CN108956659A - 砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置和方法，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统、数据处理系统及CT扫描系统，所述主体反应系统包括反应釜，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，内部填装模拟地层泥砂层和充填砾石层，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒。本发明运用CT扫描可得到携砂流体带入的细砂颗粒迁移、堆积规律砂桥的形成以及砾石充填层孔隙度变化情况，不仅能实现识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的定量观测，还能对整体堵塞程度进行评价，从而为砾石充填层参数和降压方案联动设计提供基础思路。

Description

砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置和方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种天然气水合物开采过程中地层砂颗粒的运移堆积和水合物生成条件下的砾石充填层堵塞规律及堵塞程度评价的模拟实验装置及实验方法。

背景技术

天然气水合物被认为是具有良好前景的重要后续能源，具有分布广，资源量大、能量密度大和无污染等优点。如果天然气水合物开采过程中地层产出砂被携砂流体携带进入挡砂介质，地层产出的细砂颗粒在砾石充填层内部孔隙中运移、堆积，使砾石充填层的渗透率降低，造成砾石充填层堵塞，严重影响开采井的产能。尤其是在砾石充填层尺寸设计不合理的情况下，泥质粉砂储层产出的固相颗粒很容易进入砾石充填层但是却无法保证其顺利排出，这种情况下会导致严重的泥质堵塞，引起砾石充填层渗透率进一步降低。专利号CN201711040805.9公开了一种用于评价水合物开采条件下防砂筛管堵塞规律的评价装置，但该装置实际上无法模拟天然气水合物生产井工况，只能以模拟常规油气井中堵塞的方式看，从定性角度对水合物生产井中可能造成的筛管堵塞进行模拟。

更进一步的，天然气水合物开采过程中充填砾石层面临的另外一个重要的砾石充填层堵塞风险是砾石充填层中水合物的二次生成堵塞。理论上讲，降压开采条件下从地层中产出的泥砂颗粒表面都含有水合物分解生成的孔隙水，而这部分孔隙水具备天然气水合物生成的记忆效应，记忆效应导致水合物更容易在其表面二次生成。因此一旦井底温压条件达到水合物二次生成条件且泥砂在砾石层中发生沉淀堆积，则一定会加剧天然气水合物的二次生成堵塞风险。这种堵塞风险与泥砂本身的沉淀堆积堵塞风险叠加，使井底砾石充填层面临的工况更加复杂。但目前尚无专门针对该协同效应的相关研究装备与无法定量识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的大小的方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能够与CT扫描技术联合使用的、用于实现识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的定量观测的模拟实验装置及方法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统和数据处理系统，所述供气系统和供液系统通过注入系统给主体反应系统供气和供液形成混合流体，温度控制系统用以控制装置内流体温度，分离收集系统用以对主体反应系统流出的流体进行气液分离并收集，数据处理系统用以采集整个装置内的压力及流量数据并分析处理；

所述主体反应系统包括反应釜，其上设有流体入口与流体出口，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，两端安装有反应釜端盖，内部流体上游填装模拟地层泥砂层，下游填装充填砾石层，模拟地层泥砂和充填砾石层段的长度比例为1:1，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒，所述反应釜端盖与模拟地层泥砂层之间安装分流块。

还包括CT扫描系统，所述CT扫描系统包括x射线源和探测器，所述x射线源和探测器固定于所述反应釜两侧，并围绕所述反应釜旋转。

进一步地，所述注入系统，包括搅拌器，通过管线与所述流体入口相连接，在管线上依次安装有恒速泵、三号流量计和一号压力表；

所述供气系统，包括气瓶，气瓶通过供气管道与所述搅拌器相连接，在供气管道上设有一号阀门、增压泵和一号流量计；

所述供液系统，所述供液系统包括水箱，通过供液管线与所述搅拌器相连接，在供液管道上安装有二号阀门、泵和二号流量计。

进一步地，所述温度控制系统，包括温度控制单元以及与其电连接的制冷机、热辐射器、散热风扇以及温度传感器；所述制冷机位于反应釜端盖内部，所述热辐射器和所述散热风扇安装在反应釜端盖外，温度传感器安装在反应釜上，其探头深入反应釜内，温度控制单元根据温度传感器将测得的数据，控制制冷机、热辐射器及散热风扇，进而控制流体入口进入的混合流体的温度以及反应釜内温度。

进一步地，所述分离收集系统，包括气液分离器、集气瓶和集液箱，气液分离器的出口分别连接集气瓶和集液箱，入口与反应釜流体出口之间的管线上依次连接二号压力计、单向阀和集砂器。

与所述的一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置对应的，本发明还提出一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟方法，包括如下步骤：

