CN105735948A - 一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，包括以下步骤：S1：水合物高压反应釜安装；S2：水合物生成与观测；S3：钻机总成安装；S4：钻井工艺模拟；S5：钻井过程对水合物储层影响评价；S6：降压开采过程模拟；S7：开采过程中储层变化监测。本发明在实验室内能够有效地模拟水合物钻采工艺，即模拟高压状态下钻进含水合物沉积物样品和降压开采过程，操作方便，使用成本低，可获取有关天然气水合物开采的关键技术参数。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物钻采技术领域，尤其涉及一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法。
背景技术
天然气水合物是由天然气和水在较低的温度和较高的压力条件下形成的似冰雪状的结晶化合物，广泛分布于高纬度极地冻土地层环境和海洋深水地层环境中，具有储量大、埋藏浅、燃烧清洁和能量密度高等特点，被认为是21世纪最为重要的替代能源之一，引起了国内外政府部门和科研院所的广泛关注。
近年来，国内外学者尤其重视水合物开采技术的研究，已经提出了注热法、降压法、注入化学试剂法、置换法和固体法等技术。其中，降压法通过降低地层孔隙压力至水合物相平衡压力之下，从而使固态水合物分解产生甲烷气体，该方法被认为是最为经济有效的开采技术，但海域水合物地层通常处于欠固结状态且埋藏较浅，降压法开采水合物将使孔隙流体对地层颗粒产生较大的剪切作用力，再加上水合物分解削弱砂粒间胶结能力，最终导致细颗粒泥砂在地层中运移并聚集，堵塞防砂装置与管道，损毁降压泵。
鉴于原位取芯技术和现场试验成本的局限，水合物开采技术研究以室内模拟实验为主。国内外学者研发了多套室内模拟实验装置用于水合物开采技术研究，重点关注水合物分解产气和产水情况以及温度、压力和水合物饱和度等参数变化情况的实验模拟。然而，现有的水合物开采室内模拟实验通常不设置井筒或采用预埋井筒的方式，少有考虑钻采工艺的，配套的水合物钻采工艺室内实验模拟方法鲜有报道，模拟实验与工程实际情况不符，导致了实验获得的数据无法应用到水合物开采实际过程中，也无法进行水合物开采的经济性和安全性评价。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法。
本发明提出的一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，包括以下步骤：
S1：水合物高压反应釜安装：(1)将装填砂专用翻转机构旋转框架旋转至水平位置，高压主体反应釜釜盖吊装于装填砂专用翻转机构旋转框架的固定卡环上，再将活动卡环装上用螺栓固定牢固；(2)旋转填砂专用翻转机构使高压反应釜的釜盖正立向上，安装压力传感器和温度探头；(3)将电阻层析成像电极安装于橡胶筒的筒壁上，旋转填砂专用翻转机构使高压反应釜的釜盖正立向下，将安装好电阻层析成像电极的橡胶筒安装于高压反应釜内，将外罩护筒安装于橡胶筒之外，并用螺栓与釜盖固定；(4)将实验用砂土分多次装填于橡胶筒内，分层适度压实以避免压力传感器和温度探头位置移动；(5)将填砂专用翻转机构旋转180°，从釜盖引出电阻层析成像信号线，连接高压反应釜配套的高压管线；
S2：水合物合成：(1)检查气密性：向橡胶筒施加1-3MPa围压，注气至孔隙压力为0.2-0.5MPa，关闭高压反应釜进口与出口阀门，放置时间30-50min，压力稳定则气密性合格；(2)抽真空：将高压反应釜抽真空，把气体排出反应釜之外；(3)注水饱和：将高压反应釜内沉积物注水饱和；(4)制冷降温：开启步入式冷库和高压反应釜的水冷夹套，使高压反应釜内沉积物温度降低至0.5-1℃并保持稳定；(5)注气合成：向沉积物内注入甲烷气体至压力为1-3MPa以合成水合物，每隔5-10min进行补气以促进水合物充分合成；(6)通过电阻成像仪，可观察沉积物中水合物的分布情况；
