CN102539521A - 天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置。该装置包括置于保温箱内的循环装置和实验筒体；所述循环装置包括固定在所述保温箱底板上的两个循环桶；所述循环桶内均设有胶套；所述循环桶上均设有上底盘和下底盘，所述上底盘和下底盘均与所述循环桶密封连接；所述实验筒体包括压力室筒；所述压力室筒上设有上端盖和下端盖；所述上端盖和下端盖均与所述压力室筒密封连接；所述压力室筒上设有若干个声波探头；所述上端盖上设有活塞，所述活塞与所述压力室筒和所述上端盖密封连接；所述活塞内设有钻井液进入通道和钻井液输出通道；所述钻井液进入通道与一个所述循环桶上的连接套相连通，所述钻井液输出通道与另一个所述循环桶上的连接套相连通。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置，属于深水油气资源开发和天然气水合物钻探开发领域。
背景技术
天然气水合物是在一定的温度和压力条件下由天然气和水生成的一种笼型结晶化合物。在常压下，1m3的天然气水合物可以释放出164m3的天然气。全球天然气水合物的总能量相当于石油、天然气和煤的2～3倍，是一种具有很大潜力的替代能源。而且，天然气水合物燃烧后只生成水和二氧化碳，因此也是一种绿色清洁能源。20世纪60年代以后，由于海上地球物理勘探技术和海洋科学钻探的迅速发展，在全球范围内发现了大量的天然气水合物赋存区域，引起了世界许多国家的普遍关注。在我国管辖海域，尤其是东沙群岛南部，西沙海槽北部，西沙群岛南部和东海陆坡海域可能存在天然气水合物矿藏。
天然气水合物广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境，对水合物地层勘探和开发的时候，安全可靠地钻井技术是保证能够顺利进展的关键。当钻井时，钻井液与水合物地层直接接触，会导致水合物分解使水合物地层本身的胶结作用减弱、强度降低，出现井壁坍塌现象，分解产生的水也会导致井壁含水量增大，颗粒间的胶结作用减弱，进一步导致井壁不稳定，同时分解产生的气体进入钻井液，使得钻井液的密度降低，泥浆柱的静水压力降低，极易引发井涌甚至井喷，同时压力降低又会促进水合物分解，形成了一个恶性循环。同时甲烷气体也会在海底钻井液管路或者防喷器中重新聚集形成水合物，导致钻井事故发生。
因此在水合物地层钻探的时候，要优选钻井液体系、对井筒的温度和压力进行合理控制，以保证水合物不会大量分解，避免意外事故的发生。要做到这一点深入系统地研究水合物在钻井液作用下分解和强度弱化规律是关键。要开展这类研究，有必要根据水合物的苛刻稳定条件，研发一种特殊的模拟实验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置。
本发明提供的天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置包括包括保温箱内的循环装置和实验筒体；所述保温箱置于支架上；所述循环装置包括固定在所述保温箱底板上的两个循环桶；所述循环桶内均设有可充气式弹力胶套；所述循环桶上均设有上底盘和下底盘，所述上底盘和下底盘均与所述循环桶密封连接；所述循环桶的下底盘上均设有至少一个通孔，所述通孔通过所述保温箱底板上的通孔分别开口于所述保温箱外，并与压力表A相连；所述循环桶的上底盘上均设有连接套，所述连接套均穿过所述保温箱顶板置于所述保温箱外并与压力表B和所述实验筒体相连；所述实验筒体包括压力室筒；所述压力室筒上设有上端盖和下端盖；所述上端盖和下端盖均与所述压力室筒密封连接；所述压力室筒上设有若干个声波探头；所述上端盖上设有活塞，所述活塞与所述压力室筒和所述上端盖密封连接；所述活塞内设有钻井液进入通道和钻井液输出通道；所述钻井液进入通道与一个所述循环桶上的连接套相连通，所述钻井液输出通道与另一个所述循环桶上的连接套相连通。
上述的模拟试验装置，所述循环桶均通过连接杆固定在所述保温箱的底板上。
上述的模拟试验装置，所述上底盘和下底盘均通过密封圈A与所述循环桶密封连接；所述密封圈A可为O型圈a，以形成密闭的环境。
上述的模拟试验装置，所述上端盖和下端盖均通过密封圈B与所述压力室筒密封连接；所述密封圈B为O型圈b，以形成封闭的环境。
上述的模拟试验装置，所述活塞通过密封圈C与所述压力室筒和所述上端盖密封连接；所述密封圈C为O型圈c。
上述的模拟试验装置，所述声波探头通过密封圈D与所述压力室筒密封连接；所述密封圈D为O型圈d，以防止钻井液流入所述声波探头内。