步骤A、气密性监测：检测实验系统的气密性；

步骤B、砾石层装填：用核桃壳或陶粒将砾石层填满；

步骤C、安装反应釜的保温层；

步骤D、搅拌混合：通过供气系统和供液系统按照一定的比例将甲烷气、水和细砂颗粒加入搅拌器内，搅拌使其混合均匀；

步骤E、驱替：将搅拌好的混合液通过恒速泵以一定的速度向反应釜内注入，驱替过程中，记录各参数随时间的变化情况；

步骤F、CT扫描：

步骤F1、根据五相特征灰度值，统一CT图像质量的扫描曝光时间、切片数目、电流、电压值；

步骤F2、对未生成水合物、未发生堵塞条件下的砾石层进行扫描，通过计算未生成水合物、未发生堵塞条件下砾石层的孔隙度验证步骤F1扫描参数设置正确性，如果准确，返回步骤E，否则，返回步骤F1重新设置；

步骤F3、开启温度控制系统，降低温度，模拟水合物的生成过程并进行扫描，仿真水合物生成、泥砂堆积对砾石层灰度值的影响。

步骤G、砾石层中细砂颗粒的运移堆积规律和砾石层堵塞特性分析。

进一步地，所述步骤E中，驱替过程中获得流量、温度和压力随时间的变化。

进一步地，所述步骤G中，通过对比不同时刻的砾石层的CT扫描图像建立细砂颗粒在砾石层中的运移堆积过程和近筛网部分砂拱的形成过程，分析特定位置颗粒运移堆积的规律和砂拱变化条件；通过驱替过程中的压力变化计算挡砂介质部分渗透率的变化，结合渗透率变化和颗粒堆积过程，进一步分析地层砂颗粒和水合物的协同作用对砾石充填层的堵塞特性的影响。

进一步地，砾石充填层部分的渗透率根据如下公式求得：

其中，k为砾石充填层部分的渗透率；Q为通过反应釜的流量；μ为流体的粘度；L为砾石充填层部分的长度；A为反应釜内壁的横截面积；Δp为砾石充填层两端的压力之差。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种基于CT的天然气水合物开采过程中地层砂颗粒的运移堆积和水合物生成条件下的砾石充填层堵塞规律及堵塞程度评价的模拟实验装置及实验方法，能够模拟不同生产条件下天然气水合物的生成和地层砂颗粒的运移堆积导致砾石充填层的堵塞，基于CT扫描设备和砾石充填层中渗透率的变化，建立地层砂颗粒的运移堆积过程和砾石充填层的堵塞过程，研究携砂流体性质、砾石层充填参数、地层砂颗粒性质以及天然气水合物的生成等因素对砾石充填层堵塞特性的影响规律，分析天然气水合物的生成与地层砂颗粒的堆积在砾石充填层堵塞过程中的协同效果和其它相互作用，评估天然气水合物的生成对砾石充填层堵塞程度的影响，可为天然气水合物开采过程中砾石充填层堵塞机理分析和水合物的高效持续开采提供参考依据。

本发明通过CT扫描系统的运用，能够模拟防砂井出砂过程中地层砂颗粒在砾石充填层中的运移过程和砾石充填层的堵塞过程。运用CT扫描可得到携砂流体带入的细砂颗粒迁移、堆积规律砂桥的形成以及砾石充填层孔隙度变化情况，可以直观地分析砾石充填层堵塞特性。

本发明可分析地层砂颗粒和水合物的生成对砾石充填层堵塞过程中的协同效果和其它相互作用。模拟天然气水合物开采过程中的地层砂颗粒在砾石充填层中的运移堆积以及在井下的温度和压力条件下天然气水合物的生产，通过CT 扫描图像和渗透率分析地层砂颗粒和水合物的生成是否对挡砂介质的堵塞具有协同作用或相互影响。进一步，可以研究协同作用或相互影响的出现条件及程度大小。

附图说明

图1为本发明所述砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置结构示意图；

图中：11、气瓶；12、一号阀门；13、增压泵；14、一号流量计；21、水箱；22、二号阀门；23、泵；24、二号流量计；31、搅拌器；32、恒速泵；33、三号流量计；34、一号压力表；41、反应腔；42、真空层；43、保温层；44、内接头；45、外接头；46、反应釜端盖；47、分流块；48、砾石充填层；49、筛网；410、密封堵头；411、流体入口；412、流体出口；413、压力传感器； 51、温度控制单元；52、制冷机；53、热辐射器；54、散热风扇；55、温度传感器；61、x射线源；62、探测器；71、二号压力表；72、单向阀；73、集砂器；74、气液分离器；75、集气瓶；76、集水箱。

