CN113062713A - 一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，包括高压反应釜、注入管道和排出管道；高压反应釜置于恒温箱内，一端与注入系统和液压油罐相连接，另一端通过排出管道分别与气液回收系统和注酸系统相连接，液压油罐用于控制高压反应釜内部的压力，注入系统用于向高压反应釜内注入甲烷和水，气液回收系统用于收集流出高压反应釜的流体，注酸系统用于提供酸液。本发明还提供了一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，包括制备天然气水合物沉积物试样、模拟近井储层内天然气水合物的降压分解、确定储层的堵塞程度和注酸解堵效果评价，实现了对天然气水合物开采过程的室内研究，为天然气水合物的高效开采奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置及方法。
背景技术
天然气水合物是一种清洁能源，作为传统化石燃料的理想替代品，天然气水合物储量巨大，具有良好的利用前景。与常规石油和天然气相比，天然气水合物矿藏埋藏较浅，主要赋存于海底以下1～1500m的松散沉积层中，储层强度较低，主要为泥质砂岩储层，并且天然气水合物对储层起到了胶结和支撑的作用。
在天然气水合物的开采前期，随着井筒附近天然气水合物的分解，近井储层强度降低，在地应力的作用下，储层内的孔隙体积压缩造成近井储层的孔隙度降低，同时，天然气水合物的开采过程中存在严重的出砂现象，采取防砂措施后会在近井储层内造成堵砂。
基于上述因素的综合作用，导致天然气水合物开采过程中近井储层堵塞，产能损失，降低生产效益。然而目前对于天然气水合物开采过程中近井堵塞研究较少，因此，亟需针对天然气水合物开采过程中近井堵塞的问题进行研究，提出有效的解决工具及方法。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置及方法，实现了对天然气水合物开采近井堵塞和解堵过程的模拟，有利于准确评价近井储层的堵塞程度及注酸解堵效果，为有效提高天然气水合物的开采效益提供了依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，包括高压反应釜、注入管道和排出管道；
所述高压反应釜置于恒温箱内，高压反应釜包括反应釜本体、顶盖和底盖，顶盖上设置有注入孔和加压孔，底盖上设置有排出孔，反应釜本体侧壁近顶盖一侧设置有温度传感器安装孔，用于固定温度传感器，反应釜本体侧壁近底盖一侧等间距设置有多个压力传感器安装孔，用于固定压力传感器，温度传感器和压力传感器均通过数据信号传输线与数据处理系统相连接，反应釜本体内部设置有带中心孔的活塞，活塞与底盖之间设置有一对防砂网，其中一个与底盖固定连接，另一个与活塞相固定，活塞与顶盖之间的空间为液压空腔，加压孔通过第一管道与液压油罐相连接，用于向活塞施加压力，第一管道靠近液压油罐一端依次设置有液压压力表、液压阀和液压泵；
所述注入管道一端置于恒温箱内部，依次穿过顶盖的注入孔和活塞的中心孔与高压反应釜相连接，另一端置于恒温箱外部与注入系统相连接，恒温箱外部靠近恒温箱入口端的注入管道上设置有注入流体压力表，恒温箱内部靠近高压反应釜顶盖一侧的注入管道呈螺旋形结构，注入系统包括甲烷气瓶和储水罐，甲烷气瓶通过第二管道与注入管道相连接，第二管道近甲烷气瓶一端依次设置有进气阀、气体增压泵和甲烷气瓶阀，储水罐通过第三管道与注入管道相连接，第三管道近储水罐一端依次设置有进水阀、恒流水阀和恒流泵，第三管道上设置有增压分路，增压分路与第三管道相连通，增压分路的进液端设置于恒流泵与恒流水阀之间，出液端设置于恒流水阀与进水阀之间，增压分路进液端一侧依次设置有增压水阀和液体增压泵；
所述排出管道一端置于恒温箱内部，穿过底盖的排出孔与高压反应釜相连接，另一端置于恒温箱外部，分别与气液回收系统和注酸系统相连接，恒温箱外部靠近恒温箱出口端一侧排出管道上依次设置有出口阀、背压阀和排出流体压力表，气液回收系统包括流出气体储罐、流出液体储罐和废液罐，流出气体储罐通过第四管道依次与气液分离器和排出管道相连接，第四管道靠近排出管道一侧设置有气液阀，气液分离器与流出气体储罐之间的管道上设置有湿式气体流量计，流出液体储罐通过第五管道与排出管道相连接，第五管道靠近流出液体储罐一侧依次设置有水流出阀和液体流量计，废液罐通过第六管道与排出管道相连接，第六管道靠近废液罐一侧设置有废液阀，注酸系统包括混酸容器，混酸容器的进液端通过注酸管道分别与盐酸储罐和氢氟酸储罐相连接，混酸容器与盐酸储罐相连的注酸管道上设置有盐酸阀，与氢氟酸储罐相连的注酸管道上设置有氢氟酸阀，混酸容器的出液端通过第七管道与排出管道相连接，第七管道靠近混酸容器一侧依次设置有酸压泵和进酸阀。
优选地，所述高压反应釜采用不锈耐酸钢体制成，呈圆柱体结构，反应釜本体与顶盖、底盖均为螺纹连接。
优选地，所述盐酸储罐内设置有浓度为10％的盐酸，氢氟酸储罐内设置有浓度为8％的氢氟酸。
优选地，所述活塞外部套设有丁基橡胶密封圈，与高压反应釜内壁相紧贴。
优选地，所述恒温箱上设置有温度计，用于监测恒温箱内部的温度。
