CN107514247A - 一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，涉及天然气水合物开发领域。装置包括供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统以及监控系统，本发明装置采用填砂箱作为模拟系统的主体，可模拟排式水平井网，通过供气系统、供液系统向模拟系统中供给天然气和水形成天然气水合物，通过压裂系统对模拟天然气水合物储藏实施压裂作业，通过注海水系统注入海水以模拟注海水开采，通过生产系统对采出气及水实施收集，通过监控系统对实验过程实施全程监控，本发明实验装置采用三维方式对注海水开采天然气水合物实施模拟，对天然气水合物注海水开采机理研究有一定的指导作用。

Description

一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置

技术领域

本发明公开了一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，涉及天然气水合物开发领域，具体是用于模拟排式水平井注海水开采天然气水合物的一种室内实验装置。

背景技术

天然气水合物(natural gas hydrate，简称NGH)，是天然气在一定的低温、高压下与水形成的非化学计量笼形化合物，也被称为“可燃冰”。1m³天然气水合物可含164m³甲烷气和0.8m³的水。“可燃冰”是天然气的附生产品，应用范围与天然气大致相同，是一种典型的石油替代品。“可燃冰”极易燃烧，在同等条件下，“可燃冰”燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要高出数十倍，被誉为“属于末来的超级能源”。

我国的可燃冰储量十分丰富，根据调查研究，我国的天然气水合物主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带。

人为地打破天然气水合物稳定存在的相平衡条件，促使其分解，是目前开发天然气水合物的主要方法。根据天然气水合物的平衡相图，大体上可分为加热法、化学法、降压法三类。

加热法：此方法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体介质从地面泵入天然气水合物储层，也可采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。热开采技术的主要不足是会造成大量的热损失，效率很低。

添加化学剂：某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。添加化学剂最大的缺点是费用太昂贵。由于大洋中天然气水合物的压力较高，因而不宜采用此方法。

降压法：通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使天然气水合物分解的目的。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法，另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。降压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发，因而其可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。

然而目前天然气水合物开采技术仍处于摸索阶段，世界各国对天然气水合物的开发尚未制定出一套成型的标准，室内实验研究的方法仍是可燃冰开采技术研究的主体，CN101710088A公布一种天然气水合物生成与分解测试方法及装置，通过一维填砂电阻率模型管对天然气水合物实施模拟实验。CN103206210B公布一种热流体压裂开采天然气水合物藏的实验装置，通过水合物岩芯三轴压裂系统、压裂注海水系统、天然气开采系统和声发射监测系统实施天然气水合物模拟实验。CN101246117B公布一种天然气水合物合成与宏观力学性质综合实验系统，通过天然气水合物合成模块、力学性质实验模块和微观测量模块对天然气水合物进行模拟实验。上述专利设备无法模拟水平井开采天然气水合物，且无法达到可视化实验。CN105909224A公布一种双水平井电加热辅助降压开采天然气水合物的实验装置及工作方法，通过注气系统、电力系统、天然气水合物反应系统、数据监测处理系统、气液分离计量系统对天然气水合物进行模拟实验。但是单纯使用电力系统加热天然气水合物储藏无法模拟实际生产中水平井驱替作业。有鉴于此，本发明人提出一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，以满足目前三维模拟实验装置的要求，并克服现有技术的缺陷，且本发明装置主体为透明可视材质，可对注海水开采天然气水合物进行更细致的观察。

发明内容

本发明公开了一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，装置包括供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统以及监控系统，本发明装置采用填砂箱作为模拟系统的主体，可模拟排式水平井网，通过供气系统、供液系统向模拟系统中供给天然气和水形成天然气水合物，通过压裂系统对模拟天然气水合物储藏实施压裂作业，通过注海水系统注入海水以模拟注海水开采，通过生产系统对采出气及水实施收集，通过监控系统对实验过程实施全程监控，本发明实验装置采用三维方式对注海水开采天然气水合物实施模拟，对天然气水合物注海水开采机理研究有一定的指导作用。

