阅读说明：本技术 一种煤层气临界解吸的物理模拟系统及方法 (Physical simulation system and method for coal bed gas critical desorption ) 是由 杨宇光 吴翔 吴建光 张健 孙晗森 林亮 卓仁燕 朱苏阳 彭小龙 王超文 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种煤层气临界解吸的物理模拟系统及方法,包括吸附气模拟系统、煤层水饱和系统、临界解吸模拟系统、井筒排采模拟及气液流速测量系统,所述吸附气模拟系统的右端通过管线连接临界解吸模拟系统的左端,临界解吸模拟系统的右端通过管线连接井筒排采模拟及气液流速测量系统,所述煤层水饱和系统通过管线连接临界解吸模拟系统的下端；本发明同时公开了采用该系统对煤层气临界解吸特征进行试验的方法。本发明针对煤层气的临界解吸特点,测试煤层气的临界解吸中气-液流动特征,测试过程科学,测试结果准确,为煤层气的有效开发创造了良好的条件。(The invention discloses a physical simulation system and a physical simulation method for coal bed gas critical desorption, which comprise an adsorbed gas simulation system, a coal bed water saturation system, a critical desorption simulation system, a shaft drainage and production simulation and gas-liquid flow rate measurement system, wherein the right end of the adsorbed gas simulation system is connected with the left end of the critical desorption simulation system through a pipeline, the right end of the critical desorption simulation system is connected with the shaft drainage and production simulation and gas-liquid flow rate measurement system through a pipeline, and the coal bed water saturation system is connected with the lower end of the critical desorption simulation system through a pipeline; the invention also discloses a method for testing the coal bed gas critical desorption characteristics by adopting the system. The method provided by the invention is used for testing the gas-liquid flow characteristics in the critical desorption of the coal bed gas aiming at the critical desorption characteristics of the coal bed gas, the testing process is scientific, the testing result is accurate, and good conditions are created for the effective development of the coal bed gas.)

一种煤层气临界解吸的物理模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及煤层气藏的开发技术领域，具体涉及一种煤层气临界解吸的物理模拟系统及方法。

背景技术

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。

由于地质储量巨大，煤层气的有效开发可以改善我国能源结构并补充常规天然气在我国地域分布和供给量上的不足。与常规天然气藏不同，煤层气主要以吸附气成藏，生产过程中存在临界解吸现象，临界解吸之前储层中为单相液流，临界解吸之后储层中为气-液两相流以及单相气流两种流态。因此，煤层气的临界解吸特征是进行煤层气开发设计的关键问题。目前关于煤层气临界解吸特征的研究国内外学者都做了大量工作，煤层气的吸附与解吸实验，推测了临界解吸动态。然而，煤层气的临界解吸过程是一个多相流体耦合传质过程，单相实验研究难以直接获得煤层气的临界解吸特征。目前，煤层气临界解吸的物理模拟研究尚停留在理论方面，没有能够对煤层气临界解吸过程进行物理模拟的系统与方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种煤层气临界解吸的物理模拟系统及方法,适用于研究煤层气的临界解吸特征，临界解吸过程中气、液两相流动特征，本发明同时公开了采用该系统对煤层气临界解吸特征进行试验的方法。

本发明采用下述的技术方案：

一种煤层气临界解吸的物理模拟系统，包括：吸附气模拟系统、煤层水饱和系统、临界解吸模拟系统、井筒排采模拟及气液流速测量系统，所述吸附气模拟系统的右端通过管线连接临界解吸模拟系统的左端，临界解吸模拟系统的右端通过管线连接井筒排采模拟及气液流速测量系统，所述煤层水饱和系统通过管线连接临界解吸模拟系统的下端；

