CN112878966A - 一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于属于海洋水合物样品模拟技术领域，提供一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置。该装置包括覆层压力控制系统、水合物开采系统、水合物储藏系统、供气系统、供水系统、温控系统、数据采集系统，通过覆层压力控制系统中的外升降杆带动水合物储层的盖层运动，以模拟不同的水深对水合物储层作用力；通过水合物开采系统中的第二导向驱动螺筒带动井筒上下运动来调节井筒穿入深度，能模拟不同的开采井高度并避免水合物生成时沿着井筒生长现象；通过改变围层的孔隙结构，可以模拟不同渗透性的围层。本发明可以有效、准确的模拟水合物储层真实的赋存条件，为天然气水合物的实际开采提供理论和实验支撑。
Description
技术领域
本发明属于海洋水合物样品模拟技术领域，更具体的涉及一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置。
背景技术
天然气水合物是一种分布范围广、规模大、能量密度高的新型高效清洁能源，是未来可实现商业开发的重要天然气资源，主要蕴藏在海底沉积物和永久冻土层中。然而，海洋天然气水合物不同于常规油气资源，固态成藏且条件复杂，一般分布在海床数百米以下的海洋沉积物中，具有高压、低渗的特点。
现阶段，由于海洋天然气水合物开采难度大，完整的开采技术尚未成熟，仍需要对其进行大量的实验室模拟研究，以加快正式开采的步伐。目前，全世界绝大多数的水合物实验室所拥有的天然气水合物模拟系统大都只是简单的压力容器，不能较为真实的反应海底实际的赋存环境，不是对海洋天然气水合物赋存状态的真实模拟。此外，在实验室里模拟天然气水合物分解过程前，不可避免的要在反应容器中预先生成天然气水合物，然而由于开采井筒的不可移动性，使得天然气水合物在反应容器中生成时会沿着井筒生长，造成天然气水合物生成不够均匀。因此，本领域内急需一种能够模拟海洋天然气水合物真实赋存状态的装置，并且能够排除天然气水合物在生成过程中，井筒对天然气水合物生成不均匀的影响，便于本领域技术人员探究真实水合物赋存环境下的天然气水合物分解过程。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置，该装置能够有效、准确的模拟特定的天然气水合物储层上覆层压力、天然气水合物降压开采的压力，能够模拟不同渗透性的围层，还能够灵活的调整开采井筒伸入水合物储层的高度，通过仅在分解过程中将井筒伸入天然气水合物储层进行开采，避免了井筒的存在对水合物生成不均匀的影响，从而使天然气水合物模拟的实验条件更接近自然界条件，为天然气水合物的实际开采提供理论和实验支撑。
本发明的技术方案：
一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置，包括覆层压力控制系统、水合物开采系统、水合物储藏系统、供气系统、供水系统、温控系统、数据采集系统；
覆层压力控制系统包括第一电机、第一齿轮、第一螺钉、卡簧、铜套、外升降杆、外导向杆、第一导向驱动螺筒、盖层、大螺母、力传感器、上板件；外导向杆下部竖直固定在水合物储藏系统的保温壳体上，上部通过第一螺钉与上板件固定；外升降杆通过铜套滑动套接在外导向杆上，并通过卡簧固位，防止上下滑动，外升降杆的底部与盖层之间还接有力传感器；第一电机通过支架固定在下方的上板件上，第一齿轮固定在第一电机的输出轴上，第一电机和第一齿轮可以跟随上板件上下升降运动。第一齿轮与第一导向驱动螺筒上部外侧的齿相啮合，第一导向驱动螺筒外侧的螺纹与外升降杆构成螺纹副，第一导向驱动螺筒通过大螺母固位；上板件固定在外导向杆和第一导向驱动螺筒的顶部，外导向杆的底部固定在保温壳体上；当第一电机启动时，其上的第一齿轮可驱动第一导向驱动螺筒绕其轴向方向转动，由于大螺母固定不动，所以第一导向驱动螺筒能够带动外升降杆沿着外导向杆高度方向上下升降运动。盖层材料为不锈钢，至少能承载30MPa的上覆层压力，当盖层与水合物储藏系统的储藏室中的储层相接触时，外升降杆如继续下降，则会在水合物储层上施加不同的覆层压力，同时力传感器能够实时监测到施加覆层压力的大小。
