CN104964845B - 天然气水合物钻探取样模拟井实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物钻探取样模拟井实验装置及实验方法,装置是由地表操作系统、钻井液循环系统、压力控制及监测系统和温度控制及检测系统组成,试验井可根据水合物的不同赋存条件对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制,为实验设置初始条件。通过模拟井试验装置对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制,并在孔内进行天然气水合物钻探取样方法测试实验,研究钻孔内温压场对天然气水合物钻探取样过程影响机理。减少了野外试验的工作量;避免了野外试验中由于试验参数的不可控性对实验的影响,可实现对个数据的定量和定性的分析;更有利于分析钻孔内温压场对天然气水合物取样过程的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物钻探取样模拟井实验装置,尤其适用于孔内温压场对天然气水合物钻探取样过程的影响测试实验。
背景技术
天然气水合物燃烧后产生二氧化碳和水,是一种清洁能源,其储量丰富,在未来成为煤、石油、天然气等常规能源的替代能源也被人类所共识。天然气水合物形成和赋存在高压低温的环境下。根据天然气水合物稳压特性曲线,如果温度或者压力条件变化超过平衡条件,就会导致天然气水合物分解,因此对钻探取心工作提出了很高的要求。目前国内外的天然气水合物取样器主要由两种设计思路:一种是保温保压取样器,一种是孔底冷冻取样器。保温保压取样器的保压方法是当水合物岩心进入保压岩心室后,通过球阀关闭岩心管底部使岩心保持初始压力,并利用压力补偿装置控制压力,以确保岩心压力在提离孔底的整个过程中保持不变,提到地表后再进行冷冻保存;孔内岩心的保温方法主要是采用保温材料实现被动式保温方法。天然气水合物孔底冷冻取样方法通过外部冷源在孔底直接冷冻天然气水合物岩心,将天然气水合物岩心温度降低至平衡温度以下来抑制水合物的分解,从而获得水合物保真样品。由于钻孔内的温度和压力不是定值,通常是随深度的增加而不同程度地增加的,不同孔深的温度和压力作用对于天然气水合物钻探取样过程的影响是不容忽视的。因此需要研究在钻孔内温度场、压力场和钻井液流场等多场耦合条件和在其作用下对天然气水合物钻探取样的影响机理。但目前尚没有相应的实验装置。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足,提出一种能够模拟实际钻进过程中孔内温度和压力的模拟井实验装置。通过模拟井试验装置对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制,并在孔内进行天然气水合物钻探取样方法测试实验,研究钻孔内温压场对天然气水合物钻探取样过程影响机理。
本发明所述的天然气水合物钻探取样模拟井实验装置是由地表操作系统、钻井液循环系统、压力控制及监测系统和温度控制及检测系统组成,试验井可根据水合物的不同赋存条件对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制,为实验设置初始条件。
地表操作系统是由钻塔、卷扬机、钻杆、天然气水合物取样器和试验孔组成;卷扬机安装在钻塔上部,天然气水合物取样器置于试验孔的钻杆内部。在实验开始时通过卷扬机带动钻杆将天然气水合物取样器下放至试验孔内,然后开始试验;在实验结束时再将天然气水合物取样器从试验孔内提出。模拟孔最外层为直径400mm的PVC管,内层为直径273mm的钢管,钢管底部密封,PVC与钢管之间为乙二醇溶液。
钻井液循环系统包括有泥浆泵、高压胶管、泥浆池、孔口密封装置、钻杆和水龙头;泥浆泵与高压胶管通过螺纹连接,高压胶管与水龙头连接,水龙头通过螺纹与钻杆连接;孔口密封装置位于试验孔的孔口通过高压胶管与压力控制阀连接,压力控制阀通过高压胶管与泥浆池相连。泥浆泵将泥浆从泥浆池内抽出,经过高压胶管将泥浆泵送至水龙头;泥浆从水笼头经过钻杆进入试验孔内,泥浆经天然气水合物取样器与钻杆之间的间隙流出,并由钻杆与273mm钢管之间的间隙向上流动通过井口密封装置流出试验孔。泥浆流出试验孔通过压力控制阀流入泥浆池中,形成钻井液循环。
