一种支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置的制作方法

本实用新型涉及一种模拟装置，尤其涉及一种支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置。

背景技术：

我国煤层气资源储量巨大，位居世界第三。煤层气是一种清洁能源，煤层气的开发利用不仅有利于环境保护，而且可以补充我国能源缺口，同时保障煤矿安全生产。目前，我国已建成沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘两大煤层气产业化基地，同时新疆准南、内蒙古二连盆地等地区煤层气开发潜力巨大，是我国未来煤层气开发的战略接替区。部分地区的煤储层由于沉积和构造原因，煤储层倾角变化较大，从水平到近直立均有存在。

煤层气开发过程中，需要对煤储层进行压裂改造，在煤储层中形成用石英砂或陶粒等支撑剂支撑的导流裂缝(简称支撑裂缝)，然后压裂液和地层水从支撑裂缝中通过井筒返排到地面，随着流体的排出，待储层流体压力降至煤层气临界解吸压力后，煤层气开始解吸并产出。在排采初期，返排流体为单相流，即排采的液体几乎全部为压裂液和地层水；排采中期，随着煤层气的产出，流体变为气液两相流，地层水和煤层气共同采出；排采后期，地层水减少、煤层气气相含量占主导，但由于钻具和支撑剂等对煤储层的机械打磨会产生煤粉，且煤储层中本身含有天然煤粉，因此在排采过程中，煤粉以不同状态(分散和聚集)在压裂液或者地层水的携带作用下进入支撑裂缝中，堵塞支撑剂间隙，从而抑制流体产出，造成储层伤害，严重制约和影响煤层气井产能。因此，对煤粉团聚和分散状态的模拟以及煤粉对支撑裂缝影响的评价尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置，用于模拟在不同地层压力、流量、煤粉含量、支撑裂缝形态和倾角等条件下，煤粉在支撑裂缝中的分散-团聚行为，并评价支撑裂缝的导流能力和煤粉运动对支撑裂缝中流体压力的扰动。

本实用新型提供一种支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置，包括注入系统、可视化支撑裂缝系统、排出系统、以及计算机分析系统，所述可视化支撑裂缝系统与所述注入系统、所述排出系统通过连接管路(3)连通，所述计算机分析系统用于获取并分析煤粉在所述可视化支撑裂缝系统中的团聚和分散行为的数据；

所述注入系统包括水池(1)、水泵(2)、三通连接器(8)、气源(13)，其中，所述水池(1)内装有纯液体和煤粉混合形成的分散系；所述水泵(2)、所述气源(13)、以及所述可视化支撑裂缝系统通过所述三通连接器(8)、连接管路(3)连通在一起，所述水泵(2)放置在水池(1)中，将水池(1)中的分散系压入连接管路(3)；

所述可视化支持裂缝系统包括支撑裂缝模拟装置(16)、用于托举并固定所述支撑裂缝模拟装置(16)的支架(17)、用于填充所述支撑裂缝模拟装置(16)的模拟支撑剂(38)、设在所述支撑裂缝模拟装置(16)的外表面上的第一摄像头(18)和第二摄像头(19)、设在所述支撑裂缝模拟装置(16)的内壁上的第一压力传感器(20)和第二压力传感器(21)，其中，所述支撑裂缝模拟装置(16)的前端连接所述注入系统，后端连接所述排出系统；所述支架(17)活动安装在所述支撑裂缝模拟装置(16)的中间段，所述支架(17)的高度可调节，且所述支撑裂缝模拟装置(16)可绕所述支架(17)进行0-180度旋转；

所述排出系统包括固液分离器(30)、高精度电子秤(32)、以及集液池(35)，其中，所述固液分离器(30)用于过滤并保留经所述支撑裂缝模拟装置(16)后产出的煤粉，所述固液分离器(30)的上端接口通过连接管路(3)与所述支撑裂缝模拟装置(16)的后端连通；所述集液池(35)放置在所述固液分离器(30)的下方，用于收集所述固液分离器(30)分离出的液体；所述高精度电子秤(32)用于称量所述固液分离器(30)滤出的煤粉质量。

