CN106932170B - 水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法及装置。采用模拟充填地层砂子管与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型进行试验，入口端安装分流钢块，出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，填砂模型上相对设置有取样孔和测压孔，分别在相邻两个测压孔之间安装差压计，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块相连接。本发明能实时监测砾石充填条件下地层细砂的产出量、产出粒径的变化规律，能够为水合物降压开采诱发的细砂在充填砾石层中运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对设计合理的砾石充填参数、延长试开采持续时间具有重要的参考意义。
Description
技术领域
本发明属于海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种基于一维渗流装置的海洋天然气水合物储层产出细砂在颗粒充填砾石层中的运移规律的室内试验方法及装置。
背景技术
天然气水合物资源开采研究已成为国际热点问题。目前全球水合物资源开发仍处于部分区域的试开采阶段，距离工业化开采还有很长的路要走。国际上已开展的天然气水合物试采项目，主要包括加拿大麦肯齐三角洲Mallik 5L-38项目(2002)、Mallik 2L-38项目(2007、2008)、美国阿拉斯加项目(2011～2012)、日本南海海槽(Nankai Through)AT1-MC项目(2012～2013)等。其中，加拿大2007～2008项目和日本南开海槽天然气水合物资源试开采经历均表明，即使降压法开采能达到短期的开采目标，但如果无法克服出砂现象带来的困难，就很难实现天然气水合物资源的长效开采。因此，要实现水合物资源的高效开采，必须攻克出砂问题带来的困扰。
特别地，日本2013年在NanKai Trough进行的全球首次海洋天然气水合物资源试采作业证明，裸眼砾石充填防砂工艺虽然能在短期内达到较好的效果，但管外充填砾石层容易受压降幅度和压降速率等工程参数的影响。导致本次试采突发性大量出砂的原因主要有：①瞬间增大压降幅度和压降速率；②水合物分解，地层微粒产出，导致充填层外围形成亏空，砾石层发生蠕动，地层与筛管环空出现缺口。以上特点决定了海洋天然气水合物降压开采过程中地层产出细砂在挡砂介质，尤其是在充填砾石层中的迁移规律与常规油气井产出砂在砾石层中的迁移规律不同。目前已有部分学者提出了针对常规油气井砾石充填层防砂效果的评价方法，但由于海洋天然气水合物降压开采过程中的地层渗流条件为气液两相渗流，管外亏空会随着水合物的分解不断增大进而导致充填砾石层蠕动翻转，这将导致天然气水合物资源降压开采过程中，地层产出细砂或泥质颗粒在砾石层中的运移规律不同于常规油气井砾石层内的细砂运移规律。尤其是对于我国南海北部粉砂质水合物储层而言，泥质含量高、粒度细、不均匀系数大、分选性差，水合物分布模式为胶结充填型，水合物完全分解后地层处于松散状态，因此降压开采过程中地层细砂的产出过程可以近似视为松散堆积颗粒物在流体携带拖曳作用导致的。若降压开采过程中如果采用砾石充填层作为挡砂介质，就必须对地层产出细砂在充填层中的运移规律进行室内评价分析，从而为后续防砂工艺参数的设计提供基础依据。
公开号CN106353069A公开了一种水合物分解区松散沉积物中砂粒运移过程的微观监测方法及装置，其主要解决气水两相渗流条件下水合物分解区内均质地层的砂粒迁移过程和筛管挡砂条件下的近井地层砂粒堆积规律，为水合物分解后储层出砂机理研究提供了支撑。但是该发明不涉及砾石充填防砂条件下当地层细砂从地层产出到井底之后的流动情况模拟，也未考虑井底防砂介质特别是充填砾石层中地层细砂的运移规律，因此无法对防砂条件特别是砾石充填防砂条件下实际井底出砂规律进行有效的分析。