CN112855129A - 海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置及方法，所述模拟装置包括水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统、井筒、产气处理子系统及数据采集系统，用于分别或联合模拟水合物成藏过程、浅层气成藏过程、深层气成藏过程、水合物分解产气过程、水合物系统多气合采过程；并从提高开采效率和节约开采成本角度出发，提出先后开采的合采模式和同时开采的合采模式，为揭示水合物储层和气层多层合采的生产机理和开发动态提供了技术手段。本发明可以较真实地模拟实际地层环境，具有真实性和准确性，为实际海洋天然气水合物系统多气合采提供指导。

Description

海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开发领域，具体涉及一套针对不同工况环境下进行海洋天然气水合物系统多气合采模拟研究的实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物(以下简称水合物)正成为全球主要大国能源竞争的战略高地。大幅度提高单井产量及最终采收率是水合物开采面临的重点问题。多气合采是多种油气资源联探并采模式的重要组成部分。对于垂直方向多套地层交互分布区域，利用同一井筒通道实现多气合采，可提高单井产量和经济效益。海域水合物富集区往往与多套气层共存，实现二者联探并采是海域水合物系统高效开发的突破方向。

多气合采已在非常油气开采中应用多年，对合采方式、产能预测以及优化配产等方面均进行了研究。

目前，与海洋水合物有关的多资源合采研究主要集中于联合地热促进储层中水合物的分解进而实现干热岩层与水合物储层能量的综合利用等，水合物系统多气合采的研究尚属空白。利用同一井筒开采下部气层时是否可以带动上部储层内的水合物自行分解，进而提高采收率；不同物性的储层、井筒因素、开采方式等对水合物系统合采产气的影响如何，水合物系统多气合采时是否存在层间干扰、产量损失；以上一系列问题目前仍无相关研究。

因此，需要提供一种能准确模拟海洋水合物系统多气合采的装置，在研究过程中逐渐优化与完善多气合采方法，通过加强海洋水合物系统多气合采的开发机理和开发动态研究，为避免层间干扰和优化配产等开发设计工作提供一定的依据。

发明内容

本发明为解决现有技术中水合物系统多气合采技术空白，提出一种海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置及方法，为指导实际海洋水合物系统资源的有效开发、提高开发效益提供技术支撑。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，包括水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统、井筒、产气处理子系统及数据采集系统，所述水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的出口管线均与耐高压的井筒相连，井筒通过产气处理子系统与数据采集系统相连，且井筒与一真空泵相连，所述井筒可根据实际研究需要更换井筒容积、井筒材质等，研究井筒因素对产能的影响，井筒中配有配产器，以仿真模拟实际合采时井筒内不同压力的设定；

所述水合物成藏模拟子系统用以模拟水合物成藏过程，包括通过管线依次连接的第一高压气瓶、第一高压反应釜、固液分离装置和第一气液分离装置，第一高压反应釜设置在恒温水浴中中，第一高压反应釜中填充有沉积物，所述沉积物可为天然海砂、黏土质粉砂沉积物或岩心；

所述浅层气成藏模拟子系统用以模拟浅层气成藏过程，包括通过管线依次连接的第二高压气瓶、第二高压反应釜和第三气液分离装置，第一高温高压舱设置在第二高压反应釜内，第二高压反应釜中填充天然岩心；

所述深层气成藏模拟子系统用以模拟深层气成藏过程，包括通过管线依次连接的第三高压气瓶、第三高压反应釜和第四气液分离装置，第三高压反应釜设置在第二高温高压舱内，第三高压反应釜中同样填充有天然岩心；

所述水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统可根据合采层数和储量规模大小等自由“并联”组合，形成了多层合采模型，可以单独或联合水合物成藏过程、浅层气成藏过程、深层气成藏过程、水合物分解产气过程、水合物系统多气合采过程；也可根据实际研究需要更换井筒容积、井筒材质等，进而模拟定生产压差下的生产情况。

进一步的，所述第一高压气瓶和第一高压反应釜之间设置有第一流量计，第一高压反应釜还与一平流泵相连，第一高压反应釜与固液分离装置之间设置有第一压力控制阀，固液分离装置与第一气液分离装置之间设置有第二压力控制阀和第一回压阀，第一气液分离装置的下方设置有第一电子天平，第一气液分离装置与井筒之间设置有第一干燥剂和第二流量计，固液分离装置和井筒之间还设置有第三压力控制阀。

