煤层气垂直井水力压裂过程煤粉产出测试装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤层气安全生产技术领域，尤其涉及一种煤层气垂直井水力压裂过程煤粉产出测试装置与方法。
【背景技术】
[0002]煤层气作为一种清洁能源日益受到重视，但我国煤储层原始渗透率普遍较低，于此决定了煤储层压裂改造增透在我国煤层气开发中具有非常重要的作用。我国煤层结构相对复杂，在压裂过程中煤层易受到扰动产生煤粉，煤粉产出可能导致裂缝宽度减少或堵塞裂缝，使煤储层导流能力显著降低，影响了后期的产气量。
[0003]煤储层属性参数(主要包括煤层厚度、岩石力学性质、煤层段力学性质组合等)等的差异和压裂工艺参数(主要包括压裂液压力、压裂液排量、压裂液类型等)等差异造成了压裂过程中煤粉产出量和产出粒径的差异，这些差异引起煤储层裂隙导流能力的影响不同。为了研究煤层气垂直井水力压裂过程中这些参数对煤粉产出量的影响，一些研究者进行了理论推导和简单的模拟实验，由于实验测试装置简单，导致实验时无法进行煤粉的提取，更无法较准确的模拟煤层真实情况下受力状态，更不能测出煤粉的产出量和粒度分布特征，导致研究成果在指导现场开发时存在较大偏差。因此，迫切需要研制一套测试系统，能对不同煤储层参数、不同压裂工艺参数下煤粉产出量及产出粒径进行准确的测试，并为优化压裂工艺参数，减少煤层气垂直井水力压裂过程中煤粉产出量，降低煤粉产出对储层的伤害，提高煤层气井排采效率和产气量提供有力支撑。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种能够准确的模拟不同煤层厚度、煤层力学参数、不同煤层组合、不同水力压裂参数下煤粉产出量、产出粒径对裂隙通道及储存渗透率的影响的煤层气垂直井水力压裂过程煤粉产出测试装置与方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:煤层气垂直井水力压裂过程煤粉产出测试装置，包括压裂动力系统、地层模拟系统、压裂模拟系统、煤粉分离测试系统和总控制系统;压裂动力系统的出口与压裂模拟系统的进口连接，压裂模拟系统的出口与煤粉分离测试系统的进口连接，地层模拟系统的动力输出端与压裂模拟系统的动力输入端顶压配合，总控制系统通过总数据线分别与压裂动力系统、地层模拟系统、压裂模拟系统和煤粉分离测试系统连接。
[0006]压裂动力系统包括压裂动力控制器、高压气瓶组、气体增压组和注水装置;高压气瓶组包括若干高压气瓶，所有的高压气瓶由第一高压气管串联，第一高压气管上设有邻近高压气瓶的气瓶控制阀和气瓶压力表，第一高压气管出气口处设有气压计和电动气压阀；注水装置包括第一高压水管和储水池，第一高压水管的进水口与储水池连接，第一高压水管沿水流方向依次设有压裂过滤器、水栗机组和流量计，压裂过滤器位于储水池内部;气体增压组包括若干个气体增压装置，气体增压装置包括气体增压室和增压活塞，所有的气体增压室经第二高压气管并联后与第一高压气管的出气口连接，第二高压气管上设有邻近气体增压室的自动充气控制阀，气体增压室上设有第一压力传感器，增压活塞沿垂直方向滑动连接在气体增压室内，所有气体增压室底部通过第二高压水管并联后与第一高压水管的出水口连接，第二高压水管上设有邻近气体增压室的回流阀；
压裂动力控制器通过第一数据线分别与气瓶控制阀、气压计、电动气压阀、自动充气控制阀、水栗机组、流量计和第一压力传感器连接，压裂动力控制器与总控制系统通过总数据线连接。
[0007]地层模拟系统包括地层压力模拟控制器和三组自动液压顶推装置，每组自动液压顶推装置包括供液装置、伺服增压装置和自控液压千斤顶；
自控液压千斤顶包括液压室、顶杆、推进活塞和活塞密封套，液压室顶部设有上通孔，液压室中部水平设有密封隔板，密封隔板将液压室内腔上下分隔为降压腔和增压腔，密封隔板上设有下通孔，密封隔板上表面设有位于下通孔上方的密封筒，顶杆自上而下依次穿过上通孔、密封筒和下通孔后与增压腔内的推进活塞连接，推进活塞的外缘与液压室内壁紧密贴合，活塞密封套套设在位于密封筒内的顶杆上，活塞密封套的外缘与密封筒内壁紧密贴合，液压室上分别设有与降压腔连通的降压孔和与增压腔连通的增压孔，增压孔位于液压室底部；
供液装置包括充液油管、反排油管和充液油箱，充液油箱上设有充液液位感应器，充液油管的进油端与充液油箱连接，充液油管沿油流方向依次设有充液过滤器和充液油栗组，并且充液油管在与充液油栗组连接后分为两个分支，一个分支为增压油管，另一个分支为降压油管，增压油管上沿油流方向依次设有增压控制器、第一反排阀和增压阀，增压油管的出油端通过增压孔与增压腔连通，降压油管上沿油流方向依次设有降压控制器、第二反排阀和降压阀，降压油管的出油端通过降压孔与降压腔连通;反排油管一端与充液油箱连接，反排油管另一端将第一反排阀和第二反排阀并联，反排油管上从与充液油箱连接一端到反排油管另一端依次设有充液冷却器、充液溢流阀和充液压力表；
