[发明专利]一种煤层气水平井塌孔造洞穴卸压开采模拟试验方法

摘要

本发明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。

主权项

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。