多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置

1.本实用新型涉及煤层气水平井钻井模拟试验技术领域，具体为一种多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置。


背景技术：

2.煤层气是形成于煤层又储集于煤层中的一种自生自储式非常规天然气，主要由甲烷（含量超过95%）和极少量较重的烃类（大部分为乙烷和丙烷）以及氮气、二氧化碳组成。我国煤层气资源极其丰富，但普遍属于低压、低孔和低渗储层，致使煤层气难以开采，效果甚差。因此，在煤层气开采过程中，人们经常会从煤储层中提取煤岩试样对其进行井壁稳定性分析，其目的是通过各种热力学实验分析出井周围岩的温度、应力和煤层气渗流变化规律和变形破坏情况等，从而确定合理的钻井液密度窗口，确保煤层气水平井钻井过程顺利完成。
3.在煤层气水平井开采过程中，井眼稳定性问题日益突出，煤层气井井周围岩的失稳破坏是煤岩体在钻井工程扰动下，受应力、温度和气体渗流场等因素多场耦合作用综合影响的复杂热动力学问题。煤层气井钻井过程破坏了原始地层环境，受地应力重分布、温度场和气体渗流场等因素变化的影响，井周煤岩原生结构会受到严重破坏，造成煤岩破碎、裂隙发育，致使煤岩力学强度显著降低，从而影响煤层气水平井井壁稳定性。
4.水平井开采是煤层气开发的主要钻井手段，但有关水平井井眼稳定的研究并不多见。钻井液性能不稳定、密度窗口设计不合理、清水充气不均等是欠平衡多分支井钻井水平段煤层破坏和井壁失稳的主要原因。煤层气储层井周煤岩失稳力学机理表现为受自身结构与所处地层环境变化影响的煤岩与煤层气多场耦合热动力学演化过程。目前，在钻井工程扰动导致地应力重分布、破坏原始地层温度及煤层气聚积等情况下，针对煤岩与煤层气多场耦合的热动力学行为特性研究鲜有报道，其基础理论及井周稳定关键技术成果极为匮乏，缺乏研究煤层气水平井井周稳定的现场先导实验、尚无较为准确的理论模型定量确定破裂压力和坍塌压力、井周失稳的机制尚不明确、缺少行之有效的煤层气水平井防喷防塌措施等。
5.目前对煤层气井井周围岩的研究主要是利用常规三轴力学实验装置（伪三轴、真三轴实验装置等）对标准圆柱体煤岩试件进行三轴力学特性测试、变形破坏及气体渗流情况分析等，但这些实验装置所提供的实验环境条件与煤层气井井下地层环境实际情况有很大差别，并且忽略了钻井工程扰动对实验结果的的显著影响，并不能反映在钻井工程扰动下煤层气水平井井周围岩的变形破坏情况及应力、温度和煤层气渗流变化情况，其实验结果的可靠性十分有限，并不能为煤层气水平井钻井过程的顺利完成提供强有力的施工指导。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多场耦合下煤层气井井周
围岩形变可视化模拟装置，能从多个方位准确模拟井周围岩的压力、温度和煤层气渗流情况，模拟试验环境更加贴合实际钻井过程的地层环境，同时还能获得在钻井工程扰动的多场耦合作用下煤层气水平井井周围岩的变形破坏情况及应力、温度和气体渗流变化规律。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，包括可视化物理模拟试验系统、气体模拟系统、液压加载系统和电加热温度加载系统；
8.所述可视化物理模拟试验系统包括固定承压板和五个移动承压板，所述固定承压板与所述五个移动承压板构成正方体密封室，所述正方体密封室用于装载煤岩试件，所述五个移动承压板的加压方向均垂直于自身平面，所述固定承压板和五个移动承压板的内表面均设置有类蜂窝状的微小孔；
9.所述电加热温度加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行温度加载；
10.所述液压加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行压力加载；
11.所述气体模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行气体加载。
12.进一步地，还包括固定挡板，所述固定承压板固定在所述固定挡板上，所述固定挡板和所述固定承压板的中心处设置有玻璃窗口，所述固定挡板靠近所述玻璃窗口的一侧架设有与所述玻璃窗口位置平行的高清摄像机。
13.进一步地，所述正方体密封室内煤岩试件中呈阵列式布设有压力传感器和温度传感器，所述固定承压板和固定挡板上贯穿开设有用于所述压力传感器和温度传感器布线出口的小孔，所述小孔的内壁通过密封圈进行密封。
14.进一步地，所述电加热温度加载系统包括电加热温度板，所述五个移动承压板的外侧均设置有所述电加热温度板。
