CN102865066B - 含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及实验方法，实验装置包括深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置、含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置；实验方法的具体步骤为：进行深水井筒天然气水合物形成模拟实验；确定形成的天然气水合物的量；进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验；确定天然气水合物的分解速度；进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验。本发明的有益效果是：可实现含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟，包括深水井筒内天然气水合物形成模拟实验、深水井筒内天然气水合物分解模拟实验、深水井筒内天然气水合物分解对井筒多相流动规律影响的模拟实验。

Description

含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及方法

技术领域

本发明属于石油钻探技术领域，涉及一种深水井筒多相流动实验装置及实验方法，特别涉及一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及实验方法。

背景技术

随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘探开发转向海洋已成必然趋势。深水油气钻采技术的发展使深海油气钻采成为可能，深水和超深水海域的油气钻采技术正成为各国研究开发的热点。

深水井筒多相流动规律是深水油气钻采技术研发的理论基础。由于深水的特点，导致深水钻探技术的理论基础复杂化，其中涉及的理论基础问题包括井筒内温度及压力计算方法、深水钻井井控计算理论、井筒中天然气水合物形成机制与抑制技术等，都与深水井筒多相流动密切相关。

当钻遇深水油气及天然水合物藏时，储层中产出的天然气侵入井筒，使井筒内钻井液的流动由液、固两相流动变为复杂的气、液、固的三相流动。由于深水井筒及管路内的低温高压环境，侵入井筒的气体会容易形成天然气水合物，生成的水合物随钻井液一起上返，在离开其生成区域后，随着温度的降低和压力的升高又会重新分解成气体。天然气水合物分解后可以释放出164倍体积的甲烷气体，使得深水井筒多相流动更加复杂，给钻井工艺参数设计、井控、隔水管设计等带来挑战。

因此，有必要对含天然气水合物相变的深水井筒多相流动规律进行深入研究。实验对多相流的研究具有重要意义，而目前尚未有考虑天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验研究方法见诸报道。

发明内容

为现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置及实验方法，能够模拟含天然气水合物相变的深水井筒多相流动，进而研究含天然气水合物相变的深水井筒多相流动的规律。

本发明所采取的技术方案如下：

含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置，其特征在于：包括深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置、含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置。深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置的作用是：进行深水井筒天然气水合物形成及分解模拟实验，获得所模拟工况下深水井筒中天然气水合物分解产生甲烷的速度；含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置的作用是：根据所获得的深水井筒中天然气水合物分解产生甲烷的速度，进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验。

优选的，上述深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置，包括高压甲烷气瓶、分解气体采集器、数据采集系统、反应釜、中间容器、第一高压空气瓶、真空抽气装置；高压甲烷气瓶通过进气管线与反应釜相连；进气管线上安装有进气阀和调压阀，调压阀位于进气阀和反应釜之间；反应釜通过排气管线与分解气体采集器相连，排气管线上安装有排气阀和回压阀，回压阀位于排气阀和分解气体采集器之间；回压阀通过第一管线与中间容器相连，中间容器通过第二管线与第一高压空气瓶相连，第二管线上装有控制阀，中间容器上装有第一压力计；反应釜通过第三管线与真空抽气装置相连；反应釜连接恒温水浴系统；数据采集系统与反应釜、分解气体采集器相连。

优选的，上述含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置，包括第二高压空气瓶、可编程控制器、气泡发生器、水罐、井筒、气液分离罐、高速摄像机；第二高压空气瓶通过注气管线与可编程控制器相连，注气管线上安装有进气阀；可编程控制器通过第四管线与气泡发生器相连，可编程控制器通过第五管线与井筒的侧壁相连；气泡发生器通过第六管线与井筒的底部相连，第六管线上安装有注入阀；气泡发生器通过注液管线与水罐相连，注液管线上从气泡发生器端到与水罐端依次安装有水泵、流量控制器、进液阀；在距井筒底部1/3处安装有第一空隙率计，在距井筒顶部1/3处安装有第二空隙率计，在第二空隙率计下方安装有第三空隙率计；在井筒的侧面开有可视窗口，利用高速摄像机通过可视窗口以高频连续采集流场图像，然后通过分析和处理图像来研究井筒多相流动规律；在井筒的侧面底部安装有第一温度传感器、第二压力计，在井筒的侧面顶部安装有第二温度传感器、第三压力计；气液分离罐通过回流管线与井筒的顶部相连；

