CN112031711A - 一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置和方法，所述装置包括天然气水合物生成分解系统、过滤装置；所述天然气水合物生成分解系统包括压缩空气泵、天然气水合物生成分解反应釜、水浴恒温控制装置；所述过滤装置包括过滤装置釜体，所述过滤装置釜体的入口端与所述防砂筛管区连接且所述过滤装置釜体的出口端与收集水密闭容器连接，所述过滤装置釜体内从入口端到出口端设有多层过滤层，所述方法应用于如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置。本发明能够分离计量模拟开采过程中的产气水砂混合物，能更加直观的反映出出砂防砂效果。

Description

一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采出砂防砂工艺试验，具体涉及一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置及方法。

背景技术

天然气水合物是极具潜力的未来清洁能源，在实际试开采中天然气水合物开采过程中出砂问题是亟待解决的问题之一，而关于模拟开采天然气水合物时的产砂问题研究尚少，关于如何计量出砂，分离模拟开采的产气水砂也一直没有很好解决。因此，分离计量天然气水合物模拟开采的产气水砂分离问题已成为研究天然气水合物模拟开采出砂防砂过程中的关键步骤和因素。

目前，对于天然气水合物模拟开采使用的出砂计量方式和气水砂分离方式并不能实时计量与观测，且不能实现气液固三相流以及液固，气固，气液两相流的分离计量。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置及方法，以便分离计量模拟开采过程中的产气水砂混合物，能更加直观的反映出出砂防砂效果，同时能实现气液固三相流以及液固，气固，气液两相流的分离计量，便于分析计算天然气水合物模拟开采产气水砂的变化规律及其特征。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，包括天然气水合物生成分解系统、过滤装置，

所述天然气水合物生成分解系统包括压缩空气泵、天然气水合物生成分解反应釜、水浴恒温控制装置，所述天然气水合物生成分解反应釜内腔沿轴线设有内腔活塞和分区分隔板，所述内腔活塞与所述天然气水合物生成分解反应釜的内腔一端形成的密闭空间为轴压空气腔，所述压缩空气泵用于给所述轴压空气腔注入气体驱动所述内腔活塞朝向所述分区分隔板方向运动；所述内腔活塞与所述分区分隔板之间形成的密闭空间为水合物生成分解区，所述水合物生成分解区连接有甲烷气加压注入源和注水平流泵；所述分区分隔板与所述天然气水合物生成分解反应釜的内腔另一端形成的密闭空间分别为防砂筛管区和井筒开采区；所述轴压空气腔、水合物生成分解区、防砂筛管区、井筒开采区和过滤装置均设有采集物理量的电子器件；

所述过滤装置包括过滤装置釜体，所述过滤装置釜体的入口端与所述防砂筛管区连接且所述过滤装置釜体的出口端与收集水密闭容器连接，所述过滤装置釜体内从入口端到出口端设有多层过滤层，多层过滤层的横切面内径逐渐减小且多层过滤层的过滤粒径逐渐减小；过滤层的出口端连接有接气体回收装置；所述过滤层的入口端上方的过滤装置釜体的釜壁上设有视窗，所述视窗的周围设有监测摄像头和补光灯，所述监测摄像头透过所述视窗监测过滤装置釜体内气水砂的流入情况，过滤装置釜体的下端有用于固定和支撑过滤装置釜体的支架，所述支架内设有振动器，振动器用于产生振动从而使过滤装置釜体内的出砂更好分离以及促进流体流动。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，所述过滤层为过滤粒径逐渐减小的粗筛层、中筛层和细筛层，所述粗筛层、中筛层和细筛层均包括圆环架和连接在所述圆环架上的筛网，圆环架上设有若干薄膜压力传感器压点，在每个薄膜压力传感器压点的周围设有薄膜压力传感器压点限位圆环，所述薄膜压力传感器压点限制在所述薄膜压力传感器压点限位圆环的面积范围内，所述过滤装置釜体上设有与所述薄膜压力传感器压点对应的若干筛网后薄膜压力传感器，所述筛网后薄膜压力传感器用于测量筛网、圆环架以及过滤砂的总重量。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，所述粗筛层的上方设有筛分前压力传感器和筛分前温度传感器，所述细筛层的下方设有挡水板，所述挡水板倾斜一角度布置在所述过滤装置釜体内，所述挡水板高的一端下方设有筛分后压力传感器，结合筛分前压力传感器和筛网后薄膜压力传感器可以显示出筛网的堵塞程度和气流稳定程度，所述挡水板低的一端开有半圆形开口极细筛网，极细筛网的过滤粒径比细筛层的小，极细筛网与细筛层之间设有筛分后温度传感器，筛分前温度传感器和筛分后温度传感器用于检测气水砂经过过滤层后的温度变化。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，所述过滤装置釜体的上端连接有可拆上盖，所述过滤装置釜体的内腔下端设有可拆下盖。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，所述可拆下盖具有向出水口倾斜的坡度，出水口通过管道与所述收集水密闭容器连通，其连通管道上设有出水阀，所述收集水密闭容器设置在天平上，所述收集水密闭容器上设置有排气阀；所述接气体回收装置通过管道连接至所述挡水板高的一端下方，其连通管道上设有出气阀和气体流量计。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，