15.进一步地，所述五个移动承压板上均设置有液压加载系统，所述液压加载系统包括液压动作器、定心压盘、压轴和压块，所述五个移动承压板的外侧固定有所述压块，所述压轴的一端与所述压块的中心固定，另一端与所述定心压盘的中心固定，所述定心压盘远离所述压轴一端的中心与所述液压动作器的液压伸缩轴固定，所述液压动作器的液压输入端与液压源连通，所述液压动作器上设置有液压伺服阀、载荷传感器和位移传感器。
16.进一步地，所述气体模拟系统包括甲烷罐和气体测量装置，所述五个移动承压板通过进气管与所述甲烷罐的出气管连通，所述出气管上设置有电磁阀，所述气体测量装置包括气体计量仪和高压气筒，所述玻璃窗口上开设有贯穿至所述正方体密封室内的出气孔，所述高压气筒通过气管连接至所述出气孔，所述出气孔的内壁与所述气管之间通过密封圈进行密封，所述气管上设置有所述气体计量仪。
17.进一步地，还包括控制系统，所述气体模拟系统、液压加载系统和电加热温度加载系统均与所述控制系统电性连接。
18.本实用新型的有益效果是：
19.（1）多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，所提供的模拟试验环境能同时五个方向进行加压、加温和加气，更符合实际钻井过程的地层环境，因此模拟试验结果准确度更高。
20.（2）多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，可实现在钻井过程中煤层气水平井井周围岩变形破坏情况的可视化动态监测。
21.（3）多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，可实现在钻井过程中煤层气水平井井周围岩应力、温度和煤层气渗流变化情况的实时动态监测。
附图说明
22.图1为本实用新型多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置的整体结构示意图；
23.图2为本实用新型多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置中可视化物理模拟系统的立体图；
24.图3为本实用新型多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置中正方体密封室内部结构示意图；
25.图中，1
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固定承压板，2
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移动承压板，3
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蜂窝孔，4
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固定挡板，5
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压力传感器，6
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温度传感器，7
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电加热温度板，8
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甲烷罐，9
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气体计量仪，10
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高压气筒，11
‑
液压源，12
‑
液压动作器，13
‑
定心压盘，14
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压轴，15
‑
压块，16
‑
高清摄像机。
具体实施方式
26.下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
27.如图1至图3所示，多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，包括可视化物理模拟试验系统、气体模拟系统、液压加载系统和电加热温度加载系统；
28.还包括控制系统，气体模拟系统、液压加载系统和电加热温度加载系统均与控制系统电连接；
29.可视化物理模拟试验系统包括固定承压板1和五个移动承压板2，固定承压板1与五个移动承压板2构成正方体密封室，正方体密封室用于装载煤岩试件，五个移动承压板2的加压方向均垂直于自身平面，固定承压板1和五个移动承压板2的内表面均设置有类蜂窝状的微小孔3；
