CN113898337A - 一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型及其使用方法，本模型以安全、高效、持续开采天然气水合物矿藏为研究背景，通过模拟天然气水合物降压开采井壁与沉积层相互作用，开展天然气水合物降压开采过程中井壁与沉积层相互作用规律定量化研究，能够获取井壁变形、破坏规律及破坏特征，揭示水合物开采过程中井壁受力规律及变形机理，建立海洋天然气水合物降压开采井筒设计理论。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型及其使用方法。
背景技术
我国南海已探明天然气水合物储量达700Gt油当量，实现其大规模资源开发和商业化利用对满足我国能源需求和保障安全供给具有重要意义。2020年在南海神狐海域成功实施的天然气水合物降压试开采中，产气总量达8.6×105m3，我国海洋天然气水合物资源开发正从试开采阶段向商业化开采阶段迈进。然而，我国南海天然气水合物主要赋存于细粒沉积物中，具有埋深浅、胶结性差等特点，在未来的试开采中，伴随着开采面积的增大和产气量的提高，井周开采区域会发生胶结弱化和强度衰减，其稳定性和承载力会大幅降低，从而导致地层沉降、套管损坏和井壁失稳等问题。因此，研究海洋天然气水合物降压开采过程中井壁受力与变形规律，构建科学的井筒设计理论，对天然气水合物安全、高效、持续开采具有重要意义，是天然气水合物开采亟需解决的关键科学问题。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型及其使用方法，其通过模拟天然气水合物降压开采井壁与沉积层相互作用，获取井壁变形、破坏规律及破坏特征，揭示水合物开采过程中井壁受力规律及变形机理，建立海洋天然气水合物降压开采井筒设计理论。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，包括环境模拟系统、压力控制系统、变形数据测量系统、水合物合成-开采模拟系统以及温度控制系统；
所述环境模拟系统包括装置外壳，所述装置外壳的内腔设有土层，所述土层包括从下到上依次填充的下伏层、沉积层以及上覆层；
所述压力控制系统连接环境模拟系统，用于向上覆层上方输水以形成海水层进而向土层施加水压；所述压力控制系统向下伏层内输水并控制土层内孔隙水压；所述压力控制系统同时还向沉积层施加地应力；
所述水合物合成-开采模拟系统包括安装于装置外壳上端的井口和井筒，所述井筒伸入沉积层一段距离后向水平方向折弯；
所述井筒内贯穿有输送管路，所述输送管路一端伸入沉积层，所述输送管路的另一端连接外部泵组系统，所述泵组系统用于合成或分解水合物；
所述变形数据测量系统设在装置外壳内，用于采集井壁内缘、井壁外缘以及沉积层外缘的温度、应变、应力信号并将其转换为电信号传递至数据采集仪，所述数据采集仪与计算机电性相连；
所述温度控制系统设在装置外壳外围用于控制内部土层温度。
优选地，所述下伏层、沉积层及上覆层与装置外壳之间的接触面设有降摩阻层，所述降摩阻层用于在压力控制系统施加轴压时降低土层与装置外壳之间的摩擦力。
优选地，所述降摩阻层采用“三油两膜”即二硫化钼油+聚四氟乙烯膜的润滑层来消除沉积层左右两端的摩擦阻力。
优选地，所述装置外壳上端设有用于连通海水层和水压泵的上通孔，所述装置外壳下端设有连通下伏层与水压背压泵的下通孔，所述上通孔、下通孔内均设置有透水石。
优选地，所述压力控制系统包括水压泵、水压背压泵以及设在装置外壳上端的压力机；所述水压泵通过水管连通装置外壳内腔上端，用于向上覆层上方输水，所述水压背压泵通过水管连通下伏层，所述压力机输出端连接透水板，用于向沉积层施加地应力。
优选地，所述井筒包括与井口下端连接的导管，所述导管下端伸入上覆层并连接套管，所述套管伸入沉积层一段距离后向水平方向折弯度并连接裸管。
优选地，所述温度控制系统包括若干圈环绕在装置外壳外侧的螺旋形水囊，所述水囊与水浴相连，所述水浴向水囊内输送冷却循环液。
优选地，所述变形数据测量系统包括分别与数据采集仪电性连接的若干温度应变分布式光纤、应变计以及微型压力盒；
所述温度应变分布式光纤、应变计以及微型压力盒设置在井壁内缘、井壁外缘以及沉积层外缘，用于采集温度、应变、应力信号并转换为电信号传递至数据采集仪；所述数据采集仪与计算机电性相连。