上述的模拟试验装置，所述声波探头上设有调整套，用来调节所述声波探头进入所述压力室筒的深度。
上述的模拟试验装置，所述声波探头为均匀分布的，用来检测试样不同位置的声波变化；所述声波探头可为6个。
上述的模拟试验装置，所述循环桶的下底盘上均设有一个通孔，所述通孔均通过多通阀Ⅰ与压力表A相连；所述连接套均通过多通阀Ⅱ与压力表B和所述实验筒体相连；所述多通阀Ⅰ和Ⅱ可为二通阀或三通阀。
上述的模拟试验装置，所述循环桶的下底盘上均设有进气孔和压力检测孔，所述进气孔和压力检测孔均通过所述保温箱底板上的通孔分别开口于所述保温箱外，所述压力检测孔与压力表A相连。
本发明的模拟实验装置具有以下优点：
1、可以评价不同体系的钻井液在不同温度、压力下对天然气水合物地层分解的抑制效果，并进行钻井液体系优选。
2、可以评价不同体系的钻井液在不同温度、压力下对水合物地层强度弱化规律。
3、通过保温箱可以实现钻井液温度的恒定，通过低温冷库可以实现钻井液在不同温度下对水合物分解抑制效果的评价。
4、可以通过高压气瓶控制钻井液进入的压力，模拟钻井过程中的液柱压力；通过轴向活塞给水合物试样施加一定的轴向力，模拟不同埋深的上覆岩层压力。
5、三个声波探头安装在水合物试样距端部的不同位置，不同位置水合物声波变化可以反应钻井液与水合物接触后不同时刻水合物地层物理力学性质的变化规律。
6、试验筒体体积大，能够安放φ100mm、高400mm的大岩心，与钻井实际情况更加接近。设备拆装简单，操控性强。
附图说明
图1为本发明模拟试验装置的循环装置的结构示意图。
图2为本发明模拟试验装置的实验筒体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明的天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置的循环装置和实验筒体的结构示意图分别如图1和图2所示，图中各标记如下：1顶板、2连接套、3连接杆、4六角螺母、5平垫圈、6上底盘、7保温箱、8O型圈a、9循环桶、10弹力胶套、11下底盘、12底板、13支架、14接头、15三通阀Ⅰ、16三通阀Ⅱ、17压力表A、18进气孔、19压力检测孔、20加热孔、21上端盖、22下端盖、23压力室筒、24O型圈b、25O型圈c、26O型圈d、27声波探头、28调整套、29螺母、30格莱圈、31活塞、32钻井液进入通道、33钻井液输出通道、34压力表B。
本发明的天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置包括循环装置和实验筒体；循环装置包括两个置于保温箱7内且对称放置的循环桶9；保温箱7置于支架13上；循环桶9上均设有上底盘6和下底盘11，上底盘6和下底盘11均通过O型圈a8与循环桶9密封连接；循环桶9通过连接杆3和六角螺母4固定在保温箱7的底板12上；循环桶9内设有弹力胶套10，用于盛放钻井液；下底盘11上设有压力检测孔19和设有开关的进气孔18，压力检测孔19和进气孔18均通过保温箱7的底板12上的通孔开口于保温箱7外；进气孔18可与高压氮气瓶相连，用于向循环桶内的钻井液施加压力；压力检测孔19通过接头14与三通阀Ⅰ15相连通，三通阀Ⅰ15的一个开口与压力表A17相连，用于检测通入气体的压力；三通阀Ⅰ15的另一个开口也可以与高压氮气瓶相连(作为放空口)；保温箱7的侧壁上设有加热孔20，用来放置热风机为保温箱7供热；上底盘6上设有连接套2，连接套2通过平垫圈5固定在上底盘6上；连接套2穿过顶板19置于保温箱7外；连接套2与三通阀Ⅱ16相连，三通阀Ⅱ16的一个开口与压力表B 34相连，用于检测出口处钻井液的压力；三通阀Ⅱ16的另一个开口与实验筒体相连，钻井液从该开口进入实验筒体内。实验筒体包括压力室筒23；压力室筒23上设有上端盖21和下端盖22；上端盖21和下端盖22均通过O型圈b24与压力室筒23密封连接；压力室筒23上设有6个均匀分布且对称的声波探头27，用于实时检测声波变化；声波探头27的端部通过O型圈d26与压力室筒23密封连接，以防止钻井液流入声波探头27内；声波探头27上设有调整套28，用于调整声波探头27进入压力室筒23的深度，调整套28通过螺母29固定在压力室筒23上；上端盖21上设有活塞31，活塞31通过格莱圈30与压力室筒23密封连接，活塞31通过O型圈c25与上端盖21密封连接；活塞31内设有钻井液进入通道32和钻井液输出通道33；钻井液进入通道32和钻井液输出通道33分别通过三通阀Ⅱ16与两个循环装置13的连接套2相连通，使钻井液形成循环。