30.正方体密封室的具体结构为：固定承压板1和五个移动承压板2相互连接处均采用橡胶材料进行密封固定，通过使用橡胶材料使正方体密封室具有一定的延展度，使移动承压板2可以通过移动对煤岩试件进行加压，固定承压板1和五个移动承压板2之间相互不接触，从而实现五个移动承压板2可同时移动进行加压，使正方体密封室内煤岩试件的受力情况更加贴近实际地层压力环境；类蜂窝状微小孔3的设计能满足模拟试验所需煤层气赋存条件。
31.电加热温度加载系统用于对正方体密封室内的煤岩试件进行温度加载；电加热温度加载系统包括电加热温度板7，五个移动承压板2的外侧均设置有电加热温度板7。
32.电加热温度加载系统接收到控制系统的加温信号，电加热温度板7开始工作，五个移动承压板2上的电加热温度板7同时工作对正方体密封室内的煤岩试件进行加温，从而使煤岩试件的温度环境更加贴近实际钻井过程的地层温度环境。
33.液压加载系统用于对正方体密封室内的煤岩试件进行压力加载；
34.如图1和图2所示，五个移动承压板2上均设置有液压加载系统，液压加载系统包括液压动作器12、定心压盘13、压轴14和压块15，移动承压板2的外侧固定有压块15，压轴14的
一端与压块15的中心固定，另一端与定心压盘13的中心固定，定心压盘13远离压轴14一端的中心与液压动作器12的液压伸缩轴固定，液压动作器12的液压输入端与液压源11连通，液压动作器12上设置有液压伺服阀、载荷传感器和位移传感器。
35.液压加载系统接收到控制系统的加压信号时，液压源11为液压动作器12提供液压油，使液压动作器12的伸缩轴通过定心压盘13向压轴14传递压力，进而通过压轴14对压块15进行加压，从而通过压块15对移动承压板2进行压力加载，实现五个移动承压板2对煤岩试件进行五个方向的压力加载，使煤岩试件的压力环境更加贴近实际钻井过程的地层压力环境，通过液压伺服阀控制液压动作器12开启或关闭，载荷传感器和位移传感器输出液压动作器12的实时加载载荷与位移。
36.气体模拟系统用于对正方体密封室内的煤岩试件进行气体加载；
37.气体模拟系统包括甲烷罐8和气体测量装置，五个移动承压板2通过进气管与甲烷罐8的出气管连通，出气管上设置有电磁阀，气体测量装置包括气体计量仪9和高压气筒10，玻璃窗口上开设有贯穿至所述正方体密封室内的出气孔，高压气筒10通过气管连接至出气孔，出气孔的内壁与气管之间通过密封圈进行密封，气管上设置有气体计量仪9。
38.气体模拟系统接收到控制系统的气体渗流信号，出气管上的电磁阀打开，甲烷罐8内的甲烷气体通过进气管流入到正方体密封室内，五个移动承压板2均通过进气管与甲烷罐8的出气管连通，从而实现五个方向同时加气，使正方体密封室内的煤岩试件充满甲烷气体，从而使煤岩试件的煤层气渗流环境更加贴合实际钻井过程的地层气体渗流环境。
39.在模拟试验过程中，煤岩试件内的煤层气发生渗流，气体通过玻璃窗口上开设的贯穿至所述正方体密封室内的出气孔流入到气体测量装置内，通过气体计量仪9和高压气筒10进行煤层气渗流流速与流量的测量，反映钻井过程中煤层气的渗流情况。
40.进一步地，还包括固定挡板4，固定承压板1固定在固定挡板4上，固定挡板4和固定承压板1的中心处设置有玻璃窗口，固定挡板4靠近玻璃窗口的一侧架设有与玻璃窗口位置平行的高清摄像机16，通过高清摄像机可观察模拟试验过程中井周围岩裂纹起裂和变形破坏情况，实现可视化。
41.进一步地，正方体密封室内煤岩试件中呈阵列式布设有压力传感器5和温度传感器6，固定承压板1和固定挡板4上贯穿开设有用于压力传感器5和温度传感器6布线出口的小孔，小孔的内壁通过密封圈进行密封。
42.在模拟试验过程中，压力传感器5和温度传感器6可实时测量井周温度和应力，反映钻井过程中的井周围岩温度、应力动态变化规律。
43.综上所述，可视化物理模拟系统能同时对煤岩试件提供五个方向的温度、压力和气体的加载，使模拟试验环境更加贴合实际钻井过程的地层环境，具体模拟试验时，制作好压力传感器5和温度传感器6在井周呈阵列式分布的正方体煤岩试件，同时在煤岩试件上预制好井眼，且在井眼内沿井周方向设置应变片，然后将煤岩试件安装正方体密封室内，使用可视化物理模拟试验系统对煤岩试件进行加温、加压和加气，开始模拟钻井过程，然后通过高清摄像机16观察模拟试验过程中井周围岩裂纹起裂和变形破坏情况，通过气体测量装置进行煤层气渗流流速与流量的测量，反映井眼中煤层气的渗流情况，通过温度传感器6和压力传感器5可实时测量井周温度和应力，反映钻井过程中井周围岩温度、应力动态变化规律，从而分析多种因素对钻井过程中煤层气井井周围岩变形破坏、井壁应力、温度和煤层气
渗流变化规律的影响。
44.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。