CN102830630A - 煤层气分支井排采控制模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气分支井排采控制模拟装置，包括主管路和至少两个分支管路，主管路的前端连接用于模拟排采控制的抽气装置，主管路的后端连通连接所有分支管路的前端，所有分支管路的后端连通后连接水压输入装置和/或气压输入装置，主管路和分支管路结构相同均为煤储层模拟管路，煤储层模拟管路上从前至后依次设有流量计、煤粉过滤装置和煤样容器。本发明是针对多分支水平井排采时压力传递变化复杂，产水量、产气量忽大忽小，排采难以控制的前提，研制出一种煤层气分支井排采控制模拟装置，模拟不同煤体结构、不同水文地质条件、不同渗透性、不同储层压力情况，以便查明不同情况下排采时压力传递半径、产水量、产气量、煤粉等的变化。

Description

煤层气分支井排采控制模拟装置

技术领域

本发明涉及一种煤层气分支井排采控制模拟装置。

背景技术

我国煤层气资源非常丰富，最新一轮（2009年）全国油气资源评价结果显示，目前中国埋深2000米以浅煤层气地质资源量36.81万亿立方米，1500米以浅煤层气可采资源量10.9万亿立方米。煤层气资源量远远超过美国，但目前实际利用的煤层气产量却是微乎其微，其主要原因有两方面：一是我国煤层大多数是低孔、低渗、低压、低的流体渗流动能；二是开展不同开发技术的系列化试验研究力度不够，导致开发工程技术一直没有突破。

垂直井和水平井是目前地面煤层气开发的两种主要井型。煤层气垂直井钻井技术简单，技术成熟，对于我国大多数的低渗透煤层，常规直井开发技术永远摆脱不了“点”的局限性，通常以有限的井筒影响范围来设计钻井和完井方案以及储层改造措施。实际上煤层气的产出更要考虑“面”的影响，要综合考虑整个气藏范围内微裂隙分布规律、储层地应力场、流体渗流动力场的互动影响。多分支水平井正是利用面积快速排水降压来大规模提高产量，相比直井压裂技术，具有一定的优势。

目前的多分支水平井的水平段钻井后，一般未采取任何的防护措施（比如下筛管等），因煤层裂隙相对比较发育，弹性模量比较低，导致钻井结束后水平段的井眼很不稳定，很容易坍塌。当下入排采设备进行排采时，多分支水平井的供液面积相对比较大，且煤层是非均匀质较强的储层，而且由于分支数目比较多，压力传递变化规律比较复杂，造成各个分支中水的流出难以预测，增加了排采控制的难度。若排采时排采工作制度控制不当，很容易造成流出的水忽多忽少，造成煤储层中煤粉的移动，导致渗透率下降，影响后期的产气量；当煤层气井产气后，各个分支中压力传递半径的不统一，解吸半径的不同，导致其分支中产气量的不同，若排采工作制度不当，可能引起产气量忽大忽小，引起煤粉的移动，煤储层渗透率的变化，有些伤害甚至是致命的，可能导致后期不产气或产气很少。如何针对不同的水文地质条件、压力传递半径、解吸半径的不同、煤体结构等的不同，制定相对比较合理的排采工作制度，是维持较好的储层渗透性，提高分支井产气量的关键。

发明内容

本发明的目的是针对多分支水平井排采时压力传递变化复杂，产水量、产气量忽大忽小，排采难以控制的前提，研制出一种煤层气分支井排采控制模拟装置，模拟不同煤体结构、不同水文地质条件、不同渗透性、不同储层压力情况，以便查明不同储层地质条件情况下、不同排采工作制度下、排采时压力传递半径、产水量、产气量、煤粉等的变化，得出不同情况下相对合理的排采工作制度，尽量降低对储层的伤害，延长煤层气分支井的产气高峰，为提高多分支水平井产气量提供理论指导。

    为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层气分支井排采控制模拟装置，包括主管路和至少两个分支管路，主管路的后端连接所有分支管路的前端，所有分支管路的后端连通后连接水压输入装置和/或气压输入装置，主管路和分支管路结构相同均为煤储层模拟管路，煤储层模拟管路上从前至后依次设有流量计、煤粉过滤装置和煤样容器。

