CN113323633B - 一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，解决了现有技术中不能进行原位动态成藏全过程模拟以及海洋天然气水合物层与下覆自由气层一体化综合开采模拟的技术问题。它包括外釜、位于外釜内侧的内釜和釜盖；所述内釜内侧自下向上依次设有下覆自由气层二、砂层二、下覆自由气层一、砂层一、稳定水合物层、上覆致密泥层。本发明可实现水合物藏与下覆自由气耦合共生动态成藏的研究，模拟成藏过程中气‑水运移规律；可用于在水合物勘探开发过程中对不同水合物储层类型进行开采方法优选、明确不同开采模式下水合物储层相变动态规律及在开采过程各层位间的相互影响，为天然气水合物藏安全、高效开采提供理论基础与技术支撑。

Description

一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物原位成藏及开发技术领域，具体涉及一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置。

背景技术

天然气水合物是甲烷等烃类气体与水在高压、低温条件下形成的笼形结晶状化合物，俗称可燃冰，1m3 天然气水合物在标况下可以分解为0.8m3 水和164m3 甲烷气，具有储气密度高、燃烧热值高等特点。天然气水合物主要分布于海床和陆地永久冻土带地区。从长远看，天然气水合物非常规油气必将形成对常规油气的“第二次革命”。

海洋天然气水合物虽然储量巨大、开发前景广阔，但存在天然气丰度远低于致密气和页岩气，产量低、连续开采困难，难以实现规模化开采等问题，目前水合物未能实现商业化开采，仍处在短期科研试采阶段。海洋天然气水合物大多表现为浅表层、中深层水合物与下覆自由气存在纵向耦合共生关系，可通过上覆水合物与下覆自由气联合开采方法实现其商业化开采。目前，海洋天然气水合物与自由气的一体化开采技术尚未形成，亟需在海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采方面开展科技攻关。目前，天然气水合物的研究主要是以室内实验为主，室内实验模拟装置虽涵盖了水合物的生成、开采、分解以及各项参数测定的功能，但在水合物成藏方面绝大多数为均质水合物或单一水合物沉积层的研究；开采方面也主要以单一开采方式模拟为主，未建立研究不同层位、不同地质特征的水合物藏开发方式优选评价以及天然气水合物藏与下覆自由气联合开采实验装置。因此，为实现原位成藏及一体化开采，在成藏及开采过程中，需要一种多功能的装置，以实现如下功能和要求：水合物藏与下覆自由气耦合共生动态成藏的研究，成藏过程中气-水运移规律；海洋天然气水合物和一体化开发机理研究，孔隙填充型及裂隙填充型海洋天然气水合物原位动态成藏全过程模拟；海洋天然气水合物层降压法、注热法、固态流化法单一模拟以及海洋天然气水合物层与下覆自由气层一体化综合开采。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，以解决现有技术中不能进行原位动态成藏全过程模拟以及海洋天然气水合物层与下覆自由气层一体化综合开采模拟的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，包括外釜、位于外釜内侧的内釜和釜盖；其中，

所述釜盖分别与外釜和内釜活动连接，

所述内釜内侧自下向上依次设有下覆自由气层二、砂层二、下覆自由气层一、砂层一、稳定水合物层、上覆致密泥层；相邻的层间均通过绝热隔板隔开，每个所述绝热隔板上均安装有热交换组件，且所述绝热隔板上连接用于海水与天然气流通的单向阀；还包括用于调节外釜内温度的外釜调温装置；

所述内釜的底部还连接有用于天然气注入的注气口和用于海水注入的注水口；

还包括伸入稳定水合物层内的固态流化开采管和注热开采管；

还包括分别伸入下覆自由气层二、下覆自由气层一、稳定水合物层内的降压开采管；

所述固态流化开采管、注热开采管和降压开采管均分别与釜盖活动连接。

进一步的，所述内釜的外壁在对应下覆自由气层二、砂层二、下覆自由气层一、砂层一、稳定水合物层、上覆致密泥层的位置均分别设有一组监测组件；每组监测组件均包括压力传感器、温度传感器、声波传感器和电阻率传感器。

进一步的，所述外釜调温装置包括设置在外釜外壁的制冷夹套和设置在制冷夹套上的夹套温度传感器。

进一步的，所述外釜与内釜间具有间隙，所述外釜的底部连接有制冷液体注入管和制冷液体排出管。

进一步的，还包括注气管和注水管，所述注气管和注水管分别与所述注气口和注水口连接，所述注气管和注水管均位于外釜与内釜间的间隙内，且所述注气管和注水管均分别与釜盖活动连接。