进一步的，所述第二高压气瓶和第二高压反应釜之间设置有第三流量计，第二高压反应釜与第三气液分离装置之间设置有第四压力控制阀、第五压力控制阀和第二回压阀，第三气液分离装置与井筒之间设置有第四流量计。

进一步的，所述第三高压气瓶和第三高压反应釜之间设置有第五流量计，第三高压反应釜与第四气液分离装置之间设置有第六压力控制阀、第七压力控制阀和第三回压阀，第四气液分离装置与井筒之间设置有第六流量计。

进一步的，所述产气处理子系统与井筒相连，包括第二气液分离装置以及与第二气液分离装置相连的第二干燥剂，第二气液分离装置的下方设置有第二电子天平，第二气液分离装置与井筒之间设置有第八压力控制阀，井筒与数据采集系统之间依次设置有第九压力控制阀、第四回压阀、第七流量计和第十压力控制阀。

进一步的，所述第一高压反应釜、第二高压反应釜和第三高压反应釜内分别对应的布设有第一温度-压力-电阻传感器、第二温度-压力-电阻传感器和第三温度-压力-电阻传感器，用以在实验过程中实时监测储层内的温度、压力和饱和度变化。

进一步的，所述水合物成藏模拟子系统中，第一高压反应釜内安装有一镂空夹板，将其分为上下两层，镂空夹板中设置有透气不透水薄膜，这样在注气和注水过程中，水仅存在于上层，两层均存在气体，上层模拟水合物成藏与分解开采过程，下层模拟伴生气层，即整个反应釜内可模拟I类水合物储层中水合物生成与分解过程；不启用下层时，反应釜可模拟III类水合物储层中水合物生成与分解过程，根据实验需要，可自由选择模拟的水合物储层类型。

进一步的，所述第一高压反应釜、第二高压反应釜和第三高压反应釜内的上部分别对应的布设有第一滑动控压板，第二滑动控压板和第三滑动控压板，通过滑动控压板的位置，实现对相应反应釜压力的控制，在实验过程中，可设定一定的压力，以达到模拟实际水合物储层中盖层的目的。

进一步的，所述第一高压反应釜内布设复杂结构井，可模拟垂直井、水平井、多分支井等不同井型进行水合物降压开采模拟研究，其中，水平井和分支井可根据研究需要选择井的射孔位置、射孔间距、射孔面积等。

本发明另外还提出一种海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置的合采模拟方法，包括以下步骤：

步骤A、先开采浅层气和深层气，后开采水合物储层，实现浅层气、深层气和水合物三气联采，具体包括：

步骤A1、同时开启浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，进行采气，并计量浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的产气速率和产水速率，具体利用第四流量计和第六流量计计量不同系统的产气速率，基于第三气液分离装置和第四气液分离装置计量不同系统的产水速率；

步骤A2、开启井筒上的配产器，设定特定压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜内的水合物因压力降低而分解，水合物分解后的流体进入井筒；

步骤A3、第一高压反应釜、第二高压反应釜和第三高压反应釜三个釜体的所有流体通过井筒后进入产气处理子系统，通过产气处理子系统计量产水量并对总产气进行计量；

步骤B、先开采浅层气或深层气，后开采水合物储层，实现两气联采；

步骤B1、开启浅层气成藏模拟子系统或深层气成藏子系统与井筒相连接的通道进行采气，并计量浅层气成藏模拟子系统或深层气成藏子系统的产气速率和产水速率；

步骤B2、开启井筒上的配产器，设定特定压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜内的水合物因压力降低而分解，水合物分解后的流体进入井筒；

步骤B3、来自第一高压反应釜和第二高压反应釜或第一高压反应釜和第三高压反应釜的所有流体通过井筒后进入产气处理子系统，通过产气处理子系统计量产水量以及总产气量；

步骤C、水合物储层与浅层气或与深层气的两气联采；

同时开启水合物成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，或者同时开启水合物成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，并设定水合物成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统的开采压力，或设定水合物成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的开采压力进行两气联采，计量其对应的产气速率和产水速率，比如，水合物储层和浅层气的联采，通过第一回压阀和第二回压阀设定各子系统的开采压力，利用第二流量计和第四流量计计量不同系统的产气速率，基于第一气液分离装置和第三气液分离装置计量不同系统的产水速率；