其中所述供气系统与模拟系统相连接，所述供液系统与模拟系统相连接，所述压裂系统与模拟系统相连接，所述注海水系统与模拟系统相连接，所述生产系统与模拟系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统和生产系统相连接。

所述供气系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供水；所述压裂系统用于对模拟系统实施压裂作业；所述注海水系统用于为所述模拟系统注入海水，用以模拟实际生产中注水井；所述生产系统用于采出所述模拟系统中产生的天然气和水，并分析所述产出气产量、水产量，用以模拟实际生产中生产井；所述模拟系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，并模拟在天然气水合物藏中排式水平井布井方式；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

优选的，本发明的供气系统包括天然气瓶、调节阀门、增压装置、气体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；天然气瓶出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于天然气瓶和增压装置之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，气体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述模拟系统相连接。

所述供气系统中天然气瓶为常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述气体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组。

优选的，本发明的供液系统包括储水装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；储水装置出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于储水装置和增压装置之间，起到调节水供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，液体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述模拟系统相连接。

所述供液系统中储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备，所述储水装置内部液体包括地层水、海水、模拟地层水及其他实验用水，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述液体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组。

优选的，本发明的压裂系统包括储水装置、搅拌装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、止回阀、注水井连接装置；储水装置出口通过高压管线连接于搅拌装置入口，用于将储水装置内部配液水供入搅拌装置，并在搅拌装置中混合配液水和添加剂形成压裂液，搅拌装置出口通过高压管线连接增压装置入口，调节阀门位于搅拌装置和增压装置之间，增压装置出口通过高压管线连接于注水井连接装置，液体流量计、压力传感器、温度传感器、止回阀位于增压装置与注水井连接装置之间，起到监测压裂液流量、压力、温度的作用，并防止压裂液回流，注水井连接装置与所述模拟系统相连接。

所述压裂系统中储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备，所述储水装置内部液体包括适用于配置压裂液的实验用水，所述搅拌装置为具有搅拌功能的常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组，所述液体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述止回阀为具有单项流通功能的常规室内实验设备，所述注水井连接装置为具有连接模拟注水井口及密封功能的常规室内实验设备。

优选的，本发明的注海水系统包括储水装置、过滤装置、加热装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、止回阀、分接阀门、注水井连接装置；储水装置出口通过高压管线连接于过滤装置入口，过滤装置出口通过高压管线连接于加热装置，加热装置通过高压管线连接于增压装置，储水装置、过滤装置、加热装置起到存储、过滤、加热海水作用，用以模拟实际井场环境中注入海水温度，例如表层海水温度20-35摄氏度；调节阀门位于加热装置和增压装置之间，起到调节海水供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门，液体流量计、压力传感器、温度传感器、止回阀位于增压装置与分接阀门之间，起到监测海水流量、压力、温度的作用，并防止海水回流，分接阀门与注水井连接装置相连接，注水井连接装置与所述模拟系统相连接。

所述注海水系统中储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备，所述过滤装置包括净水器、过滤器及其他具有过滤功能的常规室内实验设备，所述加热装置包括电热水器、燃气热水器及其他具有液体加热功能的常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述液体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组，所述止回阀为具有单项流通功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述注水井连接装置为具有连接模拟注水井口及密封功能的常规室内实验设备。

优选的，本发明的生产系统包括生产井连接装置、分接阀门、调节阀门、压力传感器、温度传感器、高压管线、回压阀、气液分离器、储水装置、气体中间容器；生产井连接装置与分接阀门通过高压管线连接，回压阀入口与分接阀门通过高压管线连接，调节阀门、压力传感器、温度传感器位于分接阀门与回压阀之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀起到模拟地层压力作用，所述回压阀出口与气液分离器相连接，气液分离器将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置，产出气供入气体中间容器；生产井连接装置与模拟系统相连接，模拟系统工作产生的产出物通过生产井连接装置进入生产系统。