水合物开采系统包括第二电机、第二齿轮、第二导向驱动螺筒、第二螺钉、压板、井筒；第二电机通过支架固定在下方的压板上，第二齿轮固定在第二电机的输出轴上，第二电机和第二齿轮可以跟随压板上下升降运动。第二导向驱动螺筒上部外侧的齿与第二齿轮相啮合，其内侧的螺纹与井筒上的螺纹构成螺纹副，压板通过第二螺钉与外升降杆靠近井筒的一侧相固定，压板可限制外升降杆与第二导向驱动螺筒在高度上的相对移动。井筒的穿入储层的深度通过两个途径调节，一方面，当外升降杆在第一导向驱动螺筒的带动下沿着外导向杆高度方向上下升降运动时，会带动第二导向驱动螺筒在高度方向上下升降运动，从而带动井筒沿着高度方向上下升降运动。另一方面，当第二电机启动时，其上的第二齿轮可驱动第二导向驱动螺筒绕其轴向方向转动，从而带动井筒沿着高度方向上下升降运动，如此便可调节井筒的穿入储层的深度。井筒外表面标有刻度线，能够实时观察井筒穿入储层的深度。在水合物生成过程中，控制井筒不穿入水合物储层中，可避免水合物沿着井筒生成所导致的水合物生成不均匀现象。可通过设置与井筒连接的背压阀压力来控制水合物降压开采的压力。
水合物储藏系统包括控制门、围层、承载器、保温壳体、固位板、密封条、第三螺钉、排水阀门、排水管道、排气阀门、排气管道。保温壳体与控制门围成恒温室，第三螺钉通过压紧控制门与密封条保证恒温室的密封，工作人员在天然气水合物合成前或分解后，可通过打开控制门进入恒温室操作。在恒温室中设有承载器，用于承载围层以及水合物储层，固位板用于围层和水合物储层固位，防止其在轴向方向上下移动。围层、承载器以及盖层围成水合物储藏室，用于放置水合物储层。排气管道上装有排气阀门，在水合物储层重塑前通过打开排气管道上的排气阀门将恒温室中的气体排走。排水管道上装有排水阀门，在水合物储层分解结束后通过开启排水管道上的排水阀门将恒温室中的水排走。其中，围层材料为不易变形、耐腐蚀的泡沫金属材料或陶瓷多孔材料，可通过改变多孔材料的孔隙结构模拟不同渗透性的围层。
供气系统包括注气泵、注气管路及注气管路上的阀门，用于向储藏室注入气体，提供水合物合成所需的气体。
供水系统包括注水泵、注水管路及注水管路上的阀门，用于向恒温室注水，通过向恒温室注水来模拟一定水压下的富水环境并提供水合物合成所需的水。
温控系统，包括设置于恒温室中的第一温度传感器以及制冷装置，第一温度传感器可以实时监测恒温室中的温度，当温度高于设置温度时，启动制冷装置进行制冷，如此可控制恒温室中的温度保持恒定。
数据采集系统主要是对一些传感参数进行采集，具体是：对恒温室中装有的第一温度传感器、外升降杆连接的力传感器信号采集，以分别获得恒温室中温度、外升降杆施加在盖层上的力。
本发明的效果与益处在于：通过准确的施加特定的水合物储层上覆层压力，能够模拟不同水深对水合物储层的作用力，并通过力传感器实时监测施加力的大小；通过调节与井筒相连接的背压阀的压力，能够模拟水合物降压开采的压力；通过调节井筒穿入的深度，不仅能够模拟水合物储层中不同高度的开采井，还避免了井筒的存在对水合物生成不均匀的影响；此外还能够模拟海洋环境不同渗透性的围层，综上，能够模拟水合物储层真实的赋存条件，能够模拟不同水深对水合物储层的作用力、不同降压开采的压力、不同的开采井高度以及不同渗透性的围层，为水合物模拟开采技术提供了一个新思路。
附图说明
图1是一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置的系统图。
图2是图1中A位置的局部放大图。
图3是图1中B位置的局部放大图。
图4是天然气水合物模拟重塑-开采的流程图。
图中：1第一电机；2第一齿轮；3第一螺钉；4外升降杆；5外导向杆；6第一导向驱动螺筒；7控制门；8盖层；9围层；10储藏室；11承载器；12供气系统；13保温壳体；14固位板；15恒温室；16温控系统；17供水系统；18力传感器；19上板件；20第二电机；21第二齿轮；22第二导向驱动螺筒；23第二螺钉；24压板；25大螺母；26井筒；27铜套；28卡簧；29密封条；30第三螺钉；31排水阀门；32排水管道；33排气阀门；34排气管道。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置，包括覆层压力控制系统、水合物开采系统、水合物储藏系统、供气系统、供水系统、温控系统、数据采集系统；