优选地，所述排出管道、第六管道、第七管道和注酸管道均采用不锈耐酸钢制成。
一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，采用如上所述的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，制备天然气水合物沉积物试样，具体包括以下步骤：
步骤1.1，根据天然气水合物沉积物试样的尺寸及孔隙度，计算制备天然气水合物沉积物试样所需石英砂和高岭土的质量，按照计算结果称取石英砂和高岭土，将两者均匀混合形成砂土混合物后置于高压反应釜底部，盖紧高压反应釜的顶盖和底盖，利用高压反应釜的底盖模拟井壁，将压力传感器固定于高压反应釜的压力传感器安装孔中，计算各压力传感器与高压反应釜底盖之间的距离，并按照由近及远的顺序对压力传感器进行编号，再将温度传感器固定于高压反应釜的温度传感器安装孔中，开启恒温箱，设置恒温箱的温度，实验过程中保持恒温箱的温度不变；
步骤1.2，开启液压阀，启动液压泵，液压油罐中的液压油通过第一管道流入高压反应釜的液压空腔内，向活塞提供轴向压力，利用活塞将砂土混合物压制成固结试样，结合液压压力表的示数，控制液压阀，使得活塞所受轴向压力与模拟天然气水合物储层的水平地层应力相同，实验过程中保持活塞所受轴向压力不变；
步骤1.3，根据天然气水合物沉积物试样的饱和度，确定制备天然气水合物沉积物试样所需注入的水量，依次开启恒流水阀、进水阀和恒流泵，储水罐中的水在恒流泵的作用下通过注入管道注入高压反应釜内，依次关闭恒流泵、恒流水阀和进水阀后，再依次开启甲烷气瓶阀、进气阀和气体增压泵，甲烷气瓶中的甲烷气体在气体增压泵的作用下通过注入管道注入高压反应釜内，甲烷气体在高压反应釜内产生憋压压力，结合注入流体压力表的示数，使得高压反应釜内甲烷气体的憋压压力大于该温度条件下天然气水合物的相平衡压力；
其中，天然气水合物的相平衡压力计算公式如式(1)所示：
式中，P平衡表示天然气水合物的相平衡压力，单位为MPa；T表示天然气水合物的温度，单位为K；
步骤1.4，继续向高压反应釜内注入甲烷气体，观察注入流体压力表的示数，当注入流体压力表的示数不再发生变化时，固结试样孔隙中的水与注入高压反应釜内的甲烷气体充分反应生成天然气水合物，形成天然气水合物沉积物试样，依次关闭气体增压泵、进气阀和甲烷气瓶阀，停止向高压反应釜内通入甲烷气体；
步骤2，模拟天然气水合物的降压分解过程
利用高压反应釜底盖模拟井壁，天然气水合物沉积物试样用于模拟靠近井壁处的天然气水合物储层，对天然气水合物沉积物试样中的天然气水合物进行降压分解实验，具体包括以下步骤：
步骤2.1，开启增压水阀、进水阀、恒流泵和液体增压泵，再开启出口阀、背压阀和气液阀，将储水罐中的水加压后注入高压反应釜中，驱替残留在天然气水合物沉积物试样孔隙中的甲烷气体，结合注入流体压力表的示数，使得驱替过程中注入管道内的水流压力始终大于高压反应釜内天然气水合物的相平衡压力，天然气水合物沉积物试样孔隙中的甲烷气体经排出管道进入第四管道，利用气液分离器分离甲烷气体中的水，得到干燥的甲烷气体并储存于流出气体储罐中；
步骤2.2，根据湿式气体流量计的示数，调节背压阀，使得排出管道内的水流压力始终小于高压反应釜内天然气水合物的平衡压力，天然气水合物沉积物试样内的天然气水合物分解，通过记录湿式气体流量计的示数，确定甲烷气体的流量峰值，当湿式气体流量计的示数低于流量峰值的40％时，关闭气液阀、增压水阀和液体增压泵，结束降压分解模拟实验；
步骤3，对天然气水合物储层的堵塞程度进行评价，具体包括以下步骤：
步骤3.1，根据高压反应釜上各压力传感器的位置，将天然气水合物沉积物试样划分为多个模拟储层段，通过测量各压力传感器至高压反应釜底盖的距离，得到各模拟储层段与模拟井壁之间的距离；
步骤3.2，根据排出流体压力表，调节背压阀，使得排出管道内的水流压力大于高压反应釜内天然气水合物的相平衡压力，天然气水合物沉积物试样中天然气水合物的停止分解；
步骤3.3，开启恒流水阀和水流出阀，通过注入管道将储水罐中的水注入高压反应釜中，保持注入管道内的水流流量恒定，根据液体流量计的示数确定注入管道内的水流流量Q，利用压力传感器测量得到各模拟储层段的孔隙压力，通过数据处理系统获取各压力传感器测量的压力值，关闭恒流水阀、水流出阀和恒流泵；
步骤3.4，根据各压力传感器测量的压力值，基于达西渗流公式分别计算各模拟储层段的渗透率，如式(2)所示：
式中，Q表示排出管道内的水流流量，单位为cm3/s；μ表示排出管道内水流的动力粘度，单位为mPa·s；φ表示高压反应釜的内径，单位为cm；L表示高压反应釜上相邻压力传感器安装孔之间的距离，单位为cm；Pi表示压力传感器i测量的压力值，i表示压力传感器的编号；Ki表示压力传感器i所对应模拟储层段的渗透率；
以距离模拟井壁最远处模拟储层段的渗透率作为标准值S，分别计算各模拟储层段与标准值的比值I，并根据比值I确定各模拟储层段的堵塞程度；
步骤4，利用注酸系统向天然气水合物沉淀物试样中注入酸液，进行注酸解堵实验并对解堵效果进行评价，具体包括以下步骤：
