CN112282705A - 一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置及实验方法，属于天然气水合物开发技术领域，包括气体注入系统、液体注入系统、抽真空系统、天然气水合物模拟储层系统、储层渗透率测量系统、钻井液循环系统、天然气水合物模拟储层温度压力监测系统、反应釜温度控制系统；能够模拟真实水平井钻井工况，实现对钻井液添加剂在天然气水合物储层影响范围实时测量，可得到储层中天然气水合物分解界面动态分布和水合物分解速率。

Description

一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置及实 验方法

技术领域

本发明涉及一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置及实验方法，属于天然气水合物开发技术领域。

背景技术

天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的结晶物质，全球天然气水合物资源总量约是传统化石能源总量的两倍，90％以上分布在海域，我国海域的天然气水合物资源量约为800亿吨油当量，是重要的潜在高效清洁油气接替能源。近年俄罗斯、美国、日本、加拿大等多个发达国家开展了天然气水合物开采技术研究，我国南海神狐海域深水天然气水合物试采也取得重要突破，但均离商业化开采相距甚远。

天然气水合物对温度、压力极为敏感，钻井过程中，井筒工作液与天然气水合物发生热化反应，钻井液滤液化学特性、循环温度、排量等钻完井参数不合适会诱发储层天然气水合物发生分解，导致储层结构破坏、井壁失稳、成井困难等，水平井等复杂结构井钻探尤为严重。厘清钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定机理、量化表征钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定作用机制，是确保水合物储层钻探过程中井壁稳定性关键。目前，受温度、压力和化学剂影响，钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定作用机制相当复杂，鲜有试验数据，井壁稳定机理也没有一个系统的解释，因而成为天然气水合物钻井研究领域的一个难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，用于快速的测量出不同钻井液添加剂对储层天然气水合物相态的影响程度，进而系统分析钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定作用机制，为天然气水合物钻井钻井液体系设计和理论研究提供实验基础。

本发明还提供上述用于评价一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的实验方法。

本发明的技术方案如下：

一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，包括气体注入系统、液体注入系统、抽真空系统、天然气水合物模拟储层系统、储层渗透率测量系统、钻井液循环系统、天然气水合物模拟储层温度压力监测系统、反应釜温度控制系统；

气体注入系统用于将气体注入天然气水合物模拟储层，为天然气水合物生成提供气源；液体注入系统用于将水注入天然气水合物模拟储层，为天然气水合物生成提供水源；抽真空系统用于为反应釜及管路抽真空，以保证天然气水合物模拟储层制备过程中的纯度；天然气水合物模拟储层系统用于模拟天然气水合物储层，为储层提供稳定的压力环境；储层渗透率测量系统用于为天然气水合物模拟储层测量渗透率；钻井液循环系统用于为钻井液提供高压下闭合的循环回路；天然气水合物模拟储层温度压力监测系统用于为钻进过程中储层内温度和压力变化进行准确监测并实时采集；反应釜温度控制系统用于为反应釜提供稳定的温度环境。

优选的，气体注入系统包括天然气气源，天然气气源与第五阀门、第一管线、气体增压泵、第六阀门、第二气体存储罐、第二气体流量计、第七阀门、第一阀门、天然气水合物储层流体注入第一管线组、天然气水合物储层流体注入第二管线组依次通过管线相连；

天然气气源用于提供天然气水合物生成实验所需的天然气，气体增压泵用于为天然气增压以满足实验压力要求，第二气体存储罐用于存储增压后的天然气体，第二气体流量计用于实时测量流入管路中的天然气流量；天然气水合物储层流体注入第一管线组和天然气水合物储层流体注入第二管线组为天然气水合物模拟储层制备前放入天然气水合物模拟反应釜中两组相同的管线；

进一步优选的，第二气体存储罐容积40L。

进一步优选的，天然气水合物模拟反应釜中天然气水合物储层流体注入第一管线组和天然气水合物储层流体注入第二管线组长度均为1.5m，每组包含28个长度5mm、直径2mm的出气口均匀分布在管线两侧；天然气通过第五阀门进入第一管线，经过增压由第七阀门、第一阀门进入气体注入系统。

优选的，液体注入系统包括液体存储罐，液体存储罐与第一液体高压泵、第一液体流量计、第八阀门、第一阀门、天然气水合物储层流体注入第一管线组、天然气水合物储层流体注入第二管线组依次通过管线相连；

液体存储罐用于提供天然气水合物生成实验所需的水，第一液体高压泵用于为储罐内液体在管线流动提供动力，第一液体流量计用于实时测量流入管路中的液体流量；气体注入系统和液体注入系统共用天然气水合物储层流体注入第一管线组和天然气水合物储层流体注入第二管线组；气体注入系统和液体注入系统不能同时工作，液体注入系统启用时需关闭第七阀门、第九阀门，天然气水合物合成所需水通过第八阀门进入第二管线，经过第一液体高压泵由第一阀门进入液体注入系统。