覆层压力控制系统包括第一电机1、第一齿轮2、第一螺钉3、卡簧28、铜套27、外升降杆4、外导向杆5、第一导向驱动螺筒6、盖层8、大螺母25、力传感器18、上板件19；外导向杆5下部竖直固定在水合物储藏系统的保温壳体13上，上部通过第一螺钉3与上板件19固定；外升降杆4通过铜套27滑动套接在外导向杆5上，并通过卡簧28固位，防止上下滑动，外升降杆4的底部与盖层8之间还接有力传感器18；第一电机1通过支架固定在下方的上板件19上，第一齿轮2固定在第一电机1的输出轴上，第一电机1和第一齿轮2可以跟随上板件19上下升降运动。第一齿轮2与第一导向驱动螺筒6上部外侧的齿相啮合，第一导向驱动螺筒6外侧的螺纹与外升降杆4构成螺纹副，第一导向驱动螺筒6通过大螺母25固位。当第一电机1启动时，其上的第一齿轮2可驱动第一导向驱动螺筒6绕其轴向方向转动，由于大螺母25固定不动，所以第一导向驱动螺筒6能够带动外升降杆4沿着外导向杆5高度方向上下升降运动。盖层8材料为不锈钢，至少能承载30MPa的上覆层压力，当盖层8与水合物储藏系统的储藏室10中的储层相接触时，外升降杆4如继续下降，则会在水合物储层上施加不同的覆层压力，同时力传感器18能够实时监测到施加覆层压力的大小。
水合物开采系统包括第二电机20、第二齿轮21、第二导向驱动螺筒22、第二螺钉23、压板24、井筒26；第二电机20通过支架固定在下方的压板24上，第二齿轮21固定在第二电机20的输出轴上，第二电机20和第二齿轮21可以跟随压板24上下升降运动。第二导向驱动螺筒22上部外侧的齿与第二齿轮21相啮合，其内侧的螺纹与井筒26上的螺纹构成螺纹副，压板24通过第二螺钉23与外升降杆4靠近井筒26的一侧相固定，压板24可限制外升降杆4与第二导向驱动螺筒22在高度上的相对移动。井筒26的穿入储层的深度通过两个途径调节，一方面，当外升降杆4在第一导向驱动螺筒6的带动下沿着外导向杆5高度方向上下升降运动时，会带动第二导向驱动螺筒22在高度方向上下升降运动，从而带动井筒26沿着高度方向上下升降运动。另一方面，当第二电机20启动时，其上的第二齿轮21可驱动第二导向驱动螺筒22绕其轴向方向转动，从而带动井筒26沿着高度方向上下升降运动，如此便可调节井筒26的穿入储层的深度。井筒26外表面标有刻度线，能够实时观察井筒穿入储层的深度。在水合物生成过程中，控制井筒26不穿入水合物储层中，可避免水合物沿着井筒生成所导致的水合物生成不均匀现象。可通过设置与井筒26连接的背压阀压力来控制水合物降压开采的压力。
水合物储藏系统包括控制门7、围层9、承载器11、保温壳体13、固位板14、密封条29、第三螺钉30、排水阀门31、排水管道32、排气阀门33、排气管道34。保温壳体13与控制门7围成恒温室15，第三螺钉30通过压紧控制门7与密封条29保证恒温室15的密封，工作人员在天然气水合物合成前或分解后，可通过打开控制门7进入恒温室15操作。在恒温室15中设有承载器11，用于承载围层9以及水合物储层，固位板14用于围层9和水合物储层固位，防止其在轴向方向上下移动。围层9、承载器11以及盖层8围成水合物储藏室10，用于放置水合物储层。排气管道34上装有排气阀门33，在水合物储层重塑前通过打开排气管道34上的排气阀门33将恒温室15中的气体排走。排水管道32上装有排水阀门31，在水合物储层分解结束后通过开启排水管道32上的排水阀门31将恒温室15中的水排走。其中，围层9材料为不易变形、耐腐蚀的泡沫金属材料或陶瓷多孔材料，可通过改变多孔材料的孔隙结构模拟不同渗透性的围层。
供气系统12包括注气泵、注气管路及注气管路上的阀门，用于向储藏室10注入气体，提供水合物合成所需的气体。
供水系统17包括注水泵、注水管路及注水管路上的阀门，用于向恒温室15注水，通过向恒温室15注水来模拟一定水压下的富水环境并提供水合物合成所需的水。
温控系统16，包括设置于恒温室15中的第一温度传感器以及制冷装置，第一温度传感器可以实时监测恒温室15中的温度，当温度高于设置温度时，启动制冷装置进行制冷，如此可控制恒温室15中的温度保持恒定。
数据采集系统主要是对一些传感参数进行采集，具体是：对恒温室15中装有的第一温度传感器、外升降杆4连接的力传感器18信号采集，以分别获得恒温室15中温度、外升降杆4施加在盖层8上的力。
