CN107514243A - 一种天然气水合物开发模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种天然气水合物开发模拟实验装置,其能够模拟水平井，能够控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数，能够用于研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理。这种天然气水合物开发模拟实验装置，其包括：注入系统、钻井液井口环空循环系统、模型系统、控制系统、数据测量系统、数据采集处理系统。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物研究的技术领域，具体地涉及一种天然气水合物开发模拟实验装置。
背景技术
可观的储量推动开发技术的不断进步，技术的创新又将带动储量的高效动。
本世纪以来，全世界都认识到天然气水合物是一种替代常规化石燃料的清洁能源。全球已发现水合物矿藏点超过200处，以目前的能源消费趋势，仅开采15％的水合物就可供全球使用200年之久。但是，其自身形成的稳定温压条件，决定了其开采方式的特殊性，另外其开采过程中对与环境的影响还有待进一步的评估。因此，目前对水合物开采的研究除少数国家和地区进行过单井或单一井组的试开采以外，绝大部分研究还处于实验室物理模拟和数值模拟的阶段。
为了对这种储量巨大的能源进行开发利用，研究人员提出了很多方法：
①注热法：利用注入热水、蒸汽或者热盐水将水合物加热到平衡温度之上分解；
②降压法：将水合物藏的压力降低到平衡分解压力以下；
③化学剂法：注入化学药剂，比如甲醇或者乙二醇以改变水合物平衡生成条件。
针对陆域冻土区水合物，继加拿大、日本、美国等在Mallik地区开展小尺度下天然气水合物注热试采后，我国陆域天然气水合物团队也先后在祁连山冻土区开展了天然气水合物的试采工作，并取得了成功。
截止目前，国内外在实验内研究热力法开采甲烷水合物的研究仅限于一维长岩心夹持器、二维垂直井模拟。然而，水合物开发与常规油气无异，同样是一个三维渗流场压力不断降落的过程。为了更加真实有效的了解掌握水合物的合成、分解以及开采过程中不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数，进行三维水合物开采实验模拟，特别是在三维尺度上研究水合物的分解行为，意义重大。
一般来说，水合物的电阻率值要高于水或气的电阻率值，低于气体在水合物相、气相和水相等体系中的电阻率值。水合物沉积物产气的过程中，水合物逐渐分解成水和气，引起沉积物电阻率值随时间而变化。因此，水合物分解过程中的电阻率变化可以用来表征水合物沉积物的变化特征——即水合物饱和度场变化的规律。目前水合物生成分解过程的电阻率特性实验研究仅限于小型反应釜，三维开采实验过程中的电阻率变化研究鲜有研究。
另外，通过几十年的不断摸索与创新，利用水平井以及水平井-直井混合井网开发常规油气，已经是非常成熟的技术手段。在天然气水合物开发中选用水平井更具有无可比拟的优势：水平井初始开采速度、控制储量和最终评价可采储量是直井的几倍；水平井与裂缝型储集层相交机会大，比直井钻遇此类储层的机会多几十倍，有效改善储层流体的流动状况；水平井遇有边、底水或是上下围岩的特殊情况，能有效规避风险；水平井还可减少地面设施，延伸开采范围，避免地面不利条件的干扰。目前在国内室内实验室中进行三维水合物开采模拟实验中，几乎还没有用到水平井。
针对这种情况，本申请人研发了一种天然气水合物开发模拟实验装置，其模拟了水平井，能够用于研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种天然气水合物开发模拟实验装置,其能够模拟水平井，能够控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数，能够用于研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理。
本发明的技术解决方案是：这种天然气水合物开发模拟实验装置，其包括：注入系统、钻井液井口环空循环系统、模型系统、控制系统、数据测量系统、数据采集处理系统；注入系统把液体和气体分别注入到模型系统中；钻井液井口环空循环系统模拟钻井液在井口环空的循环流动；模型系统包括一维长管岩心夹持器和三维模型系统，一维长管岩心夹持器对含水合物地层的渗流性能进行测试，三维模型系统通过控制改变生产井井底压力、注热温度来优化开发参数；控制系统包括回压控制系统和温度控制系统，回压控制系统控制出口压力，温度控制系统控制三维平面模型及一维岩心夹持器的温度；数据测量系统测量温度、压力、进口液体流量、电阻率、出口液体流量；数据采集处理系统采集压力、温度、饱和度、气体体积、液体体积，控制平流泵的注入速度、启动与停止，控制气液分离器的排液。