优选的，抽真空系统包括放空管线、真空泵、第九阀门依次通过管线相连；天然气水合物模拟反应釜内填砂完毕后，真空泵用于将反应釜及管线内的气体由第九阀门至放空管线排出。

优选的，天然气水合物模拟储层系统包括：天然气水合物模拟反应釜、天然气水合物模拟储层、电动提升机；天然气水合物模拟储层由砂样预填至天然气水合物模拟反应釜内，用于模拟实际天然气水合物储层，提升机一端固定在恒温箱上部，一端连接天然气水合物模拟反应釜，通过电动提升天然气水合物模拟反应釜方便拆卸和砂样预填操作。

优选的，储层渗透率测量系统包括：氮气气源、第二阀门、第一管线、第三阀门、第一气体存储罐、第一气体流量计、第四阀门、第二管线、第一阀门、天然气水合物储层流体注入第一管线组、天然气水合物储层流体注入第二管线组、第三管线、背压阀、第三气体流量计、第一气体计量储存罐依次通过管线相连；

天然气水合物模拟储层制备完成后，开始储层渗透率测量，氮气气源提供渗透率测量实验所需的气体，气体增压泵用于为氮气增压以满足实验压力要求，第一气体存储罐用于存储增压后的氮气，第一气体流量计用于实时测量流入管路中的氮气流量，背压阀用于调节天然气水合物模拟反应釜出口压力，第三气体流量计用于实时计量天然气水合物模拟反应釜出口氮气流量，第一气体计量储存罐用于存储天然气水合物模拟反应釜出口流出氮气并实时显示压力数值。

进一步优选的，第一气体存储罐容积40L。

优选的，钻井液循环系统包括化学剂计量泵，化学剂计量泵与第十阀门、钻井液存储池、第二液体流量计、气液分离器、第二液体高压泵、第一高压软管、水平加载装置、转换接头、钻机、钻杆、高压密封轴承、定制钻头、内置套管、第二高压软管、液固分离器、第五管线、第六管线、第十一阀门依次连接；

化学剂计量泵用于将钻井液用化学添加剂泵入钻井液存储池并实时计量化学剂加入量，钻井液存储池用于钻井液循环系统中钻井液的存储、密闭，第二液体流量计用于实时计量循环管路钻井液流量，气液分离器用于分离钻井液中的气体，第二液体高压泵为循环系统提供动力，第一高压软管连接水平第二液体高压泵和钻杆、耐高压可弯曲，加载装置通过齿轮传动为钻杆施加水平载荷，转换接头用于连接水平加载装置和钻机、实现一端加载一端旋转，钻机为钻杆提供旋转动力，钻杆为钻井液提供流动通道和为定制钻头施加钻压，高压密封轴承用于钻杆与天然气水合物模拟反应釜高压动密封，定制钻头用于钻探天然气水合物模拟储层，内置套管为定制钻头返出钻井液提供流动通道、长度0.5m、直径100mm、提前预置天然气水合物模拟反应釜中，液固分离器用于分离钻井液中的固体，第四气体流量计用于计量气液分离器分离出的气体，第二气体计量储存罐用于存储天气液分离器分离出的气体并实时显示压力数值，第二高压软管用于连接内置套管与钻杆环空返出的钻井液流入液固分离器中、耐高压可弯曲。

进一步优选的，钻井液存储池容积2m³，钻杆长度1.6m、直径50mm，内置套管长度0.5m、直径100mm。

优选的，天然气水合物模拟储层温度压力监测系统，包括：温度压力传感器固定器、传感器固定杆、温度、压力传感器、数据信号传输线、数据处理系统；天然气水合物模拟反应釜预留温度压力传感器接入口，温度压力传感器固定器用于固定传感器固定杆，传感器固定杆用于连接第一温度压力传感器、第二温度压力传感器和第三温度压力传感器；温度压力传感器包括第一温度压力传感器、第二温度压力传感器和第三温度压力传感器，用于实时监测天然气水合物模拟储层温度和压力变化；数据信号传输线用于传输温度压力传感器监测的温度和压力数据，数据处理系统将温度和压力数据计算整理并判断天然气水合物模拟反应釜不同位置处天然气水合物相态。

进一步优选的，温度压力传感器共16组48个；第一温度压力传感器位于距离天然气水合物模拟反应釜中心轴线75mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；第二温度压力传感器位于距离天然气水合物模拟反应釜中心轴线100mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；第三温度压力传感器位于距离天然气水合物模拟反应釜中心轴线125mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个。

优选的，反应釜温度控制系统包括恒温箱、恒温箱温度控制装置，恒温箱用于为天然气水合物模拟反应釜提供实验所需恒定温度，恒温箱温度控制装置用于实时调节并精准控制恒温箱温度。

进一步优选的，恒温箱温度控制范围0-100℃。

在密闭环路中，所有部件和管路均耐压40MPa，可用于对钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的实验评价。

用于评价一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的实验方法，采用上述的实验装置，包括步骤如下：

