CN102279420A - 煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统，包括动力加载系统、煤岩裂隙生成模拟系统和数据显示系统；动力加载系统包括气压装置和水压装置；煤岩裂隙生成模拟系统包括内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统，所述内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统中均设有一套围压装置；数据显示系统用包括传感装置和数据显示装置。本发明结构简单，使用方便，能够模拟煤在不同温度、压力条件下变质演化过程中内生裂隙和外生裂隙的形成过程，并对不同变化程度、不同压力条件下的渗透率进行测试，对裂隙发育系统进行定量化，为煤层气经济评价体系、开发工艺的正确选择、选型提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气应用技术领域，尤其是一种煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统。
背景技术
煤储层是一种新型的洁净、清洁的能源。基于煤矿安全和能源利用角度，我国煤炭部门、石油部门、地矿部门、地方政府、国内外煤层气公司等先后在中国42个含煤区施工了近5000口煤层气井（截止2010年底）。但是除山西沁水盆地东南部、辽宁铁法、山西河东煤田等少数地区实现了局部商业性开发外，大多数地区煤层气开发试验结果并不理想。
煤层气能否实现产出以及产出量的多少主要取决于两个方面，一是有没有足够的煤层气资源；另一方面则是有没有足够畅通的通道及能量系统使煤层气得以从吸附状态转变为游离状态并产出，二者缺一不可。内生裂隙（即在变质过程中由于煤体本身的变化引起的煤内生裂隙）和外生裂隙（即在变质过程中由于构造应力等外力引起的煤体变形所发育出来的裂隙。）哪个对煤层气产出的贡献更大一直是煤层气界具有争议性的问题。而内生裂隙与外生裂隙的贡献大小从某种程度上对开发靶区的选择、开发经济评价、开发潜力评价、开发工程工艺具有方向性的指导意义。我国成煤环境的复杂性、构造运动的多期性、煤变质演化的不可重现性、煤内生裂隙和外生裂隙各自测试手段的局限性都导致目前对某一区块开发评价的不科学性、片面性；用来指导后期的开发工艺技术，在某些地方某种工艺技术较适合，在类似的地区却发现同样的工艺技术几乎是不适合的，实践中很容易造成人力、物力、财力的巨大浪费。同时，人们对煤层气开发的积极性一次次受到打击，其中最重要的是方向性的失误是我们不能承受之重。煤在成煤过程、成煤后经历了不同的温度、压力和构造应力等作用，不同埋深、不同地质动力作用下煤岩变形和变质程度不同，因此，亟需研制一种装置，能利用不同地区的煤样对煤变质演化过程中由于温度、压力变化引起煤的变质过程形成的内生裂隙和由于外力作用引起的外生裂隙进行模拟，以便查明不同温度、压力、构造运动下煤储层裂隙的发育程度，以期为目前的煤层气经济评价体系、开发工艺技术选择提供一种改进的思路和手段；但目前没有出现煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统，用于模拟测试不同煤样的内生裂隙和外生裂隙哪个对煤层气产出贡献更大，查明不同温度、压力、构造运动下煤储层裂隙的发育程度。
为实现上述目的，本发明的煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统包括动力加载系统、煤岩裂隙生成模拟系统和数据显示系统；（1）动力加载系统包括气压装置和水压装置；所述气压装置包括高压气泵以及通过各自的出气管与所述高压气泵的进气口相连通的高压氮气瓶、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶和氦气瓶，所述高压氮气瓶、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶和氦气瓶的出气管上分别设有阀门、压力表和流量计，所述高压气泵的出气口通过通气管与所述煤岩裂隙生成模拟系统相连通；所述水压装置包括水箱和水泵，所述水泵的进水口与所述水箱相连通，所述水泵的出水口通过通水管与所述煤岩裂隙生成模拟系统相连通；（2）煤岩裂隙生成模拟系统包括内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