CN114320243B - 天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气与天然气水合物开采技术领域，具体为一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，砾石充填模拟主体装置包括主井筒模拟单元和分支井筒模拟单元，分支井筒模拟单元可以根据需要调节其内部空间的大小，多个分支井筒模拟单元交叉间隔倾斜设置在主井筒模拟单元的两侧，分支井筒模拟单元可根据需要沿分支井筒模拟单元与主井筒模拟单元的连接处为旋转中心旋转，用于直观观察主井眼及分支井眼的砾石充填过程。并且具备能够灵活调整分支井眼的个数、长度和上下角度，能够模拟储层泥质粉砂与充填砾石层的交互作用过程，探究多分支水平井砾石充填过程中主井眼和各分支井眼的充填动态和过程，测试充填效果和充填率。

Description

天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统

技术领域

本发明属于石油、天然气与天然气水合物开采技术领域，具体属于钻完井与防砂专业领域，本发明具体涉及一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统。

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，是极具发展潜力的清洁能源。天然气水合物是是世界及我国未来清洁能源开发的主要方向之一。我国海域天然气水合物储层具有海水深、海底海床埋藏浅、地层软等特点。水合物储层沉积物骨架主要为弱固结和未固结的砂质沉积物，具有储层胶结差、强度低、易出砂等特点，开采过程中易出砂，必须采取防砂措施。我国第一次天然气水合物试采采用垂直井，第二次试采采用单井眼水平井，防砂完井方式是水平井砾石充填。

相对于单井眼水平井，多分支井开采技术能够更有效增大井眼与储层的接触面积，提高天然气水合物的产量。所谓多分支水平井是指在一个水平井主井眼的两侧，钻成多个类似于鱼骨状的分支井眼。可以预见的是，多分支水平井可能是未来天然气水合物开采的可行井型之一，未来有望成为提升水合物产能量级提升的一项关键技术方法。

在垂直井和水平井中，砾石充填作为一种效果较好的防砂方式应用较为成熟。但对于多分支水平井，尤其是天然气水合物浅软地层中的多分支水平井，目前应用难度较大。在向主井眼以一定排量、砂比等参数泵注砾石砂浆的条件下，各分支井眼吸纳携砂液和砾石的流速、流量，以及充填动态，目前都不清楚；如何优化施工参数使得全部井眼能够得到最大的充填率，目前也尚无成熟的方法。要完成上述充填模拟和施工设计优化，多分支水平井的室内实验模拟是必不可少，也是行之有效和直观的手段。

目前针对海域天然气水合物浅软储层的多分支水平井砾石充填实验模拟，存在的主要问题包括：

(1)尚缺乏一套能够直观透明可视化的分支水平井砾石充填实验模拟系统，用于直观观察主井眼及分支井眼的砾石充填过程，并能灵活调节分支井眼的个数。

(2)如何在实验模拟系统中模拟（自由调整）不同分支井眼的长度和与水平面的夹角，理论上，分支井眼的轴线与水平面（或水平井眼的轴线与分支井眼的轴线位于同一水平面上）平行，但实际工况中，在钻井过程中，由于地质结构等原因，分支井眼的轴线与水平面之间会存在一定的角度，很难确保每个分支井眼的长度和角度完全统一。所以需要实验模拟系统能够灵活调整各分支井井眼的长度和上下角度。

(3)天然气水合物储层在砾石充填过程中，存在携砂液与储层层结冰水合物的接触。在此过程中，水合物可能会分解，使得储层软化，并造成井壁的塑性变形甚至坍塌，储层的泥质粉砂与充填的砾石层交互，使得充填渗透率降低，影响产能。要求实验系统能够模拟和考虑砾石充填层与泥质储层的交互作用过程。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，本发明提供一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，能够针对海域天然气水合物浅软地层的直观透明可视化分支水平井砾石充填实验模拟系统，用于直观观察主井眼及分支井眼的砾石充填过程。并且具备能够灵活调整分支井眼的个数、能够灵活调整各个分支井井眼的长度、能够调整各个分支井眼的上下角度、能够模拟储层泥质粉砂与充填砾石层的交互作用过程。

