本發明屬于煤層氣開采模擬試驗技術領域，具體地講，特別涉及一種多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗方法。

背景技術：

目前，隨著經濟持續發展對能源需求的日益增加和常規油氣資源的日益短缺，世界各國都在積極尋找開發新的能源，以彌補常規油氣資源的缺口。煤層氣(俗稱瓦斯)是制約煤礦井下安全生產的主要因素之一，但也是一種優質的能源，可用于發電、取暖、化工等眾多領域。因此，合理地開發煤層氣資源，不僅可以大幅減少礦難事故的發生，而且有助于減少國民經濟對常規油氣資源的依賴。

中國地域遼闊，煤層氣資源豐富，資源總量為30×10¹²～35×10¹²m³，其中埋深300～1500m范圍內煤層氣總資源量約為25×10¹²m³。隨著傳統煤層氣勘探開發熱點地區(沁水盆地、鄂爾多斯盆地等)的研究逐漸完善，其他地區、類型的煤層氣藏成為煤層氣行業新的研究、勘探、開發增長點。滇東黔西地區煤層氣資源勘探是國家“十三五”規劃的內容之一，該區具有“一弱、兩多、三高、四大”的地質特點：即龍潭組富水性弱，控氣構造類型多和煤層層數多，煤層含氣量高、資源豐度高、儲層壓力及地應力高，以及煤層氣資源量大、煤級變化大、煤層滲透性變化大和地質條件垂向變化大。相比單一煤層而言，多煤層條件下的煤層氣儲藏具有其特殊性，前人基于對織納煤田水公河向斜的分析研究，初步提出和論證了“多層疊置獨立含煤層氣系統”的學術觀點。

由于西南地區的上述地質條件特點，一方面構成了該區豐富的煤層氣資源基礎，另一方面我國北方乃至國外行之有效的煤層氣常規開發技術在該區無法適用。目前關于煤層氣開采的研究多集中在單一煤層，急需新理論、新技術、新工藝來指導西南地區多層疊置含氣系統垂直井開采。因此，針對該區地質條件的這一特殊性，研究和發展適用的開采工藝和技術，成為推進該區煤層氣規模性開發的必然選擇。所以，開展多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗，研究其開采過程中儲層物性動態演化規律及層間干擾機制，對協調多層疊置發育地區各系統進行有序、遞進開發，避免開采過程中系統間的相互干擾，實現煤層氣資源高效經濟開發，具有十分重要的理論研究價值和實際指導意義。

傳統的煤與瓦斯抽采模擬試驗箱和抽采管均針對單層含氣系統設計，并不能模擬多層疊置含氣系統，也不能實現多層疊置含氣系統垂直井的分層抽采。申請號為“201310025098.1”的發明專利提供了一種“多場耦合煤層氣抽采模擬試驗方法”，在該專利的申請文件中介紹了用于模擬多煤層含氣系統開采的設備和方法，但是該方法和設備只能用作多煤層合層同時開采，無法進行單層依次開采或遞進開采試驗，并且無法觀測不同煤層各自的瓦斯流量，不利于研究不同煤層之間的相互影響。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種可用于進行單層依次開采、多層遞進開采、合層開采的多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗方法，便于為多層疊置含氣系統垂直井開采的方案選型提供實驗依據。

本發明的技術方案如下：一種多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟1、試驗準備

1a)將煤樣破碎并篩分備用，準備相似材料備用，所述相似材料用于模擬煤層之間的巖層，對傳感器進行編號備用；

1b)型煤成型，在試件箱內對煤樣和相似材料進行加壓成型，并在試件箱內埋入抽采管和傳感器；

所述試件箱包括箱體和箱蓋，在所述箱體沿長度方向的一端插裝有第一水平壓頭，所述第一水平壓頭的內端固定有位于箱體內的豎向的第一壓板，在所述箱體沿寬度方向的一側插裝有至少兩個第二水平壓頭，所述第二水平壓頭沿箱體的長度方向均勻布置，在每一所述第二水平壓頭的內端均固定有豎向的第二壓板，在所述箱蓋上插裝有與第二水平壓頭一一對應的豎向壓頭，在每一所述豎向壓頭的內端均固定有位于箱體內的水平的第三壓板，在所述箱體內底設置有與豎向壓頭一一對應的透氣板，在每一所述透氣板下方均設有氣流通道，所述氣流通道的一端通過透氣板與箱體內腔貫通，氣流通道的另一端貫穿箱體外壁并各自固定連接有管接頭；