为此，建立一套实验测试方法，通过模拟实验研究水合物降压开采过程中实际储层气液混合渗流条件下地层产出细砂在充填砾石层中的运移规律，对于评价优选最佳颗粒充填型防砂工艺参数具有十分重要的意义，其实验结果可为后续防砂设计及生产制度的确定提供依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种降压开采过程层中海洋天然气水合物储层产出细砂在充填砾石层中的运移规律的室内试验方法，该方法假设水合物储层松散沉积物中微粒产出过程主要受流体的携带作用产出。因此本方法基于细粒松散沉积物颗粒在一定气水比气液两相一维渗流条件下被流体携带，并在大粒径堆积砾石层内孔隙中的运移、堆积过程提出。由于气相粘度较小，对固相颗粒的拖曳能力较差，再加上砾石充填层本身孔隙尺寸较大，气体对固相微粒的拖曳作用进一步弱化。因此在实际储层中可以忽略气体对产出细砂的影响，仅考虑水对地层砂的拖曳作用。因此，本发明需要配合专用出砂模拟设备，在一维水流驱替条件下实现。
本发明采取的技术方案为：
水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，具体包括如下步骤：
(1)向模拟充填砾石层子管内的一部分空间内填充砾石，填充砾石层的厚度为模拟充填砾石层子管体积的1/2～2/3，用液压压实装置压实；
(2)填砂模型的模拟充填砾石层子管的一侧等间距开设有测压孔B1、B2、B3、B4，另一侧正对测压孔处等间距设置有取样孔C1、C2、C3、C4，取样孔C1～C4用堵头堵死；测压孔B1、B2、B3、B4中均插入引压管，每两个相邻测压孔之间通过引压管安装差压计P1、P2、P3，差压计P1、P2、P3的测量结果作为气液两相渗流压降梯度计算的基础数据实时采集；
(3)取填砂模型的模拟充填地层砂子管，与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型，将模拟充填砾石层子管的剩余空间及模拟充填地层砂子管的一部分空间中填充地层细砂，用液压压实装置压实；
(4)填砂模型的模拟充填地层砂子管的剩余空间填充分流钢块，分流钢块根据实际填砂模型模拟充填地层砂子管的剩余空间，采用长度不同的多孔导流钢块呈环形拼接填充，直到充满整个填砂模型的模拟充填地层砂子管为止；
(5)填砂模型的入口端连接恒速泵，填砂模型的出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块相连接；
(6)将填砂模型安装后并抽真空，根据实际地层产业指数，设定恒速泵的泵速，利用恒流泵在小于5ml/min的低流速条件下，向模型中注入蒸馏水使地层沉积物和砾石层饱和，开始模拟实验；
(7)恒速泵开启过程中实时记录差压计P1～P3的压降值、在线激光粒度仪对穿透砾石层的地层细砂的粒径实时测量；电子天平连续测量并记录产出砂、液混合物的质量，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间；利用数据处理软件进行处理，并通过数据采集与处理模块实时采集到电脑数据库；
(8)测量恒流泵标准曲线：即拆卸填砂管模型后，将实时电子天平直接连接到泵出口端，利用与步骤(7)相同的标称泵速泵送蒸馏水，实时记录产出蒸馏水重量随时间的变化曲线；
(9)对比步骤(7)与步骤(8)测量得到的重量曲线，根据两条曲线差值计算当前出砂速率、累积出砂量；
(10)利用步骤(7)得到的粒度分布数据随时间的变化规律，分析恒定流速条件下沉积物微粒通过砾石层产出的粒径随时间的变化曲线；
(11)利用步骤(7)获取的压降随时间变化曲线，判断细砂在砾石层中的堵塞位置和堵塞严重程度；
(12)停止恒速泵，分别从填砂管模型的砾石层充填段各取样口C1～C4取样，用非在线激光粒度仪对实验结束后从取样孔取得的模拟地层细砂-砾石层混合砂样进行粒度测量；对各截面的砂-砾混合物粒径做横向对比分析，并与原始充填砾石层的粒径分布规律做纵向对比，从而判断不同截面处地层微粒的侵入比例和滞留在该截面的地层微粒粒径分布判断地层细粒在砾石层中的运移堆积规律；
(13)采用单一变量控制的办法更换充填砾石层的充填层厚度或者充填砂粒径、充填强度，重复步骤(3)～(12)，纵向对比砾石充填层目数、厚度、强度水合物降压分解储层的适应性；
