CN111443182A - 一种超重力水合物研究实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超重力水合物研究实验系统及方法，可以模拟海底水合物储层及其上下地质环境，通过开采井降压、注热等方法来改变天然气水合物储层的温‑压环境，即水合物相平衡条件，将固体水合物在储层原位分解成天然气和水后，再通过开采井将天然气采出，从而研究有关因素对水合物分解的影响规律。
Description
技术领域
本发明涉及水合物开发领域，具体涉及一种超重力水合物研究实验系统及方法。
背景技术
深海天然气水合物藏存在于一定的海床高压、低温环境中，是由天然气、水、天然气水合物、冰和砂等组成的多相、多组分复杂沉积物。特殊的深海高压低温环境使得深海天然气水合物开采极为困难。开采天然气水合物主要包括水合物分解相变、多相渗流、传热传质和地层变形四个方面的基本物理过程。
开采井周边一定范围内的固态水合物相变分解产生天然气和水，随后分解区域内气相、液相和固相(水合物、沉积物)在多孔介质中渗流，同时温差和势能差引起能量和质量转移，伴随着地层有效应力和强度改变引起海床变形。
天然气水合物降压法开采过程中，井内压力过低将导致大量水合物分解，进而可能造成井径严重扩大、井喷、井塌、套管变形及地层塌陷等事故。
由于天然气水合物储层环境复杂，如何真实模拟实际天然气水合物藏所处地质环境、储层条件和开采过程，是天然气水合物开采模型实验必须解决的关键和难点。当前行业内一般实验设备和实验方法不能满足此部分功能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超重力水合物研究实验系统及方法，以克服现有技术中存在的问题，本发明可以模拟海底水合物地质环境、储层条件，通过开采井降压、注热等方法改变天然气水合物稳定存在的温度、压力环境，即水合物相平衡条件，将固体水合物在储层原位分解成天然气和水后再通过开采井将天然气采出。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超重力水合物研究实验系统，包括用于储存CH4气体或CO2气体的第一气瓶以及用于储存N2气体的第二气瓶，第一气瓶和第二气瓶分别通过第一阀和第二阀连接至气体增压泵，气体增压泵的出口通过第一压力计连接至三个支路；
其中，第一支路上连接有第一安全阀；第二支路上依次连接有第三阀、第一缓冲罐、第五阀、第一调压阀、第三压力计、第一单向阀和第一流量计，其中所述第一缓冲罐的顶部设计有第二压力计，底部设计有第四阀，第一流量计的出口端连接至反应釜，所述反应釜内部自上向下分为气体层、液体层、盖层、水合物储层和底层；第三支路上依次连接有第六阀、第二缓冲罐、第八阀、第二调压阀、第五压力计、第二流量计和第二单向阀，所述第二缓冲罐的顶部和底部分别设计有第四压力计和第七阀，第二单向阀的出口分多个支路连接到反应釜的内部水合物储层；
该系统还包括第一储液池和具有加热控温功能的第二储液池，第一储液池的出口通过管线依次连接有第一过滤器、第一计量泵、第三单向阀、预热器和第九阀，第九阀的出口端连接至第二单向阀的出口；第二储液池的出口通过管线依次连接有第二过滤器、第二计量泵、第四单向阀和第十阀，第十阀的出口设置有第六压力计，且第十阀的出口连接至穿插在反应釜中的井筒的入口；
所述反应釜的侧面连接有用于对系统进行抽真空的抽真空装置；井筒的入口处还连接有用于对系统进行气液分离的气液分离装置。
进一步地，所述抽真空装置包括通过管线依次连接的真空泵、第四缓冲罐、第八压力计、第十四阀和过滤器，所述过滤器连接至反应釜的侧面，所述第四缓冲罐的底部设计有第十五阀。
进一步地，所述气液分离装置包括气液分离器，气液分离器的入口端依次通过回压阀和第十二阀连接至井筒的入口处；回压阀和第十二阀之间连接有支路，支路上设置有第十三阀；回压阀的侧面通过管线与第三缓冲罐、回压泵依次连接，所述第三缓冲罐顶部设计有第七压力计；气液分离器的气体出口端依次连接有湿式流量计和储气罐，气液分离器的液体出口端依次连接有第十一阀和储液罐。
进一步地，所述反应釜顶部设计有温度计和第二安全阀，底部设计有用于放空清洗的第十六阀。
进一步地，所述反应釜的侧壁设置有观测窗，还设置循环水夹套及用于对高压反应釜的纵向不同高度进行温度控制来模拟海床实际地温梯度的控温装置。
进一步地，所述反应釜的四周侧壁设置有若干用于采集压力及温度数据的数据采集接口。