使用该实验系统进行模拟实验，探究多分支水平井砾石充填过程中主井眼和各分支井眼的充填动态和过程，测试充填效果和充填率，分析各参数对充填效果的影响规律，并用于天然气水合物储层多分支水平井砾石充填施工参数设计优化设计。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，包括供给系统、砾石充填模拟主体装置、回流系统和数据采集系统，所述的供给系统包括储液罐、螺杆泵、自动加砂器和入流控制开关，所述的储液罐与螺杆泵通过管线连接，所述的螺杆泵与自动加砂器通过管线连接，所述的自动加砂器与砾石充填模拟主体装置通过管线连接，所述的储液罐内储存实验流体（清水、模拟地层水或增粘水），所述的螺杆泵将储液罐内的实验流体泵送至自动加砂器，所述的自动加砂器将实验流体与其内部储存的砂混合后形成砂浆；所述的砾石充填模拟主体装置包括主井筒模拟单元和分支井筒模拟单元，所述的主井筒模拟单元和分支井筒模拟单元都为透明筒体，所述的主井筒模拟单元内部套设有筛管，所述的分支井筒模拟单元可以根据需要调节其内部空间的大小，多个所述的分支井筒模拟单元交叉间隔倾斜设置在主井筒模拟单元的两侧，所述的分支井筒模拟单元可根据需要沿分支井筒模拟单元与主井筒模拟单元的连接处为旋转中心旋转，所述的分支井筒模拟单元与主井筒模拟单元可拆卸连接，分支井筒模拟单元的一端与主井筒模拟单元内壁和筛管之间的环空连通，所述的自动加砂器将混合后的砂浆加入至主井筒模拟单元与筛管的环空以及分支井筒模拟单元的内部空间内，砂浆中的砂留在主井筒模拟单元与筛管的环空以及分支井筒模拟单元的内部空间内；所述的回流系统包括回液罐和回流泵，所述的主井筒模拟单元的两端以及分支井筒模拟单元的另一端与回液罐通过管线连接，回液罐与回流泵通过管线连接，所述的回流泵与储液罐通过管线连接，砂浆中的其余液体为流出液，流出液经主井筒模拟单元的两端以及分支井筒模拟单元的另一端流出由回液罐回收，回液罐回收的流出液排出或通过回流泵输送至储液罐内；所述的数据采集系统包括压力传感器和流量传感器，所述的压力传感器和流量传感器测量各管路中的压力和流量，所述的压力传感器包括自动加砂器与砂浆入流接头之间的入口干线管线上的入口干线压力传感器、出口干线上的出口干线压力传感器、分支井筒液流出口接头后端的压力传感器和根据需要可拆卸安装在传感器接入口的压力传感器，所述的流量传感器包括自动加砂器与砂浆入流接头之间的入口干线管线上的入口干线流量传感器、出口干线上的出口干线流量传感器和根据需要可拆卸安装在传感器接入口的流量传感器。

进一步的，所述的主井筒模拟单元的一端设置有主井筒液流出口接头，所述的主井筒液流出口接头上设置有连通主井筒模拟单元与筛管环空的砂浆入流接头，所述的自动加砂器与砂浆入流接头之间通过入口干线连接，所述的自动加砂器与砂浆入流接头之间的入口干线管线上依次设置有入流控制开关、入口干线压力传感器和入口干线流量传感器。

进一步的，所述的主井筒模拟单元的相对于主井筒液流出口接头的另一端设置有后端液流出口接头，所述的分支井筒模拟单元的外端设置有分支井筒液流出口接头，所述的主井筒液流出口接头、后端液流出口接头和分支井筒液流出口接头通过管线汇集后再通过出口干线与回液罐连接，出口干线上设置有出口干线流量传感器和出口干线压力传感器。

进一步的，所述的主井筒模拟单元上与分支井筒模拟单元的连接处设置有法兰接口，所述的分支井筒模拟单元的一端设置有转向底座，所述的转向底座与法兰接口可拆卸连接，所述的转向底座与分支井筒模拟单元倾斜设置，所述的分支井筒模拟单元的底部设置有用于支撑分支井筒模拟单元的支架，所述的转向底座处设置有入流控制阀，入流控制阀控制主井筒模拟单元与筛管的环空和分支井筒模拟单元内部空间的开闭。

进一步的，所述砾石充填模拟主体装置还包括长度调节模块，所述长度调节模块通过用于调节分支井筒模拟单元内部空间，所述的长度调节模块与分支井筒模拟单元内部滑动连接，所述的长度调节模块的外壁与分支井筒模拟单元的内壁之间设置有密封圈，所述的长度调节模块的内端设置有挡砂介质，所述长度调节模块上设置有中心通孔，所述的分支井筒模拟单元上等距间隔设置多个限位开关，所述限位开关用于锁定长度调节模块在分支井筒模拟单元内的位置。优选的，所述限位开关包括螺纹杆和转轮，所述的螺纹杆贯穿分支井筒模拟单元的筒壁并与分支井筒模拟单元密封连接，螺纹杆的外端与转轮连接。优选的，位于所述分支井筒模拟单元同一径向上的两个限位开关沿分支井筒模拟单元的轴线对称设置。

