CN112343558B - 海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置，包括高压试验箱以及用以下沉进入高压试验箱内部模拟天然气水合物储层的模拟开采筒，模拟开采筒上设有与筒内空间连通的第一排水管，模拟开采筒上还设有防砂空腔，防砂空腔上连接有第二排水管与输气管；高压试验箱经竖直拉拔系统驱动升降。能够模拟开采筒下沉、降压开采和开采筒回收流程，对研究海域天然气水合物筒式开采装置的适用性、开采效率和作用范围等具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置及其试验方法，涉及海域天然气水合物开采室内试验模拟领域。
背景技术
可燃冰，学名天然气水合物，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。燃烧后的可燃冰只会生成少量的二氧化碳和水，比起煤、石油等传统能源，污染程度显著降低且能量高出10倍。
可燃冰储量巨大，所含有机碳资源总量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的2倍，被国际公认为石油、天然气的接替能源。针对天然气水合物的物化性质，其开采方法主要以降压、热激、化学试剂驱替、二氧化碳置换和固态流化，及上述单一方法的联合运用。
现阶段可燃冰安全高效开采方法及其有效性验证是商业化开发的瓶颈问题。因此，如何在室内模拟条件下，对天然气水合物开采的方案、仪器设备展开研究是实现可燃冰商业化开发过程中需要解决的重要问题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置及其试验方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置，包括高压试验箱以及用以下沉进入高压试验箱内部模拟天然气水合物储层的模拟开采筒，模拟开采筒上设有与筒内空间连通的第一排水管，模拟开采筒上还设有防砂空腔，防砂空腔上连接有第二排水管与输气管；高压试验箱经竖直拉拔系统驱动升降。
优选的，高压试验箱内部自上往下依次设有海水层、模拟天然气水合物储层上覆地层、模拟天然气水合物储层、模拟天然气水合物储层下伏游离气体层；高压试验箱上设有水压控制系统和温度调节系统，水压控制系统用于向高压试验箱内施加水压模拟深海水压环境，温度调节系统用于调节高压试验箱内温度。
优选的，模拟开采筒为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和筒壁；第一排水管的一端与外部第一抽水泵相连，最后通往储水罐，另一端与筒内空间连通，通过第一排水管将所述模拟开采筒内的液体向外排出降低筒内压力，控制模拟开采筒下沉进入模拟天然气水合物储层。
优选的，防砂空腔设置在所述模拟开采筒的筒壁外侧，防砂空腔与外部空间之间经隔离砂网阻隔，过滤泥沙。
优选的，第二排水管与输气管组成气液采集系统，第二排水管的一端与外部第二抽水泵相连，最后通往储水罐，另一端与防砂空腔底部连通；输气管一端与储气系统相连，另一端与防砂空腔顶部连通，用于采集天然气；储气系统沿着气流向依次包括气体干燥装置、压缩装置和储气罐；第二排水管的进水口还设置有气液分离器。
优选的，竖直拉拔系统包括缆线和升降系统，缆线下端与所述模拟开采筒顶部吊环相连，缆线上端和升降系统相连；防砂空腔内设置用以支撑的竖向骨架。
优选的，模拟开采筒内部还设有射流注入系统，射流注入系统包括位于模拟开采筒内部的射流管道，以及位于模拟开采筒外周壁上部、中部、下部的喷射口，射流管道连接外部驱动装置，为射流注入系统提供注射动力。
优选的，模拟开采筒上还设有辅助加热系统，辅助加热系统包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，模拟开采筒由钢材构成，电磁感应线圈直接环绕模拟开采筒，从而使模拟开采筒发热，提高周围天然气水合物分解速度，同时防止天然气水合物的二次生成。
一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法，按以下步骤进行：（1）检查该海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的各系统运行情况、管道连接及设备参数设置情况；（2）通过水压控制系统和温度调节系统，将高压试验箱内压力和温度调节达到试验要求；（3）通过竖直拉拔系统将模拟开采筒下放到模拟海床，模拟开采筒依靠自身重力沉入海床一定深度，再经第一排水管将筒内水向外泵出使筒内压力小于筒外压力，模拟开采筒在压差作用下向下沉，直至抵达模拟天然气水合物储层；（4）通过第二排水管将防砂空腔中的水抽出，防砂空腔内部压力和周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下不断进入防砂空腔，进而水不断进入第二排水管，天然气不断进入输气管，实现天然气水合物的筒式模拟开采。
