多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法，包括可视化钻井物理模拟试验系统、钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统、气体模拟系统和控制系统，可视化钻井物理模拟试验系统包括固定承压板和五个移动承压板，固定承压板与五个移动承压板构成正方体密封室，正方体密封室用于装载煤岩试件，五个移动承压板的加压方向均垂直于自身平面；钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统和气体模拟系统均与控制系统电性连接。考虑钻井工程扰动多场耦合作用对模拟结果的影响，模拟环境更贴近实际地层环境，能可视化监测钻井过程中井周围岩变形破坏情况，使模拟结果更加准确，确保煤层气水平井钻井过程顺利完成。

【技术实现步骤摘要】
多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法
本专利技术涉及煤层气水平井钻井模拟试验
，具体为多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法。
技术介绍
煤层气是形成于煤层又储集于煤层中的一种自生自储式非常规天然气，主要由甲烷(含量超过95％)和极少量较重的烃类(大部分为乙烷和丙烷)以及氮气、二氧化碳组成。我国煤层气资源极其丰富，但普遍属于低压、低孔和低渗储层，致使煤层气难以开采，效果甚差。因此，在煤层气开采过程中，人们经常会从煤储层中提取煤岩试样对其进行井壁稳定性分析，其目的是通过各种热力学实验分析出井周围岩的温度、应力和煤层气渗流变化规律和变形破坏情况等，从而确定合理的钻井液密度窗口，确保煤层气水平井钻井过程顺利完成。在煤层气水平井开采过程中，井眼稳定性问题日益突出，煤层气井井周围岩的失稳破坏是煤岩体在钻井工程扰动下，受应力、温度和气体渗流场等因素多场耦合作用综合影响的复杂热动力学问题。煤层气井钻井过程破坏了原始地层环境，受地应力重分布、温度场和气体渗流场等因素变化的影响，井周煤岩原生结构会受到严重破坏，造成煤岩破碎、裂隙发育，致使煤岩力学强度显著降低，从而影响煤层气水平井井壁稳定性。水平井开采是煤层气开发的主要钻井手段，但有关水平井井眼稳定的研究并不多见。钻井液性能不稳定、密度窗口设计不合理、清水充气不均等是欠平衡多分支井钻井水平段煤层破坏和井壁失稳的主要原因。煤层气储层井周煤岩失稳力学机理表现为受自身结构与所处地层环境变化影响的煤岩与煤层气多场耦合热动力学演化过程。目前，在钻井工程扰动导致地应力重分布、破坏原始地层温度及煤层气聚积等情况下，针对煤岩与煤层气多场耦合的热动力学行为特性研究鲜有报道，其基础理论及井周稳定关键技术成果极为匮乏，缺乏研究煤层气水平井井周稳定的现场先导实验、尚无较为准确的理论模型定量确定破裂压力和坍塌压力、井周失稳的机制尚不明确、缺少行之有效的煤层气水平井防喷防塌措施等。目前对煤层气井井周围岩的研究主要是利用常规三轴力学实验装置(伪三轴、真三轴实验装置等)对标准圆柱体煤岩试件进行三轴力学特性测试、变形破坏及气体渗流情况分析等，但这些实验装置所提供的实验环境条件与煤层气井井下地层环境实际情况有很大差别，并且忽略了钻井工程扰动对实验结果的的显著影响，并不能反映在钻井工程扰动下煤层气水平井井周围岩的变形破坏情况及应力、温度和煤层气渗流变化情况，其实验结果的可靠性十分有限，并不能为煤层气水平井钻井过程的顺利完成提供强有力的施工指导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置与方法，解决现有技术与装置不能获得在钻井工程扰动多场耦合作用下煤层气井井周围岩变形破坏规律、应力场、温度场和煤层气渗流场的变化规律且模拟试验环境不够贴切实际钻井过程地层环境等技术问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，包括可视化钻井物理模拟试验系统、钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统、气体模拟系统和控制系统，所述可视化钻井物理模拟试验系统包括固定承压板和五个移动承压板，所述固定承压板与所述五个移动承压板构成正方体密封室，所述正方体密封室用于装载煤岩试件，所述五个移动承压板的加压方向均垂直于自身平面；所述钻机模拟系统包括驱动装置、中空钻杆、套筒、钻头和气液分离器，所述中空钻杆可转动的穿设在所述套筒内，所述中空钻杆的一端与所述驱动装置连接，另一端固定有所述钻头，所述中空钻杆与所述套筒形成环形空间，所述气液分离器设置在所述环形空间内，所述气液分离器的气体通道连接有气体测量装置，所述气液分离器的液体通道连接有液体收集装置；所述钻机模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行钻井；所述电加热温度加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行温度加载；所述液压加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行压力加载；所述气体模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行气体加载；所述钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统和气体模拟系统均与所述控制系统电性连接。