所述轴压空气腔设有轴压压力传感器；

所述水合物生成分解区设有活塞限位，所述甲烷气加压注入源和所述注水平流泵对应设置有注气阀和注水阀，所述水合物生成分解区沿轴向设置有若干温度传感器且所述水合物生成分解区的釜壁内侧设有天然气水合物反应釜压力传感器，所述水合物生成分解区还设置有天然气水合物生成分解区预留注入口；

所述防砂筛管区内依次安装有筛管壁网、筛管填料和筛管壁网且所述防砂筛管区74内设有筛管区温度传感器，所述防砂筛管区还设置有筛管注入预留口；

所述分区分隔板受可控制分隔板机构控制进行开闭动作。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，所述井筒开采区内设置有井筒温度传感器、井筒压力传感器且所述井筒开采区连接有出砂粒度分析仪，井筒注入预留口用于注入模拟井筒液，井筒开采区一侧的天然气水合物生成分解反应釜的端面采用可拆卸釜盖。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，所述井筒开采区设有井筒出口，所述井筒出口与所述可拆上盖的开口通过相互连接的开采出砂分析管段和进出口弯曲管道连通，开采出砂分析管段和进出口弯曲管道连接处还设有入口球阀。

如上所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，进一步地，还包括传感器数据采集器和上位机，所述上位机安装有数据分析记录软件，所述传感器数据采集器与天然气水合物生成分解系统和过滤装置的各电子器件控制信号相连，用于实时采集和分析实验过程的数据。

一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量方法，所述方法应用如上任一所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，包括以下步骤：

从天然气水合物生成分解反应釜的一端填入多孔介质砂质，关闭分区分隔板，使天然气水合物生成分解反应釜的各区为密闭状态；

检查天然气水合物生成分解反应釜的气密性，确保各采集物理量的电子器件正常工作；

向天然气水合物生成分解反应釜的水合物生成分解区依次注入设定量的液体和甲烷气体，通过水浴恒温控制装置控制天然气水合物生成分解反应釜的环境温度，通过压缩空气泵注入气体推动内腔活塞以维持水合物生成分解区的轴压稳定，以实现在水合物生成分解区形成天然气水合物；

当水合物生成分解区的轴压不再变化或达到预定压力时，进行模拟天然气水合物降压开采或注热开采，开采过程产生的气水砂进入过滤装置釜体，其中，气水砂依次经过多层过滤层，砂得到多次过滤并收集，气体进入接气体回收装置，液体进入收集水密闭容器；当三相分离时，接通接气体回收装置和收集水密闭容器；当固液两相分离时，接通收集水密闭容器；当气液两相分离时，接通接气体回收装置和收集水密闭容器；当气固两相分离时，开启振动器和接通接气体回收装置。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本装置可以对天然气水合物模拟生成，分解及开采产气水砂实施动态监测，分析天然气水合物开采出砂防砂砂试验不同阶段的产气产水产砂以及压力等参数变化；分析天然气水合物模拟开采产气水砂的各阶段压力等变化及相对应的气液固产量规律；通过调整模拟开采条件方案，可以实现产气水砂效果的反馈，评价及优化模拟开采出砂防砂效果，便于分析计算天然气水合物模拟开采产气水砂的变化规律及其特征，为实际水合物开采出砂防砂方案的制定提供支撑。

