CN113482607A - 一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，包括出砂模拟单元、注入单元、测量单元和数据采集单元；出砂模拟单元包括出砂模拟装置，出砂模拟装置的两侧分别设置有水气出口管和水气进口管下端设置有出砂管，出砂管与测量单元连通；注入单元包括注入组件和水气混合装置，注入组件与水气混合装置的进口连通，水气混合装置的出口与水气进口管连通；测量单元包括计量装置和压力测量装置，计量装置与出砂管对应设置；压力测量装置设置于出砂模拟装置上；计量装置和压力测量装置分别电性连接数据采集单元。本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，出砂过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。

Description

一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置

技术领域

本发明涉及油气开采技术领域，特别是涉及一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置。

背景技术

天然气水合物是一种由天然气和水在低温和高压条件下形成的似冰状笼型结晶化合物，广泛分布于高纬度极地冻土地层和海洋湖泊等深水地层中，具有储量大和能量密度高等特点，被认为是一种潜在能源。其中，甲烷的能源密度(在标准状况下每单位岩石体积中的甲烷体积)很大，是煤和黑色页岩的10倍，天然气的2.5倍。

天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。天然气水合物的形成条件：低温，温度一般低于10℃；高压，压力一般高于10MPa；充足的天然气(烃类，以甲烷为主)气体来源；有利的水合物赋存空间。

水合物储层岩石骨架通常属于未固结、弱固结或裂隙发育地层，水合物人为开采将引起地层胶结强度、孔隙度、有效应力的改变，胶结作用变弱引起井壁稳定性变差造成井塌，引起生产井出砂，严重影响水合物资源的有效开发利用。因此，地层出砂与防砂是水合物分解过程中面临的关键问题之一。

中国南海海域的水合物以分散方式或弱胶结方式充填在泥质沉积物孔隙中，在水合物分解过程中可能面临严重的出砂问题，造成开采井的堵塞，严重制约深海天然气水合物的开采效率，增加其开采成本，影响其商业化进程。如何解决水合物开采过程中井筒出砂及其治理，需要充分考虑深海天然气水合物赋存的特殊条件，揭示水合储层开采过程出砂机理，分析影响水合物地层出砂的深层原因，探讨了目前常规油气井出砂预测技术及防砂技术对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考。研究水合物开采过程中的出砂与防砂问题对于我国经济高效开发深海水合物资源有现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，包括出砂模拟单元、注入单元、测量单元和数据采集单元；

所述出砂模拟单元包括出砂模拟装置，所述出砂模拟装置的两侧分别设置有水气出口管和水气进口管，所述水气进口管连通所述注入单元；所述出砂模拟装置下端设置有出砂管，所述出砂管与所述测量单元连通；

所述注入单元包括注入组件和水气混合装置，所述注入组件与所述水气混合装置的进口连通，所述水气混合装置的出口与所述水气进口管连通；

所述测量单元包括计量装置和压力测量装置，所述计量装置与所述出砂管对应设置；所述压力测量装置设置于所述出砂模拟装置上；

所述计量装置和所述压力测量装置分别电性连接所述数据采集单元。

优选的，所述出砂模拟装置包括试样槽，所述试样槽的上下两端分别设置有注水模块和出砂模块，所述水气出口管和所述水气进口管分别连通所述注水模块，所述出砂模块与所述出砂管连通；所述试样槽上设置有由若干加热器。

优选的，所述注水模块包括与所述试样槽顶端固定的注水槽，所述水气出口管和所述水气进口管分别连通所述注水槽的两侧；所述注水槽与所述试样槽之间设置有过滤板。

优选的，所述出砂模块包括固定在所述试样槽底端的固定板，所述固定板上可拆卸连接有出砂块，所述出砂块贯穿开设有出砂孔，所述出砂管通过所述出砂孔连通所述试样槽。

优选的，所述注入组件包括高压储水装置和空气压缩装置；所述高压储水装置的出口通过第一管道连通所述水气混合装置的第一进口；所述空气压缩装置通过第二管道连通所述水气混合装置的第二进口，所述空气压缩装置通过第三管道连通所述第一管道。

优选的，所述第一管道上依次设有流量计和第四截止阀，流量计位于所述第四截止阀与所述水气混合装置之间，所述第三管道与所述第一管道的连接点位于所述第四截止阀与所述高压储水装置之间。

