煤层气洞穴完井评价实验装置 【技术领域】
本发明是关于一种完井模拟实验系统， 尤其涉及一种煤层气洞穴完井评价实验装置。 背景技术 1986 年 Meridian 石油公司开始在美国圣胡安盆地使用裸眼洞穴完井技术， 使目 标煤层坍塌以扩大井眼形成洞穴， 洞穴完井后煤层气井的煤层气产量是射孔完井后水力压 裂的 3-20 倍， 且成本低于大型水力压裂， 到目前为止， 圣胡安盆地已有 4000 多口煤层气井， 其中 1/3 为洞穴完井， 洞穴完井累计产气量占整个盆地产气量的 76％。
与美国的煤层气洞穴完井相比， 由于受到设备和认识上的原因， 我国的煤层气洞 穴完井还没有真正实现井底压力激动或煤层内部的应力波动， 洞穴远端的微裂纹根本没有 受到周期性的张性和剪切力作用影响， 所以最终效果都不理想。因此需要在煤层气洞穴完 井增产机理及造洞穴技术等方面进行深入研究， 以形成我国自主知识产权的煤层气洞穴完 井理论和技术。
煤层气井现场洞穴完井， 是煤层气井动态注入 / 排放造洞穴工艺， 以 43.5-56.6 立 方米 / 分钟的排量， 在 1-6 个小时内， 将空气或者空气与水的混合物注入煤层气井井筒， 使 井口压力达到 10Mpa， 然后突然打开地面液动阀， 快速卸载井筒内部压力， 激发井筒壁面煤 层发生坍塌以扩大井眼， 重复注入憋压与排出卸压过程， 直到井筒内产生一稳定洞穴， 成功 后的洞穴完井加大了煤层的暴露面积， 增大了地层导流能力， 高压流体的注入和卸压过程 中， 产生了的张性裂缝和诱导剪切裂缝， 能有效的连通井筒和未伤害的储层， 产生多个方向 的自支撑裂缝， 贯通了储层中以前没有连通的裂缝， 从而大大提高了井眼周围储层的渗透 率， 达到增产的目的。
但是， 由于进行煤层气洞穴完井现场试验的费用投资巨大， 耗时长， 风险成本高， 不具有快速、 多次、 多地层实验的能力， 相关实验数据测量和采集非常困难， 并且即使洞穴 完井成功， 其增产机理也很难解释和分析， 因此， 我国对煤层气洞穴完井的增产机理及工艺 流程研究非常少。
本发明人针对现有技术的缺陷， 提出一种煤层气洞穴完井评价实验装置， 由此有 效的模拟洞穴完井过程， 从而得出洞穴完井的增产机理。
发明内容 本发明的目的在于提供一种煤层气洞穴完井评价实验装置， 用以模拟洞穴完井过 程， 从而得出洞穴完井的增产机理。
本发明的目的是这样实现的， 一种煤层气洞穴完井评价实验装置， 所述评价实验 装置由方形煤岩模型及其夹持系统、 三轴伺服加载系统、 气液加压注入系统、 收集计量系统 和监控处理系统构成 ； 该方形煤岩模型及其夹持系统设置在一框架内， 该方形煤岩模型及 其夹持系统包括一正方体煤岩模型， 该煤岩模型底面设有一向上延伸的模拟井筒， 煤岩模
型顶面设有多个向下延伸的测压孔， 煤岩模型外侧设有密封胶套， 在胶套外侧且对应煤岩 模型的六个侧面上固定设有压板， 在所述上、 下侧压板以及胶套上与模拟井筒和测压孔对 应的位置分别设有透孔， 各测压孔内设有带压力传感器的测压管 ； 所述三轴伺服加载系统 包括三个伺服加压油缸， 该三个油缸设置在煤岩模型外侧的空间三个方向上并向煤岩模型 施加压力 ； 气液加压注入系统包括密封设置在下侧压板上并与模拟井筒导通的连通器， 该 连通器上部设有进气管、 进水管和带压力传感器的测压管， 连通器下部设有一电动球阀， 该 电动球阀下端连接有一卸压管， 该卸压管底端对应设有一煤粉收集水槽。
在本发明的一较佳实施方式中， 所述煤岩模型顶面设有四个测压孔。
在本发明的一较佳实施方式中， 各加压油缸的进口方向分别安装一伺服阀， 用来 精确控制阀门的开关和进油量。
