CN114495675A - 天然气水合物钻井循环模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气水合物钻井循环模拟实验装置及方法。该模拟实验装置，包括：反应釜，控温系统，双层循环管系统，万能试验机，内管提升机构，温度压力传感器；反应釜的釜体底部设有进气口和传感器接口；反应釜的釜体位于控温系统内；双层循环管系统包括由外至内贯穿反应釜釜盖的表层导管和内管、二者可以独立运动；表层导管的底端开口、顶部设有钻井液出口；内管的顶部设有钻井液入口、底端连接有钻头，该钻头设有钻井液喷射口；万能试验机与表层导管的顶部连接；内管提升机构与内管的顶部连接；温度压力传感器伸入反应釜的内腔。本发明还提供在上述实验装置中进行的模拟实验方法，该方法能够模拟深海海底天然气水合物钻井循环动态过程。

Description

天然气水合物钻井循环模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及钻井工程技术领域，尤其涉及一种天然气水合物钻井循环模拟实验装置及方法。

背景技术

天然气水合物是一种高效的清洁能源，深海海底的低温高压环境有利于天然气水合物的形成和稳定，因此全球超过90％的天然气水合物赋存于水深超过800m的深水区。含水合物地层钻井及开采过程中，厘清钻井过程中含水合物沉积物承载力演化特征是进行水合物开发的基础。囿于水合物高压低温的赋存环境和钻采过程中地层与工作液体系的交互作用，目前相关研究主要通过理论计算和数值模拟等间接手段，鲜见针对钻采过程中水合物地层力学性质及强度评价实验。并且，现有的水合物力学测试主要是静态测试，即合成符合目的层参数的水合物样品后进行测试，试样多为水合物未分解的固相状态。然而作业过程中水合物处于不断动态分解的固液气三相耦合状态，前期研究表明：直接合成饱和度为20％的水合物，同由40％饱和度分解至20％饱和度的水合物在力学性质和强度等方面有着显著差异，目前尚欠缺一种能够模拟水合物层钻井动态循环过程的实验方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种天然气水合物钻井循环模拟实验装置及方法，该模拟实验方法能够模拟深海海底天然气水合物钻井循环动态过程，有利于进行深海天然气水合物钻井过程分析及安全评估。

为了达到上述目的，本发明提供一种天然气水合物钻井循环模拟实验装置，其包括：反应釜，控温系统，双层循环管系统，万能试验机，内管提升机构，温度压力传感器；所述反应釜的内腔用于容纳模拟土样，所述反应釜的釜体底部设有进气口和传感器接口；所述控温系统用于调节所述反应釜的釜体内腔的温度，所述反应釜的釜体位于所述控温系统内；所述双层循环管系统包括表层导管以及位于表层导管内部的内管，所述表层导管和内管由外至内贯穿所述反应釜的釜盖，所述表层导管和所述内管可以独立运动；所述表层导管的底端开口、所述表层导管的顶部设有钻井液出口；所述内管的顶部设有钻井液入口，所述内管的底端连接有钻头、该钻头设有钻井液喷射口；所述万能试验机与所述表层导管的顶部连接，所述万能实验机用于控制所述表层导管的位移、向所述表层导管施加载荷、测量表层导管的位移以及受力情况；所述内管提升机构与所述内管的顶部连接、用于控制所述内管的运动；所述温度压力传感器通过反应釜的传感器接口伸入反应釜的内腔。

在本发明中，所述表层导管的顶部是指所述表层导管位于反应釜外部的管体部分，所述表层导管的底部是指所述表层导管位于反应釜内腔的管体部分，所述表层导管的顶端是指表层导管位于反应釜外部的一端，所述表层导管的底端是指表层导管位于反应釜内腔的一端。所述内管的顶部是指所述内管位于反应釜外部的管体部分，所述内管的底部是指所述内管位于反应釜内腔的管体部分，所述内管的顶端是指内管位于反应釜外部的一端，所述内管的底端是指内管位于反应釜内腔的一端。

在上述模拟实验装置中，所述反应釜具体包括釜盖和釜体，釜盖与釜体结合后形成密闭空间。所述反应釜釜体的内腔用于容纳模拟土样并进行钻井循环模拟实验。所述反应釜底部设置的进气口及温压传感器插口通过橡胶实现滑动密封。

