CN111472729A - 一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置，包括反应釜系统、洞穴完井系统、围压控制系统、进口压力控制系统、出口压力控制系统、气液固分离系统、温度控制系统和数据采集处理系统；反应釜系统用于模拟天然气水合物的原位生成、洞穴完井及开采；温度控制系统为装置提供恒定温度环境；洞穴完井系统、围压控制系统、进口压力控制系统、出口压力控制系统和气液固分离系统用于控制实验过程的压力和流动状态；数据采集处理系统用于采集并处理实验过程的参数。本发明还涉及了一种天然气水合物洞穴完井评价测试方法。本发明可以对人工合成的含水合物岩心开展洞穴完井测试，用以评价水合物洞穴完井情况。

Description

一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开发技术领域，具体涉及一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置及方法。

背景技术

天然气水合物广泛分布于深海沉积物或陆域冻土中，储量非常巨大，是全球常规燃料总碳量的2倍，是一种潜在的未来能源。

然而水合物储层存在构造复杂、低渗、矿物成分复杂、温压复杂等情况，因此水合物储层开发过程中可能存在产能低、出砂等问题，洞穴完井后储层的气体产量是射孔完井后水力压裂的3-20倍，且成本低于大型水力压裂。因此使用洞穴完井技术，使目标储层坍塌以扩大井眼形成洞穴，不仅可以提高成岩或者强度较高水合物储层的导流能力，而且也可提供较大的洞穴空间用于防砂、降压等。

然而对于水合物开发，洞穴完井是一种全新的技术，因此成岩或者强度较高水合物储层的洞穴完井机理尚不清楚，实施效果未进行有效的评价。同时，由于进行水合物洞穴完井现场试验的资本投入大，作业时间长，不确定因素较多，且现场洞穴完井后评价和解释增产机理较难，因此，目前对水合物洞穴完井的增产机理和防砂效果研究非常少。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置，可用来模拟评估洞穴完井过程，得到水合物储层洞穴完井的增产机理。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置，包括：

反应釜系统，包括反应釜、围压活塞和井筒；围压活塞包括伸入反应釜中的活塞本体以及连接部，连接部的下端固定连接于活塞本体上，上端伸出反应釜；活塞本体将反应釜内腔分隔为岩心室和围压腔；井筒竖直设置在岩心室内，上端与洞穴完井系统相连，下端与气液固分离系统相连；反应釜岩心室和井筒内设置有多组监测探头；

洞穴完井系统，包括流体室一、增压泵和缓冲罐，流体室一经增压泵、缓冲罐后分为二路，一路与井筒上端相连，另一路与岩心室入口相连；

进口压力控制系统，包括气源、气体缓冲罐和气体增压泵，气源经气体增压泵、气体缓冲罐后与岩心室入口相连；

出口压力控制系统，包括气体流量计和真空泵，真空泵经气体流量计与岩心室出口相连；

气液固分离系统，包括电动阀、气液固分离罐、气体流量计和产液回收装置，气液固分离罐入口经电动阀与井筒下端相连，气体流量计和产液回收装置分别与气液固分离罐出口相连；

数据采集处理系统，与反应釜系统、洞穴完井系统、进口压力控制系统、出口压力控制系统、气液固分离系统的感应元件电连接，以采集和处理各感应元件的感应信号。

作为本发明的一种改进，所述的洞穴完井系统还包括点火控制器和井下点火器，井下点火器布置在井筒内，并与反应釜外的点火控制器电连接。

本发明的另一目的在于提供一种天然气水合物洞穴完井评价测试方法，基于上述的测试装置实现，包括以下步骤：

步骤一：填装岩心样品于反应釜岩心室，密封后用真空泵抽真空，同时通过围压活塞将样品压实并保持，分别向岩心室通入气体或/和液体，通过监测探头测试流体流过岩心的物性参数F1；

步骤二：取出岩心，烘干、定水量后再次填装于岩心室，密封后用真空泵抽真空，同时通过围压活塞将样品压实并保持，通过气体增压泵和气体缓冲罐向岩心室注入高压天然气，通过配套的控温水夹套控制反应釜温度，生成天然气水合物；

步骤三：水合物生成完成后，向岩心室通入气体或/和液体，通过监测探头测试流体流过含水合物岩心的物性参数F2；

步骤四：开展洞穴完井作业，包括井下点火爆炸、井下高压流体压裂、液氮压裂的造穴手段实施完井作业，或者在低温环境中取出含水合物岩心并实施打孔造穴；

步骤五：向岩心室通入气体或/和液体，通过监测探头再次测试流体流过洞穴完井后水合物岩心的物性参数F3；

步骤六：开启电动阀门，岩心室内的流体经井筒流出，通过气液固分离罐配套的计量系统获取气液固产出情况，通过监测探头实时采集开采过程的物性参数F4；

步骤七：分析上述的物性参数F1-F4，得到岩心、含水合物岩心洞穴完井前、完井后、开采过程中和开采后的测试结果，实现对洞穴完井效果的评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明能够实现水合物储层在围压条件下原位合成，并监测其合成过程、洞穴完井前后及其开采前后的温度、压力、储层结构的变化。