(1)、制作天然气水合物模拟储层

根据实验设计要求将砂样预填至天然气水合物模拟反应釜内，装填完毕后调整第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、背压阀处于关闭状态，开启第九阀门、第一阀门利用真空泵排除实验管路中的空气；关闭第九阀门，开启第五阀门、第六阀门、第七阀门，根据天然气水合物饱和度设置注入天然气气体总量；关闭第五阀门、第六阀门、第七阀门，开启第八阀门，根据天然气水合物饱和度设置注入清水液体的总量；

(2)、天然气水合物模拟储层渗透率测量

调整第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门处于关闭状态，开启第二阀门、第三阀门、第四阀门、背压阀，氮气在气体增压泵作用下流动进入天然气水合物模拟储层中，待参数稳定后，进行天然气水合物模拟储层的渗透率测量；优选的，待参数稳定后，读取第一气体存储罐压力p₁、第一气体计量储存罐压力p₂、第三气体流量计气体流量Q₀，计算天然气水合物模拟储层的渗透率：

式中，k_g天然气水合物模拟储层的渗透率，m²；p₁为入口第一气体存储罐压力，Pa；p₂为出口第一气体计量储存罐压力，Pa，p₀为大气压，Pa；μ为氮气气体的动力粘度，Pa·s；Q₀为大气压下的气体体积流量，m³/s，A为天然气水合物模拟储层的横截面积，m²；L为天然气水合物模拟储层的长度，m；

(3)钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定评价实验

调整第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、背压阀处于关闭状态，将实验系统的温度、压力调节为实验设定的温度、压力，开启第十一阀门，启动第二液体高压泵、水平加载装置、钻机，钻井液存储池中加入常规钻井液，进行没有钻井液添加剂下钻井循环钻进实验，进行没有钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层中天然气水合物分解界面动态分布和水合物分解速率；

优选的，进行没有钻井液添加剂下钻井循环钻进实验，第一温度、压力传感器331、第二温度、压力传感器332、第三温度、压力传感器333实时监测天然气水合物模拟储层41中不同位置处温度压力变化，将不同位置处温度T_i、压力p_i数据与天然气水合物相态曲线模型对比，判断该位置处天然气水合物是否分解，第四气体流量计223实时计量天然气水合物的分解速率v_i，天然气水合物相态曲线模型：

上式中，T为体系温度，K；Δμ₀为标准状态下空水合物晶格和纯水中水的化学位差；T₀为标准状态下的温度，K；p₀为标准状态下的压力，Pa；ΔH₀为空水合物晶格和纯水的比焓差，J/kg；ΔV为空水合物晶格和纯水的比容差，m³/kg；ΔC_p为空水合物晶格和纯水的比热容差，J/(kg·K)；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；N_c为混合物中可以生成水合物的组分数目；ε_i为水合物相中单位水分子中i型孔穴数目；θ_ij为客体分子j在i形孔穴中的占有分率；f_w为水在富水相中的逸度，Pa；

为纯水在参考状态T和p下的逸度，Pa。若水合物的类型，常数θ_ij及C_ij可以确定；同时可根据实验测量得到不同钻井液添加剂浓度下的

数值。

通过数据处理系统35可实时导出没有钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层41中天然气水合物分解界面动态分布B_m,t和水合物分解速率v_m,t。

利用如图1所示实验装置，重复步骤(1)、步骤(2)，启动化学剂计量泵、第十阀门，泵入一种设定浓度钻井液添加剂于钻井液存储池中，继续重复步骤(3)，测量得到含既定浓度钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层中天然气水合物分解界面动态分布和水合物分解速率。

通过对比不同位置、不同时刻下B_m,t和B_m,t、v_m,t和v_n,t，可评价出钻进条件下钻井液添加剂对储层中天然气水合物相态稳定的影响程度，改变钻井液排量和添加剂浓度，绘制出钻井液添加剂随钻井液排量和添加剂浓度变化对储层中天然气水合物分解界面分布图版，为钻井液添加剂优选提供实验基础。

