本发明专利技术公开了一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统，由煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统模拟构造煤储层；由压力脉动激励卸压模拟子系统实现水平井压力脉动激励和应力释放，并水力驱替煤液气混合物向直井段运移；由电模拟子系统实现相似材料内电场分布的检测，由产出物分离检测子系统进行煤、液、气的分离并称重，由数据采集控制子系统实时检测、控制装备运转和实施过程。本发明专利技术能够实现模拟松软构造煤储层水平井塌孔造洞穴及应力释放，模拟气‑液‑固三相在卸压空间内的运移特征，模拟产出混合物的分离过程，得到煤层卸压与气体解吸变化规律、煤系地层激励卸压后复杂渗流场与水平井段流动动态规律。
【技术实现步骤摘要】
一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统
本专利技术涉及一种煤层气开采模拟试验系统，特别是涉及一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统，属于煤层气开采领域。
技术介绍
构造煤是指煤层受构造应力作用，原生结构、构造受到强裂破坏而产生碎裂、揉皱、擦光面等构造变动特征的煤。构造煤广泛发育和构造煤煤层气资源丰富是中国煤与煤层气资源的显著特征，构造煤资源量占我国已发现煤炭资源的比例很高，构造煤煤层气资源量占我国煤层气资源总量的比例更大。构造煤具有富气、低渗、松软等突出特征，多为煤与瓦斯突出煤层，因危害大且抽采利用困难，煤矿生产中多将其风排到大气中，构造煤煤层气的高效开发对能源、安全、生态具有十分突出的意义。基于疏水降压解吸采气理论的方法是当前原位煤层气地面井开发的主要方法，由于构造煤储层渗透率极低且水力压裂等改造方式效果很差，疏水降压解吸采气理论不适合应用于构造煤储层，勘探开发实践结果也表明，基于疏水降压解吸采气理论基础的煤层气勘探开发技术，包括SVR技术系列(直井压裂、U形井、多分枝水平井、水平井压裂等)、ECBM技术系列(CO2-ECBM、N2-ECBM等)及其复合技术，均无法实现构造煤煤层气的高效开发。因而，构造煤煤层气高效勘探开发技术与装备成为制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要技术瓶颈之一。随着对煤层气开采技术的深入研究，煤矿区被保护层构造煤煤层气采动卸压增透开发理论为构造煤原位煤层气的开采提供了新的思路，因此，研创一种适用于构造煤原位煤层气井的卸压开采模拟试验系统，对于打破我国构造煤煤层气地面井高效开发技术瓶颈，具有重要的理论和实际生产指导意义。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统，能够实现模拟松软构造煤储层水平井塌孔造洞穴及应力释放，模拟气-液-固三相在卸压空间内的运移特征，模拟产出混合物的分离过程，得到煤层卸压与气体解吸变化规律、煤系地层激励卸压后复杂渗流场与水平井段流动动态规律，为实现构造煤原位煤层气的高效连续开发提供指导依据。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统，包括煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统、压力脉动激励卸压模拟子系统、电模拟子系统、产出物分离检测子系统和数据采集控制子系统；所述的煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统包括样品仓、气体注入装置、恒温房和围压加载装置及多个阀门，样品仓为由六块可移动钢板相连形成的密封的六面体，样品仓内放置有煤系地层相似材料，相似材料自上而下为顶层相似材料岩层、相似材料煤层、底层相似材料岩层，相似材料内设有由水平井和直井贯通构成的U型井、水平井水平段位于相似材料煤层内；围压加载装置中的X方向伺服站、Y方向伺服站和Z方向伺服站分别与样品仓外部对应的加载活塞液动连接、连接管路上分别对应设有