本发明还提供一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型的使用方法，包括以下步骤：
S1、制备模型；
制备模型并采用分层压实法依次自下而上制备土层，在土层中预埋好井筒并连连接好各个测量设备；
S2、天然气储层与制备；
利用温度控制系统降低模型内部土层温度，通过泵组系统向输送管道内通入天然气和水并制备沉积层；
S3、模拟天然气水合物水平井的开采；
利用泵组系统降低沉积层的孔隙压力到天然气水合物相平衡压力以下，促使天然气水合物分解来模拟水平井的开采过程，同时获取井壁的外载荷、应变数据；当天然气水合物开采完成后，地层变形、应力均达到稳定时停止实验；
S4、数据处理与分析；
分析数据，获取降压、天然气水合物分解和海水回灌三个过程中井壁的外载荷、应变与沉积层沉降、天然气水合物饱和度之间的关系，探明不同工况下海洋天然气水合物降压开采过程中井壁与天然气水合物相互作用力变化规律、沉积层沉降规律、沉积层孔隙压力变化规律、井壁变形及破坏规律，揭示井壁破坏机理。
优选地，步骤S中，制备沉积层的方法为：通过水压泵向模型内注入海水层，通过水压背压泵对土层施加孔隙水压，并逐步实现各土层饱和；通过压力机、透水板向沉积层施加地应力并提供海水压力，直到沉积层形成完毕。
本发明的有益效果在于：本装置通过模拟天然气水合物降压开采井壁与沉积层相互作用，开展天然气水合物降压开采过程中井壁与沉积层相互作用规律定量化研究，能够获取井壁变形、破坏规律及破坏特征，揭示水合物开采过程中井壁受力规律及变形机理，建立海洋天然气水合物降压开采井筒设计理论。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例提供的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型及其使用方法的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的泵组系统内部各部件连接关系示意图。
图中：1、水浴；2、水压泵；3、水压背压泵；4、透水石；5、下伏层；6、装置外壳；7、沉积层；8、孔隙气泵；9、孔隙水泵；10、气水分离器；11、背压阀；12、海水层；13、透水板；14、压力机；15、井口；16、应变计；17、导管；18、压力盒；19、数据采集仪；20、计算机；21、上覆层；22、降摩阻层；23、水囊；24、套管；25、裸管；26、A水阀；27、B水阀；28、C水阀；29、D水阀；30、E水阀；31、F水阀。
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。
如图1至图2所示，一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，包括环境模拟系统、压力控制系统、变形数据测量系统以及水合物合成-开采模拟系统；
所述环境模拟系统包括装置外壳6，所述装置外壳6的内腔设有土层，所述土层包括从下到上依次填充的下伏层5、沉积层7以及上覆层21；
所述压力控制系统包括水压泵2、水压背压泵3以及设在装置外壳6上端的压力机14；所述水压泵2通过水管连通装置外壳6内腔上端，用于向上覆层21上方输水以形成海水层12，同时提供海水压力；
所述水压背压泵3通过水管连通下伏层5，用于控制土层内孔隙水压；所述压力机14输出端连接透水板13，用于向沉积层7施加地应力；
所述水合物合成-开采模拟系统包括安装于装置外壳6上端的井口15和井筒；
所述井筒包括与井口15下端连接的导管17，所述导管17下端伸入上覆层21并连接套管24，所述套管24伸入沉积层7一段距离后向水平方向折弯90度并连接裸管25；
所述裸管25、套管24、导管17以及井口15内贯穿有输送管路，所述输送管路一端伸入沉积层7，所述输送管路的另一端连接外部泵组系统，所述泵组系统用于输送天然气和水来合成或分解水合物。
所述泵组系统包括孔隙气泵8、孔隙水泵9以及中间管路，孔隙气泵8出口连接第一管路入口，第一管路上设置有A水阀26；所述孔隙水泵9出口连接T型管路的主管路入口，T型管路的另外两个支管路上分别设置B水阀27和E水阀30；第一管路出口、设置B水阀27的其中一个支管路出口均与中间管路的底部连通，中间管路的顶部与输送管路相连通，中间管路的上端设置D水阀29，孔隙气泵8输出的气、孔隙水泵9输出的水经过输送管路、中间管路、第一管路、设置B水阀27的支路传输到沉积层7，用于完成水合物合成。