本发明的有益效果在于：

(1)、能够模拟真实水平井钻井工况，实现对钻井液添加剂在天然气水合物储层影响范围实时测量，可得到储层中天然气水合物分解界面动态分布和水合物分解速率。

(2)、装置易于操作，可行性高。

(3)、测量方法科学，能够实现较高精度的参数测量。

附图说明

图1为用于评价钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的装置；

图2为可控恒温箱内部设备布置图；

图3为温度、压力传感器在反应釜内截面布置图；

图中：101、第一管线；102、第二管线；103、第一阀门；104、天然气水合物储层流体注入第一管线组；105、天然气水合物储层流体注入第二管线组；111、氮气气源；112、第二阀门；113、第三阀门；114、第一气体存储罐；115、第一气体流量计；116、第四阀门；121、天然气气源；122、第五阀门；123、第六阀门；124、第二气体存储罐；125、第二气体流量计；126、第七阀门；131、液体存储罐；132、第一液体高压泵；133、第一液体流量计；134、第八阀门；14、气体增压泵；141、放空管线；142、真空泵；143、第九阀门；151、第三管线；152、背压阀；153、第三气体流量计；154、第一气体计量储存罐；201、化学剂计量泵；202、第十阀门；203、钻井液存储池；204、第二液体流量计；205、气液分离器；206、第二液体高压泵；207、第一高压软管；208、水平加载装置；209、转换接头；210、钻机；211、钻杆；212、高压密封轴承；213、定制钻头；214、内置套管；215、第二高压软管；216、液固分离器；217、第五管线；221、第六管线；222、第十一阀门；223、第四气体流量计；224、第二气体计量储存罐；3、天然气水合物模拟储层温度压力监测系统；31、温度压力传感器固定器；32、传感器固定杆；33、温度压力传感器；331、第一温度压力传感器；332、第二温度压力传感器；333、第三温度压力传感器；34、数据信号传输线；35、数据处理系统；4、天然气水合物模拟反应釜；41、天然气水合物模拟储层；42、电动提升机；5、恒温箱；51、恒温箱温度控制装置。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，包括气体注入系统、液体注入系统、抽真空系统、天然气水合物模拟储层系统、储层渗透率测量系统、钻井液循环系统、天然气水合物模拟储层温度、压力监测系统、反应釜温度控制系统。气体注入系统将气体注入天然气水合物模拟储层，为天然气水合物生成提供气源；液体注入系统将水注入天然气水合物模拟储层，为天然气水合物生成提供水源；抽真空系统是为反应釜及管路抽真空，以保证天然气水合物模拟储层制备过程中的纯度；天然气水合物模拟储层系统是模拟天然气水合物储层，为储层提供稳定的压力环境；储层渗透率测量系统为天然气水合物模拟储层测量渗透率；钻井液循环系统为钻井液提供高压下闭合的循环回路；天然气水合物模拟储层温度、压力监测系统为钻进过程中储层内温度和压力变化进行准确监测并实时采集；反应釜温度控制系统为反应釜提供稳定的温度环境。

气体注入系统，包括：天然气气源121、第五阀门122、第一管线101、气体增压泵14、第六阀门123、第二气体存储罐124、第二气体流量计125、第七阀门126、第一阀门103、天然气水合物储层流体注入第一管线组104、天然气水合物储层流体注入第二管线组105依次通过管线相连；天然气气源121提供天然气水合物生成实验所需的天然气，气体增压泵14为天然气增压以满足实验压力要求，第二气体存储罐124用于存储增压后的天然气体、容积40L，第二气体流量计125用于实时测量流入管路中的天然气流量；天然气水合物储层流体注入第一管线组104和天然气水合物储层流体注入第二管线组105为天然气水合物模拟储层制备前放入天然气水合物模拟反应釜4中两组相同的管线，天然气水合物模拟反应釜4中第一管线组104和第二管线组105长度均为1.5m，每组包含28个长度5mm、直径2mm的出气口均匀分布在管线两侧；天然气通过第五阀门122进入第一管线101，经过增压由第七阀门126、第一阀门103进入气体注入系统。

液体注入系统，包括：液体存储罐131、第一液体高压泵132、第一液体流量计133、第八阀门134、第一阀门103、天然气水合物储层流体注入第一管线组104、天然气水合物储层流体注入第二管线组105依次通过管线相连；液体存储罐131提供天然气水合物生成实验所需的水，第一液体高压泵132为储罐内液体在管线流动提供动力，第一液体流量计133用于实时测量流入管路中的液体流量；气体注入系统和液体注入系统共用天然气水合物储层流体注入第一管线组104和天然气水合物储层流体注入第二管线组105；气体注入系统和液体注入系统不能同时工作，液体注入系统启用时需关闭第七阀门126、第九阀门143，天然气水合物合成所需水通过第八阀门134进入第二管线102，经过第一液体高压泵132由第一阀门103进入液体注入系统。

抽真空系统，包括：放空管线141、真空泵142、第九阀门143依次通过管线相连；天然气水合物模拟反应釜4内填砂完毕后，真空泵142将反应釜及管线内的气体由第九阀门143至放空管线141排出。

天然气水合物模拟储层系统，包括：天然气水合物模拟反应釜4、天然气水合物模拟储层41、电动提升机42；天然气水合物模拟储层41由砂样预填至天然气水合物模拟反应釜4内，用于模拟实际天然气水合物储层，提升机42一端固定在恒温箱5上部，一端连接天然气水合物模拟反应釜4，通过电动提升天然气水合物模拟反应釜4方便拆卸和砂样预填操作。