对水合物储层与浅层气联采后或对水合物储层与深层气联采后的气体通过井筒后进入产气处理子系统，对总产气进行计量；

步骤D、水合物储层、浅层气和深层气三气联采；

同时开启水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，通过第一回压阀、第二回压阀和第三回压阀设定三个子系统的开采压力，利用第二流量计、第四流量计和第六流量计计量不同子系统的产气速率，基于第一气液分离装置、第三气液分离装置和第四气液分离装置计量不同系统的产水速率；

来自第一高压反应釜、第二高压反应釜和第三高压反应釜三个釜体的气体通过井筒后进入产气处理子系统，通过第七流量计对总产气进行计量。

进一步的，深层气成藏模拟子系统的开采前压力＞浅层气成藏模拟子系统的开采前压力＞水合物成藏模拟子系统开采前的压力；

采用步骤A和步骤B进行多气合采时，深层气成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统开采压力值大于井筒内的初始压力；

开采过程中，井筒上配产器设置的压力值始终低于水合物成藏模拟子系统内水合物的相平衡压力值、同时也低于深层气成藏模拟子系统及浅层气成藏模拟子系统的开采压力值；

采用步骤C和步骤D进行多气同时合采时，水合物成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统开采压力值均大于井筒内的初始压力；水合物成藏模拟子系统的开采压力值小于深层气成藏模拟子系统及浅层气成藏模拟子系统开采压力值。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本方案设置了水合物储层、气层(浅层气和深层气)三种储层，对生成水合物储层的高压反应釜内注入一定量的气体和去离子水并赋予一定的温压条件，同时对模拟不同深度气层的高压反应釜注气施加不同的压力，以较好地模拟地层中的多层气藏；另外，通过对第一高压反应釜的上下分层设计，水合物储层可根据研究需要设定成I类水合物储层和III类水合物储层模型；

2、另外，可以通过回压阀和配产器设置开采压力，模拟浅层气和/或深层气开采产气过程中直接带动水合物分解开采的过程和不同气层同时开采的过程；也可控制不同的开启时机，模拟气藏初期合采及不同时机产层合采接替的生产方式，研究多层合采过程中的影响因素，评价不同合采方式对气藏开发效果的影响，合理配产，发挥井筒中配产器的控压作用。

3、本方案可根据合采层数和储量规模大小，对不同储层进行组合，形成不同物性特征的实验模型，进而模拟水合物系统多气合采过程，获取多气合采的渗流特征、分层储量动用差异、不同储层供气特征(分层供气能力)、产量变化规律、压力波动特征、各层贡献大小、层间干扰趋势等各项数据，也可考虑井筒容积(井筒高度和直径)、井筒温度、气井投产时间等井筒因素对合采产气的影响，进而分析不同储层物性条件下，多气合采开发机理和动态特征。

附图说明

图1为本发明实施例海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置结构示意图；

其中，1.第一高压气瓶；2.第一流量计；3.平流泵；4.恒温水浴；5.第一高压反应釜；6.第一温度-压力-电阻传感器；7.第一压力控制阀；8.固液分离装置；9.第二压力控制阀；10.第一回压阀；11.第一气液分离装置；12.第一电子天平；13.第一干燥剂；14.第二流量计；15.第三压力控制阀；16.第二高压气瓶；17.第三流量计；18.第一高温高压舱；19.第二高压反应釜；20.第二温度-压力-电阻传感器；21.第四压力控制阀；22.第五压力控制阀；23.第二回压阀；24.第四流量计；25.第三高压气瓶；26.第五流量计；27.第二高温高压舱；28.第三高压反应釜；29.第三温度-压力-电阻传感器；30.第六压力控制阀；31.第七压力控制阀；32.第三回压阀；33.第六流量计；34.井筒；35.第八压力控制阀；36.第二气液分离装置；37.第二电子天平；38.第二干燥剂；39.第九压力控制阀；40.第四回压阀；41.第七流量计；42.第十压力控制阀；43.真空泵；44.数据采集系统；45.配产器；46.第一滑动控压板；47.第二滑动控压板；48.第三滑动控压板；49.第三气液分离装置；50.第四气液分离装置。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1、如图1所示，一种海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，装置包括水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统、井筒34、产气处理子系统及数据采集系统，用于分别或联合模拟水合物成藏过程、浅层气成藏过程、深层气成藏过程、水合物分解产气过程、天然气和水合物同时合采过程、先开采天然气后带动水合物分解产气的多气合采过程，具体的：