优选的，所述第二管道上设置有第三截止阀，所述水气进口管上设置有第二截止阀，所述水气出口管上设置有第一截止阀。

优选的，所述试样槽包括相对设置的第一封盖和第二封盖，所述第一封盖和所述第二封盖均由透明耐高压材料制成。

优选的，所述压力测量装置包括第一压力计和第二压力计，所述第一压力计固定在所述注水槽上，所述第一压力计电性连接所述数据采集单元；所述第二压力计固定在所述出砂管内，所述第二压力计电性连接所述数据采集单元。

优选的，所述数据采集单元包括数据处理装置和摄像机，所述摄像机与所述数据处理装置电性连接；所述第一压力计、所述第二压力计和所述计量装置均与所述数据处理装置电性连接。

本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，通过出砂模拟装置与注入组件以及水气混合装置结合，有效模拟出砂过程，并通过数据采集单元清楚记录水合物储层出砂的全过程，可以有效揭示水合物储层出砂的机理，分析影响水合物地层出砂的深层原因，探讨了目前常规油气井出砂预测技术及防砂技术对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考。本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，出砂过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置示意图；

图2为本发明油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置轴视图；

图3为本发明实施例1出砂模拟装置三维图；

图4为本发明实施例2出砂模拟装置三维图；

图5为本发明实施例3出砂模拟装置三维图；

其中，1、出砂模拟装置；2、水气混合装置；3、流量计；4、高压储水装置；5、空气压缩装置；6、水气出口管；7、出砂管；8、计量装置；9、数据处理装置；10、第一压力计；11、第一截止阀；12、第二截止阀；13、第三截止阀；14、第四截止阀；15、摄像机；16、第一管道；17、第二管道；18、第三管道；19、第二压力计；20、水气进口管；101、注水槽；102、过滤板；103、试样槽；104、固定板； 105、出砂块；106、出砂孔；107、加热器；1031、第一封盖；1032、第二封盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1-3，本发明提供一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，包括出砂模拟模拟单元、注入单元、测量单元和数据采集单元；

出砂模拟单元包括出砂模拟装置1，出砂模拟装置1的两侧分别设置有水气出口管6和水气进口管20，水气进口管20连通注入单元；出砂模拟装置1下端设置有出砂管7，出砂管7与测量单元连通；出砂模拟装置1各组成部分的接触处通过胶、螺栓及垫片进行密封处理，出砂模拟装置1所能承受的水压不小于1Mpa；

注入单元包括注入组件和水气混合装置2，注入组件与水气混合装置2的进口连通，水气混合装置2的出口与水气进口管20连通；

测量单元包括计量装置8和压力测量装置，计量装置8与出砂管 7对应设置；压力测量装置设置于出砂模拟装置1上；

计量装置8和压力测量装置分别电性连接数据采集单元。

进一步优化方案，出砂模拟装置1包括试样槽103，试样槽103 的上下两端分别设置有注水模块和出砂模块，水气出口管6和水气进口管20分别连通注水模块，出砂模块与出砂管7连通；试样槽103 上设置有由若干加热器107；注水模块包括与试样槽103顶端固定的注水槽101，水气出口管6和水气进口管20分别连通注水槽101的两侧；注水槽101与试样槽103之间设置有过滤板102；出砂模块包括与设置在试样槽103底端的固定板104，固定板104上可拆卸连接有出砂块105，出砂块105贯穿开设有出砂孔106，出砂管7通过出砂孔106连通试样槽103；试样槽103内开设有梯形空腔，加热器107 布置在空腔内，相邻两排加热器107位置对齐或交错，模拟开采过程中对地层的加热过程；使用时向试样槽103的空腔内填入砂子，然后通过注水模块向注水槽101内注入水，水经过过滤板102过滤后流入试样槽103内填充砂子的空隙，并将砂子里的空气排出；水气出口管 6用于排出空气；由于注水模块连接空气压缩装置5，使注入的水压力较高，模拟地层下的地层状态；出砂块105与固定板104可拆卸连接，出砂模块的出砂孔106可以设置多种，便于选用不同规格的出砂孔106。

