多种流态下煤粉运移沉降位置和速度实时测试装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿裂隙模拟技术领域，尤其涉及一种多种流态下煤粉运移沉降位置和速度实时测试装置及方法。

背景技术

我国拥有丰富的煤层气资源，开发利用煤层气对实现碳中和、碳达峰具有重要意义。目前煤层气地面开采的主要方式是钻井、压裂和排水降压实现气体的解吸产出。煤层是一种性脆、质软的多孔裂隙储层，煤层气井排采时，常伴随有煤粉的产出。产出的煤粉会在裂隙系统中沉降，使产出通道变窄甚至完全堵塞，最终影响了煤层气井的产气量。

为了得出煤粉在煤层裂隙系统内的沉降位置及运移规律，现场工作人员通过煤粉浓度检测仪器对产出液中的煤粉含量进行测试，以此来指导现场排采工作制度。检测井口产出的煤粉量更多是一种发生后的状态检测，无法进行预判并及时调整排采工作制度。科研工作者通过自制仪器，将煤样或相似材料放入三轴加载仪中，在一定压差下注入不同粒径的煤粉，通过测试产出的气、液情况来判断煤粉运移特征，但由于是黑箱，无法较真实的了解煤粉运移特征。同时在取样过程中由于受到扰动、机械破碎等影响致使原裂隙系统发生了改变，而且裂隙在原煤中无法进行实时观测，存在一定的局限性。还有一些科研工作者通过制作透明仪器，在相对开放环境中模拟煤粉或支撑剂的沉降过程，实验环境与现场实际存在较大差异，其模拟结果仅作为参考。一些科研工作者在在实验室通过圆形通道来模拟裂缝，通过调节气、液运移速度来进行煤粉运移物理模拟实验，这一种方法无法直接更改通道形状、围压大小，结果与实际会有一定差异。

为了实时测试出多种流态下不同粒径的煤粉在不同裂隙系统中的沉降位置、沉降速度、沉降量，为煤层气井不同压差、不同产液量、不同产气量等参数下排采制度提供理论指导，本次设计出一种多相流态下煤粉运移沉降位置及速度实时测试装置与方法，可以实时测试出煤粉沉降位置和沉降速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种多种流态下煤粉运移沉降位置和速度实时测试装置及方法，针对目前不同流速、多相态流动时，煤粉沉降位置不明、沉降速度和沉降量不清的问题，该装置能对不同流速、不同倾角、气/液等流态下煤粉沉降位置、沉降速度、沉降量进行实时监测，查明其沉降规律，为不同条件下合理排煤粉的制定提供理论指导。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多种流态下煤粉运移沉降位置和速度实时测试装置，包括混合注入系统、裂隙控制系统、煤粉运移监测系统和回收系统，所述裂隙控制系统包括一个腔体，腔体内中心设有裂隙管路，所述裂隙管路为柔性透明弹性管，腔体由竖直设置的隔板分隔成多个舱室，每个舱室由裂隙管路分为上舱室和下舱室，每个舱室内均设有一个活塞泵、一个活塞和一个截止阀，截止阀位于活塞泵出口管路上，每个上舱室的活塞由一个活塞泵控制，每个下舱室的活塞由一个活塞泵控制，上舱室内的活塞端部与下舱室内的活塞端部分别位于裂隙管路外壁，且裂隙管路长度大于腔体长度，所述裂隙管路通过围压输送管路与围压泵联通。

进一步的，所述混合注入系统包括高压气瓶，高压气瓶出口通过气体输送管道与恒速恒压泵联通，恒速恒压泵出口通过气体输送管道与气液分离器A联通，气液分离器A通过气体输送管道与裂隙管路联通，还包括一个煤粉混合箱，煤粉混合箱通过煤粉输送管路与液体容器联通，液体容器底部通过恒速恒压泵与外界水箱联通，液体容器顶部通过混合输送管道汇入裂隙管路，液体容器内还设有一个活塞，所述煤粉混合箱通过活塞泵提供动力。

进一步的，所述煤粉运移监测系统包括CCD 工业相机，CCD 工业相机将信号传输入计算机内。

进一步的，所述回收系统包括与裂隙管路出口连接的气液分离器B，与气液分离器B气体出口连接的气体收集器，还包括与气液分离器B液体出口连接的固液分离器，固液分离器液体出口与液体收集器连接。

进一步的，所述气体输送管道、煤粉输送管路和混合输送管道上均设有截止阀。

一种多种流态下煤粉运移沉降位置和速度实时测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1.制备样品，连接实验装置并进行气密性检查，设置实验参数；

S2.煤粉运移实验测试

a.裂隙通道形状、围压的设置：通过调节舱体内活塞的位置调节裂隙管路形状，打开止流阀通过围压泵向裂隙管路内部注入围压，达到实验要求；

b.调试图像采集分析系统：CCD工业相机进行调试，调整光源、对焦、标定，使其达到最佳拍摄状态；

c.煤粉、蒸馏水混合：水和煤粉按设定比例加入煤粉混合箱混合后通过活塞泵将煤粉混合箱内煤粉与液体的混合物注入到液体容器内并关闭煤粉输送管路上的截止阀；

d.废物回收及清理：实验结束后通过气液分离器B分离，通过气体收集管路用气体收集器进行气体的收集，固液两相流体经固液分离器分离后液体通过液体收集管路用液体收集器进行液体的收集；