步骤4.1，开启盐酸阀，将盐酸储罐内的盐酸作为预冲洗液注入混酸容器内，关闭盐酸阀后，开启氢氟酸阀，将氢氟酸储罐内的氢氟酸注入混酸容器内，形成混合酸液，关闭氢氟酸阀，依次开启进酸阀和酸压泵，将混合酸液通过第七管道注入高压反应釜内，利用混合酸液与天然气水合物沉积物试样中的高岭土发生反应进行解堵；
步骤4.2，关闭进酸阀，开启恒流泵、恒流水阀和废液阀，将天然气水合物沉积物试样孔隙中残余的混合酸液驱替至废液罐中，依次关闭恒流水阀和废液阀；
步骤4.3，重复步骤3.3，基于达西渗流公式分别计算注酸后各模拟储层段的渗透率，如式(3)所示：
式中，Pi′表示注酸后压力传感器i测量的压力值，i表示压力传感器的编号；Ki′表示压力传感器i所对应模拟储层段注酸后的渗透率；
分别针对各模拟储层段计算注酸前后渗透率的差值，计算解堵效果评价参数X，如式(4)所示：
式中，S表示未注酸时距离模拟井壁最远处模拟储层段的渗透率；j表示模拟储层段的编号，j＝1,2,…,i-1；Kj表示未注酸时模拟储层段j的渗透率，K′j表示注酸后模拟储层段j的渗透率；
根据解堵效果评价参数，确定各模拟储层段的注酸解堵效果，关闭背压阀、出口阀、液压阀和液压泵，结束注酸解堵实验。
优选地，所述步骤1.1中，设置恒温箱的温度为281.15K。
优选地，所述步骤3.4中，模拟储层段堵塞程度的判断标准为：当0.8≤I≤1时，模拟储层段为轻度堵塞；当0.4≤I＜0.8时，模拟储层段为中度堵塞；当I＜0.4时，模拟储层段为重度堵塞。
优选地，所述步骤4.3中，模拟储层段注酸解堵效果的判断标准为：当X≤0.4时，模拟储层段的注酸解堵效果为差；当0.4＜X≤0.8时，模拟储层段的注酸解堵效果为中等；当X＞0.8时，模拟储层段的注酸解堵效果为优。
本发明所带来的有益技术效果：
1、本发明提出了一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置及方法，通过将石英砂与高岭土混合制备天然气水合物沉积物试样，天然气水合物沉积物试样的岩性及矿物组成均与实际泥质砂岩天然气水合物储层相同，能够反映天然气水合物储层中的真实情况，提高了实验结果的准确性。
2、本发明提出的实验方法操作简单，利用制备的天然气水合物沉积物试样模拟实际泥质砂岩天然气水合物储层，实验装置中的高压反应釜用于模拟井壁，通过将天然气水合物沉积物试样分段模拟距离井壁不同距离处的储层段，模拟近井储层中天然气水合物的降压分解过程，计算注酸解堵前后各储层段的渗透率并进行对比，实现了对近井储层堵塞程度以及注酸解堵效果的准确评价，有利于减少天然气水合物储层的产能损失，为天然气水合物的有效开采奠定了基础。
附图说明
图1为本发明实验装置示意图。
图2为本发明实验装置中高压反应釜示意图。
图3为本发明实验过程示意图。
图4为注酸解堵前后各模拟储层段的渗透率；其中，Ki曲线表示注酸解堵前各模拟储层段的渗透率，Ki′曲线表示注酸解堵后各模拟储层段的渗透率。
图中，1、储水罐，2、恒流泵，3、增压水阀，4、液体增压泵，5、恒流水阀，6、进水阀，7、进气阀，8、气体增压泵，9、甲烷气瓶阀，10、甲烷气瓶，11、注入流体压力表，12、螺旋形管道，13、温度计，14、高压反应釜，14-1、顶盖，14-2、密封圈，14-3、活塞，14-4、丁基橡胶密封圈，14-5、防砂网，14-6、底盖，14-7、压力传感器，14-8、温度传感器，15、恒温箱，16、出口阀，17、背压阀，18、排出流体压力表，19、水流出阀，20、液体流量计，21、流出液体储罐，22、废液罐，23、废液阀，24、进酸阀，25、酸压泵，26、混酸容器，27、盐酸阀，28、盐酸储罐，29、氢氟酸储罐，30、氢氟酸阀，31、气液阀，32、气液分离器，33、湿式气体流量计，34、流出气体储罐，35、液压压力表，36、液压阀，37、液压泵，38、液压油罐。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，如图1所示，包括高压反应釜14、注入管道和排出管道。
高压反应釜14置于恒温箱15内，恒温箱15上设置有温度计13，用于监测高压反应釜14内的温度，高压反应釜14采用不锈耐酸钢体制成，呈圆柱体结构，包括反应釜本体、顶盖14-1和底盖14-6，如图2所示，反应釜本体与顶盖14-1、底盖14-6均通过螺纹连接，具有良好的密封性，顶盖14-1和底盖14-6均可拆卸，便于将试样放置于高压反应釜14内；顶盖14-1上设置有注入孔和加压孔，注入孔内嵌设有密封圈14-2，底盖14-6用于模拟采取防砂措施的井壁，底盖14-6上设置有排出孔，用于排出高压反应釜14内的流体；反应釜本体侧壁近顶盖14-1一侧设置有温度传感器安装孔，用于固定测量高压反应釜14内温度的温度传感器14-8，反应釜本体侧壁近底盖14-6一侧等间距设置有八个压力传感器安装孔，用于固定测量天然气水合物沉积物试样孔隙压力的压力传感器14-7，温度传感器14-8和压力传感器14-7均通过数据信号传输线与数据处理系统相连接，数据处理系统用于获取并记录各压力传感器14-7和温度传感器14-8的测量值，反应釜本体内部设置活塞14-3，活塞14-