进一步的，所述固态流化开采管、注热开采管和降压开采管分别通过固态流化开采套管、注热开采套管和降压开采套管与釜盖活动连接；且所述固态流化开采管与固态流化开采套管间、注热开采管与注热开采套管间以及降压开采管与降压开采套管间均为活动连接。

进一步的，还包括用于内釜抽真空的抽真空管，所述抽真空管的一端伸入内釜内，且所述抽真空管的另一端活动连接在釜盖上。

进一步的，所述釜盖与外釜和内釜的连接处均设有密封件；所述釜盖与固态流化开采套管、注热开采套管和降压开采套管的连接处均设有密封件；所述釜盖与注气管、注水管的连接处均设有密封件；所述釜盖与抽真空管的连接处设有密封件。

进一步的，所述釜盖的顶部安装有吊钩。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

（1）本发明提供的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，可实现水合物藏与下覆自由气耦合共生动态成藏的研究，模拟成藏过程中气-水运移规律；可用于在水合物勘探开发过程中对不同水合物储层类型进行开采方法优选、明确不同开采模式下水合物储层相变动态规律及在开采过程各层位间的相互影响，为天然气水合物藏安全、高效开采提供理论基础与技术支撑。

（2）本发明提供的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，可进行海洋天然气水合物和一体化开发机理研究，孔隙填充型及裂隙填充型海洋天然气水合物原位动态成藏全过程模拟；海洋天然气水合物层降压法、注热法、固态流化法单一模拟以及海洋天然气水合物层与下覆自由气层一体化综合开采。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中A部的放大示意图；

图3是图1中B部的放大示意图；

图4是本发明实施例中绝热隔板的结构示意图；

图5是图1的俯视图。

图中：1、外釜；2、内釜；3、制冷夹套；4、釜盖；5、卡箍；6、注气管；7、注水管；8、制冷液体注入管；9、制冷液体排出管；10、温度传感器；11、压力传感器；12、电阻率传感器；13、热交换组件；14、注气口；15、注水口；16、绝热隔板；17、声波传感器；18、单向阀； 19、进液口；20、出液口；21、夹套温度传感器；22、吊钩；23、注水套管；24、降压开采套管一；25、螺母；26、注气套管；27、注热开采套管；28、固态流化开采套管； 29、固态流化开采管；30、降压开采管二；31、降压开采管一； 32、注热开采管； 33、内釜密封凹槽；34、外釜密封凹槽；35、内釜温度传感器；36、内釜压力传感器；37、降压开采套管二；38、注水套管密封凹槽；39、空隙；40、下覆自由气层二；41、砂层二；42、下覆自由气层一；43、砂层一；44、稳定水合物层；45、上覆致密泥层；46、降压开采套管三；47、抽真空管。

具体实施方式

如图1-图5所示：

本发明提供的一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，包括外釜1、位于外釜1内侧的内釜2和釜盖4；其中，

所述釜盖4分别与外釜1和内釜2活动连接，

所述内釜2内侧自下向上依次设有下覆自由气层二40、砂层二41、下覆自由气层一42、砂层一43、稳定水合物层44、上覆致密泥层45，上覆致密泥层45包括下部的泥层和上部的海水层；下覆自由气层二40与内釜2的底部间具有空隙39；相邻的层间均通过绝热隔板16隔开，每个所述绝热隔板16上均安装有热交换组件13，所述绝热隔板16上连接用于海水与天然气流通的单向阀18；还包括用于调节外釜1内温度的外釜1调温装置；

所述内釜2的底部还连接有用于天然气注入的注气口14和用于海水注入的注水口15；

还包括伸入稳定水合物层44内的固态流化开采管29和注热开采管32；

还包括分别伸入下覆自由气层二40、下覆自由气层一42、稳定水合物层44内的降压开采管；

所述固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管均分别与釜盖4活动连接，所述绝热隔板16上还开设有用于固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管安装的升降管口。

作为可选的实施方式，所述内釜2的外壁在对应下覆自由气层二40、砂层二41、下覆自由气层一42、砂层一43、稳定水合物层44、上覆致密泥层45的位置均分别设有一组监测组件；每组监测组件均包括压力传感器11、温度传感器10、声波传感器17和电阻率传感器12。所述压力传感器11、温度传感器10、声波传感器17和电阻率传感器12均密封连接在内釜2上且伸入内釜2内与对应的下覆自由气层二40、砂层二41、下覆自由气层一42、砂层一43、稳定水合物层44、上覆致密泥层45接触，进而进行检测。