水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的出口管线均与井筒34相连，井筒34通过产气处理子系统与数据采集系统44相连，且井筒34与一真空泵43相连，所述井筒34可根据实际研究需要更换井筒容积、井筒材质等，研究井筒因素对产能的影响，井筒34中配有配产器45，以仿真模拟实际合采时井筒内不同压力的设定；

所述水合物成藏模拟子系统用以模拟水合物成藏过程，包括通过管线依次连接的第一高压气瓶1、第一高压反应釜5、固液分离装置8和第一气液分离装置11，第一高压反应釜5设置在恒温水浴中4中，第一高压反应釜5中填充有沉积物，所述沉积物可为天然海砂、黏土质粉砂沉积物或岩心；

所述浅层气成藏模拟子系统用以模拟浅层气成藏过程，包括通过管线依次连接的第二高压气瓶16、第二高压反应釜19和第三气液分离装置49，第一高温高压舱18设置在第二高压反应釜19内，第二高压反应釜19中填充天然岩心；

所述深层气成藏模拟子系统用以模拟深层气成藏过程，包括通过管线依次连接的第三高压气瓶25、第三高压反应釜28和第四气液分离装置50，第三高压反应釜28设置在第二高温高压舱27内，第三高压反应釜28中同样填充有天然岩心；

所述水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统可根据合采层数和储量规模大小等自由“并联”组合，形成了多层合采模型，可以单独或联合水合物成藏过程、浅层气成藏过程、深层气成藏过程、水合物分解产气过程、天然气和水合物同时合采过程、先开采天然气后带动水合物分解产气的多气合采过程；也可根据实际研究需要更换井筒容积、井筒材质等，进而模拟定生产压差下的生产情况。

继续参考图1，所述第一高压气瓶1和第一高压反应釜5之间设置有第一流量计2，第一高压反应釜5还与一平流泵3相连，第一高压反应釜5与固液分离装置8之间设置有第一压力控制阀7，固液分离装置8与第一气液分离装置11之间设置有第二压力控制阀9和第一回压阀10，第一气液分离装置11的下方设置有第一电子天平12，第一气液分离装置11与井筒34之间设置有第一干燥剂13和第二流量计14，固液分离装置8和井筒34之间还设置有第三压力控制阀15。

本实施例中，所述井筒34为可调节容积(井筒高度和直径)；井筒34上配有加热装置和测温装置，可根据实际情况调节井筒温度，更好的满足合采需求。

所述第二高压气瓶16和第二高压反应釜19之间设置有第三流量计17，第二高压反应釜19与第三气液分离装置49之间设置有第四压力控制阀21、第五压力控制阀22和第二回压阀23，第三气液分离装置49与井筒34之间设置有第四流量计24；

所述第三高压气瓶25和第三高压反应釜28之间设置有第五流量计26，第三高压反应釜28与第四气液分离装置50之间设置有第六压力控制阀30、第七压力控制阀31和第三回压阀32，第四气液分离装置50与井筒34之间设置有第六流量计33；

所述产气处理子系统与井筒34相连，包括第二气液分离装置36以及与第二气液分离装置36相连的第二干燥剂38，第二气液分离装置36的下方设置有第二电子天平37，第二气液分离装置36与井筒34之间设置有第八压力控制阀35，井筒34与数据采集系统44之间依次设置有第九压力控制阀39、第四回压阀40、第七流量计41和第十压力控制阀42；

所述第一高压反应釜5、第二高压反应釜19和第三高压反应釜28内分别对应的布设有第一温度-压力-电阻传感器6、第二温度-压力-电阻传感器20和第三温度-压力-电阻传感器29、，用以在实验过程中实时监测储层内的温度、压力和饱和度变化；所述第一高压反应釜5、第二高压反应釜19和第三高压反应釜28内的上部分别对应的布设有第一滑动控压板46，第二滑动控压板47和第三滑动控压板48，通过滑动控压板的位置，实现对相应反应釜压力的控制(比如，可在滑动控压板与反应釜上部通过一根可伸缩的滑动轴连接在一起，根据压力变化，通过调节可伸缩滑动轴的伸缩长度调节滑动板的具体位置，进而实现对压力的控制，具体实现方案有多种，在此不做限制)，在实验过程中，可设定一定的压力，以达到模拟实际水合物储层中盖层的目的。

