CN107956456B - 模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统及方法 - 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，具体涉及一种模拟水合物仿真开采的气‑水‑砂三相配注系统及方法，包括地下模拟井筒、水配注系统、砂配注系统、水砂混合系统和气配注系统。本发明的系统提供一种适用于水合物仿真开采实验井的气水砂三相配注系统及方法，可以分别控制水砂混合液和高压气体按额定速率均匀注入仿真井，并能够对注入物质进行计量，通过精确控制气‑水‑砂三相混合比例、供给量以及在井筒中的供给位置，达到模拟不同条件下水合物分解过程储层水气砂的产出特征的目的，并为开展水合物试采体系仿真实验提供基础。
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，具体涉及一种模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统及方法。
背景技术
天然气水合物资源潜力巨大，水合物资源试采已经成为国际热点领域。目前已有美国、加拿大、俄罗斯、日本、中国等国家先后在陆域和海域开展了水合物开采试点研究，从获得的资料与进展来看，降压法是开采水合物最为经济高效的技术手段，依靠电潜泵等人工举升方法抽取储层自由水从而降低压力使水合物分解，由于压差驱动，气-水-砂三相自储层向井筒运移，经过防砂设施后气-水和少量砂进入井筒举升至地面。
截至目前只有日本和中国先后实施过三次短期的海域天然气水合物试采，试采技术体系距离产业化应用还有很长的路要走。不同海域水合物储层的沉积物粒度、含水量、矿物成分、温度压力条件及水合物饱和度都不同，相应的需要优选高效的防砂方式、人工举升设备。建立水合物仿真开采实验井来模拟不同类型水合物储层的分解特征，进而开展一系列仿真实验验证并优化试采过程的防砂、气液分离、人工举升等关键技术与方法无疑能够为尽快完善试采技术体系提供大量翔实可靠地资料，加快推进产业化进程。
发明内容
为了开展一系列仿真实验验证并优化试采过程的防砂、气液分离、人工举升等关键技术，进而加快推进天然气水合物资源试采的产业化进程，本发明提出一种模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，用以模拟不同条件下水合物分解过程储层水气砂的产出特征的目的，为开展水合物试采体系仿真实验提供基础。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，包括地下模拟井筒、水配注系统、砂配注系统、水砂混合系统和气配注系统；
所述水配注系统包括水箱，所述水箱通过进水管线连接到水砂混合系统，所述进水管线上设置有第一手动球阀、第一调节阀、管道泵和第一流量计；
所述砂配注系统通过进砂管线连接到水砂混合系统；
所述水砂混合系统包括水砂混合箱，所述水砂混合箱通过进液管线通入到地下模拟井筒中，所述进液管线上设置有第二手动球阀、第二流量计、渣浆泵、第一压力变送器和第二调节阀；
所述气配注系统包括空气压缩机，所述空气压缩机通过气注入管线通入到地下模拟井筒中，所述气注入管线上设置有高真空蝶阀、流量检测单元、第二压力变送器、气动球阀和单向止回阀。
进一步地，所述地下模拟井筒的井口密封安装有环形钢板，所述进液管线和气注入管线穿过环形钢板通入到地下模拟井筒内，所述进液管线和气注入管线与环形钢板之间密封连接。
进一步地，所述水箱顶部分别设置有进水孔和溢水孔，底部设置有排水孔，所述水箱内设置有液位开关，所述水箱的进水孔连接到水源，所述水箱排水孔与进水管线的入口相连。
进一步地，所述砂配注系统包括储砂仓、砂斗、出砂器和称重系统，所述储砂仓和砂斗均为漏斗状，所述储砂仓的出料口正对砂斗的进料口设置，所述储砂仓的出料口处设置有第一气动阀门，所述砂斗的内部从上至下依次设置有上料位和下料位，所述上料位和下料位上分别设置有检测传感器，所述砂斗的出料口与出砂器的进料口相连，所述砂斗的出料口处设置有第二气动阀门，所述称重系统设置在出砂器的下方。
进一步地，所述水砂混合箱包括箱体，所述箱体内设置有垂直连接的加砂管和流体管，所述加砂管竖直设置，其上口连接有进料漏斗，下口与水平设置流体管相贯通，流体管道的入口与进水管线的出口相连，出口与进液管线的入口相连，所述进料漏斗与出砂器的出料口相连。
