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方法，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方法
本专利技术涉及一种煤层气开采模拟试验方法，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方法，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方法，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方法，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方法，由煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统模拟实际构造煤储层；由压力脉动激励卸压模拟子系统进行水平井压力脉动激励和应力释放，并水力驱替煤-液-气混合物沿卸压空间向直井段运移；由电模拟子系统对相似材料内的进场进行模拟测量；由产出物分离检测子系统进行煤、液、气分离并称重，由数据采集控制子系统实时检测、控制试验设备运转和实施过程，实现试验数据的采集、显示和处理分析；具体步骤如下：1)根据录井、测井数据，确定试验模拟地层层序及基础性质，包括岩性、力学性质、含水性、孔隙特征；根据相似性原理，计算试验模拟地层相似材料特性，包括厚度、密度、力学性质、含水性、渗透性、孔隙度；计算试验模拟的水平井及直井的长度和井径；采用煤粉、石英砂、石膏、水泥、贝壳粉、胶结剂作为主材料，制作相似材料，并对其进行测试，考察所配比的相似材料是否与计算所得的相似材料特征一致，如不一致，则改变配比重新配置相似材料，直至二者一致；根据地层层序及相似性原理计算所得的煤及岩层厚度，按照调整好的相似材料配比，在样品仓内自上而下铺设顶层相似材料岩层、相似材料煤层和底层相似材料岩层，同时布置应力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针，并根据实际含水性对相似材料进行润湿，铺设时预留U型井空间，并将井下喷射系统埋入预留的水平井空间，井下喷射系统及其管柱包裹铜带，在样品仓内壁铺设铜带；2)布置好各个设备的位置并将设备连接；将样品仓置于恒温房内预热，达到试验设计温度；打开阀门一、阀门四、阀门六、阀门七、阀门九和阀门十六，向样品仓内相似材料煤层井内注入He至试验设计压力，同时开启X方向液压伺服站、Y方向液压伺服站和Z方向液压伺服站，向样品仓增加围压至试验设计压力；检查装置的气密性；若气密性合格，进行下一步骤；若气密性不合格，重复步骤1)和步骤2)；3)关闭阀门一，再打开阀门十、阀门十三、阀门十七、阀门十八和阀门十九，启动真空泵，卸掉整个试验系统管路内部的He并对系统抽真空；4)关闭阀门十、阀门十三、阀门十七、阀门十八和阀门十九，打开阀门二或阀门三，向样品仓内相似材料煤层内注入CO2或CH4至样品仓内气体压力稳定在试验设计压力，同时，开启X方向液压伺服站、Y方向液压伺服站和Z方向液压伺服站，向样品仓增加围压至试验设计压力；5)关闭所有阀门，并使空压机和增压泵停止工作；打开阀门十、阀门十三和阀门十七；启动液压泵向液压缸和冲击压力腔内注入液体，离合器工作，液压缸活塞杆带动导杆向左移动压缩高模量弹簧，当位移传感器一检测到的高模量弹簧的压缩度达到实验设计压缩长度时，离合器停止工作，导杆与液压缸的活塞杆脱离，高模量弹簧的回复力使冲击活塞快速右移，对冲击压力腔内的液体形成瞬间脉冲动力；高模量弹簧回复力释放完成后，液压缸活塞杆右移，离合器工作，导杆与液压缸活塞杆接合并随之向左移动重复压缩弹簧及释放脉冲动力的过程，使冲击压力腔内的液体以试验设计的脉冲频率、压力、速率由井下喷射系统注入到相似材料煤层的水平井内，对相似材料煤层进行切割、破碎，造成相似材料煤层的水平井水平段空间坍塌破坏形成卸压洞穴，并驱替气-液-煤混合物向直井段运移；同时，由应变测量仪、温度传感器、压力传感器和饱和度探针测量相似材料煤层内部应力应变、温度和饱和度变化，由测量装置测量相似材料内部的电位变化；6)关闭所有阀门，并使液压泵停止工作；打开阀门十九，将相似材料煤层井下的煤-液-气混合物举升到井外进入气液固分离器中，分离出的煤层气、激励液和煤粉分别进入气体收集瓶、电子天平称重装置一和电子天平称重装置二中；7)试验结束后，卸掉样品仓中的气体和加载的围压，拆卸管路，打开样品仓，取出试验后的相似材料、井下喷射系统、传感器、测量仪及探针等，清洗样品仓内部。进一步的，在进行步骤5)时，同时打开截止阀，使磨料罐内的磨料进入混合腔内，形成固液混合流体。进一步的，步骤1)中采用煤层矿化水或8％NaCl溶液对相似材料进行润湿。进一步的，相似材料煤层内铺设大于等于两层分布式光纤测量仪，分布式光纤测量仪大于两层时，分布式光纤测量仪在高度方向上等间距设置。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煤原位煤层气的高效连本文档来自技高网...