3可沿反应釜本体内壁移动，并且活塞14-3中心位置处设置有中心孔，外部套设有丁基橡胶密封圈14-4，与高压反应釜14内壁相紧贴，丁基橡胶密封圈14-4大幅度提高了活塞14-3与反应釜本体之间的密封效果，活塞14-3与底盖14-6之间设置有一对防砂网14-5，其中一个防砂网14-5固定于底盖14-6上，另一个防砂网14-5与活塞14-3固定连接，活塞14-3与顶盖14-1之间形成液压空腔，顶盖14-1上的加压孔通过第一管道与液压油罐38相连接，用于为活塞14-3提供轴向压力，第一管道靠近液压油罐38一端依次设置有液压压力表35、液压阀36和液压泵37，液压油罐38内的液压油在液压泵37的作用下，通过第一管道注入高压反应釜14的液压空腔中，向高压反应釜14内部施加轴向压力。
注入管道一端依次穿过顶盖14-1上的注入孔和活塞14-3上的中心孔置于高压反应釜14内部，通过密封圈14-2与顶盖14-1密封连接，注入管道的另一端置于恒温箱15外部，与注入系统相连接，恒温箱15外部靠近恒温箱15入口端的注入管道上设置有注入流体压力表11，恒温箱15内部靠近高压反应釜顶盖14-1一侧的注入管道呈螺旋形结构，螺旋形管道12的设置不仅使得注入管道具有一定的伸缩性，还增大了注入管道的导热面积；注入系统包括甲烷气瓶10和储水罐1，甲烷气瓶10通过第二管道与注入管道相连接，第二管道近甲烷气瓶10一端依次设置有进气阀7、气体增压泵8和甲烷气瓶阀9，储水罐1通过第三管道与注入管道相连接，第三管道近储水罐1一端依次设置有进水阀6、恒流水阀5和恒流泵2，第三管道上设置有用于增加水流压力的增压分路，增压分路与第三管道相连通，增压分路的进液端设置于恒流泵2与恒流水阀5之间，出液端设置于恒流水阀5与进水阀6之间，增压分路进液端一侧依次设置有增压水阀3和液体增压泵4，利用液体增压泵4对注入高压反应釜14内的水流进行增压，增大注入管道内的水流压力。
排出管道一端置于恒温箱15内部，穿过底盖14-6上的排出孔与高压反应釜14相连接，另一端置于恒温箱15外部，分别与气液回收系统和注酸系统相连接，恒温箱15外部靠近恒温箱15出口端一侧的排出管道上依次设置有出口阀16、背压阀17和排出流体压力表18，气液回收系统包括流出气体储罐21、流出液体储罐34和废液罐22，流出气体储罐34通过第四管道依次与气液分离器32和排出管道相连接，第四管道近排出管道一侧设置有气液阀31，气液分离器32用于分离甲烷气中的水，气液分离器32与流出气体储罐34之间的管道上设置有湿式气体流量计33，用于测量流入流出气体储罐34内的气体流量；流出液体储罐21通过第五管道与排出管道相连接，第五管道靠近流出液体储罐21一侧依次设置有水流出阀19和液体流量计20，液体流量计20用于测量流入流出液体储罐21内的液体流量；废液罐22通过第六管道与排出管道相连接，用于储存酸化后的废液，第六管道靠近废液罐22一侧设置有废液阀23；注酸系统包括混酸容器26，混酸容器26的进液端通过注酸管道分别与盐酸储罐28和氢氟酸储罐29相连接，盐酸储罐28内储存有浓度为10％的盐酸，氢氟酸储罐29内储存有浓度为8％的氢氟酸，盐酸和氢氟酸用于制作混合酸液，其中以浓度为10％的盐酸替代地层水作为预冲洗液，有利于防止后续化学反应造成的堵塞，混酸容器26与盐酸储罐28相连管道上设置有盐酸阀27，与氢氟酸储罐29相连管道上设置有氢氟酸阀30，混酸容器26的出液端通过第七管道与排出管道相连接，第七管道靠近混酸容器26一侧依次设置有酸压泵25和进酸阀24，酸压泵25用于将混酸容器26内的混合酸液注入高压反应釜14中，排出管道、第六管道、第七管道和注酸管道均采用不锈耐酸钢制成，能够有效防止酸液的腐蚀，延长实验设备的使用寿命。
本发明还提出了一种利用上述实验装置模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，以模拟泥质砂岩天然气水合物储层开采过程中的近井堵塞和解堵为例，对本发明提出的实验方法进行说明，具体包括以下步骤：
步骤1，制备天然气水合物沉积物试样，具体包括以下子步骤：
步骤1.1，根据天然气水合物沉积物试样的尺寸及孔隙度，计算制备天然气水合物沉积物试样所需石英砂和高岭土的质量，按照计算结果称取石英砂和高岭土，将两者均匀混合形成砂土混合物后置于高压反应釜14的底部，盖紧高压反应釜14的顶盖14-1和底盖14-6，利用高压反应釜14的底盖14-6模拟井壁，将压力传感器14-7固定于高压反应釜14的压力传感器安装孔中，并计算各压力传感器14-7与高压反应釜底盖14-6之间的距离，按照由近及远的顺序对压力传感器14-7进行编号，本实施例中压力传感器14-7的编号从1至8，再将温度传感器14-8固定于高压反应釜14的温度传感器安装孔中，开启恒温箱15，将恒温箱15的温度设置为281.15K(8℃)，为了防止实验过程中高压反应釜14内注水后结冰失去流动性，实验过程中始终保持恒温箱15的内部温度为281.15K。