进一步的，所述砾石充填模拟主体装置还包括加长模块，所述加长模块用于调节分支井筒模拟单元内部空间，所述的加长模块通过法兰连接于所述分支井筒模拟单元外端与分支井筒液流出口接头之间，所述的挡砂介质设置在分支井筒液流出口接头的内端，所述的加长模块为多个分支井筒加长单元拼接而成，多个分支井筒加长单元之间通过法兰连接或抱箍固定连接。

进一步的，所述的主井筒模拟单元、分支井筒模拟单元和分支井筒加长单元的筒壁上设置有与内部连通的传感器接入口，所述的传感器接入口根据需要安装压力传感器、压差传感器或流量传感器，所述的传感器接入口不接入传感器时处于封堵状态。

进一步的，所述砾石充填模拟主体装置还包括储层模拟模块充填模具，所述储层模拟模块充填模具用于在所述的分支井筒模拟单元内部形成储层模拟模块，以实现对水合物储层近井部位的模拟，包括以下步骤：

S1、将所述储层模拟模块充填模具套设于所述的分支井筒模拟单元内部，并且使所述分支井筒模拟单元与储层模拟模块充填模具之间留有环空；

S2、在所述分支井筒模拟单元与储层模拟模块充填模具之间的环空内充填预胶结砂；

S3、待胶结剂生效使预胶结砂具有一定强度后，取出储层模拟模块充填模具，在分支井筒模拟单元内形成储层模拟模块，储层模拟模块的内部中空为砂浆流动通道。储层模拟模块实现对水合物储层近井部位地质的模拟

进一步的，各所述的分支井筒液流出口接头处设置流量控制阀，所述流量控制阀用于控制分支井筒模拟单元流出液的出流流量。

优选的，所述的转向底座采用高压钢丝编织胶管材质。

优选的，所述的储液罐采用不锈钢立式搅拌储液罐，有效容积2000L，具有搅拌或存储实验流体的功能，所述的螺杆泵采用G型单螺杆泵，每级泵的输出压力为0.6MPa，扬程60m(清水)，用于泵送实验流体，所述的自动加砂器包括耐压装砂筒、伺服电机、输送绞龙、输砂筒体和液体进出口；所述的回液罐采用不锈钢立式储集罐，所述的回液罐底部设置有排出控制开关，所述的回流泵采用GS40-3卧式不锈钢离心泵，流量计传感器采用FR80涡轮式流量计或外夹式超声波流量计，压力传感器选择ZHT-2300实验室用数字压力计或NTJP-3压力传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、实验系统主井眼及分支井眼采用透明材料，能够直观透明可视化模拟和观察主井眼及分支井眼的砾石充填过程，探究多分支水平井砾石充填过程中主井眼和各分支井眼的充填动态和过程，测试充填效果和充填率，分析各参数对充填效果的影响规律，并用于天然气水合物储层多分支水平井砾石充填施工参数设计优化设计。

2、能够调整各个分支井眼的上下角度。在天然气水合物储层浅软地层钻井过程中，目前技术手段难以确保每个分支井眼都位于与主井眼同水平面上，角度可能不统一。此调节功能可以模拟不同分支井眼不同上下角度对充填效果的影响规律。

3、通过入流控制阀的开合控制该分支井筒模拟单元是否进行充填模拟，用于模拟调整分支井眼的个数，模拟一个主井眼和不同数量的分支井眼下的充填动态，研究分支井眼个数对总体充填效率的影响规律，优化分支井眼数量。

4、通过长度调节模块和加长模块，每个分支井眼的长度能够各自单独灵活调整，用于模拟不同分支井眼长度及其长度差异对总体充填效果和充填率的影响规律，优化分支井眼长度。

5、通过在分支井筒模拟单元内套设有储层模拟模块充填模具，分支井筒模拟单元内套与储层模拟模块充填模具之间的环空内根据需要充填不同成分的预胶结砂，能够模拟储层泥质粉砂与充填砾石层的交互作用过程。在砾石充填过程中，天然气水合物储层由于水合物分解会软化，造成储层泥质粉砂与充填的砾石层交互，使得充填渗透率降低，影响产能。该功能能够模拟和考虑砾石充填层与泥质储层的交互作用过程，支撑充填用砂浆的配方优化。研究在储层条件及施工参数发生变化时，充填效果及动态过程的变化机理及规律。

