基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置及模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置及模拟方法，包括设置有端盖的真空样品罐，真空样品罐外表面设置有加热器，真空样品罐的输入口通过管道连接注入系统的输出端，注入系统与真空样品罐之间的管道上依次设置有压力泵和注入阀；所述的注入系统包括瓦斯罐、溶剂罐和矿化水罐，真空样品罐的输入口通过设置有回收阀和气液分离器的管道连接回收系统，所述的回收系统包括回收气体罐和回收液体罐；真空样品罐还连接有真空泵。本发明能够模拟真实储层条件下有机和/或无机溶剂作为压裂液压入煤体后与煤体的作用及孔裂隙的扩展情况，为后续煤样和萃取液的研究提供基础，同时为煤储层的压裂开发技术提供新的思路。

说明书

技术领域

本发明涉及煤储层物性改善领域，尤其涉及一种基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置及模拟方法。

背景技术

溶剂萃取法是最早也是目前最为重要的煤结构研究方法之一，许多关于煤结构的主要认识和概念就是通过溶剂萃取法获得的。一般认为，煤的溶剂萃取是通过溶剂扩散渗透——交联键断裂——煤网络结构打开——有机质溶解的过程进行的。目前，通过溶剂萃取法获得煤结构信息的研究方法仍然受到广泛地重视和应用。在煤化学研究中，通过溶剂萃取，利用溶剂具有的授-受电子能力将煤中小分子相释放出来，达到煤结构的主体和客体分离，以之推测和验证煤的结构模型及其对煤的性质的影响。通过逐级萃取将小分子相逐步从大分子网络结构中分离，对不同溶剂中可溶物和不溶物的分析，一方面可为煤结构模型的建立和验证提供大量依据，另一方面萃取物中小分子数量在一定程度上也代表了煤物理化学性质的稳定性。

煤层中的气体主要以吸附态存在,由于煤储层孔裂隙的复杂性以及储层的低渗性,目前的煤层气地面开发实践中,常采用水力压裂、酸化压裂等储层强化措施，以增加储层的渗透性。虽然国内外研究人员对煤的溶剂萃取做了大量的实验与研究，主要用于煤化学和煤结构的研究，但尚且没有将有机溶剂萃取配比压裂液的方法直接用于改善储层条件的模拟实验装置和研究方法。鉴于目前煤层气开发过程中，单纯依靠常规水力压裂和气驱的方法，取得的效果并不显著，亟需探寻新的储层强化工艺措施，以改善储层物性，从而增大煤层气井产能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置及模拟方法，能够模拟真实储层条件有机与无机溶剂作为压裂液注入煤储层中，通过利用有机溶剂溶出煤大分子结构中的小分子相，或利用无机溶剂溶解煤中的矿物质，也可将不同配比的有机混合溶剂或无机混合溶剂注入煤体中，或者将有机和无机溶剂相结合，如将无机酸溶液作为前置液压入煤体，再将有机溶剂作为携砂液压入，以此充分改变煤体的孔裂隙性和透气性，再利用辅助设备实时监测煤中孔裂隙的扩展情况，并通过注气检测煤的透气性，以模拟储层强化的增透过程，为煤层气的压裂开发技术提供新的思路。

本发明采用下述技术方案：

基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置，包括设置有端盖的真空样品罐，真空样品罐外表面设置有加热器，真空样品罐的输入口通过管道连接注入系统的输出端，注入系统与真空样品罐之间的管道上依次设置有压力泵和注入阀；所述的注入系统包括瓦斯罐、溶剂罐和矿化水罐，真空样品罐的输出口通过设置有回收阀和气液分离器的管道连接回收系统，所述的回收系统包括回收气体罐和回收液体罐；真空样品罐还连接有真空泵。

所述的真空样品罐两端安装有声发射感应器，真空样品罐外部连接有声发射仪。

所述的压力泵和注入阀之间的管道上还设置有过压保护装置。

所述的注入阀和真空样品罐之间的管道上还设置有压力表。

所述的压力泵采用压力流量可调式压力泵。

所述的压力泵具有恒压加压和恒流加压功能，压力泵的额定压力大于20MPa。

所述的加热器采用环形红外加热器，环形红外加热器环绕设置在真空样品罐外表面。

所述的端盖与真空样品罐螺纹连接，端盖与真空样品罐之间设置有密封装置，密封装置采用橡胶密封圈；所述的管道采用高强度压力管。

一种利用权利要求1至8中任意一项所述的基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置进行的模拟方法，包括以下步骤：

