CN104775809A - 一种水溶气藏开发模拟实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水溶气藏开发模拟实验系统及方法：模拟系统共分为四部分：地层水与甲烷溶解系统，含气地层水中甲烷溶解度测定系统，水溶气开采模拟实验系统以及温度控制系统；水溶气开发模拟实验方法，包括五个部分：包括实验前准备、地层水和甲烷气的溶解过程、含气地层水中甲烷溶解度的测定、填砂管含气地层水饱和过程、水溶气的降压开发模拟过程。本发明针能真实的模拟地层条件下水溶气开发过程，为水溶气的开发创造了良好的条件。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气开采的物理实验设备领域，具体涉及一种水溶气藏开发模拟实验系统及方法。
背景技术
水溶性天然气属于非常规能源，在全世界广泛分布且储量巨大，这是一种非常重要的、比全世界已探明石油天然气资源量大得多的潜在天然气资源。早在20世纪中叶，国外就有关于水溶气的研究，早期的学者主要开展了测定烃类气体在水中的溶解度及其溶解机理的探索，日本首先正式提出水溶气是一种新的非常规天然气资源。目前关于水溶气的溶解度特征与溶解机理、水溶气的运移模拟实验、水溶气运移的地球化学指标以及水溶气聚集成藏的控制因素等国内学者都做了大量的工作。而关于水溶气的开发方式的研究很少，对于水溶天然气，通常采用降压法开采，那么研究压力的变化、地层水特性以及地层水中的天然气溶解度对水溶气开发效果有何影响是十分有必要的。
目前，针对水溶气的实验系统只是测定不同压力温度下天然气在水中的溶解度，没有实验系统能真实的模拟地层条件下水溶气开发过程。鉴于以上问题，本文介绍了一套多功能水溶气开发模拟实验系统，以及该系统的使用方法。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种水溶气藏开发模拟实验系统及方法，用于研究水溶气的溶解度与温度、压力之间的关系以及降压法开发水溶气情况下压力对天然气产量的影响作用。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
一种水溶气藏开发模拟实验系统及方法：模拟系统共分为四部分：地层水与甲烷溶解系统，含气地层水中甲烷溶解度测定系统，水溶气开采模拟实验系统以及温度控制系统；
水溶气开发模拟实验方法，包括五个部分：包括实验前准备、地层水和甲烷气的溶解过程、含气地层水中甲烷溶解度的测定、填砂管含气地层水饱和过程、水溶气的降压开发模拟过程。
进一步的，所述地层水与甲烷溶解系统具体包括：前平流泵、溶解室、含地层水的中间容器、甲烷储集容器以及相应的控制阀门。
进一步的，所述含气地层水中甲烷溶解度测定部分由冷凝器、量水筒、气量计以及相应的控制阀门组成。
进一步的，所述水溶气开采模拟实验部分由溶解室、后平流泵、含甲烷中间容器、填砂管、储气罐以及相应的控制阀门组成。
进一步的，所述实验前准备具体为：按比例混合沙子，充填进填砂管，的填砂模型。测量填砂管中模型的渗透率和孔隙度。安装装置并将地层水、高压甲烷分别注入相应容器中，关闭各个控制阀门。
进一步的，所述地层水和甲烷气的溶解过程具体为：先后往溶解室中注入地层水和甲烷气，并模拟地层高温环境，对溶解室进行加温加压，保持并静置6-10h，使甲烷气与地层水溶解平衡。
进一步的，所述含气地层水中甲烷溶解度的测定具体为：启动上平流泵，往溶解室中加入煤油并排出部分含气地层水，对含气地层水进行冷却降温，使气液分离，分别测得气液体积，进而计算得出含气地层水中的甲烷含量。