所述控温系统用于控制所述反应釜内腔的温度，所述控温系统可以是恒温低温水浴系统，通过水浴的方式调节反应釜内腔的温度。所述控温系统的控温范围可以是零下10℃至零上80℃。

在上述模拟实验装置中，所述表层导管可以模拟实际钻井施工中的油管，所述内管可以模拟实际钻井施工中的钻杆。

在上述模拟实验装置中，所述表层导管、内管与所述反应釜釜盖之间密封连接。例如，表层导管和内管可以通过橡胶实现与釜盖之间的滑动密封。

在上述模拟实验装置中，所述表层导管的长度一般大于所述反应釜的高度，例如表层导管的长度可以是所述反应釜高度的1.2-1.5倍，以使表层导管的末端在接触反应釜底端时仍然存在位于反应釜外部的管体。

在上述模拟实验装置中，所述内管的长度一般大于所述反应釜的高度，例如内管的长度可以是所述反应釜高度的1.2-1.5倍，以使内管的末端在接触反应釜底端时仍然存在位于反应釜外部的管体。

在上述模拟实验装置中，所述内管的内径一般小于表层导管的内径，例如，所述表层导管的内径可以为25mm，所述内管的内径可以为10mm。

在上述模拟实验装置中，所述表层导管的底端设有防砂筛网，所述防砂筛网用于防止土样堵塞表层导管与内管之间的环空。

在上述模拟实验装置中，所述万能试验机用于控制所述表层导管的运动并向所述表层导管施加载荷，并可以测量所述表层导管的位移和受力情况。具体地，所述万能试验机可以包括分别与表层导管顶部连接的第一电机、加载系统和载荷位移测量系统，所述第一电机用于控制所述表层导管的位移、使表层导管可以在竖直方向运动，所述加载系统用于向所述表层导管施加载荷、用于模拟实际施工中的井口载荷和重量，所述载荷位移测量系统用于测量表层导管的位移情况以及受力情况。

在一些具体实施方案中，所述载荷位移测量系统一般包括应变片，所述应变片固定于所述表层导管底部的侧面，用于测量所述表层导管底部的侧面受力。

在上述模拟实验装置中，所述内管提升机构(又称井筒提升机构)包括第二电机，所述第二电机能够控制所述内管沿竖直方向运动，并能够控制所述内管带动钻头旋转；

根据本发明的具体实施方案，上述模拟实验装置还可以进一步包括轨道系统，所述轨道系统包括横臂和滑动轨道。所述滑动轨道一般固定在反应釜釜盖的上方，所述横臂固定在滑动轨道上，所述表层导管的顶部、内管的顶部分别与横臂连接。在具体实施方案中，由于表层导管与内管相互独立运动，所述横臂一般为两个以上，以使所述表层导管和内管分别独立连接一个横臂。

在本发明的具体实施方案中，所述模拟实验装置还可以包括钻井液循环系统，所述钻井液循环系统用于向所述钻井液入口输送钻井液，并收集所述钻井液出口排出的钻井液。在一些具体实施方案中，所述钻井液循环系统可以包括钻井液输出装置和钻井液收集装置，所述钻井液输出装置一般与所述钻井液入口连通，所述钻井液收集装置与所述钻井液出口连通。所述钻井液输出装置可以是液体泵等，所述钻井液输出装置可以是泥浆池等。

本发明进一步提供了一种天然气水合物钻井循环模拟实验方法，其是在上述模拟实验装置中进行的，该实验方法包括：

S1、将模拟土样装入反应釜的内腔，将表层导管插入水合物模拟地层中，向反应釜的内腔注入气体直至内腔压力达到预定模拟压力、同时对反应釜进行降温直至反应釜的内腔温度达到预定模拟温度，保持反应釜内腔的温度和压力恒定，形成水合物模拟地层；

S3、在形成水合物模拟地层之后，进行钻井模拟实验、，所述钻井模拟实验的方法包括：使内管向下运动插入水合物模拟地层中，在内管与表层导管之间的环空循环钻井液，当钻头达到水合物模拟地层的底部时停止运动，完成钻井模拟实验；