设置E水阀30的其中一个支管路出口接入气水分离器10的出水口，气水分离器10的出气口接入第二管路入口，第二管路上设置C水阀28并且其出口接入中间管路下端，气水分离器10的入口连通第三管路出口，第三管路入口连通输送管路，第三管路上还设置有背压阀11和F水阀31，输送管路、D水阀29闭合的中间管路、F水阀31开启的第三管路、A水阀26开启的第一管路、C水阀28开启的第二管路、开启E水阀30的支路、闭合B水阀27的支路共同作用，完成水合物开采时的水气采集。
所述变形数据测量系统包括分别与数据采集仪19电性连接的若干温度应变分布式光纤、应变计16以及微型压力盒18；
所述温度应变分布式光纤、应变计16以及微型压力盒18设置在井壁内缘、井壁外缘以及沉积层7外缘，用于采集温度、应变、应力信号并转换为电信号传递至数据采集仪19；
所述数据采集仪19与计算机20电性相连。
所述下伏层5、沉积层7及上覆层21与装置外壳6之间的接触面设有降摩阻层22，所述降摩阻层22用于在压力控制系统施加轴压时降低土层与装置外壳6之间的摩擦力。
所述降摩阻层22采用“三油两膜”即二硫化钼油+聚四氟乙烯膜的润滑层来消除沉积层7左右两端的摩擦阻力。
所述装置外壳6上端设有用于连通海水层12和水压泵2的上通孔，所述装置外壳6下端设有连通下伏层5与水压背压泵3的下通孔，所述上通孔、下通孔内均设置有透水石4。
还包括温度控制系统，所述温度控制系统包括若干圈环绕在装置外壳6外侧的螺旋形水囊23，所述水囊23与水浴1相连，所述水浴1向水囊23内输送冷却循环液。
本发明实施例还提供一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型的使用方法，包括以下步骤：
第一步，模型制备；
采用分层压实法，制备土层，在土层中预埋好井筒并连接好各路管线，在指定位置安置好各测量仪器，然后封闭装置；
第二步，天然气水合物储层制备；
使用水浴1向水囊23中注入冷却循环液降低土层温度，打开A水阀26、B水阀27及D水阀29，向输送管道内通入天然气和水；通过水压泵2注入类似海水的海水层12，通过水压背压泵3施加孔隙水压，并逐步实现沉积层饱和；通过压力机14、透水板4向沉积层施加地应力，通过水压泵2提供土层上方类似海水的压力，直到沉积层形成完毕；
第三步，模拟天然气水合物水平井开采；
关闭B水阀27、D水阀29，打开C水阀28、E水阀30、F水阀31，控制背压阀11，降低沉积层的孔隙压力到水合物相平衡压力以下，促使天然气水合物分解来模拟水合物矿藏水平井的开采过程，同时利用上述探测方法获取井壁的外载荷、应变数据；当天然气水合物开采完成后，地层变形、应力均达到稳定时停止实验；
第四步，数据处理与分析；
进行数据分析，获取降压、天然气水合物分解和海水回灌三个过程中井壁的外载荷、应变与沉积层沉降、天然气水合物饱和度之间的关系，探明不同工况下海洋天然气水合物降压开采过程中井壁与沉积层相互作用力变化规律、沉积层沉降规律、沉积层孔隙压力变化规律、井壁变形及破坏规律，揭示井壁破坏机理。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，包括环境模拟系统、压力控制系统、变形数据测量系统、水合物合成-开采模拟系统以及温度控制系统；
所述环境模拟系统包括装置外壳(6)，所述装置外壳(6)的内腔设有土层，所述土层包括从下到上依次填充的下伏层(5)、沉积层(7)以及上覆层(21)；
所述压力控制系统连接环境模拟系统，用于向上覆层(21)上方输水以形成海水层(12)进而向土层施加水压，用于向下伏层(5)内输水并控制土层内孔隙水压，用于向沉积层(7)施加地应力；
所述水合物合成-开采模拟系统包括安装于装置外壳(6)上端的井口(15)和井筒，所述井筒伸入沉积层(7)一段距离后向水平方向折弯；
所述井筒内贯穿有输送管路，所述输送管路一端伸入沉积层(7)，所述输送管路的另一端连接外部泵组系统，所述泵组系统用于合成或分解水合物；
所述变形数据测量系统设在装置外壳(6)内，用于采集井壁内缘、井壁外缘以及沉积层(7)外缘的温度、应变、应力信号并将其转换为电信号传递至数据采集仪(19)，所述数据采集仪(19)与计算机(20)电性相连；
