专利名称：一种煤层气生产物理模拟装置及其模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种利用仿真手段对煤层气地面垂直井开发过程进行物理模拟的装置及其利用该装置进行模拟的方法，具体指一种煤层气生产物理模拟装置及其模拟方法。
背景技术：
目前，我国进行煤层气产能预测和评价主要通过两种途径进行，一是生产实验井，一是储层数值模拟。生产实验井是获得气井真实产能并进行评价的最准确的手段，但是由于生产实验 井是一次性的，一口井只能试验一种工作制度，而且一旦工作制度制定不合理，将无法获取 真实的产能，因此，利用开发试验井进行产能评价是一种非常昂贵的手段，而且不能尝试多 种气井工作制度，获取有效的气井产能；储层数值模拟是最经济的产能预测和评价手段， 但是数值模拟的前提是必须有真实生产数据进行历时拟合，构造最符合真实情况的储层模 型，其存在的缺点是(1)对新区块的煤层气产能无法进行评价，既便是有一定的生产试验 数据，但这些数据是否具有代表性仍值得考虑；(2)储层模拟具有多解性，同样一套生产数 据，可能会通过历史拟合产生不同储层模型，使数值模拟的准确性无法保证。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种煤层气生产物理模拟装置及其利用该装置 进行生产物理模拟的模拟方法，该装置及模拟方法可通过地面对模拟实验进行分析，进而 模拟出地层条件下的储层压力、瓦斯压力、气含量、水气饱和度及围压、井的工作制度、排水 采气过程，有效提高煤层气井产能计算的准确度，同时优化气井排采工作制度，降低产能评 价的风险和成本，保证煤层气安全高效的开发和利用。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种煤层气生产物理模拟装置，包括若干样品仓、恒温水浴系统、水气计量系统和 压力监测系统，压力监测系统接入有计算机，水气配置生产管路上连接有高压气瓶和高压 水泵，高压水泵同时还接入围压模拟管路，通过高压气瓶和高压水泵实现煤气层围压条件， 其特征在于样品仓通过水气配置生产管路相互连接一起形成模拟系统，模拟系统周围设 置恒温水浴系统，模拟系统的每个样品仓均接入围压模拟管路，围压模拟管路与样品仓端 部的水气配置生产管路上设置压力监测系统，模拟系统末端的水气配置生产管路上连接有 模拟井口，模拟井口另一端连接水气计量系统。上述水气配置生产管路上设置有控制样品仓串联、并联的阀门；围压模拟管路上 设置有控制高压水泵通断的阀门，模拟井口与高压水泵端头设置有控制模拟井口与高压水 泵通断的阀门。上述压力监测系统为设置在水气配置生产管路上与样品仓连接的压力表和设置 在围压模拟管路上的压力表，模拟管路上的压力表还与样品仓连接。上述样品仓包括一个外筒，外筒内设置有内套，内套前后端设置有压圈，外筒前后端螺纹连接有前端盖和后端盖，前端盖、后端盖和外筒上均设置有连接管，前端盖和后端盖 内均设置有密封垫圈。 上述恒温水浴系统包括水浴，水浴连接有温控装置，温控装置还依次连接增压泵 和加热器，增压泵和加热器的循环管道深入水浴。上述水气计量系统包括分离器，分离器一侧设置有气体计量装置，另一侧设置有 水计量装置，气体计量装置由一个集水气槽和锥形量瓶组成，锥形量瓶设置在集水气槽内 部，锥形量瓶与分离器相连接；水计量装置由一个恒压水槽和量筒组成，量筒设置在恒压水 槽内部与分离器相连接。