2、本发明可以对水合物洞穴完井进行评价，探寻其增产机理，可对水合物洞穴完井设计提供支持和验证。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的测试装置的结构框图；

图2是本发明的反应釜系统的仰视图；

图3是本发明的工作流程图，其中的水合物洞穴完井模拟系统即为本公开的天然气水合物洞穴完井评价测试装置。

附图标记说明：1-流体室一(去离子水、压裂液、水射流液、液氮等)；2-增压泵；3-缓冲罐；4-点火控制器；5-活塞；6-反应釜；7-井下点火器；8-井筒；9-电动阀；10-可视化气液固分离罐；11-摄像头；12-控温水夹套；13-温度水浴；14-产液回收装置；15-气源(天然气、氮气、混合气等)；16-气体缓冲罐；17-气体增压泵；18-流量计；19-气体流量计；20-电阻、温度、压力和声波探头；21-岩心室；22-真空泵；23-流体室二(围压液)；24-平流泵；V1～V11-阀门；P1～P6-压力表；PX-压力传感器；TX-温度传感器组；S-应变传感器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置，包括反应釜系统、洞穴完井系统、围压控制系统、进口压力控制系统、出口压力控制系统、气液固分离系统、温度控制系统、数据采集处理系统、以及连接各部件的管道、阀门及控制系统。

反应釜系统，用于模拟天然气水合物的原位生成、洞穴完井及开采，包括反应釜6、围压活塞5和井筒8。反应釜6呈圆柱形，水平放置，顶部中间向上凸出形成布置围压活塞5的圆台，并在圆台顶面和两个侧面设置有可拆卸的顶盖和侧盖，通过O型圈和螺栓进行密封。围压活塞5包括伸入反应釜6中的活塞本体以及连接部，连接部的下端固定连接于活塞本体上，上端伸出反应釜6；活塞本体将反应釜内腔分隔为岩心室21和围压腔。井筒8竖直布置在岩心室21中，上端经围压活塞5与洞穴完井系统相连，下端与气液固分离系统相连。岩心室21内部及井筒8内设置有多组电阻、温度、压力和声波探头20，具体布置方式根据实验需要设计，分别与外部的电阻仪、声波仪、压力传感器PX和温度传感器TX通过数据线电连接，获取岩心室21内的分层电阻、温度、压力和声波，获取井筒8分段电阻、温度、压力和声波。

温度控制系统，包括控温水夹套12和温度水浴13，控温水夹套12包裹在反应釜6外侧，并与温度水浴13相连，用于控制岩心室21中的天然气水合物生成、洞穴完井以及开采过程的温度。

洞穴完井系统、围压控制系统、进口压力控制系统、出口压力控制系统和气液固分离系统构成装置的应力应变控制系统，用于控制岩心室21在整个实验过程的压力和气液固流动状态，实现含水合物岩心的生成、洞穴完井及开采。

洞穴完井系统，包括流体室一1、增压泵2、阀门V1、缓冲罐3、阀门V2、阀门V3、阀门V5、阀门V6、压力表P1、压力表P3、点火控制器4和井下点火器7。流体室一1经增压泵2、阀门V1、缓冲罐后3分为二路，一路经阀门V2、阀门V3、压力表P1与井筒8上端相连，另一路经阀门V5、压力表P3与岩心室21入口相连，井下点火器7布置在井筒8内，并与反应釜6外的点火控制器4电连接。另外，流体室一1还经增压泵2、阀门V6、压力表P3直接与岩心室21入口相连。需要说明的是，流体室一1可以为组合腔室，各腔室储存有不同的液体，例如去离子水、压裂液、水射流液、液氮等，通过阀门控制出液类型。如此，洞穴完井系统，一来可以向井筒8注入压裂液、水射流液、液氮进行高压流体压裂、液氮压裂的造穴作业，二来可以向岩心室21注液进行(岩心、水合物岩芯、洞穴完井等)的流体测试，三来可以直接向岩心室21注入去离子水合成天然气水合物，四来可以通过点火控制器4控制井下点火器7点火，使井下气体燃烧或爆炸造穴。