所述临界解吸模拟系统包括第二针型阀、填砂箱，所述第二针型阀的出口端通过管线连接并伸入填砂箱，所述填砂箱内的管线径向并排设置有启动压差单向阀。

优选的，所述吸附气模拟系统包括高压气瓶、中间容器，所述高压气瓶通过管线连接中间容器的入口端，所述高压气瓶与中间容器连接的管线上设有第一针型阀、第一压力计。

优选的，所述煤层水饱和系统包括水槽、第二恒速泵，所述第二恒速泵的入口端通过管线连接水槽，出口端通过管线连接填砂箱的下端，所述第二恒速泵与填砂箱连接的管线上设有第二压力计、第三针型阀。

优选的，所述井筒排采模拟及气液流速测量系统包括密封透明桶、第一恒速泵、量筒以及气体回收装置，所述第一恒速泵的入口端通过管线连接密封透明桶的底端，出口端连接量筒；所述密封透明桶的上端通过管线连接气体回收装置，所述密封透明桶与气体回收装置连接的管线上设有第三压力计、气体流量计。

优选的，所述启动压差单向阀的数量至少为6个，启动压差为0.1Bar，当启动压差单向阀(5)两端压差大于0.1Bar时，允许流体单向通过。

一种利用煤层气临界解吸的物理模拟系统的方法，包括以下步骤：

S1、填砂与饱和水过程：将砂填入填砂箱内，通过煤层水饱和系统将填砂箱内饱和水，至密封透明桶(7)中的水不溢出时，停止饱和水；

S2、吸附气模拟过程：通过高压气瓶向中间容器内充入气体；

S3、井筒排采过程：通过第一恒速泵缓慢抽出密封透明桶中的水；

S4、临界解吸及气液测量过程：不断测量通过第一恒速泵缓慢抽出的水量，当气体产出后，通过第三压力计测量密封透明桶中的气体压力，通过气体流量计测量气体流量。

优选的，步骤S1中，所述砂的目径为50目，重量为200Kg。

优选的，步骤S2中，所述中间容器内的压力为0.12MPa时，停止充气。

优选的，步骤S3中，所述第一恒速泵抽水速度为5.3ml/min。

本发明的有益效果是：

本发明针对煤层气的临界解吸特点，测试煤层气的临界解吸中气-液流动特征，测试过程科学，测试结果准确，为煤层气的有效开发创造了良好的条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明压力计读数曲线示意图；

图3为本发明气水流量曲线示意图；

图中所示：

1—高压气瓶，21—第一针型阀，22—第二针型阀，23—第三针型阀，31—第一压力计，32—第二压力计，33—第三压力计，4—中间容器，5—启动压差单向阀，6—填砂箱，7—密封透明桶，81—第一恒速泵，82—第二恒速泵，9—量筒，10—气体流量计，11—气体回收装置，12—水槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图3所示，一种煤层气临界解吸的物理模拟系统及方法，包括

一种煤层气临界解吸的物理模拟系统，包括：吸附气模拟系统、煤层水饱和系统、临界解吸模拟系统、井筒排采模拟及气液流速测量系统，所述吸附气模拟系统的右端通过管线连接临界解吸模拟系统的左端，临界解吸模拟系统的右端通过管线连接井筒排采模拟及气液流速测量系统，所述煤层水饱和系统通过管线连接临界解吸模拟系统的下端；

所述吸附气模拟系统包括高压气瓶1、中间容器4，所述高压气瓶1通过管线连接中间容器4的入口端，所述高压气瓶1与中间容器4连接的管线上设有第一针型阀21、第一压力计31；

所述高压气瓶1为系统提供一定压力的气体，将高压气瓶1中的气体通入中间容器4可以模拟吸附气量，所述中间容器4的体积为5L，可承压8MPa，通过第一针型阀21可以封闭中间容器4中的气体，通过第一压力计31可以测量中间容器4中的压力变化。

所述煤层水饱和系统包括水槽12、第二恒速泵82，所述第二恒速泵82的入口端通过管线连接水槽12，出口端通过管线连接填砂箱6的下端，所述第二恒速泵82与填砂箱6连接的管线上设有第二压力计32、第三针型阀23；