上述煤层气生产物理模拟装置的模拟方法，包括如下操作步骤(1)制备样品；(2)将准备好的样品装入样品仓；(3)样品仓检漏；检漏合格，进行下一步；(4)启动恒温水浴系统，调整温度到实际储层温度，并通过循环加热方式使水浴温 度恒定；(5)模拟储层的气含量；(6)模拟储层压力；(7)模拟排采过程；(8)计量水气产量；从模拟井口产出的水和甲烷直接进入水气计量系统，分别进 行计量。(9)记录储层压力变化；当模拟井口打开时，煤层气生产物理模拟装置进入生产 状态，这时利用压力监测系统观测各节点处的压力变化情况并进行记录或采集。上述第5)步骤包括调整水气配置生产管路为模拟系统充气状态，充入甲烷气 体；当样品仓压力等于IMPa时，打开围压模拟管路同时施加围压，保证围压系统和储层压 力系统之间压差在0. 5-1. OMPa范围内，直到样品仓内压力等于实际储层的甲烷临界解吸 压力，并保持此时的充气压力和围压，直到样品仓内压力平衡。上述第6)步骤包括调整水气配置生产管路为模拟系统注水状态，注入来自储层 的地层水；注水时同时增加围压，使围压系统和储层压力系统之间压差在0. 5-1. OMPa范围 内，直到样品仓内压力达到实际储层压力。上述第7)步骤包括调整水气配置生产管路为模拟系统生产状态，打开模拟井 口，按照排采工作制度调整模拟井口处压力状态。本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果1、通过若干样品仓串联和并联实现模拟装置的充气、注水和生产三种状态，与样 品仓连接的围压模拟管路在系统最大工作压力下不泄漏，使全部样品仓达到实际的煤层气 储层的围压条件。2、在水气配置生产管路末端安装模拟井口，通过模拟井口还可以模拟煤层气生产 井产气时的井底压力状态，并且可通过调整阀控制模拟井口处的压力状态。3、通过设置的压力监测系统能够满足系统最大压力条件，并且安装在水气配置生 产管路上，能够实时显示节点压力，可以实现压力数据自动采集和远传到计算机进行处理。


图1是本发明的结构示意图。图2是样品仓结构示意图。
图3是恒温水浴原理图。图4是计量系统原理图。图5是注气状态示意图。图6是注水状态示意图。图7是生产状态示意图。图中，1-样品仓，2-恒温水浴系统，3-水气配置生产管路，4-围压模拟管路，5-模 拟井口，6-水气计量系统，7-压力监测系统，8-阀门，9-计算机，10压力表，11-外筒，12-内 套，13-前端盖，14-后端盖，15-连接管，16-密封垫圈，17-压圈，18-高压水泵，19-高压气 瓶，20-水浴，21-温控装置，22-增压泵，23-加热器，24-分离器，25-锥形量瓶，26-集水气 槽，27-量筒，28-恒压水槽。
具体实施例方式参见图1，一种煤层气生产物理模拟装置，包括若干样品仓1、恒温水浴系统2、水 气计量系统6和压力监测系统7，水气配置生产管路3上连接有高压气瓶19和高压水泵18， 高压水泵18同时还接入围压模拟管路4，通过高压气瓶19和高压水泵18实现煤气层围压 条件，样品仓1能够容纳长度500mm，直径45_50mm的煤芯，能够模拟储层围压15Mpa，能够 模拟储层压力8Mpa，样品仓1通过水气配置生产管路3相互连接一起形成模拟系统，水气 配置生产管路3上设置有控制样品仓1串联或并联的阀门8，通过控制阀门8的关闭、打开 实现模拟系统的充气、注水和生产三种状态，模拟系统周围设置恒温水浴系统2，恒温水浴 系统2使全部样品仓1达到实际的煤层气储层温度并恒温，模拟系统的每个样品仓1均接 入围压模拟管路4，围压模拟管路4在系统最大工作压力下不泄漏，使全部样品仓达到实际 的煤层气储层的围压条件，围压模拟管路4与样品仓1端部的水气配置生产管路3上设置 