统，所述内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统中均设有一套围压装置；（2.1）所述围压装置包括围压缸、套设在围压缸内的样品缸和网片；所述围压缸和样品缸的四周和底部皆密闭设置，顶部设有开口；所述网片在所述样品缸内煤样的左右两侧各设一片；所述围压缸的顶部两侧分别设有接口，所述接口与所述通气管相连通；所述样品缸于其左、右侧壁的中部分别设有进水口；所述通水管密封穿过所述围压缸并与所述进水口相连通；所述围压缸通过通水管与所述水泵相连通，所述围压缸前的通水管上设有阀门、压力表和流量计；（2.2）所述内生裂隙生成模拟系统包括加热装置、内生加压装置和一套围压装置；所述内生加压装置包括轴向加载机；所述轴向加载机为液压装置且其加压端的底部形状与所述样品缸的顶部开口相适配；所述围压缸和所述样品缸皆设在所述加热装置上；（2.3）所述外生裂隙生成模拟系统包括外生加压装置和一套所述的围压装置；外生加压装置包括两套以上的液压装置，所述各液压装置的加压端均为加压柱，所述各加压柱并排紧贴形成加压部分，加压部分的底部形状与所述样品缸的顶部开口相适配；所述样品缸底部设有弹簧，弹簧上铺设有高强高弹的隔离薄膜；（3）数据显示系统用包括传感装置和数据显示装置，所述传感装置包括压力传感器和温度传感器，所述传感装置设置在所述内生裂隙生成模拟系统的样品缸上以及所述外生裂隙生成模拟系统的样品缸上，所述压力传感器和所述温度传感器均与所述数据显示装置相连接。
所述加热装置包括加热装置包括加热器和温度调节器，所述围压缸和所述样品缸皆设在所述加热器上。
所述数据显示装置为通用计算机。
本发明具有如下的优点：
1.本发明结构简单，使用方便，能够模拟煤在不同温度、压力条件下变质演化过程中内生裂隙和外生裂隙的形成过程，并对不同变化程度、不同压力条件下的渗透率进行测试，对裂隙发育系统进行定量化，为煤层气经济评价体系、开发工艺的正确选择、选型提供指导。
2. 加热装置包括加热器和温度调节器，便于通过温度调节器控制加热器以保持煤样的温度。
3. 数据显示装置为通用计算机，便于显示和记录测试数据，也便于扩展控制功能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A－A剖视图；
图3是图1中围压缸的放大结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统包括动力加载系统28、煤岩裂隙生成模拟系统27和数据显示系统26。动力加载装置主要是为煤变质过程中内生裂隙和外生裂隙的生成和发育程度提供动力及对生成裂隙系统发育程度的流量测试提供动力。煤岩裂隙生成模拟系统27是为了更真实再现不同深度、不同温度、不同围压下煤的变形和变质引起的内生裂隙和外生裂隙发育程度、发育状况。
（1）动力加载系统
动力加载系统28包括气压装置和水压装置。
所述气压装置包括高压气泵5以及通过各自的出气管9与所述高压气泵5的进气口相连通的高压氮气瓶7、甲烷气瓶15、二氧化碳气瓶24和氦气瓶23，所述高压氮气瓶7、甲烷气瓶15、二氧化碳气瓶24和氦气瓶23的出气管9上分别设有阀门3、压力表4和流量计17，所述高压气泵5的出气口通过通气管35（通气管35是圆形的、直径10 mm的高压软管）与所述煤岩裂隙生成模拟系统27相连通。
所述水压装置包括水箱1和水泵6，所述水泵6的进水口与所述水箱1相连通，所述水泵6的出水口通过通水管36（通水管36是圆形的、直径10 mm的高压软管）与所述煤岩裂隙生成模拟系统27相连通。
水泵6的出水口与高压气泵5的出气口之间通过连通管61相连通，连通管61上设有阀门3。连通管61以及阀门3的作用是使通水管36或通气管35都能够单独对煤岩裂隙生成模拟系统27进行气相加压、水相加压或气水两相加压。
（2）煤岩裂隙生成模拟系统
煤岩裂隙生成模拟系统27包括内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统，所述内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统中均设有一套围压装置。
