CN103105466A - 一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置和方法，包括依次连接的气源、增压泵、缓冲罐、反应釜和真空泵，所述气源和增压泵之间设压力调节阀，增压泵和缓冲罐之间设阀，缓冲罐与反应釜之间有两条支路连接，支路上分别设压力调节阀和阀，两条支路交接后通过阀与反应釜连接，反应釜输出端分出两条支路，其一条支路通过通过阀与真空泵连接，另一条支路上分别设有阀和背压阀；在缓冲罐和反应釜上分别设有温度传感器和压力传感器，反应釜上还设有摄像头放置管、电导率仪、磁力搅拌浆和透明观测窗，反应釜内侧设有不锈钢内衬。可以方便拍摄和观察釜内钻井液由液体到水合物的转变过程；可以表征反应釜内液体阻力随反应时间的变化。

Description

一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于天然气水合物动力学研究的装置系统，具体的说是用于钻井液天然气水合物形成和分解研究的装置和方法。

背景技术

各种低沸点的烃如甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳、硫化氢等存在于天然气和其他石油流体中，同时水也以不同的量与这些石油流体组分混合。在低温高压下，当这样的石油流体成分或其他水合物形成物与水混合时，可以形成气体水合物，这种气体水合物是水和轻烃等小分子气体形成的笼形晶体。在开采和输送天然气和其他石油流体过程中这些笼形水合物可能堵塞管路，给石油和天然气的开采或输送带来困难。例如在约1MPa的压力下，乙烷在低于4℃的温度下可形成水合物，在3MPa的压力下乙烷在低于14℃的温度下可形成水合物。而这些温度和压力对于生产和输送天然气和其他石油流体的许多操作环境而言并非不常用。

钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。主要由液相、固相和化学处理剂组成。

当钻头钻开地底时，地层压力被释放，钻头切削地层导致井底温度升高，使得孔底处水合物稳定存在的高压低温条件遭到破坏，水合物不可避免地发生分解。钻井液在孔底被加热，温度升高，在上返过程中也会使井壁处的水合物发生分解，使井眼增大。水合物分解的气体进入泥浆，使钻井液高度气化。随着分解产生的气体不断进入钻井液，钻井液的密度下降，泥浆柱的静水压力降低，这会加速水合物的分解，从而产生更多的气体，这样就发展成一个恶性循环。

分解的气体与钻井液一起循环，进入钻杆柱与井壁或套管之间的环状空间。在环状空间内，由于分解气体的聚集导致压力升高，又有可能使这些气体与钻井液中的水分相结合，在井筒、钻柱、井口管钱或防喷管汇内重新生成水合物，造成管路的堵塞，给正常的钻进和井控工作造成严重影响。此外，由于钻井液失水，其流变性能恶化，悬浮钻屑的能力降低，这又会导致缩径、卡钻等事故发生。

目前专门用作钻井液天然气水合物研究的装置很少，基本上所有的高压天然气水合物研究装置都不具有针对性，测量手段和方式都不能满足钻井液研究的需要。

因此，现有技术有待于完善和发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置系统，该装置能够针对钻井液中天然气水合物的形成和分解进行研究，从而解决钻井液中天然气水合物问题。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置，包括依次连接的气源、增压泵、缓冲罐、反应釜和真空泵，所述气源和增压泵之间设压力调节阀，增压泵和缓冲罐之间设阀，缓冲罐与反应釜之间有两条支路连接，支路上分别设压力调节阀和阀，两条支路交接后通过阀与反应釜连接，反应釜输出端分出两条支路，其一条支路通过通过阀与真空泵连接，另一条支路上分别设有阀和背压阀；在缓冲罐和反应釜上分别设有温度传感器和压力传感器，反应釜上还设有摄像头放置管、电导率仪、磁力搅拌浆和透明观测窗，反应釜内侧设有不锈钢内衬。

本发明所述方法包括如下步骤：

a用去离子水清洗反应釜三次，然后在反应釜中加入根据现场条件配置的钻井液。

b用反应气体吹扫整个体系，然后给整个体系注入低于1MPa的压力。打开数据采集电脑，打开恒温水浴，将反应釜内液体温度降到实验温度。

进行下步操作之前确保装置系统中所有阀门，包含背压阀均保持关闭状态。以下c步骤或选c-1或选c-2，而c-2中的c-2a或者c-2b任选一种。

c-1打开阀V1，反应气体经过增压泵增压，通过阀V3和阀V8进入反应釜，待反应釜中的压力达到预定压力，关闭气瓶和增压泵，打开磁力搅拌，进行高压恒温定容试验。

c-2关闭阀V1，打开阀V3，气体经过增压后通过阀V3进入缓冲罐，将缓冲罐用高压气体充满，直到预设压力，关闭气瓶和增压泵。

c-2a打开阀V1，关闭阀V3，打开阀V4，经过增压的气体进入缓冲罐。设定调压阀，气体经过阀V8进入反应釜，打开阀V10，并设置背压阀。通过调压阀和背压阀的相互作用，进行恒压恒温定容实验；