压力监测系统7，压力监测系统7接入有计算机9，能够实时显示节点压力，压力监测系统7 为设置在水气配置生产管路3与样品仓1连接的压力表和设置在围压模拟管路4上的压力 表，模拟管路4上的压力表还与模拟系统端部的样品仓1连接，压力监测系统7的各压力表 可以实现压力数据自动采集并远传入计算机9进行分析和处理，模拟系统末端的水气配置 生产管路上连接有模拟井口 5，模拟井口 5可以模拟煤层气生产井产气时的井底压力状态， 通过调整模拟井口 5处的阀门8控制模拟井口 5处的压力状态，模拟井口 5另一端连接水 气计量系统6，水气计量系统连接在模拟井口 5末端，能够分别计量水和气的产出，计量中 可以保证气体在零压差下读数，模拟井口 5与高压水泵18端头设置有模拟井口 5，模拟井口 5处设置有控制与其高压水泵18通断的阀门8。参见图2，本发明的样品仓包括一个外筒11，外筒11内设置有胶皮内套12，内套 12前后端设置有胶皮压圈17，外筒11前后端螺纹连接有前端盖13和后端盖14形成密闭 空间，用于模拟地层围压，内套12装入样品，通过前、后端盖密封后，形成密闭空间，用于模 拟储层压力、气含量、水饱和度，样品仓前端盖13和后端盖14内均设置有密封垫圈16，前端 盖、后端盖和外筒上均设置有连接管15，前端盖、后端盖分别通过水气配置生产管路3与其他若干样品仓1连接，水气配置生产管路3与高压气瓶19、高压水泵18、模拟井口5连接实 现储层压力条件，外筒11上的连接管15接入围压模拟管路4，实现模拟系统样品仓1的围 压条件。参见图3，本发明的恒温水浴系统包括水浴20，水浴连接有温控装置21，温控装置 21还依次连接增压泵22和加热器23，增压泵22和加热器23的循环管路深入水浴20，恒温 水浴可容纳整个模拟装置，当水浴温度下降时，温控制装置21启动增压泵22，使水通过循 环管路与加热器23发生热交换，保持水浴恒温。参见图4，本发明的气/水计量系统包括分离器24，分离器24 —侧设置有气体计 量装置，另一侧设置有水计量装置，气体计量装置由一个集水气槽26和锥形量瓶25组成， 锥形量瓶25设置在集水气槽26内部，锥形量瓶25与分离器24相连接；水计量装置由一个 恒压水槽28和量筒27组成，量筒27设置在恒压水槽26内部与分离器24相连接。本发明的系统通过将全部样品仓1连接，使全部样品仓1达到实际的煤层气储层 压力和气含量条件时，通过阀门8控制样品仓1之间的串联或并联，进而实现模拟装置的充气、注水和生产三种状态。参见图5，充气状态的操作控制水气配置生产管路3和围压模拟管路4及模拟井口 5中的各阀门8如图5所 示状态，通过控制阀门使样品仓相互并联，实现模拟装置的充气状态。充气过程中围压模拟管路4保持打开状态，模拟井口5保持关闭状态，根据样品仓1内压与围压之差调整围压，使压差稳定在IMPa左右。参见图6，注水状态的操作控制水气配置生产管路3和围压模拟管路4及模拟井口 5中的各阀门8如图6所 示状态，通过控制阀门使样品仓1相互串联，实现模拟装置的注水状态。注水过程中围压模 拟管路4保持打开状态，模拟井口5保持关闭状态，根据样品仓1内压与围压之差调整围压，使压差稳定在IMPa左右。参见图7，生产状态的操作控制水气配置生产管路3和围压模拟管路4及模拟井口 5中的各阀门8如图7所 示状态，实现模拟装置的生产状态。此时模拟井口5保持关闭状态，由于在生产状态围压不 会变化，所以围压模拟管路4是关闭的；但如果设定值的围压在降低的情况下，生产过程中围压模拟管4路根据需要打开或关闭，即当围压值低于设定值0. 5MPa时，应打开围压模拟 管路4及时补充围压，当围压达到预定值时，关闭围压模拟管路，保证整个生产过程中围压不变。