A：设计实验方案，获取真实煤储层的温度、压力和含水性数据，并根据拟获得的实验效果，选择萃取液种类、浓度及压裂所需压力；

B：打开真空样品罐的端盖，将模拟地区的柱状或粒状煤样放入真空样品罐中，然后关闭真空样品罐的端盖；

C：启动真空泵将真空样品罐内部抽取真空；

D：启动声发射感应器和声发射仪，实时动态地监测因压裂萃取液的作用而引发的孔隙变化；

E：打开注入阀并启动压力泵，按照已测得的真实煤储层的压力与含水性注入瓦斯与矿化水，模拟真实状态下煤储层的压力以及含水性；

F：启动环形红外加热器，对真空样品罐进行均匀加热；

G：当真空样品罐内的温度和压力达到设定温度和压力后，再次启动压力泵并注入按照实验方案配置好的萃取液，当达到实验方案设定压力时，关闭压力泵和注入阀；

H：关闭声发射感应器和声发射仪，提取声发射资料；

I：按照实验方案要求静置直至到达设定时间；

J：打开回收阀，并启动气液分离器回收真空样品罐内产生的气体与液体，回收的气体和液体分别存储于回收气体罐和回收液体罐内；K:打开真空样品罐的端盖并取出煤样，然后打开回收气体罐和回收液体罐取出存储的气体和液体。

所述的步骤A中，萃取液采用有机溶剂和/或无机溶剂；使用时，选择下述几种方案中的一种：

（1）单独采用有机溶剂，利用有机溶剂作为压裂液压入煤样，削弱煤结构交联网络中的分子间联系键力，将小分子相溶出；

（2）单独采用无机溶剂，利用无机溶剂中的无机酸的酸化作用将煤中的矿物质溶解；

（3）选择不同配比的有机混合溶剂或无机混合溶剂，压入煤样中以增强混合溶剂对煤中孔裂隙的扩展及增透的作用效果；

（4）先利用无机溶剂中的无机酸进行酸化处理后，再利用有机溶剂进行有机提取；或者先将有机溶剂压入，然后再利用无机溶剂中的无机酸进行酸化处理，对煤中孔裂隙进行彻底的扩展及增透作用。

本发明基于溶剂萃取的原理，将配比好的溶剂模拟储层水力压裂的过程，注入煤柱状样。采用红外加热装置模拟储层温度，利用瓦斯罐来模拟真实储层的气体压力、矿化水罐通过配比好的矿化水来模拟真实储层的含水情况，实现储层压裂的模拟，并借助于声发射装置实时监测储层的孔裂隙系统的扩展，从而实现溶剂萃取方法在储层强化中的应用。本发明能够更为有效地改变储层的孔、裂隙系统，以及降低表面能，达到改善储层物性和降低煤的吸附能力，从而大大提高煤层气解吸、扩散、渗流的能力。本发明将溶剂萃取与储层强化有效地结合，可实现真实储层条件下萃取液压入煤层后与煤体的物质交换，以及储层物性的有效改善，为后续储层压裂技术的物理模拟提供技术支撑，对溶液萃取实现煤体增透这一科研理论从实验室走向工程应用这一革命性起到一个枢纽作用。本发明还具有结构简单、造价成本低和操作方便优点。

附图说明

图1为本发明所述基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置的结构示意图；

图2为本发明所述基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置的模拟方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：

如图1所示，本发明所述的基于溶剂萃取的煤储层压裂的物理模拟装置，包括设置有端盖的真空样品罐1，端盖与真空样品罐1螺纹连接，且端盖与真空样品罐1之间设置有密封装置，密封装置可采用橡胶密封圈，用于保证真空样品罐1良好的气密性。真空样品罐1外表面设置有加热器，加热器可采用环形红外加热器2，环形红外加热器2环绕设置在真空样品罐1外表面，能够保证对真空样品罐1的均匀加热。真空样品罐1两端安装有声发射感应器，真空样品罐1外部连接有声发射仪，声发射仪用于监测煤层的孔裂隙系统的动态变化。