围压控制系统，包括流体室二23、平流泵24和应变传感器S。流体室二23通过平流泵24向围压腔注入围压液，控制围压活塞5运动和围压腔压力(岩心室21围压)，应变传感器S则用于监测围压腔的压力。

进口压力控制系统，包括气源15、阀门V8、气体增压泵17、气体缓冲罐16、压力表P2、阀门V7和压力表P3。气源15经阀门V8、气体增压泵17、气体缓冲罐16、压力表P2、阀门V7、压力表P3与岩心室21入口相连。需要说明的是，气源15可以为组合腔室，各腔室储存有不同的气体，例如天然气、氮气、混合气等，通过阀门控制出气类型。如此，进口压力控制系统，一来可以向岩心室21注入天然气合成天然气水合物，二来可以向岩心室21注气进行(岩心、水合物岩芯、洞穴完井等)的流体测试，三来在进行燃烧或爆炸造穴后，注入氮气等不可燃气体灭火。

出口压力控制系统，包括压力表P4、阀门V4、流量计18、阀门V11和真空泵22。岩心室21出口经压力表P4、阀门V4、流量计18后分为两路，一路经阀门V11和真空泵22相连，另一路接入气液固分离系统的可视化气液固分离罐10。

气液固分离系统，包括压力表P6、电动阀6、可视化气液固分离罐10、摄像系统11、压力表P5、阀门V9、气体流量计19、阀门V10和产液回收装置14。井筒8下端经压力表P6、电动阀6与可视化气液固分离罐10入口相连；可视化气液固分离罐10的气体出口经压力表P5、阀门V9与气体流量计19相连；可视化气液固分离罐10产出的液固流体经阀门V10流入后续的产液回收装置14，以获取具体的液、固产出量。摄像系统11设置在可视化气液固分离罐10旁侧，以影像的方式记录可视化气液固分离罐10气液固产出情况。气体流量计19除了可以记录气体产出量，还用来调节产气速率和产气压力。

数据采集处理系统，包括数据采集仪、数据处理工作站和显示设备。数据采集仪与上述各系统的感应元件电连接，用于采集水合物岩心和井筒内的电阻、温度、压力和声波，用于采集各压力表P1～P6的压力值、用于采集可视化气液固分离罐10分离出来的气、液、固三相的产量，以及其他的用于控制和测量的感应元件，以获取实验参数。数据处理工作站根据采集的实验参数，采用软件分析井筒和水合物岩心的电阻、温度、压力和声波，推导出岩心、水合物岩心、洞穴完井后、开采过程中的温度、压力、水合物含量、储层形貌(洞穴、裂缝等)、流体流量等情况，实现洞穴完井的评价测试，并通过优化洞穴完井工艺和参数，实现洞穴完井的优化。

如图3所示，下面结合测试装置的工作过程，进一步描述天然气水合物洞穴完井评价测试方法，主要包括以下步骤：

(1)岩心测试：岩心室21中加入岩心，关闭岩心室21顶盖和侧盖，并通过O型圈和螺栓进行密封，关闭所有阀门。开启阀门V11和V4用真空泵22抽真空，随后关闭真空泵22和阀门V4，开启平流泵24注入流体室二23的围压液到反应釜6的围压腔并保持围压。随后进行流体测试，包括气体测试和液体测试两种，气体测试为开启阀门V8、V7和V4，通过气体增压泵17增压气源15的气体，流经气体缓冲罐16进入岩心室21；液体测试为开启增压泵2增压流体室一1的液体，通过阀门V1、混料室3、阀门V5进入岩心室21，以上测试都保持流量恒定从流量计18流出，实时监测压力表P2/P3/P4和各个探头的数值变化，得到物性参数F1。

(2)样品合成：将岩心测试后的岩心烘干后，加入定水量。然后将含水岩心加入到岩心室21中，关闭岩心室21顶盖和侧盖，并通过O型圈和螺栓进行密封，关闭所有阀门。开启阀门V11和V4用真空泵22抽真空，随后关闭真空泵22和阀门V4；开启气源15经过气体增压泵17、阀门V8和V7、气体缓冲罐16向岩心室21注入天然气。关闭阀门V8，启动温度水浴13，冷媒介质通过管路流入控温水夹套12进行温度控制，生成含水合物岩心。

需要说明的是，当向岩心室21加入的是烘干岩心时，则在通过气源15注入天然气的同时，需通过流体室一1注入去离子水。

随后进行水合物岩心气体或液体测试，测试方法同步骤(1)，得到物性参数F2，随后关闭所有阀门。

(3)洞穴完井作业：开启阀门V1打开增压泵2将流体室一1的液体进行增压，并在混料室3进行增压混合作业。达到预设条件后，开启V2和V3阀门，工作液经井筒8注入岩心室21，通过压裂液、水射流液、液氮进行造穴作业。或者采用燃烧、爆破作业等：通过点火控制器4控制井下点火器7点火，使井下气体燃烧或爆炸造穴，随后通过气体增压泵17、阀门V7和V8注入氮气等不可燃气体灭火。