在本发明的一较佳实施方式中， 所述各伺服加压油缸上设有力传感器和位移传感 器， 各伺服加压油缸连接有控制其动作的全数字控制器。
在本发明的一较佳实施方式中， 所述进气管通过第一通道与第一水压和气压加压 缸连接， 所述进水管通过第二通道与第二水压和气压加压缸连接， 该两个加压缸由一伺服 电机驱动， 该第一水压和气压加压缸通过第一选择开关与储气瓶和储液罐连通， 该第二水 压和气压加压缸通过第二选择开关与储气瓶和储液罐连通 ； 所述第一通道上设有单向导通 进气管的第一单向阀， 所述第二通道上设有单向导通进水管的第二单向阀。 在本发明的一较佳实施方式中， 所述正方体煤岩模型是在原煤上切割形成 ； 正方 体煤岩模型的尺寸为 300mm×300mm×300mm ； 所述模拟井筒直径为 30mm， 深度为 200mm ； 所 述各测压孔的直径为 6mm， 钻进深度为 160mm。
在本发明的一较佳实施方式中， 所述模拟井筒位于煤岩模型底面的中心位置并向 上垂直延伸设置， 所述各测压孔对应设置在模拟井筒的周围。
在本发明的一较佳实施方式中， 所述卸压管直径为 30mm、 25mm、 20mm、 15mm、 10mm 或 5mm。
本发明的煤层气洞穴完井评价实验装置， 可以在室内实验模拟地层压力下大块煤 岩中洞穴的形成过程， 从而了解洞穴完井的机理， 通过洞穴周围不同位置处的孔隙压力的 测量， 分析洞穴形成前、 洞穴形成过程中和洞穴形成后周围煤岩的孔隙压力响应， 了解洞穴 完井过程中煤岩周围裂缝的发育及扰动， 通过洞穴实验后洞穴周围煤岩渗透性的测定， 分 析洞穴完井对煤岩渗透性的改善作用， 从而可以比较全面的评价洞穴完井增产的可能原 因， 为现场洞穴完井工艺设计提供新途径。 本发明的煤层气洞穴完井评价实验装置， 具有低 成本、 低风险、 模拟不同储层环境、 可重复使用性， 既可以分析洞穴完井的增产机理， 又可以 为煤层气洞穴完井现场工艺设计提供指导。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释， 并不限定本发明的范围。 其中，
图1： 为本发明煤层气洞穴完井评价实验装置的结构示意图。
图2： 为图 1 中 a-a 剖视示意图。
图3： 为图 1 中 b-b 剖视示意图。
图4： 为本发明中方形煤岩模型及其夹持系统的结构示意图。图5： 为本发明中气液加压注入系统及收集计量系统的结构示意图。 图 6A ： 为本发明中胶套的结构示意图。 图 6B ： 为在图 6A 中胶套底面裁切出的方块结构示意图。 图7： 为本发明中连通器与压板连接的结构示意图。具体实施方式
为了对本发明的技术特征、 目的和效果有更加清楚的理解， 现对照附图说明本发 明的具体实施方式。
如图 1- 图 7 所示， 本发明提出一种煤层气洞穴完井评价实验装置 100， 所述评价实 验装置 100 由方形煤岩模型及其夹持系统 1、 三轴伺服加载系统 2、 气液加压注入系统 3、 收 集计量系统 4 和监控处理系统 5 构成 ； 该方形煤岩模型及其夹持系统 1 设置在一框架 6 内， 该方形煤岩模型及其夹持系统 1 包括一正方体煤岩模型 11， 该煤岩模型 11 底面设有一向上 延伸的模拟井筒 111， 煤岩模型 11 顶面设有多个向下延伸的测压孔 112， 煤岩模型 11 外侧 设有密封胶套 12， 在胶套 12 外侧且对应煤岩模型 11 的六个侧面上固定设有压板 13， 在所 述上、 下侧压板 13 以及胶套 12 上与模拟井筒 111 和测压孔 112 对应的位置分别设有透孔， 各测压孔 112 内设有带压力传感器的测压管 51 ； 如图 1、 图 2、 图 3 所示， 所述三轴伺服加载 