真空样品罐1的输入口通过管道连接注入系统的输出端，注入系统与真空样品罐1之间的管道上依次设置有压力泵3、过压保护装置4、注入阀5和压力表6。压力泵3用于产生压力将注入系统中的气体和液体注入真空样品罐1内，压力泵3可采用压力流量可调式压力泵3，具有恒压加压和恒流加压功能，压力泵3的额定压力大于20Mpa，以满足模拟深层、超深层储层压力实验需求。过压保护装置4能够提升本发明的安全性能，避免因压力过大而造成安全隐患，注入阀5用于控制管道的通断，压力表6便于实验人员随时观察管道内的压力。

所述的注入系统包括瓦斯罐7、溶剂罐8和矿化水罐9，真空样品罐1的输出口通过设置有回收阀10和气液分离器11的管道连接回收系统，回收系统包括回收气体罐12和回收液体罐13。回收阀10用于控制管道的通断，气液分离器11能够将真空样品罐1内产生的气体和液体进行分离，并分别输送至回收气体罐12和回收液体罐13内。真空样品罐1的中部还连接有真空泵14，用于实现真空样品罐1内的真空状态，避免空气成分对实验的干扰。

本发明中，使用的管道均为高强度压力管，受压力大于20Mpa，以满足模拟深层、超深层储层压力实验需求。真空样品罐1为圆柱形，真空样品罐1的直径为150mm，长300mm。

如图2所示，本发明所述的基于溶剂萃取的煤储层压裂物理模拟装置进行的模拟方法，包括以下步骤：

A：设计实验方案，获取真实煤储层的温度、压力和含水性数据，并根据拟获得的实验效果，选择萃取液种类、浓度及压裂所需压力；

B：打开真空样品罐1的端盖，将模拟地区的柱状或粒状煤样放入真空样品罐1中，然后关闭真空样品罐1的端盖，以保证真空样品罐1良好的气密性；

C：启动真空泵14将真空样品罐1内部抽取真空，避免空气成分对实验的干扰；

D：启动声发射感应器和声发射仪，实时动态地监测因压裂萃取液的作用而引发的孔隙变化；

E：打开注入阀5并启动压力泵3，按照已测得的真实煤储层的压力与含水含气性注入瓦斯与矿化水，用于模拟真实状态下煤储层的压力以及含水性；

F：启动环形红外加热器，对真空样品罐1进行均匀加热，以模拟储层温度；

G：当真空样品罐1内的温度和压力达到设定温度和压力后，再次启动压力泵3并注入按照实验方案配置好的萃取液，萃取液可选用无机或有机溶剂，当达到实验方案设定压力时，关闭压力泵3和注入阀5；

H：关闭声发射感应器和声发射仪，提取声发射资料，以便后期研究；

I：按照实验方案要求静置直至到达设定时间；

J：打开回收阀10，并启动气液分离器11回收真空样品罐1内产生的气体与液体，回收的气体和液体分别存储于回收气体罐12和回收液体罐13内；K:打开真空样品罐1的端盖并取出煤样，然后打开回收气体罐12和回收液体罐13取出存储的气体和液体，对后续煤样和萃取液的研究提供基础。

完成上述步骤后，即可按照煤样测试方法和气体成分分析方法以及萃取液相关测试方法进行下一步的实验测试分析。

所述的步骤A中，萃取液可采用有机溶剂和/或无机溶剂；

步骤G中使用萃取液时，可选择下述几种方案中的一种：

（1）单独采用有机溶剂，利用有机溶剂作为压裂液压入煤样，削弱煤结构交联网络中的分子间联系键力，将小分子相溶出；

（2）单独采用无机溶剂，利用无机溶剂中的无机酸的酸化作用将煤中的矿物质溶解；

（3）选择不同配比的有机混合溶剂或无机混合溶剂，压入煤样中以增强混合溶剂对煤中孔裂隙的扩展及增透的作用效果；

（4）先利用无机溶剂中的无机酸进行酸化处理后，再利用有机溶剂进行有机提取；或者先将有机溶剂压入，然后再利用无机溶剂中的无机酸进行酸化处理，对煤中孔裂隙进行彻底的扩展及增透作用。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。