X方向压力传感器、Y方向压力传感器和Z方向压力传感器；气体注入装置中的增压泵的入口与氦气高压气瓶、二氧化碳高压气瓶和甲烷高压气瓶的出口管路连通、出口管路与样品仓内相似材料煤层中水平井连通、动力输入口与空压机出口连通，自增压泵出口至水平井的连通管路上依次设有减压阀、气体质量流量控制器和压力传感器一；相似材料煤层内靠近下端处设有压力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针；所述的压力脉动激励卸压模拟子系统包括流体注入装置和井下喷射装置，流体注入装置包括液压泵、液压缸、高模量弹簧和冲击压力腔，所述的液压泵出口一条支路通过电磁阀与液压缸液动连接、另一条支路通过电磁阀与冲击压力腔连通，导杆右端与高模量弹簧的右安装板固定连接，左端穿过高模量弹簧的左安装板并与其滑动连接，液压缸的活塞杆与导杆同轴设置，在液压缸活塞杆端面与导杆左端面之间设有离合器；冲击压力腔内的冲击活塞左端伸出冲击压力腔并与高模量弹簧的右安装板固定连接；液压泵的出口管路上设有压力传感器二，高模量弹簧的右安装板上设有位移传感器一，液压泵的进水口管路置于储液池内；井下喷射装置置于相似材料煤层内水平井水平段靠近井口一侧，冲击压力腔的出口管路与井下喷射装置连通；所述的电模拟子系统包括电源和测量装置，所述的电源的高电位端与置于相似材料煤层内水平井内的铜带电连接、低电位端与测量装置的高电位端电连接，测量装置的低电位端与样品仓内壁的铜带电连接；所述的产出物分离检测子系统包括气液固分离器、电子天平称重装置一、电子天平称重装置二和气体收集瓶，气液固分离器的入口与相似材料煤层直井出口连通、气体出口与气体收集瓶连通、液体出口及固体出口分别与电子天平称重装置一和电子天平称重装置二连通，在气液固分离器与气体收集瓶之间的连通管路上设有气体流量计；所述的数据采集控制子系统包括采集硬件和数据处理软件，硬件包括工作站、打印机、采集卡，采集卡由PCI8360，CP-168组成；软件用于对各部件进行参数设置、控制及数据实时显示，并对采集的数据进行处理得到数据报表及曲线图并生成试验数据库。进一步的，所述的模拟实验系统还包括真空泵，真空泵与相似材料煤层内的直井出口管路连通。进一步的，所述的压力脉动激励卸压模拟子系统还包括磨料罐和混合腔，磨料罐出口、冲击压力腔出口与混合腔连通，混合腔的出口与井下喷射装置连通。进一步的，所述的气体注入装置还包括气体储罐、单向阀和调压阀，气体储罐的入口与增压泵的出口连通；单向阀设在气体质量流量控制器和压力传感器一之间，其出口朝向压力传感器一；调压阀设在空压机的出口处。进一步的，所述的压力脉动激励卸压模拟子系统还包括恒速恒压泵和中间容器，中间容器的入口与恒速恒压泵连通，中间容器的出口与冲击压力腔出口管路连通。进一步的，所述的产出物分离检测子系统还包括干燥器，干燥器设在气液固分离器和气体流量计之间。进一步的，在氦气高压气瓶、二氧化碳高压气瓶和甲烷高压气瓶的出口管路分别设有压力表一、压力表二和压力表三，在空压机和增压泵之间连通管路上设有压力表四，在气体储罐的入口管路上设有压力表五，在气体质量流量控制器入口管路处设有压力表六。进一步的，所述的煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统还包括X方向位移传感器、Y方向位移传感器和Z方向位移传感器，分别设在对应的加塞活塞上。进一步的，所述的应变测量仪为分布式光纤测量仪，沿着相似材料煤层内水平井水平段方向分布。本专利技术根据相似性原理，配置与构造煤储层相应物理、力学特征的相似模拟材料，通过气体注入装置向相似材料煤层中注入高压气体模拟煤层内部的地质压力，通过向样品仓加载模拟煤层围压，为尽可能真实准确地模拟构造煤原位煤层气的开采提供基础；通过液压缸、液压泵、高模量弹簧、冲击压力腔组成高压脉动装置，以一定脉冲频率向水平井洞穴注入高压高速流体，进一步切割、破碎煤体，实现了模拟构造煤煤层气水平井压力脉动激励和应力释放，并实现了水力驱替煤-液-气混合物沿卸压空间向直井段运移，为后续的举升提供了保证；通过电模拟子系统测量试验过程中相似材料内的电位变化，进而得到相似材料的流