随后进行水合物岩心气体或液体测试，测试方法同步骤(1)，得到物性参数F3，随后关闭所有阀门。

(4)开采作业：同时打开阀门V9、V10和电动阀门9，流体从水合物岩心经井筒8流入可视化气液固分离罐10；采用摄像系统11记录可视化气液固分离罐10气液固产出情况，并用气体流量计19调节产气速率和产气压力。通过阀门V10及产液回收装置14采集产出的液固流体，用气体流量计19采集产气速率和累计产气量，通过布设的电阻、温度、压力和声波探头20实时采集电阻、温度、压力和声波数据。

随后进行水合物岩心气体或液体测试，测试方法同步骤(1)，得到物性参数F4，随后关闭所有阀门。

(5)分析计算：根据采集的数据，采用软件分析井筒和水合物岩心内的压力、声波、温度、电阻、产出数据，推导出储层洞穴完井和井筒的温度、压力、储层洞穴裂缝、水合物含量、产能等情况，实现对水合物洞穴完井的测试和评价。通过优化造穴作业的大小、方向、布设方式等参数，实现产能的提升。

综上，本发明可以对水合物的洞穴完井情况进行测试，虽然主要用于水合物洞穴完井评价设计及测试，但也能够适用于常规油气水的洞穴完井评价设计和测试。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置，其特征在于：包括：

反应釜系统，包括反应釜、围压活塞和井筒；围压活塞包括伸入反应釜中的活塞本体以及连接部，连接部的下端固定连接于活塞本体上，上端伸出反应釜；活塞本体将反应釜内腔分隔为岩心室和围压腔；井筒竖直设置在岩心室内，上端与洞穴完井系统相连，下端与气液固分离系统相连；反应釜岩心室和井筒内设置有多组监测探头；

洞穴完井系统，包括流体室一、增压泵和缓冲罐，流体室一经增压泵、缓冲罐后分为二路，一路与井筒上端相连，另一路与岩心室入口相连；

进口压力控制系统，包括气源、气体缓冲罐和气体增压泵，气源经气体增压泵、气体缓冲罐后与岩心室入口相连；

出口压力控制系统，包括气体流量计和真空泵，真空泵经气体流量计与岩心室出口相连；

气液固分离系统，包括电动阀、气液固分离罐、气体流量计和产液回收装置，气液固分离罐入口经电动阀与井筒下端相连，气体流量计和产液回收装置分别与气液固分离罐出口相连；

数据采集处理系统，与反应釜系统、洞穴完井系统、进口压力控制系统、出口压力控制系统、气液固分离系统的感应元件电连接，以采集和处理各感应元件的感应信号。

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物洞穴完井评价测试装置，其特征在于：所述的洞穴完井系统还包括点火控制器和井下点火器，井下点火器布置在井筒内，并与反应釜外的点火控制器电连接。

3.一种天然气水合物洞穴完井评价测试方法，基于权利要求1或2所述的测试装置实现，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：填装岩心样品于反应釜岩心室，密封后用真空泵抽真空，同时通过围压活塞将样品压实并保持，分别向岩心室通入气体或/和液体，通过监测探头测试流体流过岩心的物性参数F1；

步骤二：取出岩心，烘干、定水量后再次填装于岩心室，密封后用真空泵抽真空，同时通过围压活塞将样品压实并保持，通过气体增压泵和气体缓冲罐向岩心室注入高压天然气，通过配套的控温水夹套控制反应釜温度，生成天然气水合物；

步骤三：水合物生成完成后，向岩心室通入气体或/和液体，通过监测探头测试流体流过含水合物岩心的物性参数F2；

步骤四：开展洞穴完井作业，包括井下点火爆炸、井下高压流体压裂、液氮压裂的造穴手段实施完井作业，或者在低温环境中取出含水合物岩心并实施打孔造穴；

步骤五：向岩心室通入气体或/和液体，通过监测探头再次测试流体流过洞穴完井后水合物岩心的物性参数F3；

步骤六：开启电动阀门，岩心室内的流体经井筒流出，通过气液固分离罐配套的计量系统获取气液固产出情况，通过监测探头实时采集开采过程的物性参数F4；

步骤七：分析上述的物性参数F1-F4，得到岩心、含水合物岩心洞穴完井前、完井后、开采过程中和开采后的测试结果，实现对洞穴完井效果的评价。

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