储层渗透率测量系统，包括：氮气气源111、第二阀门112、第一管线101、第三阀门113、第一气体存储罐114、第一气体流量计115、第四阀门116、第二管线102、第一阀门103、天然气水合物储层流体注入第一管线组104、天然气水合物储层流体注入第二管线组105、第三管线151、背压阀152、第三气体流量计153、第一气体计量储存罐154依次通过管线相连；天然气水合物模拟储层41制备完成后，开始储层渗透率测量，氮气气源121提供渗透率测量实验所需的气体，气体增压泵14为氮气增压以满足实验压力要求，第一气体存储罐114用于存储增压后的氮气、容积40L，第一气体流量计115用于实时测量流入管路中的氮气流量，背压阀152用于调节天然气水合物模拟反应釜4出口压力，第三气体流量计153用于实时计量天然气水合物模拟反应釜4出口氮气流量，第一气体计量储存罐154用于存储天然气水合物模拟反应釜4出口流出氮气并实时显示压力数值。

钻井液循环系统，包括：化学剂计量泵201、第十阀门202、钻井液存储池203、第二液体流量计204、气液分离器205、第二液体高压泵206、第一高压软管207、水平加载装置208、转换接头209、钻机210、钻杆211、高压密封轴承212、定制钻头213、内置套管214、第二高压软管215、液固分离器216、第五管线217、第六管线221、第十一阀门222、；化学剂计量泵201用于将钻井液用化学添加剂泵入钻井液存储池203并实时计量化学剂加入量，钻井液存储池203用于钻井液循环系统中钻井液的存储、密闭、容积2m³，第二液体流量计204用于实时计量循环管路钻井液流量，气液分离器205用于分离钻井液中的气体，第二液体高压泵206为循环系统提供动力，第一高压软管207连接水平第二液体高压泵206和钻杆211、耐高压可弯曲，加载装置208通过齿轮传动为钻杆211施加水平载荷，转换接头209用于连接水平加载装置208和钻机210、实现一端加载一端旋转，钻机210为钻杆211提供旋转动力，钻杆211为钻井液提供流动通道和为定制钻头213施加钻压、长度1.6m、直径50mm，高压密封轴承212用于钻杆211与天然气水合物模拟反应釜4高压动密封，定制钻头213用于钻探天然气水合物模拟储层41，内置套管214为定制钻头213返出钻井液提供流动通道、长度0.5m、直径100mm、提前预置天然气水合物模拟反应釜4中，液固分离器216用于分离钻井液中的固体，第四气体流量计223用于计量气液分离器205分离出的气体，第二气体计量储存罐224用于存储天气液分离器205分离出的气体并实时显示压力数值，第二高压软管215用于连接内置套管214与钻杆211环空返出的钻井液流入液固分离器216中、耐高压可弯曲。

天然气水合物模拟储层温度、压力监测系统3，包括：温度、压力传感器固定器31、传感器固定杆32、温度、压力传感器33、数据信号传输线34、数据处理系统35；天然气水合物模拟反应釜4预留温度、压力传感器33接入口，温度、压力传感器固定器31用于固定传感器固定杆，传感器固定杆用于连接第一温度、压力传感器331、第二温度、压力传感器332和第三温度、压力传感器333；温度、压力传感器33包括第一温度、压力传感器331、第二温度、压力传感器332和第三温度、压力传感器333，用于实时监测天然气水合物模拟储层41温度和压力变化、共16组48个；第一温度、压力传感器331位于距离天然气水合物模拟反应釜4中心轴线75mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜4入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；第二温度、压力传感器332位于距离天然气水合物模拟反应釜4中心轴线100mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜4入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；第三温度、压力传感器333位于距离天然气水合物模拟反应釜4中心轴线125mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜4入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；数据信号传输线34用于传输温度、压力传感器33监测的温度和压力数据，数据处理系统35将温度和压力数据计算整理并判断天然气水合物模拟反应釜4不同位置处天然气水合物相态。

反应釜温度控制系统，包括恒温箱5、恒温箱温度控制装置51，恒温箱5天然气水合物模拟反应釜4提供实验所需恒定温度、温度控制范围0-100℃，恒温箱温度控制装置51可实时调节并精准控制恒温箱5温度。

在密闭环路中，所有部件和管路均耐压40MPa，可用于对钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的实验评价。

实施例2

评价钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定实验，利用实施例1所述装置，主要步骤包括：

(1)、制作天然气水合物模拟储层

根据实验设计要求将砂样预填至天然气水合物模拟反应釜4内，装填完毕后调整第二阀门112、第三阀门113、第四阀门116、第五阀门122、第六阀门123、第七阀门126、第八阀门134、背压阀152处于关闭状态，开启第九阀门143、第一阀门103利用真空泵排除实验管路中的空气；关闭第九阀门143，开启第五阀门122、第六阀门123、第七阀门126，根据天然气水合物饱和度设置注入天然气气体总量；关闭第五阀门122、第六阀门123、第七阀门126，开启第八阀门134，根据天然气水合物饱和度设置注入清水液体的总量；若天然气水合物饱和度未达到实验要求，需反复多次进行天然气和清水的注入。