所述抽采管沿箱體長度方向布置，并且抽采管包括固定在箱體上的外管和插裝在外管內的內管，在所述外管上設有與透氣板一一對應的抽采區，在外管的每一抽采區上均開設有外抽采孔，在所述外管相鄰的兩個抽采區之間設置有隔板，所述隔板將相鄰的抽采區密封隔斷；所述內管的數量與抽采區的數量一一對應，內管的內端伸入對應抽采區內，并且在內管上開設有位于對應抽采區內的內抽采孔；

所述煤樣和相似材料沿箱體長度方向間隔布置，并且煤樣位于透氣板正上方，相似材料位于相鄰透氣板之間部位的上方；

1c)檢查密封效果；

1d)連接傳感器和電腦；在每一所述氣流通道的管接頭上通過進氣管路各自連接有真空泵，在每一所述內管的外端各自連接有出氣管路，并在每一所述出氣管路均上安裝有流量計，將所有的出氣管路均與開采總管連通，所述開采總管用于收集氣體；

步驟2、加載應力

開啟應力加載及數據采集系統，通過各個壓頭對型煤施加預定應力；

步驟3、瓦斯吸附

關閉出氣管路，啟動真空泵對煤樣進行抽真空排出空氣雜質，抽真空完成后關閉真空泵，將進氣管路與甲烷氣瓶連接，打開甲烷氣瓶進行充氣，按照預定的吸附平衡氣壓對各個煤層進行充分吸附；

步驟4、煤層氣開采

關閉所有的進氣管路，按照試驗設定的開采方式，打開相應的出氣管路，進行瓦斯開采模擬試驗；

步驟5、結束一次試驗

關閉應力加載及數據采集系統，結束一次試驗；

步驟6、同組其他試驗

改變開采方式，重復試驗。

本發明通過采用新的試件箱和抽采管，從而針對多層疊置含氣系統垂直井提出新的模擬試驗方法，便于進行單層依次開采模擬和多層遞進開采模擬，并且可以根據需要對不同煤層設置不同瓦斯含量，更加逼真地模擬現實情況，便于為多層疊置含氣系統垂直井開采的方案選型提供實驗依據。

作為優選，所述第二水平壓頭沿箱體的長度方向均勻布置有四個，所述豎向壓頭與第二水平壓頭一一對應布置有四個，所述透氣板與豎向壓頭一一對應布置有四個，所述外管上的抽采區與透氣板一一對應布置有四個，所述內管與抽采區一一對應布置有四個，所述煤層有四層，從遠離第一水平壓頭的一端開始將煤層依次標定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；所述相似材料在煤層之間間隔布置有三層。

在所述步驟4中，打開所有的出氣管路，采用合層開采方式模擬瓦斯開采。這樣模擬合層開采，為實際開發提供試驗依據。

在所述步驟4中，采用單層開采的方式模擬瓦斯開采，包括以下步驟，先打開煤層Ⅳ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅳ的氣壓降至0.1MPa以下；然后打開煤層Ⅲ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅲ的氣壓降至0.1MPa以下；再打開煤層Ⅱ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅱ的氣壓降至0.1MPa以下；最后打開煤層Ⅰ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅰ的氣壓降至0.1MPa以下。這樣模擬單層依次開采，為實際開發提供試驗依據。

在所述步驟4中，采用遞進開采的方式模擬瓦斯開采，包括以下步驟，先打開煤層Ⅳ所對應的出氣管路進行抽采，然后打開煤層Ⅲ所對應的出氣管路進行煤層Ⅳ和Ⅲ合層抽采，再打開煤層Ⅱ所對應的出氣管路進行煤層Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ合層抽采，最后打開煤層Ⅰ所對應的出氣管路進行煤層Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ合層抽采。這樣模擬多層遞進開采，為實際開發提供試驗依據。

所述箱體內壓制成型的型煤大小為400mm*400mm*1050mm。

在所述步驟1進行型煤成型時，對型煤沿豎直方向分四次鋪設和加壓成型，即先在箱體底部相應位置鋪設煤樣和相似材料，同時在煤樣內埋入傳感器，然后加壓成型；接著進行第二次煤樣和相似材料的鋪設和加壓成型，然后安裝抽采管；再進行第三次、第四次鋪設和加壓成型，并埋入相應位置的傳感器。這樣分四次對型煤進行壓制成型，一方面使型煤的成型更加密實，另一方面便于傳感器和抽采管的布置。

