煤‑岩储层排采产水来源及压降路径模拟装置与方法与流程

本发明属于煤岩测试装置技术领域，尤其涉及一种煤-岩储层排采产水来源及压降路径模拟装置与方法。

背景技术：

地面开发煤层气时，主要通过“排水-降压”的方式将吸附在煤储层中的气体解吸出来，因此只有储层压力降到临界解吸压力以下时，煤层气才能解吸-运移-产出。煤层气井的排采是在三维空间进行的，煤层及围岩的岩性、渗透率、含水量、厚度等差异造成煤层气井排采时产水来源、供液能力、煤层中有效压力传播距离等的不同，最终影响着煤层气井的产气量。

为了查明煤层气井排采时产水量及压力传播路径等变化规律，我国煤层气工作者结合排采强度、煤储层及围岩渗透性，并综合考虑启动压力梯度等影响因素对煤储层排采过程中储层流体的流动进行了大量的建模计算，一定程度上掌握的煤储层的压降规律。但由于煤层及围岩渗透率、围岩岩性、厚度及含水层离煤层的距离等千差万别，加之储层改造效果、排采时间、排采强度等差异，导致压力传播路径变化多样，究竟煤层和围岩以何种方式组合，储层改造达到什么样的效果。排采如何控制才能使排采压降能尽可能的在煤层中长距离的稳定传播，这些问题至今都没有给出较明确的回答，导致在相对复杂水文地质条件下煤层气井的布置、储层改造、排采方案的制定、产气预测、经济评价都显得盲目，严重制约了这些地质条件下煤层气井的开发。因此亟需研制一种装置，能对不同煤层与围岩组合下排采过程中煤层中产水量、围岩中产水量进行判别，以便为不同情况下压力传播距离、产气量准确预测等提供理论依据。

技术实现要素：

针对煤层气井在排采过程中，无法对具有不同渗透性、含水量、储层压力的煤储层和围岩组合下煤层气井的产水来源不明、压力传播距离不清，严重影响了产气量准确预测的问题，本发明提供了一种不同煤层与围岩组合条件下煤储层排采过程中产水来源判识装置。本发明的模拟装置可以对不同渗透性和不同含水特征的煤储层和围岩储层在排采过程、不同压裂裂缝形态下、不同排采条件下产水来源进行判识，为不同条件下压力传播路径、煤层有效压力传播、产气量准确预测等提供理论依据。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种煤-岩储层排采产水来源及压降路径模拟装置，包括试样夹持组件、地层压力模拟组件、流体供/排组件、信息采集与控制组件；试样夹持组件包括至少一组夹持器，每组夹持器包括煤样夹持器和设在煤样夹持器上方的岩样夹持器；地层压力模拟组件包括油罐、油压泵、分流器、轴压加载缸和围压加载缸；煤样夹持器和岩样夹持器的一侧分别设有围压加载缸，岩样夹持器的上端设有密封套筒，轴压加载缸设在密封套筒的上端；油压泵的进口端通过管路连接至油罐，油压泵的出口端通过管路连接至分流器的进口端，轴压加载缸和围压加载缸分别通过高压油管连接至分流器的不同出口端，高压油管上设有控制阀门和压力表；流体供/排组件包括储液箱、加压泵、定量储液罐和模拟井筒，定量储液罐的出口端通过管路分别连接至煤样夹持器的进液口和岩样夹持器的进液口，定量储液罐的进口端通过管路连接至加压泵的出口端，加压泵的进口端通过管路连接至储液箱，模拟井筒的进口端通过管路连接至煤样夹持器的出液口和岩样夹持器的出液口，模拟井筒的出口端设有排液流量调节阀。

煤样夹持器包括箱体，箱体的内腔中设有煤样，煤样的外壁套装有内胶套，内胶套的外侧套装有外胶套，内胶套和外胶套之间的空腔中填充有导流垫块；岩样夹持器包括箱体，箱体的内腔中设有岩样，岩样的外壁套装有内胶套，内胶套的外侧套装有外胶套，内胶套和外胶套之间的空腔中填充有导流垫块。