通过第二恒速泵82将水槽12中的水泵入填砂箱6内，通过第二压力计32测量饱和水过程的最终压力和实验开始时填砂箱6内的初始压力，通过关闭第三针型阀23封闭填砂箱6中的水供给。

所述井筒排采模拟及气液流速测量系统包括密封透明桶7、第一恒速泵81、量筒9以及气体回收装置11，所述第一恒速泵81的入口端通过管线连接密封透明桶7的底端，出口端通过管线连接量筒9；所述密封透明桶7的上端密封，并通过管线连接气体回收装置11，所述密封透明桶7与气体回收装置11连接的管线上设有第三压力计33、气体流量计10；

通过第一恒速泵81将密封透明桶7中的水排出，所述密封透明桶7为圆柱形，直径为127mm，壁厚10mm，高度为3000mm，通过量筒9计量排出的水量，当系统开始产气时，通过第三压力计33测量密封透明桶中的压力，通过气体流量计10测量气体流量，通过气体回收装置11回收排出的气体。

所述临界解吸模拟系统包括第二针型阀22、填砂箱6，所述第二针型阀22的出口端通过管线连接并伸入填砂箱6，所述填砂箱6内的管线径向并排设置有启动压差单向阀5；

通过第二针型阀22控制中间容器4与启动压差单相阀5之间的连通程度，所述填砂箱6的尺寸为300mm×500mm×1000mm，其内填砂可以模拟多孔介质的渗流环境，所述启动压差单向阀(5)的数量至少为6个，但不限于6个，置于填砂箱6中间，通过耐压管线与第二针型阀22相连，启动压差单相阀5可以0.1Bar的压差条件下允许流体单向流动，当填砂箱6内水压下降时，水压与中间容器4中的气体压力差值达到阈值，启动压差单向阀5开启，使气体由中间容器4流入填砂箱6内，以此模拟临界解吸过程。

一种利用煤层气临界解吸的物理模拟系统的方法，包括以下步骤：

S1、填砂与饱和水过程：

1、筛取目径为50目砂200kg，并预先将沙粒用蒸馏水润湿，填入填砂箱6内；

2、打开第二恒速泵82，将水槽12中的水通入填砂箱6内，使得填砂箱6内饱和水，水完全淹没填砂箱6中的砂，至密封透明桶7中的水不溢出时，停止饱和水；

S2、吸附气模拟过程：

1、关闭第二针型阀22，打开第一针型阀21，通过高压气瓶1向中间容器4内充入一定量的气体，使得中间容器4内的压力为0.12MPa；

2、关闭第一针型阀21，通过第一压力计31测量中间容器4内的压力实时变化；

3、打开第二针型阀22，模拟煤层气产气过程；

S3、井筒排采过程：通过第一恒速泵81缓慢抽出密封透明桶7中的水，抽水速度为5.3ml/min；

S4、临界解吸及气液测量过程：不断测量通过第一恒速泵81缓慢抽出的水量，当气体产出后，通过第三压力计33测量密封透明桶7中的气体压力，通过气体流量计10测量气体流量，通过气体回收装置11回收实验中的气体。

试验结果如图2至图3所示，图2为第一压力计31、第二压力计32以及第三压力计33测得的压力变化，图3为通过量筒9获得的排水动态以及通过气体流量计10获得的产气动态。

图2中，第一压力计31的动态为先保持不变，而后减小，这表明气体的产出是在一定压降条件下才出现的；第二压力计32的变化是一直减小，代表了储层压力的不断降低；第三压力计33的动态为先保持为0，而后先增大后减小，这表明产气时在排水进行到一定程度后出现的，这种压力动态与煤层气生产的实际过程完全保持一致。同时，图3中的产气和产水曲线与煤层气数值模拟中的曲线形态完全一致。因此，可以说本发明装置的实验结果可以较好地反映煤层气生产实际过中的储层气-水流动过程以及气井的产量动态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。