所述煤样容器通过管子连接围压泵，管子上设有压力表，围压泵为用于向煤样容器内增加气压以模拟煤储层所受围压的气泵。

煤粉过滤装置包括带有进、出口的过滤容器，过滤容器内设滤网，滤网将过滤容器分成两腔室，过滤容器的进、出口分别位于滤网的两侧。

所述水压输入装置为水压输入管路，水压输入管路上从前至后依次设有压力传感器、PID调节阀、开关阀、注水泵和水箱。

主管路的前端连接用于模拟排采控制的抽气装置。

    所述气压输入装置为气压输入管路，气压输入管路上从前至后依次设有压力传感器、空气压缩机、PID调节阀、减压阀、开关阀和高压气瓶。

所有流量计、压力表以及压力传感器均连接计算机数据采集系统。

所述主管路的前端通过回压阀连接抽气缸，抽气缸再连接抽气装置，抽气缸的侧壁还分别通过两连接管分别连通有气囊和集水瓶，连接管上也均设有流量计。

所述抽气装置为柱塞式抽气装置，其包括滑动连接在抽气缸内的柱塞和连接柱塞的动力装置，所述煤样容器为胶套管。

所述高压气瓶中设置高压气体为CO₂或者N₂或者He或者瓦斯气体。 

本发明所述的煤层气分支井排采控制模拟装置具有如下有益效果：所有分支管路汇合到一起并与主管路串联，并且主管路和分支管路均为煤储层模拟管路，这样就组成了整个分支井煤储层模拟系统。其中，气压输入装置主要用以模拟排采时储层中游离气的气压及模拟产出的气量；水压输入装置模拟排采时储层中的水的压力及水的流量。煤储层模拟管路主要用于模拟不同裂隙发育程度的煤和煤所处的应力状态。抽气装置主要是模拟排采控制，使模拟排采时的压力变化，是主管路与分支管路的前后产生压差，把煤样中的水和气体能抽出来，进而来控制气压、水压、气流量、水流量。计算机数据采集系统主要用于把采集的数据在计算机上进行显示。

综上，本发明的优点为：（1）本发明可以在不同煤体变形特征、不同排采阶段、不同分支数目、不同围压、不同排采强度下模拟分支井排采过程中各物性参数的变化规律。

（2）本发明可为煤层气分支井不同煤体变形特征、不同排采阶段、不同分支数目、不同围压下合理排采工作制度的制定提供理论指导。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是滤网的结构示意图。

具体实施方式

由图1和图2所示的一种煤层气分支井排采控制模拟装置，包括主管路9和三个分支管路29。

主管路9的前端连接用于模拟排采控制的抽气装置，并且为主管路9的前端通过回压阀18先连接一抽气缸21，抽气缸21再连接抽气装置，抽气缸21的侧壁还分别通过两连接管分别连通有气囊27和集水瓶28，连接管上均设有流量计16A。所述抽气装置为柱塞式抽气装置，柱塞式抽气装置包括滑动连接在抽气缸21内的柱塞和连接柱塞的动力装置，所述动力装置为电机26，电机26的输出轴通过带传动装置24带动一转轴23，转轴23通过一曲柄滑块机构22带动柱塞杆20上下运动，柱塞杆20的底端设有滑块19，滑块19的外壁与抽气缸21的内壁相贴合，这样，转轴23转动时，可带动柱塞杆20在抽气缸21内上下滑动，进行抽气。电机26的输出轴上设有速度传感器25。当然，本发明不拘泥于上述形式，动力装置也可用气压缸或者液压缸代替或者直接手动上下提升也可，能实现带动柱塞杆20上下运动均可，并且抽气装置也可直接用与连接抽气缸21连接的抽气泵代替也可。

抽气装置构成了排采控制模拟系统，排采控制模拟系统将通过煤储层模拟系统主管路9、分支管路29的煤样10中的气和水排出，并为主管路9和分支管路29的前侧部分提供一定的压值。其中电机26转速可根据实验需求进行调整，为保证排采过程中样品装置系统压降的连续性，特在主管路9前安装回压阀18。

主管路9的后端连接所有分支管路29的前端，并且为所有分支管路29的前端先连通后再接入主管路9的后端。所有分支管路29的后端先连通后再同时连接水压输入装置和气压输入装置，水压输入装置和气压输入装置用于向各分支管路29输入必要的气压和水压。所述水压输入装置为水压输入管路30，水压输入管路30的高压管线上从前至后依次设有压力传感器8、PID调节阀6、开关阀3、注水泵5和水箱1，水箱1为3m×3m×2m。所述气压输入装置为气压输入管路31，气压输入管路31的管线上从前至后依次设有压力传感器8、空气压缩机7、PID调节阀6、减压阀4、开关阀3和高压气瓶2，高压气瓶2中设置的高压气体为CO₂，或者N₂或者He或者瓦斯气体。