压力控制和监测系统由泥浆泵、压力控制阀、孔口密封装置和压力检测装置组成,泥浆泵通过高压胶管将泥浆泵送至试验孔内,通过调节泥浆泵的压力和流量可以控制泥浆进入试验孔时的初始压力;孔口密封装置位于试验孔的孔口位置,通过机械密封的方式实现对试验孔和钻杆的密封,确保整个试验孔系统是封闭的;孔口密封装置通过高压胶管与压力控制阀连接,通过调节压力控制阀可以控制泥浆流出试验孔时的出口压力;泥浆泵、压力控制阀和孔口密封装置共同实现对孔内压力的控制。压力检测装置安装在压力控制系统中,能够实时反映试验孔系统的进出口压力,通过监测试验孔系统的压力可随时对实验过程中的压力进行调整,确保孔内压力维持在实验要求的范围内。
温度控制和监测系统包括温度控制装置、温度检测装置、水箱、水泵和乙二醇腔组成。其中水箱与试验孔上部通过胶管连接,水箱与水泵连接,水泵将乙二醇溶液从乙二醇腔内抽出,乙二醇溶液进入到水箱内;水泵与温度控制装置相连接,水泵将乙二醇自水箱内抽出进入到温度控制装置中,温度控制装置可按照实际要求对乙二醇溶液进行加热或冷却,使乙二醇达到实验要求的温度;通过水泵将达到要求温度的乙二醇溶液泵送至试验孔的底部,使乙二醇溶液在273钢管和PVC管之间的乙二醇腔内形成循环,通过乙二醇溶液循环与孔壁之间进行对流换热和控制冲洗液的温度实现孔内温度控制。
温度监测系统可对钻井液进口温度监测点、钻井液出口温度监测点,乙二醇进口温度监测点、乙二醇出口温度监测点和取样过程中各关键点的取样过程温度监测点参数进行监测。
本发明所述的天然气水合物钻探取样模拟井实验方法包括以下步骤:
安装好孔口密封装置,通过钻塔和卷扬机将绳索取心钻杆放入试验孔内。
打开水泵将乙二醇溶液自水箱内抽出泵送至温度控制装置内对乙二醇溶液控制在实验要求的温度,乙二醇溶液进入钢管和PVC管之间与钢管之间进行对流换热,对试验孔内温度进行控制。
开启泥浆泵将泥浆从泥浆池内抽出并注入到试验孔内,泥浆经压力控制阀流出孔外进入到泥浆池中,形成泥浆循环,通过调节压力控制阀和泥浆泵的控制压力使试验孔内压力保持在实验要求的值。
当压力检测装置和温度监测系统现示孔内的温度和压力达到实验要求的温压条件后,将天然气水合物取样器投入试验孔中,进行天然气水合物取样模拟实验。
实验过程中根据压力和温度监测系统的实时参数,随时对整个装置的温度和压力进行调整;并通过温度和压力检测装置对天然气水合物取样模拟实验过程中关键技术参数进行监测。
本发明的有益效果:
通过模拟井试验装置对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制,并在孔内进行天然气水合物取样方法实验,研究钻孔内温度和压力对天然气水合物取样的影响机理,减少了野外试验的工作量;避免了野外试验中由于试验参数的不可控性对实验的影响,可实现对个数据的定量和定性的分析;更有利于分析钻孔内温压场对天然气水合物取样过程的影响机理。
附图说明
图1为本发明的天然气水合物钻探取样模拟井实验装置示意图。
其中:1.钻塔,2.卷扬机,3.水龙头,4.钻杆,5.孔口密封装置,6.孔底冷冻取样器,7.试验孔,8.Ф273钢管,9.乙二醇腔,10.PVC管,11.压力控制阀,12.泥浆池,13.泥浆泵,14.高压胶管,15.压力监测系统,16.水箱,17.水泵,18.温度监测系统,19.温度控制系统,20.胶管。
a. 钻井液进口温度监测点,b. 钻井液出口温度监测点,c.乙二醇进口温度监测点,d.乙二醇出口温度监测点,e.取样过程温度监测点。
具体实施方式
如图1所示,本发明所述的天然气水合物钻探取样模拟井实验装置是由地表操作系统、钻井液循环系统、压力控制及监测系统和温度控制及检测系统组成,试验井可根据水合物的不同赋存条件对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制,为实验设置初始条件。
