CN112081574A - 天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置及方法。该装置由驱动电机25、钻杆32、透明套管33、混合罐34、储水罐1、水泵3、第一增氧泵5、压力传感器23、压力监测系统19、第二增氧泵18、三相分离器28组成。该方法包括：第一增氧泵产生的气体和储水罐内的水同时进入透明套管内，驱动电机带动钻杆和钻头转动；打开混合罐，添加岩屑颗粒和尼龙颗粒；循环至压力趋于稳定；第二增氧泵产生的空气从加气口进入套管，模拟实际工况下天然气水合物的分解；分别调节套管各个加气口球阀的不同开度，模拟天然气水合物随着返排高度变化产生不同的分解量。本发明原理可靠，操作简便，为开采天然气水合物提供详实的基础数据和理论依据。

Description

天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物钻井技术领域，尤其是涉及一种天然气水合物钻井管道微弯对流场影响测量装置及方法。

背景技术

天然气水合物是由天然气和水在高于冰点的低温和一定压力条件下形成的一种外观像冰但晶体结构却与冰不同的笼型化合物。对于天然气水合物的开采通常采用钻井开采来进行，而钻遇储层后，天然气水合物进入井筒内与钻井液一起在环空内往上排出，在往上排出的过程中，天然气水合物会随着返排高度的变化进行分解，但是由于海水的冲击作用，使得在开采过程中套管受到冲击作用后产生微弯曲。当微弯发生后，环空内的流场会发生变化，该变化直接对天然气水合物分解产生影响，若突然发生大量分解，将对环空和套管受力产生很大的影响。因此对于开采天然气水合物时，套管微弯后对环空内的流场变化如何是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置，该装置原理可靠，操作简便，用于测量天然气水合物在钻井过程中套管微弯对环空流场变化的影响，有利于更加安全高效地开采天然气水合物。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置测量天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的方法，通过该方法能便捷、准确得到天然气水合物钻井管道微弯对流场的影响情况，为开采天然气水合物提供详实的基础数据和理论依据。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置，由驱动电机、钻杆、透明套管、可拆卸盲板、混合罐、储水罐、水泵、液体流量计、第一增氧泵、气体流量计、压力传感器、压力监测系统、第二增氧泵、三相分离器、电加热器、尼龙收集桶、岩屑收集桶、球阀A、球阀B、球阀C组成。

所述驱动电机连接钻杆，钻杆连有钻头，并通过可拆卸盲板将钻杆、钻头固定在透明套管内，套管底部设有混合物进口，混合物进口既连接混合罐，混合罐设有岩屑进料口、尼龙进料口，还分别连接气体流量计、球阀B、第一增氧泵和液体流量计、水泵、球阀A、储水罐；套管上端设有混合物出口，混合物出口通过球阀C连接三相分离器，三相分离器既通过电加热器连接尼龙收集桶、岩屑收集桶，还通过管线与储水罐相连；混合物进口、混合物出口均设有压力传感器，压力传感器连接压力监测系统；套管侧端设置若干个加气口，每个加气口均设置球阀和涡街流量计，所述加气口连接第二增氧泵。

进一步的，所述透明套管采用透明PC材料制作而成。

进一步的，所述透明套管为波浪型微弯管道，弯曲角度分别为1°、2°、3°、4°、5°。

进一步的，所述透明套管侧端设有4～7个加气口，并在透明套管侧端按照5～8等份分点平均设置。

进一步的，所述第一增氧泵和第二增氧泵的功率相同，所有的球阀为相同的球阀。

进一步的，所述岩屑进料口和尼龙进料口为两个相同的进料口，用于往管道内加入岩屑和尼龙。

利用上述装置测量天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的方法，依次包括以下步骤：

（1）使用透明套管为波浪型弯曲角度1°的套管，通过可拆卸盲板将钻杆、钻头固定在透明套管内；

（2）打开储水罐、球阀A、水泵和第一增氧泵、球阀B，调节球阀B的开度（第一增氧泵产生少量气体模拟钻井过程中产生的气体），使第一增氧泵产生的气体和储水罐内的水同时从混合物进口进入透明套管内，打开球阀C，待混合物出口有液体流出后，打开驱动电机，驱动电机带动钻杆和钻头一起转动；打开混合罐，通过岩屑进料口、尼龙进料口添加岩屑颗粒和尼龙颗粒；

（3）混合物出口流出的混合物进入三相分离器进行分离，分离出的尼龙颗粒和岩屑颗粒（经过电加热器）分别进入尼龙收集桶、岩屑收集桶进行回收，分离出的水直接进入储水罐重复使用，循环一段时间，直至压力监测系统显示的压力值趋于稳定；

（4）打开第二增氧泵,调节所有加气口的球阀开度为全开的十分之一，第二增氧泵产生的空气从加气口进入套管，模拟实际工况下天然气水合物的分解，通过摄像机观察并记录环空流场变化情况；