所述生产系统中生产井连接装置为具有连接模拟生产井口及密封功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述回压阀为具有回压功能的常规室内实验设备，所述气液分离器为具有气液分离功能的常规室内实验设备，所述储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备。

优选的，本发明的模拟系统包括恒温箱、反应容器、模拟注水井口、模拟生产井口、供气入口、供液入口、测温装置、测压装置、螺栓孔、上盖板、模拟井筒、模拟砂体、X射线发生器、X射线检出器；反应容器为长方体耐高压透明板材，所述上盖板位于所述反应容器上部，由螺栓孔用螺栓密封形成的长方体密闭空间，模拟注水井口、模拟生产井口、测温装置接口、测压装置接口均位于上盖板表面，所述供气入口、供液入口位于反应容器表面，模拟砂体位于反应容器内部，模拟井筒位于模拟砂体内部，所述测温装置和所述测压装置位于模拟砂体内部，X射线发生器、X射线检出器位于反应容器两侧，所述反应容器、模拟注水井口、模拟生产井口、供气入口、供液入口、测温装置、测压装置、螺栓孔、上盖板、模拟井筒、模拟砂体、X射线发生器、X射线检出器均位于恒温箱内。

所述反应容器为长方体形状耐高压高强度玻璃，其长度、宽度范围为1-2m，高度范围为0.5-1m，厚度范围为3-10cm，最高模拟储藏压力35Mpa，所述反应容器与上盖板接触面设有密封环，用于增加模拟系统密封性，所述密封环材质为耐高压橡胶，所述测温装置为具有温度监测功能及信号传输功能的常规室内实验设备，所述测压装置为具有压力监测功能及信号传输功能的常规室内实验设备，所述模拟砂体包括石英砂、海底岩心粉末及其他常规模拟储藏砂体。

所述模拟井筒包括不锈钢管、密封原件及可抽取式填充物，通过密封原件将模拟井筒固定于上盖板表面，不锈钢管包括模拟直井段、模拟水平段及模拟射孔，用以模拟天然气水合物储藏中的水平井，所述可抽取式填充物包括橡胶棒、尼龙棒，及其他具有耐低温、具有形变功能、具有一定强度的填充物。

所述模拟井筒具体使用方法为：在反应容器中加入模拟砂体时，将模拟井筒放置与模拟砂体中，可抽取式填充物放置于不锈钢管内部，向反应容器中供入天然气和水并保持低温高压，模拟砂体内部形成天然气水合物并保持稳定后，将可抽取式填充物取出，并将密封原件调制闭合状态。

所述排式水平井网中水平注水井与水平生产井方向可以是同向的，也可以是反向的；所述排式水平井网中水平注水井与水平生产井的水平段可以是等长的，也可以是非等长的；所述排式水平井网中水平注水井与水平生产井可以是对齐分布的，也可以是错位分布的；所述水平注水井水平段深度与所述水平生产井水平段深度可以是等高的，所述水平注水井水平段也可以位于所述水平生产井水平段上方或下方。

所述供气系统中分接阀门通过高压管线与供气入口相连接，所述供液系统所中分接阀门通过高压管线与供液入口相连接，所述压裂系统中注水井连接装置与模拟注水井口相连接，所述注海水系统中注水井连接装置与模拟注水井口相连接，所述生产系统中生产井连接装置与模拟生产井口相连接。

所述X射线发生器、X射线检出器与监控系统中计算机相连接，发出并接收X射线信号，利用不同密度物质对X射线的吸收与透过率不同，通过计算机对数据进行处理后，可以得到模拟系统内部模拟砂体的三维立体图像，可对天然气水合物储藏压裂裂缝的长度、宽度、方向及其他压裂参数进行直观观察。

优选的，本发明的监控系统包括计算机和传输电缆，所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、X射线成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。