进一步地，所述注入系统还包括第一调节阀(4)、第一压力表(5)、第一流量计(6)、第一单向阀(7)、第二单向阀(9)、第二流量计(10)、第二压力表(11)、第二调节阀(12)、第三流量计(14)、以及第三压力表(15)，其中，所述水泵(2)的液相出口端与所述第一调节阀(4)连接，所述三通连接器(8)的连通水泵(2)的一端与所述第一单向阀(7)连接，所述第一压力表(5)、所述第一流量计(6)则安装在所述第一调节阀(4)与所述第一单向阀(7)之间的连接管路(3)上；

所述气源(13)与所述第二调节阀(12)连接，所述三通连接器(8)的连通气源(13)的一端与所述第二单向阀(9)连接，所述第二流量计(10)、所述第二压力表(11)则安装在所述第二调节阀(12)与所述第二单向阀(9)的之间的连接管路(3)上；

所述第三流量计(14)、所述第三压力表(15)安装在所述三通连接器(8)与所述可视化支撑裂缝系统连通的连接管路(3)上。

进一步地，所述排出系统还包括第四流量计(26)、第四压力表(27)、第三调节阀(28)、以及第三单向阀(29)，其中，所述固液分离器(30)的上端接口通过连接管路(3)依次与所述第三单向阀(29)、所述第三调节阀(28)、所述第四压力表(27)、所述第四流量计(26)、以及所述支撑裂缝模拟装置(16)的后端连接。

进一步地，所述计算机分析系统包括与所述第一压力传感器(20)通过数据线缆(24)连接的第一外部存储器(22)、与所述第二压力传感器(21)通过数据线缆(24)连接的第二外部存储器(23)、以及安装有颗粒图像分析软件的计算机(25)，所述第一外部存储器(22)、所述第二外部存储器(23)、所述第一摄像头(18)、所述第二摄像头(19)均通过数据线缆(24)与所述计算机(25)连接。

进一步地，所述计算机分析系统还包括玻片(33)和显微镜(34)，所述玻片(33)包括载玻片和盖玻片，用于放置从固液分离器(30)中滤出的煤粉样品，所述显微镜(34)通过数据线缆(24)连接计算机(25)，用于观测所述玻片(33)中的煤粉样品，并在所述计算机(25)中显示成像信息。

进一步地，所述气源(13)为高压气瓶或空气压缩机。

进一步地，所述支撑裂缝模拟装置(16)为长方体或圆筒型可密封结构，采用无色透明的高强度塑料制成。

进一步地，所述模拟支撑剂(38)为无色或浅色透明的圆球形状，粒径在1mm-1cm之间。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：所述装置可模拟实际地层条件下煤粉运转过程中的分散或团聚行为，比如不同地层压力、流量和煤粉含量，尤其是支撑裂缝倾角在0-180°范围可变；注入系统包括注液和注气装置，模拟煤层气排采过程不同阶段(比如单相流和气液两相流)煤粉的分散行为，可视化的评价方法更加直观，包括支撑裂缝可视化、产出物可视化；支撑裂缝内部安装压力传感器，可监测模拟过程煤粉对支撑裂缝内不同位置流体压力的扰动。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置示意图；

图2是本实用新型实施例提供的支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟示意图；

附图说明：1-水池、2-水泵、3-连接管路、4-第一调节阀、5-第一压力表、6-第一流量计、7-第一单向阀、8-三通连接器、9-第二单向阀、10-第二流量计、11-第二压力表、12-第二调节阀、13-气源、14-第三流量计、15-第三压力表、16-支撑裂缝模拟装置、17-支架、18-第一摄像头、19-第二摄像头、20-第一压力传感器、21-第二压力传感器、22-第一外部存储器、23-第二外部存储器、24-数据线缆、25-计算机、26第四流量计、27-第四压力表、28-第三调节阀、29-第三单向阀、30-固液分离器、31-煤粉、32-高精度电子秤、33-玻片、34-显微镜、35-集液池、36-分散系、37-液体、38-模拟支撑剂。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置，包括注入系统、可视化支撑裂缝系统、排出系统、以及计算机分析系统，所述注入系统用于模拟煤层气开采过程中的单相流及气液两相流环境，所述可视化支撑裂缝系统用于模拟煤层气开采过程中形成的支撑裂缝，所述排出系统用于采集通过支撑裂缝后的煤粉，所述计算机分析系统用于获取并分析煤粉的团聚和分散行为数据。其中，可视化支撑裂缝系统与注入系统、排出系统通过连接管路3连通。