气压输入装置和水压输入装置构成压力控制系统，通过两装置主要模拟排采时不同的排采阶段产出物及排采时的压力变化，可实现单一水相、单一气相或气、水混合相在不同压力下的流动。水压输入装置的水箱1主要用于存储水，注水泵5用来将水箱1中的水注入煤储层模拟系统中，并提供一定的水压值（最高水压可根据实验需要进行设定），水压输入装置的 PID调节阀6主要实现的是调节压差，即抽气装置对主管路9以及分支管路29的前侧提供一定压值，气压输入装置和水压输入装置对主管路9以及分支管路29的后侧提供一定压力，当两边压力差达到一定值后，PID阀门打开，让水通过，压差值可根据具体情况自由设定，压差可从0.1MPa～10MPa不等，PID阀门可满足10MPa以下的压力。水压输入装置的开关阀3的作用主要是控制水压输入管路30处于开启或关闭状态，通过PID调节阀6和开关阀3，实现单一水的流动，不同压差下水的流动。同时通过水流量计16来记录水的流动，并实时传递到计算机上。

气压控制装置的高压气瓶2与空气压缩机进行连接，提供实验所需的气压。当高压气瓶2中的压力能满足实验时，则不需要空气压缩机运行，当压力不能满足实验时，则通过空气压缩机以便提供实验所需的压力，达到模拟储层中的气压的目的。气压控制装置的PID调节阀6、开关阀3及气流量计16与水压控制系统的作用相似，在此不再赘述。

主管路9和分支管路29结构相同均为煤储层模拟管路，煤储层模拟管路上从前至后依次设有流量计16、开关阀3A、煤粉过滤装置14、开关阀3B、煤样容器11和开关阀3C。所述煤样容器11为胶套管，胶套管内装煤样10，胶套管的两端口分别接入煤储层模拟管路，煤样容器11的侧壁通过管子连接围压泵13，管子上设有压力表12，围压泵13为用于向煤样容器11内增加气压以模拟煤储层所受围压的气泵。所述煤粉过滤装置14包括带有进、出口的密闭设置的过滤容器，过滤容器由透明的钢化玻璃制成，过滤容器也通过其进、出口连接在煤储层模拟管路上，过滤容器内设滤网15，滤网15将过滤容器分成两个腔室，过滤容器的进、出口分别位于滤网15的两侧，即过滤容器的进、出口分别位于两个腔室的过滤容器壁上。

主管路9与分支管路29构成煤储层模拟系统，煤储层模拟系统主要用来模拟不同裂隙发育程度的煤、多分支水平井水平段的井身结构及煤所处的应力状态，以便得出与实际更加相近的排采工作制度结果。三路煤储层模拟管路构成三个分支管路用以模拟分支井的各个分支，并且分支数量可根据实际情况进行增删，三路煤储层模拟管路采用并联的方式进行连接，通过各自的控制阀既可以实现一路气、水流动，也可以实现多路气、水流动，用来模拟不同排采阶段、不同压力传递下的气、水变化对渗透性的影响。通过煤粉过滤装置14来收集煤储层模拟装置中产出的煤粉，煤粉过滤装置14中采用的透明的钢化玻璃，能实时观察煤粉量的变化；三路煤储层模拟管路再汇合到一起，与另一煤储层模拟管路——主管路9串联，组成整个煤储层模拟系统。三路煤储层模拟装置中，可装同一种煤体结构、变形程度、裂隙发育程度大致相似的煤，也可以装不同煤体结构、裂隙发育程度相差比较大的煤，煤样10用胶套管紧密包裹，围压泵13主要是向胶套管内的煤样10提供不同的气压以模拟煤样10受到的围压，来模拟煤储层所受的应力大小。

煤粉过滤装置14、气囊27和集水瓶28构成数据采集及产出物收集系统，主要是对实验过程中气、水流动造成的主支以及各分支煤样10的煤粉排出量进行收集，并对实验过程中产出的水和甲烷气体进行收集。其中，煤粉可通过煤粉过滤装置14来收集，煤粉过滤装置14设计为一个透明的耐高压的钢化玻璃瓶，瓶中有固定槽，能够将过滤网15固定在瓶中，同时可随时观察出煤粉过滤装置14中的煤粉量，当煤粉量较多时，应暂停试验并将煤粉过滤装置14前、后的开关阀3A、3B关紧，然后旋开煤粉过滤装置14，将煤粉转移出去，用干燥剂对煤粉进行干燥处理，然后用天平称重，可得出实验过程中主支及各分支的煤粉产量。其中，煤粉过滤装置14中所固定的滤网15可用不同规格的筛网，即可为60目的，也可以为40目、20目和80目的，根据实验需要，可选择不同的筛网。实验过程中产出的甲烷气体可通过气囊27收集，水可通过集水瓶28收集。

所有流量计16、16A、压力表12以及压力传感器8、速度传感器25均连接计算机数据采集系统17，流量计16、压力表12、压力传感器8、速度传感器25以及计算机数据采集系统17构成数据采集显示系统，主要是对压力系统中提供的水压和气压、流经各分支样品装置及主支样品装置的气水流量、排采过程中总计产水量和产气量、电机26转速等数据通过计算机自动读取并记录。其中压力系统中提供的水压和气压的自动读取是通过压力传感器8与计算机相连接，发动机转速的自动读取则是通过输出轴上的速度传感器25与计算机相连接而实现的。

