煤層氣垂直井水力壓裂過程煤粉產(chǎn)出測試裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤層氣安全生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤層氣垂直井水力壓裂過程煤粉產(chǎn)出測試裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]煤層氣作為一種清潔能源日益受到重視，但我國煤儲層原始滲透率普遍較低，于此決定了煤儲層壓裂改造增透在我國煤層氣開發(fā)中具有非常重要的作用。我國煤層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在壓裂過程中煤層易受到擾動產(chǎn)生煤粉，煤粉產(chǎn)出可能導(dǎo)致裂縫寬度減少或堵塞裂縫，使煤儲層導(dǎo)流能力顯著降低，影響了后期的產(chǎn)氣量。
[0003]煤儲層屬性參數(shù)(主要包括煤層厚度、巖石力學(xué)性質(zhì)、煤層段力學(xué)性質(zhì)組合等)等的差異和壓裂工藝參數(shù)(主要包括壓裂液壓力、壓裂液排量、壓裂液類型等)等差異造成了壓裂過程中煤粉產(chǎn)出量和產(chǎn)出粒徑的差異，這些差異引起煤儲層裂隙導(dǎo)流能力的影響不同。為了研究煤層氣垂直井水力壓裂過程中這些參數(shù)對煤粉產(chǎn)出量的影響，一些研究者進(jìn)行了理論推導(dǎo)和簡單的模擬實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)測試裝置簡單，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)無法進(jìn)行煤粉的提取，更無法較準(zhǔn)確的模擬煤層真實(shí)情況下受力狀態(tài)，更不能測出煤粉的產(chǎn)出量和粒度分布特征，導(dǎo)致研究成果在指導(dǎo)現(xiàn)場開發(fā)時(shí)存在較大偏差。因此，迫切需要研制一套測試系統(tǒng)，能對不同煤儲層參數(shù)、不同壓裂工藝參數(shù)下煤粉產(chǎn)出量及產(chǎn)出粒徑進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，并為優(yōu)化壓裂工藝參數(shù)，減少煤層氣垂直井水力壓裂過程中煤粉產(chǎn)出量，降低煤粉產(chǎn)出對儲層的傷害，提高煤層氣井排采效率和產(chǎn)氣量提供有力支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種能夠準(zhǔn)確的模擬不同煤層厚度、煤層力學(xué)參數(shù)、不同煤層組合、不同水力壓裂參數(shù)下煤粉產(chǎn)出量、產(chǎn)出粒徑對裂隙通道及儲存滲透率的影響的煤層氣垂直井水力壓裂過程煤粉產(chǎn)出測試裝置與方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:煤層氣垂直井水力壓裂過程煤粉產(chǎn)出測試裝置，包括壓裂動力系統(tǒng)、地層模擬系統(tǒng)、壓裂模擬系統(tǒng)、煤粉分離測試系統(tǒng)和總控制系統(tǒng);壓裂動力系統(tǒng)的出口與壓裂模擬系統(tǒng)的進(jìn)口連接，壓裂模擬系統(tǒng)的出口與煤粉分離測試系統(tǒng)的進(jìn)口連接，地層模擬系統(tǒng)的動力輸出端與壓裂模擬系統(tǒng)的動力輸入端頂壓配合，總控制系統(tǒng)通過總數(shù)據(jù)線分別與壓裂動力系統(tǒng)、地層模擬系統(tǒng)、壓裂模擬系統(tǒng)和煤粉分離測試系統(tǒng)連接。
