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原文传递非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置及方法

专利名称：	非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置及方法
摘要：	本发明涉及一种非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，包括氮气钢瓶、空气压缩机、上气管路、回气管路、测试装置、氮气收集瓶、液压驱动系统及数据处理终端，氮气钢瓶通过导流管与空气压缩机相互连通，空气压缩机通过上气管路与测试装置串联，测试装置通过回气管路与氮气收集瓶相互连通。其测试方法包括预制基质块，设备组装，气密性检测、实验检测及设备复位等五个步骤。本发明一方面可模拟测试出不同储层裂隙发育程度、不同储层压力下注氮气后其运移路径；另一方面可测试出不同围压下，氮气注入不同孔裂隙发育的储层后储层压力、储层渗透率的变化特征，能为现场氮气注入参数优化提供实验支撑。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	河南;41
申请人：	河南理工大学
发明人：	倪小明;赵政;金毅;林俊峰;刘晓
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910480863.6
公开号：	CN110044799A
代理机构：	郑州浩德知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	王国旭
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	454000 河南省焦作市高新区世纪大道2001号
主权项：	1.非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置包括氮气钢瓶、空气压缩机、上气管路、回气管路、测试装置、氮气收集瓶、液压驱动系统及数据处理终端，其中所述氮气钢瓶至少一个，各氮气钢瓶均相互并联，所述氮气钢瓶通过导流管与空气压缩机相互连通，所述空气压缩机分别通过至少两条上气管路与测试装置串联，所述测试装置另通过至少两条回气管路与至少一个氮气收集瓶相互连通，所述导流管与氮气钢瓶、空气压缩机连通位置、上气管路与空气压缩机之间、测试装置及回气管路之间及回气管路和氮气收集瓶间均通过控制阀相互连通，所述液压驱动系统通过导流管与测试装置相互连通，所述数据处理终端分别与上气管路、回气管路、测试装置、液压驱动系统及控制阀电气连接。 2.根据权利要求1所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的上气管路包括导气管、气体缓冲瓶、减压阀、压力计、流量计及控制开关，其中所述气体缓冲瓶一端通过导气管与空气压缩机连通，另一端通过导气管与测试装置连通，且所述测试装置与气体缓冲瓶之间的导气管上分别设减压阀、压力计、流量计，且所述导气管与气体缓冲瓶间均通过一个控制开关相互连通，所述减压阀、压力计、流量计及控制开关均与数据处理终端电气连接。 3.根据权利要求1所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的回气管路包括导气管及控制开关，其中所述导气管通过控制开关分别与测试装置和氮气收集瓶相互连通，且各回气管路之间均通过多通阀与氮气收集瓶相互连通。 4.根据权利要求1所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的测试装置包括裂隙宽度控制模拟箱、渗透率及氮气运移路径测试箱及密封端盖，其中所述裂隙宽度控制模拟箱、渗透率及氮气运移路径测试箱前端面及后端面均与密封端盖相互连接并构成密闭腔体结构，且裂隙宽度控制模拟箱后端面与渗透率及氮气运移路径测试箱前端面间通过密封端盖相互连通。 5.