系统 2 包括三个伺服加压油缸 21、 22 和 23， 该三个油缸设置在煤岩模型 11 外侧的空间三个 方向上并向煤岩模型 11 施加压力 ； 气液加压注入系统 3 包括密封设置在下侧压板 13 的透 孔上并与模拟井筒 111 导通的连通器 31， 如图 7 所示， 该连通器 31 上部设有进气管 311、 进 水管 312 和带压力传感器的测压管 52， 连通器 31 下部设有一电动球阀 41， 该电动球阀 41 下端连接有一卸压管 42， 该卸压管 42 底端对应设有一煤粉收集水槽 43。
本发明的煤层气洞穴完井评价实验装置， 可以在室内实验模拟地层压力下大块煤 岩中洞穴的形成过程， 从而了解洞穴完井的机理， 通过洞穴周围不同位置处的孔隙压力的 测量， 分析洞穴形成前、 洞穴形成过程中和洞穴形成后周围煤岩的压力响应， 了解洞穴完井 过程中煤岩周围裂缝的发育及扰动， 通过洞穴实验后洞穴周围煤岩渗透性的测定， 分析洞 穴完井对煤岩渗透性的改善作用， 从而可以比较全面的评价洞穴完井增产的可能原因， 为 现场洞穴完井工艺设计提供新途径。
在本实施方式中， 所述正方体煤岩模型 11 是在原煤上切割形成 ； 正方体煤岩模型 11 的尺寸为 300mm×300mm×300mm ； 所述模拟井筒 111 直径为 30mm， 深度为 200mm ； 所述各 测压孔 112 的直径为 6mm， 钻进深度为 160mm。所述模拟井筒 111 位于煤岩模型 11 底面的 中心位置并向上垂直延伸设置， 所述各测压孔 112 对应设置在模拟井筒 111 的周围 ( 如图 2 所示 )。
在本实施方式中， 所述煤岩模型 11 顶面设有四个测压孔 112， 将测压管 51 分别插 入各测压孔 112 中， 测压管 51 外壁面与测压孔 112 之间的间隙注入环氧树脂胶密封， 测压 管 51 采用直径 3mm 的不锈钢管， 测压管 51 通过上压板 13 上对应的直径 10mm 左右的透孔 穿出压板 13 外， 各测压管 51 上连接一压力传感器， 构成四个传感器测压点 A、 B、 C、 D， 用来 采集各测压点的压力数据， 压力传感器另一端与电脑上的数据采集板相连。
在本实施方式中， 因为测压孔 112 不在正方体煤岩模型 11 的中心， 在加载三轴向 压应力时， 测压管 51 与压板 13 一定会有相对位移， 所以上压板 13 上钻设的多个透孔其直径为 10mm 左右， 主要是为了把测压管 51 的管接头穿出压板外与压力传感器连接， 同时也为 了正方体煤岩模型 11 变形 ( 相对位移 ) 时， 压板 13 不会剪到测压管 51。
进一步， 所述各伺服加压油缸 21、 22、 23 对正方体煤岩模型 11 伺服加载三轴向不 同压应力， 伺服加压油缸 21 为水平 (X) 加压油缸， 伺服加压油缸 22 为水平 (Y) 加压油缸， 该两个加压油缸 21、 22 主要用来伺服加载水平方向的压应力 ； 伺服加压油缸 23 为垂直加压 油缸， 主要用来加载垂向压应力 ； 三个方向的加压油缸需要三台全数字 EDC220 控制器来伺 服控制， 由一个伺服油源用来给三个方向的加压油缸供油。 各加压油缸的进口方向， 都安装 一伺服阀， 用来精确控制阀门的开关和进油量， 三个加压油缸上面都安装有力传感器和位 移传感器， 力传感器、 位移传感器还相连有力放大器、 位移放大器， 主要用来放大位移传感 器和力传感器的信号， 使得到的力与位移数据更加精确， 从而实现对加压油缸加力与行程 的精确控制， 从而保证伺服加压力载荷过程中煤岩模型 11 不会被压碎。在本实施方式中， 由一微机来程序控制所有的全数字 EDC220 控制器并收集数据， 输出图形、 曲线。