(1)本装置根据天然气水合物模拟开采产气水砂情况可实现固液气三相流的的分离和计量，液固，气固，气液两相流的观测、分离和计量，可根据分离计量情况为模拟天然气水合物出砂防砂试验提供实践验证，便于分析计算天然气水合物模拟开采产气水砂的变化规律及其特征，为开采出砂防砂方案的制定提供支撑。

(2)本装置具有检测计量产气流量，出砂不同粒径的重量，出水体积的实时计量，还具有防堵振动装置，拓展传感器接口实现釜内压力温度的实时监控，而最核心部件是出砂不同粒径的分离和计量，每个粒径筛分有四个薄膜传感器计量其重量后期可分析其重量压力曲线得出出砂部位分布，出砂粒径分布等分析结果。

(3)本装置结构简单，耐高压，拆洗安装方便，具有可视化实时观察出气水砂的动态流动情况等优点。

附图说明

图1为本发明的分离计量装置的结构示意图；

图2为本发明的过滤装置的局部视图一；

图3为本发明的过滤装置的局部视图二。

图中：1、天然气水合物开采产气水砂管道；2、入口球阀；3、进出口弯曲管道；4、可拆上盖；5、透明视窗；6、补光灯；7、粗筛网后薄膜压力传感器；8、粗筛网和圆环架；9、摄像头监测；10、筛分前预留传感器；11、筛分前压力传感器；12、粗筛网左薄膜压力传感器；13、粗筛网前薄膜压力传感器；14、粗筛网右薄膜压力传感器；15、中筛网左薄膜压力传感器；16、中筛网前薄膜压力传感器；17、中筛网后薄膜压力传感器；18、中筛网右薄膜压力传感器；19、中筛网和圆环架；20、过滤装置釜体；21、细筛网左薄膜压力传感器；22、细筛网前薄膜压力传感器；23、细筛网后薄膜压力传感器；24、细筛网右薄膜压力传感器；25、细筛网和圆环架；26、筛分后预留传感器；27、筛分后压力传感器；28、挡水板；29、极细筛网；30、出气口；31、可拆下盖；32、出水口；33、支架；34、振动器；35、缓冲支架垫；36、出气阀；37、气体流量计；38、接气体回收装置；39、出水阀；40、收集水密闭容器；41、排气阀；42、天平；43、薄膜压力传感器压点限位圆环；44、薄膜压力传感器压点(受力点)；45、圆环架；46、粗筛网；47、中筛网；48、细筛网；49、内釜壁横切面所形成的圆；50、外釜壁；51、压缩空气泵；52、轴压压力传感器；53、轴压空气腔；54、水浴恒温控制；55、天然气水合物生成分解反应釜；56、内腔活塞；57、活塞限位；58、天然气水合物反应釜压力传感器；59、左温度传感器；60、中温度传感器；61、注气阀；62、甲烷气加压注入；63、天然气水合物生成分解区预留注入口；64、右温度传感器；65、注水阀；66、注水平流泵；67、水合物生成分解区；68、控制分隔板机构；69、分区分隔板；70、筛管区温度传感器；71、筛管注入预留口；72、防砂筛管区；73、井筒温度传感器；74、可拆螺纹右釜盖；75、井筒注入预留口；76、井筒压力传感器；77、井筒出口；78、出砂粒度分析仪；79、开采出砂分析管段；80、传感器数据采集器；81、数据分析记录软件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1-图3所示(图3的粗中细三层筛网只是错开展示，并不代表筛网和环架大小及位置关系)，本发明天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置包括：由压缩空气泵51、天然气水合物生成分解反应釜55、甲烷气加压注入62、注水平流泵66、出砂粒度分析仪78、传感器数据采集器80和数据分析记录软件81组成的天然气水合物生成分解系统；由天然气水合物开采产气水砂管道1、入口球阀2和进出口弯曲管道3组成的气水砂入口管线；由可拆上盖4、透明视窗5、过滤装置釜体20、挡水板28、可拆下盖31、支架33等组成的过滤釜釜体；由粗筛网和圆环架8、中筛网和圆环架19、细筛网和圆环架25等组成的粗中细筛网和相对应的圆环支架；由出气口30、出气阀36、气体流量计37等组成的出气口管线；由出水口32、出水阀39、收集水的密闭容器40、排气阀41、天平42等组成的出水口管线等。