根据权利要求4所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的裂隙宽度控制模拟箱包括橡胶套管、金属承载柱、密封端盖、裂隙控制板、中间连通轴、单向气体压差控制阀、应力感应垫片、相似材料填充物，其中所述金属承载柱为空心圆柱管状结构，所述橡胶套管包覆在金属承载柱外并同轴分布，且橡胶套管、金属承载柱两端分别与密封端盖相互连通并构成密闭腔体结构，所述中间连通轴和裂隙控制板均嵌于金属承载柱内，且两端分别与密封端盖相抵，其中中间连通轴与金属承载柱同轴分布，裂隙控制板若干环绕中间连通轴轴线均布，并将金属承载柱内部均分为至少三个相似材料装填室和至少三个实验参数调节室，且所述相似材料装填室、实验参数调节室环绕金属承载柱轴线均布，且相似材料装填室和实验参数调节室之间相互间隔分布，所述裂隙控制板侧表面设至少一个进气口和至少一个排气口，并通过进气口和排气口与至少一个单向气体压差控制阀相互连通，且各单向气体压差控制阀均分别位于各实验参数调节室内，且相邻两个相似材料装填室间通过单向气体压差控制阀相互连通，所述相似材料装填室对应的密封端盖上设导气口，其中位于金属承载柱前端面密封端盖的导气口与一条上气管路连通，位于金属承载柱后端面密封端盖的导气口与渗透率及氮气运移路径测试箱连通，所述相似材料填充物嵌于相似材料装填室内，所述应力感应垫片若干，分别嵌于各相似材料装填室的相似材料填充物内，且同一相似材料填充物内的各应力感应垫片以相似材料装填室中线对称分布并与裂隙控制板板面平行分布，所述裂隙控制板位于似材料装填室内的侧表面上均布若干裂隙压裂控制条，其中裂隙压裂控制条与裂隙控制板侧表面通过液压囊袋相互连接并与裂隙控制板侧表面平行分布，且所述液压囊袋通过导流管与液压驱动系统相互连接，所述单向气体压差控制阀均分别与数据处理终端电气连接。 6.根据权利要求4所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的密封端盖包括承载基体、主弹性密封环、辅助弹性密封条，其中所述主弹性密封环位于承载基体同轴分布的密闭环状结构，并包覆在裂隙宽度控制模拟箱、渗透率及氮气运移路径测试箱外表面，所述辅助弹性密封条于承载基体下端面与相似材料装填室对应的位置处，并呈网状结构分布，且所述承载基体对应相似材料装填室位置处均设一个导气口，并通过导气口与相似材料装填室连通；所述的渗透率及氮气运移路径测试箱包括承载腔、控制开关、导流支管、检测流量计及检测压力计，其中所述承载腔为空心管状结构，其两端分别与密封端盖连接并构成密闭腔体结构，所述控制开关、导流支管、检测流量计均位于承载腔内，其中所述检测流量计数量与相似材料装填室数量一致，且每个检测流量计均通过导流支管与一个相似材料装填室相互连通，且所述检测流量计与相似材料装填室之间的导流支管上设一个控制开关和一个检测压力计，所述检测流量计通过导流支管与回气管路相互连通，所述检测流量计及检测压力计均分别与数据处理终端电气连接。 7.根据权利要求1所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述的数据处理终端为基于工业计算机、个人计算机、移动智能终端设备中的任意一种。 8.非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置的测试方法，其特征在于，所述非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置的测试方法包括以下步骤： S1，预制基质块，完成S1步骤后，选取三种不同类别的含煤岩系相似材料及应力感应垫片及一同填充到测试装置的裂隙宽度控制模拟箱的各相似材料装填室内，并以1—10kg/cm的恒压力对填充的含煤岩系相似材料进行压实塑形，制备得到基质块，然后将裂隙宽度控制模拟箱的金属承载柱和基质块一同卸除，直接由橡胶套管和密封端盖构成的密闭腔体备用； S2，设备组装，首先根据需要对括氮气钢瓶、空气压缩机、上气管路、回气管路、测试装置、氮气收集瓶、液压驱动系统及数据处理终端进行组装，并将液压驱动系统及数据处理终端分别与外部电源电路电气连接，完成本新型装配； S3，气密性检测，完成S2步骤后，首先将测试装置的裂隙宽度控制模拟箱的各相似材料装填室前后对应进气口压力计、进气口气体流量计、出口端压力计、出口端气体流量计命名为12-1、13-1、26-1、27-1/12-2、13-2、26-2、27-2/12-3、13-3、26-3、27-3，然后开始气密性检测，在检测作业时：首先，打开氮气运移路径及储层渗透率变化模拟测试系统减压阀、进气口开关、测试系统开关、出口端开关，计算