本发明的煤层气生产物理模拟装置的模拟方法，包括如下操作步骤，(1)制备样品样品直径45-50mm，样品长度500mm ；如果无法取得足够长度的连续样品，可以用最多3节长度不小于150mm的短样品拼接到500mm长度，但直径必须一致，且为45-50mm，要求短样品的断面与轴线垂直、平整、清洁、无煤粉和其它杂质；实验使用的样品要求新鲜，样品在空气中暴露时间小于15小时；(2)将准备好的样品装入样品仓1 ；(3)样品仓1检漏装样后的样品仓1能够保证围压系统、储层压力系统、外界之间相互不串通，将若干(一般多于2个)样品仓1组成的模拟系统连接到置于恒温水浴系统2内的水气配置生产管路3和围压模拟管路4上，并检查密封性，检验合格，进行下一步；(4)启动恒温水浴系统2，调整温度到实际储层温度，并通过循环加热方式使水浴 温度恒定；(5)模拟储层的气含量调整水气配置生产管路3为模拟系统充气状态，充入甲烷 气体；当样品仓压力等于IMPa时，打开围压模拟管路4同时施加围压，保证围压系统和储层 压力系统之间压差在0. 5-1. OMPa范围内，直到样品仓1内压力等于实际储层的甲烷临界解 吸压力，并保持此时的充气压力和围压，直到样品仓内压力平衡。(6)模拟储层压力；调整水气配置和生产管路3为模拟系统注水状态，注入来自储 层的地层水；注水时同时增加围压，使围压系统和储层压力系统之间压差在0. 5-1. OMPa范 围内，直到样品仓1内压力达到实际储层压力；(7)模拟排采过程调整水气配置生产管路3为模拟系统生产状态，打开模拟井口 5，按照设计的排采工作制度调整模拟井口处压力状态；(8)计量水气产量将从模拟井口 5产出的水和甲烷直接进入水气计量系统6，分 别进行计量；(9)记录储层压力变化当模拟井口 5打开时，煤层气生产物理模拟装置进入生产 状态，这时利用压力监测系统7观测各节点处的压力变化情况并进行记录或采集。
权利要求
一种煤层气生产物理模拟装置，包括若干样品仓(1)、恒温水浴系统(2)、水气计量系统(6)和压力监测系统(7)，压力监测系统(7)接入计算机(9)，水气配置生产管路(3)上连接有高压气瓶(19)和高压水泵(18)，高压水泵(18)同时还接入围压模拟管路(4)，其特征在于样品仓(1)通过水气配置生产管路(3)相互连接一起形成模拟系统，模拟系统周围设置恒温水浴系统(2)，模拟系统的每个样品仓(1)均接入围压模拟管路(4)，围压模拟管路(4)与样品仓(1)端部的水气配置生产管路(3)上设置压力监测系统(7)，模拟系统末端的水气配置生产管路(3)上连接有模拟井口(5)，模拟井口(5)另一端连接水气计量系统(6)。
2.根据权利要求1所述的一种煤层气生产物理模拟装置，其特征在于所述气/水配 置生产管路(3)上设置有控制样品仓(1)串联并联的阀门(8)；围压模拟管路(4)上设置 有控制高压水泵(18)通断的阀门(8)，模拟井口(5)与高压水泵端头设置有控制模拟井口 (5)与高压水泵(18)通断的阀门(S)0
3.根据权利要求1所述的一种煤层气生产物理模拟装置，其特征在于所述压力监测 系统(7)为设置在水气配置生产管路(3)上与样品仓(1)连接的压力表和设置在围压模拟 管路(4)上的压力表，模拟管路(4)上的压力表还与样品仓(1)连接。
4.根据权利要求1所述的一种煤层气生产物理模拟装置，其特征在于所述样品仓(1) 包括一个外筒(11)，外筒(11)内设置有内套(12)，内套(12)前后端设置有压圈(17)，外筒 (11)前后端螺纹连接有前端盖(13)和后端盖(14)，前端盖(13)、后端盖(14)和外筒(11) 上均设置有连接管(15)，前端盖(13)和后端盖(14)内均设置有密封垫圈(16)。