所述水合物成藏模拟子系统中，第一高压反应釜5内安装有一镂空夹板，将其分为上下两层，镂空夹板中设置有透气不透水薄膜，这样在注气和注水过程中，水仅存在于上层，两层均存在气体，上层模拟水合物成藏与分解开采过程，下层模拟伴生气层，即整个反应釜内可模拟I类水合物储层中水合物生成与分解过程；不启用下层时，反应釜可模拟III类水合物储层中水合物生成与分解过程，根据实验需要，可自由选择模拟的水合物储层类型；

所述水合物成藏模拟子系统中，所述第一高压反应釜5内布设复杂结构井，可模拟垂直井、水平井、多分支井等不同井型进行水合物降压开采模拟研究，其中，水平井和分支井可根据研究需要选择井的射孔位置、射孔间距、射孔面积等，另外，在复杂井井筒外表面有防砂布。

实施例2、基于实施例1所提出的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，本实施例提出一种多气合采模拟方法。

从提高开采效率和节约开采成本角度出发，本实施例提出的合采模拟方法考虑了先后开采的合采模式和同时开采的合采模式，先后开采的合采模式主要指在开采浅层气和/或深层气气藏后，考虑流体在井筒内向上流动时的能量损失，利用井筒配备的配产器控制该流体通过水合物储层的压力环境联动开采水合物储层，进而实现多气合采，此过程中浅层气或深层气气藏开采后的流体会对水合物储层开采的产气产水带来影响，应避免出现“倒灌现象”。同时开采的合采模式主要利用各子系统配备的回压阀控制各子系统的开采压力模拟各个储层独立的开采压力，开采后的流体进入同一井筒，不同流速的流体在井筒内混合后，再一同被采出。具体的合采步骤包括：

i)先开采浅层气和深层气，后开采水合物储层，实现三气联采

同时开启浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，进行采气，利用第四流量计24和第六流量计33计量不同系统的产气速率，基于第三气液分离装置49和第四气液分离装置50计量不同系统的产水速率；

开启井筒上的配产器45，设定特定压力，利用该压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜5内的水合物因压力降低而分解。水合物分解后的流体进入井筒34；

来自三个釜体的所有流体通过井筒后进入产气处理子系统，通过第二气液分离装置36计量产水量，通过第七流量计41对总产气进行计量。

ii)开采浅层气或深层气后，后开采水合物储层，实现两气联采以开采浅层气为例说明

开启浅层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，进行采气，利用第四流量计24计量产气速率，基于第三气液分离装置49计量产水速率；

开启井筒上的配产器45，设定特定压力，利用该压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜5内的水合物因压力降低而分解。水合物分解后的流体进入井筒34；

来自两个釜体的所有流体通过井筒后进入产气处理子系统，通过第二气液分离装置36计量产水量，通过第七流量计41对总产气进行计量。

iii)水合物储层、浅层气或深层气两气联采以开采浅层气为例说明

同时开启水合物成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，通过第一回压阀10和第二回压阀23设定各子系统的开采压力，利用第二流量计14和第四流量计24计量不同系统的产气速率，基于第一气液分离装置11和第三气液分离装置49计量不同系统的产水速率；

来自两个釜体的气体通过井筒后进入产气处理子系统，通过第七流量计41对总产气进行计量。

iv)水合物储层、浅层气和深层气三气联采

同时开启水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，通过第一回压阀10、第二回压阀23和第三回压阀32设定各子系统的开采压力，利用第二流量计14、第四流量计24和第六流量计33计量不同系统的产气速率，基于第一气液分离装置11、第三气液分离装置49和第四气液分离装置50计量不同系统的产水速率；

来自三个釜体的气体通过井筒后进入产气处理子系统，通过第七流量计41对总产气进行计量。

需要尤其说明的是，在该模拟方法中，深层气成藏模拟子系统的开采前压力＞浅层气成藏模拟子系统的开采前压力＞水合物成藏模拟子系统开采前的压力；采用步骤i)和步骤ii)进行多气合采时，深层气成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统开采压力值大于井筒34的初始压力值；开采过程中，井筒34上配产器45设置的压力值始终低于水合物成藏模拟子系统内水合物的相平衡压力值、同时也低于深层气成藏模拟子系统及浅层气成藏模拟子系统的开采压力值。采用步骤iii)和步骤iv)进行多气同时合采时，水合物成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统开采压力值均大于井筒34内的初始压力；水合物成藏模拟子系统的开采压力值小于深层气成藏模拟子系统及浅层气成藏模拟子系统开采压力值。