所述傳感器包括36個氣體壓力傳感器，用于監測瓦斯壓力；8個溫度傳感器，用于監測煤層溫度；8個土壓力盒，用于監測煤層壓力；以型煤靠近第一水平壓頭一端下方的一個角為原點、以型煤的長度方向為Z軸、豎直方向為X軸、與第二水平壓頭施壓相反的方向為Y軸建立坐標系，所述傳感器分別布置在Z＝133mm、Z＝395mm、Z＝657mm和Z＝919mm四個斷面上；在每一斷面分布有9個氣體壓力傳感器、2個溫度傳感器和2個土壓力盒，其中9個氣體壓力傳感器以斷面的外切圓圓心為中心，呈“+”分布，2個所述溫度傳感器分別位于斷面上(X,Y)＝(300,100)和(X,Y)＝(300,300)的位置，2個所述土壓力盒分別位于斷面上(X,Y)＝(100,100)和(X,Y)＝(100,300)的位置。

步驟1中型煤成型在壓制平臺上進行，所述壓制平臺包括長條形的底座，在所述底座上通過四個支撐柱安裝有左右兩個反力座，所述支撐柱的下端與底座固定，所述反力座的前后兩端各自固套在支撐柱上，并且在底座上還固定有豎向的支撐螺桿，在所述支撐螺桿上套裝有致恒螺母，所述反力座活套在支撐螺桿上并通過支撐螺母支撐，在底座上安裝有兩根滑軌，所述滑軌位于兩個反力座之間，所述試件箱的底部與滑軌配合；在每一反力座上均插裝有至少兩個夾緊桿，所述夾緊桿與反力座螺紋配合，夾緊桿的內端與試件箱側壁抵緊，夾緊桿的外端固定有手輪。這樣設置壓制平臺進行型煤成型，通過夾緊桿抵緊試件箱側壁，有效地避免了成型過程中壓力導致試件箱變形，一方面使試驗數據更加準確可靠，另一方面有利于延長試件箱的使用壽命。并且反力座活套在支撐螺桿上并通過螺母支撐，便于通過螺母調節反力座的高度。

有益效果：本發明通過采用新的試件箱和抽采管，從而針對多層疊置含氣系統垂直井提出新的模擬試驗方法，便于進行單層依次開采模擬和多層遞進開采模擬，便于為多層疊置含氣系統垂直井開采的方案選型提供實驗依據。

附圖說明

圖1為本發明的步驟示意圖。

圖2為試件箱和抽采管的結構示意圖。

圖3為圖2中箱體的俯視圖。

圖4為圖2去掉抽采管的A-A剖視圖。

圖5為抽采管的結構示意圖。

圖6為圖5的I部放大圖。

圖7為圖5的J部放大圖。

圖8為型煤試件的坐標系示意圖。

圖9為傳感器的布置示意圖。

圖10為壓制平臺的結構示意圖。

圖11為圖10的B-B剖視圖。

圖中標記如下：外管1、隔板2、內管3、外接頭4、第一擋板4a、壓套5、第二擋板5a、內接頭6、第三擋板6a、通孔6b、管接頭7、箱體8、“O”形密封圈9、箱蓋10、豎向壓頭11、第三壓板12、第一壓板13、第一水平壓頭14、透氣板15、第二水平壓頭16、第二壓板17、氣流通道18、氣體壓力傳感器19、溫度傳感器20、土壓力盒21、底座22、支撐柱23、支撐螺桿24、支撐螺母25、反力座26、夾緊桿27、手輪28。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述的實施例示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述實施例是示例性的，旨在解釋本發明，使本發明的技術方案及其有益效果更加清楚、明確，而不能理解為對本發明的限制。

如圖1至圖11所示，本發明包括一種多層疊置含氣系統垂直井開采模擬試驗方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟1、試驗準備

1a)將煤樣破碎并篩分備用，準備相似材料備用，所述相似材料用于模擬煤層之間的巖層，對傳感器進行編號備用；

1b)型煤成型，在試件箱內對煤樣和相似材料進行加壓成型，并在試件箱內埋入抽采管和傳感器；

所述試件箱包括箱體8和箱蓋10，在所述箱蓋10與箱體8頂部之間墊裝有“O”形密封圈9。在所述箱體8沿長度方向的一端插裝有第一水平壓頭14，所述第一水平壓頭14的內端固定有位于箱體8內的豎向的第一壓板13，在所述箱體8沿寬度方向的一側插裝有至少兩個第二水平壓頭16，所述第二水平壓頭16沿箱體8的長度方向均勻布置，在每一所述第二水平壓頭16的內端均固定有豎向的第二壓板17，在所述箱蓋10上插裝有與第二水平壓頭16一一對應的豎向壓頭11，在每一所述豎向壓頭11的內端均固定有位于箱體8內的水平的第三壓板12，在所述箱體8內底設置有與豎向壓頭11一一對應的透氣板15，在每一所述透氣板15下方均設有氣流通道18，所述氣流通道18的一端通過透氣板15與箱體8內腔貫通，氣流通道18的另一端貫穿箱體8外壁并各自固定連接有管接頭7；