步骤1.2，开启液压阀36，启动液压泵37，液压油罐38中的液压油通过第一管道流入高压反应釜14的液压空腔内，向活塞14-3提供一定的轴向压力，利用活塞14-3将砂土混合物压制成固结试样，结合液压压力表35的示数，控制液压阀36，使得活塞14-3所受轴向压力与模拟泥质砂岩天然气水合物储层的水平地层应力相同，实验过程中保持活塞14-3所受的轴向压力不变。
步骤1.3，根据天然气水合物沉积物试样的饱和度，确定制备天然气水合物沉积物试样所需注入的水量，依次开启恒流水阀5、进水阀6和恒流泵2，储水罐1中的水在恒流泵2的作用下通过注入管道注入高压反应釜14内，注入一段时间后依次关闭恒流泵2、恒流水阀5和进水阀6后，再依次开启甲烷气瓶阀9、进气阀7和气体增压泵8，甲烷气瓶10中的甲烷气体在气体增压泵8的作用下通过注入管道注入高压反应釜14内，甲烷气体在高压反应釜14内产生憋压压力，结合注入流体压力表11的示数，使得高压反应釜14内甲烷气体的憋压压力大于该温度条件下天然气水合物的相平衡压力，本实施例中天然气水合物的相平衡压力为6.00MPa。
步骤1.4，继续向高压反应釜14内注入甲烷气体，观察注入流体压力表11的示数，当注入流体压力表11的示数不再发生变化时，说明固结试样孔隙中的水与注入高压反应釜14内的甲烷气体充分反应生成天然气水合物，形成天然气水合物沉积物试样，依次关闭气体增压泵8、进气阀7和甲烷气瓶阀9，停止向高压反应釜14内通入甲烷气体。
步骤2，模拟天然气水合物的降压分解过程
利用高压反应釜底盖14-6模拟井壁，天然气水合物沉积物试样用于模拟靠近井壁处的天然气水合物储层，对天然气水合物沉积物试样中的天然气水合物进行降压分解，具体包括以下子步骤：
步骤2.1，开启增压水阀3、进水阀6、恒流泵2和液体增压泵4，再开启出口阀16、背压阀17和气液阀31，将储水罐1中的水流通过液体增压泵4加压后注入高压反应釜14中，驱替残留在天然气水合物沉积物试样孔隙中的甲烷气体，结合注入流体压力表11的示数，保证驱替过程中注入管道内的水流压力始终大于高压反应釜14内天然气水合物的相平衡压力，天然气水合物沉积物试样孔隙中的甲烷气体经排出管道排入至第四管道，进入第四管道的甲烷气内含有一部分的水，利用气液分离器32将甲烷气体内的水分离得到干燥的甲烷气体，将干燥的甲烷气体储存于流出气体储罐34中。
步骤2.2，根据湿式气体流量计33的示数，当湿式气体流量计33的示数相对稳定时，调节背压阀17，使得排出管道内的水流压力始终小于高压反应釜14内天然气水合物的平衡压力，天然气水合物沉积物试样内的天然气水合物分解，观察湿式气体流量计33的示数，通过记录湿式气体流量计33的示数，确定甲烷气体的流量峰值，当湿式气体流量计33的示数低于流量峰值的40％时，说明天然气水合物沉积物储层所模拟的天然气水合物储层靠近模拟井壁部分已经充分堵塞，天然气水合物已完成降压分解，分别关闭气液阀31、增压水阀3和液体增压泵4，结束降压分解模拟实验。
步骤3，确定天然气水合物储层的堵塞程度，具体包括以下子步骤：
步骤3.1，根据高压反应釜14上各压力传感器的位置，将天然气水合物沉积物试样划分为多个模拟储层段，通过测量各压力传感器至高压反应釜14底盖14-6的距离，得到各模拟储层段与模拟井壁之间的距离。
步骤3.2，根据排出流体压力表18，调节背压阀17，使得排出管道内的水流压力大于高压反应釜14内天然气水合物的相平衡压力，天然气水合物沉积物试样中天然气水合物的停止分解。
步骤3.3，开启恒流水阀5和水流出阀19，通过注入管道将储水罐1中的水注入高压反应釜14中，保持注入管道内的水流流量恒定，根据液体流量计20的示数确定注入管道内的水流流量Q，利用压力传感器14-7测量得到各模拟储层段的孔隙压力，通过数据处理系统获取各压力传感器14-7测量的压力值，如图3所示，关闭恒流水阀5、水流出阀19和恒流泵2。
步骤3.4，根据各压力传感器14-7测量的压力值，基于达西渗流公式分别计算各模拟储层段的渗透率，如式(2)所示：
式中，Q表示排出管道内的水流流量，单位为cm3/s；μ表示排出管道内水流的动力粘度，单位为mPa·s；φ表示高压反应釜的内径，单位为cm；L表示高压反应釜上相邻压力传感器安装孔之间的距离，单位为cm；Pi表示压力传感器i测量的压力值，i表示压力传感器的编号；Ki表示压力传感器i所对应模拟储层段的渗透率；
本实施例中，温度281.15K条件下排出管道内水流的动力粘度如式(5)所示：
式中，T表示排出管道内的水流温度，单位为K；
以距离模拟井壁最远处模拟储层段的渗透率作为标准值S，分别计算各模拟储层段与标准值的比值I，根据比值I确定各模拟储层段堵塞程度，其中，对于各模拟储层段堵塞程度的判断标准为：当0.8≤I≤1时，模拟储层段为轻度堵塞，当0.4≤I＜0.8时，模拟储层段为中度堵塞，当I＜0.4时，模拟储层段为重度堵塞。
步骤4，利用注酸系统向天然气水合物沉淀物试样中注入酸液，进行注酸解堵实验并对解堵效果进行评价，具体包括以下步骤：
步骤4.1，开启盐酸阀27，将盐酸储罐28内的盐酸作为预冲洗液注入混酸容器26内，关闭盐酸阀27后，开启氢氟酸阀30，将氢氟酸储罐29内的氢氟酸注入混酸容器26内，形成混合酸液，关闭氢氟酸阀30，依次开启进酸阀24和酸压泵25，酸液泵25将混合酸液通过第七管道注入高压反应釜14内，利用混合酸液与天然气水合物沉积物试样中的高岭土发生反应进行解堵。