具体实施方式

本发明提供了一种模拟天然气水合物开采过程中出砂的实验装置和方法，能够通过物理实验的方法研究疏松砂岩地层天然气水合物开采过程中出砂的影响因素，对水合物开采过程中出砂前后地层特征的变化和筛管堵塞情况进行科学评价，为解决现场天然气水合物开采过程中的出砂问题提供参考依据。

为了能够更加清楚地理解本发明的目的、特征和优点；下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细地说明。

实施例一,本实施例提出一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，如图 1所示：本实施例包括主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统、数据处理系统。

主体反应系统包括：横向设置的耐压反应釜41，反应釜41外部为保温层 43，反应釜41与所述保温层43之间形成的腔体为真空层42；反应釜41的左侧顶端设置有反应釜端盖46，端盖46上设置有与反应釜41内部腔体相连通的流体入口411，反应釜41右侧顶端设置有密封堵头410，密封堵头410上设置有流体出口412，经过密封堵头410与反应釜41内部相连接，反应釜41侧壁上设置有能够与所述反应釜41内部腔体相连通的内接头44，内接头44与外接头45 相连接，外接头45经过真空层42和所述保温层43；反应釜41左侧安装有分流块47，与反应釜端盖46相接触，分流块47右侧为砾石充填层48，充填砾石层 48为核桃壳、玻璃珠或陶粒。砾石充填层48右侧为筛网49，模拟生产中防砂筛管的筛网，筛网49与所述密封堵头410相接触。

本发明耐压反应釜采用尼龙材质，耐压15MPa，尼龙材质与不锈钢材质相比最大的优点是有利于CT射线的穿透，因此有利于CT图像的清晰扫描；为确保实验过程中注入耐压反应釜的流体沿着砾石层均匀推进，而不至于沿釜壁流动，耐压反应釜内部经过打毛处理，即内壁为毛糙面，有助于模拟实际的砾石充填层工况。耐压反应釜外壁安装的真空保温层材质为PEEK，与常规反应釜采用的液体保温层不同，本发明采用真空保温层有利于CT射线穿透，因此有利于扫描成像；分流块为烧结滤芯，材质为石英，分流块安装在反应釜端盖内侧流体流向的上游。耐压反应釜内部流体上游(紧挨着分流块)填装模拟地层泥砂，下游(紧挨耐压反应釜下游端密封堵头)填装充填砾石层，模拟地层泥砂和充填砾石层段的长度比例为1:1。

温度控制系统，包括温度控制单元51以及与其电连接的制冷机52、热辐射器53、散热风扇54以及温度传感器55；制冷机52位于反应釜端盖内部，热辐射器53和散热风扇54安装在反应釜端盖外，温度传感器55安装在反应釜上，其探头深入反应釜内，温度控制单元51根据温度传感器55测得的数据，控制制冷机52、热辐射器53及散热风扇54的运行或启停，进而控制流体入口进入的混合流体的温度以及反应釜内温度。

注入系统包括搅拌器31，通过管线与流体入口47相连接，在管线上依次安装有恒速泵32、三号流量计33和一号压力表34，通过管线接头安装在管线上；供气系统包括气瓶11，气瓶11通过供气管道与搅拌器31相连接，在供气管道上设有一号阀门12、增压泵13和一号流量计14，通过管线接头辅助连接；供液系统包括水箱21，通过供液管线与搅拌器31相连接，在供液管道上安装有二号阀门22、泵23和二号流量计24，通过管线接头连接在管线上；分离收集系统包括二号压力表71、单向阀72、集砂器73、气液分离器74、集气瓶75和集液箱76，通过管线接头依次连接；压力传感器413及温度传感器55均安装在测试系统的保温层的外壁上，并通过外接头45与反应釜内部相连通；数据处理系统起到数据采集、数据整理以及调控的作用，包括计算机和数据处理器以及相关的数据线等。

CT扫描系统，包括x射线源61和探测器62，x射线源61和探测器62分别位于反应釜两侧，x射线由x射线源产生，经过反应釜扫描部分，通过探测器接收，从而完成扫描过程；x射线源和探测器固定于所述反应釜两侧，并围绕所述反应釜旋转，并扫描反应釜内部的砾石充填层部分。

本发明中涉及的材料主要有气体(甲烷等)、水(蒸馏水或去离子水)、NaCl 溶液和充填物质(核桃壳、玻璃珠、地层砂等)。

采用上述装置可以模拟天然气水合物开采过程中地层砂颗粒堆积运移及水合物生成条件下定量识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的大小。