S3.数据处理与分析：测试完成后，数据监测显示系统根据采集到的实验测试结果，对裂隙管道中煤粉运移全过程的图像于数据进行分析，得出的不同压差、不同流量、不同流态、不同裂隙形态组合、不同粒径的煤粉沉降位置、沉降速度。

本发明具有的优点是：

1.该实验装置能够测试不同粒径的煤粉在单一气体、单一液体、气/水两相流等条件下不同尺度裂隙及形态中的运移轨迹；

2.该实验装置能快速的查明不同粒径的煤粉在不同尺度裂隙中运移时的堵塞位置、堵塞状态，为排采过程中解堵提供重要的理论依据。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明中裂隙控制系统的放大图。

图3是裂隙控制系统中一个舱体的分解图。

具体实施方式

实施例

实际使用时，为了便于对工作过程进行详细解释，裂隙控制系统腔体内均设有4个舱体，裂隙控制系统每个舱体的活塞标号分别为8a、8b、8c、8d、8e、8f、8i、8j、8k、8l以及截止阀8A、8B、8C、8D、8E、8F、8G、8H、8I、8J、8K、8L，上、下舱体对应的舱体由一块隔热隔压挡板围成一个独立舱室，具体其他更详细的编号见说明书附图并结合实施例解释。

该测试装置主要包括：混合注入系统、裂隙控制系统、煤粉运移监测系统、回收系统等。其中混合注入系统主要是向测试装置中通入不同比例的气、液或固三相混合流体，主要由高压气瓶、压力表、恒速恒压泵、控制阀门、气液分离器、煤粉混合箱、活塞泵等组成。通过混合箱将煤粉与液体进行混合，并通过活塞加压注入裂隙管路，所述裂隙管路为柔性透明弹性管。裂隙控制系统主要由裂隙管路、围压泵、流量计、活塞泵、活塞、截止阀、控制阀门等组成。煤粉运移监测系统由计算机的软、硬件、CCD工业相机、图像采集等组成。煤粉运移监测系统可直接得出煤粉运移过程中煤粉的沉降位置、沉降速度等要素，同时将各个系统中实时记录的压力、流量、时间等数据传入计算机并进行分析处理，以便控制各个系统的运行并显示结果，并把所有数据进行汇总计算。回收系统主要是对实验中所使用的煤粉、液体、气体等进行回收，主要由减压阀、气体收集器、废液缸等组成。

1.混合注入系统

混合注入系统将一定粒径的煤粉与水按照一定比例进行混合，并与气体注入到裂隙管路，其主要由高压气瓶1、恒速恒压泵2a、压力表3、控制阀门16a、气体输送管路、气液分离器A4、混合箱5、液体容器6等组成。

实验过程中气体通过高压气瓶1提供气源进入气体输送管路17a进入恒速恒压泵2a并通过恒速恒压泵2a进行控制将一定流量的气体通过气体输送管路17b/17c注入到柔性通道内。其中气液分离器A4是为了防止煤粉与液体混合后注入过程中发生混合液体流入气体系统造成仪器的损害，压力表4是用来监测气液分离器里面气压的大小，里面还有装有报警装置达到一定压力会报警。

煤粉与液体按照一定比例直接加入到混合箱5中进行混合，通过活塞泵2b推动活塞使混合后的煤粉通过煤粉输送管路17d到液体容器6内，再由恒速恒压泵2c调节为恒流模式或者恒压模式，使混合后的煤粉通过煤粉输送管路17e进入到裂缝通道内。

2.裂隙控制系统

裂隙控制系统用来调节柔性裂隙通道的形状，以及围压的大小。主要包括柔性透明弹性裂隙管路11、活塞泵、活塞8、围压泵2d、截止阀等。柔性管路具有很好的弹性，通过控制每个仓体内的活塞8a、8b、8c、8d、8e、8f、8i、8j、8k、8l以及截止阀8A、8B、8C、8D、8E、8F、8G、8H、8I、8J、8K、8L可以达到控制任意一个活塞升高或者降低，从而达到改变通道形状的目的。

以弧形通道为例，在保持其他活塞不动情况下，打开截止阀8C、8D，通过活塞泵7a使得活塞8c、8d降低3cm，打开截止阀8I、8J，通过活塞泵7b使得活塞8i、8j升高3cm。通过升高降低的距离可以控制弧度的大小，围压泵2d是通过围压输送管路17g向柔性透明弹性裂隙管路周围注入液体进而达到控制裂缝通道围压的效果，来模拟不同储层压力下的运移情况。