具体实施时，充分发挥井筒中配产器的控压作用，模拟浅层气和/或深层气开采产气过程中直接带动水合物分解开采的过程。

其中，水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的成藏模拟过程如下：

(1)通过所述第一高压气瓶1和平流泵3，分别向填满松散沉积物的第一高压反应釜5内注入甲烷气体和去离子水，降低恒温水浴4的温度待甲烷水合物生成，至水合物生成完毕，再次在水合物相平衡范围内调节恒温水浴温度和第一高压反应釜5内压力，保持水合物成藏模拟子系统的温压为海底水合物储层的模拟地层温压，第一滑动控压板46之上的气舱压力为盖层压力；

(2)通过所述第二高压气瓶16向含一定量水、填满天然岩心的第二高压反应釜19注入甲烷气，调节第一高温高压舱18的温度，使得第二高压反应釜19的温压为海底浅层气气层的模拟地层温压，第二滑动控压板47之上的气舱压力为盖层压力；

(3)通过所述第三高压气瓶25向含一定量水、填满天然岩心的第三高压反应釜28注入甲烷气，调节第二高温高压舱27的温度，使得第三高压反应釜28的温压为实际海底深层气气层的模拟地层温压，第三滑动控压板48之上的气舱压力为盖层压力。

另外，进行实验之前，根据实际地层参数选取适宜的实验模拟参数值，使得各参数接近研究区地层真实情况，确保实验结果的实用性和适用性。实验运用多个高压反应釜并联组合，组装成物理模型，下面针对含有一套III类水合物储层和两套气层的模型进行联合开采进行介绍，具体的：

(1)首先，利用抽真空泵43对连接好的实验装置抽真空；

(2)然后，对天然气水合物成藏过程进行模拟，具体的：

首先，在第一高压反应釜5内填满粒径为200-600μm，孔隙度为40％的天然海砂并放置于恒温水浴4中，通过第一高压气瓶1向150L的第一高压反应釜5中注入气体至20MPa，向第一控压板46上部的气舱注入气体至13MPa，保持恒定压力以作盖层压力，检查系统的密封性；然后，通过平流泵3向第一高压反应釜5中注入36L的去离子水盐度3.5％，降低恒温水浴4至2℃，水合物生成；期间，通过温度、压力、电阻传感器6获取反应釜内储层内的实时温度、压力和水合物饱和度情况；待第一高压反应釜5内水合物生成，系统稳定后，升高恒温水浴4的温度至13℃，并再次注入气体至15MPa，待系统稳定，水合物待开采。

(3)同时，对气层成藏过程进行模拟，具体的：

首先，将两块一致的天然岩心分别装入具有高密封性能的第二高压反应釜19和第三高压反应釜28中后，分别置于第一高温高压舱18和第二高温高压舱27中，通过第一高压气瓶16和第二高压气瓶25分别向第二高压反应釜19和第三高压反应釜28中注入气体达到30MPa和40MPa，模拟不同海底深度的地层压力，形成“不同压力层组合”模型。而后，分别向第二控压板47和第三控压板48上部的气舱注入气体至29MPa和和39MPa，保持恒定压力以作盖层压力。

(4)然后，对水合物系统多层合采过程进行模拟，以开采浅层气和深层气后，利用井筒中的压力进行水合物降压开采，实现三气联采为例：

首先，保持第二压力控制阀9、第四压力控制阀21、第六压力控制阀30和第九压力控制阀39处于关闭状态，打开第一压力控制阀7、第五压力控制阀22、第七压力控制阀31和第八压力控制阀35。然后，分别设置第二回压阀23和第三回压阀32的开采压力进行降压开采，分别为15MPa和20MPa。第二高压反应釜19和第三高压反应釜28的产出流体分别流经第三气液分离装置49和第四气液分离装置50及第四流量计24和第六流量计33后进入井筒34。实时产气速率和产气量由第四流量计24和第六流量计33分别获取，实时产水速率和产水量由第三气液分离装置49和第四气液分离装置50分别获取。

与此同时，打开配产器45，设定特定压力4.5MPa，利用该压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜5内的水合物因压力降低而分解。水合物分解后的产气产水经过第一压力控制阀7、第三压力控制阀15进入井筒34。

