CN107842343B - 应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种应用于水合物研究的气‑水‑砂三相人工举升模拟实验系统及方法，包括地下模拟井筒、泥浆罐的第一仓、泥浆罐的第二仓、泥浆罐的第三仓、水箱、砂箱、真空除气器、振动筛和除泥器。本发明的应用于水合物研究的气‑水‑砂三相人工举升模拟实验系统及方法，通过建立模拟海域天然气水合物试采井下人工举升、井筒携砂测试回路；建立具有气‑水分离、水‑砂分离以及气‑水‑砂精确计量的地面系统，能够模拟电潜泵的举升过程，并对举升至地面的三相流体进行测量、分离，以经济高效的方法获得电潜泵举升不同比例水合物藏产出物时的工况数据以及产能数据，并最终用于评价和优化水合物试采技术。
Description
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，具体涉及一种应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统。
背景技术
天然气水合物资源是一种潜在的能源，具有分布广、能源密度高等特点，多个国家已经开展水合物试采先导试点研究。2002年加拿大、日本、印度、德国和美国以共同研究的形式在麦肯齐三角洲实施了专门针对冻土区水合物的开采试验，采用热刺激法开采水合物，但产气效率很低；2008年在同一地区采用降压法再次尝试开采，产气效率显著提高；2012年在美国阿拉斯加北坡试验场通过二氧化碳置换的方法进行水合物开采，但最终结果表明，天然气的主产量是由降压过程提供的。因此，降压法被认为是最具商业化潜力的水合物开采方法。2013年和2016年日本和中国先后在海域实施了天然气水合物试采试验，也都使用了降压技术并获得了相对令人满意的结果。
电潜离心泵/螺杆泵是目前实现海域天然气水合物降压开采的主要技术手段，但与常规油气田开发不同的是，水合物藏具有特殊的温度压力环境，分解过程涉及复杂相变过程，生产中产气、产水和产砂规律都具有特殊性。然而迄今为止全球只开展过3次短期的电潜泵举升水合物的试点研究，因此还没有建立一套成熟有效的水合物开采人工举升评价方法。依托仿真实验井建立一套与实际生产相类似的生产管柱，采用电潜离心泵作为举升手段进行不同气水砂比例下的水合物开采模拟实验，并分别计量气水砂的输入输出量，进而为评价和优化人工举技术提供数据和支持。
为此，本发明将公布一种应用于天然气水合物试采研究的气水砂三相人工举升模拟实验系统以及一套相适应的实验技术方法。
发明内容
为了建立一套成熟有效的水合物开采人工举升评价方法，进而加快推进天然气水合物资源试采的产业化进程，本发明提出一种应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，能够以经济高效的方法获得电潜泵举升不同比例水合物藏产出物时的工况数据以及产能数据，并最终用于评价和优化水合物试采技术。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，包括地下模拟井筒、泥浆罐的第一仓、泥浆罐的第二仓、泥浆罐的第三仓、水箱、砂箱、真空除气器、振动筛和除泥器；
所述地下模拟井筒内的气水砂三相流体通过油管举升至设置在地面上的泥浆罐的第一仓内，所述油管从下至上依次设置有调节减压阀和第一流量计，所述泥浆罐的第一仓与真空除气器连接；真空除气器的出气口上设置有第四流量计，出液口连接到泥浆罐的第二仓；泥浆罐的第二仓经由第一砂泵后连接到振动筛；所述振动筛的大颗粒物出口经由第一称重装置后连接到砂箱，泥浆出口连接到泥浆罐的第三仓；泥浆罐的第三仓通过第二砂泵后连接除泥器；所述除泥器的出气口上设置有第三流量计，出水口通过第二流量计连接到水箱，出泥口通过烘干设备和第二称重装置后连接到砂箱。
进一步地，所述地下模拟井筒深200m，所述油管在地下模拟井筒中的长度为100m。
进一步地，所述水箱和砂箱分别与水砂混合箱相连接，所述水砂混合箱通过水砂注入管线通入到地下模拟井筒内，所述储气罐通过气注入管线通入到地下模拟井筒内。
进一步地，所述水砂注入管线和气注入管线在地下模拟井筒中的长度为80m。
进一步地，所述第一流量计为涡街流量计。
进一步地，所述泥浆罐为锥形泥浆罐。
本发明的目的还在于提供一种应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验方法，包括以下步骤：
S1.利用电潜泵将气水砂三相流体举升至底面的泥浆罐的第一仓中，然后再将气水砂三相流体输送至真空分离器分离出大部分的气体，剩余的三相流体输送至泥浆罐的第二仓；
S2.将泥浆罐的第二仓中的三相流体输送至振动筛进行大颗粒砂分离，分离出的大颗粒砂称重后输送至砂箱，剩余的三相流体输送至砂浆罐的第三仓；
S3.将砂浆罐第三仓中的三相流体输送至除泥器中进行三相分离，分离出的水计量后输送至水箱，分离出的湿泥干燥称重后输送至砂箱。
进一步地，所述步骤S1之前还包括步骤S0，将水箱中的水和砂箱中的砂输送至水砂混合箱中混合均匀后注入到地下模拟井筒中，同时通过储气罐箱地下模拟井筒中注入气体，在地下模拟井筒中形成气水砂三相流体。