进一步优化方案，注入组件包括高压储水装置4和空气压缩装置 5；高压储水装置4的出口通过第一管道16连通水气混合装置2的第一进口；空气压缩装置5通过第二管道17连通水气混合装置2的第二进口，空气压缩装置5通过第三管道18连通第一管道16；第一管道16为高压水管，第二管道17和第三管道18为压缩空气管；高压储水装置4可以单独向出砂模拟装置1注入水，空气压缩装置5也能单独向出砂模拟装置1注入高压空气，也能同时注入高压空气和水，经过水气混合装置2混合后注如出砂模拟装置1内，提高出砂模拟装置1内的压力，模拟不同地层条件；空气压缩装置5也能向高压储水装置4注入高压气体，调节高压储水装置4的水压，调节灵活。

进一步优化方案，第一管道16上依次设有流量计3和第四截止阀14，流量计3位于第四截止阀14与水气混合装置2之间，第三管道18第一管道16的连接点位于第四截止阀14与高压储水装置4之间；流量计3用于测量高压储水装置4向出砂模拟装置1注入的水量，便于后续对比，第四截止阀14用于控制高压储水装置4的进出。

进一步优化方案，第二管道17上设置有第三截止阀13，水气进口管20上设置有第二截止阀12，水气出口管6上设置有第一截止阀 11；第三截止阀13；第一截止阀11控制水气出口管6的开关，第二截止阀12控制水气进口管20的开关，第三截止阀13控制压缩空气的开关。

进一步优化方案，试样槽103包括相对设置的第一封盖1031和第二封盖1032，第一封盖1031和第二封盖1032均由透明耐高压材料制成；第一封盖1031和第二封盖1032分别位于试样槽103的一个端面，第一封盖1031和第二封盖1032的顶端与注水槽101的底面固接，第一封盖1031和第二封盖1032的底端与固定板104的顶面固接；第一封盖1031和第二封盖1032由耐高压透明材料制成，便于观察试样槽103内的出砂过程；第一封盖1031和第二封盖1032所能承受的水压不小于1Mpa。

进一步优化方案，压力测量装置包括第一压力计10和第二压力计19，第一压力计10固定在注水槽101上，第一压力计10电性连接数据采集单元；第二压力计19固定在出砂管7内，出第二压力计 19电性连接数据采集单元；数据采集单元包括数据处理装置9和摄像机15，摄像机15与数据处理装置9电性连接；第一压力计10、第二压力计19和计量装置8均与数据处理装置9电性连接；第一压力计10和第二压力计19分别测量出砂模拟装置1上端和下端的压力，并将测得数值导入数据处理装置9，计量装置8位于出砂管7的正下方，出砂管7流出的水砂合物直接落入计量装置8内，测量出砂管7 排出的水合砂子的质量并将结果导入数据处理装置9，摄像机15对出砂的全过程进行拍摄，并将拍摄结果导入数据处理装置9；实验结束后通过对比流量计3和计量模块数据得到出砂曲线。

使用方法：

选择具有合适尺寸出砂孔106的出砂模块，将出砂模块105固定在固定板104上；将试样槽103、固定板104及出砂模块组装好，组装好后试验各部分的密性。

从试样槽103顶端向试样槽103内装入砂子并夯实，装上过滤板 102和注水槽101；打开第一截止阀11、第二截止阀12和第四截止阀14，向试样槽103内注入水，使试样槽103内的砂子完全饱和并排出试样槽103内的空气，直至水气出口管6处没有空气排出；关闭第一截止阀11和第二截止阀12，使出砂模拟单元1密闭，然后清零流量计3，开启加热器107设定预定的温度，持续一段时间，使试样槽103内形成水合砂子。

通过设置空气压缩装置5分别设定水压和气压，打开第二截止阀 12和出砂管7处阀门，使水合砂子流出，通过落入计量模块记录水合砂子的质量，同时通过第一压力计10和第二压力计19监测注水槽 101和出砂管7处压力变化并通过数据采集模块记录，实验结束后通过对比流量计3和计量模块数据得到出砂曲线；整个实验过程通过摄像机15记录整个出砂过程。

本发明有效模拟出砂过程，并通过数据采集单元清楚记录水合物储层出砂的全过程，可以有效揭示水合物储层出砂的机理，分析影响水合物地层出砂的深层原因，探讨了目前常规油气井出砂预测技术及防砂技术对水合物井治理的启示，为后续研究和工程应用提供参考。本发明具有结构简单，拆卸方便，成本低，出砂过程可视化的优点，在本技术领域具有广泛的推广和应用价值。