天然气水合物生成分解系统的轴压区位于天然气水合物生成分解反应釜55最左端，通过压缩空气泵51注入压缩气体，使轴压空气腔53推动内腔活塞56控制位于轴压区右侧水合物区的轴压，以压实水合物区多孔介质；轴压空气腔设有轴压压力传感器52。

天然气水合物生成分解系统的天然气水合物生成分解区67左侧通过活塞与轴压区相连，水合物生成分解区67设有活塞限位57，右侧通过可控制分隔板机构68抽离的分区分隔板69与筛管区相连；该区釜体外壁预留注入口63可实现天然气水合物的原位生成及降压、注热、注化学剂及联合分解等不同方式的模拟分解开采，所述水合物生成分解区67沿轴向设置有若干温度传感器，本实施例中包括左温度传感器59、中温度传感器60和右温度传感器64。防砂筛管区72可利用筛管注入预留口71来实现筛管筛网的填装，筛管内填充物的注入等方式作用与筛管实现筛管防砂的研究；该区右侧通过其防砂筛管区72的筛管壁本身与开采区分隔开，实现实际筛管及井壁的模拟；天然气水合物生成分解系统的开采观测区通过出砂粒度分析仪78可实现模拟开采出砂的实时观测，井筒开采区内设置有井筒温度传感器73，通过开采井筒注入预留口75及井筒出口77实现井内液体的注入研究，模拟开采产气水砂的产出；该区右侧为可拆螺纹右釜盖74方便其釜体的清洗及内容物的填装；天然气水合物生成分解系统的反应釜不同区均预留压力传感器和温度传感器实现对实验环境的精准监控；该系统所有传感器线均连接至传感器数据采集器80后通过电脑数据分析记录软件81观测分析其数据。

天然气水合物开采产气水砂管道1接入口球阀2；进出口弯曲管道3一端接入口球阀2，另一端接入可拆上盖4；过滤装置釜体20上端连接可拆上盖4，下端连接可拆下盖31；气水砂从可拆上盖4流入过滤装置釜体20，过滤装置釜体20的外釜壁50最上端为左右两侧圆形透明视窗5，利用摄像头监测9和补光灯6实现可拆上盖4内的空腔气水砂流入情况监测；透明视窗5下方左右分别为筛分前预留传感器10和筛分前压力传感器11实现对可拆上盖4内的空腔的气体压力温度等参数的监测。可拆上盖4内空腔下方中空圆柱体，其逐渐减小的内径圆曲面的过滤装置釜体20，在依次缩小内径的过滤装置釜体20分为粗中细三层过滤段，每层4个薄膜压力传感器，上方分别为粗筛网和圆环架8、中筛网和圆环架19、细筛网和圆环架25。

粗筛网和圆环架8由粗筛网46和薄膜压力传感器压点限位圆环43、薄膜压力传感器压点(受力点)44和圆环架45组成，其中粗筛网固定覆盖在圆环架45上，在圆环架下方分别为粗筛网左薄膜压力传感器12、粗筛网前薄膜压力传感器13、粗筛网右薄膜压力传感器14、粗筛网后薄膜压力传感器7这四个压力传感器感应筛网及产砂重量；中筛网和圆环架19包括中筛网47和圆环架，中筛层的传感器则包括中筛网左薄膜压力传感器15、中筛网前薄膜压力传感器16、中筛网后薄膜压力传感器17、中筛网右薄膜压力传感器18；细筛网和圆环架25包括细筛网48和圆环架，细筛层的传感器包括细筛网左薄膜压力传感器21、细筛网前薄膜压力传感器22、细筛网后薄膜压力传感器23、细筛网右薄膜压力传感器24。