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为本发明的充填模拟装置主体单元及流程图，

图2为本发明的长度调节模块的调节方法示意图，

图3为本发明的地层模拟模块充填示意图，

图4为本发明的长度调节模块及限位开关结构示意图，

图5为本发明的加长模块调节长度的调节方法示意图。

附图中，1—主井筒模拟单元，2—筛管，3—流动通道，4—主井筒液流出口接头，5—砂浆入流接头，6—入口干线压力传感器，7—入口干线流量传感器，8—入流控制开关，9—自动加砂器，10—螺杆泵，11—储液罐，12—回流泵，13—回液罐，14—排出控制开关，15—分支井筒液流出口接头，16—分支井筒模拟单元，17—限位开关，18—长度调节模块，19—挡砂介质，20—储层模拟模块，21—转向底座，22—入流控制阀，23—后端液流出口接头，24—传感器接入口，25—流量控制阀，26—砾石充填模拟主体装置，27—出口干线流量传感器，28—出口干线压力传感器，29—中心通孔，30—密封圈，31—储层模拟模块充填模具，32—砂浆流动通道，33—分支井筒加长单元，34—螺纹杆，35—转轮。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3

本发明提供如下技术方案：一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，包括供给系统、砾石充填模拟主体装置26、回流系统和数据采集系统，所述的供给系统包括储液罐11、螺杆泵10、自动加砂器9和入流控制开关8，所述的储液罐11与螺杆泵10通过管线连接，所述的螺杆泵10与自动加砂器9通过管线连接，所述的自动加砂器9与砾石充填模拟主体装置26通过管线连接，所述的储液罐11内储存实验流体（清水、模拟地层水或增粘水），所述的螺杆泵10将储液罐11内的实验流体泵送至自动加砂器9，所述的自动加砂器9将实验流体与其内部储存的砂混合后形成砂浆，所述的储液罐11采用不锈钢立式搅拌储液罐，有效容积2000L，具有搅拌或存储实验流体的功能，所述的螺杆泵10采用G型单螺杆泵，每级泵的输出压力为0.6MPa，扬程60m(清水)，用于泵送实验流体，所述的自动加砂器9包括耐压装砂筒、伺服电机、输送绞龙、输砂筒体和液体进出口，自动加砂器9为现有技术可以直接购买的产品，此处将不再赘述其结构和工作原理，自动加砂器9可以根据砂浆排量、砂比设置加砂速度，与螺杆泵10所泵送的实验流体充分混合后加入砾石充填模拟主体装置26，实验中实验流体可与砂混合后流出，流水量满足10-20吨/小时，与砂浆入流接口相连接；