实施例二，本实施例提出一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟方法，包括如下步骤：

1、气密性监测：连接好管线，关闭并密封实验装置，检测实验装置的气密性；

2、砾石层装填：安装好反应釜41的端盖46，打开反应釜41的密封堵头 410，先安装分流块47，然后用核桃壳或玻璃珠或陶粒将砾石充填层48填满，将筛网49固定在保护套上安装在反应釜41内部，将密封堵头410固定在反应釜41上，密封好反应釜41；

3、将反应釜41的保温层43安装好，保证真空层42密闭且真空，将温度控制系统相关部分安装固定好；将注入系统的出口与反应釜的流体入口411相连接，将分离收集系统的入口与反应釜的流体出口412相连接；

4、搅拌混合：通过供气系统和供液系统按照一定的比例将甲烷气、水和细砂颗粒加入搅拌器31内，用搅拌器31搅拌一定的时间，使其混合均匀；

5、驱替：将搅拌好的混合液通过恒速泵32以一定的速度向反应釜41内注入，驱替一定时间后结束，流量计、压力表、温度传感器55和压力传感器413 记录驱替过程中的流量、温度和压力随时间的变化情况，可以记录的数据有：进气量、进水量、细砂重量、压力、温度、流量等。同时，将经过反应釜41的混合流体通过集砂器73和气液分离器74进行分离，然后通过收集装置储存起来；

6、CT扫描：包括如下步骤：

(1)运用CT扫描仪扫描反应釜41内部的砾石充填层48部分，建立扫描图像，根据五相(气、水、砂、水合物、砾石)特征灰度值，统一CT图像质量的扫描曝光时间、切片数目、电流、电压值；

(2)对未生成水合物、未发生堵塞条件下的砾石层进行扫描，通过计算未生成水合物、未发生堵塞条件下砾石层的孔隙度验证步骤(1)扫描参数设置正确性。如果准确，返回步骤5，如果不正确，返回步骤(1)重新设置；

(3)驱替过程中开启温控系统，降低温度模拟水合物的生成过程并进行扫描，仿真水合物生成、泥砂堆积对砾石层灰度值的影响。

通过扫描图像可以得到不同时刻的不同位置的砾石颗粒、细砂颗粒的分布情况以及孔隙度的变化；在驱替过程中未形成稳定流动之前，驱替一定时间后，停止驱替，通过CT扫描系统获得扫描图像，通过一系列扫描图像建立地层砂颗粒在砾石充填层48中的运移过程和堆积过程；在驱替过程中形成稳定流动，则可以通过CT扫描系统在流动过程中获得扫描图像，根据所得到的扫描图像，可以分析地层砂颗粒和水合物生产的协同作用对砾石充填层的堵塞特性的影响；

考虑到本发明涉及到气、水、砂、水合物、砾石五相，实际地层中砾石与模拟地层砂密度非常接近，灰度值差异极小，阈值分割困难，为了方便五相识别，本发明特别使用核桃壳、玻璃珠或陶粒作为模拟砾石层。

7、砾石层中细砂颗粒的运移堆积规律和砾石层堵塞特性分析：通过对比不同时刻的砾石层的CT扫描图像可以建立细砂颗粒在砾石层中的运移堆积过程和近筛网部分砂拱的形成过程，分析特定位置颗粒运移堆积的规律和砂拱变化条件；通过第一压力传感器和第二压力传感器在驱替过程中的变化可以计算挡砂介质部分渗透率的变化，结合渗透率变化和颗粒堆积过程，进一步可以分析地层砂颗粒和水合物的协同作用对砾石充填层的堵塞特性的影响。

在实验过程中，记录不同时刻反应釜内不同位置的压力和流经反应釜的流量，根据记录的压力和流量计算出反应釜内砾石充填层部分的渗透率。砾石充填层部分的渗透率根据如下公式求得：

式中，k为砾石充填层部分的渗透率；Q为通过反应釜的流量；μ为流体的粘度；L为砾石充填层部分的长度；A为反应釜内壁的横截面积；Δp为砾石充填层两端的压力之差，通过压力传感器测得数据可以计算得到。

本发明将CT扫描技术与宏观手段联合进行砾石层堵塞规律的观测，不仅能实现识别水合物二次生成、泥砂沉淀堆积以及两者协同效应对砾石层工况影响的定量观测，还能对整体堵塞程度进行评价，从而为砾石充填层参数和降压方案联动设计提供基础思路。