（2.1）所述围压装置包括围压缸8、套设在围压缸8内的样品缸11（围压缸8和样品缸11皆由立方形的钢板焊接而成）和网片10（网片10为铁制网片，用于防止在进行渗透率测试时加压气流直接冲击在煤样37无裂隙的部位而导致渗透率测试结果失败或失真，其宽度与样品缸11的宽度一致，其高度为样品缸11高度的2/3）；所述围压缸8和样品缸11的四周和底部皆密闭设置，顶部设有开口；所述网片10在所述样品缸11内煤样37的左右两侧各设一片；所述围压缸8的顶部两侧分别焊接设有钢制接口18，所述接口18与所述通气管35相连通；所述样品缸11于其左、右侧壁的中部分别焊接设有钢制进水口（即钢制接头）38；所述通水管36密封穿过所述围压缸8并与所述进水口（钢制接头）38相连通（通水管36与围压缸8的缸壁之间最好设置密封圈以增强密封效果。利用橡胶圈进行密封为现有技术，橡胶圈图未示。为使附图简洁起见，图中右侧进水口即钢制接头38处的通水管36未全部画出）；所述围压缸8通过通水管36与所述水泵6相连通，所述围压缸8前的通水管36和通气管35上分别设有阀门3、压力表4和流量计17。
（2.2）所述内生裂隙生成模拟系统用来模拟不同变质程度的煤的内生裂隙发育状况，包括加热装置、内生加压装置和一套围压装置。
所述内生加压装置包括轴向加载机14；所述轴向加载机14为液压装置且其加压端14A的截面呈“凸”字形，“凸”字形加压端14A的底部形状与所述样品缸11的顶部开口相适配并用来对煤样37的整个顶部进行加压操作。
所述加热装置包括加热器13和温度调节器42，所述围压缸8和所述样品缸11皆设在所述加热器13上；加热器13用于加热煤样37，温度调节器42用于控制加热器13以保持煤样37的温度。
（2.3）所述外生裂隙生成模拟系统包括外生加压装置和一套所述的围压装置。
所述外生加压装置包括三套液压装置39（当然加压装置也可以设置两套或四套以上的液压装置39），三套液压装置39的加压端均为加压柱16，所述三个加压柱16并排紧贴形成加压部分，加压部分的底部形状与所述外生裂隙生成模拟系统的样品缸11的顶部开口相适配；
所述外生裂隙生成模拟系统的样品缸11的底部设有弹簧12，弹簧12上铺设有高强高弹的隔离薄膜41，模拟测试时煤样37放置在薄膜41上，使薄膜41起到隔离弹簧12与煤样37的作用。
（3）数据显示系统
数据显示系统26包括传感装置和数据显示装置22，所述传感装置包括压力传感器19和温度传感器20，所述传感装置设置在所述内生裂隙生成模拟系统的样品缸11上以及所述外生裂隙生成模拟系统的样品缸11上，所述压力传感器19和所述温度传感器20均通过电缆21与所述数据显示装置22（数据显示装置22采用通用计算机，便于显示和记录测试数据，也便于扩展控制功能）相连接，用于把采集的数据在计算机上进行显示。
本发明的煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统的工作过程为：
（1）样品采集制备
选择变质程度低、成煤时和成煤后构造运动相对缓和的地区，采集褐煤煤样37。在钻石机、锯石机和磨石机上制作成10cm×10 cm×10 cm的立方体煤样37。
（2）原始渗透率测试、计算
把煤样37品装入样品缸11，连接通气管35，将各流量计17与计算机信号连接在一起，检查装置的气密性后，根据实验所需，打开所需气体（氦气或甲烷或二氧化碳或氮气）的气瓶出气口上的阀门3，启动高压气泵5，加到所需围压以模拟不同的储层压力，测试并计算褐煤原始的渗透率。
（3）设置围压
根据实验所需通过控制高压气泵5和水泵6调节气、水比例（可进行单一气相或单一水相加压，也可以气、水两相加压；气、水两相加压时，按照实验所需调整气相压力和水相压力），把围压设置到预定压力（模拟不同的储层压力以及不同储层的气、水环境）。
（4）内生裂隙生成模拟
根据实验所需，调节加热器13的温度和时间，对煤体进行加热；在加热过程中，轴向加载机14也要进行加载。加热器13最高能将煤样37温度加热到800℃，加热器13的温度是由温度调节器42控制的，设定好实验所需温度后，温度调节器42在温度低于设定温度时自动开启加热器13，高于设定温度时自动关闭加热器13，从而将煤样37保持在恒定的温度范围内。加热后，煤样37内部发生变化，产生内生裂隙。
（5）内生裂隙生成后进行渗透率测试、计算并进行数据采集
将气压装置通过通气管35与围压装置的样品缸11相连通，打开所需气体（氦气或甲烷或二氧化碳或氮气）的气瓶出气口上的阀门3，启动高压气泵5进行加压，测试内生裂隙模拟生成后的压差、流量等，实验过程中通过计算机及时收集压力、流量变化，采集加压过程中的各种数据，并将数据记录为数据文件。取出煤样37，测试煤样37的宽度、高度和长度，对内生裂隙生成后的渗透率进行测试、计算。