体场变化；通过气液固分离器，实现了产出混合物的煤、液、气的高效分离及称重；通过采集硬件和数据处理软件，实现了实时检测、控制试验装备运转情况和实施过程，实现了试验数据的采集、显示和处理分析，整个开采系统中各个子系统的配合运行实现了模拟造本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统，其特征在于，包括煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统、压力脉动激励卸压模拟子系统、电模拟子系统、产出物分离检测子系统和数据采集控制子系统；所述的煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统包括样品仓(4.1)、气体注入装置、恒温房和围压加载装置及多个阀门，样品仓(4.1)为由六块可移动钢板相连形成的密封的六面体，样品仓(4.1)内放置有煤系地层相似材料，相似材料自上而下为顶层相似材料岩层、相似材料煤层、底层相似材料岩层，相似材料内设有由水平井和直井贯通构成的U型井、水平井水平段位于相似材料煤层内；围压加载装置中的X方向伺服站(4.22)、Y方向伺服站(4.23)和Z方向伺服站(4.21)分别与样品仓(4.1)外部对应的加载活塞液动连接、连接管路上分别对应设有X方向压力传感器(4.32)、Y方向压力传感器(4.33)和Z方向压力传感器(4.31)；气体注入装置中的增压泵(1.7)的入口与氦气高压气瓶(1.1)、二氧化碳高压气瓶(1.2)和甲烷高压气瓶(1.3)的出口管路连通、出口管路与样品仓(4.1)内相似材料煤层中水平井连通、动力输入口与空压机(1.6)出口连通，自增压泵(1.7)出口至水平井的连通管路上依次设有减压阀(1.9)、气体质量流量控制器(1.10)和压力传感器一(1.12)；相似材料煤层内靠近下端处设有压力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针；所述的压力脉动激励卸压模拟子系统包括流体注入装置和井下喷射装置，流体注入装置包括液压泵(2.2)、液压缸(2.4)、高模量弹簧(2.5)和冲击压力腔(2.7)，所述的液压泵(2.2)出口一条支路通过电磁阀与液压缸(2.4)液动连接、另一条支路通过电磁阀与冲击压力腔(2.7)连通，导杆(2.51)右端与高模量弹簧(2.5)的右安装板固定连接，左端穿过高模量弹簧(2.5)的左安装板并与其滑动连接，液压缸(2.4)的活塞杆与导杆(2.51)同轴设置，在液压缸(2.4)活塞杆端面与导杆(2.51)左端面之间设有离合器；冲击压力腔(2.7)内的冲击活塞(2.71)左端伸出冲击压力腔(2.7)并与高模量弹簧(2.5)的右安装板固定连接；液压泵(2.2)的出口管路上设有压力传感器二(2.31)，高模量弹簧(2.5)的右安装板上设有位移传感器一(2.6)，液压泵(2.2)的进水口管路置于储液池(2.1)内；井下喷射装置置于相似材料煤层内水平井水平段靠近井口一侧，冲击压力腔(2.7)的出口管路与井下喷射装置连通；所述的电模拟子系统包括电源(3.1)和测量装置(3.2)，所述的电源(3.1)的高电位端与置于相似材料煤层内水平井内的铜带电连接、低电位端与测量装置(3.2)的高电位端电连接，测量装置(3.2)的低电位端与样品仓(4.1)内壁的铜带电连接；所述的产出物分离检测子系统包括气液固分离器(6.1)、电子天平称重装置一(6.4)、电子天平称重装置二(6.5)和气体收集瓶(6.7)，气液固分离器(6.1)的入口与相似材料煤层直井出口连通、气体出口与气体收集瓶(6.7)连通、液体出口及固体出口分别与电子天平称重装置一(6.4)和电子天平称重装置二(6.5)连通，在气液固分离器(6.1)与气体收集瓶(6.7)之间的连通管路上设有气体流量计(6.3)；所述的数据采集控制子系统包括采集硬件和数据处理软件，硬件包括工作站、打印机、采集卡，采集卡由PCI8360，CP‑168组成；软件用于对各部件进行参数设置、控制及数据实时显示，并对采集的数据进行处理得到数据报表及曲线图并生成试验数据库。...