所述的砾石充填模拟主体装置26包括主井筒模拟单元1和分支井筒模拟单元16，所述的主井筒模拟单元1和分支井筒模拟单元16都为透明筒体，主井筒模拟单元1与分支井筒模拟单元16材质均为耐高压透明材料，实现可视化模拟和观察主井眼及分支井眼的砾石充填过程，探究多分支水平井砾石充填过程中主井眼和各分支井眼的充填动态和过程，所述的主井筒模拟单元1内部套设有筛管2，所述的主井筒模拟单元1的一端设置有主井筒液流出口接头4，所述的主井筒液流出口接头4上设置有连通主井筒模拟单元1与筛管2环空的砂浆入流接头5，所述的自动加砂器9与砂浆入流接头5之间通过入口干线连接，所述的自动加砂器9与砂浆入流接头5之间的入口干线管线上依次设置有入流控制开关8、入口干线压力传感器6和入口干线流量传感器7，流量计传感器采用FR80涡轮式流量计或外夹式超声波流量计，流动阻力小且测量准确，压力传感器选择ZHT-2300实验室用数字压力计或NTJP-3压力传感器，动态测量精确。所述的分支井筒模拟单元16可以根据需要调节其内部空间的大小，多个所述的分支井筒模拟单元16交叉间隔倾斜设置在主井筒模拟单元1的两侧，具体的，砾石充填模拟主体装置26基本结构由主井筒模拟单元1和5个分支井筒模拟单元16组成，主井筒模拟单元1长度为5m，内径8.5英寸（216mm），分支井筒模拟单元16长度为2.5m，内径7英寸（178mm），5个分支井筒模拟单元16分别位于主井筒模拟单元1两侧1m、1.75m、2.5m、3.25m、4m位置处，所述的分支井筒模拟单元16可根据需要沿分支井筒模拟单元16与主井筒模拟单元1的连接处的轴线为旋转轴旋转，所述的分支井筒模拟单元16与主井筒模拟单元1可拆卸连接，分支井筒模拟单元16的一端与主井筒模拟单元1内壁和筛管2之间的环空连通，具体的，如图1所示，为主井筒模拟单元1与分支井筒模拟单元16的俯视图，所述的主井筒模拟单元1上与分支井筒模拟单元16的连接处设置有法兰接口，所述的分支井筒模拟单元16的一端设置有转向底座21，所述的转向底座21与法兰接口可拆卸连接，所述的转向底座21与分支井筒模拟单元16倾斜设置，转向底座21选择高压钢丝编织胶管，具有良好的承压能力、抗脉冲能力及抗老化能力，确保长时间高压充填情况下实验模拟需求。所述的分支井筒模拟单元的底部设置有用于支撑分支井筒模拟单元的支架，通过改变分支井筒模拟单元16的支架高度来固定分支井筒模拟单元与水平面间的夹角，夹角范围为±20°，模拟不同分支井眼不同上下角度对充填效果及动态充填过程的影响规律。转动时，通过人工安装转向底座21在主井筒模拟单元1的法兰接口上，按照不同的角度安装就可以模拟分支井眼与主井眼之间的角度，所述的转向底座21处设置有入流控制阀22，控制主井筒模拟单元1与筛管2的环空和分支井筒模拟单元16内部空间的开闭，通过入流控制阀22的开合控制该分支井筒模拟单元16是否进行充填模拟。在不便于拆卸分支井筒模拟单元16的情况下，能够简易方便地调整分支井眼个数，模拟一个主井眼和不同数量（图示中0至5个）的分支井眼下的协同充填动态，实现水平井单井眼、多井眼协同砾石充填过程与机理模拟实验。所述的自动加砂器9将混合后的砂浆加入至主井筒模拟单元1与筛管2的环空以及分支井筒模拟单元16的内部空间内，砂浆中的砂留在主井筒模拟单元1与筛管2的环空以及分支井筒模拟单元16的内部空间内；

所述的回流系统包括回液罐13和回流泵12，所述的主井筒模拟单元1的两端以及分支井筒模拟单元16的另一端与回液罐13通过管线连接，回液罐13与回流泵12通过管线连接，所述的回流泵12与储液罐11通过管线连接，砂浆中的其余液体为流出液，流出液经主井筒模拟单元1的两端以及分支井筒模拟单元16的另一端流出由回液罐13回收，回液罐13回收的流出液排出或通过回流泵12输送至储液罐11内，所述的主井筒模拟单元1的相对于主井筒液流出口接头4的另一端设置有后端液流出口接头23，所述的分支井筒模拟单元16的外端设置有分支井筒液流出口接头15，所述的主井筒液流出口接头4、后端液流出口接头23和分支井筒液流出口接头15通过管线汇集后再通过出口干线与回液罐13连接，出口干线上设置有出口干线流量传感器27和出口干线压力传感器28，回流泵12采用GS40-3卧式不锈钢离心泵，回液罐13采用不锈钢立式储集罐，有效容积为1000L，有临时存储实验流体的功能，所述的回液罐13底部设置有排出控制开关14，可以直接打开控制开关14将液体排出，或通过管道连接回流泵12将流出液泵送回到储液罐11中，可实现流体在整个实验流程中的循环利用，将液体泵送回到储液罐11中进行循环充填作业；