在本实施方式中， 所述各压板 13 外侧还可设置一加压板 14， 伺服加压油缸的出力 面贴着加压板 14( 如图 1、 图 2 和图 3 所示 )。
在本实施方式中， 方形煤岩模型及其夹持系统是煤层气洞穴完井评价实验装置的 核心， 本模型结构既可以实现洞穴完井的评价， 又可以实现水力压裂的模拟测试， 这样的设 计实现了设备的多功能 ； 所述压板 13 与胶套 12 主要用来保证加载三轴向各向异性压应力 时模型的密封性。 常规三轴压裂实验， 一般不涉及试样内部的密封问题， 或者试样内部加压 一般不考虑压力外漏问题， 而煤层气洞穴完井评价实验装置主要用来模拟煤气井洞穴完井 的机理过程， 测试洞穴完井的参数， 分析洞穴完井的机理， 得出洞穴完井的适应性、 匹配性 储层条件及增产机理， 因为实验介质为煤岩， 属于裂缝发育体， 对煤岩内模拟井筒增压时， 为了实现整个实验目的， 必须保证井筒内部压力不外漏， 煤岩体六个面上压力不壁串， 因 此， 模型整体密封设计成为整个实验系统成败的关键所在。
在本实施方式中， 所述胶套 12 为一立方硅胶壳体 ( 如图 6A、 图 6B 所示 )， 其尺寸 略小于正方体煤岩模型 11 的尺寸， 将正方体煤岩模型 11 放入所述胶套 12 时， 先将整体的 六面体胶套底面剪出 260mm×260mm 的方块 121， 然后将正方体煤岩模型 11 放入胶套 12 内， 之后将剪出的方块 121 再贴在底部 ( 再作适当的密封 )， 方块 121 中间再开一个直径 40mm 的所述透孔 122， 透孔 122 用来使模拟井筒 111 导通于连通器 31。由于胶套 12 的尺寸比正 方体煤岩模型 11 小一些 ( 为边长 295mm 的立方壳体 )， 可使胶套 12 能紧贴在煤岩模型 11 上， 这样可以保证煤岩模型 11 与外面完全隔绝， 胶套外的六块压板 13 可以使得胶套 12 密 封很高的压力 (20MPa 以上 )， 由于压板 13 与煤岩模型 11 间通过胶套传递压力， 所以胶套是 被压缩的， 这样在煤岩模型 11 的一个面上就不会产生压力的流动。
如图 4 所示， 在本实施方式中， 所述相邻的两个压板 13 上分别设有压板固定块 131， 安装压板 13 时， 由螺栓连接相邻的压板固定块 131， 用来单方向固定压板 13， 使安装的 压板不至于散开。
在本实施方式中， 连通器 31 主要作用是连接进气管路和进液管路， 排放模拟井筒 111 内部的气体或者液体， 以及憋压卸压循环过程中产生的煤屑 ； 连通器上的测压管 52 连 接的压力传感器构成对模拟井筒 111 出口的测压点 E( 如图 7 所示 )。
如图 5 所示， 所述进气管 311 通过第一通道 321 与第一水压和气压加压缸 331 连接， 所述进水管 312 通过第二通道 322 与第二水压和气压加压缸 332 连接， 该两个加压缸 331 和 332 由一伺服电机 34 驱动， 该第一水压和气压加压缸 331 通过第一选择开关 351 与 储气瓶 36 和储液罐 37 连通， 该第二水压和气压加压缸 332 通过第二选择开关 352 与储气 瓶 36 和储液罐 37 连通 ； 所述第一通道 321 上设有单向导通进气管的第一单向阀 381， 所述 第二通道 322 上设有单向导通进水管的第二单向阀 382。
本实施方式中， 储气瓶 36( 为氮气瓶 ) 及储液罐 37 主要为加压注入系统提供气源 和液源， 与水压和气压加压缸 331 和 332 相连接， 通过伺服电机 34 及滚珠丝杠 39 使水压和 气压加压缸压缩气体或者液体增压， 增压后的气体或者液体， 通过单向阀， 进入进气管和 / 或进水管， 再经过连通器 31 注入到模拟井筒 111 中。