(14)利用数据采集与处理模块，通过数据处理获取细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化；地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化等数据，最终获取水合物地层的最佳充填砾石的充填厚度、充填强度、充填粒径相关参数。
进一步的，所述步骤(1)中的模拟充填砾石层子管的管总长度20cm，砾石层的砾石粒径为40～60目，充填层厚度15cm，充填强度1.5kg/m。
进一步的，所述步骤(3)中的模拟充填地层砂子管的充填层厚度20cm，充填强度1.5kg/m。
进一步的，根据实际砾石层、地层充填厚度，所述步骤(1)中的砾石和步骤(3)中的地层细砂为已知粒径的工业充填用陶粒、石英砂或核桃壳中的任意一种充填材料。
进一步的，所述步骤(6)中当观察到填砂模型的出口端开始有液滴冒出时，地层沉积物及砾石层达到饱和状态。
进一步的，所述步骤(7)中数据处理软件基于基本测量原理分析一下动态参数：地层细砂产出量随时间的变化关系、地层产出细砂在砾石层中的可能的沉降、堆积位置和堵塞规律、地层细砂粒径随时间的变化规律、地层细砂产出的起止时间点。
数据采集与处理模块包括数据采集模块和数据处理模块，数据采集模块包括在线激光粒度仪、差压计、在线电子天平、非在线激光粒度仪，在线激光粒度仪实时采集粒径分布数据，通过数据处理模块进行数据处理，得到细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；差压计实时采集测量的差压数据，通过数据处理模块进行数据处理，得到不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化；在线电子天平实时采集砂、液混合质量数据，通过数据处理模块进行数据处理，得到地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化；非在线激光粒度仪间隔一定时间采集不同取样孔的非在线测量数据、砾石层中充填厚度、粒径、充填强度的充填参数，通过数据处理模块进行数据处理，得到最佳砾石层中充填厚度、粒径、充填强度的充填参数。
水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验装置，包括填砂模型，填砂模型为管内径一致的模拟充填地层砂子管和模拟充填砾石层子管采用快速卡套连接形成中空圆柱体管，填砂模型入口端填充分流钢块，分流钢块通过管道连接恒速泵，填砂模型出口端设置有多孔网板，多孔网板依次连接在线激光粒度仪和电子天平，模拟充填砾石层子管的一侧等间距开设有测压孔，在同一侧每两个相邻测压孔之间通过引压管安装差压计，模拟充填砾石层子管的另一侧正对测压孔处等间距设置有取样孔；所述恒速泵、引压管、在线激光粒度仪、非在线激光粒度仪、电子天平分别和数据采集与处理模块电连接。
进一步的，所述电子天平为具有实时采集功能的高精度电子天平。
进一步的，所述模拟充填地层砂子管和模拟充填砾石层子管的内部管壁经打毛处理。
进一步的，所述分流钢块为长度不同的多孔导流钢块呈环形拼接而成的圆柱体结构，多孔导流钢块的外周通过包裹柔性胶桶与模拟充填地层砂子管密封。
进一步的，所述多孔网板设置为相互对应的位置开设有通孔的内层板和外层板组成的双层板结构，相对应的通孔之间通过哑铃形孔壁连通。
本发明的主要作用：1.实时监测水合物降压开采过程中通过砾石充填层的地层细砂量和地层砂粒径参数；2.监测驱替一定时间后，砾石层不同剖面位置处，地层细砂的堆积量和堆积粒径；3.实时监测地层细砂在砾石充填层中的可能堵塞位置；4.评价和优选实际海洋天然气水合物降压开采井的最佳充填砾石尺寸、充填强度、充填厚度等参数。
通过上述实验方法，本发明能够实现以下功能：
(1)观察不同压降、不同流速条件下地层细砂与砾石层的匹配关系；
(2)优化实际降压开采水合物生产井内的砾石充填参数；
(4)观察一定渗流条件下近井地层细砂在砾石层中的运移堆积过程；
(5)观察一定渗流条件下地层产出细砂对砾石充填防砂效果的影响规律。