作为可选的实施方式，每组监测组件均包括1组（2个）温度传感器10、1组（2个）压力传感器11、2组（4个）电阻率传感器12及2组（4个）声波传感器17，各层传感器周向均匀布置共12个。

作为可选的实施方式，热交换组件13与外部的温度调节器连接。

作为可选的实施方式，所述外釜1调温装置包括设置在外釜1外壁的制冷夹套3和设置在制冷夹套3上的夹套温度传感器21，所述夹套温度传感器21伸入外釜1内；制冷夹套3的下部和上部分别设有进液口19和出液口20，且所述进液口19和出液口20分别与外部制冷机组连接；在实验时，通过制冷机组对外釜1制冷。

作为可选的实施方式，所述外釜1与内釜2间具有间隙，所述外釜1的底部连接有制冷液体注入管8和制冷液体排出管9，所述夹套温度传感器21用于测定制冷液体的温度，制冷液可以让外釜1的温度处于一个相对恒温的状态。

作为可选的实施方式，制冷液体注入管8通过管道一外接制冷液体储液箱，制冷液体排出管9通过管道二外接制冷液体收集箱；所述制冷液体注入管8与管道一以及制冷液体排出管9与管道二之间均通过法兰盘连接。

作为可选的实施方式，还包括注气管6和注水管7，所述注气管6和注水管7分别与所述注气口14和注水口15连接，所述注气管6和注水管7均位于外釜1与内釜2间的间隙内，且所述注气管6和注水管7均分别与釜盖4活动连接。

作为可选的实施方式，所述注气管6和注水管7分别通过注水套管23和注气套管26与釜盖4活动连接；所述注气管6与注气套管26间以及注水管7与注水套管23间均为活动连接。

作为可选的实施方式，所述注气管6与注气口14间以及注水管7与注水口15间均通过法兰盘连接。

作为可选的实施方式，所述注气管6与注气套管26间以及注水管7与注水套管23间均为螺纹连接。

作为可选的实施方式，所述固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管分别通过固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管与釜盖4活动连接；且所述固态流化开采管29与固态流化开采套管28间、注热开采管32与注热开采套管27间以及降压开采管与降压开采套管间均为活动连接。

作为可选的实施方式，所述固态流化开采管29与固态流化开采套管28间、注热开采管32与注热开采套管27间以及降压开采管与降压开采套管间均为螺纹连接。

作为可选的实施方式，还包括用于内釜2抽真空的抽真空管47，所述抽真空管47的一端伸入内釜2内，且所述抽真空管47的另一端活动连接在釜盖4上，且与釜盖4密封连接。

作为可选的实施方式，所述釜盖4与外釜1和内釜2的连接处均设有密封件；所述釜盖4与抽真空管47、固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管的连接处均设有密封件；所述内釜2与注气套管26、注水套管23的连接处均设有密封件；所述釜盖4与抽真空管47的连接处设有密封件。

作为可选的实施方式，所述密封件均为橡胶密封圈。

具体的，所述釜盖4在与外釜1和内釜2的接触面上开设有外釜密封凹槽34和内釜密封凹槽33，橡胶密封圈安装在外釜密封凹槽34和内釜密封凹槽33内进行相接处的密封。

作为可选的实施方式，所述釜盖4在与内釜2的连接处设置有插入内釜2内的内釜插入部和搭靠在内釜2顶部的内釜搭靠部；所述内釜插入部的外形与内釜2的尺寸相匹配，且所述内釜插入部的外侧壁上开设有安装橡胶密封圈一的安装槽（即内釜密封凹槽33），在安装时，内釜2与釜盖4间通过此橡胶密封圈一进行密封连接；所述内釜2的顶部外侧设有外凸的内釜连接部，所述内釜搭靠部搭靠在内釜连接部的顶部。

作为可选的实施方式，所述釜盖4在与外釜1的连接处设置有插入外釜1内的外釜插入部和搭靠在外釜1顶部的外釜搭靠部；所述外釜插入部的外形与外釜1的尺寸相匹配，且所述外釜插入部的外侧壁上开设有安装橡胶密封圈二的安装槽（即外釜密封凹槽34），在安装时，外釜1与釜盖4间通过此橡胶密封圈二进行密封连接。所述外釜1的顶部外侧设有外凸的外釜连接部，所述外釜搭靠部搭靠在外釜连接部的顶部。

作为可选的实施方式，所述内釜连接部上在开设有用于注水套管23和注气套管26安装的安装孔一；所述釜盖4在对应安装孔一的位置均开设有对应的安装孔二，所以注水套管23以及注气套管26的安装紧固实际也是釜盖4与内釜2的安装。