本发明实施例的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置有益效果为：

1)本发明中供气系统与供液系统相互独立，在反应容器表面有多个供气入口及供液入口，使注入反应容器内部的天然气和水分部更为均匀，且相互独立的供给管路在向模拟系统中注入天然气和水时注入精度较高，通过控制供气系统及供液系统注入量，可模拟不同天然气水合物饱和度储藏。

2)本发明注海水系统及生产系统均连接于上盖板表面的模拟井筒入口，且模拟井筒在反应容器内部呈排式水平井式分部，可更加精确的模拟实际生产中排式水平井开采天然气水合物的具体参数。

3)本发明模拟系统中反应容器主体为透明的，可以观察到注海水开采天然气水合物时不同时间段模拟砂体的变化，对注海水开采天然气水合物机理研究有一定的指导作用。

4)基于监控系统的应用，可有效采集试验中不同时间区段中温度、压力、产液量及其他实验数据，可实时录入计算机中进行数模分析，用于将物理模拟实验结果与数值模拟实验结果相结合。

5)基于模拟井筒的使用，可有效对实际生产中水平井布井方式、射孔方式进行模拟，可有效提高实验精度。

6)基于注海水系统的使用，可有效对实际井场环境中注海水开采天然气水合物进行模拟，可以模拟不同温度、注入量、注入速度情况下注海水对天然气水合物采收率的影响。

7)基于压裂系统及X射线发生器、X射线检出器的应用，可以有效对模拟天然气水合物储藏实施压裂作业，并通过X射线发生器、X射线检出器对压裂裂缝的长度、方向及开采过程中裂缝的变化实施三维同步可视化显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实验装置的结构示意图。

图2为供气系统详细结构示意图。

图3为供液系统详细结构示意图。

图4为注海水系统详细结构示意图。

图5为压裂系统详细结构示意图。

图6为生产系统详细结构示意图。

图7为模拟系统详细结构示意图。

图8为模拟系统侧视图。

图9为上盖板布置示意图。

图10为模拟井筒结构示意图。

图11为模拟水平井网同向对齐分布示意图。

图12为模拟水平井网反向对齐分布示意图。

图13为模拟水平井网同向错位分布示意图A。

图14为模拟水平井网同向错位分布示意图B。

图15为模拟水平井网反向错位分布示意图A。

图16为模拟水平井网反向错位分布示意图B。

图17为模拟水平段深度示意图。

附图标号：1、天然气瓶2、调节阀门3、增压装置4、气体流量计5、压力传感器6、温度传感器7、高压管线8、分接阀门9、储水装置10、液体流量计11、过滤装置12、加热装置13、止回阀14、注水井连接装置15、搅拌装置16、生产井连接装置17、回压阀18、气液分离器19、气体中间容器20、恒温箱21、反应容器22、模拟注水井口23、模拟生产井口24、供气入口25、供液入口26、测温装置27、测压装置28、螺栓孔29、上盖板30、模拟井筒31、模拟砂体32、X射线发生器33、X射线检出器34、可抽取式填充物35、密封原件36、模拟直井段37、模拟水平段38、模拟射孔39、不锈钢管40、模拟水平注水井41、模拟水平生产井。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置的结构示意图，包括供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统以及监控系统；其中所述供气系统与模拟系统相连接，所述供液系统与模拟系统相连接，所述压裂系统与模拟系统相连接，所述注海水系统与模拟系统相连接，所述生产系统与模拟系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统和生产系统相连接。

所述供气系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供水；所述压裂系统用于对模拟系统实施压裂作业；所述注海水系统用于为所述模拟系统注入海水，用以模拟实际生产中注水井；所述生产系统用于采出所述模拟系统中产生的天然气和水，并分析所述产出气产量、水产量，用以模拟实际生产中生产井；所述模拟系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，并模拟在天然气水合物藏中排式水平井布井方式；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

下面对上述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置进行进一步的描述：

如图2所示，本实施例中，供气系统包括天然气瓶1、调节阀门2、增压装置3、气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、分接阀门8。