S3：钻机总成安装：在安装好的水合物高压反应釜上，取出位于上釜盖中心位置的端盖堵头，采用吊车将预先组装好的钻机总成缓慢放置于上釜盖中心位置，拧紧法兰以及井架连接螺栓，连接实验管线和其它配套设备，完成钻采工艺模拟实验系统的整体安装；
S4：钻井工艺模拟：(1)将配置好的钻井液泥浆装入泥浆罐，开启制冷机组以降低钻井液泥浆的温度，使其低于水合物相平衡温度1-3℃；(2)开启搅拌器；(3)开启循环注液泵，调节回压阀门，使钻井液泥浆在其压力高于反应釜内含水合物沉积物孔隙压力2-3MPa的条件下循环流动；(4)开启井筒钻井电机，钻井电机带动转盘组件；(5)将处理后的钻井液泥浆回收进入泥浆罐；(6)待井筒钻进含水合物沉积物的设定深度后，关闭井筒钻井电机，关闭钻井液泥浆循环注液泵与制冷机组，钻井工艺实验模拟过程结束。
S5：钻井过程对水合物储层影响评价：(1)S4过程中连续监测水合物储层空间压力、温度分布，用钻井过程中储层空间压力、温度的变化评价钻井液对储层的侵入程度；(2)S4过程中电阻层析成像实时监测局部含水合物饱和度的变化规律，评价钻井过程对近井地层水合物分布的影响；(3)S4过程中电阻层析成像实时监测井筒泥饼的厚度，评价钻井液的造壁性；(4)S4过程中钻井液入口、出口液体流量计分别连续测试流入、流出流量，评价钻井液的虑失性；(5)S4过程结束后测量泵入钻井液总量、排出钻井液总量、模拟井筒的容积，评价钻井过程中总滤失量，结合步骤(1)～(4)综合评价钻井过程对含水合物储层近井地层渗透率、含水合物饱和度、表皮系数的影响。
S6：降压开采过程模拟：(1)移除钻机总成中除井筒以外的其他部件，排出S4阶段形成的井筒中的钻井液；(2)从上、下端盖堵头处连接高压反应釜配套的高压管线、备压阀；(3)控制备压阀，调节井筒压力，使上、下两个备压阀的压力始终相同且储层压力和井筒压力维持在设定的恒定压差条件下，水合物降压分解；(4)降压分解产生的水从下端盖堵头处流出，气体从上端盖堵头处流出，分别用液体流量计和气体流量计连续测量降压分解过程中的产水量和产气量；(5)持续过程(4)直到降压分解结束，分析水合物不同降压分解过程中的产气速率、产水速率、水气比等参数随时间的变化，开采过程模拟结束；
S7：开采过程中储层变化监测：(1)S6过程中连续监测水合物储层空间压力、温度分布，用开采过程中储层空间压力、温度的变化评价水合物降压分解阵面随时间的演化规律；(2)S6过程中电阻层析成像实时监测局部含水合物饱和度的变化规律，评价降压分解过程中储层水合物饱和度、孔隙度参数的变化规律。
优选地，所述钻机总成的井筒为钢制多眼筛孔型，且井筒与上釜盖中心位置的端盖堵头具有相同的孔径，井筒孔径大于下釜盖中心位置的端盖堵头孔径。
优选地，所述循环管道的外表面包裹有绝热材料，且流量计实时测量钻井液泥浆、开采过程中产出水气的流量。
优选地，所述S2中，水合物合成：(1)检查气密性：向橡胶筒施加1-2MPa围压，注气至孔隙压力为0.3-0.4MPa，关闭高压反应釜进口与出口阀门，放置时间35-45min，压力稳定则气密性合格；(2)抽真空：将高压反应釜抽真空，把气体排出反应釜之外；(3)注水饱和：将高压反应釜内沉积物注水饱和；(4)制冷降温：开启步入式冷库和高压反应釜的水冷夹套，使高压反应釜内沉积物温度降低至0.6-0.9℃并保持稳定；(5)注气合成：向沉积物内注入甲烷气体至压力为10MPa左右以合成水合物，每隔6-9min进行补气以促进水合物充分合成。