优选的，当一定范围内天然气水合物开采完成或者产气效率降低到一定值以后，停止气液举升，通过所述第一水泵向模拟开采筒内泵入水，使模拟开采筒内压力大于筒外压力，模拟开采筒在压差作用和竖直拉拔系统上拉作用下，向上升到泥线以上，进而将模拟开采筒回收或转移到新的开采区域继续开采试验；通过所述的辅助加热系统或注入热海水，使模拟开采筒筒壁周围发热，提高天然气水合物分解效率；通过所述的射流注入系统，向模拟开采筒周围储层喷射化学抑制剂，提高天然气水合物分解效率；当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统将储水罐中的水向筒壁周围储层喷射，其水力切割作用可以增加分解界面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过特别设计的海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置，能够模拟开采筒下沉、天然气水合物开采和开采筒回收，可以真实模拟海域天然气水合物筒式开采方法的开采过程，对研究海域天然气水合物筒式开采装置的适用性、开采效率和作用范围等具有重要意义。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为模拟开采筒内部构造示意图。
图3为辅助加热系统示意图。
图4为射流注入系统示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~4所示，一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置，包括高压试验箱以及用以下沉进入高压试验箱内部模拟天然气水合物储层的模拟开采筒1，模拟开采筒上设有与筒内空间连通的第一排水管412，模拟开采筒上还设有防砂空腔31，防砂空腔上连接有第二排水管411与输气管42；高压试验箱经竖直拉拔系统驱动升降。
在本发明实施例中，高压试验箱内部自上往下依次设有海水层、模拟天然气水合物储层上覆地层A（模拟海床）、模拟天然气水合物储层B、模拟天然气水合物储层下伏游离气体层C；高压试验箱上设有水压控制系统71和温度调节系统72，水压控制系统用于向高压试验箱内施加水压模拟深海水压环境，温度调节系统用于调节高压试验箱内温度。
在本发明实施例中，模拟开采筒为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和筒壁；第一排水管的一端与外部第一抽水泵44相连，最后通往储水罐45，另一端与筒内空间连通，通过第一排水管将所述模拟开采筒内的液体向外排出降低筒内压力，控制模拟开采筒下沉进入模拟天然气水合物储层。
在本发明实施例中，防砂空腔设置在所述模拟开采筒的筒壁外侧，防砂空腔与外部空间之间经隔离砂网3阻隔，过滤泥沙，允许液体和/或气体通过并进入所述防砂空腔。
在本发明实施例中，第二排水管与输气管组成气液采集系统，第二排水管的一端与外部第二抽水泵43相连，最后通往储水罐，另一端与防砂空腔底部连通；输气管一端与储气系统相连，另一端与防砂空腔顶部连通，用于采集天然气；储气系统沿着气流向依次包括气体干燥装置51、压缩装置52和储气罐53；第二排水管的进水口还设置有气液分离器46，其作用是在液体和气体在防砂空腔中进行重力分离之后，进行液体和气体二次分离，防止气体进入第二排水管。通过第二排水管将防砂空腔内的液体向外排出降低防砂空腔内部压力，进而降低周围地层压力，促进天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下进入防砂空腔；在重力作用下，防砂空腔中的液体向下运动，气体向上运动。
在本发明实施例中，竖直拉拔系统包括缆线和升降系统，缆线下端与所述模拟开采筒顶部吊环12相连，缆线21上端和升降系统22相连；防砂空腔内设置用以支撑的竖向骨架11。竖向骨架既能支撑和保护隔离砂网，也能允许液体和/或气体向上或向下运移。升降系统可以采用起重机或卷扬机。
在本发明实施例中，模拟开采筒内部还设有射流注入系统，射流注入系统包括位于模拟开采筒内部的射流管道91，以及位于模拟开采筒外周壁上部、中部、下部的喷射口92，射流管道连接外部驱动装置，为射流注入系统提供注射动力，外部驱动装置为连接储水罐的高压水。作用包括：（1）当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统向筒壁周围储层喷射水，其水力切割作用可以增加分解界面，提高开采效率；（2）在模拟天然气水合物储层硬度较大的情况下，当模拟开采筒通过常规方法难以到达预定深度时，射流注入系统向筒壁下部喷射水，其水力切割作用可以促使模拟开采筒进一步下潜；（3）射流注入系统还可以将热海水、或者二氧化碳、或者化学抑制剂注入开采范围，提高天然气水合物分解效率；（4）还可以向模拟储层上部注入二氧化碳，二氧化碳和周围水固结，可以提高模拟储层上部地层强度，从而提高模拟储层的稳定性。
在本发明实施例中，模拟开采筒上还设有辅助加热系统，辅助加热系统包括电磁感应线圈81和电磁加热控制器，模拟开采筒由钢材构成，电磁感应线圈直接环绕模拟开采筒，从而使模拟开采筒发热，提高周围天然气水合物分解速度，同时防止天然气水合物的二次生成。
在本发明实施例中，该海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置还包括控制系统、监控系统和供电系统；所述的供电系统，为试验设备提供电力；所述的控制系统，控制各试验装置运行与管道开闭；所述的监控系统，包括流量监测计61等，用于监控各试验装置运行情况。
一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法，按以下步骤进行：（1）检查该海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的各系统运行情况、管道连接及设备参数设置情况；（2）通过水压控制系统和温度调节系统，将高压试验箱内压力和温度调节达到试验要求；（3）通过竖直拉拔系统将模拟开采筒下放到模拟海床，模拟开采筒依靠自身重力沉入海床一定深度，再经第一排水管将筒内水向外泵出使筒内压力小于筒外压力，模拟开采筒在压差作用下向下沉，直至抵达模拟天然气水合物储层；（4）通过第二排水管将防砂空腔中的水抽出，防砂空腔内部压力和周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下不断进入防砂空腔，进而水不断进入第二排水管，天然气不断进入输气管，实现天然气水合物的筒式模拟开采。