天然气瓶1出口通过高压管线7连接于增压装置3入口，调节阀门2位于天然气瓶1和增压装置3之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8入口，气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门8出口与所述模拟系统相连接，用作向模拟系统供应天然气。

如图3所示，本实施例中，供液系统包括储水装置9、调节阀门2、增压装置3、液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、分接阀门8。

储水装置9出口通过高压管线7连接于增压装置3入口，调节阀门2位于储水装置9和增压装置3之间，起到调节水供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8入口，液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门8出口与所述模拟系统相连接，用作向模拟系统供应水。

如图4所示，本实施例中，注海水系统包括储水装置9、过滤装置11、加热装置12、调节阀门2、增压装置3、液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、止回阀13、分接阀门8、注水井连接装置14。

储水装置9出口通过高压管线7连接于过滤装置11入口，过滤装置11出口通过高压管线7连接于加热装置12，加热装置12通过高压管线7连接于增压装置3，储水装置9、过滤装置11、加热装置12起到存储、过滤、加热海水作用，调节阀门2位于加热装置12和增压装置3之间，起到调节海水供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8，液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、止回阀13位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测海水流量、压力、温度的作用，并防止海水回流，分接阀门8与注水井连接装置14相连接，注水井连接装置14与所述模拟系统相连接。

如图5所示，本实施例中，压裂系统包括储水装置9、搅拌装置15、调节阀门2、增压装置3、液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、止回阀13、注水井连接装置14。

储水装置9出口通过高压管线7连接于搅拌装置15入口，用于将储水装置9内部配液水供入搅拌装置15，并在搅拌装置15中混合配液水和添加剂形成压裂液，搅拌装置15出口通过高压管线7连接增压装置3入口，调节阀门2位于搅拌装置15和增压装置3之间，增压装置3出口通过高压管线7连接于注水井连接装置14，液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、止回阀13位于增压装置3与注水井连接装置14之间，起到监测压裂液流量、压力、温度的作用，并防止压裂液回流，注水井连接装置14与所述模拟系统相连接。

如图6所示，本实施例中，生产系统包括生产井连接装置16、分接阀门8、调节阀门2、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、回压阀17、气液分离器18、储水装置9、气体中间容器19。

生产井连接装置16与分接阀门8通过高压管线7连接，回压阀17入口与分接阀门8通过高压管线7连接，调节阀门2、压力传感器5、温度传感器6位于分接阀门8与回压阀17之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀17起到模拟地层压力作用，所述回压阀17出口与气液分离器18相连接，气液分离器18将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置9，产出气供入气体中间容器19，生产井连接装置16与模拟系统相连接，模拟系统工作产生的产出物通过生产井连接装置16进入生产系统。

如图7、8、9所示，本实施例中，模拟系统包括恒温箱20、反应容器21、模拟注水井口22、模拟生产井口23、供气入口24、供液入口25、测温装置26、测压装置27、螺栓孔28、上盖板29、模拟井筒30、模拟砂体31、X射线发生器32、X射线检出器33。

反应容器21为长方体耐高压透明板材，上盖板29位于反应容器21上部，由螺栓孔28用螺栓密封形成的长方体密闭空间，模拟注水井口22、模拟生产井口23、测温装置26、测压装置27均位于上盖板29表面，所述供气入口24、供液入口25位于反应容器21表面，模拟砂体31位于反应容器21内部，模拟井筒30位于模拟砂体31内部，所述测温装置26和所述测压装置27位于模拟砂体31内部，所述反应容器21、模拟注水井口22、模拟生产井口23、供气入口24、供液入口25、测温装置26、测压装置27、螺栓孔28、上盖板29、模拟井筒30、模拟砂体31、X射线发生器32、X射线检出器33均位于恒温箱20内。

如图8所示，为模拟系统侧视图，在反应容器21表面供气入口24、供液入口25呈错位对齐分部，X射线发生器32、X射线检出器33位于反应容器21两侧，如图9所示，为上盖板布置示意图，模拟注水井口22、模拟生产井口23、测温装置26、测压装置27分部于上盖板29表面，呈反向对齐分部排式水平井网，X射线发生器32、X射线检出器33位于反应容器21两侧。

