CN111521685A - 一种天然气水合物带压转移和参数检测系统 - Google Patents

一种天然气水合物带压转移和参数检测系统 Download PDF

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CN111521685A CN202010433161.5A CN202010433161A CN111521685A CN 111521685 A CN111521685 A CN 111521685A CN 202010433161 A CN202010433161 A CN 202010433161A CN 111521685 A CN111521685 A CN 111521685A
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Abstract

本发明公开了一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，包括岩心抓捕和切割单元、取样器保压单元、岩心样品参数测试单元、岩心样品存储单元、温度维持模块、压力维持模块、数据采集模块；岩心抓捕和切割单元为主体单元，通过快速接头分别与取样器保压单元、岩心样品参数测试单元及岩心样品存储单元对接，完成相应的功能；温度维持模块通过低温水浴和水夹套来维持系统低温，压力维持模块通过双缸恒速恒压泵来维持系统的高压。本发明采用模块化设计，可以设计更多的性能参数测试模块与岩心抓捕和切割单元对接；能够同时实现低温、高压的精准控制，能够全面监测和采集温度、压力等参数，同时对数据进行存贮、显示和反馈；系统结构简单、操作方便。

Description

一种天然气水合物带压转移和参数检测系统
技术领域
本发明属于天然气水合物开发技术领域，具体涉及一种天然气水合物带压转移和参数检测系统。
背景技术
天然气水合物是一种清洁能源，广泛赋存于陆地永冻区和大陆边缘海底的多孔沉积地层中，被认为极有可能成为未来最有远景的新型净洁性接替能源，引起了世界各国的广泛关注。
由于天然气水合物需要在高压、低温的环境下才能稳定存在，否则会发生分解。目前这种潜在新能源的勘探与开发仍面临诸多挑战。例如水合物钻探及开采会影响海底地层中水合物稳定性，进而改变井壁周围水合物所赋存地层的物理力学性质，可能引起附近海底及海底以下地层中地质和生态环境的动态变化，甚至诱发海底滑坡及大陆边缘坍塌等复杂情况。因此，准确地掌握水合物地层孔隙度、地层中水合物饱和度以及物理力学性质等参数就显得尤为重要。为了快速获取尽可能接近原位状态下的天然气水合物的各种性能参数，目前国内外普遍采用带压转移和参数检测系统在钻井现场完成水合物特性的综合分析。
现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：
中国对天然气水合物带压转移和参数检测系统的研究起步较晚，目前还没有成熟产品。现有技术还未能同时实现对低温、高压的精准控制，岩心的采样及切割存在一定的困难，对岩心各种性能参数的检测和采集不够全面，操作复杂，系统的通用性不强。本发明旨在提供一种用于钻井现场快速带压转移和测试岩心参数的系统。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，能够在钻井现场完成天然气水合物特性的综合分析，快速获取接近原位状态下天然气水合物的各种性能参数，结构简单，操作方便，通用性强。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，包括岩心抓捕和切割单元、取样器保压单元、岩心样品参数测试单元、岩心样品存储单元、温度维持模块、压力维持模块、数据采集模块；
所述岩心抓捕和切割单元是整个系统的主体单元，其内部为圆筒形腔体，用于在一定的温度、压力条件下进行包括抓捕、移动和切割岩心在内的操作；
所述取样器保压单元是天然气水合物保压取心钻具的一个部件，用于取心结束后从井底打捞至地面；
所述岩心样品参数测试单元用于在稳定的低温、高压条件下测试天然气水合物岩心样品的性能参数，这些性能参数包括纵波波速、电阻率和剪切强度；
所述岩心样品存储单元用于长时间的存放天然气水合物岩心样品或者把天然气水合物岩心样品从钻井现场转移至室内实验室；
所述温度维持模块用于维持低温；
所述压力维持模块用于维持腔体内的高压；
所述数据采集模块用于传输、处理、存贮、显示和反馈天然气水合物岩心样品的性能参数数据。
优选地，所述岩心抓捕和切割单元包括步进电机、螺杆、“C”型管、第一快速接头、抓捕器、水夹套、切割器、第一球阀、安全阀、第二快速接头、第一温度传感器、第一压力传感器、第一压力追踪口和第二压力追踪口；所述步进电机用于带动螺杆旋转，螺杆与“C”型管配合带动抓捕器移动，用于实现精确抓捕和释放岩心；水夹套是安装在岩心抓捕和切割单元及岩心样品参数测试单元外面的同心环形圆筒，设有进出水口，其外面包裹有保温层，通过介质在其内部的循环以维持岩心抓捕和切割单元及岩心样品参数测试单元内腔的温度；切割器用于快速精准切割岩心衬管及其内部的岩心；第一球阀用于岩心抓捕和切割单元与其他单元对接时维持两侧腔体中的压力平衡；安全阀用于压力超限情况下的卸荷；第一压力追踪口和第二压力追踪口与压力维持模块连接，用于维持系统内部的压力。