进一步的，所述填砂管含气地层水饱和过程具体为：模拟地层高温环境对填沙管进行加热，是甲烷气在高温下达到饱和，将掺有煤油的含气地下水压入填沙管，当通风橱中有少量液体溢出时，说明填砂模型已经被含气地层水所饱和。
进一步的，所述水溶气的降压开发模拟过程具体为：设置一系列降压值，析出部分甲烷气至储气罐，读出相应压力值，计算出新增甲烷气体积，最终建立甲烷体积增量与压力的关系图，分析不同压力下水溶气的产出规律。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明针能真实的模拟地层条件下水溶气开发过程，实验模拟过程科学，实验模拟结果准确，为水溶气的开发创造了良好的条件。
附图说明
图1为本发明的水溶气藏开发模拟实验系统及方法结构示意图。
图2a为溶解室纵向剖面图。
图2b为溶解室横向剖面图。
图3a为含地层水的中间容器的纵剖面图。
图3b为含地层水的中间容器的横向剖面图。
图4a为含甲烷中间容器纵向剖面图。
图4b为含甲烷中间容器横向剖面图。
注：纵向剖面图是平行于纸面的剖面，横向剖面图是垂直于纸面的剖面。
图1中：1、平流泵，2、溶解室，3、含地层水的中间容器，4、甲烷储集容器，5、量水筒，6、气量计，7、填砂管，8、储气罐，9、冷凝器，10、平流泵，11、含甲烷的中间容器，12、通风橱，13、温度控制系统，14a、第一控制阀门，14b、第二控制阀门，14、第三控制阀门，14d、第四控制阀门，14e、第五控制阀门，14f、第六控制阀门，14g、第七控制阀门，14h、第九控制阀门，14i、第十控制阀门，14j、第十一控制阀门，15a、第一压力表，15b、第二压力表，16a、第一压力阀，16b、第二压力阀。
具体实施方式
下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
图1为本发明的水溶气藏开发模拟实验系统及方法结构示意图。
如图1所示：本模拟系统共分为四部分：地层水与甲烷溶解系统，含气地层水中甲烷溶解度测定系统，水溶气开采模拟实验系统以及温度控制系统。
地层水与甲烷溶解系统，包括：平流泵1、溶解室2、含地层水的中间容器3、甲烷储集容器4以及相应的控制阀门。
平流泵1接两条管线分别为第一管线和第二管线，第一管线由第一控制阀门14a控制，第二管线由第二控制阀门14b控制。平流泵1用煤油作为驱替介质，产生稳定的压力。
图2a为溶解室纵向剖面图，图2b为溶解室横向剖面图。
如图2a、图2b所示，溶解室2为内部含有活塞的圆筒状容器，活塞将溶解室2分成上下两个腔，圆筒形溶解室2一共设置三个入口、一个出口以及一个压力阀接口。溶解室2上底面通过流体入口接第一管线，并有第一控制阀门14a控制开关；侧面靠下位置处设置两个流体入口分别由第六控制阀门和第七控制阀门控制开关；下底面通过流体出口由第八控制阀门14h控制开关。平流泵1通过管线将煤油泵入活塞上部，推动活塞向下运动，实现对活塞下部腔室进行加压的过程。
平流泵1通过两条管线，第一管线、第二管线分别分别接到溶解室2和含地层水的中间容器3上，并分别由第一控制阀门14a和第二控制阀门14b控制管路的开闭。含地层水的中间容器3下游通过耐高压管线接到溶解室2侧面靠下位置处，由第六控制阀门14f控制管路开闭。甲烷储集容器4上方设置第三控制阀门14c，控制甲烷储集容器的开关，并通过耐压管线连接到溶解室2的侧面靠下位置处，并设置第七控制阀门14g，第八控制阀门14g和第三控制阀门14c共同控制管线中甲烷气体的开闭。
溶解室2侧面下部接入两条耐压管线和一个压力表14，底部接入一条耐压管线，分别由相应的控制阀门14f、14g和14h控制管线的开闭，压力表15a测量活塞下部腔室内压力的值。
图3a为含地层水的中间容器的纵剖面图，图3b为含地层水的中间容器的横向剖面图。
