一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置及方法

技术领域

本发明属于煤层气开发技术领域，具体涉及一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置及方法。

背景技术

煤储层低渗透率是部分煤层气井产量低的主要原因，而储层改造是提高渗透率增加产量的重要技术手段。其中，煤储层热改造技术受到业界广泛关注。前人提出了多种储层加热改造技术方法，如电加热、微波加热、电磁加热和热蒸汽注入等。这些技术实现难度大、影响范围较小，难以形成大规模应用。

氮气容易获取，价格低廉，且性质稳定，是煤储层热量注入的优质载体。煤储层热流体注入过程经历热流体注入，储层压力增大、温度升高；热量传递，储层温度和压力减小直至平衡；流体排出，储层压力减小三个阶段。目前储层热流体注入过程、机理和效果尚不明确。进行煤储层高温氮气注入改造物理模拟实验可以为高温氮气注入提渗增产工程的应用提供物理实验参考和依据。

发明内容

本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置及方法，能够监测地质条件下煤储层注入高温氮气过程中储层温度、压力的演变特征，也能够测定注热改造前后储层渗透率变化特征。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置，所述装置包括：氮气气瓶、高温高压气体加热釜、耐高温岩心夹持器；

所述氮气气瓶管路连接高温高压气体加热釜的进气口，所述高温高压气体加热釜的出气口安装耐高温背压阀后管路连接耐高温夹持器流入口，所述耐高温夹持器的流出口安装出口回压阀后管路连接排水称重计量装置，所述回压阀与排水称重计量装置之间安装有出口压力传感器；

其中，所述装置还包括：加热釜温度控制箱、夹持器温度压力控制器和夹持器围压控制器；所述加热釜温度控制箱控制所述高温高压气体加热釜，所述夹持器温度压力控制器控制所述耐高温岩心夹持器，所述夹持器围压控制器控制所述耐高温岩心夹持器的围压。

进一步，所述耐高温背压阀与耐高温夹持器流入口之间采用高温气体传输管路连接，所述高温气体传输管路上缠绕设置管路伴热带。

进一步，所述高温高压气体加热釜的外侧设置安装有超高温加热套，所述高温高压气体加热釜的内部设置有气体温度传感器，所述超高温加热套的表面设置有加热套温度传感器，所述气体温度传感器和加热套温度传感器电性连接加热釜温度控制箱。

进一步，所述耐高温岩心夹持器的外侧设置安装有夹持器加热套，所述耐高温岩心夹持器外壳与内部耐高温胶套之间的腔体设置安装有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和压力传感器电性连接所述夹持器温度压力控制器。

进一步，还包括：恒压泵；所述出口回压阀配合恒压泵调节出口压力。

进一步，还包括：数字记录系统，所述数字记录系统信号连接所述耐高温背压阀、加热釜温度控制器、夹持器温度压力控制器、出口压力传感器和排水称重计量装置。

一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟方法，所述方法应用于上述中任一所述的装置，所述方法包括：

步骤一：将原煤加工为直径50mm、长100mm的柱状试样，表面打磨平整光滑；

步骤二：将柱状试样放进恒温干燥箱进行真空干燥处理，干燥温度105℃，干燥时间为24小时；

步骤三：对整套实验装置进行气密性检查；

步骤四：确定气密性完整后装入试样，再次进行气密性检查，并对系统进行真空处理；

步骤五：设置夹持器温度压力控制器温度，打开夹持器加热套开关，实验期间保持打开状态；

步骤六：打开夹持器围压泵控制器，设置围压；

步骤七：打开氮气气瓶，向高温高压气体加热釜中充入一定压力的氮气，待压力稳定后断开氮气气瓶；

步骤八：先设置超高温加热套温度，再打开加热开关，等待釜内气体温度达到目标温度且稳定后进行下一步；

步骤九：设置管路伴热带温度，且高于高温高压气体加热釜内气体温度，实验过程中保持加热状态；

步骤十：设置耐高温背压阀压力，即高温高压气体加热釜输出压力或耐高温岩心夹持器入口压力，设置出口回压阀压力，即耐高温岩心夹持器出口压力；

步骤十一：打开数据记录系统，开始采集高温高压气体加热釜气体温度、耐高温岩心夹持器入口和出口压力、温度、围压；

步骤十二：打开高温高压气体加热釜出口开关，向耐高温岩心夹持器内注入高温高压氮气，当压力稳定后，即耐高温岩心夹持器内压力应从增大到等于出口压力，关闭高温高压气体加热釜气体出口；