与公开号CN106353069A所述技术方法相比，本发明能实时方便地层产出细砂在井筒砾石层中的运移、沉降规律，评价充填参数条件(如充填层粒径、充填层厚度、充填层压实程度等)下砾石层允许通过的地层细砂量、粒径及细砂在砾石层中的堆积沉降位置，通过改变充填参数进行室内实验，可以为天然气水合物降压开采井充填防砂参数的选取提供依据。该方法能够为水合物降压开采过程中地层细砂在充填砾石层中的运移机理研究提供测试技术与实验数据支持，对于优化充填防砂方案具有重要的参考意义。
附图说明
图1为水合物分解区砂粒微观运移过程测量原理图；
图2为细砂颗粒产出起止点及产出量实时测量原理图；
图3数据采集与处理模块基本工作原理图。
图中，1、恒速泵；2、分流钢块；3、模拟地层；4、模拟充填地层砂子管；5、模拟充填砾石层子管；6、充填砾石层；7、多孔网板；8、在线激光粒度仪；9、电子天平；10、数据采集与处理模块；11、引压管。
C1～C4：取样孔；B1～B4：测压孔；P1：测压孔B1、B2之间的压降值；P2：测压孔B2、B3之间的压降值；P3：测压孔B3、B4之间的压降值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的基本工作原理如下：
(1)在恒定流速实验条件下，水合物储层松散沉积物中粒径较小的砂粒将优先被流体携带发生迁移；在实际生产井中，离井筒距离越近，压降梯度越大，流体流速越大，因此细砂被流体携带运移的几率就越大，因此越靠近砾石充填层的地层细砂，被携带进入砾石层或通过砾石层流入井筒的几率越大；
(2)被流体携带迁移的地层细砂在通过充填砾石层的过程中，部分细小砂粒可能直接产出到井筒内部造成出砂，也有部分细砂会在较大的砾石层孔吼对堆积形成桥架，发生地层细砂的二次沉降与堆积。被流体携带的地层细砂粒径越大、砾石层粒径越小，则地层细砂在砾石层中的二次沉降风险越大；
(3)在地层细砂粒径相同的情况下，对同样充填条件的砾石层而言，地层细砂产出细砂在砾石层中的沉降量越多、沉降粒径越细，则对砾石层的渗透率的影响越大，砾石层的压降梯度值越大，因此可以用不同砾石层剖面处的压降幅度值来直观判断地层细砂发生堵塞的位置；
(4)按照原理(2)、(3)所述，如果当砾石层不足以阻挡地层产出细砂时，地层细砂就会流入井底，在室内模拟过程中，在实验装置出口端就可以观察细砂产出粒径和产出量的变化情况：在填砂管出口端连接激光反射在线激光粒度仪，就可以实时测量通过砾石层产出的地层砂粒径及产出粒径随时间的变化规律，细砂产出量的基本原理如下(5)～(6)所述；
(5)通过砾石层的细砂量的实时测量原理如下：恒速泵泵送蒸馏水经过固定管径的管路时，流速是一定的。因此，在没有细砂被携带产出的条件下，时间-出水质量关系曲线为一条斜率等于泵速的直线。考虑到泵部件磨损等因素造成的标称流量误差，本发明提出恒速泵标准曲线标定办法，即每次实验周期前，调整不同的泵速，在不携带细砂条件下测量恒速泵的时间-出水质量曲线，称为标准曲线；然后用相同的泵速进行正式驱替实验，用电脑实时采集砂液混合产出物质量随时间的变化曲线，则根据两条曲线的包覆面积即可得到细砂产出量的实时变化规律。如附图2所示。
(6)利用实测质量曲线与标准曲线包覆面积计算通过砾石层的细砂量的原理如下：实测曲线开始偏离标准曲线的时间t1即为细砂开始产出的时间点，实测曲线再次与标准曲线相交并继续向前发展的时间t2为细砂产出结束时间点，因此本发明可以通过测量曲线与标准曲线的交点来实时判断当前地层细砂透过砾石层产出的情况。在t1～t2间隔内某时间点t处，标准曲线和实测曲线对应的质量分别为mw、mws，如果已知蒸馏水和地层细砂的密度分别为ρw、ρs，忽略蒸馏水的可压缩性，则t时刻砂粒的产出质量速率为：
从t1时刻至当前t时刻的累积出砂量用式(2)计算：
(7)本发明实时判断地层产出细砂在充填砾石层中沉降堆积位置的原理如下：随着细砂的运移、堆积，细砂在砾石层中不同位置的沉降量和沉降颗粒粒径都不同，因此会导致砾石层不同剖面处的压降幅度不一致。本发明可以实时监测砾石层中不同位置处的压降幅度，通过不同位置处压降梯度的变化曲线，通过压降梯度随时间的变化曲线判断细砂在砾石层中的堵塞规律及堵塞位置：压降梯度升高幅度越大，堵塞越严重。