进一步地，还包括固定挡板，所述固定承压板固定在所述固定挡板上，所述固定挡板和所述固定承压板的中心处均设置有玻璃窗口，所述玻璃窗口上开设有贯穿至所述正方体密封室内的钻头安装孔，所述套筒通过所述钻头安装孔进行模拟钻井试验，所述钻头安装孔上铰接有舱门。进一步地，所述正方体密封室内煤岩试件中呈阵列式布设有压力传感器和温度传感器，所述固定承压板和固定挡板上贯穿开设有用于所述压力传感器和温度传感器布线出口的小孔，所述小孔的内壁通过密封圈进行密封。进一步地，所述五个移动承压板上均设置有液压加载系统，所述液压加载系统包括液压动作器、定心压盘、压轴和压块，所述五个移动承压板的外侧固定有所述压块，所述压轴的一端与所述压块的中心固定，另一端与所述定心压盘的中心固定，所述定心压盘远离所述压轴一端的中心与所述液压动作器的液压伸缩轴固定，所述液压动作器的液压输入端与液压源连通，所述液压动作器上设置有液压伺服阀、载荷传感器和位移传感器。进一步地，所述电加热温度加载系统包括电加热温度板，所述五个移动承压板的外侧均设置有所述电加热温度板。进一步地，所述气体模拟系统包括甲烷罐，所述五个移动承压板通过进气管与所述甲烷罐的出气管连通，所述出气管上设置有电磁阀。进一步地，所述气体测量装置包括高压气筒和气体计量仪，所述玻璃窗口上开设有贯穿至所述正方体密封室内的出气孔，所述高压气筒通过气管连接至所述出气孔或通过气管与所述气液分离器上的气体通道出口连通，所述气管上设置有气体计量仪，所述出气孔和气体通道出口的内壁与所述气管之间通过密封圈进行密封。进一步地，所述液体收集装置包括液体收集器，所述液体收集器通过水管与所述气液分离器上的液体通道出口连通，所述液体通道出口的内壁与所述水管之间通过密封圈进行密封。一种利用多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：S1、制作好所述压力传感器和温度传感器在井周呈阵列式分布的正方体煤岩试件，然后将煤岩试件安装于所述正方体密封室内；S2、关闭所述固定挡板上的所述舱门，所述高压气筒通过气管与所述气液分离器上的气体通道出口连通；S3、通过所述控制系统输入煤岩试件的初始应力情况，即最大、最小水平地应力和上覆岩层压力值、储层初始温度值、储层初始压力值、储层初始煤层气渗流条件等；S4、所述液压加载系统接收由所述控制系统输出的压力信号，通过所述五个移动承压板对煤岩试件进行5个方向自动缓速加压到预设值；所述气体模拟系统接收由控制系统输出的煤层气渗流信号，通过进气管向煤岩试件注入甲烷气体到预设煤层气渗流条件；所述电加热温度加载系统接收由控制系统输出的温度信号，通过所述电加热温度板对煤岩试件进行加温到预设值；S5、打开所述固定挡板上的所述舱门，将所述钻头通过所述钻头安装孔放置于所述正方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，包括可视化钻井物理模拟试验系统、钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统、气体模拟系统和控制系统，所述可视化钻井物理模拟试验系统包括固定承压板(1)和五个移动承压板(2)，所述固定承压板(1)与所述五个移动承压板(2)构成正方体密封室，所述正方体密封室用于装载煤岩试件，所述五个移动承压板(2)的加压方向均垂直于自身平面；/n所述钻机模拟系统包括驱动装置、中空钻杆(3)、套筒(4)、钻头(5)和气液分离器(7)，所述中空钻杆(3)可转动的穿设在所述套筒(4)内，所述中空钻杆(3)的一端与所述驱动装置连接，另一端固定有所述钻头(5)，所述中空钻杆(3)与所述套筒(4)形成环形空间(6)，所述气液分离器(7)设置在所述环形空间(6)内，所述气液分离器(7)的气体通道连接有气体测量装置，所述气液分离器(7)的液体通道连接有液体收集装置；/n所述钻机模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行钻井；/n所述电加热温度加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行温度加载；/n所述液压加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行压力加载；/n所述气体模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行气体加载；/n所述钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统和气体模拟系统均与所述控制系统电性连接。/n...