优选的，气液分离罐通过第七管线与水罐24相连。

一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法，利用上述的实验装置，其特征在于，步骤如下：

(1)、利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物形成模拟实验；

(2)、确定形成的天然气水合物的量；

(3)、利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验；

(4)、确定天然气水合物的分解速度；

(5)、利用含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验。

优选的，利用上述深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物形成模拟实验的具体步骤为：关闭进气阀、排气阀，开启恒温水浴系统，调节其温度，使反应釜中的温度达到实验设定的天然气水合物生成温度并保持不变。实验设定的天然气水合物生成温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物生成位置的温度一致。通过真空抽气装置将反应釜内的空间抽为真空，通过反应釜上的注入装置向反应釜中注入蒸馏水。开启进气阀，由高压甲烷气瓶向反应釜中充入纯甲烷气体，调节调压阀，使反应釜中的压力达到实验设定的天然气水合物生成压力，然后关闭进气阀。实验设定的天然气水合物生成压力与所模拟工况下井筒中天然气水合物生成位置的压力一致。在天然气水合物的形成过程中利用数据采集系统记录反应釜中的压力值，当应釜内的压力不再降低时，天然气水合物的生成反应完成。

优选的，确定形成的天然气水合物的量的具体方法为：上述天然气水合物生成反应完成后，根据天然气水合物形成前后反应釜内的压力、温度，通过PVT方程(气体状态方程)计算参与天然气水合物生成反应的甲烷气体的量，进而确定生成的天然气水合物的量。

优选的，上述利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验的具体方法为：将恒温水浴系统的温度调节至实验预设的天然气水合物分解温度，实验设定的天然气水合物分解温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物分解位置的温度一致；打开控制阀，使第一高压空气瓶中的空气流入中间容器，中间容器中的压力开始上升，当第一压力计的读数达到实验设定的天然气水合物分解压力时，关闭控制阀，打开排气阀；实验设定的天然气水合物分解压力与所模拟工况下井筒中天然气水合物分解位置的压力一致；天然气水合物分解产生的气体排气管线进入分解气采集器，利用数据采集系统实时记录分解气体采集器的压力，当压力不再增长并持续稳定时天然气水合物的分解完成。

优选的，上述确定形成的天然气水合物的量的具体方法为：根据天然气水合物形成前后反应釜内的压力、温度，通过PVT方程(气体状态方程)计算参与天然气水合物生成反应的甲烷气体的量，进而确定生成的天然气水合物的量。

优选的，上述利用上述深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验的具体方法为：将恒温水浴系统的温度调节至实验预设的天然气水合物分解温度。打开控制阀，使第一高压空气瓶中的空气流入中间容器，中间容器中的压力开始上升，当第一压力计的读数达到实验设定的天然气水合物分解压力时，关闭控制阀，打开排气阀；实验设定的天然气水合物分解压力和分解温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物分解位置的温度、压力一致；天然气水合物分解产生的甲烷通过排气管线进入分解气采集器，利用数据采集系统实时记录分解气体采集器的压力，当分解气体采集器的压力不再增长并持续稳定时天然气水合物的分解完成。

优选的，上述确定天然气水合物的分解速度的方法为：根据实时测得的分解气体采集器的压力，通过PVT方程(气体状态方程)计算生成的甲烷的物质的量，从而可以确定甲烷的生成速度，并得到天然气水合物的分解速度；