注入系统包括水池1、水泵2、第一调节阀4、第一压力表5、第一流量计6、第一单向阀7、三通连接器8、第二单向阀9、第二流量计10、第二压力表11、第二调节阀12、气源13、第三流量计14、以及第三压力表15。水池1内装有纯液体和煤粉混合形成的分散系36，水泵2放置在水池1中，将水池1中的分散系36压入连接管路3；气源13提供气相气压，用于模拟煤层气开采过程中的气相流动，优选地，所述气源13为高压气瓶或空气压缩机。

水泵2、气源13、以及可视化支撑裂缝系统通过三通连接器8、连接管路3连通在一起；其中，三通连接器8的连通水泵2的一端与第一单向阀7连接，连通气源13的一端与第二单向阀9连接，利用第一单向阀7、第二单向阀9分别控制水泵2、气源13向可视化支撑裂缝系统的输入；三通连接器8与可视化支撑裂缝系统连通的一段连接管路3上安装有第三流量计14和第三压力表15，用于校核可视化支撑裂缝系统的进口流量和进口压力。

水泵2的液相出口端与第一调节阀4连接，利用第一调节阀4控制水泵2输出液相的压力和流量，且在所述第一调节阀4与第一单向阀7之间的连接管路3上安装有第一压力表5、第一流量计6，用于校核水泵2输出的液相的压力和流量；气源13连接第二调节阀12，利用第二调节阀12控制气源13输出气相的压力和流量，且在所述第二调节阀12与第二单向阀9之间的连接管路3上安装有第二流量计10、第二压力表11，用于校核气源13输出的气相的流量和压力。

可视化支撑裂缝系统包括支撑裂缝模拟装置16、支架17、第一摄像头18、第二摄像头19、第一压力传感器20、第二压力传感器21、以及模拟支撑剂38。支撑裂缝模拟装置16为长方体或圆筒型可密封结构，采用无色透明的高强度塑料制成，其前端连接注入系统，后端连接排出系统；支撑裂缝模拟装置16的外表面上设有第一摄像头18、第二摄像头19，内壁设有第一压力传感器20以及第二压力传感器21，优选地，第一摄像头18、第二摄像头19分别设置于支撑裂缝模拟装置16的两端，第一压力传感器20、第二压力传感器21也分别设置于支撑裂缝模拟装置16的两端；支撑裂缝模拟装置16的内部紧密填充有模拟支撑剂38，所述模拟支撑剂38为无色或浅色透明的圆球形状，采用硬质塑料或玻璃制成，粒径在1mm-1cm之间。

支架17活动安装在支撑裂缝模拟装置16的中间段，起到托举和固定支撑裂缝模拟装置16的作用，支架17的高度可调，支撑裂缝模拟装置16可绕支架17旋转，从而实现支撑裂缝模拟装置16的倾斜角在0-180°范围内变化。

排出系统包括第四流量计26、第四压力表27、第三调节阀28、第三单向阀29、固液分离器30、高精度电子秤32、以及集液池35。其中，固液分离器30用于过滤并保留经支撑裂缝模拟装置16后产出的煤粉31，其上端接口通过连接管路3依次与第三单向阀29、第三调节阀28、第四压力表27、第四流量计26、以及支撑裂缝模拟装置16的后端连接；集液池35放置在固液分离器30的下方，用于收集固液分离器30分离出的液体37；高精度电子秤32用于称量固液分离器30滤出的煤粉质量。

需要说明的是，连接管路3与其他设备的连接处均为螺纹连接，保证整个装置的密封性，且易于拆卸清洗。

计算机分析系统包括第一外部存储器22、第二外部存储器23、计算机25、玻片33、显微镜34。第一外部存储器22一方面通过数据线缆24连接第一压力传感器20，用于存储第一压力传感器20的数据，另一方面通过数据线缆24连接计算机25，用于将第一压力传感器20的数据发送至计算机25；第二外部存储器23一方面通过数据线缆24连接第二压力传感器21，用于存储第二压力传感器21的数据，另一方面通过数据线缆24连接计算机25，用于将第二压力传感器21的数据发送至计算机25。优选地，在支撑裂缝模拟装置16放置两个压力传感器的相应位置开口，用于数据线缆24伸出所述支撑裂缝模拟装置16，并采用胶水进行密封。

