多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，包括以下步骤：试验准备、加载应力、瓦斯吸附、甲烷驱替、结束一次试验和同组其他试验。其中试验采用的试件箱的内底透气板分区设置，并在各个透气板下方设置气流通道，在型煤成型时，试件箱内的煤层与透气板一一对应，煤层之间间隔有相似材料用于模拟岩层，在每一煤层内各自埋入与Y向压力方向相反的抽采支管，从而提出了一种多层叠置含气系统水平井CO2分层驱替CH4模拟试验方法，为多层叠置含气系统水平井CO2驱替CH4的后续研究奠定了基础。

Simulation test method of CO2 layered displacement CH4 for multi layered gas system

The invention discloses a multi-layer stack displacement CH4 simulation test method for gas bearing system CO2 layer, which comprises the following steps: preparation, loading stress, gas adsorption, methane displacement, the end of a test and other test groups. The test case using the inner bottom plate air partition settings, and the permeable plate is arranged below the air channel in all, in the coal briquette, specimen box and seam permeable plate corresponding seam between the interval of similar material is used to simulate the rock in each coal seam within the drainage pipe with Y self embedding to the pressure in the opposite direction, and put forward a multi-layer stack gas system of horizontal well CO2 layered displacement CH4 simulation test method, gas bearing system of horizontal well CO2 displacement CH4 research has laid the foundation for the multilayer overlay.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于煤层气开采模拟试验
，具体地讲，特别涉及一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法。
技术介绍
目前，煤层气是一种由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层中的非常规天然气，主要成分为甲烷。煤层气是我国21世纪重要的新型洁净能源和战略资源。我国煤层气资源量巨大，其中埋深在1000～2000m的资源量占2000m以浅总资源量的三分之二以上。多层叠置含气系统是近年来在单一含煤层气系统的基础上提出并经过论证的学术观点。它指在同一区域内，垂向叠加多个相互独立的含煤层气系统，为沉积-水文-构造条件耦合控气的产物，主要存在于我国西南地区，如滇东－黔西地区。黔西地区晚二叠世龙潭组和长兴组形成于陆相—海陆过渡相沉积环境，含煤3～80层，可采1～26层；垂向上发育2～3个煤层群，煤层间距变化于<1.0～30m之间，具备多煤层开采煤层气的地质条件。我国煤层气开发所面临的主要问题是煤储层压力、渗透率和含气饱和度普遍较低，从而造成大部分煤层气井产气率很低，回采周期很长，严重制约了我国煤层气产业的发展。20世纪末，随着美国圣胡安盆地将CO2注入煤层以提高煤层气采出率(CO2－ECBM)实验的成功，有关煤对CH4/CO2二元气体吸附实验的研究成为热点。就煤层注气增加产气率或促排煤层瓦斯而言，目前人们比较关注是CO2和N2(或空气)。煤对气体吸附能力由强到弱的顺序是CO2>CH4>N2。从煤层气开采的角度看，CO2是一种十分理想的注气气源，因为CO2注入煤层后，不仅可以大量地置换吸附状态的CH4，增加甲烷的采出率，还能将CO2这一温室气体埋藏在地层中，避免其对大气的污染。CO2驱替CH4的原理主要包括以下几点：①注入气体后，煤层气的分压被降低，煤层气解吸与三维应力有关，当压力降低时，有利于煤层气解吸；②气体注入后，由于煤层内部空间有限，煤层气会被驱赶出来；③注入气体，总的压力必然会提高，打破原来的压力平衡状态，在压差的作用下能够增大流速，也有利于煤层气的解吸；④由于气体与甲烷竞相吸附能力的不同，注入气体后可引起煤层膨胀或收缩以此来降低或提高煤层渗透性。