如图10所示，为模拟井筒结构示意图，模拟井筒30包括不锈钢管39、密封原件35及可抽取式填充物34，通过密封原件35将模拟井筒30固定于上盖板29表面，不锈钢管39包括模拟直井段36、模拟水平段37及模拟射孔38，用以模拟天然气水合物储藏中的水平井。

所述模拟系统可以模拟的排式水平井网有以下几种排布方式：

如图11所示，为模拟水平井网同向对齐分布示意图，模拟水平注水井40与模拟水平生产井41同向分布，模拟水平注水井40水平段与模拟水平生产井41水平段呈横向对齐分布；

如图12所示，为模拟水平井网反向对齐分布示意图，模拟水平注水井40与模拟水平生产井41反向分布，模拟水平注水井40水平段与模拟水平生产井41水平段呈横向对齐分布；

如图13所示，为模拟水平井网同向错位分布示意图A，模拟水平注水井40与模拟水平生产井41同向分布，模拟水平注水井40水平段与模拟水平生产井41水平段呈横向错位分布，且模拟水平注水井40脚跟处位于模拟水平生产井41脚跟处后方；

如图14所示，为模拟水平井网同向错位分布示意图B，模拟水平注水井40与模拟水平生产井41同向分布，模拟水平注水井40水平段与模拟水平生产井41水平段呈横向错位分布，且模拟水平注水井40脚跟处位于模拟水平生产井41脚跟处前方；

如图15所示，为模拟水平井网反向错位分布示意图A，模拟水平注水井40与模拟水平生产井41反向分布，模拟水平注水井40水平段与模拟水平生产井41水平段呈横向错位分布，且模拟水平注水井40脚跟处位于模拟水平生产井41脚尖处前方；

如图16所示，为模拟水平井网反向错位分布示意图B，模拟水平注水井40与模拟水平生产井41反向分布，模拟水平注水井40水平段与模拟水平生产井41水平段呈横向错位分布，且模拟水平注水井40脚跟处位于模拟水平生产井41脚尖处后方；

所述模拟系统可以模拟的排式水平井网深度有以下几种方式，如图17所示，为水平段深度示意图：

图17A为模拟水平注水井40水平段下入深度小于模拟水平生产井41水平段下入深度；

图17B为模拟水平注水井40水平段下入深度等于模拟水平生产井41水平段下入深度；

图17C为模拟水平注水井40水平段下入深度大于模拟水平生产井41水平段下入深度。

在本实施例中，所述监控系统包括计算机(图中未视)和传输电缆(图中未视)，所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、X射线成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。

下面基于上述附图对本发明实施例装置工作流程进行如下介绍，本发明实施例工作流程分成以下步骤：

步骤一：通过模拟系统模拟实际天然气水合物储藏，在反应容器21中装填模拟砂体31铺平压实，在装填模拟砂体31过程中下入若干支模拟井筒30，用以模拟排式水平井网，将模拟注水井口22、模拟生产井口23与上盖板29连接、密封，将测温装置26和测压装置27下入模拟砂体31内部，将测温装置26和测压装置27与上盖板29连接、密封，通过螺栓孔28及螺栓将反应容器21与上盖板29进行螺栓密封形成模拟地层空间，将模拟系统放入恒温箱20；模拟砂体31用量、模拟井筒30长度及下入深度及其他常规参数根据实际储藏参数进行调整。