所述温度控制系统设在装置外壳(6)外围用于控制内部土层温度。
2.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述下伏层(5)、沉积层(7)及上覆层(21)与装置外壳(6)之间的接触面设有降摩阻层(22)，所述降摩阻层(22)用于在压力控制系统施加轴压时降低土层与装置外壳(6)之间的摩擦力。
3.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述降摩阻层(22)采用二硫化钼油+聚四氟乙烯膜形成的润滑层。
4.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述装置外壳(6)上端设有用于连通海水层(12)和水压泵(2)的上通孔，所述装置外壳(6)下端设有连通下伏层(5)与水压背压泵(3)的下通孔，所述上通孔、下通孔内均设置有透水石(4)。
5.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述压力控制系统包括水压泵(2)、水压背压泵(3)以及设在装置外壳(6)上端的压力机(14)；所述水压泵(2)通过水管连通装置外壳(6)内腔上端，用于向上覆层(21)上方输水，所述水压背压泵(3)通过水管连通下伏层(5)，所述压力机(14)输出端连接透水板(13)，用于向沉积层(7)施加地应力。
6.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述井筒包括与井口(15)下端连接的导管(17)，所述导管(17)下端伸入上覆层(21)并连接套管(24)，所述套管(24)伸入沉积层(7)一段距离后向水平方向折弯并连接裸管(25)。
7.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述温度控制系统包括若干圈环绕在装置外壳(6)外侧的螺旋形水囊(23)，所述水囊(23)与水浴(1)相连，所述水浴(1)向水囊(23)内输送冷却循环液。
8.如权利要求1所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型，其特征在于，所述变形数据测量系统包括分别与数据采集仪(19)电性连接的若干温度应变分布式光纤、应变计(16)以及微型压力盒(18)；
所述温度应变分布式光纤、应变计(16)以及微型压力盒(18)设置在井壁内缘、井壁外缘以及沉积层(7)外缘，用于采集温度、应变、应力信号并转换为电信号传递至数据采集仪(19)；所述数据采集仪(19)与计算机(20)电性相连。
9.一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备模型；
制备模型并采用分层压实法依次自下而上制备土层，在土层中预埋好井筒并连连接好各个测量设备；
S2、天然气储层与制备；
利用温度控制系统降低模型内部土层温度，通过泵组系统向输送管道内通入天然气和水并制备沉积层(7)；
S3、模拟天然气水合物水平井的开采；
利用泵组系统降低沉积层(7)的孔隙压力到天然气水合物相平衡压力以下，促使天然气水合物分解来模拟水平井的开采过程，同时获取井壁的外载荷、应变数据；当天然气水合物开采完成后，地层变形、应力均达到稳定时停止实验；
S4、数据处理与分析；
分析数据，获取降压、天然气水合物分解和海水回灌三个过程中井壁的外载荷、应变与沉积层沉降、天然气水合物饱和度之间的关系，探明不同工况下海洋天然气水合物降压开采过程中井壁与天然气水合物相互作用力变化规律、沉积层沉降规律、沉积层孔隙压力变化规律、井壁变形及破坏规律，揭示井壁破坏机理。
10.如权利要求9所述的一种水合物开采井筒与沉积层相互作用模型的使用方法，其特征在于，步骤S2中，制备沉积层的方法为：通过水压泵(2)向模型内注入海水层(12)，通过水压背压泵(3)对土层施加孔隙水压，并逐步实现各土层饱和；通过压力机(14)、透水板(13)向沉积层(7)施加地应力并提供水压，直到沉积层(7)形成完毕。
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