进一步地，所述进料漏斗的上部设置有液位上限监测器。
进一步地，所述渣浆泵为凸轮式转子泵。
进一步地，所述第二流量计为旋进涡流式流量计。
本发明的另一个目的在于提供一种模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注方法，包括以下步骤：
S1.检查各部分硬件是否能正常工作，管线密封性是否良好，并将水-气-砂原材料准备齐全；
S2.根据实验要求设定注气速率、注水速率和水-砂混合比例；
S3.打开第一手动球阀和第一调节阀后，启动管道泵，将水注入到水砂混合箱中，通过调节第一调节阀的开合来控制水流量的大小；
S4.打开第一气动阀门将砂从储砂仓中注入到砂斗中，打开第二气动阀门将砂注入到水砂混合箱中，通过称重系统确定给砂速度；
S5.打开第二手动球阀和第二调节阀后，启动管道泵，将水砂混合物通过进液管线注入到地下模拟井筒中，通过调节第二调节阀的开合来控制水砂混合物流量的大小；
S6.打开高真空蝶阀，启动空气压缩机，通过流量检测单元和第二压力变送器判断气路状态，并通过调节气动球阀开合大小控制气流，气流经过单向止回阀后由气注入管线注入到地下模拟井筒中。
本发明的系统提供一种适用于水合物仿真开采实验井的气水砂三相配注系统及方法，可以分别控制水砂混合液和高压气体按额定速率均匀注入仿真井，并能够对注入物质进行计量，通过精确控制气-水-砂三相混合比例、供给量以及在井筒中的供给位置，达到模拟不同条件下水合物分解过程储层水气砂的产出特征的目的，并为开展水合物试采体系仿真实验提供基础。
附图说明
图1为本发明的系统的结构组成示意图；
图2为砂配注系统的结构组成示意图；
图3为水砂混合系统的结构组成示意图；
上述图中：1-地下模拟井筒；2-水配注系统；21-水箱；22-进水管线；23-第一手动球阀；24-管道泵；25-第一流量计；26-第一调节阀；3-砂配注系统；31-储砂仓；32-砂斗；33-出砂器；34-称重系统；35-上料位；36-下料位；37-第二气动阀门；38-进砂管线；39-第一气动阀门；4-水砂混合系统；41-水砂混合箱；42-加砂管；43-流体管；44-进料漏斗；45-进液管线；46-第二手动球阀；47-第二流量计；48-渣浆泵；49-第一压力变送器；410-第二调节阀；5-气配注系统；51-空气压缩机；52-注入管线；53-高真空蝶阀；54-流量检测单元；55-第二压力变送器；56-气动球阀；57-单向止回阀。
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
本发明的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，如图1所示，包括地下模拟井筒1、水配注系统2、砂配注系统3、水砂混合系统4和气配注系统5。
其中，所述地下模拟井筒1的井口密封安装有环形钢板。
所述水配注系统2包括水箱21，所述水箱21通过进水管线22连接到水砂混合系统4，所述进液管线45穿过环形钢板通入到地下模拟井筒1内，所述进液管线45与环形钢板之间密封连接。
所述进水管线22上设置有第一手动球阀23、第一调节阀26、管道泵24和第一流量计25。其中，第一手动球阀23用于控制进水管线22的开闭；第一调节阀26用于调节水流量的大小；管道泵24用于将水注入到水砂混合系统4中，第一流量计25用于计量水的注入量。
所述水箱21顶部分别设置有进水孔和溢水孔，底部设置有排水孔，所述水箱21内设置有液位开关，所述水箱21的进水孔连接到水源，所述水箱21排水孔与进水管线22的入口相连。
砂配注系统3包括储砂仓31、砂斗32、出砂器33和称重系统34，如图2所示，所述储砂仓31和砂斗32均为漏斗状，储砂仓31的出料口正对砂斗32的进料口设置，储砂仓31和砂斗32不接触设置，储砂仓31的出料口处设置有第一气动阀门39，砂斗32的内部从上至下依次设置有上料位35和下料位36，所述上料位35和下料位36上分别设置有检测传感器，用于检测砂斗32中物料的剩余情况，其中上料位35和下料位36的位置可以根据需要具体设置，砂斗32的出料口与出砂器33的进料口相连，砂斗32的出料口处设置有第二气动阀门37，所述称重系统34设置在出砂器33的下方。所述砂配注系统3通过进砂管线38连接到水砂混合系统。