作为可选的实施方式，所述注气套管26、注水套管23、固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管的下部外侧均设有安装台阶，所述安装台阶的顶面开设有安装橡胶密封圈三的安装槽（注气套管密封凹槽、注水套管密封凹槽38，固态流化开采套管密封凹槽、注热开采套管密封凹槽和降压开采套管密封凹槽），所述注气套管26、注水套管23、固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管安装后均通过橡胶密封圈三进行密封。

作为可选的实施方式，所述釜盖4的顶部安装有吊钩22。

作为可选的实施方式，绝热隔板16的上表面以及下表面均安装有热交换组件13。

作为可选的实施方式，所述釜盖4最大直径为1280mm、最大厚度为435mm；所述外釜1的内径为950mm、高1500mm；所述内釜2的内径为650mm、高1200mm。

作为可选的实施方式，所述降压开采管包括对应下覆自由气层二40、下覆自由气层一42、稳定水合物层44设置的降压开采管一31、降压开采管二30、降压开采管三；所述降压开采套管包括分别对应降压开采管一31、降压开采管二30、降压开采管三设置的降压开采套管一37、降压开采套管二24和降压开采套管三46。

作为可选的实施方式，所述釜盖4上还连接有内釜温度传感器35和内釜压力传感器36，用于监测内釜海水层处的温度和压力；所述内釜温度传感器35和内釜压力传感器36均为两个，且均密封连接在釜盖4上。

本发明实施例的工作过程如下：

一、原位成藏

（1）安装与填砂:

根据海洋具体储层环境的样品向内釜2进行分层填砂，在填砂过程中放入热交换组件13并连接，分层预埋固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管，以海洋具体储层环境的压实程度进行压实，分层填砂完成后，放入绝热隔板16进行分隔。

①将注水管7和注气管6分别与内釜2的注水口15和注气口14连接；将注水套管23和注气套管26分别安装到内釜2对应的安装孔内，再注水套管23和注气套管26分别与注水管7和注气管6连接；

②将绝热隔板16的上表面以及下表面均安装热交换组件13；打开釜盖4，然后根据实验需求自下向上依次在内釜2内进行：安装一个已安装热交换组件13的绝热隔板16、下覆自由气层二40填砂、安装一个已安装热交换组件13的绝热隔板16、砂层二41填砂、安装一个已安装热交换组件13的绝热隔板16、下覆自由气层一42填砂、安装一个已安装热交换组件13的绝热隔板16、砂层一43填砂、安装一个已安装热交换组件13的绝热隔板16、稳定水合物层44填砂、安装一个已安装热交换组件13的绝热隔板16、上覆致密泥层45填砂，下覆自由气层二40、砂层二41、下覆自由气层一42、砂层一43、稳定水合物层44、上覆致密泥层45均按实验需求结合实际地层物性进行填砂操作；在填砂过程中，还需要分层预埋固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管，内釜2填砂完成；此时，固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管的上端均伸出上覆致密泥层45；

③将固态流化开采管29、注热开采管32和降压开采管分别与固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管连接；将釜盖4安装到内釜2的顶部，安装时，将注水套管23、注气套管26、固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管分别穿过釜盖4上对应的安装孔，然后用螺母25分别将注水套管23、注气套管26、固态流化开采套管28、注热开采套管27和降压开采套管进行紧固；完成注水套管23、注气套管26、固态流化开采套管28、注热开采套管27、降压开采套管的安装，同时完成釜盖4与内釜2的安装；

④在内釜2外壁对应的位置安装压力传感器11、温度传感器10、声波传感器17、电阻率传感器12；

⑤然后通过吊车将内釜2放入外釜1内，通过卡箍55将外釜11与釜盖44固定夹紧，完成釜盖4与外釜1的安装；

⑥注水套管23外接注水装置；注气套管26外接注气装置；固态流化开采套管28外接固态流化模拟开采装置；注热开采套管27外接蒸汽注入装置；降压开采套管外接降压模拟开采装置；抽真空管47外接抽真空装置；所有的压力传感器11、温度传感器10、声波传感器17、电阻率传感器12、内釜温度传感器35和内釜压力传感器36均与外部的数据采集和控制系统电连接；热交换组件13外接温度调节器；制冷液体注入管8外接制冷液体储液箱，制冷液体排出管9外接制冷液体收集箱。

（2）制冷准备

检查设备连接完全后，通过制冷夹套3的进液口19向制冷夹套3中注入制冷液再经制冷夹套3的出液口20形成循环回路；同时通过制冷液体注入管8向外釜1与内釜2的间隙内注入乙二醇，将内釜2降温至实验所需要的温度；