内胶套的侧壁设有胶套开孔，导流垫块设有与胶套开孔连通的导流孔。

箱体的内壁设有燕尾槽，外胶套外侧设有滑动穿装在对应的燕尾槽中的卡板，外胶套和卡板之间设有环形加压杆；围压加载缸设在箱体的一侧，围压加载缸的内腔中设有加压活塞，加压活塞连接有连杆，连杆的另一端与环形加压杆的外壁连接；卡板设有贯通上下端面的通孔，通孔中穿装有固定销，岩样夹持器中的卡板与其下方的煤样夹持器中的卡板通过固定销连接。

试样夹持组件包括两组夹持器，第一组夹持器包括一号岩样夹持器和设在一号岩样夹持器下方的一号煤样夹持器，第二组夹持器包括二号岩样夹持器和设在二号岩样夹持器下方的二号煤样夹持器；加压泵的出口端连接有第一导流管和第四导流管，第一导流管连接至一号岩样夹持器和二号岩样夹持器，第四导流管连接至一号煤样夹持器和二号煤样夹持器；一号岩样夹持器和二号岩样夹持器之间还连接有第二导流管，一号岩样夹持器的侧壁连接有第三导流管；一号煤样夹持器和二号煤样夹持器之间还连接有第五导流管，一号煤样夹持器的侧壁连接有第六导流管；第三导流管和第六导流管均与第十导流管连接，一号岩样夹持器的下端和一号煤样夹持器的上端通过第八导流管连接，二号岩样夹持器的下端和二号煤样夹持器的上端通过第七导流管连接，第七导流管和第八导流管分别与第九导流管连接，第九导流管与第十导流管连接；第一导流管、第三导流管、第四导流管、第六导流管、第九导流管的管路上分别设有水压计；第三导流管、第六导流管、第九导流管的管路上分别设有电磁阀；第一导流管、第二导流管、第三导流管、第四导流管、第五导流管、第六导流管、第七导流管、第八导流管、第九导流管的管路上分别设有电子流量计；第七导流管、第八导流管的管路上分别设有多功能压差阀门。

一种基于煤-岩储层排采产水来源及压降路径模拟装置的方法，包括以下步骤：

（1）试样制备与密封夹持：选取煤矿井下煤层与顶板岩样，切割打磨成50×50×50mm或100×100×100mm的正方体的试样，用内胶套将试样包裹严实后分别在两个顶面和两个相对的侧面上割开25×25mm的孔，然后将四个导流垫块分别贴在试样的四个侧面上形成一个圆柱的试样后用外胶套包裹住，将试样放置于对应的夹持器中，将密封套筒卡在试样的两个底面，依次完成四个试样的制作与安装；

（2）管线连接：将高压油管分别与油压加载缸和轴压加载缸连接，加压泵和储液箱通过供液管线连接，供液管线、排液管线、试样间的连接管线各自接到导流垫块或者密封套筒的进/出液孔上，电磁阀、功能差压阀门、电子压力计、电子流量计、流量控制阀与计算机接头连接；

（3）地层压力加载与密闭性检查：打开油罐和油压泵，向分流器中注入高压油，通过分流器上的控制阀和压力计来控制轴压加载缸和围压加载缸内围压的大小，液压油推动轴压加载缸内的活塞向试样施加轴压，液压油推动围压加载缸内的活塞通过环形加压杆向试样施加围压；关闭所有电磁阀，开启加压泵向管线内注入高压液体，检查管线接口无漏液现象即密闭性良好；