步骤4.2，关闭进酸阀24，开启恒流泵2、恒流水阀5和废液阀23，将天然气水合物沉积物试样孔隙中残余的混合酸液驱替至废液罐22中，依次关闭恒流水阀5和废液阀23。
步骤4.3，重复步骤3.3，基于达西渗流公式分别计算注酸后各模拟储层段的渗透率，如式(3)所示：
式中，Pi′表示注酸后压力传感器i测量的压力值，i表示压力传感器的编号；Ki′表示压力传感器i所对应模拟储层段注酸后的渗透率；
注酸前后各模拟储层段的渗透率如图4所示，图4中横坐标为压力传感器至高压反应釜底盖的距离，即为模拟储层段至模拟井壁之间的距离，分别针对各模拟储层段计算注酸前后渗透率的差值，计算解堵效果评价参数X，如式(4)所示：
式中，S表示未注酸时距离模拟井壁最远处模拟储层段的渗透率；j表示模拟储层段的编号，j＝1,2,…,i-1；Kj表示未注酸时模拟储层段j的渗透率，K′j表示注酸后模拟储层段j的渗透率。
基于解堵效果评价参数确定模拟储层段的注酸解堵效果，其中，当X≤0.4时，确定模拟储层段的注酸解堵效果为差；当0.4＜X≤0.8时，确定模拟储层段的注酸解堵效果为中等；当X＞0.8时，确定模拟储层段的注酸解堵效果为优。关闭背压阀17、出口阀16、液压阀36和液压泵37，结束注酸解堵实验。
本发明实验装置及方法设计合理，利用高压反应釜底盖14-6模拟井壁，实现了对降压井壁和防砂井壁的工作状态的模拟；液压油罐38与活塞14-3组成的液压系统不仅能够在制备天然气水合物沉积物试样时提供压实试样所需的轴向力，还能在实验过程中模拟天然气水合物储层所受的水平地应力，还原天然气水合物储层的真实状态；注入管道的螺旋形结构不仅增大了管路的外表面积，使得流体流入恒温箱15后能够快速达到恒温箱15的设定温度，避免流体温度对渗透率计算的影响，同时，螺旋形管道12具有一定的伸缩性，由于制备天然气水合物沉积物试样时天然气水合物发生分解，可能造成注入管道被动位移，而螺旋形管道12的设置则能起到缓冲作用，避免实验过程中注入管道的偏移。
本发明利用制备的天然气水合物沉积物试样模拟实际泥质砂岩天然气水合物储层，利用高压反应釜底盖模拟井壁，实现了对近井储层堵塞程度以及注酸解堵效果的准确评价，有利于减少天然气水合物储层的产能损失，提高了综合经济效益，为天然气水合物的有效开采奠定了基础。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，其特征在于，包括高压反应釜(14)、注入管道和排出管道；
所述高压反应釜(14)置于恒温箱(15)内，高压反应釜(14)包括反应釜本体、顶盖(14-1)和底盖(14-6)，顶盖(14-1)上设置有注入孔和加压孔，底盖(14-6)上设置有排出孔，反应釜本体侧壁近顶盖(14-1)一侧设置有温度传感器安装孔，用于固定温度传感器(14-8)，反应釜本体侧壁近底盖(14-6)一侧等间距设置有多个压力传感器安装孔，用于固定压力传感器(14-7)，温度传感器(14-8)和压力传感器(14-7)均通过数据信号传输线与数据处理系统相连接，反应釜本体内部设置有带中心孔的活塞(14-3)，活塞(14-3)与底盖(14-6)之间设置有一对防砂网(14-5)，其中一个与底盖(14-6)固定连接，另一个与活塞(14-3)相固定，活塞(14-3)与顶盖(14-1)之间的空间为液压空腔，加压孔通过第一管道与液压油罐(38)相连接，用于向活塞(14-3)施加压力，第一管道靠近液压油罐(38)一端依次设置有液压压力表(35)、液压阀(36)和液压泵(37)；
所述注入管道一端置于恒温箱(15)内部，依次穿过顶盖(14-1)的注入孔和活塞(14-3)的中心孔与高压反应釜(14)相连接，另一端置于恒温箱(15)外部与注入系统相连接，恒温箱(15)外部靠近恒温箱(15)入口端的注入管道上设置有注入流体压力表(11)，恒温箱(15)内部靠近高压反应釜顶盖(14-1)一侧的注入管道呈螺旋形结构，注入系统包括甲烷气瓶(10)和储水罐(1)，甲烷气瓶(10)通过第二管道与注入管道相连接，第二管道近甲烷气瓶(10)一端依次设置有进气阀(7)、气体增压泵(8)和甲烷气瓶阀(9)，储水罐(1)通过第三管道与注入管道相连接，第三管道近储水罐(1)一端依次设置有进水阀(6)、恒流水阀(5)和恒流泵(2)，第三管道上设置有增压分路，增压分路与第三管道相连通，增压分路的进液端设置于恒流泵(2)与恒流水阀(5)之间，出液端设置于恒流水阀(5)与进水阀(6)之间，增压分路进液端一侧依次设置有增压水阀(3)和液体增压泵(4)；