在操作中，称重系统34对砂斗32、砂和出砂器33共同连续地进行称重。随着砂不断送出，测量真实的失重速率，并将其与所设定的失重速率加以比较。通过调解供砂器33的速率来自动修正偏离值，从而可以均匀准确地连续喂送物料。当砂斗32中的砂子接近下料位36时，储砂仓31的第一气动阀门34自动打开，向砂斗32中补充砂粒直至达到上料位35。
所述水砂混合系统4包括水砂混合箱41，所述水砂混合箱41通过进液管线45通入到地下模拟井筒1中，所述进液管线45上设置有第二手动球阀46、第二流量计47、渣浆泵48、第一压力变送器49和第二调节阀410。其中，第二手动球阀46用于控制进液管线45的开闭；第二流量计47用于计量水砂混合物的注入量；渣浆泵48用于将水砂混合物注入到地下模拟井筒1中，第一压力变送器49用于调节注入的水砂混合物的压力；第二调节阀410用于调节水砂混合物的注入速度。
所述水砂混合箱4包括箱体41，所述箱体41内设置有垂直连接的加砂管42和流体管43，所述加砂管42竖直设置，其上口连接有进料漏斗44，下口与水平设置的流体管43相贯通，流体管道43的入口与进水管线22的出口相连，出口与进液管线45的入口相连，所述进料漏斗44与出砂器33的出料口相连。
在水砂混合箱4中，漏进料漏斗44垂向安装，上部与砂配注系统3连接，下部与水平的走向流体管43正交连接。所述进液管线45上设置有第二流量计47和渣浆泵48，其中，渣浆泵24为凸轮式转子泵，第二流量计47为旋进涡流式流量计。整套系统通过水流携带砂粒运移，达到水砂均匀混合的目的。
所述气配注系统5包括空气压缩机51，所述空气压缩机51通过气注入管线52通入到地下模拟井筒1中，所述气注入管线52上设置有高真空蝶阀53、流量检测单元54、第二压力变送器55、气动球阀56和单向止回阀57。其中；高真空蝶阀53用于；流量检测单元54用于计量气体的注入量；第二压力变送器55用于调节注入气体的压力；气动球阀56用于；单向止回阀57用于防止气体回流。
其中，空气压缩机51采用高压活塞式空气压缩机，气注入管线52上通过设置流量检测单元54实时获取注气速率并反馈给第二调节阀410，达到按设定值配注效果。
本实施例的系统提供一种适用于水合物仿真开采实验井的气水砂三相配注设备，能够模拟不同条件下水合物分解过程储层水气砂的产出特征的目的，并为开展水合物试采体系仿真实验提供基础。
实施例2
对应实施例1的装置，实施例2提供一种模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注方法，包括以下步骤：
S1.检查各部分硬件是否能正常工作，管线密封性是否良好，并将水-气-砂原材料准备齐全；
S2.根据实验要求设定注气速率、注水速率和水-砂混合比例；
S3.打开第一手动球阀和第一调节阀后，启动管道泵，将水注入到水砂混合箱中，通过调节第一调节阀的开合来控制水流量的大小；
S4.打开第一气动阀门将砂从储砂仓中注入到砂斗中，打开第二气动阀门将砂注入到水砂混合箱中，通过称重系统确定给砂速度；
S5.打开第二手动球阀和第二调节阀后，启动管道泵，将水砂混合物通过进液管线注入到地下模拟井筒中，通过调节第二调节阀的开合来控制水砂混合物流量的大小；
S6.打开高真空蝶阀，启动空气压缩机，通过流量检测单元和第二压力变送器判断气路状态，并通过调节气动球阀开合大小控制气流，气流经过单向止回阀后由气注入管线注入到地下模拟井筒中。
本实施例的系统提供一种适用于水合物仿真开采实验井的气水砂三相配注方法，能够模拟不同条件下水合物分解过程储层水气砂的产出特征的目的，并为开展水合物试采体系仿真实验提供基础。
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 (9)
1.模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于，包括地下模拟井筒(1)、水配注系统(2)、砂配注系统(3)、水砂混合系统(4)和气配注系统(5)；
所述水配注系统(2)包括水箱(21)，所述水箱(21)通过进水管线(22)连接到水砂混合系统(4)，所述进水管线(22)上设置有第一手动球阀(23)、第一调节阀(26)、管道泵(24)和第一流量计(25)；
所述砂配注系统(3)通过进砂管线(38)连接到水砂混合系统；