地表操作系统是由钻塔(1)、卷扬机(2)、水龙头(3)、钻杆(4)、孔口密封装置(5)、天然气水合物取样器(6)和试验孔(7)组成;卷扬机(2)安装在钻塔(1)上部,天然气水合物取样器(6)置于试验孔(7)的钻杆(4)内部。在实验开始时通过卷扬机(2)带动钻杆(4)将天然气水合物取样器(6)下放至试验孔(7)内,然后开始试验;在实验结束时再将天然气水合物取样器(6)从试验孔(7)内提出。孔口密封装置(5)安装在试验孔(7)的上部使试验孔内部是密封的。试验孔(7)最外层为直径400mm的PVC管(10),内层为直径273mm的钢管(8),钢管(8)底部密封,PVC管(10)与钢管(8)之间为乙二醇腔(9),腔内充满乙二醇溶液。
钻井液循环系统包括由水龙头(3)、钻杆(4)、孔口密封装置(5)、泥浆池(12)、泥浆泵(13)和高压胶管(14);泥浆泵(13)与高压胶管(14)通过螺纹连接,高压胶管(14)与水龙头(3)连接,水龙头(3)通过螺纹与钻杆(4)连接;孔口密封装置(5)位于试验孔(7)的孔口通过高压胶管(14)与压力控制阀(11)连接,压力控制阀(11)通过高压胶管(14)与泥浆池(12)相连。泥浆泵(13)将泥浆从泥浆池(12)内抽出,经过高压胶管(14)将泥浆送至水龙头;泥浆从水笼头(3)经过钻杆(4)进入试验孔(7)内,泥浆经天然气水合物取样器(6)与钻杆(4)之间的间隙流出,并由钻杆(4)与273mm钢管(8)之间的间隙向上流动通过井口密封装置(5)流出试验孔(7)。泥浆流出试验孔(7)通过压力控制阀(11)流入泥浆池中,形成钻井液循环。
压力控制和监测系统由孔口密封装置(5)、压力控制阀(11)、泥浆泵(13)、高压胶管(14)和压力检测装置(15)组成,泥浆泵(13)通过高压胶管(14)将泥浆输送至试验孔(7)内,通过调节泥浆泵(13)的压力和流量可以控制泥浆进入试验孔(7)时的初始压力;孔口密封装置(5)位于试验孔(7)的孔口位置,通过机械密封的方式实现对试验孔(7)和钻杆(4)的密封,确保整个试验孔(7)系统是封闭的;孔口密封装置(5)通过高压胶管(14)与压力控制阀(11)连接,通过调节压力控制阀(11)可以控制泥浆流出试验孔(7)时的出口压力;泥浆泵(13)、压力控制阀(11)和孔口密封装置(5)共同实现对孔内压力的控制。压力检测装置(15)安装在压力控制系统中,能够实时反映试验孔(7)系统的进出口压力,通过监测试验孔(7)系统的压力可随时对实验过程中的压力进行调整,确保孔内压力维持在实验要求的范围内。
温度控制和监测系统包括乙二醇腔(9)、水箱(16)、水泵(17)、温度检测装置(18)和温度控制装置(19)组成。其中水箱(16)与试验孔(7)上部通过胶管(20)连接,水箱(16)与水泵(17)连接,水泵(17)将乙二醇溶液从乙二醇腔(9)内抽出,乙二醇溶液进入到水箱(16)内;水泵(17)与温度控制装置(19)相连接,水泵(17)将乙二醇自水箱(16)内抽出进入到温度控制装置(19)中,温度控制装置(19)可按照实际要求对乙二醇溶液进行加热或冷却,使乙二醇达到实验要求的温度;通过水泵(17)将达到要求温度的乙二醇溶液泵送至试验孔(7)的底部,使乙二醇溶液在273钢管和PVC管之间的乙二醇腔(9)内形成循环,通过乙二醇溶液循环与273钢管之间进行对流换热和控制冲洗液的温度实现对试验孔(7)内温度控制。
温度监测系统(18)可对钻井液进口温度监测点(a)、钻井液出口温度监测点(b),乙二醇进口温度监测点(c)、乙二醇出口温度监测点(d)和取样过程中各关键点的取样过程温度监测点(e)参数进行监测。
本发明所述的天然气水合物钻探取样方法模拟井实验方法包括以下步骤:
安装好孔口密封装置(5),通过钻塔(1)和卷扬机(2)将绳索取心钻杆(4)放入试验孔(7)内。
打开水泵(17)将乙二醇溶液自水箱(16)内抽出泵送至温度控制装置(19)内对乙二醇溶液控制在实验要求的温度,乙二醇溶液进入钢管(8)和PVC管(10)之间的乙二醇腔(9)内与钢管(8)之间进行对流换热,对试验孔(7)内温度进行控制。
开启泥浆泵(13)将泥浆从泥浆池(12)内抽出并注入到试验孔(7)内,泥浆经压力控制阀流(11)出孔外进入到泥浆池(12)中,形成泥浆循环,通过调节压力控制阀(11)和泥浆泵(13)的控制压力使试验孔(7)内压力保持在实验要求的值。
当压力检测装置(15)和温度监测系统(18)现示试验孔(7)内的温度和压力达到实验要求的温压条件后,将天然气水合物取样器(6)投入试验孔中,进行天然气水合物取样模拟实验。