(2)、天然气水合物模拟储层渗透率测量

调整第五阀门122、第六阀门123、第七阀门126、第八阀门134、第九阀门143处于关闭状态，开启第二阀门112、第三阀门113、第四阀门116、背压阀152，氮气在气体增压泵14作用下流动进入天然气水合物模拟储层41中，待参数稳定后，读取第一气体存储罐压力p₁、第一气体计量储存罐压力p₂、第三气体流量计气体流量Q₀，计算天然气水合物模拟储层的渗透率：

式中，k_g天然气水合物模拟储层的渗透率，m²；p₁为入口第一气体存储罐压力，Pa；p₂为出口第一气体计量储存罐压力，Pa，p₀为大气压，Pa；μ为氮气气体的动力粘度，Pa·s；Q₀为大气压下的气体体积流量，m³/s，A为天然气水合物模拟储层的横截面积，m²；L为天然气水合物模拟储层的长度，m。

(3)钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定评价实验

调整第一阀门103、第二阀门112、第三阀门113、第四阀门116、第五阀门122、第六阀门123、第七阀门126、第八阀门134、第九阀门143、第十阀门202、背压阀152处于关闭状态，将实验系统的温度、压力调节为实验设定的温度T、压力p，开启第十一阀门222，启动第二液体高压泵206、水平加载装置208、钻机210，钻井液存储池203中加入常规钻井液，进行没有钻井液添加剂下钻井循环钻进实验，第一温度、压力传感器331、第二温度、压力传感器332、第三温度、压力传感器333实时监测天然气水合物模拟储层41中不同位置处温度压力变化，将不同位置处温度T_i、压力p_i数据与天然气水合物相态曲线模型对比，判断该位置处天然气水合物是否分解，第四气体流量计223实时计量天然气水合物的分解速率v_i，天然气水合物相态曲线模型：

上式中，T为体系温度，K；Δμ₀为标准状态下空水合物晶格和纯水中水的化学位差；T₀为标准状态下的温度，K；p₀为标准状态下的压力，Pa；ΔH₀为空水合物晶格和纯水的比焓差，J/kg；ΔV为空水合物晶格和纯水的比容差，m³/kg；ΔC_p为空水合物晶格和纯水的比热容差，J/(kg·K)；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；N_c为混合物中可以生成水合物的组分数目；ε_i为水合物相中单位水分子中i型孔穴数目；θ_ij为客体分子j在i形孔穴中的占有分率；f_w为水在富水相中的逸度，Pa；

为纯水在参考状态T和p下的逸度，Pa。若水合物的类型，常数θ_ij及C_ij可以确定；同时可根据实验测量得到不同钻井液添加剂浓度下的

数值。

通过数据处理系统35可实时导出没有钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层41中天然气水合物分解界面动态分布B_m,t和水合物分解速率v_m,t。

利用如图1所示实验装置，重复步骤(1)、步骤(2)，启动化学剂计量泵201、第十阀门202，泵入一种设定浓度钻井液添加剂于钻井液存储池203中，继续重复步骤(3)，通过数据处理系统35可实时导出含既定浓度钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层41中天然气水合物分解界面动态分布B_n,t和水合物分解速率v_n,t。

通过对比不同位置、不同时刻下B_m,t和B_m,t、v_m,t和v_n,t，可评价出钻进条件下钻井液添加剂对储层中天然气水合物相态稳定的影响程度，改变钻井液排量和添加剂浓度，绘制出钻井液添加剂随钻井液排量和添加剂浓度变化对储层中天然气水合物分解界面分布图版，为钻井液添加剂优选提供实验基础。

Claims (10)

1.一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，包括气体注入系统、液体注入系统、抽真空系统、天然气水合物模拟储层系统、储层渗透率测量系统、钻井液循环系统、天然气水合物模拟储层温度压力监测系统、反应釜温度控制系统；

气体注入系统用于将气体注入天然气水合物模拟储层，为天然气水合物生成提供气源；液体注入系统用于将水注入天然气水合物模拟储层，为天然气水合物生成提供水源；抽真空系统用于为反应釜及管路抽真空；天然气水合物模拟储层系统用于模拟天然气水合物储层，为储层提供压力环境；储层渗透率测量系统用于为天然气水合物模拟储层测量渗透率；钻井液循环系统用于为钻井液提供高压下闭合的循环回路；天然气水合物模拟储层温度压力监测系统用于为钻进过程中储层内温度和压力变化进行监测并实时采集；反应釜温度控制系统用于为反应釜提供稳定的温度环境。

2.根据权利要求1所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，气体注入系统包括天然气气源，天然气气源与第五阀门、第一管线、气体增压泵、第六阀门、第二气体存储罐、第二气体流量计、第七阀门、第一阀门、天然气水合物储层流体注入第一管线组、天然气水合物储层流体注入第二管线组依次通过管线相连；

天然气气源用于提供天然气水合物生成实验所需的天然气，气体增压泵用于为天然气增压以满足实验压力要求，第二气体存储罐用于存储增压后的天然气体，第二气体流量计用于实时测量流入管路中的天然气流量；天然气水合物储层流体注入第一管线组和天然气水合物储层流体注入第二管线组为天然气水合物模拟储层制备前放入天然气水合物模拟反应釜中两组相同的管线；