从筛分前传感器下方开始中釜段的内釜壁横切面所形成的圆49内径逐渐减小，过滤装置釜体20内壁面等距分三层每层预留四个用于放置薄膜传感器的小凸起平台，釜体相应位置留有压力传感器线的预留孔道；在内径最小处之下一小段距离内径恢复中釜段最上端的内径后釜壁开有筛分后预留传感器口26；粗、中、细筛网和相对应的圆环支架，粗中细筛网固定在相对应的三个不同大小的圆环支架，分别放置在内径逐渐变小的不同分层的薄膜压力传感器上来实时检测不同出砂粒径的重量；在细筛网层下方空腔内左外釜壁50分别有筛分后预留传感器26用于检测筛分后腔内温度等参数，在这空腔下方为挡水板28；挡水板28高的一端下方为筛分后压力传感器27用于检测筛分后压力大小，结合筛分前压力传感器11和筛分后压力传感器27可以显示出筛网堵塞程度和气流稳定程度，结合筛分前预留传感器10和筛分后预留传感器26可检测出气水砂经过粗中细筛网后的温度等参数变化；挡水板28低的一端开有半圆形开口用于放置极细筛网29来过滤气水砂中残留的细小颗粒；在挡水板28下方为出气口30，连上出气口管线，另一端接在出气阀的进出口弯曲管道3，之后经过出气阀36流向气体流量计37管段，流出气体流量计接气体回收装置38；可拆下盖31底部连接出水口管线，一端接在过滤釜釜体的出水口32，一端接在出水阀39的进出口弯曲管道3，之后经过出水阀39流向收集水的密闭容器40。收集水的密闭容器40，用于收集分离出的产水，使用天平42称重计量，容器开有入水口和排气口，排气口连接排气阀41；整个过滤装置釜体20和振动器34，固定于支架33上，用于产生振动使釜体内的出砂更好分离，促进流体流动；支架33用于固定和支撑过滤装置釜体20，缓冲支架垫35用于减少振动产生的噪声和保护支架。

下面结合图1-图3详细说明本发明的试验方法。

搭建包含甲烷气加压注入62和注水平流泵66部件，水浴恒温控制54部件和天然气水合物生成分解反应釜55，出砂粒度分析仪78等部件的天然气水合物生成分解系统和包含气水砂入口管线的开采出砂分析管段79和天然气水合物开采产气水砂管道1，过滤装置釜体20，粗、中、细筛网和相对应的圆环支架45，出气口管线，出水口管线，收集水的密闭容器40，振动器34，支架33和缓冲支架垫35等产气水砂分离计量的试验装置；

在确保按照试验要求，开启水合物反应釜可拆螺纹右釜盖74，将天然气水合物生成分解反应釜55装置内水合物区填入多孔介质砂质，控制分隔板机构68关闭分区分隔板69，再依次装入防砂筛管区72的筛管壁网、筛管填料和筛管壁网，防砂筛管区74内设有筛管区温度传感器70，装好可拆螺纹右釜盖74后，通过井筒注入预留口75注入模拟井筒液，装置搭建完成后，将各传感器线接入传感器数据采集器80口，在天然气水合物生成分解区67的注气口打开注气阀61通入氮气利用肥皂水进行检漏操作，此时分区分隔板69为关，压力维持较高压不变一段时间后抽离隔板若压力维持较高压不变则证明整个装置不漏，否则重新检漏，这样以保证分离后的气液固准确计量；校正筛分前压力传感器11和筛分后压力传感器27、天平42、气体流量计37，归零薄膜压力传感器数据，确保出砂、产水、产气计量准确，传感器数据准确；打开天然气水合物生成分解反应釜55水合物区注水口的注水阀65和注水平流泵66，注气阀61和甲烷气加压注入62部件依次注入定量液体和气体，左侧注气注入轴压区维持水合物区的轴压空气腔53的轴压，此时水合物生成，当通过天然气水合物反应釜压力传感器58检测到水合物区压力不再变化或达到预定压力时，准备进行模拟天然气水合物开采，其过程开始前，打开出砂粒度分析仪78，补光灯6和摄像头监测9监测，可通过出砂粒度分析仪78和摄像头监测9查看内部实时出砂影像；关闭入口球阀2、排气阀41，出气阀36和出水阀39，将天然气水合物开采产气水砂管道1与入口球阀2连；开启入口球阀2正式模拟水合物开采过程；通过井筒压力传感器76和筛分前压力传感器11监测开采压力；对于模拟天然气水合物开采过程的气水砂三相分离来说，在开启入口球阀2后开启出气阀36和出水阀39，(对于固液两相分离来说，在开启入口球阀2后开启出水阀39，对于气液两相分离来说，在开启入口球阀2后开启出水阀39和出气阀36，对于气固两相分离来说，在开启入口球阀2后开启振动器34和出气阀36)，水合物分解过程中的产出砂依次通过开采观测区，粗中细筛网进行分离并进行薄膜压力传感器进行称重计量，产出气体和液体分别通过气体流量计37与天平42计量；当筛分前压力传感器11和筛分后压力传感器27的压差到达设定值时，可以推断筛网有堵塞现象，此时开启振动器34促进流体流动解堵，或者在模拟开采预计产水较少时可定时或连续开启振动器34；振动器34也可在模拟开采过程中持续开启，在薄膜压力传感器采集数据时暂时停止。