(8)本发明最重要的一个效果是能够评价和优选实际海洋天然气水合物降压开采井的最佳充填砾石尺寸、充填强度、充填厚度等参数，其基本的评价优选原理如下：对于相同类型的砾石层，砾石尺寸越大，允许细砂通过的可能性就越大；对于相同类型相同粒径的充填砾石层，充填厚度和充填强度越大，细砂通过砾石层产出的可能性就越小，因此可以通过本发明确定最佳的水合物生产井内砾石层充填参数。
(9)除基于原理(7)判断地层产出细砂在砾石层不同剖面位置处的沉降堆积程度，地层细砂在充填砾石层中的沉降堆积量和堆积粒径可以通过如下原理测定：如果能在实验结束后在充填层不同剖面位置处取样，通过筛网筛分，将砾石、细砂分离并分别称重，则按照沉重比例可以估算砾石层不同剖面位置处细砂的滞留量，进而分析地层产出细砂在砾石层中的滞留量空间分布，推断细砂在砾石层中的迁移过程云图；另外，也可以对不同剖面位置处的取样分离结果进行粒度分析，基于不同剖面处的粒度分析结果分析地层产出细砂在砾石层中滞留的粒径分布规律云图，进一步判断地层细砂在砾石层中的迁移规律。
基于本发明中基本测试原理，本发明需要配合专用出砂模拟实验系统实现，与公开号CN106353069A所述实验装置相较而言，本发明所述实验系统的创新主要体现在以下几个方面：
(1)本发明所述实现上述室内实验方法的降压开采水合物储层出砂模拟装置，包括填砂管模型、在线测量激光粒度仪、带COM口的电子天平、专用取样器、离线激光粒度仪、数据采集软件等；
(2)所述实验系统的主体填砂管模型，模型主体内部经打毛处理，防止水流沿模型管壁面形成优势渗流通道，保证水流能够在沉积物内部均匀推进；
(3)所述主体填砂管模型由两部分构成，即模拟地层子管和模拟充填砾石层子管，两子管内径完全一致，用快速卡套连接。其中模拟充填砾石层子管安装与公开号CN106353069A相似的方式布局测压孔和取样孔，取样孔在实验过程中用堵头卡封：即子管上等间距布局测压孔，每相临两个测压孔之间连接高精度差压计测量该区间的差压值变化并做实时记录；测压孔对侧对应位置备取样口，带一次完整的实验结束后取样测量；
(4)所述主体填砂管模型，其特色与创新点是：主体填砂管模型入口端并非采用多孔网板而是采用长度不同的多孔导流钢块，模拟地层子管与模拟充填砾石层子管内径完全一致并通过快速接头连接，这样设计的最佳效果是：要保证室内模拟不同充填厚度的砾石层中细砂运移规律并对砾石层充填厚度进行优化与评价，必须首先保证模拟地层(压实程度、厚度)是恒定不变的。通过上述设计，就可以在模拟充填砾石层子管内填入不同厚度(一维条件下即为被砾石层所充填的子管长度)的砾石层，然后将一部分模拟充填砾石层子管当做模拟充填地层砂子管并充填模拟地层砂，由于要保证模拟地层砂的厚度和压实程度不变，就必然会使模拟地层子管的上游端产生亏空，而长度不同的多孔导流钢块正好可以填补该亏空。这样既保证模拟地层厚度在不同实验条件下是完全一致的，又能通过改变砾石充填层的厚度对充填参数进行优化设计；
(5)所述多孔导流钢块外周包裹柔性胶桶，保证多孔导流钢块与所述模拟充填地层砂子管之间密封，阻止注入流体沿子管内壁面的流动，保证通过多孔导流钢块进入沉积物的流体是均匀的；
(6)所述实验系统的特色在于所述激光粒度仪为具有实时在线监测功能的粒度仪与非在线激光粒度仪的联合使用，在线激光粒度仪可以对穿透砾石层的地层细砂的粒径实时变化规律做出评价；非在线激光粒度仪可以对实验结束后从取样孔取得的模拟地层砂-砾石层混合砂样进行粒度测量。这样就达到了从在线动态和非线性静态相结合的手段评价地层产出细砂在砾石层中的运移规律；
(7)所述实验系统的特色在于所述的高精度天平具有实时在线记录功能并基于本发明工作原理(4)～(6)所述的测试原理对细砂产出量进行实时评价，从而对细砂穿过砾石层的动态进行实时反馈与评价。
(8)多孔网板设置为相互对应的位置开设有通孔的内层板和外层板组成的双层板结构，相对应的通孔之间通过哑铃形孔壁连通。便于观察模拟充填砾石层子管末端的液滴冒出，同时由于哑铃形孔壁的相互连通，使多孔网板两侧形成较大的入口截面和出口截面，保证了介质的充分渗流，耐压力强，提高了设备的精密度，同时延长了设备的使用寿命。
实施例1
