CN114151041B - 一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置及方法，包括腔体和预埋管组件，腔体开设有流体接口，腔体设置有测点；预埋管组件从外向内包括预埋管、模拟套管和中心油管，预埋管组件探入腔体内；模拟套管设置在预埋管内，模拟套管管壁开设有提升通道，提升通道穿出模拟套管管壁和预埋管顶部形成提升液空间；中心油管设置在模拟套管内，中心油管内设置有固结通道，中心油管和模拟套管之间形成压裂通道，压裂通道一端设置在腔体内且连接有封口件，模拟套管靠近封口件一端开设有若干个射孔。本发明通过实验室条件模拟的方法测试水合物生成与分解的过程，从而实现水合物生成与分解必要条件的测试，从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。

Description

一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置及方法
技术领域
本发明涉及石油钻采技术领域，具体涉及一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置及方法。
背景技术
天然气水合物分布区域多为北半球陆坡、海槽、海沟等胶结松软、结构疏松的海底沉积物和陆上冻土中。深水弱胶结地层温度低，满足水合物稳定存在的条件之一。
在近海深水表面固井过程中，水泥水化产生的热量使井筒附近温度迅速升高，极易导致水合物分解。所以如何避免因水合物分解引起的固井质量降低是保障海洋深水浅层水合物层固井质量的关键之一。目前深水浅层水合物层水泥浆体系的研究主要着眼于降低水泥水化放热量，降低水合物分解对固井质量的影响。但由于弱胶结地层与水泥环的强度差异和海底浅层流的扰动产生的应力波动，致使水泥环发生脆性破坏，因此，水泥浆体系不能从根本上解决弱胶结地层的固井质量问题。
因此，需要开发一种用于弱胶结水合物层固化改造的水合物储层模拟井筒的构建方法，通过实验室条件模拟的方法测试水合物生成与分解的必要条件， 模拟固井、压裂实验，研究天然气水合物的合理开采方式，从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出了一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，包括：
腔体，所述腔体开设有若干个流体接口，所述腔体还设置有若干个测点；
预埋管组件，所述预埋管组件一端设置在所述腔体内，所述预埋管组件从外向内包括预埋管、模拟套管和中心油管，所述预埋管一端探入所述腔体内；
所述模拟套管设置在所述预埋管内，所述模拟套管管壁开设有提升通道， 所述提升通道一端穿出所述模拟套管管壁和所述预埋管顶部形成提升液空间， 所述提升通道另一端设置有提升液注入口；
所述中心油管设置在所述模拟套管内，所述中心油管内设置有固结通道， 所述固结通道一端设置在所述腔体且固结通道内部设置有单向阀，所述固结通道另一端穿出所述腔体且设置有固结液注入口；
所述中心油管和所述模拟套管之间形成压裂通道，所述压裂通道一端设置在所述腔体内且连接有封口件，所述模拟套管靠近所述封口件一端开设有若干个射孔，所述压裂通道另一端穿出所述腔体且设置有压裂液注入口。
优选的，所述射孔外侧设置有起到密封作用的薄膜。优选的，所述封口件为封隔器。
优选的，所述腔体还固定连接有外接管，所述外接管设置在所述预埋管外侧，所述外接管与所述预埋管滑动连接，所述外接管一侧设置有放空口。
优选的，所述腔体连通有用于控制气体压力的气体减压阀，所述腔体连通有用于控制液体压力的恒速恒压泵，所述腔体还连通有用于控制温度的水浴槽。
优选的，所述腔体还连接有若干层电阻测量层，每层电阻测量层包括若干个电阻测点，每层电阻测量层均呈环形设置在所述腔体内侧，所述腔体开设有与所述电阻测点相连通的电阻测试线接口；所述腔体还连接有若干个超声波探头，所述超声波探头探入所述腔体内的深度均不相同。
优选的，所述测点包括若干层压力测层和若干层温度测层，所述压力测层和所述温度测层分别包括若干个压力测点和若干个温度测点。