所述水砂混合系统(4)包括水砂混合箱(41)，所述水砂混合箱(41)通过进液管线(45)通入到地下模拟井筒(1)中，所述进液管线(45)上设置有第二手动球阀(46)、第二流量计(47)、渣浆泵(48)、第一压力变送器(49)和第二调节阀(410)；
所述气配注系统(5)包括空气压缩机(51)，所述空气压缩机(51)通过气注入管线(52)通入到地下模拟井筒(1)中，所述气注入管线(52)上设置有高真空蝶阀(53)、流量检测单元(54)、第二压力变送器(55)、气动球阀(56)和单向止回阀(57)。
2.根据权利要求1所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述地下模拟井筒(1)的井口密封安装有环形钢板，所述进液管线(45)和气注入管线(52)穿过环形钢板通入到地下模拟井筒(1)内，所述进液管线(45)和气注入管线(52)与环形钢板之间密封连接。
3.根据权利要求1所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述水箱(21)顶部分别设置有进水孔和溢水孔，底部设置有排水孔，所述水箱(21)内设置有液位开关，所述水箱(21)的进水孔连接到水源，所述水箱(21)排水孔与进水管线(22)的入口相连。
4.根据权利要求1所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述砂配注系统(3)包括储砂仓(31)、砂斗(32)、出砂器(33)和称重系统(34)，所述储砂仓(31)和砂斗(32)均为漏斗状，所述储砂仓(31)的出料口正对砂斗(32)的进料口设置，所述储砂仓(31)的出料口处设置有第一气动阀门(39)，所述砂斗(32)的内部从上至下依次设置有上料位(35)和下料位(36)，所述上料位(35)和下料位(36)上分别设置有检测传感器，所述砂斗(32)的出料口与出砂器(33)的进料口相连，所述砂斗(32)的出料口处设置有第二气动阀门(37)，所述称重系统(34)设置在出砂器(33)的下方。
5.根据权利要求4所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述水砂混合箱(41)包括箱体，所述箱体内设置有垂直连接的加砂管(42)和流体管(43)，所述加砂管(42)竖直设置，其上口连接有进料漏斗(44)，下口与水平设置流体管(43)相贯通，流体管 (43)的入口与进水管线(22)的出口相连，出口与进液管线(45)的入口相连，所述进料漏斗(44)与出砂器(33)的出料口相连。
6.根据权利要求5所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述进料漏斗(44)的上部设置有液位上限监测器。
7.根据权利要求1所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述渣浆泵(48)为凸轮式转子泵。
8.根据权利要求1所述的模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注系统，其特征在于：所述第二流量计(47)为旋进涡流式流量计。
9.模拟水合物仿真开采的气-水-砂三相配注方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.检查各部分硬件是否能正常工作，管线密封性是否良好，并将水-气-砂原材料准备齐全；
S2.根据实验要求设定注气速率、注水速率和水-砂混合比例；
S3.打开第一手动球阀和第一调节阀后，启动管道泵，将水注入到水砂混合箱中，通过调节第一调节阀的开合来控制水流量的大小；
S4.打开第一气动阀门将砂从储砂仓中注入到砂斗中，打开第二气动阀门将砂注入到水砂混合箱中，通过称重系统确定给砂速度；
S5.打开第二手动球阀和第二调节阀后，启动渣浆泵，将水砂混合物通过进液管线注入到地下模拟井筒中，通过调节第二调节阀的开合来控制水砂混合物流量的大小；
S6.打开高真空蝶阀，启动空气压缩机，通过流量检测单元和第二压力变送器判断气路状态，并通过调节气动球阀开合大小控制气流，气流经过单向止回阀后由气注入管线注入到地下模拟井筒中。
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