在本实施方式中， 连通器下部电动球阀 41 后面可以接不同直径的卸压管 42， 通过 改变卸压管 42 的直径来改变卸压速度， 从而产生不同的造洞穴效果和增产激励效果。在本 实施方式中， 所述卸压管直径可为 30mm、 25mm、 20mm、 15mm、 10mm 或 5mm。卸压循环过程中坍 塌出来的煤屑和流体由卸压管 42 导出后， 由煤粉收集水槽 43 收集， 最后再由煤粉收集盒 ( 图中未示出 ) 进行收集。煤粉收集盒底面为锥面， 中间储集水， 锥面上端放有较大煤颗粒 收集盒， 下端为粉尘收集盒， 将所有收集的煤粉放进烘干箱烘干称重， 实现精确计量。 下面对本发明的实验过程作出描述 ：
一、 实验目的 ： 通过试压得出注氮气增压、 卸压循环煤岩试样产生初始洞穴的压 力 -- 门限压力 ； 产生稳定洞穴的过程及对煤岩的激励作用。
二、 实验初始条件 ： 安装的煤岩试样面割理方向平行于最大水平主应力方向 ( 水 平 X 加压油缸加压方向或者水平 Y 加压油缸加压方向 )， 煤岩试样标号为 M1， 连通器上卸 压管的直径 30mm， 最小水平主应力加载 5MPa， 最大水平主应力加载 7MPa， 垂向应力加载 11MPa ； 或者最大水平主应力及最小水平主应力加载 5MPa， 垂向应力加载 11MPa。
三、 实验步骤 ：
(0) 将煤岩试样安装在模型系统内， 通过三轴伺服加载系统， 给实验用的煤岩模型 样品加载各向异性压应力。
(1) 检查 5 个压力探测点 A、 B、 C、 D、 E 上的压力传感器的压力是否为 0， 确定都为 0 后， 开始实验。
(2) 进行注气憋压 / 卸压循环前， 开启气液加压注入系统在 2 秒内注入 0.3MPa 的 氮气 ( 使模拟井筒的压力为 0.3MPa)。
(3) 注气开始时， 同时启动 5 个压力传感器， 记录各压力探测点的压力数据。
(4) 当模拟井筒内气体压力达到 0.3MPa 时， 关闭气液加压注入系统， 观察 5 个压力 探测点的压力变化， 检查整个装置的气密性。如果 E 点 ( 测模拟井筒内的压力 ) 压力下降 到一定值然后趋于稳定， 说明在低压下， 气密性是正常的。稳定一段时间后， 开启连通器上 的电动球阀， 开始卸压， 直到 5 个压力传感器的压力数据都为 0 时， 关闭电动球阀， 开始进行 注气憋压 / 卸压循环实验。
(5) 开启气液加压注入系统， 快速注入氮气， 20-60 秒的时间内使模拟井筒内的气 体压力达到 4.5MPa。
(6) 注气开始时， 同时启动 5 个压力传感器， 记录各压力探测点的压力数据。
(7) 模拟井筒内气体压力达到 4.5Mpa 时， 保持增压压力不变， 观察 5 个压力传感器
的压力变化， 直到 5 个压力传感器的压力都为 4.5MPa 时， 或者 5 个压力传感器压力相等并 接近 4.5Mpa 时。
(8) 用直径为 30mm 的卸压管快速卸压， 记录卸压过程中各压力探测点的压力变化 动态数据。
(9) 通过煤粉收集盒， 收集卸压过程中喷射出来的煤屑， 包括卸压管线中沾粘的煤 屑以及喷射到水槽里面的煤屑， 将收集的煤屑烘干、 称重。( 注 ： 煤的密度一般取 1434Kg/ 3 m )， 从而估算出产生洞眼的体积。关闭电动球阀， 重新安装好卸压管线， 将煤粉收集水槽更 换为等量清水， 为一下次注气 / 卸压循环作准备。