c-2b打开阀V1，关闭阀V3，打开阀V4，经过增压的气体进入缓冲罐。关闭阀V5、阀V7和背压阀，打开阀V6，气体经过阀V8进入反应釜。此时可以进行恒温定容实验，缓冲罐可以提供一个持续的高压。

d当反应釜中的压力达到预定压力，开动磁力搅拌，采集温度、压力、扭力、扭矩和电导率数据，并根据内置摄像头和透明观测窗观察反应釜内钻井液天然气水合物生成和分解情况。

e实验结束后，除了气瓶和缓冲罐的气体外，放空其他回路所有气体，并根据试验需要和计划决定缓冲罐中气体是否排除，排除反应釜内钻井液，清洗反应釜。关闭数据采集和采集电脑。准备下次实验。

本发明所述实验装置是：

一种用于钻井液天然气水合物形成和分解研究的装置系统，承受最大压力25MPa。装置系统包含增压系统、高压缓冲设备、反应釜和测量系统，能够进行不同初始条件的钻井液实验，满足各种实际需求。实验过程中气体从增压泵经过增压，可以直接进入反应釜，也可以通过缓冲罐后进入反应釜。开动磁力搅拌，进入反应釜内的气体在反应釜内和钻井液充分混合反应，通过内置摄像头和可视窗口可以观察反应釜内钻井液水合物生成和分解情况，磁力搅拌的扭力扭矩也可以采集测量。

一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置，包括依次连接的气源、增压泵、缓冲罐、反应釜和真空泵，所述气源和增压泵之间设压力调节阀，增压泵和缓冲罐之间设阀，缓冲罐与反应釜之间有两条支路连接，支路上分别设压力调节阀和阀，两条支路交接后通过阀与反应釜连接，反应釜输出端分出两条支路，其一条支路通过通过阀与真空泵连接，另一条支路上分别设有阀和背压阀；在缓冲罐和反应釜上分别设有温度传感器和压力传感器，反应釜上还设有摄像头放置管、电导率仪、磁力搅拌浆和透明观测窗，反应釜内侧设有不锈钢内衬；在进行定压试验时，压力调节阀和背压阀同时开启，且所述压力调节阀处的预设压力大于反应釜内压力。

本发明与现有技术相比，具有如下优势：

增压系统主要有气源和增压装置组成。气瓶作为气源使用，气体从气瓶出来后进入增压系统，增压系统保证气体达到后续过程中所需压力。

高压缓冲设备核心部分是一个2升的缓冲罐，配有温度、压力测量装置和一个压力调节阀。缓冲罐承受压力30MPa，可以给反应釜提供长时间的高压和充足的反应气体。精密调压阀成本高，精度和成本不匹配，所以自制联合普通调压阀和背压阀，能够准确进行定压定容实验，这在目前现有的装置中很难实现的。

反应釜设计压力25MPa，内置摄像头，反应釜两侧有透明蓝宝石视窗配有磁力搅拌装置，可以方便拍摄和观察釜内钻井液由液体到水合物的转变过程；釜内配置磁力搅拌装置，能够测量扭力和扭矩，可以表征反应釜内液体阻力随反应时间的变化；釜上有温度压力和电导率测量装置，以测量反应釜内温度压力和水合物电导率随时间的变化；反应釜中下部开始附有内衬，和反应釜内壁紧密接触，不需要时可以卸除，内衬底部为孔径范围1000-12000目的不锈钢筛网，可以根据需要更换，添加内衬可以在钻井液有泥浆或其他固态介质的时候有效保护反应釜内壁以及反应釜底部的阀门,避免内部不光滑导致的实验不准确以及漏气情况出现。测量系统可以检测反应釜和釜外管线以及缓冲罐的压力、釜内温度、反应釜内流体电导率以及扭力扭矩，记录反应釜内水合物生成形态的图像数据。

附图说明

图1是本发明所述实验装置结构示意图；

附图标记说明：T-温度传感器；P-压力传感器；R-电导率仪，1-气源；2-增压泵；3-缓冲罐；4-反应釜；5-摄像头放置管；6-磁力搅拌浆；7-透明观测窗；8-真空泵；9-不锈钢内衬；V1，V5-压力调节阀；V2，V7-安全阀；V3，V4,V6，V8-V12-阀；V13-背压阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例：

如图1所示，一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置，包括依次连接的气源1、增压泵2、缓冲罐3、反应釜4和真空泵8，气源1和增压泵2之间设压力调节阀V1，增压泵2和缓冲罐3之间设阀V3，缓冲罐3与反应釜4之间有两条支路连接，支路上分别设压力调节阀V5和阀V6，两条支路交接后通过阀V8与反应釜4连接，反应釜4输出端分出两条支路，其一条支路通过通过阀门V11与真空泵8连接，另一条支路上分别设有阀V10和背压阀V13；在缓冲罐3和反应釜4上分别设有温度传感器和压力传感器，反应釜4上还设有摄像头放置管5、电导率仪R、磁力搅拌浆6和透明观测窗7，反应釜4内侧设有不锈钢内衬9，在进行定压试验时，压力调节阀V5和背压阀V13同时开启，且所述压力调节阀V5处的预设压力大于反应釜4内压力。