机控制将实验测试模具内裂隙调到最多宽度处，调节各单向气体压差控制电磁阀为最小值，让氮气可以在整个实验测试磨具内随意流动，打开氮气瓶减压阀，调节进气口减压阀设定1MPa的注入压力驱替测试系统及管线内空气，驱替时间不低于30分钟，驱替稳定后，各进气口气体流量计示数之和S进＝S13-1+S13-2+S13-3与各出口端气体流量计示数之和S出＝S27-1+S27-2+S27-3相等或其差值在0附近上下跳动可判定装置气密性完好；然后，驱替结束后，关闭出口端开关、进气口开关，此时氮气运移路径及储层渗透率变化模拟测试系统是一个闭路，憋压10分钟后，进气口压力计与出口端压力计示数保持相对稳定或进气口压力计示数缓慢下降时，同样认为装置气密性良好；最后，在完成检测病满足气密性需要后，则系统整体气密性可满足实验需要，即可进行一步骤操作； S4，实验检测，在完成保压实验后，将S1步骤制备的基质块装填到相应测试装置的裂隙宽度控制模拟箱的各相似材料装填室内中，然后恢复设备连接，并对各相似材料装填室外部施加围压，然后调整裂隙宽度控制模拟箱的各单向气体压差控制阀，使各相似材料装填室间相互隔离并独立运行，然后由液压驱动系统驱动裂隙宽度控制模拟箱的裂隙压裂控制条位移，对基质块进行挤压造隙作业，并在完成造隙作业后对裂隙压裂控制条进行定位，在完成裂隙制造后即可进行检测实验，并在完成检测试验后，回到S3步骤对系统进行气密性检测，并同时对系统中残存的氮气进行驱替； S5，设备复位，在完成检测试验后，回到S3步骤对系统进行气密性检测，并同时对系统中残存的氮气进行驱替，然后对氮气收集瓶中回收氮气进行回收，再同对测试装置及氮气收集瓶进行清理后即可对设备重新组装，从而完成设备复位备用。 9.根据权利要求8所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述S4步骤，具体试验步骤包括以下内容：第一步，设备预制，将各隙宽度控制模拟箱的各单向气体压差控制电磁阀调到最大值处，使各相似材料装填室之间不能相互连通，每一个相似材料处在一个单独的测试系统中，从而测试每一个相似材料的初始渗透率；第二步，初始数据测试，首先将氮气钢瓶将内氮气气压通过空气压缩机和减压阀调整至1MPa，根据数据处理采集系统内记录各三个相似材料装填室的进气口压力计示为数P1,出口端压力计示数P2及单位时间内出口端气体流量计示数1，大气压力P0，氮气气体粘度μ和相似材料长度L等参数，并结合渗透率计算经典公式：分别计算各基质块设定的初始渗透率，并分别计为K1，K2，K3，并在测试结束后关闭氮气瓶减压阀；然后，根据第二步得到的各基质块初始渗透率K1，K2，K3，并结合渗透率与阻力梯度之间公式λ＝0.0701k-0.4481；设定每一各基质块两端出气方向单向气体压差控制电磁阀的压差为P＝X·λ，其中X为实验设计模拟测试的该含煤岩系地层厚度；最后，按具体实验设计调节各相似材料装填室进气口压力值，通过空气压缩机和减压阀调整氮气压力、注入量、测试时间参数；然后将氮气分别注入到各相似材料装填室内进行检测，并获得各相似材料装填室进气口压力计示数、出口端压力计示数、单位时间内进气口气体流量计示数、单位时间内出口端气体流量计示数和应力感应片示数，且各参数会实时记录在数据收集处理系统中；第三步，数据计算，对各相似材料装填室内基质块根据第二部获取的其前后对应进气口压力计示数、出口端压力计示数、单位时间内出口端气体流量计示数，然后结合第二部中渗透率计算经典公式：可直接对三种基质块相互连通后其渗透率K1、K2、K3的动态变化进行测试；然后，根据对单位时间内进气口气体流量计示数和出口端气体流量计示数求差，切当计算结果为正数时，计算结果为在氮气注入过程中单位时间该基质块通过单向气体压差控制电磁阀向邻近层运移的氮气量；当计算结果为负数时，计算结果为邻近层向本层运移的氮气量；以此来监测注氮气过程中氮气的运移路径；第四步，重复试验，完成试验后，可返回至S1步骤，对全新基质块进行再次检测，直至检测结果满足使用需要为止，即可结束试验检测作业。 10.根据权利要求9所述的非均质含煤岩系注氮运移路径及渗透率测试装置，其特征在于：所述第三步中，如要进一步实时精确测试各相似材料在不同氮气注入压力、注入量、注入时间等条件下向相邻相似材料或由相邻相似材料向本层运移氮气的量，可以通过在各单向气体压差控制电磁阀后面都连接气体流量来实现。
所属类别：	发明专利