如图3所示：含地层水的中间容器3是一个内部含有活塞的圆筒状容器，活塞将中间容器3分为上下两个腔，活塞下部腔室储存地层水，平流泵1通过管线将煤油泵入活塞上部，推动活塞向下运动，进而将下部腔室内的地层水压入下游耐压管线内，实现往溶解室2注入地层水的过程。
甲烷储集容器4内储存甲烷气，第二控制阀门14b控制容器的开关。
含气地层水中甲烷溶解度测定部分由冷凝器9、量水筒5、气量计6以及相应的控制阀门组成。这一部分完成水容器中甲烷溶解度的测定工作。从溶解室2底部出来的耐压管线经过第八控制阀门14h之后分成两路，其中一路连接到冷凝器9，由第九控制阀门14i控制地层水的开闭。
冷凝器9实现对高温高压含气地层水的快速冷凝过程，快速冷凝防止高温高压气体快速析出过程可能会发生的爆沸现象。分离的液体留在量水筒5内，量水筒壁上有刻度，可读出分离液体的体积。分离的气体通过气量计6测出体积。
水溶气开采模拟实验部分由溶解室2、平流泵10、含甲烷中间容器11、填砂管7、储气罐8以及相应的控制阀门组成。这一部分是模拟系统的主体部分。上面所述的由溶解室2出来的耐压管线分成两路，另外一路连接到填砂管7上。平流泵10向下接到含甲烷中间容器11上，往下通过管线接到填砂管7上，并有压力阀16b控制管线的开闭。由填砂管7出来的耐压管线经过压力阀16a后分为两条支路：一条支路连接到储气罐8，由第四控制阀门14d控制；另外一条支路通向通风橱12，由第五控制阀门14e控制。储气罐8上设有压力计15b，用来检测储气罐的压力值，压力罐的容积已知。
图4a为含甲烷中间容器纵向剖面图，图4b为含甲烷中间容器横向剖面图。
如图4所示：含甲烷的中间容器11是一个内部含有活塞的圆筒状容器，活塞将中间容器11分为左右两个腔，活塞右侧腔室储存甲烷气，平流泵10通过管线将煤油泵入活塞左侧，推动活塞向右运动，进而将右侧腔室内的甲烷气压入填砂管7中，完成对填砂管7饱和甲烷气的实验前准备。
压力阀16a和压力阀16b用来控制和调整压力系统的压力，定压溢流，以保证系统在指定压力或安全压力下正常工作。
温度控制部分是为溶解室2和填砂管7提供高压环境，模拟地层条件。
水溶气开发模拟实验方法，应用上述模拟系统，整个实验分为五个部分来完成：包括实验前准备，地层水和甲烷气的溶解过程，含气地层水中甲烷溶解度的测定，填砂管含气地层水饱和过程，水溶气的降压开发模拟过程，具体步骤如下：
一、实验前准备
1、按照合适的比例混合沙子，将沙子充填进填砂管，均匀压实并烘干，制作成性质相似的填砂模型。测量填砂管中模型的渗透率和孔隙度。
2、将各个装置按照图1所示结构安装，中间容器3中充满地层水，储集容器4中充满高压甲烷，各个控制阀门关闭。将填砂管7抽成真空，读出储气罐8的标定容积和压力计15b示数，此时的压力计15b示数应为常压。
二、地层水和甲烷气的溶解过程
1、往溶解室2中注地层水：打开第二控制阀门14b和第六控制阀门14f，启动平流泵1，通过耐压管线向含地层水的中间容器3内注入煤油，含地层水的中间容器3中的地层水会被压入溶解室2中。设定平流泵注入时间和注入流速来控制地层水的注入体积。当设定体积的地层水注入完成后，关闭平流泵1，关闭第二控制阀门14b和第六控制阀门14f。
2、往溶解室2中注甲烷气：先打开第三控制阀门14c，再打开第七控制阀门14g，注入一定体积的高压甲烷气。当压力计15a的示数不再变化时，关闭控制阀门14g和14c。
3、打开第一控制阀门14a，启动平流泵1，将煤油注入溶解室2中，对溶解室2加压，模拟地层高压环境，压力值从压力计15a读出。当压力计15a显示的示数达到设定压力P时，关闭平流泵1，关闭第一控制阀门14a。开启温度控制系统13，对溶解室2加热，模拟地层高温环境。调整完毕后，保持溶解室2的高温高压环境不变，静置6～10h，使甲烷气与地层水溶解平衡。
