CN106593370A - 一种天然气水合物降压开采模拟实验装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，包括反应釜、与所述反应釜相连的围压泵系统、供气系统、排放系统和数据采集系统；在所述反应釜内设置有用于固定实验岩心的上压头和下压头，在所述实验岩心的周围设置有隔油套，进而形成井筒。利用本发明解决了天然气水合物降压开采的室内模拟问题，可以准确反映水合物开采过程中的分解情况和出砂情况，对水合物资源的开采具有指导意义。

Description

一种天然气水合物降压开采模拟实验装置及工作方法

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物降压开采模拟实验装置及工作方法，属于天然气水合物开发的技术领域。

背景技术

天然气水合物是天然气和水分子结合而成的结晶化合物，它具有资源量大、能量密度高和低污染等优点，被公认为是具有良好前景的重要后续清洁能源，实现天然气水合物资源的开发利用对于推进我国能源工业发展、改善能源消费结构、保障能源安全供应、促进生态文明建设、保持经济社会可持续发展具有重要意义。天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳定态矿物，在特定的温压条件下才能存在，一旦条件改变，天然气水合物的相平衡就会被破坏，引起天然气水合物的分解。根据这个特性，降压开采作为一种简单经济、有效的方法，其主要是通过降低水合物藏的压力来促使天然气水合物分解，进而进行开采。但水合物地层具有弱胶结、地温低的特点，天然气水合物藏在生产过程中，受水合物分解的影响，分解区储层胶结性变差、力学强度大幅度降低，与此同时，流固耦合作用又导致压力波及区储层有效应力水平有所提高；二者对于受井眼效应影响而应力集中明显的近井分解区而言，生产过程中的出砂问题尤为明显，值得重视。国外对水合物的试采也证明了这一点：2013年日本在南海海槽进行水合物试采仅6天，就因井眼出砂而被迫停止。因此，认清水合物开采过程中储层特性的变化规律，尤其是开采过程中的储层出砂规律，对于水合物资源的顺利开采意义重大。

近年来，尽管有研究者模拟了水合物的开采过程，但由于开采环境复杂多变，模拟实验与实际具有较大出入。如公开号为CN104405345A的发明专利公布的一种可渗透边界层天然气水合物开采模拟实验装置，虽然可完成水合物的模拟开采，但水合物开采时不具备模拟井眼，与实际开采过程有较大差距，并且在开采过程中对水合物的分解情况,以及温度变化情况无法进行监测，对水合物开采的出砂情况也无法进行监测。一篇名为《天然气水合物一维模拟实验装置的研究》的硕士论文中虽然对水合物分解过程中的温度变化进行了研究，但该研究同样不具备模拟井眼和对水合物开采出砂情况的监测，并且试验中只能模拟地层的孔隙压力，而对其它地应力条件没有考虑，实际的水合物开采是在地应力环境中进行的，而应力状态对孔隙中流体的渗流和开采时的出砂特征都有非常大的影响。

为满足天然气水合物资源钻探和开发的要求，准确模拟降压开采过程中水合物储层物性变化情况以及水合物的分解情况，亟须研制出能真实、准确反映水合物实际开采过程中储层物性变化特征及出砂情况的模拟实验装置及方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种天然气水合物降压开采模拟实验装置。

本发明还提供一种上述模拟实验装置的工作方法。本发明用于获得天然气水合物降压开采过程中的水合物分解程度、温度变化以及出砂情况，为天然气水合物的生产和防砂提供依据。

本发明的技术方案如下：

一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，包括反应釜、与所述反应釜相连的围压泵系统、供气系统、排放系统和数据采集系统；在所述反应釜内设置有用于固定实验岩心的上压头和下压头，在所述实验岩心的周围设置有隔油套，实验岩心的中心设有模拟井筒。

根据本发明优选的，所述上压头和下压头的横截面直径均为12-14cm，与实验岩心直径相同。优选的，所述横截面直径为12.7cm。

根据本发明优选的，在所述上压头内轴向贯通设置有用于模拟井眼的通孔，在所述上压头内还设置有至少2个L形通孔，所述L形通孔的水平段与所述上压头的侧壁贯通，所述L形通孔的垂直段与所述上压头的底面贯通；在所述上压头的底面上径向设置有多个声波发射探头和多个温度传感器，所述声波发射探头和温度传感器的数据线通过所述L形通孔与所述数据采集系统相连。