优选的，上述利用上述含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验的方法为：打开进液阀，开启水泵，使水罐中的水经进液管线注入到气泡发生器中，利用流量控制器控制注入的水的流量与所模拟工况下的钻井液排量相等；打开注入阀，使水经第四管线注入到井筒中；

打开进气阀，第二高压空气瓶中的空气经注气管线进入可编程控制器后分为两路。第一路经第二管线注入到气泡发生器中，并经第四管线进入井筒，模拟地层气体侵入井筒，利用可编程控制器控制第一路气体的流量，使其与所模拟工况下地层气体的入侵速度相等；第二路经第三管线进入井筒，模拟井筒中天然气水合物分解产生气体，利用可编程控制器控制第二路空气的流量，使其与步骤中得到的天然气水合物分解产生甲烷的速度相等；

注入井筒中的空气和水流过井筒后经回流管线注入气液分离罐，气液分离后，水经第七管线输送至水罐；

实验过程中，利用第一空隙率计测量地层气体侵入钻井液后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计、第三空隙率计测量井筒中天然气水合物分解产生气体后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计和第三空隙率计可以测量天然气水合物分解产生的气体上升过程中空隙率的变化，测量井筒不同位置的含气率的目的是计算含气量，研究天然气水合物分解对井筒多相流动规律的影响；利用第一温度传感器、第二压力计于测量井筒底部的温度和压力，利用第二温度传感器、第三压力计测量井筒顶部的温度和压力，测量井筒不同位置的温度和压力的目的是进行计算分析，研究井筒多相流动规律；利用高速摄像机通过可视窗口连续采集流场图像，通过对数据及图像的分析处理来研究含天然气水合物相变的深水井筒多相流动规律。

本发明的有益效果是：可实现含天然气水合物相变的深水井筒多相流动的模拟，具体包括：

(1)、可以实现深水井筒内天然气水合物形成的模拟实验；

(2)、可以实现深水井筒内天然气水合物分解的模拟实验；

(3)、可以实现深水井筒内天然气水合物分解对井筒多相流动规律影响的模拟实验。

附图说明

图1是深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置示意图；

图2是含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置示意图；

图3是含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法流程示意图。

图中，1、高压甲烷气瓶，2、进气阀，3、进气管线，4、调压阀，5、分解气体采集器，6、数据采集系统，7、反应釜，8、恒温水浴系统，9、排气阀，10、排气管线，11、回压阀，12、中间容器，13、第一管线，14、第一高压空气瓶，15、控制阀，16、第二管线，17、第一压力计，18、真空抽气装置，19、第三管线，20、水泵，21、流量控制器，22、进液阀，23、注液管线，24、水罐，25、第四管线，26、第五管线，27、第一空隙率计，28、井筒，29、可视窗口，30、第二空隙率计，31、第三空隙率计，32、第一温度传感器，33、第二压力计，34、第三压力计，35、第二温度传感器，36、回流管线，37、气液分离罐，38、注入阀，39、第六管线，40、高速摄像机，41、第二高压空气瓶，42、注气管线，43、进气阀，44、可编程控制器，45、气泡发生器，46、第七管线。

具体实施方式

含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置，包括深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置、含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置；深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置如图1所示，其作用是：进行深水井筒天然气水合物形成及分解模拟实验，获得所模拟工况下深水井筒中天然气水合物分解产生甲烷的速度；含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置如图2所示，其作用是：根据所获得的深水井筒中天然气水合物分解产生甲烷的速度，进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验。