（5）从下往上分别调节套管各个加气口球阀的不同开度，模拟实际工况下天然气水合物随着返排高度的变化进而产生不同的分解量，通过摄像机观察和记录环空流场变化情况；

（6）将透明套管依次更换为波浪型弯曲角度为2°、3°、4°、5°，重复上述步骤；

（7）绘制出不同球阀开度与环空压力变化的关系曲线。

本发明中，所述岩屑用于模拟实际工况下钻井过程中产生的岩屑，尼龙颗粒用于模拟实际工况下天然气水合物颗粒，驱动电机带动钻头转动模拟实际工况下的钻井过程，透明套管模拟实际工况下微弯的套管，第二增氧泵产生的空气从加气口进入套管，模拟实际工况下天然气水合物的分解，各个加气口球阀的不同开度分别模拟实际工况下天然气水合物随着返排高度的变化产生不同的分解量，第一增氧泵产生的少量气体模拟实际工况下钻井过程中产生的气体。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

（1）通过设置不同波浪型弯曲角度的透明套管进行模拟实际工况下受到海水冲击后套管变形，模拟真实性强；

（2）通过调节加气口球阀的开度来模拟天然气水合物在环空向上流动过程中天然气水合物的分解，模拟效果好；

（3）本发明操作便捷，能准确得到天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的关系曲线。

附图说明

图1是天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置结构示意图。

图中：1.储水罐，2.球阀A，3.水泵，4.液体流量计，5.第一增氧泵，6.球阀B，7.气体流量计，8.岩屑进料口，9.尼龙进料口，10.混合物进口，11.钻头，12.加气口，13.第一球阀，14.第二球阀，15.第三球阀，16.第四球阀，17.第五球阀，18.第二增氧泵，19.压力监测系统，20.第六球阀，21.第七球阀，22.涡街流量计，23.压力传感器，24.可拆卸盲板，25.驱动电机，26.混合物出口，27.球阀C，28.三相分离器，29.电加热器，30.尼龙收集桶，31.岩屑收集桶，32.钻杆，33.透明套管，34.混合罐。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参见图1。

天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置，由驱动电机25、钻杆32、透明套管33、可拆卸盲板24、混合罐34、储水罐1、水泵3、液体流量计4、第一增氧泵5、气体流量计7、压力传感器23、压力监测系统19、第二增氧泵18、三相分离器28、电加热器29、尼龙收集桶30、岩屑收集桶31、球阀A2、球阀B6、球阀C27组成。

所述驱动电机25连接钻杆32，钻杆连有钻头11，并通过可拆卸盲板24将钻杆、钻头固定在透明套管33内，套管底部设有混合物进口10，混合物进口既连接混合罐34，混合罐设有岩屑进料口8、尼龙进料口9，还分别连接气体流量计7、球阀B6、第一增氧泵5和液体流量计4、水泵3、球阀A2、储水罐1；套管上端设有混合物出口26，混合物出口通过球阀C27连接三相分离器28，三相分离器既通过电加热器29连接尼龙收集桶30、岩屑收集桶31，还通过管线与储水罐1相连；混合物进口、混合物出口均设有压力传感器23，压力传感器连接压力监测系统19；套管侧端设置4～7个加气口12，每个加气口均设置球阀和涡街流量计，所述加气口连接第二增氧泵18。

图1中在套管左侧设置7个加气口12，从下往上，每个加气口设置球阀（第一球阀13、第二球阀14、第三球阀15、第四球阀16、第五球阀17、第六球阀20、第七球阀21）和涡街流量计22。

利用图1中装置测量天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的方法，过程如下：

（1）将储水罐1、球阀A2、水泵3、液体流量计4依次串联，第一增氧泵5、球阀B6、气体流量计7依次串联，将液体流量计和气体流量计并联后和混合罐34、混合物进口10串联；混合物出口26依次与球阀C27、三相分离器28相连；将驱动电机25与钻杆32、钻头11相连后通过可拆卸盲板24固定在透明套管33内。首先使用到的透明套管33为波浪型弯曲角度1°的套管。

（2）依次打开储水罐1、球阀A2、水泵3、球阀B6、球阀C27，调节球阀B6的开度，使第一增氧泵5产生的气体和储水罐1内的水一起从混合物进口10进入透明套管33内。待混合物出口26有液体流出后打开驱动电机25，使驱动电机25带动钻杆32和钻头11一起转动。接着打开混合罐34，加入一定量的岩屑颗粒和尼龙颗粒，其比例按照3：1的比例进行添加；然后循环一段时间，待压力监测系统19上显示的压力值趋于稳定后，打开第二增氧泵18。