3.煤粉运移监测系统

煤粉运移监测系统是将各个系统中实时记录的压力、流量、时间等数据传入计算机并进行分析处理，以便控制各个系统的运作并记录、分析、显示结果。主要由图像采集分析系统（ CCD 工业相机9）和计算机控制系统（高性能计算机10）等组成。

图像采集分析系统主要包括 CCD 工业相机9、其他电子设备。其可以将光学影像转变为数字信号并对数字信号进行储存和转移操作。高性能计算机10安装有德国Lavision 公司的 Davis8.1 软件和 PIVview2C 软件，用于操作 CCD 工业相机采集和处理裂隙管道中煤粉运移全过程的图像，CCD工业相机9可检测到0.1微米，并进行全程录像每隔0.2s可自动拍取照片并存储。计算机分析系统主要是用来控制各个系统和记录数据，在裂隙通道外设置标尺18可在计算机10上直接观测到煤粉沉降位置以及沉降速度，并通过计算机对各种数据进行计算，汇总并得出结果。

4.回收系统

主要由气体收集器11、减压阀12、废液缸13组成。气体收集器主要用处理实验过程中所用的气体。减压阀主要是对整个装置系统进行泄压处理，方便装置的拆卸。废液缸用来处理煤粉与液体的混合物质。

回收系统主要为实验过程和实验结束后的废水、废气、废液进行回收。主要由气液分离器12、固液分离器14、气体收集器13、液体收集器15等组成。试验结束通过低压管路17k进入气液分离器12，分离出的气体通过管路17h进入气体收集器13，剩余纯固、液两相流体经过管路17i流入固液分离器14，分离出的液体通过管路17j进入液体收集器15，剩余固体直接在固液分离器里进行回收，待实验完成后同一统计、记录、收集、处理。

实验步骤：

（1）实验方案的制订

实验开始前，准备好实验过程中所用到的气体种类（氮气、氦气、甲烷），不同粒径的煤粉（40目、60目、80目、100目、150目、200目），并把裂隙通道调成实验所使用的状态（直线、折线、弧线）。

（2）样品制备

用球磨机研磨煤样，用筛子筛选出不同粒径的煤粉。以备满足不同粒径的煤粉进行试验。准备已经调试好的液体。并检查气体储备量是否充足。

（3）连接实验装置

按照图1的实验装置图，将实验装置的各个部分进行连接。

（4）气密性检查

通过计算机控制系统，打开阀门16d，向可视腔体内注入液压液，当压力开始升高到3Mpa时关闭阀门14d看其围压泵显示压力是否降低来检查管道周围腔体的气密性。打开14a关闭其他阀门，向系统内注入氮气当管道内部压力开始缓慢增加时当裂隙管道中压力大于实验设计压力时停止注入观看压力显示是否发生变化来检测管道的气密性。

（5）实验参数设置

在计算机控制系统中选择煤粉的粒径，设置需要的煤粉重量，设置水与煤粉混合比例，设置煤粉注入裂隙通道的的压力，设置柔性通道周围压力，以及设置柔性通道的形态。

（6）煤粉运移实验测试

以不同粒径的煤粉进行实验测试为例

a.裂隙通道形状及围压设置

通过调节活塞的上升高度来调节柔性通道形状，这里以弧形通道为例。柔性软管具有伸缩性，短距离伸缩带来的内径变化可忽略不计。柔性通道内径最初为3mm，活塞选择直径为1cm的小活塞，活塞泵的最大压力可达到20Mpa。调节好柔性通道形状后，打开止流阀(16d)通过围压泵(2d)向柔性通道腔体内部注入围压，使得达到实验要求。

b.调试图像采集分析系统

对CCD工业相机9进行调试，调整光源、对焦、标定，使其达到最佳拍摄状态。

c.煤粉、蒸馏水、混合

 将一定比例的水和煤粉直接加入混合箱5其容积在300ml。混合完成打开止流阀16b并通过恒速恒压泵将混合箱内煤粉与液体的混合物以一定流速注入到液体容器6内，完成后关闭止流阀16b。

d.煤粉运移测试

通过计算机控制系统控制，将阀门16b、16c、16e打开先向柔性通道内注煤粉与水的混合物，使煤粉在裂隙通道中运移。在打开阀门16a打开，以一定的流速注入裂隙通道中。通过恒速恒压泵2a、2c来控制注入的流速。同时在CCD工业相机9中记录裂隙管道中煤粉运移全过程的图像及数据。并通过高性能计算机10上的Davis8.1 软件和 PIVview2C 软件进行分析煤粉沉降位置以及沉降速度。

e.废物回收及清理

实验结束通过低压管路17k进入气液分离器12，分离出的气体通过管路17h进入气体收集器13，剩余纯固、液两相流体经过管路17i流入固液分离器14，分离出的液体通过管路17j进入液体收集器15，剩余固体直接在固液分离器里进行回收。

（7）数据处理与分析

测试完成后，数据监测显示系统根据采集到的实验测试结果，对裂隙管道中煤粉运移全过程的图像于数据进行分析，得出的不同压差、不同流量、不同流态、不同裂隙形态组合、不同粒径的煤粉沉降位置、沉降速度。