进一步地，井筒在对应水合物储层位置的四周设置有钻孔。
进一步地，所述反应釜耐压大于20MPa，材质选用316L不锈钢材料，且管线均用保温材料缠绕包裹。
一种超重力水合物研究实验方法，包括以下步骤：
步骤1：根据实验方案需要，称取砂子平铺置于反应釜内部，用于模拟地层，准备开展实验测试；
步骤2：固定好井筒，密封反应釜，检查系统气密性，抽真空从而排出空气对实验的干扰，为实验做好准备；
步骤3：通过第一计量泵将第一储液池内部清水注入反应釜用于合成水合物；关闭第三阀，打开第六阀，将CH4或CO2注入反应釜，根据实验方案，将反应釜设置到适当的温度，用于形成可燃冰；
步骤4：将N2注入反应釜，用于保持覆压，便于模拟超重力场；
步骤5：研究注热水法开采时：利用第二计量泵将第二储液池内部热水通过井筒注入水合物储层，观测可燃冰储层分解情况，同时分别利用气液分离器装置分离水合物分解后的气体和液体；
步骤6：研究控温法开采时：调节反应釜内部温度分布，同理，观测内部可燃冰储层分解情况，同时利用气液分离器分离水合物分解后的气体和液体；
步骤7：改变N2覆压，或改变反应釜内部温度、压力，或改变注入热水的量、温度、排量条件，再次测试观测；对比分析覆压、温度、压力以及注入热水的量、温度、排量条件对天然气水合物的合成及分解现象的影响规律，及水合物平面分解分布规律，从而判断其开采效果，从而指导生产。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明可以利用深海工程高压实验平台的原理，本系统可以模拟海底水合物储层及上下环境，通过开采井降压、注热等方法改变天然气水合物稳定存在的温度、压力环境，即水合物相平衡条件，将固体水合物在储层原位分解成天然气和水后，再通过开采井将天然气采出。
除此以外，本系统还能够利用超重力场模拟原型常重力场的缩尺效应，通过超重力场在模型海床和水合物层中再现原型海床和水合物储层自重所产生的应力场；通过反应釜模拟对海床及储层施加竖向压强，模拟上覆海水自重对原型海床产生的应力场。两者的叠加作用能真实再现原型深海海床地基和水合物储层的应力场，反应釜还能模拟深海温度环境，从而使得多孔介质海床中水合物分解、渗流和海床变形的相似性得到满足，在此基础上才能建立反应真实状态下天然气水合物分解相变、多相渗流、传热传质和地层变形四个方面基本物理过程的相变-传热-传质-变形多场耦合分析模型。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
其中，1、第一气瓶；2、第二气瓶；3、第一阀；4、第二阀；5、气体增压泵；6、空气压缩机；7、第一压力计；8、第一安全阀；9、第三阀；10、第一缓冲罐；11、第四阀；12、第二压力计；13、第五阀；14、第一调压阀；15、第三压力计；16、第一单向阀；17、第一流量计；18、反应釜；19、第六阀；20、第二缓冲罐；21、第四压力计；22、第七阀；23、第八阀；24、第二调压阀；5、第五压力计；26、第二流量计；27、第二单向阀；28、第一储液池；29、第一过滤器；30、第一计量泵；31、第三单向阀；32、预热器；33、第九阀；34、第二储液池；35、第二过滤器；36、第二计量泵；37、第四单向阀；38、第十阀；39、第六压力计；40、储气罐；41、湿式流量计；42、气液分离器；43、第十一阀；44、储液罐；45、回压阀；46、第三缓冲罐；47、回压泵；48、第七压力计；49、第十二阀；50、第十三阀；51、温度计；52、真空泵；53、第四缓冲罐；54、第八压力计；55、第十四阀；56、过滤器；57、第十五阀；58、第二安全阀；59、井筒；60、第十六阀；A为气体层；B为液体层；C为盖层；D为水合物储层；E为底层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