（6）外生裂隙生成模拟并数据采集
把取出的煤样37置于外生裂隙生成模拟系统的样品缸11内，把根据需要调节气、水比例，将围压设置到预定压力。启动三套液压装置39，通过三个加压柱16对煤样37不同部分实行不同压力加载，使煤体在不同区域产生不同的位移，从而模拟由地质构造产生的外生裂隙。实验过程中通过计算机及时收集压力、流量变化，采集加压过程中的各种数据，并将数据记录为数据文件，完成外生裂隙生成模拟。
（7）外生裂隙生成后渗透率测试、计算
将气压装置通过通气管35与围压装置的样品缸11相连通，打开所需气体（氦气或甲烷或二氧化碳或氮气）的气瓶出气口上的阀门3，启动高压气泵5进行加压模拟不同的储层压力，测试外生裂隙模拟后的压差、流量等，取出煤样37，测试煤样37的宽度、高度和长度，对外生裂隙生成后的渗透率进行测试、计算。
（8）数据处理
根据收集到的各种数据，做出不同围压下压差与温度、气、水流量与渗透率的关系图。
（9）耦合分析
耦合分析不同围压下压差与温度、气、水流量与渗透率的关系，得出不同变形程度、变质程度煤的内生裂隙和外生裂隙对气、水流量的贡献，为煤层气经济评价体系、开发工艺技术选择提供改进的思路和选择手段，避免所选择的开发工艺不适合当地的煤质所带来的巨大浪费。
Claims (3)
1.煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统，其特征在于：包括动力加载系统、煤岩裂隙生成模拟系统和数据显示系统；
（1）动力加载系统包括气压装置和水压装置；
所述气压装置包括高压气泵以及通过各自的出气管与所述高压气泵的进气口相连通的高压氮气瓶、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶和氦气瓶，所述高压氮气瓶、甲烷气瓶、二氧化碳气瓶和氦气瓶的出气管上分别设有阀门、压力表和流量计，所述高压气泵的出气口通过通气管与所述煤岩裂隙生成模拟系统相连通；
所述水压装置包括水箱和水泵，所述水泵的进水口与所述水箱相连通，所述水泵的出水口通过通水管与所述煤岩裂隙生成模拟系统相连通；
（2）煤岩裂隙生成模拟系统包括内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统，所述内生裂隙生成模拟系统和外生裂隙生成模拟系统中均设有一套围压装置；
（2.1）所述围压装置包括围压缸、套设在围压缸内的样品缸和网片；所述围压缸和样品缸的四周和底部皆密闭设置，顶部设有开口；所述网片在所述样品缸内煤样的左右两侧各设一片；所述围压缸的顶部两侧分别设有接口，所述接口与所述通气管相连通；所述样品缸于其左、右侧壁的中部分别设有进水口；所述通水管密封穿过所述围压缸并与所述进水口相连通；所述围压缸通过通水管与所述水泵相连通，所述围压缸前的通水管上设有阀门、压力表和流量计；
（2.2）所述内生裂隙生成模拟系统包括加热装置、内生加压装置和一套围压装置；
所述内生加压装置包括轴向加载机；所述轴向加载机为液压装置且其加压端的底部形状与所述样品缸的顶部开口相适配；
所述围压缸和所述样品缸皆设在所述加热装置上；
（2.3）所述外生裂隙生成模拟系统包括外生加压装置和一套所述的围压装置；
外生加压装置包括两套以上的液压装置，所述各液压装置的加压端均为加压柱，所述各加压柱并排紧贴形成加压部分，加压部分的底部形状与所述样品缸的顶部开口相适配；
所述样品缸底部设有弹簧，弹簧上铺设有高强高弹的隔离薄膜；
（3）数据显示系统用包括传感装置和数据显示装置，所述传感装置包括压力传感器和温度传感器，所述传感装置设置在所述内生裂隙生成模拟系统的样品缸上以及所述外生裂隙生成模拟系统的样品缸上，所述压力传感器和所述温度传感器均与所述数据显示装置相连接。
2.根据权利要求1所述的煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统，其特征在于：所述加热装置包括加热装置包括加热器和温度调节器，所述围压缸和所述样品缸皆设在所述加热器上。
3.根据权利要求1或2所述的煤变质演化裂隙系统发育模拟测试系统，其特征在于：所述数据显示装置为通用计算机。
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