最后，所有流体通过第八压力控制阀35、第二气液分离装置36、第二干燥剂38、第七流量计41和第十压力控制阀42后，气体被收集。第七流量计41计量实时产气速率和产气量，第二电子天平37计量实时产水速率和产水量。

期间，通过第一温度-压力-电阻传感器6获取反应釜内储层内的实时温度、压力和水合物饱和度情况；通过第二温度-压力-电阻传感器20和第三温度-压力-电阻传感器29分别获取第二高压反应釜19和第三高压反应釜28内的实时温度、压力和气液饱和度情况；数据采集系统44实时进行数据收集。

实验结束后，统计各高压反应釜内储层的实时温度、压力和水合物饱和度情况、获取各层产水速率、产水量、瞬时产气速率、累计产气量和生产时间等参数，计算各开采阶段的采收率。

综上，本发明可研究海洋水合物系统多气合采的问题，为揭示水合物储层和气层多层合采的生产机理和开发动态提供了有效的技术手段，合采模拟装置可通过将多个不同物性的储层“并联”组合形成多层合采模型，模拟定生产压差下的生产情况，利于有效获取各气层的产能特征和动态储量。可根据实际多层合采模型，考虑实际生产过程中，配产器发挥的控压作用，形成对应的开采过程。对不同研究方法下获取的参数进行综合处理和分析即可对多气合采时的单层采收率、温压变化规律、产量贡献率和层间干扰等问题进行深入研究。本发明为制定海洋水合物系统多气合采开发技术策略、合理配产和气井产能评价等提供相应的技术依据，利于最终指导实际海洋水合物系统资源的有效开发，提高开发效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，包括水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统、井筒(34)、产气处理子系统及数据采集系统(44)，所述水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的出口管线均与井筒(34)相连，井筒(34)通过产气处理子系统与数据采集系统(44)相连，且井筒(34)与一真空泵(43)相连，所述井筒(34)中配有配产器(45)，以仿真模拟实际合采时井筒内不同压力的设定；

所述水合物成藏模拟子系统用以模拟水合物成藏过程，包括通过管线依次连接的第一高压气瓶(1)、第一高压反应釜(5)、固液分离装置(8)和第一气液分离装置(11)，第一高压反应釜(5)设置在恒温水浴中(4)中，第一高压反应釜(5)中填充有沉积物；

所述浅层气成藏模拟子系统用以模拟浅层气成藏过程，包括通过管线依次连接的第二高压气瓶(16)、第二高压反应釜(19)和第三气液分离装置(49)，第一高温高压舱(18)设置在第二高压反应釜(19)内，第二高压反应釜(19)中填充天然岩心；

所述深层气成藏模拟子系统用以模拟深层气成藏过程，包括通过管线依次连接的第三高压气瓶(25)、第三高压反应釜(28)和第四气液分离装置(50)，第三高压反应釜(28)设置在第二高温高压舱(27)内，第三高压反应釜(28)中同样填充有天然岩心。

2.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述产气处理子系统与井筒(34)相连，包括第二气液分离装置(36)以及与第二气液分离装置(36)相连的第二干燥剂(38)，第二气液分离装置(36)的下方设置有第二电子天平(37)，第二气液分离装置(36)与井筒(34)之间设置有第八压力控制阀(35)，井筒(34)与数据采集系统(44)之间依次设置有第九压力控制阀(39)、第四回压阀(40)、第七流量计(41)和第十压力控制阀(42)。

3.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述第一高压气瓶(1)和第一高压反应釜(5)之间设置有第一流量计(2)，第一高压反应釜(5)还与一平流泵(3)相连，第一高压反应釜(5)与固液分离装置(8)之间设置有第一压力控制阀(7)，固液分离装置(8)与第一气液分离装置(11)之间设置有第二压力控制阀(9)和第一回压阀(10)，第一气液分离装置(11)的下方设置有第一电子天平(12)，第一气液分离装置(11)与井筒(34)之间设置有第一干燥剂(13)和第二流量计(14)，固液分离装置(8)和井筒(34)之间还设置有第三压力控制阀(15)。

4.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述第二高压气瓶(16)和第二高压反应釜(19)之间设置有第三流量计(17)，第二高压反应釜(19)与第三气液分离装置(49)之间设置有第四压力控制阀(21)、第五压力控制阀(22)和第二回压阀(23)，第三气液分离装置(49)与井筒(34)之间设置有第四流量计(24)。