优选的，所述腔体内还设置有隔离环，所述腔体内壁和所述隔离环外壁之间设置有填砂层，所述隔离环内壁和所述套管外壁之间设置有待固结区域。
本发明还提出了一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建方法，采用上述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，包括以下步骤：
S1:在腔体内填入物料，然后在预埋管上均匀涂抹一层凡士林，将提升液从提升液注入口输送到提升通道内，提升液通过提升通道进入提升液空间内， 从而使预埋管被举升；
S2：预埋管被提升后，将固结液从固结液注入口输送到中心油管的固结通道内，经单向阀流入腔体内，实现腔体内物料的固井工作；
S3：固井完成后，将压裂液从压裂液注入口输送到压裂通道内，在封口件的作用下，压裂液经由射孔进入到腔体内，实现腔体内物料的压裂工作；
S4：压裂完成后，通过测点进行水合物相应的测试。
优选的，所述步骤 S4 中，对水合物不同位置进行温度、压力和电阻的测量，对不同深度的水合物强度使用超声波探头进行相应的测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明实现了在实验室环境下，模拟天然气水合物的生成及分解过程通过设置的若干个测点，可以研究水合物生成与分解的必要条件，比如温度、压力、甲烷质量、气液比等参数的影响，并且通过模拟固井、压裂实验，研究天然气水合物的合理开采方式，从根本上解决深水弱胶结地层固井质量问题。
2. 本发明中通过设置的三层预埋管组件，通过中心油管注入固结液的方式，研究水合物地层固结前后的强度（应变）测试及水合物开采，研究固结物对水合物地层及开采方式的影响，并且通过设置的压裂通道，可向腔体内注入压裂液，从而进行压裂实验，探究天然气水合物的合理开采方式。
3. 本发明利用实验装置的压力、温度、饱和度（电阻）采集系统及采出分离计量系统处理软件，实时采集到的模型温度、压力、电阻等数据，采用单步文件更新存盘，数据保存备份，可生成原始数据报表、分析报表、以曲线图、二维三维面等，同时生成数据库文件格式，以便用户灵活使用。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明整体主视图；
图2是本发明整体侧视图；
图3是图1中模拟套管部分结构放大图；
图4是本发明中隔离环结构示意图；
图5是本发明中测点分布示意图；
图6是本发明中超声波探头分布示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图 1-6 所示，本实施例提出了一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，包括：
腔体，腔体开设有若干个流体接口，腔体还设置有若干个测点；
预埋管组件，预埋管组件一端设置在腔体内，预埋管组件从外向内包括预埋管、模拟套管和中心油管，预埋管一端探入腔体内；
模拟套管设置在预埋管内，模拟套管管壁开设有提升通道，提升通道一端穿出模拟套管管壁和预埋管顶部形成提升液空间，提升通道另一端设置有提升液注入口；
中心油管设置在模拟套管内，中心油管内设置有固结通道，固结通道一端设置在腔体且固结通道内部设置有单向阀，固结通道另一端穿出腔体且设置有固结液注入口；
中心油管和模拟套管之间形成压裂通道，压裂通道一端设置在腔体内且连
接有封口件，模拟套管靠近封口件一端开设有若干个射孔，压裂通道另一端穿出腔体且设置有压裂液注入口。
其中，腔体内部直径为φ700mm，内部高度为 700mm，最大工作压裂为30MPa，材质为 316L不锈钢，整体设计为水浴温控。
在安装时，腔体中心及边缘处预留 2 个预埋管安装位置，预埋管顶部尺寸约φ110mm。
射孔外侧设置有起到密封作用的薄膜。射孔设计为可更换部件（套管设计为上下螺纹连接件），便于模拟不同位置射孔压裂。
封口件为封隔器。封口件设置的位置是中心油管和模拟套管之间压裂通道内。在封口件的作用下，压裂液可经由射孔流入腔体内，从而实现模拟压裂工作，更加符合实际。