本发明通过注入系统把液体和气体分别注入到模型系统中；钻井液井口环空循环系统模拟钻井液在井口环空的循环流动；模型系统包括一维长管岩心夹持器和三维模型系统，一维长管岩心夹持器对含水合物地层的渗流性能进行测试，三维模型系统通过控制改变生产井井底压力、注热温度来优化开发参数；控制系统包括回压控制系统和温度控制系统，回压控制系统控制出口压力，温度控制系统控制三维平面模型及一维岩心夹持器的温度；数据测量系统测量温度、压力、进口液体流量、电阻率、出口液体流量；数据采集处理系统采集压力、温度、饱和度、气体体积、液体体积，控制平流泵的注入速度、启动与停止，控制气液分离器的排液，从而能够模拟水平井，能够控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数，能够用于研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理。
附图说明
图1是根据本发明的天然气水合物开发模拟实验装置的结构示意图。
图2是根据本发明的天然气水合物开发模拟实验装置的三维模型系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，这种天然气水合物开发模拟实验装置，其包括：注入系统、钻井液井口环空循环系统、模型系统、控制系统、数据测量系统、数据采集处理系统；注入系统把液体和气体分别注入到模型系统中；钻井液井口环空循环系统模拟钻井液在井口环空的循环流动；模型系统包括一维长管岩心夹持器和三维模型系统，一维长管岩心夹持器对含水合物地层的渗流性能进行测试，三维模型系统通过控制改变生产井井底压力、注热温度来优化开发参数；控制系统包括回压控制系统和温度控制系统，回压控制系统控制出口压力，温度控制系统控制三维平面模型及一维岩心夹持器的温度；数据测量系统测量温度、压力、进口液体流量、电阻率、出口液体流量；数据采集处理系统采集压力、温度、饱和度、气体体积、液体体积，控制平流泵的注入速度、启动与停止，控制气液分离器的排液。
本发明通过注入系统把液体和气体分别注入到模型系统中；钻井液井口环空循环系统模拟钻井液在井口环空的循环流动；模型系统包括一维长管岩心夹持器和三维模型系统，一维长管岩心夹持器对含水合物地层的渗流性能进行测试，三维模型系统通过控制改变生产井井底压力、注热温度来优化开发参数；控制系统包括回压控制系统和温度控制系统，回压控制系统控制出口压力，温度控制系统控制三维平面模型及一维岩心夹持器的温度；数据测量系统测量温度、压力、进口液体流量、电阻率、出口液体流量；数据采集处理系统采集压力、温度、饱和度、气体体积、液体体积，控制平流泵的注入速度、启动与停止，控制气液分离器的排液，从而能够模拟水平井，能够控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数，能够用于研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理。
如图2所示，所述三维模型系统包括：模型主体1、旋转机构、模型井网2、模型支架3、底水腔；模型主体通过其两端的短轴4架在模型支架上，通过旋转机构使模型主体围绕短轴旋转到指定角度，模型井网设在模型主体上，底水腔设在模型主体的下部，底水腔是一个大的空腔，流体通过底水腔均匀进入模型主体内的砂层，模型支架的一端设置升降机构来使模型主体的对应端抬升或降低，在模型主体上布置13个温度传感器接口、5个压力传感器接口、13×3个电阻传感器电极。
模型主体可绕轴转到任何倾角，然后再锁紧。同时转轴还可倾斜一定角度，这样可模拟从垂直到水平的各种情况，又可背斜一定角度，大大扩展了研究范围。
该三维模型系统可以对比不同井网模式、井网密度条件下水合物的开采动态特征，优化井网开发方案。
在三维平面模型上布置垂直井网接口，可模拟不同井网开采天然气水合物过程。
三维模型系统主要技术参数为：内工作室尺寸300mm×300mm×80mm，其中厚度可调；最高工作压力25MPa，设计压力30MPa；工作温度-15～50℃，恒温箱温度-20～60℃，与天然气水合物开发模拟实验装置的一维岩心夹持器共用。
另外，该三维模型系统的模型主体包括上模板和下模板，下模板为可轴向移动的活塞式结构。这样能够实现模型主体的体积可变。