三、含气地层水中甲烷溶解度的测定
1、先打开第九控制阀门14i，后打开第一控制阀门14a，启动平流泵1，往溶解室注入煤油。同时，开启第八控制阀门14h，含气地层水会被匀速排出。观察压力计15a，控制平流泵流量和第八控制阀门14h的开启程度，使溶解室2中的压力P保持不变。
2、从溶解室2中排出的含气地层水先经过冷凝器9快速冷却到常温下，此时气液分离，液体流入量水筒5内，气体经过气量计6。从溶解室2排液一段时间后，关闭平流泵1，并快速关闭控制阀门14h、14i以及14a。量水筒5测量液面的体积，气量计6测量气体体积，进而可以求得含气地层水中甲烷的溶解度。
注：从溶解室2中排出含气地层水时不能将溶解室2中的地层水全部排出，要留足够的含气地层水进行下面的实验。这个控制的依据是计算平流泵的流量以及最初注入溶解室2的地层水的体积。
四、填砂管含气地层水饱和过程
1、开启温度控制系统13，对填砂管7加热，模拟地层高温环境。
2、打开第二压力阀16b，启动平流泵10，向含甲烷中间容器11注入煤油，对中间容器11中的甲烷进行加压，将其压入填砂管7中。当压力阀16b的示数达到P时，关闭平流泵10和关闭第二控制阀16b。
3、打开控制阀门14a、14h和14j，并将压力阀16a压力设置为P，打开第五控制阀门14e。启动平流泵1，将煤油泵入溶解室2，进而将溶解室2中的含气地层水缓慢的压入到填砂管7中。当通风橱12处有少量液体溢出时，说明填砂模型已经被含气地层水所饱和。关闭平流泵1，关闭控制阀门14a、14h、14j和14e。
在含气地层水饱和填砂模型的过程中，预先用甲烷气在高压P下饱和的目的是避免地层水在注入填砂模型时由于压力和温度的降低而使地层水中溶解的甲烷气析出，这样就保证了实验模拟的科学性和准确性。含气地层水饱和填砂模型的过程实质上是一个水驱气的过程，为了使地层水饱和填砂模型的效果最佳，将填砂管竖直放置。
五、水溶气的降压开发模拟过程
1、设置一系列的压力值：P1、P2、P3、P4、P5(P>P1>P2>P3>P4>P5)。
2、打开第四控制阀门14d，将压力阀16a压力调至P1，会有一部分甲烷气析出，进入储气罐8中，压力计15b的示数增大，读出压力计15b的示数，结合甲烷气的压缩因子Z换算到常温常压下产出甲烷的体积V1。
3、再将压力阀16a压力调至P2，又会有一部分甲烷气析出，按照步骤2计算得到新增加的甲烷体积V2。对于压力P3、P4和P5，按照上述步骤进行，分别得到甲烷气增量V3、V4和V5。
4、建立甲烷体积增量与压力的关系图，可以分析不同压力下水溶气的产出规律。
利用该水溶气开发模拟实验系统，我们还可以通过改变地层水的性质、地层水中甲烷的溶解度以及溶解过程中的压力温度来模拟这些因素对水溶气的开发效果的影响。
实施例：
水溶气开发模拟实验方法，应用上述模拟系统，整个实验分为五个部分来完成：包括实验前准备，地层水和甲烷气的溶解过程，含气地层水中甲烷溶解度的测定，填砂管含气地层水饱和过程，水溶气的降压开发模拟过程，具体步骤如下：
一、实验前准备
1、按照下表1中的比例混合沙子，将沙子充填进填砂管，均匀压实并烘干，制作成性质相似的填砂模型。测量填砂管中模型的渗透率和孔隙度。气测渗透率的方法：将N2通入填砂管模型中，用皂泡流量计、秒表计量气体的流量，通过测量填砂管两侧的压差计气体流量，计算出气测渗透率。孔隙度的测定：分别称量填砂管模型饱和水前后的干重和湿重，根据饱和水前后模型重量之差与水密度，计算孔隙度。
表1储层粒度组成