实验过程中根据压力检测装置(15)和温度监测系统(18)的实时参数,随时对整个装置的温度和压力进行调整;并通过温度和压力检测装置对天然气水合物取样模拟实验过程中关键技术参数进行监测。
Claims (1)
1.一种天然气水合物钻探取样模拟井实验装置,其特征在于:是由地表操作系统、钻井液循环系统、压力控制及监测系统和温度控制及检测系统组成,
地表操作系统是由钻塔(1)、卷扬机(2)、水龙头(3)、钻杆(4)、孔口密封装置(5)、天然气水合物取样器(6)和试验孔(7)组成,卷扬机(2)安装在钻塔(1)上部,天然气水合物取样器(6)置于试验孔(7)的钻杆(4)内部;在实验开始时通过卷扬机(2)带动钻杆(4)将天然气水合物取样器(6)下放至试验孔(7)内,然后开始试验;在实验结束时再将天然气水合物取样器(6)从试验孔(7)内提出;孔口密封装置(5)安装在试验孔(7)的上部使试验孔内部是密封的;试验孔(7)最外层为直径400mm的PVC管(10),内层为直径273mm的钢管(8),钢管(8)底部密封,PVC管(10)与钢管(8)之间为乙二醇腔(9),乙二醇腔(9)内充满乙二醇溶液;
钻井液循环系统包括有水龙头(3)、钻杆(4)、孔口密封装置(5)、泥浆池(12)、泥浆泵(13)和高压胶管(14);泥浆泵(13)与高压胶管(14)通过螺纹连接,高压胶管(14)与水龙头(3)连接,水龙头(3)通过螺纹与钻杆(4)连接;孔口密封装置(5)位于试验孔(7)的孔口通过高压胶管(14)与压力控制阀(11)连接,压力控制阀(11)通过高压胶管(14)与泥浆池(12)相连;泥浆泵(13)将泥浆从泥浆池(12)内抽出,经过高压胶管(14)将泥浆送至水龙头;泥浆从水笼头(3)经过钻杆(4)进入试验孔(7)内,泥浆经天然气水合物取样器(6)与钻杆(4)之间的间隙流出,并由钻杆(4)与273mm钢管(8)之间的间隙向上流动通过井口密封装置(5)流出试验孔(7);泥浆流出试验孔(7)通过压力控制阀(11)流入泥浆池中,形成钻井液循环;
压力控制及监测系统是由孔口密封装置(5)、压力控制阀(11)、泥浆泵(13)、高压胶管(14)和压力检测装置(15)组成,泥浆泵(13)通过高压胶管(14)将泥浆输送至试验孔(7)内,通过调节泥浆泵(13)的压力和流量可以控制泥浆进入试验孔(7)时的初始压力;孔口密封装置(5)位于试验孔(7)的孔口位置,通过机械密封的方式实现对试验孔(7)和钻杆(4)的密封,确保整个试验孔(7)系统是封闭的;孔口密封装置(5)通过高压胶管(14)与压力控制阀(11)连接,通过调节压力控制阀(11)可以控制泥浆流出试验孔(7)时的出口压力;泥浆泵(13)、压力控制阀(11)和孔口密封装置(5)共同实现对孔内压力的控制;压力检测装置(15)安装在压力控制系统中,能够实时反映试验孔(7)系统的进出口压力,通过监测试验孔(7)系统的压力可随时对实验过程中的压力进行调整,确保孔内压力维持在实验要求的范围内;
温度控制及监测系统包括乙二醇腔(9)、水箱(16)、水泵(17)、温度监测系统(18)和温度控制装置(19)组成;其中水箱(16)与试验孔(7)上部通过胶管(20)连接,水箱(16)与水泵(17)连接,水泵(17)将乙二醇溶液从乙二醇腔(9)内抽出,乙二醇溶液进入到水箱(16)内;水泵(17)与温度控制装置(19)相连接,水泵(17)将乙二醇自水箱(16)内抽出进入到温度控制装置(19)中,温度控制装置(19)可按照实际要求对乙二醇溶液进行加热或冷却,使乙二醇达到实验要求的温度;通过水泵(17)将达到要求温度的乙二醇溶液泵送至试验孔(7)的底部,使乙二醇溶液在273钢管和PVC管之间的乙二醇腔(9)内形成循环,通过乙二醇溶液循环与273钢管之间进行对流换热和控制冲洗液的温度实现对试验孔(7)内温度控制;
温度监测系统(18)可对钻井液进口温度监测点(a)、钻井液出口温度监测点(b),乙二醇进口温度监测点(c)、乙二醇出口温度监测点(d)和取样过程中各关键点的取样过程温度监测点(e)参数进行监测。
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