本发明的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统及方法，通过建立模拟海域天然气水合物试采井下人工举升、井筒携砂测试回路；建立具有气-水分离、水-砂分离以及气-水-砂精确计量的地面系统，能够模拟电潜泵的举升过程，并对举升至地面的三相流体进行测量、分离，以经济高效的方法获得电潜泵举升不同比例水合物藏产出物时的工况数据以及产能数据，并最终用于评价和优化水合物试采技术。
附图说明
图1为本发明的系统的结构组成示意图；
上述图中：1-地下模拟井筒；2-水砂注入管线；3-油管；4-气注入管线；5-储气罐；6-调节减压阀；7-第一流量计；8-真空除气器；9-第一砂泵；10-振动筛；11-第一称重装置；12-砂箱；13-第二砂泵；14-除泥器；15-烘干设备；16-第二称重装置；17-第二流量计；18-水箱；19-水砂混合箱；20-第三流量计；21-第四流量计；22-泥浆罐的第一仓；23-泥浆罐的第二仓；24-泥浆罐的第三仓。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，如图1所示，包括地下模拟井筒1、泥浆罐的第一仓22、泥浆罐的第二仓23、泥浆罐的第三仓24、水箱18、砂箱12、真空除气器8、振动筛10和除泥器14。
其中，地下模拟井筒1深200m，所述水箱18和砂箱12分别与水砂混合箱19相连接，所述水砂混合箱19通过水砂注入管线2通入到地下模拟井筒1内，所述储气罐5通过气注入管线4通入到地下模拟井筒1内。所述水砂注入管线2和气注入管线4在地下模拟井筒1中的长度为80m。
所述地下模拟井筒1内的气水砂三相流体通过油管3举升至设置在地面上的泥浆罐的第一仓22内，所述油管3在地下模拟井筒1中的长度为100m，所述油管3从下至上依次设置有调节减压阀6和第一流量计7，即涡街流量计；所述泥浆罐的第一仓22与真空除气器8连接；真空除气器8的出气口上设置有第四流量计，出液口连接到泥浆罐的第二仓23；泥浆罐的第二仓23经由第一砂泵9后连接到振动筛10；所述振动筛10的大颗粒物出口经由第一称重装置11后连接到砂箱12，泥浆出口连接到泥浆罐的第三仓24；泥浆罐的第三仓24通过第二砂泵13后连接除泥器14；所述除泥器14的出气口上设置有第三流量计10，出水口通过第二流量计17连接到水箱18，出泥口通过烘干设备15和第二称重装置16后连接到砂箱12。
为了减少泥沙的沉积，所述泥浆罐为锥形泥浆罐。
地下模拟井筒1中的气水砂三相流体由电潜泵通过油管3举升至地面，油管3上设置有调节减压阀6和涡街流量计，调节减压阀6用于将三相流体的压力减小到2.5MPa以下，避免因压力过大而对后面的装置造成损坏；涡街流量计则用于计量三相流体的流量。首先，举升至地面的三相流体进入到与油管3相连通的泥浆罐的第一仓22内，泥浆罐的第一仓22用于存储和缓冲三相流体，然后，泥浆罐的第一仓22中的三相流体输送到真空除气器8中，真空除气器8对三相流体进行气液分离，部分气体被分离出后由真空除气器8的出气口排出，并由设置在出气口上的第四流量计21对气体进行计量，而剩下的三相流体则进入到泥浆罐的第二仓23中进行存储和缓冲，此后泥浆罐的第二仓23中的三相流体由第一砂泵9输送到振动筛10，振动筛10将流体中的大颗粒砂筛选出来经由振动筛10的大颗粒物出口输入到第一称重装置11，由第一称重装置11称重后输送到砂箱12中。去除大颗粒砂的流体则由振动筛的泥浆出口输送到泥浆罐的第三仓24中进行存储和缓冲，此后泥浆罐的第三仓24中的三相流体由第二砂泵13输送到除泥器14中，除泥器14对去除大颗粒砂的流体进行三相分离，分离出气体经由除泥器14的出气口排出，除泥器14的出气口上设置有第三流量计20用于对气体的流量进行计量，分离出的水经由第二流量计17计量后输送至水箱18，分离出的湿泥分别经过烘干设备15烘干和第二称重装置16称重后输送到砂箱12。
本发明的系统，首先由水箱18和砂箱12分别注水注砂，最终分离出的水和砂又返回到水箱18和砂箱12中，组成一个循环的系统，能够反复进行试验，经济高效，而且本系统的装置的设置是具体分析了气水砂三相流体混合物的特点进行设置的，首先通过真空除气器8分离出大部分气体，是为了计算人工举升系统的产气效率；然后由振动筛10分离出大颗粒砂，是为了对沉积物颗粒进行第一级分选，最终再由除泥器14进行最终的三相分离，能够达到分别准确计量产气、产水和产砂的量，该数据与注入前的三相物质相比较，可以评估人工举升效率、分析井下物质运移的规律，为水合物试采提供技术支撑。
本实施例的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，通过建立模拟海域天然气水合物试采井下人工举升、井筒携砂测试回路；建立具有气-水分离、水-砂分离以及气-水-砂精确计量的地面系统，能够模拟电潜泵的举升过程，并对举升至地面的三相流体进行测量、分离，以经济高效的方法获得电潜泵举升不同比例水合物藏产出物时的工况数据以及产能数据，并最终用于评价和优化水合物试采技术。