所述抽采管沿箱體8長度方向布置，抽采管與柱狀型煤試件的中心軸同軸。并且抽采管包括固定在箱體8上的外管1和插裝在外管1內的內管3，在所述外管1上設有與透氣板15一一對應的抽采區，在外管1的每一抽采區上均開設有外抽采孔，在所述外管1相鄰的兩個抽采區之間設置有隔板2，所述隔板2將相鄰的抽采區密封隔斷；所述內管3的數量與抽采區的數量一一對應，內管3的內端伸入對應抽采區內，并且在內管3上開設有位于對應抽采區內的內抽采孔；

所述煤樣和相似材料沿箱體8長度方向間隔布置，并且煤樣位于透氣板15正上方，相似材料位于相鄰透氣板15之間部位的上方。

1c)檢查密封效果，檢查步驟如下：

i)、關閉內管出氣口，從氣流通道18充入高壓二氧化碳氣體，使箱體內部吸附平衡后的氣壓為試驗預定氣壓的1.2倍，然后關閉進氣口；

ii)、監控箱體內氣壓數據，

如果在8h內，氣壓數據沒有明顯波動或下降量小于0.02MPa，則認為箱體密封完好；

如果氣壓數據下降量大于0.02MPa，但不超過0.1MPa，則認為箱體出現漏氣，先采用皂液檢漏法檢查出漏氣位置，并進行補救；

如果氣壓數據下降量大于0.1MPa，則箱體漏氣非常嚴重，需要拆除箱蓋重新安裝。

1d)連接傳感器和電腦；在每一所述氣流通道18的管接頭7上通過進氣管路各自連接有真空泵，在每一所述內管3的外端各自連接有出氣管路，并在每一所述出氣管路均上安裝有流量計，將所有的出氣管路均與開采總管連通，所述開采總管用于收集氣體。

步驟2、加載應力

開啟應力加載及數據采集系統，通過各個壓頭對型煤施加預定應力。

步驟3、瓦斯吸附

關閉出氣管路，啟動真空泵對煤樣進行抽真空排出空氣雜質，抽真空完成后關閉真空泵，將進氣管路與甲烷氣瓶連接，打開甲烷氣瓶進行充氣，按照預定的吸附平衡氣壓對各個煤層進行充分吸附；其中抽真空時間為4小時，甲烷吸附時間為48小時。

步驟4、煤層氣開采

關閉所有的進氣管路，按照試驗設定的開采方式，打開相應的出氣管路，進行瓦斯開采模擬試驗。

步驟5、結束一次試驗

關閉應力加載及數據采集系統，結束一次試驗。

步驟6、同組其他試驗

改變開采方式，重復試驗。

如圖2、圖3、圖4、圖5和圖8所示，所述第二水平壓頭16沿箱體8的長度方向均勻布置有四個，所述豎向壓頭11與第二水平壓頭16一一對應布置有四個，所述透氣板15與豎向壓頭11一一對應布置有四個，所述外管1上的抽采區與透氣板15一一對應布置有四個，所述內管3與抽采區一一對應布置有四個，所述煤層有四層，從遠離第一水平壓頭14的一端開始將煤層依次標定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；所述相似材料在煤層之間間隔布置有三層。

所述箱體8內壓制成型的型煤大小為400mm*400mm*1050mm。

在所述步驟1進行型煤成型時，對型煤沿豎直方向分四次鋪設和加壓成型，即先在箱體8底部相應位置鋪設煤樣和相似材料，同時在煤樣內埋入傳感器，然后加壓成型；接著進行第二次煤樣和相似材料的鋪設和加壓成型，然后安裝抽采管；再進行第三次、第四次鋪設和加壓成型，并埋入相應位置的傳感器。