步骤十三：当耐高温岩心夹持器内压力降低且稳定后，大于且小于设置的高温高压气体加热釜出口压力，打开排水称重计量装置，开始记录排水称重计量装置中电子天平重量变化率，然后打开耐高温岩心夹持器出口阀门；

步骤十四：待电子天平重量变化率维持“0”5min后，实验结束，停止数据采集并保存；

步骤十五：关闭夹持器加热套开关，设置恒压泵为0，继续放空耐高温岩心夹持器；

步骤十六：设置夹持器围压控制器为0，卸载围压，取出试样；

步骤十七：更换样品，重复步骤十到十五；

步骤十八：实验完毕后关闭加热釜加热开关、夹持器加热开关、伴热带加热开关等，再关闭总电源。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将地质与工程紧密结合，提出了煤储层注热增渗提产改造工程应用的实验室物理模拟方法，能够模拟在地质条件下向煤储层中注入高温氮气以改造储层渗透性的过程，通过监测高温氮气注入过程中储层压力和温度特征探究储层解耦的动态过程。

附图说明

图1、本发明一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置示意图；

图2、本发明高温高压气体加热釜结构示意图；

图3、本发明耐高温岩心夹持器结构示意图。

附图标记：

1—氮气气瓶，2—高温高压气体加热釜，3—耐高温背压阀，4—加热釜温度控制器，5—管路伴热带，6—耐高温岩心夹持器，7—夹持器温度压力控制器，8—温度传感器，9—压力传感器，10—夹持器围压控制器，11—出口回压阀，12—出口压力传感器，13—恒压泵，14—排水称重计量装置，15—数字记录系统，16—气体温度传感器，17—超高温加热套，18—加热釜气体入口，19—加热套温度传感器，20—夹持器加热套，21—耐高温胶套，22—岩心。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置，所述装置包括：氮气气瓶1、高温高压气体加热釜2、耐高温岩心夹持器6；

所述氮气气瓶1管路连接高温高压气体加热釜2的进气口，所述高温高压气体加热釜2的出气口安装耐高温背压阀3后管路连接耐高温夹持器6流入口，所述耐高温夹持器6的流出口安装出口回压阀11后管路连接排水称重计量装置14，所述回压阀11与排水称重计量装置14之间安装有出口压力传感器12；

其中，所述装置还包括：加热釜温度控制箱4、夹持器温度压力控制器7和夹持器围压控制器10；所述加热釜温度控制箱4控制所述高温高压气体加热釜2，所述夹持器温度压力控制器7控制所述耐高温岩心夹持器6，所述夹持器围压控制器10控制所述耐高温岩心夹持器6的围压。

进一步，所述耐高温背压阀3与耐高温夹持器6流入口之间采用高温气体传输管路连接，所述高温气体传输管路上缠绕设置管路伴热带5。

进一步，所述高温高压气体加热釜2的外侧设置安装有超高温加热套17，所述高温高压气体加热釜2的内部设置有气体温度传感器16，所述超高温加热套17的表面设置有加热套温度传感器19，所述气体温度传感器16和加热套温度传感器19电性连接加热釜温度控制箱4。

进一步，所述耐高温岩心夹持器6的外侧设置安装有夹持器加热套20，所述耐高温岩心夹持器6外壳与内部耐高温胶套21之间的腔体设置安装有温度传感器8和压力传感器9，所述温度传感器8和压力传感器9电性连接所述夹持器温度压力控制器7。

进一步，还包括：恒压泵13；所述出口回压阀11配合恒压泵13调节出口压力。

进一步，还包括：数字记录系统15，所述数字记录系统15信号连接所述耐高温背压阀3、加热釜温度控制器4、夹持器温度压力控制器7、出口压力传感器12和排水称重计量装置14。

实施例2：

如图1所示，一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置，包括氮气气瓶1，高温高压气体加热釜2，耐高温背压阀3，加热釜温度控制箱4，高温气体传输管路和伴热带5，耐高温夹持器6，夹持器温度控制器7，夹持器配备温度传感器8和压力传感器9，夹持器围压控制器10，夹持器出口回压阀11，配合恒压泵13能够调节出口压力(出口压力传感器12)，回压阀11出口连接集气排水容器和数字天平14，数字记录系统15能够实时记录高温高压加热釜内气体的温度和压力、夹持器入口压力、夹持器温度和储层压力、出口压力以及数字天平重量变化率。

图2为高温氮气加热釜结构示意图，加热釜外部为高温加热套17，釜内氮气温度由伸入釜内的温度传感器16提供，加热套的温度由与加热釜温度控制箱相连的温度传感器19采集，加热釜底部为氮气进气口18.