当然，本发明不拘泥于上述形式，水压输入装置和气压输入装置可根据需要设置任一也可，并且分支管路29的数量也可根据实际情况设置两个或者两个以上。并且高压气瓶2中设置的高压气体也可为N2或者He或者瓦斯气体，使用高压瓦斯气体时，应注意安全。

本发明所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，具体操作步骤如下：

（1）煤样10制备

根据实验要求采集煤样10，既可以制成Φ50cm×50 cm的圆柱体煤样10，也可以不制备煤样10，直接将煤块放入胶套管中。

（2）气密性检查

按照系统连接装置示意图连接管路，并向系统中注入少量气体，检查装置的气密性。

（3）分支样品装置数目选择

按照实验需求可分别选择2个分支管路29并联、3个分支管路29并联、4个分支管路29并联等多个分支管路29进行模拟实验。

（4）设置PID调节阀6的阀值

根据实验要求，设置PID调节阀6的阀值，即当压差超过此值时，PID阀门自动开启。

（5）设置围压

根据实验所需，把围压泵13的围压设置到预定压力。

（6）加压实验

多分支管路29模拟多分支井不同排采阶段物性参数的变化特征实验可以通过控制水箱1以及高压气瓶2的阀门来实现。饱和水单相流阶段，可只将水箱1的阀门打开，利用注水泵5提供一定的水压；非饱和水单相流阶段，在提供一定水压的基础上微量打开高压气瓶2阀门；气-水两相流阶段，同时提供水压和气压，随着实验的进行可适当的降低所提供的水压。

（7）排采速度选择

启动电机26，根据实验需要设定电机26转速，进行排采实验模拟。

（8）排采过程煤粉的采集

当选择不同排采阶段、不同分支数目、不同围压、不同排采速度进行实验时，应先关闭电机26，暂停实验，打开主管路9及各分支管路29的煤粉过滤装置14，将煤粉分别进行收集、烘干并称重，将称重结果进行记录。在打开煤粉过滤装置14的时候一定要关紧其前、后两个开关阀3A、3B，以保证整个系统的气密性。

（9）数据处理

根据计算机数据采集系统17收集到的各种数据，对不同条件下的主管路9及各分支管路29的煤样10渗透率进行计算，在此基础上做出不同排采阶段、不同分支数目、不同围压下产气量、产水量、煤粉量、渗透率等参数与排采速度的关系图。

（10）耦合分析

    耦合分析不同排采阶段、不同分支数目、不同围压下排采速度与产气量、产水量、产煤粉量、煤样10渗透性等参数的关系，得出分支井不同排采阶段、不同分支数目、不同围压下最为合理的排采速度。

Claims (10)

1.一种煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：包括主管路和至少两个分支管路，主管路的后端连接所有分支管路的前端，所有分支管路的后端连通后连接水压输入装置和/或气压输入装置，主管路和分支管路结构相同均为煤储层模拟管路，煤储层模拟管路上从前至后依次设有流量计、煤粉过滤装置和煤样容器。

2.如权利要求1所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所述煤样容器通过管子连接围压泵，管子上设有压力表，围压泵为用于向煤样容器内增加气压以模拟煤储层所受围压的气泵。

3.如权利要求2所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：煤粉过滤装置包括带有进、出口的过滤容器，过滤容器内设滤网，滤网将过滤容器分成两个腔室，过滤容器的进、出口分别位于滤网的两侧。

4.如权利要求3所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所述水压输入装置为水压输入管路，水压输入管路上从前至后依次设有压力传感器、PID调节阀、开关阀、注水泵和水箱。

5.如权利要求4所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所述气压输入装置为气压输入管路，气压输入管路上从前至后依次设有压力传感器、空气压缩机、PID调节阀、减压阀、开关阀和高压气瓶。

6.如权利要求1-5任一项所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：主管路的前端连接用于模拟排采控制的抽气装置。

7.如权利要求6所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所有流量计、压力表以及压力传感器均连接计算机数据采集系统。

8.如权利要求7所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所述主管路的前端通过回压阀连接抽气缸，抽气缸再连接抽气装置，抽气缸的侧壁还分别通过两连接管分别连通有气囊和集水瓶，连接管上也均设有流量计。

9.如权利要求8所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所述抽气装置为柱塞式抽气装置，其包括滑动连接在抽气缸内的柱塞和连接柱塞的动力装置，所述煤样容器为胶套管。

10.如权利要求9所述的煤层气分支井排采控制模拟装置，其特征在于：所述高压气瓶中设置高压气体为CO₂或者N₂或者He或者瓦斯气体。

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