使用上述系统进行的天然气水合物重塑-开采模拟过程，结合图1-4描述的具体步骤如下：
(1)填砂/土、施加上覆层压力：工作人员打开控制门7进入到恒温室15中，将模拟水合物储层骨架的多孔介质紧实地填入到储藏室10中，工作人员随即离开恒温室15并关闭控制门(7)，启动第一电机1，从而使得第一导向驱动螺筒6带动外升降杆4沿着外导向杆5高度方向向下运动，当数据采集系统采集到的力传感器18压力值为设定的上覆层压力时，关闭第一电机1。
(2)注水、控温：打开排气管道34上的排气阀门33将恒温室15中的气体排走随即关闭排气阀门33，通过供水系统17向恒温室15注满设定压力的水，然后调节温控系统16，使得恒温室15的温度保持在T1，为下一步水合物降温生成提供一个初始条件。
(3)注气、降温-水合物生成：通过供气系统12向储藏室10注入天然气，使之达到设定压力P1，提供水合物合成所需的原料-气体。然后调节温控系统16使得恒温室15降温，恒温室15的温度保持在T2(T2低于压力P1对应的天然气水合物相平衡温度)，即降温诱导水合物生成。当储藏室10中压力和温度稳定12h不变后，可认为水合物完全生成。
(4)开采井筒穿入储层、水合物降压分解：启动第二电机20，第二齿轮21可驱动第二导向驱动螺筒22绕其轴向方向转动，从而带动井筒26沿着高度方向向下运动，当观察到井筒26穿入储层的深度达到设定刻度时，关闭第二电机20，调节与井筒26相连接的背压阀的压力为降压开采的压力，使水合物分解。
本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置，其特征在于：该海洋天然气水合物储层重塑与开采装置包括覆层压力控制系统、水合物开采系统、水合物储藏系统、供气系统、供水系统、温控系统和数据采集系统；
所述覆层压力控制系统包括第一电机(1)、第一齿轮(2)、第一螺钉(3)、卡簧(28)、铜套(27)、外升降杆(4)、外导向杆(5)、第一导向驱动螺筒(6)、盖层(8)、大螺母(25)、力传感器(18)、上板件(19)；第一电机(1)通过支架固定在下方的上板件(19)上，第一齿轮(2)固定在第一电机(1)的输出轴上，第一齿轮(2)与第一导向驱动螺筒(6)上部外侧的齿相啮合，第一导向驱动螺筒(6)外侧的螺纹与外升降杆(4)构成螺纹副，第一导向驱动螺筒(6)通过大螺母(25)固位，以使得第一电机(1)启动时能够带动外升降杆(4)沿着外导向杆(5)高度方向上下升降运动；上板件(19)固定在外导向杆(5)和第一导向驱动螺筒(6)的顶部，外导向杆(5)的底部固定在保温壳体(13)上；
所述水合物开采系统包括第二电机(20)、第二齿轮(21)、第二导向驱动螺筒(22)、第二螺钉(23)、压板(24)、井筒(26)；第二电机(20)通过支架固定在下方的压板(24)上，第二齿轮(21)固定在第二电机(20)的输出轴上，第二导向驱动螺筒(22)上部外侧的齿与第二齿轮(21)相啮合，第二导向驱动螺筒(22)内侧的螺纹与井筒(26)上的螺纹构成螺纹副，以使得第二电机(20)启动时能够带动井筒(26)沿着高度方向上下升降运动；
所述水合物储藏系统包括控制门(7)、围层(9)、承载器(11)、保温壳体(13)、固位板(14)、密封条(29)、第三螺钉(30)、排水阀门(31)、排水管道(32)、排气阀门(33)、排气管道(34)；保温壳体(13)与控制门(7)围成恒温室(15)，第三螺钉(30)通过压紧控制门(7)与密封条(29)保证恒温室(15)的密封；在恒温室(15)中设有承载器(11)，用于承载围层(9)以及水合物储层，固位板(14)用于围层(9)和水合物储层固位，围层(9)、承载器(11)以及盖层(8)围成水合物储藏室(10)，用于放置水合物储层；排气管道(34)上装有排气阀门(33)，排水管道(32)上装有排水阀门(31)，排气管道(34)、排水管道(32)与恒温室(15)相通；
构成覆层压力控制系统的外升降杆(4)的底部与构成水合物储藏室(10)的盖层(8)之间还接有力传感器(18)；
所述供气系统(12)，用于向储藏室(10)注入气体，提供水合物合成所需的气体；
所述供水系统(17)，用于向恒温室(15)注入水，模拟一定水压下的富水环境并提供水合物合成所需的水；