参见图1，一种超重力水合物研究实验系统，包括：第一气瓶1、第二气瓶2、第一阀3、第二阀4、气体增压泵5、空气压缩机6、第一压力计7、第一安全阀8、第三阀9、第一缓冲罐10、第四阀11、第二压力计12、第五阀13、第一调压阀14、第三压力计15、第一单向阀16、第一流量计17、反应釜18、第六阀19、第二缓冲罐20、第四压力计21、第七阀22、第八阀23、第二调压阀24、第五压力计25、第二流量计26、第二单向阀27、第一储液池28、第一过滤器29、第一计量泵30、第三单向阀31、预热器32、第九阀33、第二储液池34、第二过滤器35、第二计量泵36、第四单向阀37、第十阀38、第六压力计39、储气罐40、湿式流量计41、气液分离器42、第十一阀43、储液罐44、回压阀45、第三缓冲罐46、回压泵47、第七压力计48、第十二阀49、第十三阀50、温度计51、真空泵52、第四缓冲罐53、第八压力计54、第十四阀55、过滤器56、第十五阀57、第二安全阀58、井筒59、第十六阀60、气体层A、液体层B、盖层C、水合物储层D及地层E等。
所述实验系统中第一气瓶1、第一阀3依次连接到气体增压泵5的入口，第二气瓶2、第二阀4也依次连接到气体增压泵5的入口。空气压缩机6连接到气体增压泵5的侧面，为它工作提供动力。所述第一气瓶1储存CH4气体，第二气瓶2储存N2气体。
气体增压泵5的出口连接有第一压力计7，然后分为三个支路：
第一个支路：通过管线，连接有第一安全阀8。
第二个支路：通过管线，依次连接有第三阀9、第一缓冲罐10、第五阀13、第一调压阀14、第三压力计15、第一单向阀16、第一流量计17，进而连接到反应釜18。所述第一缓冲罐10的底部设计有第四阀11、顶部设计有第二压力计12。所述第一流量计17可以计量流经的N2质量。
第三个支路：通过管线，依次第六阀19、第二缓冲罐20、第八阀23、第二调压阀24、第五压力计25、第二流量计26、第二单向阀27入口。所述第二缓冲罐20的顶部和底部分别设计有第四压力计21、第七阀22。所述第二单向阀27出口分多个支路连接到反应釜18的内部水合物储层D。所述第二流量计26可以计量流经的CH4质量。
此外，第一储液池28、第一过滤器29、第一计量泵30、第三单向阀31、预热器32、第九阀33，通过管线依次连接到第二单向阀27入口。所述第一储液池28储存干净的清水，第一计量泵30、第二计量泵36可以分别计量流经清水的质量，所述预热器32可以对流经清水加热控温。
第二储液池34、第二过滤器35、第二计量泵36、第四单向阀37、第十阀38、第六压力计39，通过管线依次连接到井筒59的入口。所述第二储液池34具有加热控温功能，可以对内部液体加热，便于开展注热水开发模拟实验。
所述第一计量泵30和第二计量泵36根据实验需要，调节输出清水、热水等液体的排量大小，可以以一定排量稳定输出，同时计量排量值。
所述反应釜18顶部设计有温度计51、第二安全阀58，底部设计有第十六阀60用于放空清洗。
所述反应釜18侧壁设置有观测窗，还设置循环水夹套及控温功能，采用多层控制复杂设计，通过温度参数控制模块，对高压反应釜内的不同深度进行温度控制，模拟海床实际的地温梯度。可以模拟真实海底天然气水合物藏地温梯度及力学和渗流特征，温度控制从高到低均匀分为多层(实验条件推荐至少3层以上，越多越好)，每层控制的地基厚度可以相同，每层独立控温，温度范围为-10℃-30℃，温度可调可控。
反应釜耐压(模拟开采储层压力)大于20MPa，材质选用316L不锈钢材料，侧壁数据采集接口4个×4列(可以根据实验需要增加接口数量，改变分布方式)，有助于气体和液体的均匀注入，用于压力、温度等数据采集，顶部中间预留开采井接口1个，底部和中间预留出口。反应釜顶部预留设置测压点、测温点、安全阀、N2覆压注入口、液体注入口，反应釜侧面中段设计注入口、抽真空出口可用于注温水-降压联合开采，底部有排空出口。
所述反应釜18内部设计有井筒59，用于模拟原位天然气水合物开采竖井，在反应釜釜盖上开孔进行设置。开采井直径按原位井管直径进行缩尺确定，开采井在对应水合物储层D位置的四周钻孔，用于模拟原位井管，作为气液渗出通道，钻孔的孔径、数量、密度可以根据实验需要灵活设计。
另有真空泵52、第四缓冲罐53、第八压力计54、第十四阀55、过滤器56、通过管线依次连接到所述反应釜18侧面，可以对系统抽真空，排除空气干扰。所述第四缓冲罐53底部，设计有第十五阀57。
另有支路通过管线依次连接储气罐40、湿式流量计41、气液分离器42、第十一阀43、储液罐44。所述气液分离器42侧面通过管线依次连接回压阀45、第三缓冲罐46、回压泵47，第三缓冲罐46上面设计有第七压力计48，回压阀45出口依次连接第十二阀49、井筒59顶部。所述回压阀45出口与第十二阀49之间设计有第十三阀50，用于排空。所述气液分离器42可以对系统进行气液分离，并且利用湿式流量计41和储液罐44可以分别计量分离出的气体和液体质量。
