[发明专利]模拟地下煤层气赋存解吸过程的可视化试验装置及方法

摘要

本发明涉及一种模拟地下煤层气赋存解吸过程的可视化试验装置，包括：可视化模拟子系统、注气控制子系统、恒压恒速泵、气水分离计量子系统；可视化模拟子系统用于可视化模拟地下煤层气赋存解吸过程的气水动态变化情况，注气控制子系统对可视化模拟子系统的注气增压与抽真空，恒压恒速泵用于向可视化模拟子系统注水或注外来液体，构建地下水动力场或外来工程流体影响的环境，气水分离计量子系统的气水分离计量装置用于对可视化模拟子系统排出的气水混合流体进行分离计量。本发明设计环境综合反映了地下初始温度场、水动力场以及外来工程流体等对地下煤层气赋存及解吸规律的影响，更为真实地再现了地下煤层排水降压开采过程中气水两相产出变化过程。

主权项

1.一种模拟地下煤层气赋存解吸过程的可视化试验方法，采用模拟地下煤层气赋存解吸过程的可视化试验装置，模拟地下煤层气赋存解吸过程的可视化试验装置包括：可视化模拟子系统、注气控制子系统、恒压恒速泵、气水分离计量子系统；可视化模拟子系统用于可视化模拟地下煤层气赋存解吸过程的气水动态变化情况，注气控制子系统对可视化模拟子系统的注气增压与抽真空，恒压恒速泵用于向可视化模拟子系统注水或注外来液体，构建地下水动力场或外来工程流体影响的环境，气水分离计量子系统的气水分离计量装置用于对可视化模拟子系统排出的气水混合流体进行分离计量；可视化模拟子系统包括：恒温箱、模拟缸体、密封盖体、金属筛网、注液管孔和摄像头；模拟缸体顶部设置密封盖体，模拟缸体中部形成台阶，台阶位置固定设置目数≥200目的金属筛网，密封盖体与金属筛网之间形成样品室，模拟缸体底部设置注液管孔；密封盖体上分别设置玻璃视窗、注气管孔、出液管孔，玻璃视窗的材质采用抛光JGS2石英玻璃或蓝宝石镜面，玻璃视窗上方设置摄像头；注气控制子系统、控制阀门、可视化模拟子系统的注气管孔依次通过管线相连，可视化模拟子系统的注气管孔与控制阀门之间的连接管线上设置入口压力计，注气控制子系统与控制阀门之间连接管线上设置气体质量流量计；恒压恒速泵、注液阀门、可视化模拟子系统的注液管孔依次通过管线相连；气水分离计量子系统包括：气水分离计量装置、定压阀和出口压力计；气水分离计量装置与定压阀之间通过管线连接，气水分离计量装置与定压阀之间连接管线上设置出口压力计，气水分离计量子系统的定压阀、排液阀门、可视化模拟子系统的出液管孔依次通过管线相连；一种模拟地下煤层气赋存解吸过程的可视化试验方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：根据取样煤层已有的地质评价资料，分析确定初始煤层压力p₀、初始煤层温度T₀以及初始含气量C₀，称量煤岩样品的质量3次后取平均值为m_c，由下式计算实验待注入气体质量：其中：m_g为实验待注入气体量，g；M为实验待测气体的相对分子质量，g/mol；C₀为初始含气量，cm³/g；S2：将称重后的煤岩样品置入样品室中，采用密封盖体密封模拟缸体，连接管线，开启恒温箱，设定试验温度为初始煤层温度T₀水平，关闭注液阀门和排液阀门，打开控制阀门和注气控制子系统，注气控制子系统以高于初始煤层压力1～2MPa的压力水平向样品室中注入氦气；关闭控制阀门和注气控制子系统，静置6～12h，检查试验装置的气密性；S3：打开控制阀门和注气控制子系统，注气控制子系统对试验装置持续抽真空3～6h后，关闭控制阀门和注气控制子系统；S4：打开控制阀门和注气控制子系统，向样品室中充入待测气体，待气体质量流量计的示数达到m_g后，关闭控制阀门和注气控制子系统，待入口压力计示数稳定3～6h无变化后，记录气体质量流量计和入口压力计的示数值，确定待测气体累计充入质量m_g1及平衡后的系统压力p₁；S5：打开注液阀门，启动恒速恒压泵以超出初始煤层压力0.1～0.5MPa的压力水平向样品室中恒压注水，通过摄像头连续观察样品室中气泡产生以及液面变化情况，通过入口压力计连续记录样品室中压力变化情况，直到入口压力计的示数值以及样品室中液面在12～24h内无明显变化；S6：设置定压阀的压力为初始煤层压力p₀水平，打开排液阀门，通过气水分离计量装置分离计量排出的气、水质量，分别记为m_g2、m_w2，当分离出的气体质量m_g2值在3～6h内无明显变化时，关闭注液阀门和恒速恒压泵，待到入口压力计的示数稳定在初始煤层压力p0水平在3～6h内无明显变化时，认为此时样品室内煤岩样品已达到地下储层压力和饱和水条件下的赋存状态，煤岩样品中剩余待测气体已被完全吸附，不存在游离气，关闭排液阀门，记录气水分离计量装置分离计量的完全吸附时的气体累计排出质量m_g3，分别通过下式计算此时煤岩样品的吸附气体积以及含气量：V_g＝22400(m_g1‑m_g3)/M   (2)其中：V_g为煤岩样品的吸附气体体积，cm³；C_g为完全吸附时的吸附气含量，cm³/g；m_g1为气体累计充入质量，g；m_g3为完全吸附时的气体累计排出质量，g；M为待测气体的相对分子质量，g/mol；S7：打开排液阀门，逐次下调定压阀的压力水平，排出样品室内部分液体，记录气水分离计量装置分离计量的气、水质量变化，通过摄像头连续观察样品室中气泡产生情况，直到观察到样品室中煤岩样品表面开始有微小气泡产生或气水分离计量装置分离计量的气体质量发生明显变化，关闭排液阀门，对样品室内煤岩样品表面产生气泡变化情况进行连续录像记录，记录平衡后的入口压力计的示数值，作为煤岩样品的临界解吸压力值p_c；S8：打开排液阀门，按照一定降压幅度下调定压阀的压力水平，排出样品室内部分液体，直到入口压力计的示数值与出口压力计的示数值相等，此时关闭排液阀门，记录气水分离计量装置分离计量的降压完成时的气体累计排出质量m_g4，压力平衡24～72h，记录平衡后的入口压力计的示数值p₄，作为系统平衡压力，并由下式计算煤岩样品的吸附气含量：其中，C_g4为降压完成时的吸附气含量，cm³/g；m_g1为气体累计充入质量，g；m_g4为降压完成时的气体累计排出质量，g；M为待测气体的相对分子质量，g/mol；S9：重复步骤S8，逐次下调定压阀的压力水平，直至最低实验压力；S10：根据实验记录的系统平衡压力及其对应的煤岩样品吸附气含量，绘制煤岩样品解吸等温曲线。