根据本发明优选的，在所述下压头内设置有至少1个L形通孔，所述L形通孔的水平段与所述下压头的侧壁贯通，所述L形通孔的垂直段与所述下压头的顶面贯通；在所述下压头的顶面上径向设置有多个声波接收探头，所述声波接收探头的数据线通过所述L形通孔与所述数据采集系统相连。

根据本发明优选的，所述实验装置还包括模拟地层温度装置，用于为所述反应釜和所有系统提供模拟地层环境参数。

根据本发明优选的，模拟地层温度装置为冷库。所述反应釜和所有系统均设置在冷库内。冷库可实现-20℃～室温的温度控制，所有实验设备及实验过程均在冷库中进行。

根据本发明优选的，所述围压泵系统包括通过第七高压管线与所述反应釜相连的围压泵。

根据本发明优选的，所述供气系统通过第五高压管线与所述反应釜相连的甲烷气源，在所述第五高压管线上设置有第二截止阀、第二气体流量计和减压阀。

根据本发明优选的，所述排放系统包括通过第六高压管线与所述反应釜相连的第二放空阀、通过第一高压管线与所述反应釜相连的回收气囊：在所述第一高压管线上设置有真空阀；所述第一高压管线还通过第四高压管线与所述回收气囊相连，在所述第四高压管线上设置有第一放空阀；所述第一高压管线还通过第二高压管线和第三高压管线与所述回收气囊相连，在所述第二高压管线上设置有第一截止阀、回压阀、砂气分离器、电子天平和第一气体流量计，所述第一气体流量计通过第三高压管线与所述回收气囊相连。

根据本发明优选的，所述数据采集系统包括计算机数据采集装置，用于分别采集第一气体流量计的数据、第二气体流量计的数据、上压头内声波发射探头的数据、下压头内声波接收探头的数据、温度传感器的数据。

一种利用上述实验装置进行天然气水合物降压开采模拟实验方法，包括步骤如下：

第一步，制作带有模拟井眼的含水合物岩样；

第二步，利用回压阀降低井筒压力，使水合物分解进行模拟开采，监测模拟开采过程中温度、天燃气水合物分解程度、出砂和产气情况。

根据本发明优选的，所述第一步的具体步骤如下：

(1)模拟地层温度，根据所需开采地层的矿物组成用砂、土、和粉末状蒸馏水冰块压制成实验岩心；所述实验岩心直径12.7cm，高度10cm,通过钻孔机在实验岩心中心钻出直径为1.25cm的模拟井眼；

(2)将实验岩心外侧包裹上隔油套、并将其置于反应釜内；

(3)打开围压泵，待反应釜中充满耐低温油后施加围压1MPa；

(4)打开真空阀对实验岩心的孔隙进行抽真空；

(5)打开第二截止阀，利用甲烷气源供气增加孔隙压力，同时利用围压泵增加围压，利用下压头向实验岩心增加轴压，始终保持围压大于气体压力0.5MPa以上，当压力达到设定值时，所述设定值是指根据实际地层应力条件设置的压力值，维持围压、轴压和气体压力不变；

(6)缓慢增加冷库温度至0℃以上，保持轴压、围压和气体压力不变；

(7)当第二气体流量计累计读数不再发生变化时候，维持24小时，带有模拟井眼的含水合物岩样制备完毕。

根据本发明优选的，第二步包括步骤如下：

(8)关闭第二截止阀，打开第一截止阀，利用回压阀调节井筒压力至水合物开采模拟压力，使水合物分解，模拟水合物开采过程；通过降压开采出的甲烷气和模拟岩心产出砂经过砂气分离器进行分离，其中砂样烘干后进行称重，甲烷经气体流量计后气样进入回收气囊进行回收；

(9)同时开采过程中通过温度传感器和声波探头实时监测开采过程中离井筒不同位置处水合物的分解情况和温度变化情况；

(10)达到预定的水合物开采时间后停止数据采集并卸载井筒压力和围压，取出实验岩心，实验完毕。

本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决了天然气水合物开采的室内模拟问题，含天然气水合物岩样的制备和开采模拟都是在实际储层的地应力和温度条件下进行，可较真实的反应天然气水合物的开采过程，对现场应用更具指导性。