通过供气系统、供液系统向模拟系统中供入天然气和水生成天然气水合物，供气系统、供液系统中的增压装置3为模拟系统提供工作压力，将恒温箱20调节至模拟温度，将供气系统中调节阀门2开启，天然气瓶1中天然气进入增压装置3中增压，通过分接阀门8连接模拟系统中供气入口24，开启增压装置3将天然气供入模拟系统中，通过气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6实时监测供气参数，供入天然气到达预定量后关闭分接阀门8以形成密闭空间；将供液系统中调节阀门2开启，储水装置9中供给水进入增压装置3中增压，通过分接阀门8连接模拟系统中供液入口25，开启增压装置3将供给水供入模拟系统中，通过液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6实时监测供液参数，供给水到达预定量后关闭分接阀门8以形成密闭空间；待天然气及供给水进入模拟系统后，将模拟系统恒温放置，待生成的天然气水合物物性稳定后进行下一步操作。

步骤二：通过生产系统实施降压开采，将模拟井筒30中可抽取式填充物34抽出；将生产系统中生产井连接装置16与模拟注水井口22、模拟生产井口23分别连接，将回压阀17调制模拟储藏压力，将调节阀门2开启，实施模拟降压开采，通过气液分离器18对产出物实施气液分离，通过储水装置9对采出水进行收集，通过气体中间容器19对产出气进行收集，通过压力传感器5、温度传感器6实时记录模拟降压开采参数；通过模拟系统中测温装置26、测压装置27实时记录降压开采过程中模拟系统中开采参数。

步骤三：通过压裂系统对模拟系统实施压裂作业，将实施压裂作业的模拟注水井口22与压裂系统中注水井连接装置14相连接，将储水装置9内部配液水供入搅拌装置15，并在搅拌装置15中混合配液水和添加剂形成压裂液，开启调节阀门2，将搅拌装置15中压裂液供入增压装置3，并经由增压装置3、高压管线7、止回阀13、注水井连接装置14将压裂液注入模拟注水井口22，对模拟系统实施压裂作业，通过液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6实时监测注入参数，供入压裂液到达预定量后关闭增压装置3、调节阀门2；压裂作业时通过X射线发生器32、X射线检出器33实时监测压裂裂缝变化数据，并通过监控系统储存。

步骤四：通过注海水系统对模拟系统实施注海水驱，将模拟注水井口22与注海水系统中注水井连接装置14相连接，开启与增压装置3连接的调节阀门2，储水装置9中海水进入过滤装置11中进行过滤，过滤后的海水进入加热装置12进行加热，加热后的海水进入增压装置3中增压，通过止回阀13进入注水井连接装置14将海水注入模拟注水井口22，通过液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6实时监测注入参数。

通过与模拟生产井口23连接的生产系统实施产出物收集，将回压阀17调制模拟储藏压力，将调节阀门2开启，通过气液分离器18对产出物实施气液分离，通过储水装置9对采出水进行收集，通过气体中间容器19对产出气进行收集，通过压力传感器5、温度传感器6实时记录模拟降压开采参数；通过模拟系统中测温装置26、测压装置27实时记录开采过程中模拟系统中开采参数。

上述步骤进行过程中，所述监控系统通过测温装置26、测压装置27、压力传感器5、温度传感器6、气体流量计4、液体流量计10进行实时监测，并记录实验各个阶段具体参数，通过连接调节阀门2对实验过程进行操控。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述实验装置包括供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统以及监控系统；

其中所述供气系统与模拟系统相连接，所述供液系统与模拟系统相连接，所述压裂系统与模拟系统相连接，所述注海水系统与模拟系统相连接，所述生产系统与模拟系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统和生产系统相连接；

所述供气系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供水；所述压裂系统用于对模拟系统实施压裂作业；所述注海水系统用于为所述模拟系统注入海水，用以模拟实际生产中注水井；所述生产系统用于采出所述模拟系统中产生的天然气和水，并分析所述产出气产量、水产量，用以模拟实际生产中生产井；所述模拟系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，并模拟在天然气水合物藏中排式水平井布井方式；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

2.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述供气系统包括天然气瓶、调节阀门、增压装置、气体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；

天然气瓶出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于天然气瓶和增压装置之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，气体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述模拟系统相连接。

3.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述供液系统包括储水装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；

储水装置出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于储水装置和增压装置之间，起到调节水供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，液体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述模拟系统相连接。