通过电脑数据分析记录软件81采集的数据，关闭入口球阀2、出水阀39、出气阀36完成天然气水合物模拟开采的气水砂分离及计量；实验结束后取出圆环架45和极细筛网29进行产砂粒径分析，各个釜体清洗与实验装置整理等操作。这样，就可以对天然气水合物模拟生成，分解及开采产气水砂实施动态监测，分析天然气水合物开采出砂防砂砂试验不同阶段的产气产水产砂以及压力等参数变化；分析天然气水合物模拟开采产气水砂的各阶段压力等变化及相对应的气液固产量规律；通过调整模拟开采条件方案，可以实现产气水砂效果的反馈，评价及优化模拟开采出砂防砂效果，便于分析计算天然气水合物模拟开采产气水砂的变化规律及其特征，为实际水合物开采出砂防砂方案的制定提供支撑。

一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量方法，所述方法应用于上任一所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，包括以下步骤：

从天然气水合物生成分解反应釜的一端填入多孔介质砂质，关闭分区分隔板，使天然气水合物生成分解反应釜的各区为密闭状态；

检查天然气水合物生成分解反应釜的气密性，确保各采集物理量的电子器件正常工作；

向天然气水合物生成分解反应釜的水合物生成分解区依次注入设定量的液体和甲烷气体；

通过压缩空气泵注入气体推动内腔活塞以维持水合物生成分解区的轴压稳定；

当水合物生成分解区的轴压不再变化或达到预定压力时，水合物生成分解区的气水砂进入过滤装置釜体，其中，气水砂依次经过多层过滤层，砂得到多次过滤并收集，气体进入接气体回收装置，液体进入收集水密闭容器；当三相分离时，接通接气体回收装置和收集水密闭容器；当固液两相分离时，接通收集水密闭容器；当气液两相分离时，接通接气体回收装置和收集水密闭容器；当气固两相分离时，开启振动器和接通接气体回收装置。

本实施例中：

1)搭建包含注气注水部件，恒温部件和天然气水合物反应釜，粒度仪等部件的天然气水合物生成分解系统和包含气水砂入口管线，过滤釜釜体，粗、中、细筛网和相对应的圆环支架，出气口管线，出水口管线，收集水的密闭容器，振动器，支架和缓冲支架垫等产气水砂分离计量的试验装置；

2)在确保按照试验要求，开启水合物反应釜可拆右盖，将天然气水合物生成分解装置内水合物区填入多孔介质砂质，关闭分隔板，再依次装入筛管壁网、筛管填料和筛管壁网，装好可拆右盖后，注入模拟井筒液，装置搭建完成后，将传感器线接入数据采集口，在天然气水合物生成分解反应釜生成区的注气口通入氮气利用肥皂水进行检漏操作，此时分区分隔板为关，压力维持较高压不变一段时间后抽离隔板若压力维持较高压不变则证明整个装置不漏，否则重新检漏，这样以保证分离后的气液固准确计量；校正筛分前后压力传感器、天平、流量计，归零薄膜压力传感器数据，打开补光灯和摄像头监测，确保出砂、产水、产气计量准确，传感器数据准确，并可通过粒度仪和摄像头查看内部实时出砂影像；

3)向天然气水合物生成分解反应釜的水合物区注水口和注气口依次注入定量液体和气体，左侧注气注入轴压区维持水合物区的轴压，此时水合物生成，当水合物区压力不再变化或达到预定压力时，准备进行模拟天然气水合物开采，其过程开始前，关闭入口球阀、排气阀，出气阀和出水阀，将天然气水合物开采的产气水砂产出管道与球阀连；开启入口球阀正式模拟水合物开采过程；通过井筒压力传感器和筛分前压力传感器监测开采压力；