优选地，所述取样器保压单元包括第三快速接头、第二球阀、岩心内管；取样器保压单元的内部为处于高压状态下的岩心衬管及其内部的岩心，取样器保压单元通过第三快速接头与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头对接。
优选地，所述岩心样品参数测试单元包括第四快速接头、第三球阀、第二温度传感器、声波探头、电阻率探头、强度探头、第二压力传感器、波速测量仪、电阻率测量仪、剪切强度仪；所述第四快速接头用于与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头对接；所述第二温度传感器和第二压力传感器分别用于监测岩心样品参数测试单元内部的温度和压力；所述声波探头和波速测量仪用于测量水合物岩心样品的纵波波速，所述电阻率探头和电阻率测量仪用于测量水合物岩心样品的电阻率，所述强度探头和剪切强度仪用于测量水合物岩心样品的剪切强度。
优选地，所述岩心样品存储单元包括第五快速接头、第四球阀、存储筒、温度监测显示仪和压力监测显示仪；所述第五快速接头用于与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头对接；所述温度监测显示仪用于实时监测、存贮和显示岩心样品存储单元内腔的温度，设置有USB接口；所述压力监测显示仪用于实时监测、存贮和显示岩心样品存储单元内腔的压力，设置有USB接口。
优选地，所述温度监测显示仪设有报警器，当岩心样品存储单元内腔的温度超过设定的温度阀值，将会进行声光报警；所述压力监测显示仪设有报警器，当岩心样品存储单元内腔的压力低于设定的压力阀值，将会进行声光报警。
优选地，所述温度维持模块包括恒温循环水浴、水夹套及相应的管道和控制阀；所述恒温循环水浴用于输出恒温低温液体介质，输出的低温液体最低温度可达-5℃，液体介质经过管道后进入水夹套循环，水夹套包裹在岩心抓捕和切割单元、岩心样品参数测试单元外周。
优选地，所述压力维持模块包括双缸恒速恒压泵、第一压力追踪口、第二压力追踪口及相应的管道和控制阀；所述双缸恒速恒压泵为双缸双伺服电机形式，双缸恒速恒压泵与第一压力追踪口、第二压力追踪口配合，用于维持第一球阀左右两侧腔体内的高压。
优选地，所述数据采集模块包括数据采集处理器、第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、声波探头、电阻率探头、强度探头、波速测量仪、电阻率测量仪、剪切强度仪及数据线；所述第一温度传感器和第一压力传感器分别用于测量岩心抓捕和切割单元内腔的温度和压力；所有测得的数据均通过数据线全部传输至数据采集处理器进行处理、存贮、显示和反馈。
优选地，整个系统采用模块化设计，包括设计若干性能参数测试模块与岩心抓捕和切割单元对接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种用于钻井现场对天然气水合物进行快速带压转移和测试岩心参数的系统。
(2)整个系统采用模块化设计，后继可以设计更多的性能参数测试模块与岩心抓捕和切割单元对接。
(3)该系统能够同时实现低温、高压的精准控制。
(4)该系统能够全面监测和采集温度、压力等参数，同时对数据进行存贮、显示和反馈。
(5)系统结构简单、操作方便。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统的结构组成示意图。
图2是本发明实施例所提供的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统中岩心抓捕和切割单元的结构示意图。
图3是本发明实施例所提供的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统中取样器保压单元的结构示意图。
图4是本发明实施例所提供的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统中岩心样品参数测试单元的结构示意图。
图5是本发明实施例所提供的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统中岩心样品存储单元的结构示意图。