在本发明实施例中，当一定范围内天然气水合物开采完成或者产气效率降低到一定值以后，停止气液举升，通过所述第一水泵向模拟开采筒内泵入水，使模拟开采筒内压力大于筒外压力，模拟开采筒在压差作用和竖直拉拔系统上拉作用下，向上升到泥线以上，进而将模拟开采筒回收或转移到新的开采区域继续开采试验；通过所述的辅助加热系统或注入热海水，使模拟开采筒筒壁周围发热，提高天然气水合物分解效率；通过所述的射流注入系统，向模拟开采筒周围储层喷射化学抑制剂，提高天然气水合物分解效率；当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统将储水罐中的水向筒壁周围储层喷射，其水力切割作用可以增加分解界面。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置及其试验方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法，其特征在于：装置包括高压试验箱以及用以下沉进入高压试验箱内部模拟天然气水合物储层的模拟开采筒，模拟开采筒上设有与筒内空间连通的第一排水管，模拟开采筒上还设有防砂空腔，防砂空腔上连接有第二排水管与输气管；模拟开采筒经竖直拉拔系统驱动升降；模拟开采筒为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和筒壁；第一排水管的一端与外部第一抽水泵相连，最后通往储水罐，另一端与筒内空间连通，通过第一排水管将所述模拟开采筒内的液体向外排出降低筒内压力，控制模拟开采筒下沉进入模拟天然气水合物储层；防砂空腔设置在所述模拟开采筒的筒壁外侧，防砂空腔与外部空间之间经隔离砂网阻隔，过滤泥沙；第二排水管与输气管组成气液采集系统，第二排水管的一端与外部第二抽水泵相连，最后通往储水罐，另一端与防砂空腔底部连通；输气管一端与储气系统相连，另一端与防砂空腔顶部连通，用于采集天然气；储气系统沿着气流向依次包括气体干燥装置、压缩装置和储气罐；第二排水管的进水口还设置有气液分离器；模拟开采筒内部还设有射流注入系统，射流注入系统包括位于模拟开采筒内部的射流管道，以及位于模拟开采筒外周壁上部、中部、下部的喷射口，射流管道连接外部驱动装置，为射流注入系统提供注射动力；模拟开采筒上还设有辅助加热系统，辅助加热系统包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，模拟开采筒由钢材构成，电磁感应线圈直接环绕模拟开采筒，从而使模拟开采筒发热，提高周围天然气水合物分解速度，同时防止天然气水合物的二次生成；该海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法按以下步骤进行：（1）检查该海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的各系统运行情况、管道连接及设备参数设置情况；（2）通过水压控制系统和温度调节系统，将高压试验箱内压力和温度调节达到试验要求；（3）通过竖直拉拔系统将模拟开采筒下放到模拟海床，模拟开采筒依靠自身重力沉入海床一定深度，再经第一排水管将筒内水向外泵出使筒内压力小于筒外压力，模拟开采筒在压差作用下向下沉，直至抵达模拟天然气水合物储层；（4）通过第二排水管将防砂空腔中的水抽出，防砂空腔内部压力和周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下不断进入防砂空腔，进而水不断进入第二排水管，天然气不断进入输气管，实现天然气水合物的筒式模拟开采。
2.根据权利要求1所述的海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法，其特征在于：高压试验箱内部自上往下依次设有海水层、模拟天然气水合物储层上覆地层、模拟天然气水合物储层、模拟天然气水合物储层下伏游离气体层；高压试验箱上设有水压控制系统和温度调节系统，水压控制系统用于向高压试验箱内施加水压模拟深海水压环境，温度调节系统用于调节高压试验箱内温度。
3.根据权利要求1所述的海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法，其特征在于：竖直拉拔系统包括缆线和升降系统，缆线下端与所述模拟开采筒顶部吊环相连，缆线上端和升降系统相连；防砂空腔内设置用以支撑的竖向骨架。
4.根据权利要求1所述的海域天然气水合物筒式开采模拟试验装置的试验方法，其特征在于：当一定范围内天然气水合物开采完成或者产气效率降低到一定值以后，停止气液举升，通过第一抽水泵向模拟开采筒内泵入水，使模拟开采筒内压力大于筒外压力，模拟开采筒在压差作用和竖直拉拔系统上拉作用下，向上升到泥线以上，进而将模拟开采筒回收或转移到新的开采区域继续开采试验；通过辅助加热系统注入热海水，使模拟开采筒筒壁周围发热，提高天然气水合物分解效率；通过射流注入系统，向模拟开采筒周围储层喷射化学抑制剂，提高天然气水合物分解效率；当天然气水合物分解范围不足时，射流注入系统将储水罐中的水向筒壁周围储层喷射，其水力切割作用可以增加分解界面。
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