实施例2

参照附图4，本实施例与实施例1的区别在于试样槽103内开设有矩形空腔，加热器107布置在空腔内，相邻两排加热器107位置对齐或交错，用于模拟不同地层条件的出砂模拟。

使用方法：

本实施例1的使用方法与实施例相同，此处不进行赘述。

实施例3

参照附图5，本实施例与实施例1的区别在于试样槽103内开设有空腔，空腔内不设置加热器107，用于模拟不同地层条件的出砂模拟。

使用方法：

本实施例1的使用方法与实施例相同，此处不进行赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：包括出砂模拟单元、注入单元、测量单元和数据采集单元；

所述出砂模拟单元包括出砂模拟装置(1)，所述出砂模拟装置(1)的两侧分别设置有水气出口管(6)和水气进口管(20)，所述水气进口管(20)连通所述注入单元；所述出砂模拟装置(1)下端设置有出砂管(7)，所述出砂管(7)与所述测量单元连通；

所述注入单元包括注入组件和水气混合装置(2)，所述注入组件与所述水气混合装置(2)的进口连通，所述水气混合装置(2)的出口与所述水气进口管(20)连通；

所述测量单元包括计量装置(8)和压力测量装置，所述计量装置(8)与所述出砂管(7)对应设置；所述压力测量装置设置于所述出砂模拟装置(1)上；

所述计量装置(8)和所述压力测量装置分别电性连接所述数据采集单元。

2.根据权利要求1所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述出砂模拟装置(1)包括试样槽(103)，所述试样槽(103)的上下两端分别设置有注水模块和出砂模块，所述水气出口管(6)和所述水气进口管(20)分别连通所述注水模块，所述出砂模块与所述出砂管(7)连通；所述试样槽(103)上设置有由若干加热器(107)。

3.根据权利要求2所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述注水模块包括与所述试样槽(103)顶端固定的注水槽(101)，所述水气出口管(6)和所述水气进口管(20)分别连通所述注水槽(101)的两侧；所述注水槽(101)与所述试样槽(103)之间设置有过滤板(102)。

4.根据权利要求3所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述出砂模块包括固定在所述试样槽(103)底端的固定板(104)，所述固定板(104)上可拆卸连接有出砂块(105)，所述出砂块(105)贯穿开设有出砂孔(106)，所述出砂管(7)通过所述出砂孔(106)连通所述试样槽(103)。

5.根据权利要求1所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述注入组件包括高压储水装置(4)和空气压缩装置(5)；所述高压储水装置(4)的出口通过第一管道(16)连通所述水气混合装置(2)的第一进口；所述空气压缩装置(5)通过第二管道(17)连通所述水气混合装置(2)的第二进口，所述空气压缩装置(5)通过第三管道(18)连通所述第一管道(16)。

6.根据权利要求5所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述第一管道(16)上依次设有流量计(3)和第四截止阀(14)，流量计(3)位于所述第四截止阀(14)与所述水气混合装置(2)之间，所述第三管道(18)与所述第一管道(16)的连接点位于所述第四截止阀(14)与所述高压储水装置(4)之间。

7.根据权利要求6所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述第二管道(17)上设置有第三截止阀(13)，所述水气进口管(20)上设置有第二截止阀(12)，所述水气出口管(6)上设置有第一截止阀(11)。

8.根据权利要求4所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述试样槽(103)包括相对设置的第一封盖(1031)和第二封盖(1032)，所述第一封盖(1031)和所述第二封盖(1032)均由透明耐高压材料制成。

9.根据权利要求4所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述压力测量装置包括第一压力计(10)和第二压力计(19)，所述第一压力计(10)固定在所述注水槽(101)上，所述第一压力计(10)电性连接所述数据采集单元；所述第二压力计(19)固定在所述出砂管(7)内，所述第二压力计(19)电性连接所述数据采集单元。

10.根据权利要求9所述的油气开采过程井筒出砂模拟可视化试验装置，其特征在于：所述数据采集单元包括数据处理装置(9)和摄像机(15)，所述摄像机(15)与所述数据处理装置(9)电性连接；所述第一压力计(10)、所述第二压力计(19)和所述计量装置(8)均与所述数据处理装置(9)电性连接。

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