（4）储层压力与供液能力调节：关闭排液流量调节阀、第三导流管上的电磁阀、第九导流管上的电磁阀，开启其他所有阀门，通过加压泵和压力计对系统进行加压，使模拟井筒中压力达到煤层的供液压力，调节定量储液罐容积达到设定值后关闭定量储液罐上相应的阀门，来模拟煤-岩在垂向上的总供液能力；调节流量控制阀调节围岩水和煤层水在水平方向的补给能力；

（5）进行压裂裂缝只在煤层中的排采模拟

关闭第三导流管上的电磁阀、第九导流管上的电磁阀，开启第六导流管上的电磁阀，设置好第七导流管上的多功能差压阀门和第八导流管上的多功能差压阀门相应的压力差和通过流量，仅使一号煤样的排液口和排采管路连通，此时系统模拟压裂裂缝只在煤层中的情况，结合井筒压力计对排液流量调节阀进行控制，模拟不同的排采强度，记录各流量计的流量数据，通过流量数据分析水压在层间的传播和层内各个方向的传播；

（6）进行穿层裂缝的排采模拟

关闭第九导流管上的电磁阀，开启第三导流管上的电磁阀、第六导流管上的电磁阀，设置好第七导流管上的多功能差压阀门和第八导流管上的多功能差压阀门相应的压力差和通过流量，使一号岩样和一号煤样的排液口和排采管路连通，此时系统模拟压裂裂缝为穿层缝的情况，进行步骤（5）所述的排采模拟和数据采集；

（7）进行t形裂缝的排采模拟

关闭第三导流管上的电磁阀，开启第六导流管上的电磁阀、第九导流管上的电磁阀，设置好第七导流管上的多功能差压阀门和第八导流管上的多功能差压阀门相应的压力差和通过流量，使一号煤样和层间的排液口和排采管路连通，此时系统模拟压裂裂缝为t形缝的情况，进行步骤（5）所述的排采模拟和数据采集；

（8）重复上述步骤完成其他试样实验

更换不同渗透性、裂隙发育程度、岩性的煤-岩样，重复步骤（1）-（7），进行不同渗透性、裂隙发育程度、煤-岩组合类型的的煤层气井产水来源和压降路径模拟。

本发明具有的优点是：

1）通过本发明的模拟装置，可以模拟不同裂隙发育特征、渗透率、含水性以及组合方式下煤-岩储层排采过程中岩层内、层间的流体流动，为相应地质条件下产水来源和压力传播路径的判断提供科学依据。

2）通过本发明的模拟装置，可以模拟不同压裂裂缝形态、不同排采强度下岩层内、层间的流体流动，为相应开发工艺下产水来源和压力传播路径的判断提供科学依据。

3）本发明的模拟装置中，正方体试样的选用和导流垫块的设计不仅可以实现对煤/岩试样的4个面的流体流动情况进行监测，达到二维流动监测的目的，同时降低了正方体试样的夹持难度和围压加载难度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的管路连接示意图；

图3是本发明的岩样夹持与固定系统示意图；

图4是本发明的导流垫块放置示意图；

1-供液管路；2-储液箱；3-加压泵；4-排液管路；5-模拟井筒；6-井筒压力计；7-加压控制系统；8-油罐；9-油压泵；10-分流器；11-控制阀门；12-压力表；13-高压油管；14-轴压加载缸；15密封套筒；16-夹持器；17-一号岩样；18-二号岩样；19-一号煤样；20-二号煤样；21-信息处理系统；22-信息采集线路；23-供液流量调节阀；24-排液流量调节阀；25-定量储液罐；161-箱体；162-燕尾槽；163-围压加载缸；164-环形加压杆；165-导流垫块；166-煤/岩样；167-加压活塞；168-内胶套；169-外胶套；165a-导流孔；168a-胶套开孔；

1a-第一导流管，1b-第二导流管，1c-第三导流管，2a-第四导流管，2b-第五导流管，2c-第六导流管，3a--第七导流管，3b-第八导流管，3c-第九导流管，3d--第十导流管；112，122，118，128，138-水压计；117，127，137-电磁阀；113，114，115，116，119，123，124，125，126，129，130，132，134，136，139-电子流量计；131，135-多功能差压阀门。