具体而言，本发明中水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，包括以下步骤：
(1)取一维未开孔填砂模型子管与相同内外径的开孔模拟砾石层填砂子管，根据实际需求在砾石层充填子管中装入一定压实程度、一定厚度、一定砾石尺寸的模拟充填砾石层，子管取样孔用堵头堵死，测压孔安装引压管并连接高精度差压传感器。其中引压管的主要作用是保证差压计测到的差压值是充填层内部的流动压差，从而进一步避免可能通过填砂管内壁形成的渗流优势通道对测试结果的影响；
(2)用快速接头连接模拟地层充填子管和模拟砾石层充填子管，在模拟充填砾石层子管剩余空间和部分模拟地层子管中充填一定厚度的模拟地层砂，用压实装置压实。模拟充填地层砂子管剩余空间用多孔导流钢块补充；
(3)填砂模型入口端连接恒速泵，出口端连接在线激光粒度仪和高精度电子天平，开始模拟实验；
(4)计算实际地层产液指数，按照产液指数值设定恒速泵泵速，进行动态测量：基于测量原理(5)、(6)和附图2所示的方法实时观察砂粒产出量随时间的变化关系；基于测量原理(2)、(3)实时判断地层产出细砂在砾石层中的可能的沉降、堆积位置和堵塞规律；基于测量原理(4)测试透过砾石充填层的地层细砂粒径随时间的变化规律；
(5)停止恒速泵驱替，释放填砂模型内部压力。打开砾石充填子管上的取样孔，分别取填砂管模型不同截面处的砾石层-地层细砂混合物进行分析，根据测量原理(9)分析地层产出细砂在砾石层不同剖面位置处的沉降堆积程度，推断细砂在砾石层中的迁移过程云图，结合步骤(4)综合判断地层细砂产出后在砾石层中的运移规律；
(6)保证模拟充填地层的粒径、厚度、压实程度不变，改变步骤(1)中的砾石层粒径、厚度等参数，判断相同模拟地层砂产出后在不同的砾石层内部的运移规律，基于测量原理(8)优选最佳充填粒径、充填厚度和充填强度等参数。
本发明所述恒流泵标准曲线是指在与驱替沉积物相同实验条件、相同恒速泵标称泵速条件下测量得到的累积水质量随时间的变化曲线。因为泵在长期使用过程中由于零部件磨损等原因会造成标称流量与实际排水量的差异，因此标准曲线的主要目的是消除由于泵磨损等因素造成的标称泵速误差。
本发明所述充填砾石层充填介质为不同目数的标准工业用充填砂，其材质可能为人工陶粒、石英砂、核桃壳、钢珠等。
本发明所述充填强度是指单位长度井段充填的砂量，在室内模拟实验中具体是指单位长度的填砂管模型中充填的砾石量，充填强度随着外部压实程度的不同而不同。
本发明所述填砂管模型，其入口端安装有分流钢块，分流钢块后充填实际地层沉积物，填砂管模型近出口端用于充填砾石层，出口端安装大孔径网板。填砂管一侧等间距设置测压孔，另一侧设置与测压孔相对应的取样孔，分别在相邻两个测压孔之间安装高精度差压计。
本发明可以模拟海洋天然气水合物降压开采过程中充填砾石层的实际充填厚度、充填强度，并根据储层实际压实程度在填砂管中充填地层沉积物，在稳定一维渗流条件下，在填砂管模型中稳定驱替一段时间，通过实时测量压差值、细砂产出量、产出粒径、细粒沉降百分比等参数，对最佳的充填参数进行室内模拟设计。其有益效果是：方便有效、实时地测量水合物降压开采过程中侵入砾石层的地层微粒的运移全过程，对已设计的实际充填参数进行验证和优化。该方法能够为水合物降压开采造成的地层-充填砾石层相互影响机理研究提供测试技术与实验数据支持，对于增加水合物试开采持续时间具有重要的参考意义，促进水合物商业化开采技术的发展。
实施例2
如图1和图2所示，水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，包括以下步骤：
(1)取填砂模型模拟充填砾石层子管5，子管总长度20cm，装入40～60目的充填砾石6，充填层厚度15cm，用液压压实装置压实，充填强度1.5kg/m；
(2)填砂模型模拟充填地层砂子管测压孔B1、B2、B3、B4中插入引压管11，并安装高精度差压计P1、P2、P3，取样孔C1～C4用堵头堵死；
(3)取填砂模型模拟充填地层砂子管4，与填砂模型模拟充填地层砂子管4通过快速接头连接，将填砂模型模拟充填砾石层子管5的剩余空间及填砂模型模拟充填地层砂子管4中装入实际地层砂样3，用液压压实装置压实，模拟地层3的总厚度为20cm，充填强度1.5kg/m；