所述反应釜18，内部自上向下分为气体层A、液体层B、盖层C、水合物储层D、底层E。所述反应釜18顶部为气体层A，可能是CH4或者N2气体，再往下依次为液体层B，盖层C，水合物储层D，底层E。釜内上部液体层B结合顶部气体层A产生压力，模拟原位深海水压力。下部为海床液体，自上向下包含盖层C，水合物储层D，底层E。模拟的海床中设置水合物储层D，此部分利用超重力场模拟天然气水合物藏的应力条件。
所述系统所有连接管线均采用316L管线，以防内部流体对管线的腐蚀，且管线均用保温材料缠绕包裹，防止局部温度降低，从而可能引起水合物的二次生成或者冰的生成，堵塞管路，影响实验开展效果，给实验造成安全隐患。所述排量、温度、压力等参数均可以通过数据采集控制卡采集数据，用于对实验系统内的流量、温度、压力进行实时监控和数据采集。
具体实施过程如下：
(1)如图，连接好设备，清洗好设备，根据实验方案需要，称取适量的砂子平铺置于反应釜18内部，用于模拟地层，通常建议上部选用粒径相对下部更较小的砂子，便于模拟盖层，开展实验测试。
(2)固定好井筒59，密封反应釜18。
(3)检查系统气密性，关闭第一阀3，第二阀4，第四阀11，第七阀22，第九阀33，打开其他阀门，然后打开真空泵52，排空实验系统和管线内部空气，从而排出空气对实验的干扰，为实验做好准备。
(4)通过第一计量泵30将第一储液池28内部适量清水注入反应釜18，用于合成水合物。
(5)关闭第三阀9，打开第六阀19，将适量CH4经过第二缓冲罐20、第二流量计26等注入反应釜18。
(6)根据实验方案，将反应釜18设置到适当的温度，用于形成可燃冰。
(7)打开第三阀9，关闭第六阀19，将适量N2经过第一缓冲罐10、第一流量计17注入反应釜18，保持适当的覆压，便于超重力场模拟。
(8)注热水法开采：利用第二计量泵36将第二储液池34内部一定温度的适量热水通过井筒59注入水合物储层D，观测可燃冰储层分解情况。同时利用气液分离器42分离水合物分解后的气体液体，分别利用湿式流量计41、储液罐44计量、储存输出气体、液体质量。
(9)控温法开采：调节反应釜18内部温度分布，同理，观测反应釜18内部可燃冰储层分解情况。同时利用气液分离器42分离水合物分解后的气体、液体，分别利用湿式流量计41、储液罐44储存计量气体液体质量。
(10)适当改变N2覆压，或改变反应釜内部温度、压力，或改变注入热水的量、温度、排量条件，再次测试观测。对比分析覆压、温度、压力，以及注入热水的量、温度、排量等条件对天然气水合物的合成及分解现象的影响规律，及水合物储层分解分布规律，从而判断其对开采效果的影响，从而指导生产。
(11)本系统中将CH4换为CO2可以同理满足CO2水合物的相关实验研究。
Claims (9)
1.一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，包括用于储存CH4气体或CO2气体的第一气瓶(1)以及用于储存N2气体的第二气瓶(2)，第一气瓶(1)和第二气瓶(2)分别通过第一阀(3)和第二阀(4)连接至气体增压泵(5)，气体增压泵(5)的出口通过第一压力计(7)连接至三个支路；
其中，第一支路上连接有第一安全阀(8)；第二支路上依次连接有第三阀(9)、第一缓冲罐(10)、第五阀(13)、第一调压阀(14)、第三压力计(15)、第一单向阀(16)和第一流量计(17)，其中所述第一缓冲罐(10)的顶部设计有第二压力计(12)，底部设计有第四阀(11)，第一流量计(17)的出口端连接至反应釜(18)，所述反应釜(18)内部自上向下分为气体层(A)、液体层(B)、盖层(C)、水合物储层(D)和底层(E)；第三支路上依次连接有第六阀(19)、第二缓冲罐(20)、第八阀(23)、第二调压阀(24)、第五压力计(25)、第二流量计(26)和第二单向阀(27)，所述第二缓冲罐(20)的顶部和底部分别设计有第四压力计(21)和第七阀(22)，第二单向阀(27)的出口分多个支路连接到反应釜(18)的内部水合物储层(D)；
该系统还包括第一储液池(28)和具有加热控温功能的第二储液池(34)，第一储液池(28)的出口通过管线依次连接有第一过滤器(29)、第一计量泵(30)、第三单向阀(31)、预热器(32)和第九阀(33)，第九阀(33)的出口端连接至第二单向阀(27)的出口；第二储液池(34)的出口通过管线依次连接有第二过滤器(35)、第二计量泵(36)、第四单向阀(37)和第十阀(38)，第十阀(38)的出口设置有第六压力计(39)，且第十阀(38)的出口连接至穿插在反应釜(18)中的井筒(59)的入口；