如圖8和圖9所示，所述傳感器包括36個氣體壓力傳感器19，8個溫度傳感器20和8個土壓力盒21；以型煤靠近第一水平壓頭14一端下方的一個角為原點、以型煤的長度方向為Z軸、豎直方向為X軸、與第二水平壓頭16施壓相反的方向為Y軸建立坐標系，所述傳感器分別布置在Z＝133mm、Z＝395mm、Z＝657mm和Z＝919mm四個斷面上；在每一斷面分布有9個氣體壓力傳感器19、2個溫度傳感器20和2個土壓力盒21，其中9個氣體壓力傳感器19以斷面的外切圓圓心為中心，呈“+”分布，2個所述溫度傳感器20分別位于斷面上(X,Y)＝(300,100)和(X,Y)＝(300,300)的位置，2個所述土壓力盒21分別位于斷面上(X,Y)＝(100,100)和(X,Y)＝(100,300)的位置。

如圖10和圖11所示，步驟1中型煤成型在壓制平臺上進行，所述壓制平臺包括長條形的底座22，在所述底座22上通過四個支撐柱23安裝有左右兩個反力座26，所述支撐柱23的下端與底座22固定，所述反力座26的前后兩端各自固套在支撐柱23上，并且在底座22上還固定有豎向的支撐螺桿24，在所述支撐螺桿24上套裝有支撐螺母25，所述反力座26活套在支撐螺桿24上并通過支撐螺母25支撐，在底座22上安裝有兩根滑軌，所述滑軌位于兩個反力座26之間，所述試件箱的底部與滑軌配合；在每一反力座26上均插裝有至少兩個夾緊桿27，所述夾緊桿27與反力座26螺紋配合，夾緊桿27的內端與試件箱側壁抵緊，夾緊桿27的外端固定有手輪28。

如圖5和圖6所示，所述外管1通過均呈管狀的外接頭4和壓套5安裝在箱體8上，所述外接頭4螺紋套接在外管1的外端，并且外接頭4的外端周向延展形成圓環狀的第一擋板4a。所述壓套5插接在外管1的外端，并且壓套5的外端周向延展形成圓環狀的第二擋板5a，所述第二擋板5a將第一擋板4a壓緊固定在箱體8的對應端板上。在所述壓套5內插接有內接頭6，所述內接頭6的外端周向延展形成圓環狀的第三擋板6a，所述第三擋板6a固定在壓套5的第二擋板5a上，在所述內接頭6內開設有與內管3一一對應的軸向通孔6b，所述通孔6b的內端與對應的內管3對接，在每一所述通孔6b的外端均連接有管接頭7。在所述第一擋板4a與箱體8的對應端板之間墊有密封圈，在所述第二擋板5a朝向第一擋板4a的一側開有凹陷部，所述第一擋板4a位于該凹陷部內，在所述第一擋板4a與第二擋板5a之間墊有密封圈，在所述第二擋板5a與第三擋板6a之間也墊有密封圈。

如圖5和圖7所示，所述內管3由前端封閉的管體構成，并且管體外壁呈前細后粗的階梯狀，使管體的外壁形成與隔板2相對應的臺階面，所述臺階面擋在對應隔板2的后端，并且在每一隔板2供內管3穿設的過孔內嵌裝有與內管3外壁密封配合的密封圈。所述外管1每一抽采區上的外抽采孔均周向均布有多個，所述內管3上的內抽采孔所在區域正對所述外抽采孔所在區域。

在步驟4中，可以采用合層開采方式、或者單層開采方式，或者遞進開采方式，具體根據試驗方案而定。

如果試驗方案是為了單獨研究合層開采，在所述步驟4中，打開所有的出氣管路，采用合層開采方式模擬瓦斯開采。

如果試驗方案是為了單獨研究單層開采，在所述步驟4中，采用單層開采的方式模擬瓦斯開采，包括以下步驟，先打開煤層Ⅳ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅳ的氣壓降至0.1MPa以下；然后打開煤層Ⅲ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅲ的氣壓降至0.1MPa以下；再打開煤層Ⅱ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅱ的氣壓降至0.1MPa以下；最后打開煤層Ⅰ所對應的出氣管路進行單層抽采，直到煤層Ⅰ的氣壓降至0.1MPa以下。

如果試驗方案是為了單獨研究遞進開采，在所述步驟4中，采用遞進開采的方式模擬瓦斯開采，包括以下步驟，先打開煤層Ⅳ所對應的出氣管路進行抽采，然后打開煤層Ⅲ所對應的出氣管路進行煤層Ⅳ和Ⅲ合層抽采，再打開煤層Ⅱ所對應的出氣管路進行煤層Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ合層抽采，最后打開煤層Ⅰ所對應的出氣管路進行煤層Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ合層抽采。

也可以重復進行合層、單層、遞進開采模擬，從而對這三種方式進行比較研究，具體試驗參數設定如下表所示：