上述模拟试验装置中，上底盘6和下底盘11还可以通过过盈配合与循环桶9密封连接；上端盖21和下端盖22还可以通过过盈配合与压力室筒23密封连接；活塞31还可以通过过盈配合与压力室筒23和上端盖21密封连接；声波探头27的个数和布置可以根据需要进行调节；循环桶9和压力室筒23的大小可以根据需要进行调节。
使用本发明的模拟试验装置时，向弹力胶套10内充满钻井液，然后通过与进气孔18连通的高压氮气瓶向弹力胶套10内通入氮气；由压力表A17检测通入的高压氮气的压力；通入的高压氮气把弹力胶套10内的钻井液压入到连接套2中，并通过连接套2上的压力表B34检测出口处钻井液的压力，然后钻井液通过与连接套2相连的三通阀Ⅱ16的一个开口和活塞31的钻井液进入通道32进入到压力室筒23内，钻井液在压力室筒23内沿天然气水合物试样的断面流动，同时用活塞31对水合物试样施加一定的压力；钻井液从钻井液输出通道33回流到另一个循环桶9中，完成一个循环。同时，通过声波探头27实时监测声波变化，根据不同位置声波探头27的声波参数，用以评价钻井液的性能，并分析不同时刻钻井液侵入地层的情况。
试验完毕后，需对压力室筒体23和弹力胶套10进行清洗，在弹力胶套10中加满蒸馏水然后用高压氮气将蒸馏水压入压力室筒体23，然后蒸馏水再回流到另一个弹力胶套中，重复进行三次完成清洗过程，可以进入下次试验。
Claims (10)
1.一种天然气水合物与钻井液相互作用模拟试验装置，其特征在于：所述装置包括置于保温箱内的循环装置和实验筒体；所述保温箱置于支架上；所述循环装置包括固定在所述保温箱底板上的两个循环桶；所述循环桶内均设有可充气式弹力胶套；所述循环桶上均设有上底盘和下底盘，所述上底盘和下底盘均与所述循环桶密封连接；所述循环桶的下底盘上均设有至少一个通孔，所述通孔通过所述保温箱底板上的通孔分别开口于所述保温箱外，并与压力表A相连；所述循环桶的上底盘上均设有连接套，所述连接套均穿过所述保温箱顶板置于所述保温箱外并与压力表B和所述实验筒体相连；所述实验筒体包括压力室筒；所述压力室筒上设有上端盖和下端盖；所述上端盖和下端盖均与所述压力室筒密封连接；所述压力室筒上设有若干个声波探头；所述上端盖上设有活塞，所述活塞与所述压力室筒和所述上端盖密封连接；所述活塞内设有钻井液进入通道和钻井液输出通道；所述钻井液进入通道与一个所述循环桶上的连接套相连通，所述钻井液输出通道与另一个所述循环桶上的连接套相连通。
2.根据权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于：所述循环桶均通过连接杆固定在所述保温箱的底板上。
3.根据权利要求1或2所述的模拟试验装置，其特征在于：所述上底盘和下底盘均通过密封圈A与所述循环桶密封连接；所述密封圈A为O型圈a。
4.根据权利要求1-3中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述上端盖和下端盖均通过密封圈B与所述压力室筒密封连接；所述密封圈B为O型圈b。
5.根据权利要求1-4中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述活塞通过密封圈C与所述压力室筒和所述上端盖密封连接；所述密封圈C为O型圈c或莱格圈。
6.根据权利要求1-5中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述声波探头通过密封圈D与所述压力室筒密封连接；所述密封圈D为O型圈d。
7.根据权利要求1-6中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述声波探头上设有调整套。
8.根据权利要求1-7中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述声波探头为均匀分布的；所述声波探头为6个。
9.根据权利要求1-8中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述循环桶的下底盘上均设有一个通孔，所述通孔均通过多通阀Ⅰ与压力表A相连；所述连接套均通过多通阀Ⅱ与压力表B和所述实验筒体相连。
10.根据权利要求1-9中任一所述的模拟试验装置，其特征在于：所述循环桶的下底盘上均设有进气孔和压力检测孔，所述进气孔和压力检测孔均通过所述保温箱底板上的通孔分别开口于所述保温箱外，所述压力检测孔与压力表A相连。
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