如图1所示，深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置，包括高压甲烷气瓶1、分解气体采集器5、数据采集系统6、反应釜7、中间容器12、第一高压空气瓶14、真空抽气装置18；高压甲烷气瓶1通过进气管线3与反应釜7相连，高压甲烷气瓶1提供生成天然气水合物所需要的甲烷，反应釜7是天然气水合物生成及分解的反应容器，反应釜7上有注入蒸馏水的注入装置；进气管线3上安装有进气阀2和调压阀4，调压阀4位于进气阀2和反应釜7之间，调压阀4用于调节由高压甲烷气瓶1向反应釜7注气过程中反应釜7中的压力，进气阀2是高压甲烷气瓶1向反应釜7提供甲烷的控制开关；反应釜7通过排气管线10与分解气体采集器5相连，分解气体采集器5用于采集反应釜7内天然气水合物分解产生的气体；排气管线10上安装有排气阀9和回压阀11，回压阀11位于排气阀9和分解气体采集器5之间，排气阀9是天然气水合物分解产生的甲烷从反应釜7排出的开关，回压阀11用于控制天然气水合物分解过程中反应釜7内的压力；回压阀11通过第一管线13与中间容器12相连，中间容器12通过第二管线16与第一高压空气瓶14相连，第二管线16上装有控制阀15，中间容器12上装有第一压力计17，第一压力计17用于测量中间容器12内的压力，控制阀15是空气由第一高压空气瓶14流向中间容器12的控制开关；第一高压空气瓶14通过向中间容器12充入空气为中间容器12提供压力，使其压力达到实验设定的天然气水合物分解压力，中间容器12用于为回压阀11提供压力，当天然气水合物分解产生的气体使反应釜7内的压力超过中间容器12内的压力时，反应釜7内的气体便通过回压阀11流入分解气体采集器5，从而保证反应釜7内的压力与中间容器12内的压力保持一致；反应釜7通过第三管线19与真空抽气装置18相连，真空抽气装置18用于将反应釜7内空间抽为真空；反应釜7连接恒温水浴系统8，恒温水浴系统8用于控制反应釜7内的温度；数据采集系统6与反应釜7、分解气体采集器5相连，数据采集系统6用于测量反应釜7的温度、压力及分解气体采集器5内的温度、压力，并对实验过程的数据进行记录。

如图2所示，含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置，包括第二高压空气瓶41、可编程控制器44、气泡发生器45、水罐24、井筒28、气液分离罐37、高速摄像机40；第二高压空气瓶41通过注气管线42与可编程控制器44相连，注气管线42上安装有进气阀43，第二高压空气瓶41为实验提供气源，进气阀43是第二高压空气瓶41内空气流出的控制开关；可编程控制器44通过第四管线25与气泡发生器45相连，可编程控制器44通过第五管线26与井筒28的侧壁相连，可编程控制器44用于控制由第二高压空气瓶41经第四管线25注入到气泡发生器45和经第五管线26注入到井筒28中的空气流量；第二高压空气瓶41中的空气可以经注气管线42、可编程控制器44、第五管线26注入井筒28中，模拟井筒中天然气水合物分解产生气体，第五管线26与井筒28的连接位置与所模拟工况下井筒中天然气水合物的分解位置一致；气泡发生器45通过第六管线39与井筒28的底部相连，第六管线39上安装有注入阀38；气泡发生器45通过注液管线23与水罐24相连，注液管线23上从气泡发生器45端到与水罐24端依次安装有水泵20、流量控制器21、进液阀22，流量控制器21用于控制由水罐24注入到气泡发生器45中的水的流量，进液阀22是水罐24向气泡发生器45供水的控制开关；气泡发生器45用于将由第二高压空气瓶41经注气管线42、可编程控制器44、第四管线25注入的空气和由水罐24经注液管线23注入的水混合后注入通过第六管线39注入井筒28的底部，模拟地层气体侵入井筒；注入阀38是气泡发生器45中的气液混合体注入井筒28的控制开关；在距井筒28底部1/3处安装有第一空隙率计27，在距井筒28顶部1/3处安装有第二空隙率计30，在第二空隙率计30下方0.2米处安装有第三空隙率计31，第一空隙率计27用于测量地层气体侵入钻井液后井筒截面的空隙率，第二空隙率计30和第三空隙率计31用于测量井筒中天然气水合物分解产生气体后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计30和第三空隙率计31可以测量天然气水合物分解产生的气体上升过程中空隙率的变化，测量井筒不同位置的含气率的目的是计算含气量，研究天然气水合物分解对井筒多相流动规律的影响；在井筒28的侧面开有可视窗口29，可利用高速摄像机40通过可视窗口29以高频连续采集流场图像，然后通过分析和处理图像来研究井筒多相流动规律；在井筒28的侧面底部安装有第一温度传感器32、第二压力计33，第一温度传感器32和第二压力计33用于测量井筒底部的温度和压力，在井筒28的侧面顶部安装有第二温度传感器35、第三压力计34，第二温度传感器35和第三压力计34用于测量井筒顶部的温度和压力，测量井筒不同位置的温度和压力的目的是进行计算分析，研究井筒多相流动规律；气液分离罐37通过回流管线36与井筒28的顶部相连，气液分离罐37通过第七管线46与水罐24相连，气液离罐37用于分离空气和水，分离得到的水可输送至水罐24。