腔体还固定连接有外接管，外接管设置在预埋管外侧，外接管与预埋管滑动连接，外接管一侧设置有放空口。
腔体连通有用于控制气体压力的气体减压阀，腔体连通有用于控制液体压力的恒速恒压泵，腔体还连通有用于控制温度的水浴槽。腔体还开设有固结流体出口和放空口。放空口起到卸压的作用。拔管的时候，需要卸掉一部分压力， 预埋管才能被拔出来。实验做完后，泄压后，注入口的地方也可以排出提升液。
本发明中关于温度的控制采用恒温水浴漕的方式实现，通过制冷机组循环液进行冷却并恒温。控制温度的主要作用是为模型部分提供试验要求的温度环境。
腔体外侧还设置与水夹套。模型通过外置水夹套方式冷却，外部保温层， 上下盖设计为内置夹套层+外保温层结构，保证模型在恒温环境内，各探头及接口通过连接线引出到水夹套外。
同时低温浴漕带有循环水泵，使恒温水浴槽内温度更稳定。低温浴漕具有低液位保护、超温保护、温度传感器异常保护系统、断电保护等措施，确保仪器设备的安全操作。
低温浴漕采用大屏幕液晶显示，软件程序控制，可编辑时间/温度曲线。多段可编温度、时间程序，控制恒温、降温过程，且降温速度可按用户要求设置自动控制。最多编写储存 30 个温度/时间段，每个程序可设置 0～9999 分钟运行时间。多种参数设定方式:方便快捷的输入键、移位键和增键、减键，设定温度/时间段及其他高级控制参数或直接调储存的温度/时间设定程序。
腔体还连接有若干层电阻测量层，每层电阻测量层包括若干个电阻测点， 每层电阻测量层均呈环形设置在腔体内侧，腔体开设有与电阻测点相连通的电阻测试线接口；腔体还连接有若干个超声波探头，超声波探头探入腔体内的深度均不相同。
腔体的两端设置有法兰和上法兰，其中上法兰用于实现超声波探头位置的相对固定。法兰和堵头相互配合，从而使腔体内形成闭合空间。腔体还连通有窜流接口。
测点包括若干层压力测层和若干层温度测层，压力测层和温度测层分别包括若干个压力测点和若干个温度测点。
压力测层、温度测层和电阻测量层轴向布置为三层，距离底部尺寸分别为150mm，350mm，550mm。间距 100mm；电阻：每层数量 32 个，间距 100-120mm； 温度测点和压力测点采用同一位置多测点布置方式，减少接口数量，降低泄露风险。
电阻测点内部安装电阻测试部件，采用网格状布置方式，减少走线对模型内部的流体影响。
温度测点和压力测点每层布置 23 个，压力测点和温度测点数量为 69 个， 层距为 200mm，每个压力测点安装压力传感器连接管路为 3 个，可根据需要选择是否安装压力测试管线。每个温度测点安装温度传感器 3 个。
超声波探头选用PS 波探头，设计直径为 30mm，选用预埋管方式进行不同深度布置。共布置数量为 10 对，布置方式为 3+3+3+1 布置，间距为 100mm。
本发明所提供的水合物模型内部有固结隔离保护设计，为避免样品固结实
验结束时固结物粘连到筒体内壁，造成取样困难，特别设计专用隔离环。
隔离环还设置在腔体内，腔体内壁和隔离环外壁之间设置有填砂层，隔离环内壁和套管外壁之间设置有待固结区域。
本发明还提出了一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建方法，采用本实施所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，包括以下步骤：
S1:在腔体内填入物料，然后在预埋管上均匀涂抹一层凡士林，将提升液从提升液注入口输送到提升通道内，提升液通过提升通道进入提升液空间内， 从而使预埋管被举升；
S2：预埋管被提升后，将固结液从固结液注入口输送到中心油管的固结通道内，经单向阀流入腔体内，实现腔体内物料的固井工作；
S3：固井完成后，将压裂液从压裂液注入口输送到压裂通道内，在封口件的作用下，压裂液经由射孔进入到腔体内，实现腔体内物料的压裂工作；
S4：压裂完成后，通过测点进行水合物相应的测试。
步骤S4 中，对水合物不同位置进行温度、压力和电阻的测量，对不同深度的水合物强度使用超声波探头进行相应的测量。