优选的，第二气体存储罐容积40L；

进一步优选的，天然气水合物模拟反应釜中天然气水合物储层流体注入第一管线组和天然气水合物储层流体注入第二管线组长度均为1.5m，每组包含28个长度5mm、直径2mm的出气口均匀分布在管线两侧；天然气通过第五阀门进入第一管线，经过增压由第七阀门、第一阀门进入气体注入系统。

3.根据权利要求2所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，液体注入系统包括液体存储罐，液体存储罐与第一液体高压泵、第一液体流量计、第八阀门、第一阀门、天然气水合物储层流体注入第一管线组、天然气水合物储层流体注入第二管线组依次通过管线相连；

液体存储罐用于提供天然气水合物生成实验所需的水，第一液体高压泵用于为储罐内液体在管线流动提供动力，第一液体流量计用于实时测量流入管路中的液体流量；气体注入系统和液体注入系统共用天然气水合物储层流体注入第一管线组和天然气水合物储层流体注入第二管线组；天然气水合物合成所需水通过第八阀门进入第二管线，经过第一液体高压泵由第一阀门进入液体注入系统。

4.根据权利要求3所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，抽真空系统包括放空管线、真空泵、第九阀门依次通过管线相连；天然气水合物模拟反应釜内填砂完毕后，真空泵用于将反应釜及管线内的气体由第九阀门至放空管线排出。

5.根据权利要求4所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，天然气水合物模拟储层系统包括：天然气水合物模拟反应釜、天然气水合物模拟储层、电动提升机；天然气水合物模拟储层由砂样预填至天然气水合物模拟反应釜内，用于模拟实际天然气水合物储层，提升机一端固定在恒温箱上部，一端连接天然气水合物模拟反应釜，通过电动提升天然气水合物模拟反应釜。

6.根据权利要求5所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，储层渗透率测量系统包括：氮气气源、第二阀门、第一管线、第三阀门、第一气体存储罐、第一气体流量计、第四阀门、第二管线、第一阀门、天然气水合物储层流体注入第一管线组、天然气水合物储层流体注入第二管线组、第三管线、背压阀、第三气体流量计、第一气体计量储存罐依次通过管线相连；

天然气水合物模拟储层制备完成后，开始储层渗透率测量，氮气气源提供渗透率测量实验所需的气体，气体增压泵用于为氮气增压以满足实验压力要求，第一气体存储罐用于存储增压后的氮气，第一气体流量计用于实时测量流入管路中的氮气流量，背压阀用于调节天然气水合物模拟反应釜出口压力，第三气体流量计用于实时计量天然气水合物模拟反应釜出口氮气流量，第一气体计量储存罐用于存储天然气水合物模拟反应釜出口流出氮气并实时显示压力数值；

优选的，第一气体存储罐容积40L。

7.根据权利要求6所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，钻井液循环系统包括化学剂计量泵，化学剂计量泵与第十阀门、钻井液存储池、第二液体流量计、气液分离器、第二液体高压泵、第一高压软管、水平加载装置、转换接头、钻机、钻杆、高压密封轴承、定制钻头、内置套管、第二高压软管、液固分离器、第五管线、第六管线、第十一阀门依次连接；

化学剂计量泵用于将钻井液用化学添加剂泵入钻井液存储池并实时计量化学剂加入量，钻井液存储池用于钻井液循环系统中钻井液的存储、密闭，第二液体流量计用于实时计量循环管路钻井液流量，气液分离器用于分离钻井液中的气体，第二液体高压泵为循环系统提供动力，第一高压软管连接水平第二液体高压泵和钻杆，加载装置通过齿轮传动为钻杆施加水平载荷，转换接头用于连接水平加载装置和钻机，钻机为钻杆提供旋转动力，钻杆为钻井液提供流动通道和为定制钻头施加钻压，高压密封轴承用于钻杆与天然气水合物模拟反应釜高压动密封，定制钻头用于钻探天然气水合物模拟储层，内置套管为定制钻头返出钻井液提供流动通道，液固分离器用于分离钻井液中的固体，第四气体流量计用于计量气液分离器分离出的气体，第二气体计量储存罐用于存储天气液分离器分离出的气体并实时显示压力数值，第二高压软管用于连接内置套管与钻杆环空返出的钻井液流入液固分离器中；

优选的，钻井液存储池容积2m³，钻杆长度1.6m、直径50mm，内置套管长度0.5m、直径100mm。

8.根据权利要求7所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，天然气水合物模拟储层温度压力监测系统，包括：温度压力传感器固定器、传感器固定杆、温度、压力传感器、数据信号传输线、数据处理系统；天然气水合物模拟反应釜预留温度压力传感器接入口，温度压力传感器固定器用于固定传感器固定杆，传感器固定杆用于连接第一温度压力传感器、第二温度压力传感器和第三温度压力传感器；温度压力传感器包括第一温度压力传感器、第二温度压力传感器和第三温度压力传感器，用于实时监测天然气水合物模拟储层温度和压力变化；数据信号传输线用于传输温度压力传感器监测的温度和压力数据，数据处理系统将温度和压力数据计算整理并判断天然气水合物模拟反应釜不同位置处天然气水合物相态；

