CN107780888B - 天然气水合物试采模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气水合物试采模拟装置及方法。该装置包括仿真实验井、电潜泵举升系统、地层模拟配注系统、分离计量系统和监控系统，仿真实验井包括第一油管、第二油管和电潜泵举升系统井下机组；地层模拟配注系统包括空气压缩注入装置和水‑砂混合注入装置，空气压缩注入装置与第一油管连接，水‑砂混合注入装置与第二油管连接；分离计量系统包括除砂器、水气分离器和流量计，电潜泵举升系统的流体出口与除砂器相连，除砂器与水气分离器连接，水气分离器的气相出口与空气压缩注入装置连接，水气分离器的液相出口与水‑砂混合注入装置连接。该装置可以进行井筒三相流动的人工举升方式和操作参数优化研究，为水合物试采提供相关参数和技术支撑。

Description

天然气水合物试采模拟装置及方法

技术领域

本发明属于非常规天然气开采工程领域，具体涉及一种天然气水合物试采模拟装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种由水和天然气在高压、低温条件下形成的非化学计量性笼状晶体物质，主要分布于陆地永久冻土区和海洋大陆边缘的沉积物中，具有资源量大、能量密度高、埋藏浅、分布广等特点，它被普遍认为将是21世纪最有潜力的接替能源。20世纪80年代以来，美国、加拿大、日本、韩国等发达国家在天然气水合物的研究方面给予了高度重视；出于能源战略角度考虑，我国也将高效开采天然气水合物列入中长期发展规划，并2017年5月在中国南海神狐地区进行了海域天然气水合物的首次试采，取得了持续时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果，创造了产气时长和总量的世界纪录。

天然气水合物开采过程中会发生大量分解，将对含水合物沉积层的力学性质产生不利影响，进而诱发井壁失稳、出砂、地层坍塌、海底滑坡甚至海啸等工程地质灾害。国际天然气水合物的历次试采经历表明，地层出砂与人工举升方式的联动关系是影响水合物藏能否高效开采的关键科学问题。因此，在进行水合物商业化开采之前，通过实验模拟的技术手段，研究人工举升下的井筒出砂性质，认识气、水、砂三相流动规律，对于地层出砂防治、人工举升方式及试采规律研究等具有现实意义。但现有的模拟实验装置多局限于室内，模型尺度小，实验条件也与储层有较大差异，不能真实地反映实际沉积物中的水合物试采规律。如何在室外仿真实验条件下，对天然气水合物试采中水、气、砂三相流动的人工举升过程及操作参数进行优化研究，建立安全、高效的工程技术体系，是实际生产中需要解决的问题。

针对上述情况，有必要设计一种基于仿真实验井的天然气水合物试采模拟装置，进行井筒气、水、砂三相流动的人工举升及操作参数优化研究，为水合物试采提供相关参数和技术支撑。

发明内容

为克服现有的模拟装置实验条件与储层差异较大，不能真实反映实际沉积物中的水合物试采规律的缺陷，本发明提供一种基于仿真实验井的天然气水合物试采模拟装置及方法，可根据研究需要对天然气水合物试采井筒三相流动的人工举升方式和操作参数进行控制，为仿真实验设置初始条件。

为了实现以上目的，本发明提出了如下的技术方案：

一种天然气水合物试采模拟装置，包括仿真实验井、电潜泵举升系统、地层模拟配注系统、分离计量系统和监控系统，

所述仿真实验井包括井筒，设置在井筒内的第一油管、第二油管和电潜泵举升系统井下机组；

所述地层模拟配注系统包括空气压缩注入装置和水-砂混合注入装置，空气压缩注入装置与第一油管连接，水-砂混合注入装置与第二油管连接；注入装置与第一油管连接，水-砂混合注入装置与第二油管连接；

所述分离计量系统包括除砂器、水气分离器和流量计，电潜泵举升系统的流体出口与除砂器相连，除砂器与水气分离器连接，水气分离器的气相出口与空气压缩注入装置连接，水气分离器的液相出口与水-砂混合注入装置连接；水气分离器的气相出口和液相出口处均设置流量计；