所述排出管道一端置于恒温箱(15)内部，穿过底盖(14-6)的排出孔与高压反应釜(14)相连接，另一端置于恒温箱(15)外部，分别与气液回收系统和注酸系统相连接，恒温箱(15)外部靠近恒温箱(15)出口端一侧排出管道上依次设置有出口阀(16)、背压阀(17)和排出流体压力表(18)，气液回收系统包括流出气体储罐(34)、流出液体储罐(21)和废液罐(22)，流出气体储罐(34)通过第四管道依次与气液分离器(32)和排出管道相连接，第四管道靠近排出管道一侧设置有气液阀(31)，气液分离器(32)与流出气体储罐(34)之间的管道上设置有湿式气体流量计(33)，流出液体储罐(21)通过第五管道与排出管道相连接，第五管道靠近流出液体储罐(21)一侧依次设置有水流出阀(19)和液体流量计(20)，废液罐(22)通过第六管道与排出管道相连接，第六管道靠近废液罐(22)一侧设置有废液阀(23)，注酸系统包括混酸容器(26)，混酸容器(26)的进液端通过注酸管道分别与盐酸储罐(28)和氢氟酸储罐(29)相连接，混酸容器(26)与盐酸储罐(28)相连的注酸管道上设置有盐酸阀(27)，与氢氟酸储罐(29)相连的注酸管道上设置有氢氟酸阀(30)，混酸容器(26)的出液端通过第七管道与排出管道相连接，第七管道靠近混酸容器(26)一侧依次设置有酸压泵(25)和进酸阀(24)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，其特征在于，所述高压反应釜(14)采用不锈耐酸钢体制成，呈圆柱体结构，反应釜本体与顶盖(14-1)、底盖(14-6)均为螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，其特征在于，所述盐酸储罐(28)内设置有浓度为10％的盐酸，氢氟酸储罐(29)内设置有浓度为8％的氢氟酸。
4.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，其特征在于，所述活塞(14-3)外部套设有丁基橡胶密封圈(14-4)，与高压反应釜(14)内壁相紧贴。
5.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，其特征在于，所述恒温箱(15)上设置有温度计(13)，用于监测恒温箱(15)内部的温度。
6.根据权利要求1所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验装置，其特征在于，所述排出管道、第六管道、第七管道和注酸管道均采用不锈耐酸钢制成。
7.一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，制备天然气水合物沉积物试样，具体包括以下步骤：
步骤1.1，根据天然气水合物沉积物试样的尺寸及孔隙度，计算制备天然气水合物沉积物试样所需石英砂和高岭土的质量，按照计算结果称取石英砂和高岭土，将两者均匀混合形成砂土混合物后置于高压反应釜(14)底部，盖紧高压反应釜(14)的顶盖(14-1)和底盖(14-6)，利用高压反应釜(14)的底盖(14-6)模拟井壁，将压力传感器(14-7)固定于高压反应釜(14)的压力传感器安装孔中，计算各压力传感器与高压反应釜底盖(14-6)之间的距离，并按照由近及远的顺序对压力传感器(14-7)进行编号，再将温度传感器(14-8)固定于高压反应釜(14)的温度传感器安装孔中，开启恒温箱(15)，设置恒温箱(15)的温度，实验过程中保持恒温箱(15)的温度不变；
步骤1.2，开启液压阀(36)，启动液压泵(37)，液压油罐(38)中的液压油通过第一管道流入高压反应釜(14)的液压空腔内，向活塞(14-3)提供轴向压力，利用活塞(14-3)将砂土混合物压制成固结试样，结合液压压力表(35)的示数，控制液压阀(36)，使得活塞(14-3)所受轴向压力与模拟天然气水合物储层的水平地层应力相同，实验过程中保持活塞(14-3)所受轴向压力不变；
步骤1.3，根据天然气水合物沉积物试样的饱和度，确定制备天然气水合物沉积物试样所需注入的水量，依次开启恒流水阀(5)、进水阀(6)和恒流泵(2)，储水罐(1)中的水在恒流泵(2)的作用下通过注入管道注入高压反应釜(14)内，依次关闭恒流泵(2)、恒流水阀(5)和进水阀(6)后，再依次开启甲烷气瓶阀(10)、进气阀(7)和气体增压泵(8)，甲烷气瓶(10)中的甲烷气体在气体增压泵(8)的作用下通过注入管道注入高压反应釜(14)内，甲烷气体在高压反应釜(14)内产生憋压压力，结合注入流体压力表(11)的示数，使得高压反应釜(14)内甲烷气体的憋压压力大于该温度条件下天然气水合物的相平衡压力；
其中，天然气水合物的相平衡压力计算公式如式(1)所示：
式中，P平衡表示天然气水合物的相平衡压力，单位为MPa；T表示天然气水合物的温度，单位为K；
步骤1.4，继续向高压反应釜(14)内注入甲烷气体，观察注入流体压力表(11)的示数，当注入流体压力表(11)的示数不再发生变化时，固结试样孔隙中的水与注入高压反应釜(14)内的甲烷气体充分反应生成天然气水合物，形成天然气水合物沉积物试样，依次关闭气体增压泵(8)、进气阀(7)和甲烷气瓶阀(9)，停止向高压反应釜(14)内通入甲烷气体；
步骤2，模拟天然气水合物的降压分解过程
利用高压反应釜底盖(14-6)模拟井壁，天然气水合物沉积物试样用于模拟靠近井壁处的天然气水合物储层，对天然气水合物沉积物试样中的天然气水合物进行降压分解实验，具体包括以下步骤：