2、本发明采用带有模拟井眼的试样进行水合物开采模拟实验，与实际开采情况更接近。

3、利用声波和温度传感器实时监测水合物开采过程中声波和温度变化规律，可以准确的反映水合物分解前缘的变化规律和分解区的储层物理力学特性变化规律。

4、本发明的主体既节约了设备成本，又可以满足实验要求。

附图说明

图1为本发明所述实验装置的示意图；

图2为本发明中所述反应釜的结构示意图；

图3为本发明中所述上压头示意图；

图4为图3的仰视图；

图5为本发明中所述下压头示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为含水合物岩样横截面示意图；

在图1-7中，1、冷库，2、反应釜，3、回收气囊，4甲烷气源，5、第一高压管线，6、真空阀，7、第一截止阀，8、第二高压管线，9、第一放空阀，10、砂气分离器，11、电子天平，12、第一气体流量计，13、第三高压管线，14、第四高压管线，15、第一数据传输线，16、第五高压管线，17、第二截止阀，18、第二气体流量计，19、第二数据传输线，20、计算机数据采集装置，21、第三数据传输线，22、第四数据传输线23、第五数据传输线，24、第六高压管线，25、第二放空阀，26、第七高压管线，27、围压泵，28.回压阀，29.减压阀,30.实验岩心，31.上压头，32.下压头，33.隔油套，34.声波接收探头，35.声波发射探头，36.温度传感器。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-7所示。

实施例1、

一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，包括反应釜2、与所述反应釜2相连的围压泵系统、供气系统、排放系统和数据采集系统；在所述反应釜2内设置有用于固定实验岩心30的上压头31和下压头32，在所述实验岩心30的周围设置有隔油套33，实验岩心30的中心设有模拟井筒。

所述上压头31和下压头32的横截面直径均为12.7cm，与实验岩心30直径相同。

在所述上压头31内轴向贯通设置有用于模拟井眼的通孔，在所述上压头31内还设置有至少2个L形通孔，所述L形通孔的水平段与所述上压头的侧壁贯通，所述L形通孔的垂直段与所述上压头31的底面贯通；在所述上压头31的底面上径向设置有多个声波发射探头35和多个温度传感器36，所述声波发射探头35和温度传感器36的数据线通过所述L形通孔与所述数据采集系统相连。

在所述下压头32内设置有至少1个L形通孔，所述L形通孔的水平段与所述下压头的侧壁贯通，所述L形通孔的垂直段与所述下压头的顶面贯通；在所述下压头32的顶面上径向设置有多个声波接收探头34，所述声波接收探头34的数据线通过所述L形通孔与所述数据采集系统相连。

实施例2、

如实施例1所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其区别在于，所述实验装置还包括模拟地层温度装置，用于为所述反应釜和所有系统提供模拟地层环境参数。模拟地层温度装置为冷库1。所述反应釜2和所有系统均设置在冷库1内。冷库可实现-20℃～室温的温度控制，所有实验设备及实验过程均在冷库中进行。

实施例3、

如实施例1、2所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其区别在于，所述围压泵系统包括通过第七高压管线26与所述反应釜2相连的围压泵27。

所述供气系统通过第五高压管线16与所述反应釜2相连的甲烷气源4，在所述第五高压管线16上设置有第二截止阀17、第二气体流量计18和减压阀29。

所述排放系统包括通过第六高压管线24与所述反应釜2相连的第二放空阀25、通过第一高压管线5与所述反应釜2相连的回收气囊3：在所述第一高压管线5上设置有真空阀6；所述第一高压管线5还通过第四高压管线14与所述回收气囊3相连，在所述第四高压管线14上设置有第一放空阀9；所述第一高压管线5还通过第二高压管线8和第三高压管线13与所述回收气囊3相连，在所述第二高压管线8上设置有第一截止阀7、回压阀28、砂气分离器10、电子天平11和第一气体流量计12，所述第一气体流量计12通过第三高压管线13与所述回收气囊3相连。

所述数据采集系统包括计算机数据采集装置20，用于分别采集第一气体流量计12的数据、第二气体流量计18的数据、上压头31内声波发射探头35的数据、下压头32内声波接收探头34的数据、温度传感器36的数据。