目前关于CO2驱替CH4的模拟试验主要针对小尺度、伪三轴条件下进行研究，无法有效消除边界效应且不能真实还原现场复杂地质情况，最重要的是难以对“多层叠置含气系统”进行CO2分层驱替CH4试验研究，因此有必要提出一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，以弥补这方面的不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，用于研究各参数对多层叠置含气系统中CO2驱替CH4的影响。本专利技术的技术方案如下：一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，包括以下步骤，步骤1、试验准备1a)将煤样破碎并筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行加压成型，并在试件箱内埋入抽采支管和传感器；所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板，在所述箱体内底设置有与竖向压头一一对应的透气板，在每一所述透气板下方均设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与箱体内腔贯通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并各自固定连接有管接头；所述煤样和相似材料沿箱体长度方向间隔布置，并且煤样位于透气板正上方，相似材料位于相邻透气板之间部位的上方；所述抽采支管与第二水平压头一一相对布置，所述抽采支管插装在箱体侧壁上，在每一抽采支管的内端均开有抽采孔；1c)检查密封效果；1d)连接传感器和电脑；在每一所述气流通道的管接头上通过进气管路各自连接有真空泵，每一所述抽采支管的外端各自连接有出气管路，并在每一所述出气管路均上安装有流量计，将所有的出气管路均与开采总管连通，在所述开采总管上安装有甲烷浓度传感器；步骤2、加载应力开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头对型煤施加预定应力；步骤3、瓦斯吸附关闭出气管路，启动真空泵对煤样进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与甲烷气瓶连通，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照预定的吸附平衡气压对各个煤层进行充分吸附；步骤4、甲烷驱替关闭甲烷气瓶和进气管路，将进气管路与二氧化碳气瓶连通，按照预定的试验方案打开相应的进气管路和二氧化碳气瓶，对相应煤层进行甲烷驱替；步骤5、结束一次试验待甲烷浓度传感器读数不再升高时，关闭应力加载及数据采集系统，结束一次试验；步骤6、同组其他试验按照预定的试验方案，对其他单层或者多层重复相应步骤。本专利技术通过在试件箱内设置相互独立的透气板，每一透气板各自连通气流通道，型煤成型时煤样与透气板一一对应布置用于模拟煤层，在相邻煤层之间间隔相似材料用于模拟岩层，每一煤层各自埋装有抽采支管，试验过程中，可以根据试验方案，对不同的煤层进行甲烷含量模拟，并对不同的煤层单层或者多层进行CO2驱替模拟，从而提出了一种多层叠置含气系统水平井CO2分层驱替CH4模拟试验方法，为多层叠置含气系统水平井CO2驱替CH4的后续研究奠定基础。作为优选，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置有四个，所述竖向压头与第二水平压头一一对应布置有四个，所述透气板与竖向压头一一对应布置有四个，所述抽采支管与第二水平压头一一对应布置有四个，所述煤层有四层，从远离第一水平压头的一端开始将煤层依次标定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；所述相似材料在煤层之间间隔布置有三层。所述箱体内压制成型的型煤大小为400mm*400mm*1050mm。在所述步骤1进行型煤成型时，对型煤沿竖直方向分四次铺设和加压成型，即先在箱体底部相应位置铺设煤样和相似材料，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；接着进行第二次煤样和相似材料的铺设和加压成型，然后安装抽采支管和传感器；再进行第三次、第四次铺设和加压成型，并埋入相应位置的传感器。这样分四次对型煤进行压制成型，一方面使型煤的成型更加密实，另一方面便于传感器和抽采管的布置。所述传感器包括21个气体压力传感器、21个温度传感器和21个土压力盒；以型煤靠近第一水平压头一端下方的一个角为原点、以型煤的长度方向为Z轴、竖直方向为X轴、与第二水平压头施压相反的方向为Y轴建立坐标系，21个所述温度传感器在Y＝100的纵面分上下三排均匀布置，该三排的高度分别为X＝100、X＝200和X＝300，每一排的7个温度传感器的Z轴坐标分别为133、265、395、526、657、788、919；21个气体压力传感器布置在Y＝200的纵面上，21个土压力盒布置在Y＝300的纵面上，气体压力传感器、土压力盒和温度传感器在各自纵面的布置位置相同。