管，連通器下部設(shè)有一電動(dòng)球閥，該電動(dòng)球閥下端連接有一卸壓管，該卸壓管底端對(duì)應(yīng)設(shè)有一煤粉收集水槽。
文檔編號(hào)E21B47/117GK102373919SQ20101026486
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者張健, 李曉益, 汪志明, 王開龍, 田中蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(北京)