所述监控系统与电潜泵举升系统和地层模拟配注系统分别连接。

进一步地，所述空气压缩注入装置包括空气压缩机和储气罐，储气罐与第一油管连接。

进一步地，所述水-砂混合注入装置包括储水罐、储砂箱和混合箱，储水罐和储砂箱分别与混合箱连接，混合箱与第一油管连接，混合箱与第一油管之间设置注入泵。

进一步地，所述水气分离器的气相出口设置孔板流量计，液相出口设置电磁流量计。

进一步地，所述仿真实验井的井身为一开保守结构。

进一步地，所述仿真实验井的井口处设置环形钢板。

进一步地，所述第一油管和第二油管的入口倾斜设置。

进一步地，所述仿真实验井包括设置在井筒内的表层套管和生产套管，第一油管和第二油管设置于表层套管和生产套管环空。

本发明还提供一种天然气水合物试采模拟方法，包括以下步骤：

(1)检查天然气水合物试采模拟装置的管路连接，开启监控系统，设置试采模拟装置的初始参数；

(2)启动地层模拟配注系统，储气罐中的压缩空气通过第一油管注入人工井底，储水罐中的水、储砂箱内的砂按比例进入混合罐中混合，经注入泵增压后通过第二油管注入人工井底；

(3)电潜泵举升系统将人工井底的水、气、砂三相混合物举升至井口，通过管线流入除砂器进行除砂，经过除砂后的流体流入水气分离器进行水、气两相分离，，并采集气相流量数据和水相流量数据，气体返回储气罐，水返回储水罐，砂进入烘干器，烘干后称重。

进一步地，改变试采模拟装置的操作参数，重复步骤(2)和(3)，通过监测系统监测并分析不同参数影响下的历史工作曲线变化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：可以进行井筒三相流动的人工举升方式和操作参数优化研究，为水合物试采提供相关参数和技术支撑。具体包括：

①可以实时控制气、水、砂三相流体的流量；

②可以模拟电潜泵举升和气体分离过程，最佳气体分离效率达到95％以上；

③可以监测并自动调节电潜泵的工况，根据运行状态进行频率调整，优化电潜泵的排量、扬程以及气体分离的效率，避免出现气锁等情况；

④可以对人工举升至地面的水、气、砂三相流体进行地面分离和计量；

⑤可以检测井下的流压、泵出口压力、井底流温、电机绕组温度、机械振动、漏失电流、工作电压等运行参数；通过控制这些参数，设置电潜泵的运行限制和警报来延长电潜泵的运行寿命。

附图说明

图1为实施例天然气水合物试采模拟装置的结构示意图。

1、空气压缩机；2、储气罐；3、除砂器；4、水气分离器；5、孔板流量计；6、电磁流量计；7、烘干器；8、储水罐；9、储砂箱；10、水-砂混合箱；11、注入泵；12、表层套管；13、第一小油管；14、生产套管；15、第二小油管；16、电潜泵举升系统；17、环形钢板；18、人工井底；19、监测系统；20、21、22、23、调节阀。

实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种天然气水合物试采模拟装置，该装置包括仿真实验井、电潜泵举升系统和地面测试系统。

仿真实验井是由完井工艺管柱和井口装置两部分组成。

①井身结构设计，采取一开保守井身结构，保证上部松软地层井眼施工安全，采用特定尺寸的钻头钻至固定井深，下入表层套管，采用插入法固井，环空水泥返排至地面；下入内层生产套管，悬挂井口，井下扶正；在套管和套管环空下入2个小油管，分别用于将砂液混相和气相输入至井底。生产套管下至固定深度，预留表层套管和生产套管的底部间隙，用于模拟井下三相流体由井底至井口流动。

②井口装置设计，套管和套管环空井口安装环形钢板，用于悬挂套管和密封套管环空，下入的2个小油管穿越环形钢板并密封，在套管顶部安装套管头，用于坐落油管挂和密封油套环空，最后安装油管四通，与计量管汇连接。

仿真实验井可用于模拟井下三相流动工艺。具体如下：地面混合液(砂，水)和气体分别通过预装的2个小油管经过表层套管与生产套管环空输送到井底，在测试期间，地面注入泵和空气压缩机持续将混合液体和气体不间断泵入井底，保持整个测试系统稳定循环。预装的2个小油管兼具冲砂功能，在测试结束，加大注入泵的排量，可以对井底的残留砂粒进行反循环冲洗，带出地面。