(4)填砂模型模拟充填地层砂子管4剩余空间填充分流钢块2，分流钢块的长度视实际填砂模型模拟充填地层砂子管4的剩余空间而定，直到充满整个填砂模型模拟充填地层砂子管4为止；
(5)填砂模型入口端连接恒速泵1，出口端连接在线激光粒度仪8和高精度电子天平9，并将所有硬件设备与数据采集与处理模块10相连接；
(5)根据实际地层产业指数，设定恒速泵1的泵速，开始模拟实验；
(4)步骤(5)过程中实时记录差压计P1～P3的压降值、在线激光粒度仪8测量结果及高精度电子天平10的读数，并利用数据处理软件进行处理，基于本文上述基本测量原理分析地层细砂产出量随时间的变化关系、地层产出细砂在砾石层中的可能的沉降、堆积位置和堵塞规律、地层细砂粒径随时间的变化规律、地层细砂产出的起止时间点等动态参数；
(5)停止恒速泵1，释放填砂模型填的模拟充填地层砂子管4、模拟充填砾石层子管5内部压力。打开砾石充填子管上的取样孔C1、C2、C3、C4，分别取填砂管模型不同截面处的砾石层-地层细砂混合物进行分析，分析地层产出细砂在砾石层不同剖面位置处的沉降堆积程度，推断细砂在砾石层中的迁移过程云图，结合步骤(5)综合判断地层细砂产出后在砾石层中的运移规律；
(6)保证模拟充填地层3的粒径、厚度、压实程度不变，改变步骤(1)中的砾石层6粒径、厚度等参数，重复步骤(3)～(5)，经过多次试验优选最佳充填粒径、充填厚度和充填强度等参数。
数据采集与处理模块包括数据采集模块和数据处理模块，数据采集模块和数据处理模块相连接，数据采集模块包括在线激光粒度仪、差压计、在线电子天平、非在线激光粒度仪，在线激光粒度仪用于实时采集粒径分布数据；差压计用于实时采集测量的差压数据；在线电子天平用于实时采集砂、液混合质量数据；非在线激光粒度仪用于在间隔一定时间段后采集不同取样孔的非在线测量数据、砾石层充填参数(充填厚度、粒径、充填强度)。数据采集与处理模块基本工作原理如图3所示，数据采集与处理模块：在线激光粒度仪粒径分布数据、差压计测量的差压数据、在线电子天平的砂、液混合质量数据，以上数据分别通过在线激光粒度仪、差压计、在线电子天平进行数据实时采集；将实时采集的数据传输到数据处理模块进行数据处理，处理数据后得到细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化；地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化。不同取样孔的非在线测量数据、砾石层充填参数(充填厚度、粒径、充填强度)均通过非在线激光粒度仪间隔一定时间进行数据采集，将间隔一定时间采集的数据传输到数据处理模块进行数据处理，得到最佳砾石层充填参数(充填厚度、粒径、充填强度)。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (6)
1.水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)向模拟充填砾石层子管内的一部分空间内填充砾石，充填砾石层的厚度为模拟充填砾石层子管体积的1/2～2/3，用液压压实装置压实；
(2)填砂模型的模拟充填砾石层子管的一侧等间距开设有测压孔B1、B2、B3、B4，另一侧正对测压孔处等间距设置有取样孔C1、C2、C3、C4，取样孔C1～C4用堵头堵死；测压孔B1、B2、B3、B4中均插入引压管，每两个相邻测压孔之间通过引压管安装差压计P1、P2、P3，差压计P1、P2、P3的测量结果作为气液两相渗流压降梯度计算的基础数据实时采集；
(3)取填砂模型的模拟充填地层砂子管，与模拟充填砾石层子管通过快速接头连接形成填砂模型，将模拟充填砾石层子管的剩余空间及模拟充填地层砂子管的一部分空间中填充地层细砂，用液压压实装置压实；
(4)填砂模型的模拟充填地层砂子管的剩余空间填充分流钢块，分流钢块根据实际填砂模型模拟充填地层砂子管的剩余空间，采用长度不同的多孔导流钢块呈环形拼接填充，直到充满整个填砂模型的模拟充填地层砂子管为止；
(5)填砂模型的入口端连接恒速泵，填砂模型的出口端通过多孔网板连接在线激光粒度仪和电子天平，并将所有硬件设备与数据处理模块相连接；