| 目数 | <40 | 40-70 | 70-100 | 100-120 | 120-160 | 160-200 | 200-300 | >300 |
| 组成％ | 15.70 | 16.87 | 45.28 | 6.77 | 4.16 | 3.98 | 5.49 | 3.75 |
2、将各个装置按照图1所示结构安装，中间容器3中充满地层水，储集容器4中充满高压甲烷，各个控制阀门关闭。将填砂管7抽成真空，读出储气罐8的标定容积和压力计15b示数是多少1.01bar(标况下)，此时的压力计15b示数应为常压。
二、地层水和甲烷气的溶解过程
1、往溶解室2中注地层水：打开第二控制阀门14b和第六控制阀门14f，启动平流泵1，通过耐压管线向含地层水的中间容器3内注入煤油，含地层水的中间容器3中的地层水会被压入溶解室2中。设定平流泵注入时间和注入流速来控制地层水的注入体积，注入速度以实验设备而定，控制在0.1-1cm3/s范围内，设定注入体积为1L。当设定体积的地层水注入完成后，关闭平流泵1，关闭第二控制阀门14b和第六控制阀门14f。
2、往溶解室2中注甲烷气：先打开第三控制阀门14c，再打开第七控制阀门14g，注入体积为3L的高压甲烷气。当压力计15a的示数不再变化时，关闭控制阀门14g和14c。
3、打开第一控制阀门14a，启动平流泵1，将煤油注入溶解室2中，对溶解室2加压，模拟地层高压环境，压力值从压力计15a读出。当压力计15a显示的示数达到设定压力P＝30MPa时，关闭平流泵1，关闭第一控制阀门14a。开启温度控制系统13，对溶解室2加热到130℃，模拟地层高温环境。调整完毕后，保持溶解室2的高温高压环境不变，静置6～10h，使甲烷气与地层水溶解平衡。
三、含气地层水中甲烷溶解度的测定
1、先打开第九控制阀门14i，后打开第一控制阀门14a，启动平流泵1，往溶解室注入煤油。同时，开启第八控制阀门14h，含气地层水会被匀速排出。观察压力计15a，控制平流泵流量和第八控制阀门14h的开启程度，使溶解室2中的压力P＝30MPa保持不变。
2、从溶解室2中排出的含气地层水先经过冷凝器9快速冷却到常温下，此时气液分离，液体流入量水筒5内，气体经过气量计6。从溶解室2排液一段时间后，关闭平流泵1，并快速关闭控制阀门14h、14i以及14a。量水筒5测量液面的体积VL，气量计6测量气体体积Vg，通过公式VL/Vg可以求得含气地层水中甲烷的溶解度。
注：从溶解室2中排出含气地层水时不能将溶解室2中的地层水全部排出，要留体积>1L的含气地层水进行下面的实验。这个控制的依据是计算平流泵的流量以及最初注入溶解室2的地层水的体积。
四、填砂管含气地层水饱和过程
1、开启温度控制系统13，对填砂管7加热到温度150℃，模拟地层高温环境。
2、打开第二压力阀16b，启动平流泵10，向含甲烷中间容器11注入煤油，对中间容器11中的甲烷进行加压，将其压入填砂管7中。当压力阀16b的示数达到P＝30MPa时，关闭平流泵10和关闭第二控制阀16b。
3、打开控制阀门14a、14h和14j，并将压力阀16a压力设置为P，打开第五控制阀门14e。启动平流泵1，将煤油泵入溶解室2，进而将溶解室2中的含气地层水缓慢的压入到填砂管7中。当通风橱12处有少量液体溢出时，说明填砂模型已经被含气地层水所饱和。关闭平流泵1，关闭控制阀门14a、14h、14j和14e。
在含气地层水饱和填砂模型的过程中，预先用甲烷气在高压P下饱和的目的是避免地层水在注入填砂模型时由于压力和温度的降低而使地层水中溶解的甲烷气析出，这样就保证了实验模拟的科学性和准确性。含气地层水饱和填砂模型的过程实质上是一个水驱气的过程，为了使地层水饱和填砂模型的效果最佳，将填砂管竖直放置。
五、水溶气的降压开发模拟过程