仿真实验井也用于模拟井底冲砂过程，要求配注子系统的井下入口与人工井底之间留足沉砂口袋，注入子系统井下入口尽量避免竖直朝下开口。

电潜泵举升系统由电潜泵系统井下机组、地面电气子系统、传感子系统和动力电缆四部分组成。

①电潜泵系统井下机组由取压短接、泵出口、400系列电潜泵、400系列气体分离器、保护器、电机、电机引接电缆以及安装耗材构成。当井下机组安装在井筒时，通电将实现分离气体、举升液体、降低压力等功能。

②地面电气子系统由变频器和变压器组成，选择时主要考虑与井下机组以及传感器的配套，对井下机组以及传感器供电，通过改变频率控制井下电潜泵的运转速度，实现改变产量和扬程的目标；还需考虑变频系统能够设置报警值，包含多种控制模式，处理气锁、卡泵等情况。

③传感器子系统的选择主要考虑能够检测、读取井下的参数，起监控电潜泵运行状态的作用。

④动力电缆主要用于向井下机组以及传感器进行供电。

地面测试系统包括(但不限于)地层模拟配注系统、分离计量系统和监控系统三部分。

①地层模拟配注系统通过压缩机、注入泵和调节阀对三相流体进行流量控制和计量，达到调节气液比、砂的配比的目的。其中，砂由储砂箱加入水-砂混合箱，水砂混合物通过注入泵增压进入井底；空气通过压缩机进行压缩后进入井底；水、气、砂加入比例能定量调控。

②分离计量系统是在流体举升至井口后，对水、气、砂三相流体进行分离、计量，返回储罐。具体地：三相流体(水、气、砂)流入除砂器，进行除砂处理；经过除砂后的流体流入下一级的水气分离器进行水、气两相分离，水气分离器的水相出口设置电磁流量计，气相出口设置孔板流量计，分别对水相和气相进行计量。分离出的砂子进入收集罐，采用称重的方式进行计量，分离出的水和气分别返回地层模拟配注系统。

③监控系统用于检测电潜泵的工况，记录测试数据；控制管路，模拟不同的测试环境，实现阀门的自动开关；测试回路压力温度的监控；监测电潜泵的工作状况并调整；实时以及历史工作曲线的监测及查询。通过监控子系统可直接或间接得到井底压力、泵吸入口压力、泵吸入口温度、泵入/泵出的三相流体的流量、泵出口压力、电机温度、机组XY方向震动、泵扬程、泵排量、气体分离效率、泵的效率等各类参数。

实施例

本实施例提供一种天然气水合物试采模拟装置，其结构如图1所示，包括仿真实验井、电潜泵举升系统16、地层模拟配注系统、分离计量系统和监控系统19。

本实施例仿真实验井为一口井深200m的直井，采取一开保守井身结构，选用Ф457.2mm(18″)钻头钻至井深200m，下入Ф406.4mm(16″)表层套管12和Ф244.5mm(9-5/8″)内层生产套管14，在表层套管12和内层生产套管14环空设置1-1/2″第一小油管13和2″第二小油管15。生产套管14下至190m，预留表层套管12和生产套管14的底部空隙作为人工井底18。

内层生产套管14和套管环空井口安装环形钢17，用于悬挂内层生产套管14和密封套管环空，下入第一小油管13和第二小油管15穿越环形钢板17并密封，在套管顶部安装套管头，用于坐落油管挂和密封油套环空，最后安装油管四通，与计量管汇连接。

电潜泵举升系统16由电潜泵系统井下机组、地面电气子系统、传感子系统和动力电缆四部分组成。电潜泵系统井下机组安装在实验井生产套管14内。电气子系统由变频器和变压器组成，对井下机组和传感器供电，且能够改变频率控制井下电潜泵的运转速度。传感器子系统用于监控电潜泵运行状态的作用。动力电缆主要用于向井下机组以及传感器进行供电。

地层模拟配注系统包括空气压缩注入装置、水-砂混合注入装置。空气压缩注入装置包括空气压缩机1和储气罐2，储气罐1与第一油管15连接，储气罐2与第一油管15之间设置调节阀22。水-砂混合注入装置包括储水罐8、储砂箱9和水-砂混合箱10，储水罐8和储砂箱9分别与水-砂混合箱10连接，水-砂混合箱10与第一油管13连接，混合箱10与第一油管13之间设置注入泵11，注入泵11与第一油管13之间设置调节阀21。