实施例2
对应实施例1的装置，实施例2提供一种应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验方法，包括以下步骤：
S0.将水箱中的水和砂箱中的砂输送至水砂混合箱中混合均匀后注入到地下模拟井筒中，同时通过储气罐箱地下模拟井筒中注入气体，在地下模拟井筒中形成气水砂三相流体；
S1.利用电潜泵将气水砂三相流体举升至底面的泥浆罐的第一仓中，然后再将气水砂三相流体输送至真空分离器分离出大部分的气体，剩余的三相流体输送至泥浆罐的第二仓；
S2.将泥浆罐的第二仓中的三相流体输送至振动筛进行大颗粒砂分离，分离出的大颗粒砂称重后输送至砂箱，剩余的三相流体输送至砂浆罐的第三仓；
S3.将砂浆罐第三仓中的三相流体输送至除泥器中进行三相分离，分离出的水计量后输送至水箱，分离出的湿泥干燥称重后输送至砂箱。
本实施例的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验方法，将整个系统设置成循环的形式，能够模拟电潜泵的举升过程，并对举升至地面的三相流体进行测量、分离，以经济高效的方法获得电潜泵举升不同比例水合物藏产出物时的工况数据以及产能数据，并最终用于评价和优化水合物试采技术。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，其特征在于，包括地下模拟井筒(1)、泥浆罐的第一仓(22)、泥浆罐的第二仓(23)、泥浆罐的第三仓(24)、水箱(18)、砂箱(12)、储气罐(5)、真空除气器(8)、振动筛(10)和除泥器(14)；
所述地下模拟井筒(1)内的气水砂三相流体通过油管(3)由电潜泵举升至设置在地面上的泥浆罐的第一仓(22)内，所述油管(3)从下至上依次设置有调节减压阀(6)和第一流量计(7)，所述泥浆罐的第一仓(22)与真空除气器(8)连接；真空除气器(8)的出气口上设置有第四流量计，出液口连接到泥浆罐的第二仓(23)；泥浆罐的第二仓(23)经由第一砂泵(9)后连接到振动筛(10)；所述振动筛(10)的大颗粒物出口经由第一称重装置(11)后连接到砂箱(12)，泥浆出口连接到泥浆罐的第三仓(24)；泥浆罐的第三仓(24)通过第二砂泵(13)后连接除泥器(14)；所述除泥器(14)的出气口上设置有第三流量计(20)，出水口通过第二流量计(17)连接到水箱(18)，出泥口通过烘干设备(15)和第二称重装置(16)后连接到砂箱(12)；
所述水箱(18)和砂箱(12)分别与水砂混合箱(19)相连接，所述水砂混合箱(19)通过水砂注入管线(2)通入到地下模拟井筒(1)内，所述储气罐(5)通过气注入管线(4)通入到地下模拟井筒(1)内。
2.根据权利要求1所述的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，其特征在于：所述地下模拟井筒(1)深200m，所述油管(3)在地下模拟井筒(1)中的长度为100m。
3.根据权利要求2所述的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，其特征在于：所述水砂注入管线(2)和气注入管线(4)在地下模拟井筒(1)中的长度为80m。
4.根据权利要求1所述的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，其特征在于：所述第一流量计(7)为涡街流量计。
5.根据权利要求1所述的应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验系统，其特征在于：所述泥浆罐为锥形泥浆罐。
6.应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验方法，其采用上述权利要求1所述的模拟实验系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用电潜泵将气水砂三相流体举升至底面的泥浆罐的第一仓中，然后再将气水砂三相流体输送至真空除气器分离出大部分的气体，剩余的三相流体输送至泥浆罐的第二仓；
S2.将泥浆罐的第二仓中的三相流体输送至振动筛进行大颗粒砂分离，分离出的大颗粒砂称重后输送至砂箱，剩余的三相流体输送至砂浆罐的第三仓；
S3.将砂浆罐第三仓中的三相流体输送至除泥器中进行三相分离，分离出的水计量后输送至水箱，分离出的湿泥干燥称重后输送至砂箱。
7.应用于水合物研究的气-水-砂三相人工举升模拟实验方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤S0，将水箱中的水和砂箱中的砂输送至水砂混合箱中混合均匀后注入到地下模拟井筒中，同时通过储气罐向地下模拟井筒中注入气体，在地下模拟井筒中形成气水砂三相流体。
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