具体实施方式

实施例一：参见图1-4，一种煤-岩储层排采产水来源及压降路径模拟装置，包括试样夹持组件、地层压力模拟组件、流体供/排组件、信息采集与控制组件。

试样夹持组件包括两组夹持器16，第一组夹持器16包括一号岩样夹持器和设在一号岩样夹持器下方的一号煤样夹持器，第二组夹持器16包括二号岩样夹持器和设在二号岩样夹持器下方的二号煤样夹持器。

地层压力模拟组件包括油罐8、油压泵9、分流器10、轴压加载缸14和围压加载缸163。煤样夹持器和岩样夹持器的一侧分别设有围压加载缸163，岩样夹持器的上端设有密封套筒15，轴压加载缸14设在密封套筒15的上端。油压泵9的进口端通过管路连接至油罐8，油压泵9的出口端通过管路连接至分流器10的进口端，轴压加载缸14和围压加载缸163分别通过高压油管13连接至分流器10的不同出口端，高压油管13上设有控制阀门11和压力表12。通过加压控制系统7可以对控制阀门1进行控制，从而调节高压油管13中的油压。

流体供/排组件包括储液箱2、加压泵3、定量储液罐25和模拟井筒5，定量储液罐25的出口端通过管路分别连接至煤样夹持器的进液口和岩样夹持器的进液口，定量储液罐25的进口端通过管路连接至加压泵3的出口端，加压泵3的进口端通过管路连接至储液箱2，模拟井筒5的进口端通过管路连接至煤样夹持器的出液口和岩样夹持器的出液口，模拟井筒5的出口端设有排液流量调节阀24。

煤样夹持器包括箱体161，箱体161的内腔中设有煤样，煤样的外壁套装有内胶套168，内胶套168的外侧套装有外胶套169，内胶套168和外胶套169之间的空腔中填充有导流垫块165。岩样夹持器包括箱体161，箱体161的内腔中设有岩样，岩样的外壁套装有内胶套168，内胶套168的外侧套装有外胶套169，内胶套168和外胶套169之间的空腔中填充有导流垫块165。内胶套168的侧壁设有胶套开孔168a，导流垫块165设有与胶套开孔168a连通的导流孔165a。箱体161的内壁设有燕尾槽162，外胶套169外侧设有滑动穿装在对应的燕尾槽162中的卡板，外胶套169和卡板之间设有环形加压杆164。围压加载缸163设在箱体161的一侧，围压加载缸163的内腔中设有加压活塞167，加压活塞167连接有连杆，连杆的另一端与环形加压杆164的外壁连接。卡板设有贯通上下端面的通孔，通孔中穿装有固定销，岩样夹持器中的卡板与其下方的煤样夹持器中的卡板通过固定销连接。

加压泵3的出口端连接有第一导流管1a和第四导流管2a，第一导流管1a连接至一号岩样夹持器和二号岩样夹持器，第四导流管2a连接至一号煤样夹持器和二号煤样夹持器。一号岩样夹持器和二号岩样夹持器之间还连接有第二导流管1b，一号岩样夹持器的侧壁连接有第三导流管1c。一号煤样夹持器和二号煤样夹持器之间还连接有第五导流管2b，一号煤样夹持器的侧壁连接有第六导流管2c。第三导流管1c和第六导流管2c均与第十导流管3d连接。一号岩样夹持器的下端和一号煤样夹持器的上端通过第八导流管3b连接，二号岩样夹持器的下端和二号煤样夹持器的上端通过第七导流管3a连接，第七导流管3a和第八导流管3b分别与第九导流管3c连接，第九导流管3c与第十导流管3d连接。第一导流管1a、第三导流管1c、第四导流管2a、第六导流管2c、第九导流管3c的管路上分别设有水压计6。第三导流管1c、第六导流管2c、第九导流管3c的管路上分别设有电磁阀。第一导流管1a、第二导流管1b、第三导流管1c、第四导流管2a、第五导流管2b、第六导流管2c、第七导流管3a、第八导流管3b、第九导流管3c的管路上分别设有电子流量计。第七导流管3a、第八导流管3b的管路上分别设有多功能压差阀门。