4)对于模拟天然气水合物开采过程的气水砂三相分离来说，在开启入口球阀后开启出气阀和出水阀，(对于固液两相分离来说，在开启入口球阀后开启出水阀，对于气液两相分离来说，在开启入口球阀后开启出水阀和出气阀，对于气固两相分离来说，在开启入口球阀后开启振动器和出气阀)，水合物分解过程中的产出砂依次通过开采观测区，粗中细筛网进行分离并进行薄膜压力传感器进行称重计量，产出气体和液体分别通过流量计与天平计量；

5)当压力传感器的筛分前后压差到达设定值时，可以推断筛网有堵塞现象，此时开启振动器促进流体流动解堵，或者在模拟开采预计产水较少时可定时或连续开启振动器；振动器也可在模拟开采过程中持续开启，在薄膜压力传感器采集数据时暂时停止。

6)通过电脑软件实时分析采集的数据，关闭入口球阀、出水阀、出气阀完成天然气水合物模拟开采的气水砂分离及计量；实验结束后取出圆环架和极细筛网进行产砂粒径分析，各个釜体清洗与实验装置整理等操作。

开采方法可根据需要选择降压开采或注热开采，其中，降压开采是目前主要的天然气水合物开采方法之一，是通过降低水合物层压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固体分解相变产生甲烷气体的过程。降压法开采井的设计与常规油气开采相近，渗透性较好的水合物藏内压力传播很快，因此，降压法是最有潜力的经济、有效的开采方式。注热开采，又称热激发开采法，是直接对天然气水合物层进行注热或加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。

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 (10)

1.一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，包括天然气水合物生成分解系统、过滤装置，其特征在于，

所述天然气水合物生成分解系统包括压缩空气泵、天然气水合物生成分解反应釜、水浴恒温控制装置，所述天然气水合物生成分解反应釜内腔沿轴线设有内腔活塞和分区分隔板，所述内腔活塞与所述天然气水合物生成分解反应釜的内腔一端形成的密闭空间为轴压空气腔，所述压缩空气泵用于给所述轴压空气腔注入气体驱动所述内腔活塞朝向所述分区分隔板方向运动；所述内腔活塞与所述分区分隔板之间形成的密闭空间为水合物生成分解区，所述水合物生成分解区连接有甲烷气加压注入源和注水平流泵；所述分区分隔板与所述天然气水合物生成分解反应釜的内腔另一端形成的密闭空间分别为防砂筛管区和井筒开采区；所述轴压空气腔、水合物生成分解区、防砂筛管区、井筒开采区和过滤装置均设有采集物理量的电子器件；

所述过滤装置包括过滤装置釜体，所述过滤装置釜体的入口端与所述防砂筛管区连接且所述过滤装置釜体的出口端与收集水密闭容器连接，所述过滤装置釜体内从入口端到出口端设有多层过滤层，多层过滤层的横切面内径逐渐减小且多层过滤层的过滤粒径逐渐减小；过滤层的出口端连接有接气体回收装置；所述过滤层的入口端上方的过滤装置釜体的釜壁上设有视窗，所述视窗的周围设有监测摄像头和补光灯，所述监测摄像头透过所述视窗监测过滤装置釜体内气水砂的流入情况，过滤装置釜体的下端有用于固定和支撑过滤装置釜体的支架，所述支架内设有振动器，振动器用于产生振动从而使过滤装置釜体内的出砂更好分离以及促进流体流动。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，所述过滤层为过滤粒径逐渐减小的粗筛层、中筛层和细筛层，所述粗筛层、中筛层和细筛层均包括圆环架和连接在所述圆环架上的筛网，圆环架上设有若干薄膜压力传感器压点，在每个薄膜压力传感器压点的周围设有薄膜压力传感器压点限位圆环，所述薄膜压力传感器压点限制在所述薄膜压力传感器压点限位圆环的面积范围内，所述过滤装置釜体上设有与所述薄膜压力传感器压点对应的若干筛网后薄膜压力传感器，所述筛网后薄膜压力传感器用于测量筛网、圆环架以及过滤砂的总重量。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，所述粗筛层的上方设有筛分前压力传感器和筛分前温度传感器，所述细筛层的下方设有挡水板，所述挡水板倾斜一角度布置在所述过滤装置釜体内，所述挡水板高的一端下方设有筛分后压力传感器，结合筛分前压力传感器和筛网后薄膜压力传感器可以显示出筛网的堵塞程度和气流稳定程度，所述挡水板低的一端开有半圆形开口极细筛网，极细筛网的过滤粒径比细筛层的小，极细筛网与细筛层之间设有筛分后温度传感器，筛分前温度传感器和筛分后温度传感器用于检测气水砂经过过滤层后的温度变化。