步骤2.1，开启增压水阀(3)、进水阀(6)、恒流泵(2)和液体增压泵(4)，再开启出口阀(16)、背压阀(17)和气液阀(31)，将储水罐(1)中的水加压后注入高压反应釜(14)中，驱替残留在天然气水合物沉积物试样孔隙中的甲烷气体，结合注入流体压力表(11)的示数，使得驱替过程中注入管道内的水流压力始终大于高压反应釜(14)内天然气水合物的相平衡压力，天然气水合物沉积物试样孔隙中的甲烷气体经排出管道进入第四管道，利用气液分离器(32)分离甲烷气体中的水，得到干燥的甲烷气体并储存于流出气体储罐(34)中；
步骤2.2，根据湿式气体流量计(33)的示数，调节背压阀(17)，使得排出管道内的水流压力始终小于高压反应釜(14)内天然气水合物的平衡压力，天然气水合物沉积物试样内的天然气水合物分解，通过记录湿式气体流量计(33)的示数，确定甲烷气体的流量峰值，当湿式气体流量计(33)的示数低于流量峰值的40％时，关闭气液阀(31)、增压水阀(3)和液体增压泵(4)，结束降压分解模拟实验；
步骤3，对天然气水合物储层的堵塞程度进行评价，具体包括以下步骤：
步骤3.1，根据高压反应釜(14)上各压力传感器的位置，将天然气水合物沉积物试样划分为多个模拟储层段，通过测量各压力传感器至高压反应釜底盖(14-6)的距离，得到各模拟储层段与模拟井壁之间的距离；
步骤3.2，根据排出流体压力表(18)，调节背压阀(17)，使得排出管道内的水流压力大于高压反应釜(14)内天然气水合物的相平衡压力，天然气水合物沉积物试样中天然气水合物的停止分解；
步骤3.3，开启恒流水阀(5)和水流出阀(19)，通过注入管道将储水罐(1)中的水注入高压反应釜(14)中，保持注入管道内的水流流量恒定，根据液体流量计(20)的示数确定注入管道内的水流流量Q，利用压力传感器(14-7)测量得到各模拟储层段的孔隙压力，通过数据处理系统获取各压力传感器测量的压力值，关闭恒流水阀(5)、水流出阀(19)和恒流泵(2)；
步骤3.4，根据各压力传感器测量的压力值，基于达西渗流公式分别计算各模拟储层段的渗透率，如式(2)所示：
式中，Q表示排出管道内的水流流量，单位为cm3/s；μ表示排出管道内水流的动力粘度，单位为mPa·s；φ表示高压反应釜的内径，单位为cm；L表示高压反应釜上相邻压力传感器安装孔之间的距离，单位为cm；Pi表示压力传感器i测量的压力值，i表示压力传感器的编号；Ki表示压力传感器i所对应模拟储层段的渗透率；
以距离模拟井壁最远处模拟储层段的渗透率作为标准值S，分别计算各模拟储层段与标准值的比值I，并根据比值I确定各模拟储层段的堵塞程度；
步骤4，利用注酸系统向天然气水合物沉淀物试样中注入酸液，进行注酸解堵实验并对解堵效果进行评价，具体包括以下步骤：
步骤4.1，开启盐酸阀(27)，将盐酸储罐(28)内的盐酸作为预冲洗液注入混酸容器(26)内，关闭盐酸阀(27)后，开启氢氟酸阀(30)，将氢氟酸储罐(29)内的氢氟酸注入混酸容器(26)内，形成混合酸液，关闭氢氟酸阀(30)，依次开启进酸阀(24)和酸压泵(25)，将混合酸液通过第七管道注入高压反应釜(14)内，利用混合酸液与天然气水合物沉积物试样中的高岭土发生反应进行解堵；
步骤4.2，关闭进酸阀(24)，开启恒流泵(2)、恒流水阀(5)和废液阀(23)，将天然气水合物沉积物试样孔隙中残余的混合酸液驱替至废液罐(22)中，依次关闭恒流水阀(5)和废液阀(23)；
步骤4.3，重复步骤3.3，基于达西渗流公式分别计算注酸后各模拟储层段的渗透率，如式(3)所示：
式中，P′i表示注酸后压力传感器i测量的压力值，i表示压力传感器的编号；Ki′表示压力传感器i所对应模拟储层段注酸后的渗透率；
分别针对各模拟储层段计算注酸前后渗透率的差值，计算解堵效果评价参数X，如式(4)所示：
式中，S表示未注酸时距离模拟井壁最远处模拟储层段的渗透率；j表示模拟储层段的编号，j＝1,2,…,i-1；Kj表示未注酸时模拟储层段j的渗透率，K′j表示注酸后模拟储层段j的渗透率；
根据解堵效果评价参数，确定各模拟储层段的注酸解堵效果，关闭背压阀(17)、出口阀(16)、液压阀(36)和液压泵(37)，结束注酸解堵实验。
8.根据权利要求7所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，其特征在于，所述步骤1.1中，设置恒温箱(15)的温度为281.15K。
9.根据权利要求7所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，其特征在于，所述步骤3.4中，模拟储层段堵塞程度的判断标准为：当0.8≤I≤1时，模拟储层段为轻度堵塞；当0.4≤I＜0.8时，模拟储层段为中度堵塞；当I＜0.4时，模拟储层段为重度堵塞。
10.根据权利要求7所述的一种模拟天然气水合物开采近井堵塞和解堵的实验方法，其特征在于，所述步骤4.3中，模拟储层段注酸解堵效果的判断标准为：当X≤0.4时，模拟储层段的注酸解堵效果为差；当0.4＜X≤0.8时，模拟储层段的注酸解堵效果为中等；当X＞0.8时，模拟储层段的注酸解堵效果为优。
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