伺服增压装置包括伺服管道、第一油管、第二油管和伺服油箱，伺服油箱上设有伺服液位感应器，第一油管一端和第二油管一端均与伺服油箱连接，第一油管另一端和第二油管另一端连接后与伺服管道一端连接，伺服管道另一端与增压控制器连接，伺服管道上沿从伺服管道一端到与增压控制器连接的另一端的方向上依次设有储能器、伺服阀和油液增压室，第一油管上沿从第一油管一端到与伺服管道连接的另一端的方向上依次设有伺服精密过滤器和伺服油栗机组，第二油管上沿第二油管一端到与伺服管道连接的另一端的方向上依次设有伺服冷却器、伺服溢流阀和伺服液压表；
地层压力模拟控制器通过第二数据线分别与油液增压室、伺服油栗机组、伺服溢流阀、伺服液位感应器、伺服液压表、增压控制器、降压控制器、充液压力表、充液溢流阀、充液液位感应器和充液油栗机组连接，地层压力模拟控制器与总控制系统通过总数据线连接。
[0008]所有的气体增压室底部经第三高压水管并联后与压裂模拟系统的液体输入端连接，第三高压水管上设有邻近气体增压室的高压水控制阀，高压水控制阀与压裂动力控制器通过第一数据线连接;压裂模拟系统包括试样、压裂管、压裂室、顶盖、抗压垫板、煤粉槽和底座，压裂室由钢板焊接围成，压裂室顶部敞口，顶盖可拆卸连接在压裂室顶部，底座位于压裂室底部，煤粉槽位于底座上，试样位于煤粉槽上方的压裂室内，试样上表面、左表面和右表面均设有筛孔结构的抗压垫板，所述地层模拟系统上的自控液压千斤顶位于压裂室与抗压垫板之间，并且自控液压千斤顶的伸缩端与抗压垫板顶压配合，自控液压千斤顶的底部与压裂室内壁顶压配合，自控液压千斤顶的底部上设有第二压力传感器，第二压力传感器通过总数据线与总控制系统连接，压裂模拟系统的液体输入端为压裂管一端，压裂管另一端穿过顶盖并伸入到试样内部，压裂管上设有射孔。
[0009]煤粉槽的底部设有第一连接管道，第一连接管道伸出压裂室并与煤粉分离测试系统的输入端连接;煤粉分离测试系统包括第二连接管道、支架、沉淀池、集线器和温度控制器，支架内自上而下间隔设有三组煤粉分离器，煤粉分离器包括筛管，筛管上套设有接引槽和位于接引槽下方的固定螺母，接引槽上设有电阻丝和温度传感器，电阻丝和温度传感器分别通过数据线与集线器连接，集线器通过第三数据线与温度控制器连接，温度控制器与总控制系统通过总数据线连接；
所述的煤粉分离测试系统的输入端为第二连接管道一端，第一连接管道通过卡环与第二连接管道连接，第二连接管道伸入到支架内并通过卡箍与最上方的煤粉分离器的筛管连接，两个相邻的筛管通过卡箍连接，三段筛管上均设有出孔，筛管上在卡箍与接引槽之间倾斜设有筛板，筛板下端从出孔伸出，三块筛板的孔径从上到下逐渐变小;最下方的筛管下端通过第三连接管道与支架外的沉淀池连接。
[0010]所述的煤层气垂直井水力压裂过程煤粉产出测试方法，包括如下步骤:
(1)根据试验需求制作试样，试样为单一煤层模拟试样和不同煤层模拟试样;具体利记博彩app为:选取煤样，将煤样破碎制成煤粉，筛选煤粉，选取不同粒径的煤粉进行胶结、压制成长方体状煤样，煤样中进行钻孔，钻孔的直径与压裂管的外管径相同，最终得到不同煤层模拟试样;选取同等粒径的煤粉进行胶结、压制成长方体状煤样，煤样中进行钻孔，钻孔的直径与压裂管的外管径相同，最终得到单一煤层模拟试样；
(2)将制作的若干单一煤层模拟试样和若干不同煤层模拟试样分为两组，进行力学性质测试，得出试样的力学参数；
(3)连接试验装置，对压裂动力系统进行气密性检测，具体气密性检测方法为:通过控制总控制系统间接关闭高压水控制阀并打开水栗机组，水栗机组通过第一高压水管抽取储水池内的水，水经过过滤器过滤后经第一高压水管进入气体增压室，当气体增压室内的水达到一定压力时，压裂动力控制器停止水栗机组工作，回流阀自动关闭，然后通过控制总控制系统间接打开气瓶控制阀和自动充气控制阀，高压气瓶组由第一高压气管向气体增压室注入高压气，高压气推动增压活塞开始对气体增压室增压，通过观察第一高压气管上的气压计上的气压变化对压裂动力系统的气密性进行检测，检测完毕后开始进行实验；
(4)将制作的若干单一煤层模拟试样和若干不同煤层模拟试样分为两组，并进行模拟不同煤储层特征条件下水力压裂过程中产出煤粉情况；
(5)通过设定压裂工艺参数结合实验分组，测试出不同压裂工艺参数情况下煤粉产出量和产出粒径，对比分析煤粉产出与不同压裂工艺