定压实验时压力调节阀V5和背压阀V13的共同作用：首先保持阀10开启，压力调节阀V5到反应釜4内设压力（例如8MPa）高0.1MPa，背压阀V13调节到反应釜4内预设压力（8MPa）。压力调节阀V5不能精确控制进气，会在压力调节阀V5预设压力（8.1MPa）上下波动，所以压力调节阀V5预设压力要稍大于反应釜4内压力，气体进入反应釜4后，多于的气体经过背压阀V13排除体系，确保反应釜4内压力精确控制在预定压力（8MPa）。

一种钻井液天然气水合物形成和分解研究的装置系统，承受压力25MPa。实验前用去离子水清洗反应釜三次，然后在反应釜中加入根据现场条件配置的钻井液。用反应气体吹扫整个体系，然后给整个体系低于1MPa的压力。打开数据采集电脑，打开恒温水浴，将反应釜内液体温度降到实验温度。进行下步操作之前确保装置系统中所有阀门，包含背压阀均保持关闭状态。气源通过减压阀进入增压泵。

1、恒温恒压实验

关闭普通阀门V3和V6，增压后的气体注入缓冲罐3，当压力升高的预定压力，此压力比反应釜内4预定压力要高。打开压力调节阀5，调节调压阀到反应釜4所需的预设压力，但是调压阀是不能准确控制气体压力的，气体进入反应釜4后，到达预设压力后开启磁力搅拌浆6，反应开始。随即打开安全阀V7和背压阀V8到V12，将压力设定为反应釜所需的预设压力，这个反应过程中调压阀压力偏高，多于的气体从背压阀V13放出，保证反应釜4内的压力准确控制在所需压力。采集实验数据，观察实验过程。

2、恒温实验

关闭阀V4，气体经过阀V3、阀V8直接进入反应釜，到达预定压力后关闭起源和停止增压，开启磁力搅拌，进行试验。

当釜内钻井液较多，生成的水合物含气量高时，可以预先增压缓冲罐，实验时保持缓冲罐和反应釜相同，以满足实验用气。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的装置，其特征在于：包括依次连接的气源（1）、增压泵（2）、缓冲罐（3）、反应釜（4）和真空泵（8），所述气源（1）和增压泵（2）之间设压力调节阀（V1），增压泵（2）和缓冲罐（3）之间设阀（V3），缓冲罐（3）与反应釜（4）之间有两条支路连接，支路上分别设压力调节阀（V5）和阀（V6），两条支路交接后通过阀（V8）与反应釜（4）连接，反应釜（4）输出端分出两条支路，其一条支路通过通过阀（V11）与真空泵（8）连接，另一条支路上分别设有阀（V10）和背压阀（V13）；在缓冲罐（3）和反应釜（4）上分别设有温度传感器和压力传感器，反应釜（4）上还设有摄像头放置管（5）、电导率仪（R）、磁力搅拌浆（6）和透明观测窗（7），反应釜（4）内侧设有不锈钢内衬（9）；在进行定压试验时，压力调节阀（V5）和背压阀（V13）同时开启，且所述压力调节阀（V5）处的预设压力大于反应釜（4）内压力。

2.一种用于钻井液天然气水合物动力学研究的方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一：清洗反应釜，在反应釜中加入根据预定条件配置的钻井液；

步骤二：用反应气体吹扫整个体系，然后给整个体系注入低于1MPa的压力，将反应釜内液体温度降到实验温度；

步骤三：进行下步操作之前关闭所有阀门，以下c-1或选c-2，而c-2中的c-2a或者c-2b任选一种；

c-1，打开阀V1，反应气体经过增压泵增压，通过阀V3和阀V8进入反应釜，待反应釜中的压力达到预定压力，关闭气瓶和增压泵，打开磁力搅拌，进行高压恒温定容试验；

c-2，关闭阀V1，打开阀V3，气体经过增压后通过阀V3进入缓冲罐，将缓冲罐用高压气体充满，直到预设压力，关闭气瓶和增压泵。

c-2a，打开阀V1，关闭阀V3，打开阀V4，经过增压的气体进入缓冲罐，设定调压阀，气体经过阀V8进入反应釜，打开阀V10，并设置背压阀，进行恒压恒温定容实验；

c-2b，打开阀V1，关闭阀V3，打开阀V4，经过增压的气体进入缓冲罐，关闭阀V5、阀V7和背压阀，打开阀V6，气体经过阀V8进入反应釜，进行恒温定容实验；

步骤四：当反应釜中的压力达到预定压力，开动磁力搅拌，采集温度、压力、扭力、扭矩和电导率数据，并根据内置摄像头和透明观测窗观察反应釜内钻井液天然气水合物生成和分解情况。

步骤五：除了气瓶和缓冲罐的气体外，放空其他回路所有气体，并根据试验需要和计划决定缓冲罐中气体是否排除，排除反应釜内钻井液，清洗反应釜。

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