实施例4、

一种利用如实施例1-3任意一项所述实验装置进行天然气水合物降压开采模拟实验方法，包括步骤如下：

第一步，制作带有模拟井眼的含水合物岩样；

第二步，利用回压阀降低井筒压力，使水合物分解进行模拟开采，监测模拟开采过程中温度、天燃气水合物分解程度、出砂和产气情况。

所述第一步的具体步骤如下：

(1)模拟地层温度，根据所需开采地层的矿物组成用砂、土、和粉末状蒸馏水冰块压制成实验岩心30；所述实验岩心直径12.7cm，高度10cm,通过钻孔机在实验岩心中心钻出直径为1.25cm的模拟井眼；

(2)将实验岩心30外侧包裹上隔油套33、并将其置于反应釜2内；

(3)打开围压泵27，待反应釜2中充满耐低温油后施加围压1MPa；

(4)打开真空阀6对实验岩心30的孔隙进行抽真空；

(5)打开第二截止阀17，利用甲烷气源4供气增加孔隙压力，同时利用围压泵增加围压，利用下压头32向实验岩心30增加轴压，始终保持围压大于气体压力0.5MPa以上，当压力达到设定值时，所述设定值是指根据实际地层应力条件设置的压力值，维持围压、轴压和气体压力不变；

(6)缓慢增加冷库温度至0℃以上，保持轴压、围压和气体压力不变；

(7)当第二气体流量计18累计读数不再发生变化时候，维持24小时，带有模拟井眼的含水合物岩样制备完毕。

第二步包括步骤如下：

(8)关闭第二截止阀17，打开第一截止阀7，利用回压阀28调节井筒压力至水合物开采模拟压力，使水合物分解，模拟水合物开采过程；通过降压开采出的甲烷气和模拟岩心产出砂经过砂气分离器进行分离，其中砂样烘干后进行称重，甲烷经气体流量计后气样进入回收气囊进行回收；

(9)同时开采过程中通过温度传感器36和声波探头实时监测开采过程中离井筒不同位置处水合物的分解情况和温度变化情况；

(10)达到预定的水合物开采时间后停止数据采集并卸载井筒压力和围压，取出实验岩心，实验完毕。

在本实施例中，第一放空阀9安装在第四高压管线14上，并通过第一高压管线5与反应釜2相连，用来对反应釜2中的甲烷进行放空；

第二放空阀25安装在第六高压管线24上，并通过第六高压管线24与反应釜2相连，用来对反应釜2中围压流体进行放空；

第一截止阀7装在第二高压管线8上，在水合物开采时开启允许水合物分解产物的通过。

第二截止阀17装在第五高压管线16上，在水合物生成过程中开启用来向实验岩心中注入甲烷以生成水合物。

第一数据传输线15的一端与第一气体流量计12相连，另一端与计算机数据采集装置20相连，用来实现对开采过程中甲烷流量的实时监测；

第二数据传输线19的一端与第二气体流量计18相连，另一端与计算机数据采集装置20相连，用来实现水合物生成过程中甲烷消耗量的实时监测；

第三数据传输线21的一端装有声波发射探头35与反应釜2相连，另一端与计算机数据采集装置20相连，用来实现对水合物生成和分解过程中距井眼不同位置处声波速度的监测。

第四数据传输线22的一端装有声波接收探头34与反应釜2相连，另一端与计算机数据采集装置20相连，用来实现声波信号的发射，与第三数据传输线21一同用来实现对距井眼不同距离的水合物生成与分解的实时监测。

第五数据传输线23的一端装有温度传感器36与反应釜2相连，另一端与计算机数据采集装置20相连，用来实现对水合物分解过程中距井眼不同距离处温度的实时监测。

如图3所示，所述温度传感器用于监测距井眼不同距离温度监测；

如图4所示，所示声波接收探头用于接收声波信号，实时监测距井眼不同距离处水合物的分解情况以及分解前缘的位置变化。

Claims (10)

1.一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，该装置包括反应釜、与所述反应釜相连的围压泵系统、供气系统、排放系统和数据采集系统；在所述反应釜内设置有用于固定实验岩心的上压头和下压头，在所述实验岩心的周围设置有隔油套，实验岩心的中心设有模拟井筒。