所述反应釜(18)的侧面连接有用于对系统进行抽真空的抽真空装置；井筒(59)的入口处还连接有用于对系统进行气液分离的气液分离装置。
2.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，所述抽真空装置包括通过管线依次连接的真空泵(52)、第四缓冲罐(53)、第八压力计(54)、第十四阀(55)和过滤器(56)，所述过滤器(56)连接至反应釜(18)的侧面，所述第四缓冲罐(53)的底部设计有第十五阀(57)。
3.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，所述气液分离装置包括气液分离器(42)，气液分离器(42)的入口端依次通过回压阀(45)和第十二阀(49)连接至井筒(59)的入口处；回压阀(45)和第十二阀(49)之间连接有支路，支路上设置有第十三阀(50)；回压阀(45)的侧面通过管线与第三缓冲罐(46)、回压泵(47)依次连接，所述第三缓冲罐(46)顶部设计有第七压力计(48)；气液分离器(42)的气体出口端依次连接有湿式流量计(41)和储气罐(40)，气液分离器(42)的液体出口端依次连接有第十一阀(43)和储液罐(44)。
4.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，所述反应釜(18)顶部设计有温度计(51)和第二安全阀(58)，底部设计有用于放空清洗的第十六阀(60)。
5.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，所述反应釜(18)的侧壁设置有观测窗，还设置循环水夹套及用于对高压反应釜的纵向不同高度进行温度控制来模拟海床实际地温梯度的控温装置。
6.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，所述反应釜(18)的四周侧壁设置有若干用于采集压力及温度数据的数据采集接口。
7.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，井筒(59)在对应水合物储层(D)位置的四周设置有钻孔。
8.根据权利要求1所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，所述反应釜(18)耐压大于20MPa，材质选用316L不锈钢材料，且管线均用保温材料缠绕包裹。
9.一种超重力水合物研究实验方法，采用权利要求1-8任一项所述的一种超重力水合物研究实验系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据实验方案需要，称取砂子平铺置于反应釜(18)内部，用于模拟地层，准备开展实验测试；
步骤2：固定好井筒(59)，密封反应釜(18)，检查系统气密性，抽真空从而排出空气对实验的干扰，为实验做好准备；
步骤3：通过第一计量泵(30)将第一储液池(28)内部清水注入反应釜(18)用于合成水合物；关闭第三阀(9)，打开第六阀(19)，将CH4或CO2注入反应釜(18)，根据实验方案，将反应釜(18)设置到适当的温度，用于形成可燃冰；
步骤4：将N2注入反应釜(18)，用于保持覆压，便于模拟超重力场；
步骤5：研究注热水法开采时：利用第二计量泵(36)将第二储液池(34)内部热水通过井筒注入水合物储层(D)，观测可燃冰储层分解情况，同时分别利用气液分离器装置分离水合物分解后的气体和液体；
步骤6：研究控温法开采时：调节反应釜(18)内部温度分布，同理，观测内部可燃冰储层分解情况，同时利用气液分离器分离水合物分解后的气体和液体；
步骤7：改变N2覆压，或改变反应釜内部温度、压力，或改变注入热水的量、温度、排量条件，再次测试观测；对比分析覆压、温度、压力以及注入热水的量、温度、排量条件对天然气水合物的合成及分解现象的影响规律，及水合物平面分解分布规律，从而判断其开采效果，从而指导生产。
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