附图标记说明：1、步进电机；2、螺杆；3、“C”型管；4、第一快速接头；5、抓捕器；6、水夹套；7、切割器；8、第一球阀；9、安全阀；10、第二快速接头；11、第一温度传感器；12、第一压力传感器；13、第一压力追踪口；14、第二压力追踪口；15、第三快速接头；16、第二球阀；17、岩心内管；18、岩心衬管；19、岩心；20、第四快速接头；21、第三球阀；22、第二温度传感器；23、声波探头；24、电阻率探头；25、强度探头；26、第二压力传感器；27、波速测量仪；28、电阻率测量仪；29、剪切强度仪；30、第五快速接头；31、第四球阀；32、存储筒；33、温度监测显示仪；34、压力监测显示仪；35、数据采集处理器；36、恒温循环水浴；37、双缸恒速恒压泵。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，包括岩心抓捕和切割单元、取样器保压单元、岩心样品参数测试单元、岩心样品存储单元、温度维持模块、压力维持模块、数据采集模块；
所述岩心抓捕和切割单元是整个系统的主体单元，其内部为圆筒形腔体，用于在一定的温度、压力条件下进行包括抓捕、移动和切割岩心在内的操作；
所述取样器保压单元是天然气水合物保压取心钻具的一个部件，用于取心结束后从井底打捞至地面；
所述岩心样品参数测试单元用于在稳定的低温、高压条件下测试天然气水合物岩心样品的性能参数，这些性能参数包括纵波波速、电阻率和剪切强度；
所述岩心样品存储单元用于长时间的存放天然气水合物岩心样品或者把天然气水合物岩心样品从钻井现场转移至室内实验室；
所述温度维持模块用于维持低温；
所述压力维持模块用于维持腔体内的高压；
所述数据采集模块用于传输、处理、存贮、显示和反馈天然气水合物岩心样品的性能参数数据。
具体地，如图2所示，所述岩心抓捕和切割单元包括步进电机1、螺杆2、“C”型管3、第一快速接头4、抓捕器5、水夹套6、切割器7、第一球阀8、安全阀9、第二快速接头10、第一温度传感器11、第一压力传感器12、第一压力追踪口13和第二压力追踪口14；所述步进电机1用于带动螺杆2旋转，螺杆2与“C”型管3配合带动抓捕器5移动，用于实现精确抓捕和释放岩心；水夹套6是安装在岩心抓捕和切割单元及岩心样品参数测试单元外面的同心环形圆筒，设有进出水口，其外面包裹有保温层，通过介质在其内部的循环以维持岩心抓捕和切割单元及岩心样品参数测试单元内腔的温度；切割器7用于快速精准切割岩心衬管18及其内部的岩心19；第一球阀8用于岩心抓捕和切割单元与其他单元对接时维持两侧腔体中的压力平衡；安全阀9用于压力超限情况下的卸荷；第一压力追踪口13和第二压力追踪口14与压力维持模块连接，用于维持系统内部的压力。
具体地，如图3所示，所述取样器保压单元包括第三快速接头15、第二球阀16、岩心内管17；取样器保压单元的内部为处于高压状态下的岩心衬管18及其内部的岩心19，取样器保压单元通过第三快速接头15与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头10对接。
具体地，如图4所示，所述岩心样品参数测试单元包括第四快速接头20、第三球阀21、第二温度传感器22、声波探头23、电阻率探头24、强度探头25、第二压力传感器26、波速测量仪27、电阻率测量仪28、剪切强度仪29；所述第四快速接头20用于与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头10对接；所述第二温度传感器22和第二压力传感器26分别用于监测岩心样品参数测试单元内部的温度和压力；所述声波探头23和波速测量仪27用于测量水合物岩心样品的纵波波速，所述电阻率探头24和电阻率测量仪28用于测量水合物岩心样品的电阻率，所述强度探头25和剪切强度仪29用于测量水合物岩心样品的剪切强度。
具体地，如图5所示，所述岩心样品存储单元包括第五快速接头30、第四球阀31、存储筒32、温度监测显示仪33和压力监测显示仪34；所述第五快速接头30用于与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头10对接；所述温度监测显示仪33用于实时监测、存贮和显示岩心样品存储单元内腔的温度，设置有USB接口；所述压力监测显示仪34用于实时监测、存贮和显示岩心样品存储单元内腔的压力，设置有USB接口。
所述温度监测显示仪33设有报警器，当岩心样品存储单元内腔的温度超过设定的温度阀值，将会进行声光报警；所述压力监测显示仪34设有报警器，当岩心样品存储单元内腔的压力低于设定的压力阀值，将会进行声光报警。
具体地，所述温度维持模块包括恒温循环水浴36、水夹套6及相应的管道和控制阀；所述恒温循环水浴36用于输出恒温低温液体介质，输出的低温液体最低温度可达-5℃，液体介质经过管道后进入水夹套6循环，水夹套6包裹在岩心抓捕和切割单元、岩心样品参数测试单元外周。
具体地，所述压力维持模块包括双缸恒速恒压泵37、第一压力追踪口13、第二压力追踪口14及相应的管道和控制阀；所述双缸恒速恒压泵37为双缸双伺服电机形式，双缸恒速恒压泵37与第一压力追踪口13、第二压力追踪口14配合，用于维持第一球阀8左右两侧腔体内的高压。