优选地，本发明能模拟完整的含水合物储层钻采过程，实时监测钻井、开采过程中的储层参数。用储层空间压力、空间温度和电阻层析成像技术联合测试钻井过程对储层的影响和降压开采过程对储层分解阵面的影响。
优选地，本发明中降压开采过程中产出的气水混合物在井筒实现分离后，产出水从与下釜盖中心堵头位置相连接的高压管线流出，产出气从与上釜盖中心堵头位置相连接的高压管线流出；高压管线分别安装备压阀控制井筒压降幅度。
本发明中，该天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法在实验室内能够有效地模拟水合物钻采工艺，即模拟高压状态下钻进含水合物沉积物样品和降压开采过程，能够模拟钻井液循环和钻井、开采过程中储层参数的实时变化过程，保证钻采工艺模拟过程中整个实验系统的密封性以及样品中水合物的稳定性，为水合物降压开采研究提供必要的实验模拟技术支撑，促进水合物商业化开采技术的发展。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
本实施例提出了一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，包括以下步骤：
S1：水合物高压反应釜安装：(1)将装填砂专用翻转机构旋转框架旋转至水平位置，高压主体反应釜釜盖吊装于装填砂专用翻转机构旋转框架的固定卡环上，再将活动卡环装上用螺栓固定牢固；(2)旋转填砂专用翻转机构使高压反应釜的釜盖正立向上，安装压力传感器和温度探头；(3)将电阻层析成像电极安装于橡胶筒的筒壁上，旋转填砂专用翻转机构使高压反应釜的釜盖正立向下，将安装好电阻层析成像电极的橡胶筒安装于高压反应釜内，将外罩护筒安装于橡胶筒之外，并用螺栓与釜盖固定；(4)将实验用砂土分多次装填于橡胶筒内，分层适度压实以避免压力传感器和温度探头位置移动；(5)将填砂专用翻转机构旋转180°，从釜盖引出电阻层析成像信号线，连接高压反应釜配套的高压管线；
S2：水合物合成：(1)检查气密性：向橡胶筒施加1MPa围压，注气至孔隙压力为0.2MPa，关闭高压反应釜进口与出口阀门，放置时间30min，压力稳定则气密性合格；(2)抽真空：将高压反应釜抽真空，把气体排出反应釜之外；(3)注水饱和：将高压反应釜内沉积物注水饱和；(4)制冷降温：开启步入式冷库和高压反应釜的水冷夹套，使高压反应釜内沉积物温度降低至0.5℃并保持稳定；(5)注气合成：向沉积物内注入甲烷气体至压力为10MPa以合成水合物，每隔5min进行补气以促进水合物充分合成；
S3：钻机总成安装，在安装好的水合物高压反应釜上，取出位于上釜盖中心位置的防砂堵头，采用吊车将预先组装好的钻机总成缓慢放置于上釜盖中心位置，拧紧法兰以及井架连接螺栓，连接实验管线和其它配套设备，完成钻采工艺模拟实验系统的整体安装；
S4：钻采工艺模拟：(1)将配置好的钻井液泥浆装入泥浆罐，开启制冷机组以降低钻井液泥浆的温度，使其低于水合物相平衡温度1℃；(2)开启搅拌器；(3)开启循环注液泵，调节回压阀门，使钻井液泥浆在其压力高于反应釜内含水合物沉积物孔隙压力2MPa的条件下循环流动；(4)开启井筒钻井电机，钻井电机带动转盘组件；(5)将处理后的钻井液泥浆回收进入泥浆罐；(6)待井筒钻进含水合物沉积物的设定深度后，关闭井筒钻井电机，关闭钻井液泥浆循环注液泵与制冷机组，钻采工艺实验模拟过程结束。
S5：钻井过程对水合物储层影响评价：(1)S4过程中连续监测水合物储层空间压力、温度分布，用钻井过程中储层空间压力、温度的变化评价钻井液对储层的侵入程度；(2)S4过程中电阻层析成像实时监测局部含水合物饱和度的变化规律，评价钻井过程对近井地层水合物分布的影响；(3)S4过程中电阻层析成像实时监测井筒泥饼的厚度，评价钻井液的造壁性；(4)S4过程中钻井液入口、出口液体流量计分别连续测试流入、流出流量，评价钻井液的虑失性；(5)S4过程结束后测量泵入钻井液总量、排出钻井液总量、模拟井筒的容积，评价钻井过程中总滤失量，结合步骤(1)～(4)综合评价钻井过程对含水合物储层近井地层渗透率、含水合物饱和度、表皮系数的影响。