4.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述压裂系统包括储水装置、搅拌装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、止回阀、注水井连接装置；

储水装置出口通过高压管线连接于搅拌装置入口，用于将储水装置内部配液水供入搅拌装置，并在搅拌装置中混合配液水和添加剂形成压裂液，搅拌装置出口通过高压管线连接增压装置入口，调节阀门位于搅拌装置和增压装置之间，增压装置出口通过高压管线连接于注水井连接装置，液体流量计、压力传感器、温度传感器、止回阀位于增压装置与注水井连接装置之间，起到监测压裂液流量、压力、温度的作用，并防止压裂液回流，注水井连接装置与所述模拟系统相连接。

5.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述注海水系统包括储水装置、过滤装置、加热装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、止回阀、分接阀门、注水井连接装置；

储水装置出口通过高压管线连接于过滤装置入口，过滤装置出口通过高压管线连接于加热装置，加热装置通过高压管线连接于增压装置，储水装置、过滤装置、加热装置起到存储、过滤、加热海水作用，调节阀门位于加热装置和增压装置之间，起到调节海水供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门，液体流量计、压力传感器、温度传感器、止回阀位于增压装置与分接阀门之间，起到监测海水流量、压力、温度的作用，并防止海水回流，分接阀门与注水井连接装置相连接，注水井连接装置与所述模拟系统相连接。

6.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述生产系统包括生产井连接装置、分接阀门、调节阀门、压力传感器、温度传感器、高压管线、回压阀、气液分离器、储水装置、气体中间容器；

生产井连接装置与分接阀门通过高压管线连接，回压阀入口与分接阀门通过高压管线连接，调节阀门、压力传感器、温度传感器位于分接阀门与回压阀之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀起到模拟地层压力作用，所述回压阀出口与气液分离器相连接，气液分离器将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置，产出气供入气体中间容器；生产井连接装置与模拟系统相连接，模拟系统工作产生的产出物通过生产井连接装置进入生产系统。

7.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述模拟系统包括恒温箱、反应容器、模拟注水井口、模拟生产井口、供气入口、供液入口、测温装置、测压装置、螺栓孔、上盖板、模拟井筒、模拟砂体、X射线发生器、X射线检出器；

反应容器为长方体耐高压透明板材，所述上盖板位于所述反应容器上部，由螺栓孔用螺栓密封形成的长方体密闭空间，模拟注水井口、模拟生产井口、测温装置接口、测压装置接口均位于上盖板表面，所述供气入口、供液入口位于反应容器表面，模拟砂体位于反应容器内部，模拟井筒位于模拟砂体内部，所述测温装置和所述测压装置位于模拟地层砂体内部，所述X射线发生器、X射线检出器位于反应容器两侧，所述反应容器、模拟注水井口、模拟生产井口、供气入口、供液入口、测温装置、测压装置、螺栓孔、上盖板、模拟井筒、模拟砂体、X射线发生器、X射线检出器均位于恒温箱内；

所述供气系统中分接阀门通过高压管线与供气入口相连接，所述供液系统所中分接阀门通过高压管线与供液入口相连接，所述压裂系统中注水井连接装置与模拟注水井口相连接，所述注海水系统中注水井连接装置与模拟注水井口相连接，所述生产系统中生产井连接装置与模拟生产井口相连接。

8.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述排式水平井网中水平注水井与水平生产井方向可以是同向的，也可以是反向的；所述排式水平井网中水平注水井与水平生产井的水平段可以是等长的，也可以是非等长的；所述排式水平井网中水平注水井与水平生产井可以是对齐分布的，也可以是错位分布的；所述水平注水井水平段深度与所述水平生产井水平段深度可以是等高的，所述水平注水井水平段也可以位于所述水平生产井水平段上方或下方。

9.如权利要求1所述的一种模拟天然气水合物排式水平井注海水开采的装置，其特征在于，所述监控系统包括计算机和传输电缆，所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、注海水系统、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、X射线成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。