具体地，所述数据采集模块包括数据采集处理器35、第一温度传感器11、第一压力传感器12、第二温度传感器22、第二压力传感器26、声波探头23、电阻率探头24、强度探头25、波速测量仪27、电阻率测量仪28、剪切强度仪29及数据线；所述第一温度传感器11和第一压力传感器12分别用于测量岩心抓捕和切割单元内腔的温度和压力；所有测得的数据均通过数据线全部传输至数据采集处理器35进行处理、存贮、显示和反馈。
具体地，整个系统采用模块化设计，包括设计若干性能参数测试模块与岩心抓捕和切割单元对接。
实施例
一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，主要由岩心抓捕和切割单元、取样器保压单元、岩心样品参数测试单元、岩心样品存储单元及温度维持模块、压力维持模块、数据采集模块等组成。
按照图1分别将系统的各部件组装好。工作过程如下：
第一步：关闭球阀8，打开第一压力追踪口13，通过压力维持模块使岩心抓捕和切割单元内腔充满盐水，并使其压力维持在与取样器保压单元内部相同的高压值。将从井底提至地面的取样器保压单元通过第三快速接头15与岩心抓捕和切割单元对接，此时的第二球阀16处于关闭状态。关闭第一压力追踪口13，打开第二压力追踪口14，使第一球阀8和第二球阀16之间的空腔充满高压盐水，并使其压力维持在与取样器保压单元内部相同的高压。依次打开第一球阀8和第二球阀16，此时，岩心抓捕和切割单元、取样器保压单元的内部都维持在相同的高压值。启动步进电机1，使抓捕器5穿过第一球阀8和第二球阀16后伸入取样器保压单元内，抓捕器5抓取岩心衬管18并将其及内部的岩心19回拖至岩心抓捕和切割单元内。关闭第一球阀8，卸除第一球阀8右侧腔体内的压力后，关闭第二压力追踪口14，拆下取样器保压单元。
第二步：将岩心样品参数测试单元通过第四快速接头20与岩心抓捕和切割单元对接。打开第二压力追踪口14，通过压力维持模块使岩心样品参数测试单元内部的压力与第一球阀8左侧腔体内的高压值相同。根据实验样品长度要求，使用切割器7精准切割岩心抓捕和切割单元内腔的岩心衬管18及其内部的岩心19，随后打开第一球阀8，抓捕器5将切割下的岩心衬管18及其内部的岩心19推入到岩心样品参数测试单元内，抓捕器5回拖，与抓捕器5连接在一起的岩心衬管18及其内部的岩心19被重新拖回至岩心抓捕和切割单元内。关闭第三球阀21和第一球阀8，卸除第三球阀21和第一球阀8之间腔体内的压力，拆下岩心样品参数测试单元，对其内部的岩心进行纵波波速、电阻率和剪切强度测试。
第三步：通过第五快速接头30将岩心样品存储单元与岩心抓捕和切割单元对接，此时，第四球阀31处于开启状态。打开第二压力追踪口14，通过压力维持模块使第一球阀8右侧的岩心样品存储单元内部压力与岩心抓捕和切割单元腔体内的高压值相同。打开第一球阀8，抓捕器5释放岩心衬管18，并将岩心衬管18及其内部的岩心19穿过第一球阀8和第四球阀31推入到岩心样品存储单元，随后抓捕器5回到岩心抓捕和切割单元内。关闭第四球阀31，通过压力维持模块卸除岩心抓捕和切割单元内的压力，通过第五快速接头30拆下岩心样品存储单元进行冷藏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：包括岩心抓捕和切割单元、取样器保压单元、岩心样品参数测试单元、岩心样品存储单元、温度维持模块、压力维持模块、数据采集模块；
所述岩心抓捕和切割单元是整个系统的主体单元，其内部为圆筒形腔体，用于在一定的温度、压力条件下进行包括抓捕、移动和切割岩心在内的操作；
所述取样器保压单元是天然气水合物保压取心钻具的一个部件，用于取心结束后从井底打捞至地面；
所述岩心样品参数测试单元用于在稳定的低温、高压条件下测试天然气水合物岩心样品的性能参数，这些性能参数包括纵波波速、电阻率和剪切强度；
所述岩心样品存储单元用于长时间的存放天然气水合物岩心样品或者把天然气水合物岩心样品从钻井现场转移至室内实验室；
所述温度维持模块用于维持低温；
所述压力维持模块用于维持腔体内的高压；
所述数据采集模块用于传输、处理、存贮、显示和反馈天然气水合物岩心样品的性能参数数据。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述岩心抓捕和切割单元包括步进电机(1)、螺杆(2)、“C”型管(3)、第一快速接头(4)、抓捕器(5)、水夹套(6)、切割器(7)、第一球阀(8)、安全阀(9)、第二快速接头(10)、第一温度传感器(11)、第一压力传感器(12)、第一压力追踪口(13)和第二压力追踪口(14)；所述步进电机(1)用于带动螺杆(2)旋转，螺杆(2)与“C”型管(3)配合带动抓捕器(5)移动，用于实现精确抓捕和释放岩心；水夹套(6)是安装在岩心抓捕和切割单元及岩心样品参数测试单元外面的同心环形圆筒，设有进出水口，其外面包裹有保温层，通过介质在其内部的循环以维持岩心抓捕和切割单元及岩心样品参数测试单元内腔的温度；切割器(7)用于快速精准切割岩心衬管(18)及其内部的岩心(19)；第一球阀(8)用于岩心抓捕和切割单元与其他单元对接时维持两侧腔体中的压力平衡；安全阀(9)用于压力超限情况下的卸荷；第一压力追踪口(13)和第二压力追踪口(14)与压力维持模块连接，用于维持系统内部的压力。