需要说明的是，在试验室时，首先应将预埋管、套管和中心油管安装到位。然后将一定质量的石英砂和一定质量的水混合，之后将水合物模型釜体倒置填砂。模拟套管需要在压裂位置打孔，安装时用薄膜（热缩管、胶带等材料）从外部密封射孔。
另外，在封口件的作用下通过模拟射孔，对地层进行压裂；压裂完毕，即可通过裂缝、射孔进行水合物开采实验，通过不同深度的超声波探头测试其强度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，包括：
腔体，所述腔体开设有若干个流体接口，所述腔体还设置有若干个测点；
预埋管组件，所述预埋管组件一端设置在所述腔体内，所述预埋管组件从外向内包括预埋管、模拟套管和中心油管，所述预埋管一端探入所述腔体内；
所述模拟套管设置在所述预埋管内，所述模拟套管管壁开设有提升通道，所述提升通道一端穿出所述模拟套管管壁和所述预埋管顶部形成提升液空间，所述提升通道另一端设置有提升液注入口；
所述中心油管设置在所述模拟套管内，所述中心油管内设置有固结通道，所述固结通道一端设置在所述腔体且固结通道内部设置有单向阀，所述固结通道另一端穿出所述腔体且设置有固结液注入口；
所述中心油管和所述模拟套管之间形成压裂通道，所述压裂通道一端设置在所述腔体内且连接有封口件，所述模拟套管靠近所述封口件一端开设有若干个射孔，所述压裂通道另一端穿出所述腔体且设置有压裂液注入口。
2.根据权利要求1所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，所述射孔外侧设置有起到密封作用的薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，所述封口件为封隔器。
4.根据权利要求1所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，所述腔体还固定连接有外接管，所述外接管设置在所述预埋管外侧，所述外接管与所述预埋管滑动连接，所述外接管一侧设置有放空口。
5.根据权利要求1所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，所述腔体连通有用于控制气体压力的气体减压阀，所述腔体连通有用于控制液体压力的恒速恒压泵，所述腔体还连通有用于控制温度的水浴槽。
6.根据权利要求1所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，所述腔体还连接有若干层电阻测量层，每层电阻测量层包括若干个电阻测点，每层电阻测量层均呈环形设置在所述腔体内侧，所述腔体开设有与所述电阻测点相连通的电阻测试线接口；所述腔体还连接有若干个超声波探头，所述超声波探头探入所述腔体内的深度均不相同。
7.根据权利要求1所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，其特征在于，所述测点包括若干层压力测层和若干层温度测层，所述压力测层和所述温度测层分别包括若干个压力测点和若干个温度测点。
8.一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建装置，包括以下步骤：
S1:在腔体内填入物料，然后在预埋管上均匀涂抹一层凡士林，将提升液从提升液注入口输送到提升通道内，提升液通过提升通道进入提升液空间内，从而使预埋管被提升；
S2：预埋管被提升后，将固结液从固结液注入口输送到中心油管的固结通道内，经单向阀流入腔体内，实现腔体内物料的固井工作；
S3：固井完成后，将压裂液从压裂液注入口输送到压裂通道内，在封口件的作用下，压裂液经由射孔进入到腔体内，实现腔体内物料的压裂工作；
S4：压裂完成后，通过测点进行水合物相应的测试。
9.根据权利要求8所述的一种弱胶结水合物储层模拟井筒构建方法，其特征在于，所述步骤S4中，对水合物不同位置进行温度、压力和电阻的测量，对不同深度的水合物强度使用超声波探头进行相应的测量。
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