【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方法，其特征在于，由煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统模拟实际构造煤储层；由压力脉动激励卸压模拟子系统进行水平井压力脉动激励和应力释放，并水力驱替煤‑液‑气混合物沿卸压空间向直井段运移；由电模拟子系统对相似材料内的进场进行模拟测量；由产出物分离检测子系统进行煤、液、气分离并称重，由数据采集控制子系统实时检测、控制试验设备运转和实施过程，实现试验数据的采集、显示和处理分析；具体步骤如下：1)根据录井、测井数据，确定试验模拟地层层序及基础性质，包括岩性、力学性质、含水性、孔隙特征；根据相似性原理，计算试验模拟地层相似材料特性，包括厚度、密度、力学性质、含水性、渗透性、孔隙度；计算试验模拟的水平井及直井的长度和井径；采用煤粉、石英砂、石膏、水泥、贝壳粉、胶结剂作为主材料，制作相似材料，并对其进行测试，考察所配比的相似材料是否与计算所得的相似材料特征一致，如不一致，则改变配比重新配置相似材料，直至二者一致；根据地层层序及相似性原理计算所得的煤及岩层厚度，按照调整好的相似材料配比，在样品仓(4.1)内自上而下铺设顶层相似材料岩层、相似材料煤层和底层相似材料岩层，同时布置应力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针，并根据实际含水性对相似材料进行润湿，铺设时预留U型井空间，并将井下喷射系统埋入预留的水平井空间，井下喷射系统及其管柱包裹铜带，在样品仓(4.1)内壁铺设铜带；2)布置好各个设备的位置并将设备连接；将样品仓(4.1)置于恒温房内预热，达到试验设计温度；打开阀门一(1.51)、阀门四(1.54)、阀门六(1.56)、阀门七(1.57)、阀门九(1.59)和阀门十六(2.87)，向样品仓(4.1)内相似材料煤层井内注入He至试验设计压力，同时开启X方向液压伺服站(4.22)、Y方向液压伺服站(4.23)和Z方向液压伺服站(4.21)，向样品仓(4.1)增加围压至试验设计压力；检查装置的气密性；若气密性合格，进行下一步骤；若气密性不合格，重复步骤1)和步骤2)；3)关闭阀门一(1.51)，再打开阀门十(2.81)、阀门十三(2.84)、阀门十七(2.88)、阀门十八(5.1)和阀门十九(6.6)，启动真空泵(5)，卸掉整个试验系统管路内部的He并对系统抽真空；4)关闭阀门十(2.81)、阀门十三(2.84)、阀门十七(2.88)、阀门十八(5.1)和阀门十九(6.6)，打开阀门二(1.52)或阀门三(1.53)，向样品仓(4.1)内相似材料煤层内注入CO2或CH4至样品仓(4.1)内气体压力稳定在试验设计压力，同时，开启X方向液压伺服站(4.22)、Y方向液压伺服站(4.23)和Z方向液压伺服站(4.21)，向样品仓(4.1)增加围压至试验设计压力；5)关闭所有阀门，并使空压机(1.6)和增压泵(1.7)停止工作；打开阀门十(2.81)、阀门十三(2.84)和阀门十七(2.88)；启动液压泵(2.2)向液压缸(2.4)和冲击压力腔(2.7)内注入液体，离合器工作，液压缸(2.4)活塞杆带动导杆(2.51)向左移动压缩高模量弹簧(2.5)，当位移传感器一(2.6)检测到的高模量弹簧(2.5)的压缩度达到实验设计压缩长度时，离合器停止工作，导杆(2.51)与液压缸(2.4)的活塞杆脱离，高模量弹簧(2.5)的回复力使冲击活塞(2.71)快速右移，对冲击压力腔(2.7)内的液体形成瞬间脉冲动力；高模量弹簧(2.5)回复力释放完成后，液压缸(2.4)活塞杆右移，离合器工作，导杆(2.51)与液压缸(2.4)活塞杆接合并随之向左移动重复压缩弹簧及释放脉冲动力的过程，使冲击压力腔(2.7)内的液体以试验设计的脉冲频率、压力、速率由井下喷射系统注入到相似材料煤层的水平井内，对相似材料煤层进行切割、破碎，造成相似材料煤层的水平井水平段空间坍塌破坏形成卸压洞穴，并驱替气‑液‑煤混合物向直井段运移；同时，由应变测量仪、温度传感器、压力传感器和饱和度探针测量相似材料煤层内部应力应变、温度和饱和度变化，由测量装置(3.2)测量相似材料内部的电位变化；6)关闭所有阀门，并使液压泵(2.2)停止工作；打开阀门十九(6.6)，将相似材料煤层井下的煤‑液‑气混合物举升到井外进入气液固分离器(6.1)中，分离出的煤层气、激励液和煤粉分别进入气体收集瓶(6.7)、电子天平称重装置一(6.4)和电子天平称重装置二(6.5)中；7)试验结束后，卸掉样品仓(4.1)中的气体和加载的围压，拆卸管路，打开样品仓(4.1)，取出试验后的相似材料、井下喷射系统、传感器、测量仪及探针等，清洗样品仓(4.1)内部。...