计算机25上安装有颗粒图像分析软件，用于显示并处理数据，计算机25通过数据线缆24连接第一摄像头18以及第二摄像头19，获取拍摄的支撑裂缝模拟装置16中的图像信息；玻片33包括载玻片及盖玻片，用于放置从固液分离器30中滤出的煤粉31的样品；显微镜34通过数据线缆24连接计算机25，用于观测所述玻片中的煤粉样品，并在计算机25中显示玻片33中煤粉样品的成像信息。

所述模拟装置进行支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟实验时，包括以下步骤：

s1、组装支撑裂缝内煤粉团聚和分散行为的模拟装置，并保证所有设备、控制阀以及单向阀均处于关闭状态；在支撑裂缝模拟装置16中装入模拟支撑剂38，并使其排列密实、颗粒之间不发生相互滑移，调节支架17，使支撑裂缝模拟装置16保持设定的倾斜角。

s2、在水池1中装入液体并加入一定量煤粉，搅拌均匀形成分散系36；将水泵2放入所述分散系36中并保持一定的沉没度，打开第一单向阀7、第三单向阀29、高精度电子秤32、第一摄像头18、第二摄像头19、第一压力传感器20、第二压力传感器21、计算机25、以及显微镜34。

s3、进行煤粉在单相流中的运动模拟：开启水泵2，使得混合均匀的分散系36通过水泵2以及连接管路3进入到支撑裂缝模拟装置16中，请参考图2，分散系36在所述支撑裂缝模拟装置16中进行团聚和分散行为后，经固液分离器30最终固相煤粉停留在所述固液分离器30中，而液体则进入集液池35；同时，控制第一调节阀4调节进口压力和流量，并通过第一压力表5和第一流量计6读取进口压力和进口流量，此时，其读数应分别与第三压力表15以及第三流量计14的读数相同；控制第三调节阀28调节出口压力和流量，并通过第四压力表27和第四流量计26读取出口压力和出口流量。

s4、评价煤粉在单相流中的团聚和分散行为，具体地，包括以下评价方法：

s41、将第一摄像头18和第二摄像头19拍摄的高清照片导入计算机25中，并利用颗粒图像分析软件计算照片中的煤粉粒度、数量以及分形维数，从而对支撑裂缝的空隙中的煤粉粒度、数量以及自相似度进行评价；其中，若煤粉粒度越小、单位面积内数量越少、分形维数越小，说明支撑裂缝内的煤粉越分散、颗粒形态越规则，反之则说明支撑裂缝内的煤粉越团聚、颗粒形态越复杂；

s42、利用高精度电子秤32称量固液分离器30中滤出的煤粉，得到排出煤粉的质量，并与水池1中注入煤粉的质量进行比较，从而对支撑裂缝排出的煤粉质量进行评价；其中，若排出煤粉的质量与注入煤粉的质量的比值越大，则说明煤粉越容易分散，越不易堵塞支撑裂缝，对支撑裂缝的导流能力的伤害越小；

s43、从固液分离器30中随机提取一定质量的煤粉，平铺于载玻片上，并在煤粉上滴入集液池35中的液体后盖上盖玻片，形成玻片33；将所述玻片33放置于显微镜34下进行观测，并在计算机25中成像，利用颗粒图像分析软件计算煤粉粒度，从而对支撑裂缝排出的煤粉粒度进行评价，其中，若排出的煤粉粒度越小，说明煤粉越容易分散，反之则说明煤粉越容易团聚。

s5、评价煤粉在气液两相流中的团聚和分散行为，具体地，在步骤s3的基础上，打开第二单向阀9和气源13，并控制第二调节阀12调节气体进入的压力和流量，通过第二压力表11和第二流量计10读取气体进入的压力和流量，通过第三压力表15和第三流量计14读取气液混合流体的注入压力和注入流量；结束后按照步骤s4中的方法进行评价。

s6、评价煤粉运动对支撑裂缝模拟装置中的流体压力扰动，具体地，在步骤s3和步骤s5中，煤粉在所述支撑裂缝模拟装置16中的流动会分别经过第一压力传感器20和第二压力传感器21，且压力数据分别存储于第一外部存储器22和第二外部存储器23中，将所述压力数据导入计算机25后，分析支撑裂缝内不同位置的流体压力受煤粉扰动随时间的变化规律。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。