另外，所述下模板的活塞可动距离小于等于60mm，所述下模板的厚度为20-80mm。
另外，所述上模板一端为钢体结构，另一端为视窗和金属承压板的换装结构。通过玻璃可直接观察实验现象或进行观察和摄像。更换一端压板为单面视窗，可以用来模拟水平井开采底水层时水脊脊进过程,研究水脊形成与发展机理、见水时间和采收率的变化规律。
另外，所述视窗为钢化玻璃且向下凸起。
另外，所述钢化玻璃与周围框架之间设有橡胶密封圈。
另外，所述橡胶密封圈通过矩形钢法兰固定在周围框架上。
另外，所述矩形钢法兰为横竖栅板网格结构。同时加强筋网格与矩形钢法兰实现组合式连接，可在常压下和带压下观察。
另外，所述模型井网为正方形，在模型井网的中心、四个边角各设置一个井点接口，构成垂直井网。
另外，在所述底水腔的下部侧面设置4个注水孔，流体通过4个注入孔同时注入底水腔。三维平面模型由水平转到垂直位置时，模型的下部设计有底水腔，为保证从底水腔进入砂层的流体能均匀进入砂层，流体成均匀推进，底水腔设计成一个大的空腔，使之对进入底水腔的流体产生缓冲吸收冲击能量能够均衡向前推进，底水腔下部侧面设计有4个注入口，可从4个注入孔同时注入底水腔。当装置模型转到水平位置时，底水腔又变成了边水层，可以用来提供边水模拟。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：其包括：注入系统、钻井液井口环空循环系统、模型系统、控制系统、数据测量系统、数据采集处理系统；注入系统把液体和气体分别注入到模型系统中；钻井液井口环空循环系统模拟钻井液在井口环空的循环流动；模型系统包括一维长管岩心夹持器和三维模型系统，一维长管岩心夹持器对含水合物地层的渗流性能进行测试，三维模型系统通过控制改变生产井井底压力、注热温度来优化开发参数；控制系统包括回压控制系统和温度控制系统，回压控制系统控制出口压力，温度控制系统控制三维平面模型及一维岩心夹持器的温度；数据测量系统测量温度、压力、进口液体流量、电阻率、出口液体流量；数据采集处理系统采集压力、温度、饱和度、气体体积、液体体积，控制平流泵的注入速度、启动与停止，控制气液分离器的排液。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述三维模型系统包括：模型主体(1)、旋转机构、模型井网(2)、模型支架(3)、底水腔；模型主体通过其两端的短轴(4)架在模型支架上，通过旋转机构使模型主体围绕短轴旋转到指定角度，模型井网设在模型主体上，底水腔设在模型主体的下部，底水腔是一个大的空腔，流体通过底水腔均匀进入模型主体内的砂层，模型支架的一端设置升降机构来使模型主体的对应端抬升或降低，在模型主体上布置13个温度传感器接口、5个压力传感器接口、13×3个电阻传感器电极。
3.根据权利要求2所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：该三维模型系统的模型主体包括上模板和下模板，下模板为可轴向移动的活塞式结构，所述下模板的活塞可动距离小于等于60mm，所述下模板的厚度为20-80mm。
4.根据权利要求3所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述上模板一端为钢体结构，另一端为视窗和金属承压板的换装结构。
5.根据权利要求4所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述视窗为钢化玻璃且向下凸起。
6.根据权利要求5所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述钢化玻璃与周围框架之间设有橡胶密封圈。
7.根据权利要求6所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述橡胶密封圈通过矩形钢法兰固定在周围框架上。
8.根据权利要求7所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述矩形钢法兰为横竖栅板网格结构。
9.根据权利要求8所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：所述模型井网为正方形，在模型井网的中心、四个边角各设置一个井点接口，构成垂直井网。
10.根据权利要求9所述的天然气水合物开发模拟实验装置，其特征在于：在所述底水腔的下部侧面设置4个注水孔，流体通过4个注入孔同时注入底水腔。
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