[0006]壓裂動力系統(tǒng)包括壓裂動力控制器、高壓氣瓶組、氣體增壓組和注水裝置;高壓氣瓶組包括若干高壓氣瓶，所有的高壓氣瓶由第一高壓氣管串聯(lián)，第一高壓氣管上設(shè)有鄰近高壓氣瓶的氣瓶控制閥和氣瓶壓力表，第一高壓氣管出氣口處設(shè)有氣壓計(jì)和電動氣壓閥；注水裝置包括第一高壓水管和儲水池，第一高壓水管的進(jìn)水口與儲水池連接，第一高壓水管沿水流方向依次設(shè)有壓裂過濾器、水栗機(jī)組和流量計(jì)，壓裂過濾器位于儲水池內(nèi)部;氣體增壓組包括若干個(gè)氣體增壓裝置，氣體增壓裝置包括氣體增壓室和增壓活塞，所有的氣體增壓室經(jīng)第二高壓氣管并聯(lián)后與第一高壓氣管的出氣口連接，第二高壓氣管上設(shè)有鄰近氣體增壓室的自動充氣控制閥，氣體增壓室上設(shè)有第一壓力傳感器，增壓活塞沿垂直方向滑動連接在氣體增壓室內(nèi)，所有氣體增壓室底部通過第二高壓水管并聯(lián)后與第一高壓水管的出水口連接，第二高壓水管上設(shè)有鄰近氣體增壓室的回流閥；
壓裂動力控制器通過第一數(shù)據(jù)線分別與氣瓶控制閥、氣壓計(jì)、電動氣壓閥、自動充氣控制閥、水栗機(jī)組、流量計(jì)和第一壓力傳感器連接，壓裂動力控制器與總控制系統(tǒng)通過總數(shù)據(jù)線連接。
[0007]地層模擬系統(tǒng)包括地層壓力模擬控制器和三組自動液壓頂推裝置，每組自動液壓頂推裝置包括供液裝置、伺服增壓裝置和自控液壓千斤頂；
自控液壓千斤頂包括液壓室、頂桿、推進(jìn)活塞和活塞密封套，液壓室頂部設(shè)有上通孔，液壓室中部水平設(shè)有密封隔板，密封隔板將液壓室內(nèi)腔上下分隔為降壓腔和增壓腔，密封隔板上設(shè)有下通孔，密封隔板上表面設(shè)有位于下通孔上方的密封筒，頂桿自上而下依次穿過上通孔、密封筒和下通孔后與增壓腔內(nèi)的推進(jìn)活塞連接，推進(jìn)活塞的外緣與液壓室內(nèi)壁緊密貼合，活塞密封套套設(shè)在位于密封筒內(nèi)的頂桿上，活塞密封套的外緣與密封筒內(nèi)壁緊密貼合，液壓室上分別設(shè)有與降壓腔連通的降壓孔和與增壓腔連通的增壓孔，增壓孔位于液壓室底部；
供液裝置包括充液油管、反排油管和充液油箱，充液油箱上設(shè)有充液液位感應(yīng)器，充液油管的進(jìn)油端與充液油箱連接，充液油管沿油流方向依次設(shè)有充液過濾器和充液油栗組，并且充液油管在與充液油栗組連接后分為兩個(gè)分支，一個(gè)分支為增壓油管，另一個(gè)分支為降壓油管，增壓油管上沿油流方向依次設(shè)有增壓控制器、第一反排閥和增壓閥，增壓油管的出油端通過增壓孔與增壓腔連通，降壓油管上沿油流方向依次設(shè)有降壓控制器、第二反排閥和降壓閥，降壓油管的出油端通過降壓孔與降壓腔連通;反排油管一端與充液油箱連接，反排油管另一端將第一反排閥和第二反排閥并聯(lián)，反排油管上從與充液油箱連接一端到反排油管另一端依次設(shè)有充液冷卻器、充液溢流閥和充液壓力表；
伺服增壓裝置包括伺服管道、第一油管、第二油管和伺服油箱，伺服油箱上設(shè)有伺服液位感應(yīng)器，第一油管一端和第二油管一端均與伺服油箱連接，第一油管另一端和第二油管另一端連接后與伺服管道一端連接，伺服管道另一端與增壓控制器連接，伺服管道上沿從伺服管道一端到與增壓控制器連接的另一端的方向上依次設(shè)有儲能器、伺服閥和油液增壓室，第一油管上沿從第一油管一端到與伺服管道連接的另一端的方向上依次設(shè)有伺服精密過濾器和伺服油栗機(jī)組，第二油管上沿第二油管一端到與伺服管道連接的另一端的方向上依次設(shè)有伺服冷卻器、伺服溢流閥和伺服液壓表；
地層壓力模擬控制器通過第二數(shù)據(jù)線分別與油液增壓室、伺服油栗機(jī)組、伺服溢流閥、伺服液位感應(yīng)器、伺服液壓表、增壓控制器、降壓控制器、充液壓力表、充液溢流閥、充液液位感應(yīng)器和充液油栗機(jī)組連接，地層壓力模擬控制器與總控制系統(tǒng)通過總數(shù)據(jù)線連接。