5.根据权利要求1所述的一种煤层气生产物理模拟装置，其特征在于所述恒温水浴 系统(2)包括水浴(20)，水浴(20)连接有温控装置(21)，温控装置(21)还依次连接增压 泵(22)和加热器(23)，增压泵(22)和加热器(23)的循环管路深入水浴(20)。
6.根据权利要求1所述的一种煤层气生产物理模拟装置，其特征在于所述气/水计 量系统(6)包括分离器(24)，分离器(24) —侧设置有气体计量装置，另一侧设置有水计量 装置，气体计量装置由一个集水气槽(26)和锥形量瓶(25)组成，锥形量瓶(25)设置在集 水气槽(26)内部，锥形量瓶(25)与分离器(24)相连接；水计量装置由一个恒压水槽(28) 和量筒(27)组成，量筒(27)设置在恒压水槽(28)内部与分离器(24)相连接。
7.如权利要求1所述的一种煤层气生产物理模拟装置的模拟方法，包括如下操作步骤1)制备样品；2)将准备好的样品装入样品仓；3)样品仓1检漏；4)启动恒温水浴系统2，调整温度到实际储层温度，使水浴温度恒定；5)模拟储层的气含量；6)模拟储层压力；7)模拟排采过程；8)计量水气产量；将从模拟井口(5)产出的水和甲烷直接进入水气计量系统(6)，分别进行计量；9)记录储层压力变化当模拟井口打开时，煤层气生产物理模拟装置进入生产状态，这时利用压力监测系统 观测各节点处的压力变化情况并进行记录或采集。
8.根据权利要求7所述的一种煤层气生产物理模拟装置的模拟方法，其特征在于所 述第5)步骤包括调整水气配置生产管路(3)为模拟系统充气状态，充入甲烷气体；当样 品仓(1)压力等于IMPa时，打开围压模拟管路(4)同时施加围压，保证围压系统和储层压 力系统之间压差在0. 5-1. OMPa范围内，直到样品仓内压力等于实际储层的甲烷临界解吸 压力，并保持此时的充气压力和围压，直到样品仓内压力平衡。
9.根据权利要求7所述的一种煤层气生产物理模拟装置的模拟方法，其特征在于所 述第6)步骤包括调整水气配置生产管路(3)为模拟系统注水状态，注入来自储层的地层 水；注水时同时增加围压，使围压系统和储层压力系统之间压差在0. 5-1. OMPa范围内，直 到样品仓(1)内压力达到实际储层压力。
10.根据权利要求7所述的一种煤层气生产物理模拟装置的模拟方法，其特征在于所 述第7)步骤包括调整水气配置生产管路(3)为模拟系统生产状态，打开模拟井口(5)，按 照排采工作制度调整模拟井口处压力状态。
全文摘要
本发明涉及一种煤层气生产物理模拟装置及其模拟方法。现有生产实验井和数值模拟在生产模拟时，不仅成本高，同时数值模拟准确性无法保证。本发明的煤层气生产物理模拟装置及模拟方法，该装置包括样品仓、恒温水浴系统、气/水计量系统和压力监测系统，样品仓通过气/水配置生产管路相互连接形成模拟系统，模拟系统周围设置恒温水浴系统，模拟系统的样品仓均接入围压模拟管路，样品仓端部的气/水配置生产管路上设置压力监测系统，模拟系统末端的气/水配置生产管路上连接模拟井口，模拟井口连接气/水计量系统。本发明通过上述装置及模拟方法，对充气、注水和生产状态进行模拟，不仅优化气井排采工作制度、降低成本，同时保证煤层气安全高效开发。
文档编号G01N33/22GK101799466SQ20101010152
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者姚克, 姚宁平, 张新民, 韩保山 申请人:煤炭科学研究总院西安研究院