1、设置一系列的压力值：P1、P2、P3、P4、P5(P>P1>P2>P3>P4>P5)。
2、打开第四控制阀门14d，将压力阀16a压力调至P1，会有一部分甲烷气析出，进入储气罐8中，压力计15b的示数增大，读出压力计15b的示数，结合甲烷气的压缩因子Z换算到常温常压下产出甲烷的体积V1。
3、再将压力阀16a压力调至P2，又会有一部分甲烷气析出，按照步骤2计算得到新增加的甲烷体积V2。对于压力P3、P4和P5，按照上述步骤进行，分别得到甲烷气增量V3、V4和V5。
4、建立甲烷体积增量与压力的关系图，可以分析不同压力下水溶气的产出规律。
利用该水溶气开发模拟实验系统，我们还可以通过改变地层水的性质、地层水中甲烷的溶解度以及溶解过程中的压力温度来模拟这些因素对水溶气的开发效果的影响。
本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (9)
1.一种水溶气藏开发模拟实验系统及方法，其特征在于：
模拟系统共分为四部分：地层水与甲烷溶解系统，含气地层水中甲烷溶解度测定系统，水溶气开采模拟实验系统以及温度控制系统；
水溶气开发模拟实验方法，包括五个部分：包括实验前准备、地层水和甲烷气的溶解过程、含气地层水中甲烷溶解度的测定、填砂模型含气地层水饱和过程、水溶气的降压开发模拟过程。
2.如权利要求1所述的一种水溶气藏开发模拟实验系统，其特征在于，所述地层水与甲烷溶解系统具体包括：前平流泵、溶解室、含地层水的中间容器、甲烷储集容器以及相应的控制阀门。
3.如权利要求2所述的一种水溶气藏开发模拟实验系统，其特征在于，所述含气地层水中甲烷溶解度测定系统由冷凝器、量水筒、气量计以及相应的控制阀门组成。
4.如权利要求3所述的一种水溶气藏开发模拟实验系统，其特征在于，所述水溶气开采模拟实验系统由溶解室、后平流泵、含甲烷中间容器、填砂管、储气罐以及相应的控制阀门组成。
5.如权利要求1所述的一种水溶气藏开发模拟实验方法，其特征在于，所述实验前准备具体为：按比例混合沙子，充填进填砂管制得填砂模型；测量填砂管中模型的渗透率和孔隙度；安装装置并将地层水注入中间容器，将高压甲烷注入储集容器中，注入完成后关闭所述中间容器和储集容器的控制阀门。
6.如权利要求5所述的一种水溶气藏开发模拟实验方法，其特征在于，所述地层水和高压甲烷的溶解过程具体为：先后往溶解室中注入地层水和高压甲烷，并模拟地层高温环境，对溶解室进行加温加压，保持并静置6-10h，使高压甲烷与地层水溶解平衡。
7.如权利要求6所述的一种水溶气藏开发模拟实验方法，其特征在于，所述含气地层水中甲烷溶解度的测定具体为：启动上平流泵，往所述溶解室中加入煤油并排出部分含气地层水，对溶解室中的含气地层水进行冷却降温，使甲烷气与地层水分离，分别测得气液体积，进而计算得出含气地层水中的甲烷含量。
8.如权利要求7所述的一种水溶气藏开发模拟实验方法，其特征在于，所述填砂模型含气地层水饱和过程具体为：向所述填砂模型中注入甲烷气，并模拟地层高温环境对所述填砂模型进行加热，使甲烷气在高温下达到饱和，将掺有煤油的含气地下水压入填沙管，当通风橱中有少量液体溢出时，说明填砂模型已经被含甲烷气地层水所饱和，即可停止向填沙管中压入掺有煤油的含气地下水。
9.如权利要求8所述的一种水溶气藏开发模拟实验方法，其特征在于，所述水溶气的降压开发模拟过程具体为：设置一系列降压值，对所述填砂模型进行各降压值的降压处理，析出部分甲烷气至储气罐，读出相应压力值，计算出所述储气罐中新增甲烷气体积，最终建立甲烷体积增量与压力的关系图，分析不同压力下水溶气的产出规律。
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