其中气体压力传感器用于监测瓦斯压力、温度传感器用于监测煤层温度、土压力盒用于监测煤体应力。步骤1中型煤成型在压制平台上进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1、试验准备1a)将煤样破碎并筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行加压成型，并在试件箱内埋入抽采支管和传感器；所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板，在所述箱体内底设置有与竖向压头一一对应的透气板，在每一所述透气板下方均设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与箱体内腔贯通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并各自固定连接有管接头；所述煤样和相似材料沿箱体长度方向间隔布置，并且煤样位于透气板正上方，相似材料位于相邻透气板之间部位的上方；所述抽采支管与第二水平压头一一相对布置，所述抽采支管插装在箱体侧壁上，在每一抽采支管的内端均开有抽采孔；1c)检查密封效果；1d)连接传感器和电脑；在每一所述气流通道的管接头上通过进气管路各自连接有真空泵，每一所述抽采支管的外端各自连接有出气管路，并在每一所述出气管路均上安装有流量计，将所有的出气管路均与开采总管连通，在所述开采总管上安装有甲烷浓度传感器；步骤2、加载应力开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头对型煤施加预定应力；步骤3、瓦斯吸附关闭出气管路，启动真空泵对煤样进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与甲烷气瓶连通，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照预定的吸附平衡气压对各个煤层进行充分吸附；步骤4、甲烷驱替关闭甲烷气瓶和进气管路，将进气管路与二氧化碳气瓶连通，按照预定的试验方案打开相应的进气管路和二氧化碳气瓶，对相应煤层进行甲烷驱替；步骤5、结束一次试验待甲烷浓度传感器读数不再升高时，关闭应力加载及数据采集系统，结束一次试验；步骤6、同组其他试验按照预定的试验方案，对其他单层或者多层重复相应步骤。...

【技术特征摘要】
1.一种多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1、试验准备1a)将煤样破碎并筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行加压成型，并在试件箱内埋入抽采支管和传感器；所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板，在所述箱体内底设置有与竖向压头一一对应的透气板，在每一所述透气板下方均设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与箱体内腔贯通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并各自固定连接有管接头；所述煤样和相似材料沿箱体长度方向间隔布置，并且煤样位于透气板正上方，相似材料位于相邻透气板之间部位的上方；所述抽采支管与第二水平压头一一相对布置，所述抽采支管插装在箱体侧壁上，在每一抽采支管的内端均开有抽采孔；1c)检查密封效果；1d)连接传感器和电脑；在每一所述气流通道的管接头上通过进气管路各自连接有真空泵，每一所述抽采支管的外端各自连接有出气管路，并在每一所述出气管路均上安装有流量计，将所有的出气管路均与开采总管连通，在所述开采总管上安装有甲烷浓度传感器；步骤2、加载应力开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头对型煤施加预定应力；步骤3、瓦斯吸附关闭出气管路，启动真空泵对煤样进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与甲烷气瓶连通，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照预定的吸附平衡气压对各个煤层进行充分吸附；步骤4、甲烷驱替关闭甲烷气瓶和进气管路，将进气管路与二氧化碳气瓶连通，按照预定的试验方案打开相应的进气管路和二氧化碳气瓶，对相应煤层进行甲烷驱替；步骤5、结束一次试验待甲烷浓度传感器读数不再升高时，关闭应力加载及数据采集系统，结束一次试验；步骤6、同组其他试验按照预定的试验方案，对其他单层或者多层重复相应步骤。2.根据权利要求1所述的多层叠置含气系统CO2分层驱替CH4模拟试验方法，其特征在于：所述第二水平压头沿箱体的长...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超林，许江，刘义鑫，尹光志，彭守建，王维忠，刘晓瑞，张小蕾，郭世超，吴善康，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50