（3）原位成藏

①通过抽真空装置抽取内釜2多余空气；

②抽真空完成后，通过注水装置经注水口15向内釜2填砂模型泵送海水，海水在单向阀18压差作用下驱替孔隙中的空气向上运移，使内釜2填砂模型饱和海水；

③饱和海水后，通过注气装置经注气口14向内釜2填砂模型注入甲烷气，利用甲烷气驱替内釜2填砂模型中的海水向上运移，记录所驱替的海水质量，使内釜2填砂模型中剩余的海水饱和甲烷气；

④调节热交换组件13进行分层控温，使下覆自由气层二40、砂层二41、下覆自由气层一42、砂层一43、稳定水合物层44、上覆致密泥层45均达到实验所需要的温度；

⑤在注气过程中通过压力传感器11、温度传感器10、声波传感器17、电阻率传感器12实时监测内釜2填砂模型的压力、温度以及海水饱和度的动态变化规律；调节注气量，使水合物储层的压力维持在实验所需要的压力，当储层压力不再变化时，水合物生成，原位成藏完成。

二、模拟开采

原位成藏完成后通过已在内釜2填砂模型中预埋并连接好的不同开采管路，结合开采管路在对应储层采用相应开采方法进行单一或一体化开采。通过温度传感器10、压力传感器11、电阻率传感器12、声波传感器17实时监测内釜2各层（下覆自由气层二40、砂层二41、下覆自由气层一42、砂层一43、稳定水合物层44、上覆致密泥层45）间的温度、压力、电阻率、声波的变化，对监测数据后处理，反演分析实现开采过程中水合物储层及自由气层微观机理、特征参数演变全过程动态模拟。

Claims (8)

1.一种海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：包括外釜、位于外釜内侧的内釜和釜盖；其中，

所述釜盖分别与外釜和内釜活动连接，

所述内釜内侧自下向上依次设有下覆自由气层二、砂层二、下覆自由气层一、砂层一、稳定水合物层、上覆致密泥层；相邻的层间均通过绝热隔板隔开，每个所述绝热隔板上均安装有热交换组件，且所述绝热隔板上连接用于海水与天然气流通的单向阀；还包括用于调节外釜内温度的外釜调温装置；所述外釜调温装置包括设置在外釜外壁的制冷夹套和设置在制冷夹套上的夹套温度传感器，所述夹套温度传感器伸入外釜内；制冷夹套的下部和上部分别设有进液口和出液口，且所述进液口和出液口分别与外部制冷机组连接；

所述内釜的底部还连接有用于天然气注入的注气口和用于海水注入的注水口；

还包括伸入稳定水合物层内的固态流化开采管和注热开采管；

还包括分别伸入下覆自由气层二、下覆自由气层一、稳定水合物层内的降压开采管；

所述固态流化开采管、注热开采管和降压开采管均分别与釜盖活动连接。

2.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：所述内釜的外壁在对应下覆自由气层二、砂层二、下覆自由气层一、砂层一、稳定水合物层、上覆致密泥层的位置均分别设有一组监测组件；每组监测组件均包括压力传感器、温度传感器、声波传感器和电阻率传感器。

3.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：所述外釜与内釜间具有间隙，所述外釜的底部连接有制冷液体注入管和制冷液体排出管。

4.根据权利要求1所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：还包括注气管和注水管，所述注气管和注水管分别与所述注气口和注水口连接，所述注气管和注水管均位于外釜与内釜间的间隙内，且所述注气管和注水管均分别与釜盖活动连接。

5.根据权利要求4所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：所述固态流化开采管、注热开采管和降压开采管分别通过固态流化开采套管、注热开采套管和降压开采套管与釜盖活动连接；且所述固态流化开采管与固态流化开采套管间、注热开采管与注热开采套管间以及降压开采管与降压开采套管间均为活动连接。

6.根据权利要求5所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：还包括用于内釜抽真空的抽真空管，所述抽真空管的一端伸入内釜内，且所述抽真空管的另一端活动连接在釜盖上。

7.根据权利要求6所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：所述釜盖与外釜和内釜的连接处均设有密封件；所述釜盖与固态流化开采套管、注热开采套管和降压开采套管的连接处均设有密封件；所述釜盖与注气管、注水管的连接处均设有密封件；所述釜盖与抽真空管的连接处设有密封件。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的海洋天然气水合物原位成藏及一体化开采模拟装置，其特征在于：所述釜盖的顶部安装有吊钩。

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