【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方法，其特征在于，由煤系地层结构重构与相似材料模拟子系统模拟实际构造煤储层；由压力脉动激励卸压模拟子系统进行水平井压力脉动激励和应力释放，并水力驱替煤-液-气混合物沿卸压空间向直井段运移；由电模拟子系统对相似材料内的进场进行模拟测量；由产出物分离检测子系统进行煤、液、气分离并称重，由数据采集控制子系统实时检测、控制试验设备运转和实施过程，实现试验数据的采集、显示和处理分析；具体步骤如下：1)根据录井、测井数据，确定试验模拟地层层序及基础性质，包括岩性、力学性质、含水性、孔隙特征；根据相似性原理，计算试验模拟地层相似材料特性，包括厚度、密度、力学性质、含水性、渗透性、孔隙度；计算试验模拟的水平井及直井的长度和井径；采用煤粉、石英砂、石膏、水泥、贝壳粉、胶结剂作为主材料，制作相似材料，并对其进行测试，考察所配比的相似材料是否与计算所得的相似材料特征一致，如不一致，则改变配比重新配置相似材料，直至二者一致；根据地层层序及相似性原理计算所得的煤及岩层厚度，按照调整好的相似材料配比，在样品仓(4.1)内自上而下铺设顶层相似材料岩层、相似材料煤层和底层相似材料岩层，同时布置应力传感器、温度传感器、应变测量仪和饱和度探针，并根据实际含水性对相似材料进行润湿，铺设时预留U型井空间，并将井下喷射系统埋入预留的水平井空间，井下喷射系统及其管柱包裹铜带，在样品仓(4.1)内壁铺设铜带；2)布置好各个设备的位置并将设备连接；将样品仓(4.1)置于恒温房内预热，达到试验设计温度；打开阀门一(1.51)、阀门四(1.54)、阀门六(1.56)、阀门七(1.57)、阀门九(1.59)和阀门十六(2.87)，向样品仓(4.1)内相似材料煤层井内注入He至试验设计压力，同时开启X方向液压伺服站(4.22)、Y方向液压伺服站(4.23)和Z方向液压伺服站(4.21)，向样品仓(4.1)增加围压至试验设计压力；检查装置的气密性；若气密性合格，进行下一步骤；若气密性不合格，重复步骤1)和步骤2)；3)关闭阀门一(1.51)，再打开阀门十(2.81)、阀门十三(2.84)、阀门十七(2.88)、阀门十八(5.1)和阀门十九(6.6)，启动真空泵(5)，卸掉整个试验系统管路内部的He并对系统抽真空；4)关闭阀门十(2.81)、阀门十三(2.84)、阀门十七(2.88)、阀门十八(5.1)和阀门十九(6.6)，打开阀门二(1.52)或阀门三(1.53)，向样品仓(4.1)内相似材料煤层内注入CO2或CH4至样品仓(4.1)内气体压力稳定在试验设计压力，同时，开启X方向液压...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘世奇，王冉，桑树勋，曹丽文，黄华州，周效志，王鹤，王海文，刘长江，刘会虎，李自成，徐宏杰，贾金龙，高德燚，方辉煌，
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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