(10) 如果喷射出来的煤屑量非常少， 具体少于 30 ～ 50g， 或者卸压时， 压力探测点 A、 B、 C、 D 中没有出现一条降幅较大的压力曲线， 则说明模拟井筒内没有产生洞穴或者没有 达到产生洞穴的初始条件。
(11) 重复上述步骤 (1)-(10) 注气憋压 / 卸压循环 5 次， 确定产生洞穴的初始条件 与此压力状态下的循环次数没有关系， 并记录每次各压力探测点的压力变化动态数据。
(12) 当推断没有产生初始洞穴时， 每次氮气的注入压力增加 0.5MPa， 重复上述步 骤 (1)-(11)， 经验显示， 不同的煤岩， 相同应力条件下， 相同宜径卸压管快速卸压， 有一个产 生初始洞穴的门限压力。 (13) 当实验过程中注入压力达到门限压力， 快速卸压时模拟井筒内将产生初始洞 穴， 判别条件为大量喷出煤屑， 具体大于 40-50 克， 或者压力探测点 A、 B、 C、 D 中出现较明显 的降压曲线。
(14) 收集卸压过程中喷射出来的煤屑， 包括卸压管线中沾粘的煤屑以及喷射到水 槽里面的煤屑， 将收集的煤屑烘干、 称重。重新安装好卸压管线， 将煤粉收集水槽更换定量 清水， 为下一次注气增压 / 卸压循环作准备。
(15) 开始在最高压力为门限压力的条件下， 重复步骤 (1)-(10)， 进行另一轮注气 憋压 / 卸压循环， 快速注入氮气， 设定氮气注入速度为 20-60 秒内增压到门限压力， 然后保 持此压力， 待 5 个压力传感器压力等于门限压力或者趋于稳定接近于门限压力。
(16) 用一个直径为 30mm 的卸压管快速卸压， 记录卸压过程中各压力点的数据， 以 及喷射出来的煤屑重量。清洗卸压管线及煤粉收集水槽。
(17) 保持此条件不变， 重复步骤 (15) 和 (16) 直到喷射出来的煤屑量很少， 具体少 于 20-50g， 可以看成已形成稳定洞穴， 一般循环 5-10 次就可以达到稳定洞穴的条件。
(18) 形成稳定洞穴后， 采用 X 射线 CT 扫描仪， 扫描已形成稳定洞穴的煤岩样品 M1， 观察洞穴的发育方向及裂缝的发育方向。
(19)CT 扫描后， 将煤岩样品 M1 切割开， 垂直于模拟井筒水平方向切开， 观察煤岩 样品内部洞穴发育方向及具体裂缝发育方向。
(20) 从已形成稳定洞穴的煤岩样品 M1 上取小直径煤心 ( 直径 25mm)， 分别沿面 割理方向和端割理方向钻取， 面割理方向邻洞穴部位及邻煤样壁面的煤心， 编号 M1-FX0 和 M1-FX1 ； 端割理方向邻洞穴部位及邻煤样壁面的煤心， 编号 M1-BX0 和 M1-BX1 ； 0 代表近洞 穴， 1 代表近壁面。
(21) 对所取小直径煤心进行渗透率测定实验， 测量其渗透率， 并与未进行洞穴实 验的原煤岩面割理及端割理方向所取煤心渗透率实验数据进行对照。
由上所述， 本发明运用煤层气洞穴完井评价实验装置， 可以在煤层气洞穴完井增 产机理及造洞穴技术等方面进行深入研究， 以形成我国自主知识产权的煤层气洞穴完井理 论和技术， 现场洞穴完井工艺投资巨大， 耗时长， 风险成本高， 不具有快速， 多次， 多地层实 验的能力， 实验数据非常难采集， 并且即使洞穴完井成功， 其增产机理也很难解释和分析。 而本发明煤层气洞穴完井评价实验装置， 具有低成本、 低风险、 模拟不同储层环境、 可重复 使用性， 即可以分析洞穴完井的增产机理， 又可以为煤层气洞穴完井现场工艺设计提供指 导。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式， 并非用以限定本发明的范围。任何 本领域的技术人员， 在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改， 均 应属于本发明保护的范围。