图3为耐高温夹持器结构示意图，夹持器外部配备加热套20，内部胶桶为全氟醚材料制成的耐高温胶套21，试样22位置位于胶套中部。

具体地、一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置，包括高温高压氮气制备系统、储层模拟系统和数据监测—收集系统。高温高压氮气制备系统由氮气气瓶和高温高压气体加热釜组成；加热釜底部进气口与气瓶相连，外部包裹高温加热套，所能耐受的最高温度为500℃，最大压力为50Mpa；加热釜的温度由温度控制器控制，加热温度为室温～450℃，控制精度为±0.5℃；反应釜内的气体温度由伸入釜内的温度传感器提供，此温度代表釜内高温氮气温度，即实验温度。高温高压加热釜通过耐高温不锈钢管路与耐高温夹持器连接，管路缠绕高温伴热带，外部包裹隔热保温材料；实验时伴热带保持开启，温度略高于加热釜温度，能够大大减少气体流动过程中热量的损失，以维持气体温度。耐高温夹持器内径为50mm，可放置长度50mm、100mm和150mm的柱状岩心；夹持器外部包裹加热套，加热温度由温度控制器控制，加热温度为室温～100℃，精度为±0.5℃；夹持器内部胶套为耐高温胶套，最高承受温度300℃，承受最高压力30Mpa；夹持器压力由围压控制器(夹持器围压泵10)提供；通过加热套和围压控制器控制储层的初始温度和围压，再通过温度和压力传感器实时传输至数据采集系统。夹持器出口连接一个回压阀，配合恒压泵13能够调节出口压力；调节范围为0.1MPa～15Mpa，调节精度为±0.01MPa；回压阀出口连接集气排水容器和数字天平，能够记录排气过程中气体的流量。数字记录系统能够实时记录高温高压加热釜内气体的温度和压力、加热釜出口背压阀压力(夹持器入口压力)、夹持器温度和储层压力、出口压力以及数字天平重量变化率。

实施例3：

本实施例2一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟方法应用于实施例1一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟装置，煤储层高温氮气注入改造物理模拟方法包括以下步骤；

一种煤储层高温氮气注入改造物理模拟方法，所述方法应用于上述中任一所述的装置，所述方法包括：

步骤一：将原煤加工为直径50mm、长100mm的柱状试样，表面打磨平整光滑；

步骤二：将柱状试样放进恒温干燥箱进行真空干燥处理，干燥温度105℃，干燥时间为24小时；

步骤三：对整套实验装置进行气密性检查；

步骤四：确定气密性完整后装入试样，再次进行气密性检查，并对系统进行真空处理；

步骤五：设置夹持器温度压力控制器7温度，打开夹持器加热套20开关，实验期间保持打开状态；

步骤六：打开夹持器围压泵控制器10，设置围压；

步骤七：打开氮气气瓶1，向高温高压气体加热釜2中充入一定压力的氮气，待压力稳定后断开氮气气瓶1；

步骤八：先设置超高温加热套17温度，再打开加热开关，等待釜内气体温度达到目标温度且稳定后进行下一步；

步骤九：设置管路伴热带5温度，且高于高温高压气体加热釜2内气体温度，实验过程中保持加热状态；

步骤十：设置耐高温背压阀3压力，即高温高压气体加热釜2输出压力或耐高温岩心夹持器6入口压力，设置出口回压阀11压力，即耐高温岩心夹持器6出口压力；

步骤十一：打开数据记录系统15，开始采集高温高压气体加热釜2气体温度、耐高温岩心夹持器6入口和出口压力、温度、围压；

步骤十二：打开高温高压气体加热釜2出口开关，向耐高温岩心夹持器6内注入高温高压氮气，当压力稳定后，即耐高温岩心夹持器6内压力应从0增大到等于出口压力，关闭高温高压气体加热釜2气体出口；

步骤十三：当耐高温岩心夹持器6内压力降低且稳定后，大于0且小于设置的高温高压气体加热釜2出口压力，打开排水称重计量装置14，开始记录排水称重计量装置14中电子天平重量变化率，然后打开耐高温岩心夹持器6出口阀门；

步骤十四：待电子天平重量变化率维持“0”5min后，实验结束，停止数据采集并保存；

步骤十五：关闭夹持器加热套20开关，设置恒压泵13为0，继续放空耐高温岩心夹持器6；

步骤十六：设置夹持器围压控制器10为0，卸载围压，取出试样；

步骤十七：更换样品，重复步骤十到十五；

步骤十八：实验完毕后关闭加热釜加热开关、夹持器加热开关、伴热带加热开关等，再关闭总电源。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。