优选的，温度压力传感器共16组48个；第一温度压力传感器位于距离天然气水合物模拟反应釜中心轴线75mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；第二温度压力传感器位于距离天然气水合物模拟反应釜中心轴线100mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个；第三温度压力传感器位于距离天然气水合物模拟反应釜中心轴线125mm处，周向均匀布置4个、轴向距离天然气水合物模拟反应釜入口段0.55m、0.80m、1.05m、1.3m分别布置相同4组共16个。

9.根据权利要求8所述的钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置，其特征在于，反应釜温度控制系统包括恒温箱、恒温箱温度控制装置，恒温箱用于为天然气水合物模拟反应釜提供实验所需恒定温度，恒温箱温度控制装置用于实时调节并精准控制恒温箱温度；

优选的，恒温箱温度控制范围0-100℃。

10.一种钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定的评价装置的实验方法，采用权利要求9所述的实验装置，包括步骤如下：

(1)、制作天然气水合物模拟储层

根据实验设计要求将砂样预填至天然气水合物模拟反应釜内，装填完毕后调整第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、背压阀处于关闭状态，开启第九阀门、第一阀门利用真空泵排除实验管路中的空气；关闭第九阀门，开启第五阀门、第六阀门、第七阀门，根据天然气水合物饱和度设置注入天然气气体总量；关闭第五阀门、第六阀门、第七阀门，开启第八阀门，根据天然气水合物饱和度设置注入清水液体的总量；

(2)、天然气水合物模拟储层渗透率测量

调整第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门处于关闭状态，开启第二阀门、第三阀门、第四阀门、背压阀，氮气在气体增压泵作用下流动进入天然气水合物模拟储层中，待参数稳定后，进行天然气水合物模拟储层的渗透率测量；优选的，待参数稳定后，读取第一气体存储罐压力p₁、第一气体计量储存罐压力p₂、第三气体流量计气体流量Q₀，计算天然气水合物模拟储层的渗透率：

式中，k_g天然气水合物模拟储层的渗透率，m²；p₁为入口第一气体存储罐压力，Pa；p₂为出口第一气体计量储存罐压力，Pa，p₀为大气压，Pa；μ为氮气气体的动力粘度，Pa·s；Q₀为大气压下的气体体积流量，m³/s，A为天然气水合物模拟储层的横截面积，m²；L为天然气水合物模拟储层的长度，m；

(3)钻井液添加剂对天然气水合物相态稳定评价实验

调整第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、背压阀处于关闭状态，将实验系统的温度、压力调节为实验设定的温度、压力，开启第十一阀门，启动第二液体高压泵、水平加载装置、钻机，钻井液存储池中加入常规钻井液，进行没有钻井液添加剂下钻井循环钻进实验，进行没有钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层中天然气水合物分解界面动态分布和水合物分解速率；

优选的，进行没有钻井液添加剂下钻井循环钻进实验，第一温度、压力传感器331、第二温度、压力传感器332、第三温度、压力传感器333实时监测天然气水合物模拟储层41中不同位置处温度压力变化，将不同位置处温度T_i、压力p_i数据与天然气水合物相态曲线模型对比，判断该位置处天然气水合物是否分解，第四气体流量计223实时计量天然气水合物的分解速率v_i，天然气水合物相态曲线模型：

上式中，T为体系温度，K；Δμ₀为标准状态下空水合物晶格和纯水中水的化学位差；T₀为标准状态下的温度，K；p₀为标准状态下的压力，Pa；ΔH₀为空水合物晶格和纯水的比焓差，J/kg；ΔV为空水合物晶格和纯水的比容差，m³/kg；ΔC_p为空水合物晶格和纯水的比热容差，J/(kg·K)；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；N_c为混合物中可以生成水合物的组分数目；ε_i为水合物相中单位水分子中i型孔穴数目；θ_ij为客体分子j在i形孔穴中的占有分率；f_w为水在富水相中的逸度，Pa；

为纯水在参考状态T和p下的逸度，Pa；若水合物的类型，常数θ_ij及C_ij可以确定；同时可根据实验测量得到不同钻井液添加剂浓度下的

数值；

通过数据处理系统35可实时导出没有钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层41中天然气水合物分解界面动态分布B_m,t和水合物分解速率v_m,t；

利用如图1所示实验装置，重复步骤(1)、步骤(2)，启动化学剂计量泵、第十阀门，泵入一种设定浓度钻井液添加剂于钻井液存储池中，继续重复步骤(3)，测量得到含既定浓度钻井液添加剂水平井钻进天然气水合物模拟储层中天然气水合物分解界面动态分布和水合物分解速率。

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