砾石充填模拟主体装置26还包括长度调节模块18，所述长度调节模块18通过用于调节分支井筒模拟单元16内部空间，所述的长度调节模块18与分支井筒模拟单元16内部滑动连接，所述的长度调节模块18的外壁与分支井筒模拟单元16的内壁之间设置有密封圈30，所述的长度调节模块18的内端设置有挡砂介质19，所述长度调节模块18上设置有中心通孔29，所述的分支井筒模拟单元16上等距间隔设置多个限位开关17，所述限位开关17用于锁定长度调节模块18在分支井筒模拟单元16内的位置。优选的，所述限位开关17包括螺纹杆34和转轮35，所述的螺纹杆34贯穿分支井筒模拟单元16的筒壁并与分支井筒模拟单元16密封连接，螺纹杆34的外端与转轮35连接。优选的，位于所述分支井筒模拟单元16同一径向上的两个限位开关17沿分支井筒模拟单元16的轴线对称设置，如图4所示，限位开关17控制长度调节模块18在分支井筒模拟单元16内部滑动的距离，所述限位开关17包括螺纹杆34和转轮35，所述的螺纹杆34贯穿分支井筒模拟单元16的筒壁并密封连接，螺纹杆34的外端与转轮35连接，具体的，根据所设定的分支井眼长度，将长度调节模块18移动到分支井筒模拟单元16内特定位置，通过限位开关17固定，长度调节模块18与主井筒模拟单元1外筒壁的距离即为所需分支井眼的长度（见图2），长度调节模块18厚度200mm，中心通孔29直径20mm，限位开关17位置分别为距主井筒1.6m、1.85m、2.1m，可模拟的分支井眼长度分别为1.5m、1.75m、2m、2.5m，若模拟2.5m长度分支井的充填过程，可将长度调节模块18取出，将挡砂介质19放置在分支井筒液流出口接头15前，挡砂介质19可以选用多层金属滤网或烧结毡，标称精度为所用砾石最小尺寸的2/3。通过长度调节模块18，使各分支井眼实现单独灵活调整，可以模拟不同分支井眼长度及其长度差异对总体充填效果和充填率的影响规律。

砾石充填模拟主体装置26还包括加长模块，所述加长模块用于调节分支井筒模拟单元16内部空间，所述的加长模块通过法兰连接于所述分支井筒模拟单元16外端与分支井筒液流出口接头15之间，所述的挡砂介质19设置在分支井筒液流出口接头15的内端，所述的加长模块为多个分支井筒加长单元33拼接而成，多个分支井筒加长单元33之间通过法兰连接或抱箍固定连接，具体的，如图5所示，设置分支井筒模拟单元16长度为1.5m，每个分支井筒加长单元33长度0.25m，可模拟分支井眼长度分别为1.5m、1.75m、2m、2.5m，需要在分支井筒模拟单元16尾端加装1、2、3、4个分支井筒加长单元33。

数据采集系统包括压力传感器和流量传感器，所述的压力传感器和流量传感器测量各管路中的压力和流量，所述的主井筒模拟单元1、分支井筒模拟单元16和分支井筒加长单元33的筒壁上设置有与内部连通的传感器接入口24，所述的传感器接入口24间隔设置在主井筒和分支井筒模拟单元16的两侧，两个传感器接入口24的孔间间隔0.3m，孔径5-8mm，所述的传感器接入口24根据需要安装压力传感器、压差传感器或流量传感器，能够定点、定段监测所需位置、井段的流量、压力及滤失量等参数变化，便于实验数据的采集和整理，所述的传感器接入口24不接入传感器时可用堵头进行封堵处于封堵状态，该压力传感器、压差传感器或流量传感器能够定点、定段测定砂浆流入不同分支井筒模拟单元16的流量与压力差异、分支井筒模拟单元16滤失量、井筒内压差变化等数据，在充填结束后可以测试充填前后渗透率变化等参数，所述的压力传感器包括自动加砂器9与砂浆入流接头5之间的入口干线管线上的入口干线压力传感器6、出口干线上的出口干线压力传感器28、分支井筒液流出口接头15后端的压力传感器和根据需要可拆卸安装在传感器接入口24的压力传感器，所述的流量传感器包括自动加砂器9与砂浆入流接头5之间的入口干线管线上的入口干线流量传感器7、出口干线上的出口干线流量传感器27和根据需要可拆卸安装在传感器接入口24的流量传感器。

所述砾石充填模拟主体装置26还包括储层模拟模块充填模具31，所述储层模拟模块充填模具31用于在所述的分支井筒模拟单元16内部形成储层模拟模块20，以实现对水合物储层近井部位的模拟，包括以下步骤：

S1、将所述储层模拟模块充填模具31套设于所述的分支井筒模拟单元16内部，并且使所述分支井筒模拟单元16与储层模拟模块充填模具31之间留有环空；

S2、在所述分支井筒模拟单元16与储层模拟模块充填模具31之间的环空内充填预胶结砂；

S3、待胶结剂生效使预胶结砂具有一定强度后，取出储层模拟模块充填模具31，在分支井筒模拟单元16内形成储层模拟模块20，储层模拟模块20的内部中空为砂浆流动通道32。