如图3所示，含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法，包括如下主要步骤：

1、利用上述深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物形成模拟实验

关闭进气阀2、排气阀9，开启恒温水浴系统8，调节其温度，使反应釜7中的温度达到实验设定的天然气水合物生成温度并保持不变；实验设定的天然气水合物生成温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物生成位置的温度一致；通过真空抽气装置18将反应釜7内的空间抽为真空，通过反应釜7上的注入装置向反应釜7中注入蒸馏水；开启进气阀2，由高压甲烷气瓶1向反应釜7中充入纯甲烷气体，调节调压阀4，使反应釜7中的压力达到实验设定的天然气水合物生成压力，然后关闭进气阀2；实验设定的天然气水合物生成压力与所模拟工况下井筒中天然气水合物生成位置的压力一致；在天然气水合物的形成过程中利用数据采集系统6记录反应釜7中的压力值，当应釜7内的压力不再降低时，天然气水合物的生成反应完成；

2、确定形成的天然气水合物的量

根据天然气水合物形成前后反应釜7内的压力、温度，通过PVT方程(气体状态方程)计算参与天然气水合物生成反应的甲烷气体的量，进而确定生成的天然气水合物的量；

3、利用上述深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验

将恒温水浴系统8的温度调节至实验预设的天然气水合物分解温度；打开控制阀15，使第一高压空气瓶14中的空气流入中间容器12，中间容器12中的压力开始上升，当第一压力计17的读数达到实验设定的天然气水合物分解压力时，关闭控制阀15，打开排气阀9；实验设定的天然气水合物分解压力和分解温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物分解位置的温度、压力一致；天然气水合物分解产生的甲烷通过排气管线10进入分解气采集器5，利用数据采集系统6实时记录分解气体采集器5的压力，当分解气体采集器5的压力不再增长并持续稳定时天然气水合物的分解完成；

4、确定天然气水合物的分解速度

根据实时测得的分解气体采集器5的压力，通过PVT方程(气体状态方程)计算生成的甲烷的物质的量，从而可以确定甲烷的生成速度，并得到天然气水合物的分解速度；

5、利用上述含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验

打开进液阀22，开启水泵20，使水罐24中的水经进液管线23注入到气泡发生器45中，利用流量控制器21控制注入的水的流量与所模拟工况下的钻井液排量相等。打开注入阀38，使水经第四管线39注入到井筒28中；打开进气阀43，第二高压空气瓶41中的空气经注气管线42进入可编程控制器44后分为两路，第一路经第二管线25注入到气泡发生器45中，并经第四管线39进入井筒28，模拟地层气体侵入井筒，利用可编程控制器44控制第一路气体的流量，使其与所模拟工况下地层气体的入侵速度相等，第二路经第三管线26进入井筒28，模拟井筒中天然气水合物分解产生气体，利用可编程控制器44控制第二路空气的流量，使其与步骤4中得到的天然气水合物分解产生甲烷的速度相等；