(6)将填砂模型安装后并抽真空，根据实际地层产业指数，设定恒速泵的泵速，利用恒速泵在小于5ml/min的低流速条件下，向模型中注入蒸馏水使地层沉积物和砾石层饱和，开始模拟实验；
(7)恒速泵开启过程中实时记录差压计P1～P3的压降值、在线激光粒度仪对穿透砾石层的地层细砂的粒径实时测量；电子天平连续测量并记录产出砂、液混合物的质量，在恒定流速条件下稳定驱替一段时间，通过数据采集与处理模块实时采集到电脑数据库；
(8)测量恒速泵标准曲线：即拆卸填砂模型后，将电子天平直接连接到泵出口端，利用与步骤(7)相同的标称泵速泵送蒸馏水，实时记录产出蒸馏水重量随时间的变化曲线；
(9)对比步骤(7)与步骤(8)测量得到的重量曲线，根据两条曲线差值计算当前出砂速率、累积出砂量；
(10)利用步骤(7)得到的粒度分布数据随时间的变化规律，分析恒定流速条件下沉积物微粒通过砾石层产出的粒径随时间的变化曲线；
(11)利用步骤(7)获取的压降随时间变化曲线，判断细砂在砾石层中的堵塞位置和堵塞严重程度；
(12)停止恒速泵，分别从填砂模型的模拟充填砾石层子管各取样孔C1～C4取样，用非在线激光粒度仪对实验结束后从取样孔取得的模拟地层细砂-砾石层混合砂样进行粒度测量；对各截面的砂-砾混合物粒径做横向对比分析，并与原始充填砾石层的粒径分布规律做纵向对比，从而判断不同截面处地层微粒的侵入比例和滞留在该截面的地层微粒粒径分布，判断地层细粒在砾石层中的运移堆积规律；
(13)采用单一变量控制的办法更换充填砾石层的充填层厚度或者充填砂粒径、充填强度，重复步骤(3)～(12)，纵向对比充填砾石层目数、厚度、强度水合物降压分解储层的适应性；
(14)利用数据采集与处理模块，通过数据处理获取细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化；地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化数据，最终获取水合物地层的最佳充填砾石的充填厚度、充填强度、充填粒径相关参数。
2.根据权利要求1所述水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，所述步骤(1)中的模拟充填砾石层子管的管总长度20cm，砾石层的砾石粒径为40～60目，充填层厚度15cm，充填强度1.5kg/m。
3.根据权利要求1所述水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，所述步骤(3)中的模拟充填地层砂子管的充填层厚度20cm，充填强度1.5kg/m。
4.根据权利要求1所述水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，根据实际砾石层、地层充填厚度，所述步骤(1)中的砾石和步骤(3)中的地层细砂为已知粒径的工业充填用陶粒、石英砂或核桃壳中的任意一种充填材料。
5.根据权利要求1所述水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，所述步骤(6)中当观察到填砂模型的出口端开始有液滴冒出时，地层沉积物及砾石层达到饱和状态。
6.根据权利要求1所述水合物层产出细砂在砾石层中运移规律的试验方法，其特征在于，所述步骤(7)中数据采集与处理模块包括数据采集模块和数据处理模块，数据采集模块包括在线激光粒度仪、差压计、电子天平、非在线激光粒度仪，在线激光粒度仪实时采集粒径分布数据，通过数据处理模块进行数据处理，得到细砂在砾石层中的堆积位置、堆积量、堆积粒径；差压计实时采集测量的差压数据，通过数据处理模块进行数据处理，得到不同剖面砾石层-细砂混合物渗透率变化；电子天平实时采集砂、液混合质量数据，通过数据处理模块进行数据处理，得到地层细砂透过砾石层的粒径、量的变化；非在线激光粒度仪间隔一定时间采集不同取样孔的非在线测量数据、砾石层中充填厚度、粒径、充填强度的充填参数，通过数据处理模块进行数据处理，得到最佳砾石层中充填厚度、粒径、充填强度的充填参数。
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