5.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述第三高压气瓶(25)和第三高压反应釜(28)之间设置有第五流量计(26)，第三高压反应釜(28)与第四气液分离装置(50)之间设置有第六压力控制阀(30)、第七压力控制阀(31)和第三回压阀(32)，第四气液分离装置(50)与井筒(34)之间设置有第六流量计(33)。

6.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述第一高压反应釜(5)、第二高压反应釜(19)和第三高压反应釜(28)内分别对应的布设有第一温度-压力-电阻传感器(6)、第二温度-压力-电阻传感器(20)和第三温度-压力-电阻传感器(29)。

7.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述水合物成藏模拟子系统中，第一高压反应釜(5)内安装有一镂空夹板，将其分为上下两层，镂空夹板中设置有透气不透水薄膜，上层模拟水合物成藏与分解开采过程，下层模拟伴生气层。

8.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置，其特征在于，所述第一高压反应釜(5)、第二高压反应釜(19)和第三高压反应釜(28)内的上部分别对应的布设有第一滑动控压板(46)，第二滑动控压板(47)和第三滑动控压板(48)，实现对相应反应釜压力的控制，以模拟实际水合物储层中盖层。

9.基于权利要求1-8任一项所述海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置的合采模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、先开采浅层气和深层气，后开采水合物储层，实现浅层气、深层气和水合物三气联采：

步骤A1、同时开启浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒(34)相连接的通道，进行采气，并计量浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的产气速率和产水速率；

步骤A2、开启井筒(34)上的配产器(45)，设定特定压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜(5)内的水合物因压力降低而分解，水合物分解后的流体进入井筒(34)；

步骤A3、第一高压反应釜(5)、第二高压反应釜(19)和第三高压反应釜(28)三个釜体的所有流体通过井筒(34)后进入产气处理子系统，通过产气处理子系统计量产水量并对总产气进行计量；

步骤B、先开采浅层气或深层气，后开采水合物储层，实现两气联采；

步骤B1、开启浅层气成藏模拟子系统或深层气成藏子系统与井筒(34)相连接的通道进行采气，并计量浅层气成藏模拟子系统或深层气成藏子系统的产气速率和产水速率；

步骤B2、开启井筒(34)上的配产器(45)，设定特定压力进行水合物降压开采，第一高压反应釜(5)内的水合物因压力降低而分解，水合物分解后的流体进入井筒(34)；

步骤B3、来自第一高压反应釜(5)和第二高压反应釜(19)或第一高压反应釜(5)和第三高压反应釜(28)的所有流体通过井筒后进入产气处理子系统，通过产气处理子系统计量产水量以及总产气量；

步骤C、水合物储层与浅层气或与深层气的两气联采；

同时开启水合物成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，或者同时开启水合物成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒相连接的通道，并设定水合物成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统的开采压力，或设定水合物成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统的开采压力进行两气联采，计量其对应的产气速率和产水速率；

对水合物储层与浅层气联采后或对水合物储层与深层气联采后的气体通过井筒(34)后进入产气处理子系统，对总产气进行计量；

步骤D、水合物储层、浅层气和深层气三气联采；

同时开启水合物成藏模拟子系统、浅层气成藏模拟子系统和深层气成藏模拟子系统与井筒(34)相连接的通道，设定三个子系统的开采压力，计量不同子系统的产气速率和产水速率；

来自第一高压反应釜(5)、第二高压反应釜(19)和第三高压反应釜(28)三个釜体的气体通过井筒(34)后进入产气处理子系统，对总产气进行计量。

10.根据权利要求9所述的海洋天然气水合物系统多气合采模拟装置的合采模拟方法，其特征在于，深层气成藏模拟子系统的开采前压力＞浅层气成藏模拟子系统的开采前压力＞水合物成藏模拟子系统开采前的压力；

采用步骤A和步骤B进行多气合采时，深层气成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统开采压力值大于井筒(34)内的初始压力；

开采过程中，井筒(34)上配产器(45)设置的压力值始终低于水合物成藏模拟子系统内水合物的相平衡压力值、同时也低于深层气成藏模拟子系统及浅层气成藏模拟子系统的开采压力值；

采用步骤C和步骤D进行多气同时合采时，水合物成藏模拟子系统、深层气成藏模拟子系统和浅层气成藏模拟子系统开采压力值均大于井筒(34)内的初始压力；水合物成藏模拟子系统的开采压力值小于深层气成藏模拟子系统及浅层气成藏模拟子系统开采压力值。

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