分离计量系统包括除砂器3、水气分离器4和流量计，电潜泵举升系统16的流体出口与除砂器3相连，除砂器3与水气分离器4连接，水气分离器4的气相出口与储气罐2连接，水气分离器4的液相出口与储水罐8连接；水气分离器4的气相出口设置孔板流量计5，液相出口设置电磁流量计6。

监控系统19与电潜泵举升系统16和地层模拟配注系统分别连接。

天然气水合物试采模拟方法，首先，检查天然气水合物试采模拟装置的所有管线、电路连接、调节阀是否正常，开启监控系统19，为室外仿真实验设置初始参数，如水、气、砂三相流体的流量、气液比、砂的配比、注入速度等。启动地层模拟配注系统，储气罐2中的压缩空气通过第一油管15注入人工井底18，储水罐8中的水、储砂箱9内的砂按比例进入混合罐10中混合，经注入泵11增压后通过第二油管13注入人工井底18；电潜泵举升系统16将人工井底的水、气、砂三相混合物举升至井口，通过管线流入除砂器3进行除砂，经过除砂后的流体流入水气分离器4进行水、气两相分离，并采集气相流量数据和水相流量数据，气体返回储气罐2，水返回储水罐8，砂进入烘干器7，烘干后称重，测定出砂量，评价电潜泵的举升效率、气液分离效率和携砂能力。通过改变试采模拟装置的操作参数，重复上述步骤，通过监测系统19监测并分析不同参数影响下的历史工作曲线变化规律。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种天然气水合物试采模拟装置，其特征在于，包括仿真实验井、电潜泵举升系统、地层模拟配注系统、分离计量系统和监控系统；

所述仿真实验井包括井筒，设置在井筒内的第一油管、第二油管和电潜泵举升系统井下机组；

所述地层模拟配注系统包括空气压缩注入装置和水-砂混合注入装置，空气压缩注入装置与第一油管连接，水-砂混合注入装置与第二油管连接；

所述分离计量系统包括除砂器、水气分离器和流量计，电潜泵举升系统的流体出口与除砂器相连，除砂器与水气分离器连接，水气分离器的气相出口与空气压缩注入装置连接，水气分离器的液相出口与水-砂混合注入装置连接；水气分离器的气相出口和液相出口处均设置流量计；

所述监控系统与电潜泵举升系统和地层模拟配注系统分别连接；

所述空气压缩注入装置包括空气压缩机和储气罐，储气罐与第二油管连接；

所述水-砂混合注入装置包括储水罐、储砂箱和混合箱，储水罐和储砂箱分别与混合箱连接，混合箱与第一油管连接，混合箱与第一油管之间设置注入泵；

所述仿真实验井的井口处设置环形钢板；

所述仿真实验井包括设置在井筒内的表层套管和生产套管，第一油管和第二油管设置于表层套管和生产套管环空。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述水气分离器的气相出口设置孔板流量计，液相出口设置电磁流量计。

3.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述仿真实验井的井身为一开保守结构。

4.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述第一油管和第二油管的入口倾斜设置。

5.一种采用权利要求1所述的天然气水合物试采模拟装置的天然气水合物试采模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检查天然气水合物试采模拟装置的管路连接，开启监控系统，设置试采模拟装置的初始参数；

(2)启动地层模拟配注系统，储气罐中的压缩空气通过第二油管注入人工井底，储水罐中的水、储砂箱内的砂按比例进入混合罐中混合，经注入泵增压后通过第一油管注入人工井底；

(3)电潜泵举升系统将人工井底的水、气、砂三相混合物举升至井口，通过管线流入除砂器进行除砂，经过除砂后的流体流入水气分离器进行水、气两相分离，并采集气相流量数据和水相流量数据，气体返回储气罐，水返回储水罐，砂进入烘干器，烘干后称重。

6.根据权利要求5所述的模拟方法，其特征在于，改变试采模拟装置的操作参数，重复步骤(2)和(3)，通过监控系统监测并分析不同参数影响下的历史工作曲线变化规律。