具体的，得到水合物储层数据后，可以依据水合物储层地层砂粒径分布、泥质含量及储层胶结强度等参数，利用胶结剂与复配砂进行预胶结。实验开始前，通过储层模拟模块充填模具31将砂浆流动通道32与储层模拟模块20分隔开，分支井筒模拟单元16内与储层模拟模块充填模具31之间的环空内密实充填预胶结砂。待胶结剂生效使预胶结砂具有一定强度后，取出储层模拟模块充填模具31，在分支井筒模拟单元16内形成储层模拟模块20（见图3）。胶结剂为常温胶结剂，在常温情况下能够提供一定的胶结强度，故可以选择环氧树脂与固化剂复配使用。地层复配砂主要选择30-230μm范围粒径工业石英砂进行组合使用，泥质选择海泡石。储层模拟模块充填模具31长度2.5m，厚度3-5mm，同时具有一定密封性，确保在实验前充填预胶结砂时，砂粒进入砂浆流动通道32部分。储层模拟模块20充填长度根据实验所需设定，厚度10mm。通过该方式能够模拟多分支水平井砾石充填时，砂浆与储层泥质粉砂之间的交互作用过程。

各所述的分支井筒液流出口接头15处设置流量控制阀25，可以控制分支井筒模拟单元16流出液的出流流量，实现分支井筒模拟单元16充填时向储层模拟模块20滤失量的控制，研究滤失对砾石充填效果的影响规律。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：包括供给系统、砾石充填模拟主体装置（26）、回流系统和数据采集系统，所述的供给系统包括储液罐（11）、螺杆泵（10）、自动加砂器（9）和入流控制开关（8），所述的储液罐（11）与螺杆泵（10）通过管线连接，所述的螺杆泵（10）与自动加砂器（9）通过管线连接，所述的自动加砂器（9）与砾石充填模拟主体装置（26）通过管线连接；所述的砾石充填模拟主体装置（26）包括主井筒模拟单元（1）和分支井筒模拟单元（16），所述的主井筒模拟单元（1）和分支井筒模拟单元（16）都为透明筒体，所述的主井筒模拟单元（1）内部套设有筛管（2），所述的分支井筒模拟单元（16）内设有可调的内腔，多个所述的分支井筒模拟单元（16）交叉间隔倾斜设置在主井筒模拟单元（1）的两侧，所述的分支井筒模拟单元（16）可沿分支井筒模拟单元（16）与主井筒模拟单元（1）的连接处的轴线为旋转轴旋转，所述的分支井筒模拟单元（16）与主井筒模拟单元（1）可拆卸连接，分支井筒模拟单元（16）的一端与主井筒模拟单元（1）内壁和筛管（2）之间的环空连通，所述的自动加砂器（9）将混合后的砂浆加入至主井筒模拟单元（1）与筛管（2）的环空以及分支井筒模拟单元（16）的内部空间内，砂浆中的砂留在主井筒模拟单元（1）与筛管（2）的环空以及分支井筒模拟单元（16）的内部空间内；所述的回流系统包括回液罐（13）和回流泵（12），所述的主井筒模拟单元（1）的两端以及分支井筒模拟单元（16）的另一端与回液罐（13）通过管线连接，回液罐（13）与回流泵（12）通过管线连接，所述的回流泵（12）与储液罐（11）通过管线连接；所述的数据采集系统包括压力传感器和流量传感器，所述的压力传感器和流量传感器测量各管路中的压力和流量。

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述的主井筒模拟单元（1）的一端设置有主井筒液流出口接头（4），所述的主井筒液流出口接头（4）上设置有连通主井筒模拟单元（1）与筛管（2）环空的砂浆入流接头（5），所述的自动加砂器（9）与砂浆入流接头（5）之间通过入口干线连接，所述的自动加砂器（9）与砂浆入流接头（5）之间的入口干线管线上依次设置有入流控制开关（8）、入口干线压力传感器（6）和入口干线流量传感器（7）。

3.根据权利要求2所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述的主井筒模拟单元（1）的相对于主井筒液流出口接头（4）的另一端设置有后端液流出口接头（23），所述的分支井筒模拟单元（16）的外端设置有分支井筒液流出口接头（15），所述的主井筒液流出口接头（4）、后端液流出口接头（23）和分支井筒液流出口接头（15）通过管线汇集后再通过出口干线与回液罐（13）连接，出口干线上设置有出口干线流量传感器（27）和出口干线压力传感器（28）。