注入井筒28中的空气和水流过井筒28后经回流管线36注入气液分离罐37，气液分离后，水经第七管线46输送至水罐24；

实验过程中，利用第一空隙率计27测量地层气体侵入钻井液后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计30、第三空隙率计31测量井筒中天然气水合物分解产生气体后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计30和第三空隙率计31可以测量天然气水合物分解产生的气体上升过程中空隙率的变化，测量井筒不同位置的含气率的目的是计算含气量，研究天然气水合物分解对井筒多相流动规律的影响；利用第一温度传感器32、第二压力计33于测量井筒底部的温度和压力，利用第二温度传感器35、第三压力计34测量井筒顶部的温度和压力，测量井筒不同位置的温度和压力的目的是进行计算分析，研究井筒多相流动规律；利用高速摄像机40通过可视窗口29连续采集流场图像，通过对数据及图像的分析处理来研究含天然气水合物相变的深水井筒多相流动规律。

本专利不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的方法变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置，其特征在于：包括深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置、含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置；深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置的作用是：进行深水井筒天然气水合物形成及分解模拟实验，获得所模拟工况下深水井筒中天然气水合物分解产生甲烷的速度；含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置的作用是：根据所获得的深水井筒中天然气水合物分解产生甲烷的速度，进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验；深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置，包括高压甲烷气瓶、分解气体采集器、数据采集系统、反应釜、中间容器、第一高压空气瓶、真空抽气装置；高压甲烷气瓶通过进气管线与反应釜相连；进气管线上安装有进气阀和调压阀；反应釜通过排气管线与分解气体采集器相连，排气管线上安装有排气阀和回压阀；回压阀通过第一管线与中间容器相连，中间容器通过第二管线与第一高压空气瓶相连，第二管线上装有控制阀，中间容器上装有第一压力计；反应釜通过第三管线与真空抽气装置相连；反应釜连接恒温水浴系统；数据采集系统与反应釜、分解气体采集器相连。

2.根据权利要求1所述的含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置，其特征在于：含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置，包括第二高压空气瓶、可编程控制器、气泡发生器、水罐、井筒、气液分离罐、高速摄像机；第二高压空气瓶通过注气管线与可编程控制器相连，注气管线上安装有进气阀；可编程控制器通过第四管线与气泡发生器相连，可编程控制器通过第五管线与井筒的侧壁相连；气泡发生器通过第六管线与井筒的底部相连，第六管线上安装有注入阀；气泡发生器通过注液管线与水罐相连，注液管线上从气泡发生器端到与水罐端依次安装有水泵、流量控制器、进液阀；在距井筒底部1/3处安装有第一空隙率计，在距井筒顶部1/3处安装有第二空隙率计，在第二空隙率计下方安装有第三空隙率计；在井筒的侧面开有可视窗口，利用高速摄像机通过可视窗口以高频连续采集流场图像，然后通过分析和处理图像来研究井筒多相流动规律；在井筒的侧面底部安装有第一温度传感器、第二压力计，在井筒的侧面顶部安装有第二温度传感器、第三压力计；气液分离罐通过回流管线与井筒的顶部相连。

3.根据权利要求1或2所述的含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置，其特征在于：调压阀位于进气阀和反应釜之间；回压阀位于排气阀和分解气体采集器之间。

4.根据权利要求2所述的含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验装置，其特征在于：在第二空隙率计下方0.2m处安装有第三空隙率计；气液分离罐通过第七管线与水罐相连。

5.一种含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法，利用权利要求1-4所述的实验装置，其特征在于，步骤如下：

(1)、利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物形成模拟实验；

(2)、确定形成的天然气水合物的量；

(3)、利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验；

(4)、确定天然气水合物的分解速度；

(5)、利用含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验；

利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物形成模拟实验的具体步骤为：

关闭进气阀、排气阀，开启恒温水浴系统，调节其温度，使反应釜中的温度达到实验设定的天然气水合物生成温度并保持不变；

实验设定的天然气水合物生成温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物生成位置的温度一致；通过真空抽气装置将反应釜内的空间抽为真空，通过反应釜上的注入装置向反应釜中注入蒸馏水；开启进气阀，由高压甲烷气瓶向反应釜中充入纯甲烷气体，调节调压阀，使反应釜中的压力达到实验设定的天然气水合物生成压力，然后关闭进气阀；