S6：降压开采过程模拟：(1)移除钻机总成中除井筒以外的其他部件，排出S4阶段形成的井筒中的钻井液；(2)从上、下端盖堵头处连接高压反应釜配套的高压管线、备压阀；(3)控制备压阀，调节井筒压力，使上、下两个备压阀的压力始终相同且储层压力和井筒压力维持在设定的恒定压差条件下，水合物降压分解；(4)降压分解产生的水从下端盖堵头处流出，气体从上端盖堵头处流出，分别用液体流量计和气体流量计连续测量降压分解过程中的产水量和产气量；(5)持续过程(4)直到降压分解结束，分析水合物不同降压分解过程中的产气速率、产水速率、水气比等参数随时间的变化，开采过程模拟结束；
S7：开采过程中储层变化监测：(1)S6过程中连续监测水合物储层空间压力、温度分布，用开采过程中储层空间压力、温度的变化评价水合物降压分解阵面随时间的演化规律；(2)S6过程中电阻层析成像实时监测局部含水合物饱和度的变化规律，评价降压分解过程中储层水合物饱和度、孔隙度参数的变化规律。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：水合物高压反应釜安装：(1)将装填砂专用翻转机构旋转框架旋转至水平位置，高压主体反应釜釜盖吊装于装填砂专用翻转机构旋转框架的固定卡环上，再将活动卡环装上用螺栓固定牢固；(2)旋转填砂专用翻转机构使高压反应釜的釜盖正立向上，安装压力传感器和温度探头；(3)将电阻层析成像电极安装于橡胶筒的筒壁上，旋转填砂专用翻转机构使高压反应釜的釜盖正立向下，将安装好电阻层析成像电极的橡胶筒安装于高压反应釜内，将外罩护筒安装于橡胶筒之外，并用螺栓与釜盖固定；(4)将实验用砂土分多次装填于橡胶筒内，分层适度压实以避免压力传感器和温度探头位置移动；(5)将填砂专用翻转机构旋转180°，从釜盖引出电阻层析成像信号线，连接高压反应釜配套的高压管线；
S2：水合物合成：(1)检查气密性：向橡胶筒施加1-3MPa围压，注气至孔隙压力为0.2-0.5MPa，关闭高压反应釜进口与出口阀门，放置时间30-50min，压力稳定则气密性合格；(2)抽真空：将高压反应釜抽真空，把气体排出反应釜之外；(3)注水饱和：将高压反应釜内沉积物注水饱和；(4)制冷降温：开启步入式冷库和高压反应釜的水冷夹套，使高压反应釜内沉积物温度降低至0.5-1℃并保持稳定；(5)注气合成：向沉积物内注入甲烷气体至压力为10MPa左右以合成水合物，每隔5-10min进行补气以促进水合物充分合成；(6)通过电阻成像仪，可观察沉积物中水合物的分布情况；
S3：钻机总成安装：在安装好的水合物高压反应釜上，取出位于上釜盖中心位置的端盖堵头，采用吊车将预先组装好的钻机总成缓慢放置于上釜盖中心位置，拧紧法兰以及井架连接螺栓，连接实验管线和其它配套设备，完成钻采工艺模拟实验系统的整体安装；
S4：钻井工艺模拟：(1)将配置好的钻井液泥浆装入泥浆罐，开启制冷机组以降低钻井液泥浆的温度，使其低于水合物相平衡温度1-3℃；(2)开启搅拌器；(3)开启循环注液泵，调节回压阀门，使钻井液泥浆在其压力高于反应釜内含水合物沉积物孔隙压力2-3MPa的条件下循环流动；(4)开启井筒钻井电机，钻井电机带动转盘组件；(5)将处理后的钻井液泥浆回收进入泥浆罐；(6)待井筒钻进含水合物沉积物的设定深度后，关闭井筒钻井电机，关闭钻井液泥浆循环注液泵与制冷机组，钻井工艺实验模拟过程结束。