实施例二：一种基于煤-岩储层排采产水来源及压降路径模拟装置的方法，包括以下步骤：

1）试样制备与密封夹持

选取煤矿井下煤层与顶板样品，切割打磨成50×50×50mm（或100×100×100mm）（可以根据实验要求制备相应规格样品）的正方体试样（（可以根据实验需要选取不同的渗透率或者裂隙发育程度），用热缩胶套将试样包裹严实后分别在两个顶面和两个相对的侧面上割开25×25mm的孔，然后将4个导流垫块165分别贴在试样的4个侧面上形成一个圆柱的试样后用胶套包裹住，将试样放置于夹持器16中，将密封套筒15卡在试样的两个底面，依次完成四个试样的制作与安装。

2）管线连接

将高压油管13分别与围压加载缸163和轴压加载缸14连接，加压泵3和储液箱2通过供液管线连接，供液管线、排液管线、试样间的连接管线各自接到导流垫块165或者密封套筒15的进/出液孔上，电磁阀、功能差压阀门、电子压力计、电子流量计、流量控制阀与计算机接头连接。

3）地层压力加载与密闭性检查

打开油罐8和油压泵9，向分流器10中注入高压油，通过分流器10上的控制阀和压力计来控制轴压加载缸14和围压加载缸163内围压的大小，液压油推动轴压加载缸14内的活塞向试样施加轴压，液压油推动围压加载缸163内的活塞通过环形加压杆164向试样施加围压。关闭所有电磁阀，开启加压泵3向管线内注入高压液体，检查管线接口无漏液现象即密闭性良好。

4）储层压力与供液能力调节

关闭排液流量调节阀24和电磁阀137、117，开启其他所有阀门，通过加压泵3对系统进行加压，使模拟井筒5中压力达到煤层的供液压力，调节定量储液罐25容积达到设定值后关闭定量储液罐25上相应的阀门，来模拟煤-岩在垂向上的总供液能力。调节流量控制阀调节围岩水和煤层水在水平方向的补给能力。

5）进行压裂裂缝只在煤层中的排采模拟

关闭电磁阀117、133、137，开启电磁阀127，通过控制系统设置好多功能差压阀门131和135相应的压力差和通过流量，仅使一号煤样19的排液口和排采管路连通，此时系统模拟压裂裂缝只在煤层中的情况，结合井筒压力计6对排液流量调节阀24进行控制，模拟不同的排采强度，记录各流量计的流量数据，通过流量数据分析水压在层间的传播和层内各个方向的传播。

6）进行穿层裂缝的排采模拟

关闭电磁阀137、133，开启电磁阀127、117，通过控制系统设置好多功能差压阀门131和135相应的压力差和通过流量，使一号岩样17和一号煤样19的排液口和排采管路连通，此时系统模拟压裂裂缝为穿层缝的情况，进行步骤5所述的排采模拟和数据采集。

7）进行t形裂缝的排采模拟

关闭电磁阀117，开启电磁阀127、133、137，通过控制系统设置好多功能差压阀门131和135相应的压力差和通过流量，使一号煤样19和层间的排液口和排采管路连通，此时系统模拟压裂裂缝为t形缝的情况，进行步骤5所述的排采模拟和数据采集。

8）重复上述步骤完成其他试样实验

更换不同渗透性、裂隙发育程度、岩性的煤-岩样，重复步骤1-7，进行不同渗透性、裂隙发育程度、煤-岩组合类型的的煤层气井产水来源和压降路径模拟。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。