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，所述上压头和下压头的横截面直径均为12-14cm，与实验岩心直径相同。

3.根据权利要求2所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，所述横截面直径为12.7cm。

4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，在所述上压头内轴向贯通设置有用于模拟井眼的通孔，在所述上压头内还设置有至少2个L形通孔，所述L形通孔的水平段与所述上压头的侧壁贯通，所述L形通孔的垂直段与所述上压头的底面贯通；在所述上压头的底面上径向设置有多个声波发射探头和多个温度传感器，所述声波发射探头和温度传感器的数据线通过所述L形通孔与所述数据采集系统相连。

5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，在所述下压头内设置有至少1个L形通孔，所述L形通孔的水平段与所述下压头的侧壁贯通，所述L形通孔的垂直段与所述下压头的顶面贯通；在所述下压头的顶面上径向设置有多个声波接收探头，所述声波接收探头的数据线通过所述L形通孔与所述数据采集系统相连。

6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括模拟地层温度装置，用于为所述反应釜和所有系统提供模拟地层环境参数；优选的，模拟地层温度装置为冷库。所述反应釜和所有系统均设置在冷库内。

7.根据权利要求1所述的一种天然气水合物降压开采模拟实验装置，其特征在于，所述围压泵系统包括通过第七高压管线与所述反应釜相连的围压泵；

所述供气系统通过第五高压管线与所述反应釜相连的甲烷气源，在所述第五高压管线上设置有第二截止阀、第二气体流量计和减压阀；

所述排放系统包括通过第六高压管线与所述反应釜相连的第二放空阀、通过第一高压管线与所述反应釜相连的回收气囊：在所述第一高压管线上设置有真空阀；所述第一高压管线还通过第四高压管线与所述回收气囊相连，在所述第四高压管线上设置有第一放空阀；所述第一高压管线还通过第二高压管线和第三高压管线与所述回收气囊相连，在所述第二高压管线上设置有第一截止阀、回压阀、砂气分离器、电子天平和第一气体流量计，所述第一气体流量计通过第三高压管线与所述回收气囊相连；

所述数据采集系统包括计算机数据采集装置，用于分别采集第一气体流量计的数据、第二气体流量计的数据、上压头内声波发射探头的数据、下压头内声波接收探头的数据、温度传感器的数据。

8.一种利用如权利要求1-7所述实验装置进行天然气水合物降压开采模拟实验方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

第一步，制作带有模拟井眼的含水合物岩样；

第二步，利用回压阀降低井筒压力，使水合物分解进行模拟开采，监测模拟开采过程中温度、天燃气水合物分解程度、出砂和产气情况。

9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，所述第一步的具体步骤如下：

(1)模拟地层温度，根据所需开采地层的矿物组成用砂、土、和粉末状蒸馏水冰块压制成实验岩心；

(2)将实验岩心外侧包裹上隔油套、并将其置于反应釜内；

(3)打开围压泵，待反应釜中充满耐低温油后施加围压1MPa；

(4)打开真空阀对实验岩心的孔隙进行抽真空；

(5)打开第二截止阀，利用甲烷气源供气增加孔隙压力，同时利用围压泵增加围压，利用下压头向实验岩心增加轴压，始终保持围压大于气体压力0.5MPa以上，当压力达到设定值时，所述设定值是指根据实际地层应力条件设置的压力值，维持围压、轴压和气体压力不变；

(6)缓慢增加冷库温度至0℃以上，保持轴压、围压和气体压力不变；

(7)当第二气体流量计累计读数不再发生变化时候，维持24小时，带有模拟井眼的含水合物岩样制备完毕。

10.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，所述第二步包括步骤如下：

(8)关闭第二截止阀，打开第一截止阀，利用回压阀调节井筒压力至水合物开采模拟压力，使水合物分解，模拟水合物开采过程；通过降压开采出的甲烷气和模拟岩心产出砂经过砂气分离器进行分离，其中砂样烘干后进行称重，甲烷经气体流量计后气样进入回收气囊进行回收；

(9)同时开采过程中通过温度传感器和声波探头实时监测开采过程中离井筒不同位置处水合物的分解情况和温度变化情况；

(10)达到预定的水合物开采时间后停止数据采集并卸载井筒压力和围压，取出实验岩心，实验完毕。