3.根据权利要求2所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述取样器保压单元包括第三快速接头(15)、第二球阀(16)、岩心内管(17)；取样器保压单元的内部为处于高压状态下的岩心衬管(18)及其内部的岩心(19)，取样器保压单元通过第三快速接头(15)与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头(10)对接。
4.根据权利要求2所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述岩心样品参数测试单元包括第四快速接头(20)、第三球阀(21)、第二温度传感器(22)、声波探头(23)、电阻率探头(24)、强度探头(25)、第二压力传感器(26)、波速测量仪(27)、电阻率测量仪(28)、剪切强度仪(29)；所述第四快速接头(20)用于与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头(10)对接；所述第二温度传感器(22)和第二压力传感器(26)分别用于监测岩心样品参数测试单元内部的温度和压力；所述声波探头(23)和波速测量仪(27)用于测量水合物岩心样品的纵波波速，所述电阻率探头(24)和电阻率测量仪(28)用于测量水合物岩心样品的电阻率，所述强度探头(25)和剪切强度仪(29)用于测量水合物岩心样品的剪切强度。
5.根据权利要求2所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述岩心样品存储单元包括第五快速接头(30)、第四球阀(31)、存储筒(32)、温度监测显示仪(33)和压力监测显示仪(34)；所述第五快速接头(30)用于与岩心抓捕和切割单元的第二快速接头(10)对接；所述温度监测显示仪(33)用于实时监测、存贮和显示岩心样品存储单元内腔的温度，设置有USB接口；所述压力监测显示仪(34)用于实时监测、存贮和显示岩心样品存储单元内腔的压力，设置有USB接口。
6.根据权利要求5所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述温度监测显示仪(33)设有报警器，当岩心样品存储单元内腔的温度超过设定的温度阀值，将会进行声光报警；所述压力监测显示仪(34)设有报警器，当岩心样品存储单元内腔的压力低于设定的压力阀值，将会进行声光报警。
7.根据权利要求2所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述温度维持模块包括恒温循环水浴(36)、水夹套(6)及相应的管道和控制阀；所述恒温循环水浴(36)用于输出恒温低温液体介质，输出的低温液体最低温度可达-5℃，液体介质经过管道后进入水夹套(6)循环，水夹套(6)包裹在岩心抓捕和切割单元、岩心样品参数测试单元外周。
8.根据权利要求2所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述压力维持模块包括双缸恒速恒压泵(37)、第一压力追踪口(13)、第二压力追踪口(14)及相应的管道和控制阀；所述双缸恒速恒压泵(37)为双缸双伺服电机形式，双缸恒速恒压泵(37)与第一压力追踪口(13)、第二压力追踪口(14)配合，用于维持第一球阀(8)左右两侧腔体内的高压。
9.根据权利要求4所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括数据采集处理器(35)、第一温度传感器(11)、第一压力传感器(12)、第二温度传感器(22)、第二压力传感器(26)、声波探头(23)、电阻率探头(24)、强度探头(25)、波速测量仪(27)、电阻率测量仪(28)、剪切强度仪(29)及数据线；所述第一温度传感器(11)和第一压力传感器(12)分别用于测量岩心抓捕和切割单元内腔的温度和压力；所有测得的数据均通过数据线全部传输至数据采集处理器(35)进行处理、存贮、显示和反馈。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种天然气水合物带压转移和参数检测系统，其特征在于：整个系统采用模块化设计，包括设计若干性能参数测试模块与岩心抓捕和切割单元对接。
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