4.根据权利要求3所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，所述过滤装置釜体的上端连接有可拆上盖，所述过滤装置釜体的内腔下端设有可拆下盖。

5.根据权利要求4所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，所述可拆下盖具有向出水口倾斜的坡度，出水口通过管道与所述收集水密闭容器连通，其连通管道上设有出水阀，所述收集水密闭容器设置在天平上，所述收集水密闭容器上设置有排气阀；所述接气体回收装置通过管道连接至所述挡水板高的一端下方，其连通管道上设有出气阀和气体流量计。

6.根据权利要求1所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，

所述轴压空气腔设有轴压压力传感器；

所述水合物生成分解区设有活塞限位，所述甲烷气加压注入源和所述注水平流泵对应设置有注气阀和注水阀，所述水合物生成分解区沿轴向设置有若干温度传感器且所述水合物生成分解区的釜壁内侧设有天然气水合物反应釜压力传感器，所述水合物生成分解区还设置有天然气水合物生成分解区预留注入口；

所述防砂筛管区内依次安装有筛管壁网、筛管填料和筛管壁网且所述防砂筛管区74内设有筛管区温度传感器，所述防砂筛管区还设置有筛管注入预留口；

所述分区分隔板受可控制分隔板机构控制进行开闭动作。

7.根据权利要求6所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，所述井筒开采区内设置有井筒温度传感器、井筒压力传感器且所述井筒开采区连接有出砂粒度分析仪，井筒注入预留口用于注入模拟井筒液，井筒开采区一侧的天然气水合物生成分解反应釜的端面采用可拆卸釜盖。

8.根据权利要求7所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，所述井筒开采区设有井筒出口，所述井筒出口与所述可拆上盖的开口通过相互连接的开采出砂分析管段和进出口弯曲管道连通，开采出砂分析管段和进出口弯曲管道连接处还设有入口球阀。

9.根据权利要求1-8任一所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，还包括传感器数据采集器和上位机，所述上位机安装有数据分析记录软件，所述传感器数据采集器与天然气水合物生成分解系统和过滤装置的各电子器件控制信号相连，用于实时采集和分析实验过程的数据。

10.一种天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量方法，所述方法应用于权利要求1-9任一所述的天然气水合物模拟开采产气水砂分离计量装置，其特征在于，包括以下步骤：

从天然气水合物生成分解反应釜的一端填入多孔介质砂质，关闭分区分隔板，使天然气水合物生成分解反应釜的各区为密闭状态；

检查天然气水合物生成分解反应釜的气密性，确保各采集物理量的电子器件正常工作；

向天然气水合物生成分解反应釜的水合物生成分解区依次注入设定量的液体和甲烷气体，通过水浴恒温控制装置控制天然气水合物生成分解反应釜的环境温度，通过压缩空气泵注入气体推动内腔活塞以维持水合物生成分解区的轴压稳定，以实现在水合物生成分解区形成天然气水合物；

当水合物生成分解区的轴压不再变化或达到预定压力时，进行模拟天然气水合物降压开采或注热开采，开采过程产生的气水砂进入过滤装置釜体，其中，气水砂依次经过多层过滤层，砂得到多次过滤并收集，气体进入接气体回收装置，液体进入收集水密闭容器；当三相分离时，接通接气体回收装置和收集水密闭容器；当固液两相分离时，接通收集水密闭容器；当气液两相分离时，接通接气体回收装置和收集水密闭容器；当气固两相分离时，开启振动器和接通接气体回收装置。

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