实验设定的天然气水合物生成压力与所模拟工况下井筒中天然气水合物生成位置的压力一致；在天然气水合物的形成过程中利用数据采集系统记录反应釜中的压力值，当应釜内的压力不再降低时，天然气水合物的生成反应完成。

6.根据权利要求5所述的含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法，其特征在于，确定形成的天然气水合物的量的具体方法为：天然气水合物生成反应完成后，根据天然气水合物形成前后反应釜内的压力、温度，通过 PVT 方程计算参与天然气水合物生成反应的甲烷气体的量，进而确定生成的天然气水合物的量。

7.根据权利要求5或6所述的含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法，其特征在于，利用深水井筒天然气水合物形成及分解模拟装置进行深水井筒天然气水合物分解模拟实验的具体方法为：将恒温水浴系统的温度调节至实验预设的天然气水合物分解温度，实验设定的天然气水合物分解温度与所模拟工况下井筒中天然气水合物分解位置的温度一致；打开控制阀，使第一高压空气瓶中的空气流入中间容器，中间容器中的压力开始上升，当第一压力计的读数达到实验设定的天然气水合物分解压力时，关闭控制阀，打开排气阀；实验设定的天然气水合物分解压力与所模拟工况下井筒中天然气水合物分解位置的压力一致；天然气水合物分解产生的气体排气管线进入分解气采集器，利用数据采集系统实时记录分解气体采集器的压力，当压力不再增长并持续稳定时天然气水合物的分解完成。

8.根据权利要求5或6所述的含天然气水合物相变的深水井筒多相流动实验方法，其特征在于，

确定天然气水合物的分解速度的方法为：根据实时测得的分解气体采集器的压力，通过PVT方程计算生成的甲烷的物质的量，从而可以确定甲烷的生成速度，并得到天然气水合物的分解速度；

利用上述含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟装置进行含天然气水合物相变的深水井筒多相流动模拟实验的方法为：打开进液阀，开启水泵，使水罐中的水经进液管线注入到气泡发生器中，利用流量控制器控制注入的水的流量与所模拟工况下的钻井液排量相等；打开注入阀，使水经第四管线注入到井筒中；

打开进气阀，第二高压空气瓶中的空气经注气管线进入可编程控制器后分为两路：第一路经第二管线注入到气泡发生器中，并经第四管线进入井筒，模拟地层气体侵入井筒，利用可编程控制器控制第一路气体的流量，使其与所模拟工况下地层气体的入侵速度相等；第二路经第三管线进入井筒，模拟井筒中天然气水合物分解产生气体，利用可编程控制器控制第二路空气的流量，使其与步骤中得到的天然气水合物分解产生甲烷的速度相等；

注入井筒中的空气和水流过井筒后经回流管线注入气液分离罐，气液分离后，水经第七管线输送至水罐；

实验过程中，利用第一空隙率计测量地层气体侵入钻井液后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计、第三空隙率计测量井筒中天然气水合物分解产生气体后井筒截面的空隙率，利用第二空隙率计和第三空隙率计可以测量天然气水合物分解产生的气体上升过程中空隙率的变化，测量井筒不同位置的含气率的目的是计算含气量，研究天然气水合物分解对井筒多相流动规律的影响；利用第一温度传感器、第二压力计于测量井筒底部的温度和压力，利用第二温度传感器、第三压力计测量井筒顶部的温度和压力，测量井筒不同位置的温度和压力的目的是进行计算分析，研究井筒多相流动规律；利用高速摄像机通过可视窗口连续采集流场图像，通过对数据及图像的分析处理来研究含天然气水合物相变的深水井筒多相流动规律。

Images