以上所述；仅是本发明的较佳实施例而已；并非是对本发明作其它形式的限制；任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域；但是凡是未脱离本发明技术方案内容；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、等同变化与改型；仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，包括：主体反应系统、温度控制系统、供气系统、供液系统、注入系统、分离收集系统和数据处理系统，所述供气系统和供液系统通过注入系统给主体反应系统供气和供液形成混合流体，温度控制系统用以控制装置内流体温度，分离收集系统用以对主体反应系统流出的流体进行气液分离并收集，数据处理系统用以采集整个装置内的压力及流量数据并分析处理，其特征在于：

所述主体反应系统包括反应釜，其上设有流体入口与流体出口，反应釜内壁为毛糙面，反应釜外壁设有真空保温层，两端安装有反应釜端盖，内部流体上游填装模拟地层泥砂层，下游填装充填砾石层，模拟地层泥砂和充填砾石层段的长度比例为1:1，充填砾石层为核桃壳、玻璃珠或陶粒，所述反应釜端盖与模拟地层泥砂层之间安装分流块。

还包括CT扫描系统，所述CT扫描系统包括x射线源和探测器，所述x射线源和探测器固定于所述反应釜两侧，并围绕所述反应釜旋转。

2.根据权利要求1所述的砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，其特征在于：

所述注入系统，包括搅拌器，通过管线与所述流体入口相连接，在管线上依次安装有恒速泵、三号流量计和一号压力表；

所述供气系统，包括气瓶，气瓶通过供气管道与所述搅拌器相连接，在供气管道上设有一号阀门、增压泵和一号流量计；

所述供液系统，所述供液系统包括水箱，通过供液管线与所述搅拌器相连接，在供液管道上安装有二号阀门、泵和二号流量计。

3.根据权利要求1所述的砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，其特征在于：

所述温度控制系统，包括温度控制单元以及与其电连接的制冷机、热辐射器、散热风扇以及温度传感器；所述制冷机位于反应釜端盖内部，所述热辐射器和所述散热风扇安装在反应釜端盖外，温度传感器安装在反应釜上，其探头深入反应釜内，温度控制单元根据温度传感器测得的数据，控制制冷机、热辐射器及散热风扇，进而控制流体入口进入的混合流体的温度以及反应釜内温度。

4.根据权利要求1所述的砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置，其特征在于：

所述分离收集系统，包括气液分离器、集气瓶和集液箱，气液分离器的出口分别连接集气瓶和集液箱，入口与反应釜流体出口之间的管线上依次连接二号压力计、单向阀和集砂器。

5.一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A、气密性监测：检测实验系统的气密性；

步骤B、砾石层装填：用核桃壳或陶粒将砾石层填满；

步骤C、安装反应釜的保温层；

步骤D、搅拌混合：通过供气系统和供液系统按照一定的比例将甲烷气、水和细砂颗粒加入搅拌器内，搅拌使其混合均匀；

步骤E、驱替：将搅拌好的混合液通过恒速泵以一定的速度向反应釜内注入，驱替过程中，记录各参数随时间的变化情况；

步骤F、CT扫描：

步骤F1、根据五相特征灰度值，统一CT图像质量的扫描曝光时间、切片数目、电流、电压值；

步骤F2、对未生成水合物、未发生堵塞条件下的砾石层进行扫描，通过计算未生成水合物、未发生堵塞条件下砾石层的孔隙度验证步骤F1扫描参数设置正确性，如果准确，返回步骤E，否则，返回步骤F1重新设置；

步骤F3、开启温度控制系统，降低温度，模拟水合物的生成过程并进行扫描，仿真水合物生成、泥砂堆积对砾石层灰度值的影响。

步骤G、砾石层中细砂颗粒的运移堆积规律和砾石层堵塞特性分析。

6.根据权利要求5所述的一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置方法，其特征在于：所述步骤E中，驱替过程中获得流量、温度和压力随时间的变化。

7.根据权利要求6所述的一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置方法，其特征在于：所述步骤G中，通过对比不同时刻的砾石层的CT扫描图像建立细砂颗粒在砾石层中的运移堆积过程和近筛网部分砂拱的形成过程，分析特定位置颗粒运移堆积的规律和砂拱变化条件；通过驱替过程中的压力变化计算挡砂介质部分渗透率的变化，结合渗透率变化和颗粒堆积过程，进一步分析地层砂颗粒和水合物的协同作用对砾石充填层的堵塞特性的影响。

8.根据权利要求7所述的一种砾石充填层堵塞评价微观探测模拟装置方法，其特征在于：砾石充填层部分的渗透率根据如下公式求得：

其中，k为砾石充填层部分的渗透率；Q为通过反应釜的流量；μ为流体的粘度；L为砾石充填层部分的长度；A为反应釜内壁的横截面积；Δp为砾石充填层两端的压力之差。