（3）分别调节第一球阀13、第二球阀14、第三球阀15、第四球阀16、第五球阀17、第六球阀20、第七球阀21的开度为全开的十分之一，观察流体变化情况，并用高速摄像机（图中未标出）做好记录。接着调节第一加气口的球阀开度为全开的二十分之一、第二加气口的球阀开度为全开的十五分之一、第三加气口的球阀开度为全开的十二分之一、第四加气口的球阀开度为全开的十分之一、第五加气口的球阀开度为全开的六分之一、第六加气口的球阀开度为全开的四分之一、第七加气口的球阀开度为全开的二分之一，通过高速摄像机观察流体变化情况；压力传感器将数据传至压力监测系统。混合物出口26流出的混合物进入三相分离器28进行分离，分离出的尼龙颗粒和岩屑颗粒经过电加热器29进行加热后分别进入尼龙收集桶30、岩屑收集桶31进行回收使用，分离出的水直接进入储水罐1重新回收使用。

（4）把上述阀门开度增大一倍，观察环空流场变化情况，并做好压力监测系统19上压力的记录和高速摄像机摄像工作。

（5）将透明套管33依次更换为波浪型弯曲角度2°、3°、4°、5°，重复进行上述步骤。

（6）将数据进行整理，绘制出不同加气口的球阀开度与环空压力变化的关系曲线。

本发明模拟效果好，模拟真实性强，通过绘制出不同加气口的球阀开度与环空压力变化的关系曲线，以及不同透明套管波浪型弯曲角度与环空压力变化的关系曲线能清楚地得到天然气水合物钻井管道微弯对流场的影响，为现场实际工况下进行天然气水合物钻井过程中套管设计以及预防事故发生提供重要的指导。

Claims (4)

1.天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置，由驱动电机（25）、钻杆（32）、透明套管（33）、可拆卸盲板（24）、混合罐（34）、储水罐（1）、水泵（3）、液体流量计（4）、第一增氧泵（5）、气体流量计（7）、压力传感器（23）、压力监测系统（19）、第二增氧泵（18）、三相分离器（28）、尼龙收集桶（30）、岩屑收集桶（31）、球阀A（2）、球阀B（6）、球阀C（27）组成，其特征在于，所述驱动电机（25）连接钻杆（32），钻杆连有钻头（11），并通过可拆卸盲板（24）将钻杆、钻头固定在透明套管（33）内，套管底部设有混合物进口（10），混合物进口既连接混合罐（34），混合罐设有岩屑进料口（8）、尼龙进料口（9），还分别连接气体流量计（7）、球阀B（6）、第一增氧泵（5）和液体流量计（4）、水泵（3）、球阀A（2）、储水罐（1）；套管上端设有混合物出口（26），混合物出口通过球阀C（27）连接三相分离器（28），三相分离器既连接尼龙收集桶（30）、岩屑收集桶（31），还通过管线与储水罐（1）相连；混合物进口、混合物出口均设有压力传感器（23），压力传感器连接压力监测系统（19）；套管侧端设置若干个加气口（12），加气口连接第二增氧泵（18）。

2.如权利要求1所述的天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置，其特征在于，所述透明套管为波浪型微弯管道，弯曲角度分别为1°、2°、3°、4°、5°。

3.如权利要求1所述的天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的测量装置，其特征在于，所述透明套管侧端设有4～7个加气口，并在透明套管侧端按照5～8等份分点平均设置。

4.利用权利要求1、2或3所述的装置测量天然气水合物钻井管道微弯对流场影响的方法，依次包括以下步骤：

（1）使用透明套管为波浪型弯曲角度1°的套管，通过可拆卸盲板将钻杆、钻头固定在透明套管内；

（2）打开储水罐、球阀A、水泵和第一增氧泵、球阀B，使第一增氧泵产生的气体和储水罐内的水同时从混合物进口进入透明套管内，打开球阀C，待混合物出口有液体流出后，打开驱动电机，驱动电机带动钻杆和钻头一起转动；打开混合罐，通过岩屑进料口、尼龙进料口添加岩屑颗粒和尼龙颗粒；

（3）混合物出口流出的混合物进入三相分离器进行分离，分离出的尼龙颗粒和岩屑颗粒分别进入尼龙收集桶、岩屑收集桶进行回收，分离出的水直接进入储水罐重复使用，循环一段时间，直至压力监测系统显示的压力值趋于稳定；

（4）打开第二增氧泵,调节所有加气口的球阀开度为全开的十分之一，第二增氧泵产生的空气从加气口进入套管，模拟实际工况下天然气水合物的分解，通过摄像机观察并记录环空流场变化情况；

（5）从下往上分别调节套管各个加气口球阀的不同开度，模拟实际工况下天然气水合物随着返排高度的变化进而产生不同的分解量，通过摄像机观察和记录环空流场变化情况；

（6）将透明套管依次更换为波浪型弯曲角度为2°、3°、4°、5°，重复上述步骤；

（7）绘制出不同球阀开度与环空压力变化的关系曲线。

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