【技术特征摘要】
1.一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验系统，其特征在于，包括煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统、压力脉动激励卸压模拟子系统、电模拟子系统、产出物分离检测子系统和数据采集控制子系统；所述的煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统包括样品仓(4.1)、气体注入装置、恒温房和围压加载装置及多个阀门，样品仓(4.1)为由六块可移动钢板相连形成的密封的六面体，样品仓(4.1)内放置有煤系地层相似材料，相似材料自上而下为顶层相似材料岩层、相似材料煤层、底层相似材料岩层，相似材料内设有由水平井和直井贯通构成的U型井、水平井水平段位于相似材料煤层内；围压加载装置中的X方向伺服站(4.22)、Y方向伺服站(4.23)和Z方向伺服站(4.21)分别与样品仓(4.1)外部对应的加载活塞液动连接、连接管路上分别对应设有X方向压力传感器(4.32)、Y方向压力传感器(4.33)和Z方向压力传感器(4.31)；气体注入装置中的增压泵(1.7)的入口与氦气高压气瓶(1.1)、二氧化碳高压气瓶(1.2)和甲烷高压气瓶(1.3)的出口管路连通、出口管路与样品仓(4.1)内相似材料煤层中水平井连通、动力输入口与空压机(1.6)出口连通，自增压泵(1.7)出口至水平井的连通管路上依次设有减压阀(1.9)、气体质量流量控制器(1.10)和压力传感器一(1.12)；相似材料煤层内靠近下端处设有压力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针；所述的压力脉动激励卸压模拟子系统包括流体注入装置和井下喷射装置，流体注入装置包括液压泵(2.2)、液压缸(2.4)、高模量弹簧(2.5)和冲击压力腔(2.7)，所述的液压泵(2.2)出口一条支路通过电磁阀与液压缸(2.4)液动连接、另一条支路通过电磁阀与冲击压力腔(2.7)连通，导杆(2.51)右端与高模量弹簧(2.5)的右安装板固定连接，左端穿过高模量弹簧(2.5)的左安装板并与其滑动连接，液压缸(2.4)的活塞杆与导杆(2.51)同轴设置，在液压缸(2.4)活塞杆端面与导杆(2.51)左端面之间设有离合器；冲击压力腔(2.7)内的冲击活塞(2.71)左端伸出冲击压力腔(2.7)并与高模量弹簧(2.5)的右安装板固定连接；液压泵(2.2)的出口管路上设有压力传感器二(2.31)，高模量弹簧(2.5)的右安装板上设有位移传感器一(2.6)，液压泵(2.2)的进水口管路置于储液池(2.1)内；井下喷射装置置于相似材料煤层内水平井水平段靠近井口一侧，冲击压力腔(2.7)的出口管路与井下喷射装置连通；所述的电模拟子系统包括电源(3.1)和测量装置(3.2)，所述的电源(3.1)的高电位端与置于相似材料煤层内水平井内的铜带电连接、低电位端与测量装置(3.2)的高电位端电连接，测量装置(3.2)的低电位端与样品仓(4.1)内壁的铜带电连接；所述的产出物分离检测子系统包括气液固分离器(6.1)、电子天平称重装置一(6.4)、电子天平称重装置二(6.5)和气体收集瓶(6.7)，气液固分离器(6.1)的入口与相似材料煤层直井出口连通、气体出口与气体收集瓶...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘世奇，王冉，桑树勋，曹丽文，周效志，黄华州，方辉煌，王海文，刘会虎，李自成，刘长江，徐宏杰，贾金龙，王鹤，高德燚，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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