【技术特征摘要】
1.多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，包括可视化钻井物理模拟试验系统、钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统、气体模拟系统和控制系统，所述可视化钻井物理模拟试验系统包括固定承压板(1)和五个移动承压板(2)，所述固定承压板(1)与所述五个移动承压板(2)构成正方体密封室，所述正方体密封室用于装载煤岩试件，所述五个移动承压板(2)的加压方向均垂直于自身平面；
所述钻机模拟系统包括驱动装置、中空钻杆(3)、套筒(4)、钻头(5)和气液分离器(7)，所述中空钻杆(3)可转动的穿设在所述套筒(4)内，所述中空钻杆(3)的一端与所述驱动装置连接，另一端固定有所述钻头(5)，所述中空钻杆(3)与所述套筒(4)形成环形空间(6)，所述气液分离器(7)设置在所述环形空间(6)内，所述气液分离器(7)的气体通道连接有气体测量装置，所述气液分离器(7)的液体通道连接有液体收集装置；
所述钻机模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行钻井；
所述电加热温度加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行温度加载；
所述液压加载系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行压力加载；
所述气体模拟系统用于对所述正方体密封室内的煤岩试件进行气体加载；
所述钻机模拟系统、电加热温度加载系统、液压加载系统和气体模拟系统均与所述控制系统电性连接。


2.根据权利要求1所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，还包括固定挡板(8)，所述固定承压板(1)固定在所述固定挡板(8)上，所述固定挡板(8)和所述固定承压板(1)的中心处均设置有玻璃窗口，所述玻璃窗口上开设有贯穿至所述正方体密封室内的钻头安装孔(22)，所述套筒(4)通过所述钻头安装孔(22)进行模拟钻井试验，所述钻头安装孔(22)上铰接有舱门(21)。


3.根据权利要求2所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，所述正方体密封室内煤岩试件中呈阵列式布设有压力传感器(9)和温度传感器(10)，所述固定承压板(1)和固定挡板(8)上贯穿开设有用于所述压力传感器(9)和温度传感器(10)布线出口的小孔，所述小孔的内壁通过密封圈进行密封。


4.根据权利要求1所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，所述五个移动承压板(2)上均设置有液压加载系统，所述液压加载系统包括液压动作器(12)、定心压盘(13)、压轴(14)和压块(15)，所述五个移动承压板(2)的外侧固定有所述压块(15)，所述压轴(14)的一端与所述压块(15)的中心固定，另一端与所述定心压盘(13)的中心固定，所述定心压盘(13)远离所述压轴(14)一端的中心与所述液压动作器(12)的液压伸缩轴固定，所述液压动作器(12)的液压输入端与液压源(11)连通，所述液压动作器(12)上设置有液压伺服阀、载荷传感器和位移传感器。


5.根据权利要求1所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，所述电加热温度加载系统包括电加热温度板(16)，所述五个移动承压板(2)的外侧均设置有所述电加热温度板(16)。


6.根据权利要求1所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，所述气体模拟系统包括甲烷罐(17)，所述五个移动承压板(2)通过进气管与所述甲烷罐(17)的出气管连通，所述出气管上设置有电磁阀。


7.根据权利要求2所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，所述气体测量装置包括高压气筒(18)和气体计量仪(19)，所述玻璃窗口上开设有贯穿至所述正方体密封室内的出气孔，所述高压气筒(18)通过气管连接至所述出气孔或通过气管与所述气液分离器(7)上的气体通道出口连通，所述气管上设置有气体计量仪(19)，所述出气孔和所述气体通道出口的内壁与所述出气管之间通过密封圈进行密封。


8.根据权利要求7所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置，其特征在于，所述液体收集装置包括液体收集器(20)，所述液体收集器(20)通过水管与所述气液分离器(7)上的液体通道出口连通，所述液体通道出口的内壁与所述水管之间通过密封圈进行密封。


9.一种利用权利要求1～8任意一项所述的多场耦合下煤层气井井周围岩形变可视化模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作好所述压力传感器(9)和温度传感器(10)在井周呈阵列式分布的正方体煤岩试件，然后将煤岩试件安装于所述正方体密封室内；
S2、关闭所述固定挡板...

【专利技术属性】
技术研发人员：张千贵，刘金华，范翔宇，赵鹏斐，梁永昌，侯康康，赵世林，么勃卫，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51