[0008]所有的氣體增壓室底部經(jīng)第三高壓水管并聯(lián)后與壓裂模擬系統(tǒng)的液體輸入端連接，第三高壓水管上設(shè)有鄰近氣體增壓室的高壓水控制閥，高壓水控制閥與壓裂動力控制器通過第一數(shù)據(jù)線連接;壓裂模擬系統(tǒng)包括試樣、壓裂管、壓裂室、頂蓋、抗壓墊板、煤粉槽和底座，壓裂室由鋼板焊接圍成，壓裂室頂部敞口，頂蓋可拆卸連接在壓裂室頂部，底座位于壓裂室底部，煤粉槽位于底座上，試樣位于煤粉槽上方的壓裂室內(nèi)，試樣上表面、左表面和右表面均設(shè)有篩孔結(jié)構(gòu)的抗壓墊板，所述地層模擬系統(tǒng)上的自控液壓千斤頂位于壓裂室與抗壓墊板之間，并且自控液壓千斤頂?shù)纳炜s端與抗壓墊板頂壓配合，自控液壓千斤頂?shù)牡撞颗c壓裂室內(nèi)壁頂壓配合，自控液壓千斤頂?shù)牡撞可显O(shè)有第二壓力傳感器，第二壓力傳感器通過總數(shù)據(jù)線與總控制系統(tǒng)連接，壓裂模擬系統(tǒng)的液體輸入端為壓裂管一端，壓裂管另一端穿過頂蓋并伸入到試樣內(nèi)部，壓裂管上設(shè)有射孔。
[0009]煤粉槽的底部設(shè)有第一連接管道，第一連接管道伸出壓裂室并與煤粉分離測試系統(tǒng)的輸入端連接;煤粉分離測試系統(tǒng)包括第二連接管道、支架、沉淀池、集線器和溫度控制器，支架內(nèi)自上而下間隔設(shè)有三組煤粉分離器，煤粉分離器包括篩管，篩管上套設(shè)有接引槽和位于接引槽下方的固定螺母，接引槽上設(shè)有電阻絲和溫度傳感器，電阻絲和溫度傳感器分別通過數(shù)據(jù)線與集線器連接，集線器通過第三數(shù)據(jù)線與溫度控制器連接，溫度控制器與總控制系統(tǒng)通過總數(shù)據(jù)線連接；
所述的煤粉分離測試系統(tǒng)的輸入端為第二連接管道一端，第一連接管道通過卡環(huán)與第二連接管道連接，第二連接管道伸入到支架內(nèi)并通過卡箍與最上方的煤粉分離器的篩管連接，兩個(gè)相鄰的篩管通過卡箍連接，三段篩管上均設(shè)有出孔，篩管上在卡箍與接引槽之間傾斜設(shè)有篩板，篩板下端從出孔伸出，三塊篩板的孔徑從上到下逐漸變小;最下方的篩管下端通過第三連接管道與支架外的沉淀池連接。
[0010]所述的煤層氣垂直井水力壓裂過程煤粉產(chǎn)出測試方法，包括如下步驟:
(1)根據(jù)試驗(yàn)需求制作試樣，試樣為單一煤層模擬試樣和不同煤層模擬試樣;具體制作方法為:選取煤樣，將煤樣破碎制成煤粉，篩選煤粉，選取不同粒徑的煤粉進(jìn)行膠結(jié)、壓制成長方體狀煤樣，煤樣中進(jìn)行鉆孔，鉆孔的直徑與壓裂管的外管徑相同，最終得到不同煤層模擬試樣;選取同等粒徑的煤粉進(jìn)行膠結(jié)、壓制成長方體狀煤樣，煤樣中進(jìn)行鉆孔，鉆孔的直徑與壓裂管的外管徑相同，最終得到單一煤層模擬試樣；
(2)將制作的若干單一煤層模擬試樣和若干不同煤層模擬試樣分為兩組，進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測試，得出試樣的力學(xué)參數(shù)；
(3)連接試驗(yàn)裝置，對壓裂動力系統(tǒng)進(jìn)行氣密性檢測，具體氣密性檢測方法為:通過控制總控制系統(tǒng)間接關(guān)閉高壓水控制閥并打開水栗機(jī)組，水栗機(jī)組通過第一高壓水管抽取儲水池內(nèi)的水，水經(jīng)過過濾器過濾后經(jīng)第一高壓水管進(jìn)入氣體增壓室，當(dāng)氣體增壓室內(nèi)的水達(dá)到一定壓力時(shí)，壓裂動力控制器停止水栗機(jī)組工作，回流閥自動關(guān)閉，然后通過控制總控制系統(tǒng)間接打開氣瓶控制閥和自動充氣控制閥，高壓氣瓶組由第一高壓氣管向氣體增壓室注入高壓氣，高壓氣推動增壓活塞開始對氣體增壓室增壓，通過觀察第一高壓氣管上的氣壓計(jì)上的氣壓變化對壓裂動力系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行檢測，檢測完畢后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
(4)將制作的若干單一煤層模擬試樣和若干不同煤層模擬試樣分為兩組，并進(jìn)行模擬不同煤儲層特征條件下水力壓裂過程中產(chǎn)出煤粉情況；
(5)通過設(shè)定壓裂工藝參數(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)分組，測試出不同壓裂工藝參數(shù)情況下煤粉產(chǎn)出量和產(chǎn)出粒徑，對比分析煤粉產(chǎn)出與不同壓裂工藝