4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述的主井筒模拟单元（1）上与分支井筒模拟单元（16）的连接处设置有法兰接口，所述的分支井筒模拟单元（16）的一端设置有转向底座（21），所述的转向底座（21）与法兰接口可拆卸连接，所述的转向底座（21）处设置有入流控制阀（22），所述入流控制阀（22）用于控制主井筒模拟单元（1）与筛管（2）的环空和分支井筒模拟单元（16）内部空间的开闭。

5.根据权利要求4所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述砾石充填模拟主体装置（26）还包括长度调节模块（18），所述长度调节模块（18）通过用于调节分支井筒模拟单元（16）内部空间，所述的长度调节模块（18）与分支井筒模拟单元（16）内部滑动连接，所述的长度调节模块（18）的外壁与分支井筒模拟单元（16）的内壁之间设置有密封圈（30），所述的长度调节模块（18）的内端设置有挡砂介质（19），所述长度调节模块（18）上设置有中心通孔（29），所述的分支井筒模拟单元（16）上等距间隔设置多个限位开关（17），所述限位开关（17）用于锁定长度调节模块（18）在分支井筒模拟单元（16）内的位置，优选的，所述限位开关（17）包括螺纹杆（34）和转轮（35），所述的螺纹杆（34）贯穿分支井筒模拟单元（16）的筒壁并与分支井筒模拟单元（16）密封连接，螺纹杆（34）的外端与转轮（35）连接，在优选的，位于所述分支井筒模拟单元（16）同一径向上的两个限位开关（17）沿分支井筒模拟单元（16）的轴线对称设置。

6.根据权利要求5所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述砾石充填模拟主体装置（26）还包括加长模块，所述加长模块用于调节分支井筒模拟单元（16）内部空间，所述的加长模块通过法兰连接于所述分支井筒模拟单元（16）外端与分支井筒液流出口接头（15）之间，所述的挡砂介质（19）设置在分支井筒液流出口接头（15）的内端，所述的加长模块为多个分支井筒加长单元（33）拼接而成，多个分支井筒加长单元（33）之间通过法兰连接或抱箍固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述的主井筒模拟单元（1）、分支井筒模拟单元（16）和分支井筒加长单元（33）的筒壁上设置有与内部连通的传感器接入口（24），所述的传感器接入口（24）根据需要安装压力传感器、压差传感器或流量传感器，所述的传感器接入口（24）不接入传感器时处于封堵状态。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述砾石充填模拟主体装置（26）还包括储层模拟模块充填模具（31），所述储层模拟模块充填模具（31）用于在所述的分支井筒模拟单元（16）内部形成储层模拟模块（20），以实现对水合物储层近井部位的模拟，包括以下步骤：

S1、将所述储层模拟模块充填模具（31）套设于所述的分支井筒模拟单元（16）内部，并且使所述分支井筒模拟单元（16）与储层模拟模块充填模具（31）之间留有环空；

S2、在所述分支井筒模拟单元（16）与储层模拟模块充填模具（31）之间的环空内充填预胶结砂；

S3、待胶结剂生效使预胶结砂具有一定强度后，取出储层模拟模块充填模具（31），在分支井筒模拟单元（16）内形成储层模拟模块（20），储层模拟模块（20）的内部中空为砂浆流动通道（32）。

9.根据权利要求3所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：各所述的分支井筒液流出口接头（15）处设置流量控制阀（25），所述流量控制阀（25）用于控制分支井筒模拟单元（16）流出液的出流流量。

10.根据权利要求4所述的一种天然气水合物储层多分支水平井砾石充填模拟实验系统，其特征在于：所述的储液罐（11）采用不锈钢立式搅拌储液罐，所述的螺杆泵（10）采用G型单螺杆泵，所述的自动加砂器（9）包括耐压装砂筒、伺服电机、输送绞龙、输砂筒体和液体进出口；所述的回液罐（13）采用不锈钢立式储集罐，所述的回液罐（13）底部设置有排出控制开关（14），所述的回流泵（12）采用GS40-3卧式不锈钢离心泵，流量计传感器采用FR80涡轮式流量计或外夹式超声波流量计，压力传感器选择ZHT-2300实验室用数字压力计或NTJP-3压力传感器，所述的转向底座（21）采用高压钢丝编织胶管材质。

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