所述温控系统(16)，包括设置于恒温室(15)中的第一温度传感器以及制冷装置，用于调节恒温室(15)中的温度；
所述数据采集系统，用于对恒温室(15)中装有的第一温度传感器、外升降杆(4)连接的力传感器(18)的信号进行采集。
2.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物储层重塑与开采装置，其特征在于：构成覆层压力控制系统的盖层(8)材料为不锈钢，至少能承载30MPa的上覆层压力，构成水合物储藏系统的围层(9)材料为泡沫金属材料或陶瓷多孔材料。
3.根据权利要求1或2所述的海洋天然气水合物储层重塑与开采装置，其特征在于：构成水合物开采系统的井筒(26)外表面标有刻度线。
4.用权利要求1或2任一所述的一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置实现天然气水合物重塑-开采模拟过程，其特征在于，步骤如下：
(1)填砂/土、施加上覆层压力：工作人员打开控制门(7)进入到恒温室(15)中，将模拟水合物储层骨架的多孔介质紧实地填入到储藏室(10)中，工作人员随即离开恒温室(15)并关闭控制门(7)，启动第一电机(1)，从而使得第一导向驱动螺筒(6)带动外升降杆(4)沿着外导向杆(5)高度方向向下运动，当数据采集系统采集到的力传感器(18)压力值为设定的上覆层压力时，关闭第一电机(1)；
(2)注水、控温：打开排气管道(34)上的排气阀门(33)，将恒温室(15)中的气体排走随即关闭排气阀门(33)，通过供水系统(17)向恒温室(15)注满设定压力的水，然后调节温控系统(16)，使得恒温室(15)的温度保持在T1，为下一步水合物降温生成提供一个初始条件；
(3)注气、降温-水合物生成：通过供气系统(12)向水合物储藏室(10)注入天然气，使之达到设定压力P1，提供水合物合成所需的原料-气体，然后调节温控系统(16)使得恒温室(15)降温，恒温室(15)的温度保持在T2，T2低于压力P1对应的天然气水合物相平衡温度，即降温诱导水合物生成，当水合物储藏室(10)中压力和温度稳定12h不变后，认为水合物完全生成；
(4)开采井筒穿入储层、水合物降压分解：启动第二电机(20)，第二齿轮(21)驱动第二导向驱动螺筒(22)绕其轴向方向转动，从而带动井筒(26)沿着高度方向向下运动，当观察到井筒(26)穿入储层的深度达到设定刻度时，关闭第二电机(20)，调节与井筒(26)相连接的背压阀的压力为降压开采的压力，使水合物分解。
5.用权利要求3所述的一种海洋天然气水合物储层重塑与开采装置实现天然气水合物重塑-开采模拟过程，其特征在于，步骤如下：
(1)填砂/土、施加上覆层压力：工作人员打开控制门(7)进入到恒温室(15)中，将模拟水合物储层骨架的多孔介质紧实地填入到储藏室(10)中，工作人员随即离开恒温室(15)并关闭控制门(7)，启动第一电机(1)，从而使得第一导向驱动螺筒(6)带动外升降杆(4)沿着外导向杆(5)高度方向向下运动，当数据采集系统采集到的力传感器(18)压力值为设定的上覆层压力时，关闭第一电机(1)；
(2)注水、控温：打开排气管道(34)上的排气阀门(33)，将恒温室(15)中的气体排走随即关闭排气阀门(33)，通过供水系统(17)向恒温室(15)注满设定压力的水，然后调节温控系统(16)，使得恒温室(15)的温度保持在T1，为下一步水合物降温生成提供一个初始条件；
(3)注气、降温-水合物生成：通过供气系统(12)向水合物储藏室(10)注入天然气，使之达到设定压力P1，提供水合物合成所需的原料-气体，然后调节温控系统(16)使得恒温室(15)降温，恒温室(15)的温度保持在T2，T2低于压力P1对应的天然气水合物相平衡温度，即降温诱导水合物生成，当水合物储藏室(10)中压力和温度稳定12h不变后，认为水合物完全生成；
(4)开采井筒穿入储层、水合物降压分解：启动第二电机(20)，第二齿轮(21)驱动第二导向驱动螺筒(22)绕其轴向方向转动，从而带动井筒(26)沿着高度方向向下运动，当观察到井筒(26)穿入储层的深度达到设定刻度时，关闭第二电机(20)，调节与井筒(26)相连接的背压阀的压力为降压开采的压力，使水合物分解。
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