S5：钻井过程对水合物储层影响评价：(1)S4过程中连续监测水合物储层空间压力、温度分布，用钻井过程中储层空间压力、温度的变化评价钻井液对储层的侵入程度；(2)S4过程中电阻层析成像实时监测局部含水合物饱和度的变化规律，评价钻井过程对近井地层水合物分布的影响；(3)S4过程中电阻层析成像实时监测井筒泥饼的厚度，评价钻井液的造壁性；(4)S4过程中钻井液入口、出口液体流量计分别连续测试流入、流出流量，评价钻井液的虑失性；(5)S4过程结束后测量泵入钻井液总量、排出钻井液总量、模拟井筒的容积，评价钻井过程中总滤失量，结合步骤(1)～(4)综合评价钻井过程对含水合物储层近井地层渗透率、含水合物饱和度、表皮系数的影响。
S6：降压开采过程模拟：(1)移除钻机总成中除井筒以外的其他部件，排出S4阶段形成的井筒中的钻井液；(2)从上、下端盖堵头处连接高压反应釜配套的高压管线、备压阀；(3)控制备压阀，调节井筒压力，使上、下两个备压阀的压力始终相同且储层压力和井筒压力维持在设定的恒定压差条件下，水合物降压分解；(4)降压分解产生的水从下端盖堵头处流出，气体从上端盖堵头处流出，分别用液体流量计和气体流量计连续测量降压分解过程中的产水量和产气量；(5)持续过程(4)直到降压分解结束，分析水合物不同降压分解过程中的产气速率、产水速率、水气比等参数随时间的变化，开采过程模拟结束；
S7：开采过程中储层变化监测：(1)S6过程中连续监测水合物储层空间压力、温度分布，用开采过程中储层空间压力、温度的变化评价水合物降压分解阵面随时间的演化规律；(2)S6过程中电阻层析成像实时监测局部含水合物饱和度的变化规律，评价降压分解过程中储层水合物饱和度、孔隙度参数的变化规律。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，其特征在于，所述钻机总成的井筒为钢制多眼筛孔型，且井筒与上釜盖中心位置的端盖堵头具有相同的孔径，井筒孔径大于下釜盖中心位置的端盖堵头。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，其特征在于，所述循环管道的外表面包裹有绝热材料，且流量计实时测量钻井液泥浆、产出气液的流量。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，其特征在于，所述S2中，水合物合成：(1)检查气密性：向橡胶筒施加1-2MPa围压，注气至孔隙压力为0.3-0.4MPa，关闭高压反应釜进口与出口阀门，放置时间35-45min，压力稳定则气密性合格；(2)抽真空：将高压反应釜抽真空，把气体排出反应釜之外；(3)注水饱和：将高压反应釜内沉积物注水饱和；(4)制冷降温：开启步入式冷库和高压反应釜的水冷夹套，使高压反应釜内沉积物温度降低至0.6-0.9℃并保持稳定；(5)注气合成：向沉积物内注入甲烷气体至压力为10MPa左右以合成水合物，每隔6-9min进行补气以促进水合物充分合成。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，其特征在于，能用一套完整的流程模拟含水合物储层钻井、开采过程中的储层参数。用储层空间压力、空间温度和电阻层析成像技术联合测试钻井过程对储层的影响和降压开采过程对储层分解阵面的影响。
6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物钻采工艺室内实验模拟方法，其特征在于，降压开采过程中产出的气水混合物在井筒实现分离后，产出水从与下釜盖中心堵头位置相连接的高压管线流出，产出气从与上釜盖中心堵头位置相连接的高压管线流出；高压管线分别安装备压阀控制井筒压降幅度。
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