S5、在钻头停止运动后，进行水合物承载力测试，该测试方法包括：向表层导管施加载荷，控制表层导管在模拟地层中下降，当表层导管达到指定深度时停止下降；然后控制表层导管上提，直至表层导管不与模拟地层的地表接触，记录表层导管在下降和上提过程中的侧面受力情况，根据表层导管侧面受力结果和对表层导管施加的载荷计算水合物层与表层导管之间的侧向摩阻力，得到水合物承载力的测试结果。

根据本发明的具体实施方案，上述模拟实验方法进一步包括：在钻头停止运动后，进行水合物地表沉降位移的测量方法包括：保持表层导管插入到模拟地层中不动，在内管与表层导管之间的环空循环30-90℃(例如50-90℃)的高温钻井液使水合物分解，表层导管在反应釜中的高度随之下降，当模拟地层的水合物全部分解时，根据表层导管在水合物分解过程中的位移情况确定水合物地表的沉降位移。

在上述模拟实验方法中，S1中，所述模拟土样可以包括高岭土和海底软黏土等。所述模拟土样的粒径可以根据实验需要选择，例如可以是粒径为1250目的模拟土样。

在上述模拟实验方法中，S1中，所述表层导管插入模拟土样后一般与模拟土样的底部存在一定距离，以便使表层导管在后续实验过程中可以继续下降。在一些具体实施方案中，所述表层导管在模拟土样中的插入深度可以是模拟土样总深度的1/5至1/4。

在上述模拟实验方法中，S1中，用于增压注入的气体可以是甲烷等。

在上述模拟实验方法中，S1中，所述预定模拟压力和预定模拟温度一般在水合物相变曲线以下的压力值和温度值，即，所述预定模拟压力为水合物合成所需压力；所述预定模拟温度为水合物合成所需温度。在一些具体实施方案中，所述预定模拟压力一般为8MPa以上；所述预定模拟温度可以为5-6℃。

在上述模拟实验方法中，所述反应釜内腔的温度变化(升温和降温)和温度恒定一般是通过调节控温系统实现的。

在上述模拟实验方法中，所述表层导管在竖直方向的位移(下降和上提)过程一般是由万能试验机的第一电机控制的。

在上述模拟实验方法中，所述内管在竖直方向的位移一般是由内管提升机构的第二电机控制的。

在上述钻井模拟实验的方法中，S5中，向表层导管施加载荷用于模拟实际施工中井口的载荷和重量。

在上述钻井模拟实验的方法中，所述钻井液的浓度可以根据实际需要调整，例如可以采用初始饱和浓度为10-30％的钻井液。所述钻井液中颗粒的等级可以根据实际需要进行选择，例如可以包括粘土和砂土。所述钻井液的温度可以根据实际需要进行调整，例如可以是5-30℃；

在上述钻井模拟实验的方法中，所述高温流体的温度一般达到可以让水合物分解的温度范围即可。

在上述水合物地表沉降位移的测量方法中，一般地，当温度达到-2℃时，判断水合物模拟地层中的土样完全冻结。

在上述水合物地表沉降位移的测量方法中，在表层导管和内管的环空之间循环钻井液的过程包括：向内管的钻井液入口注入钻井液，钻井液经由内管底端的钻头的钻井液喷射口喷出，然后沿表层导管与内管之间的环空向上运动，最后由表层导管的钻井液出口排出。

在上述水合物地表沉降位移的测量方法中，所述水合物模拟地层的温度通过位于反应釜内腔的温度传感器测量。

在上述水合物地表沉降位移的测量方法中，一般地，当压力达到常压时，判断水合物模拟地层中的水合物完全分解。

在上述水合物地表沉降位移的测量方法中，水合物模拟地层的地表沉降位移通过载荷位移测量系统记录的表层导管在水合物分解过程中产生的位移确定。

在上述水合物承载力的测量方法中，所述表层导管在下降和上提过程中受力情况可以通过设置在表层导管底部侧面的变压片对压力的检测结果得到。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的模拟实验方法可以解决水合物高压低温的赋存环境和钻采过程中地层与工作液体系的交互作用分析的难题，通过模拟深海海底成岩及非成岩天然气水合物的赋存环境，合成不同性质的天然气水合物模拟地层，开展高压钻井液动态循环模拟实验，并对钻井过程中水合物层的力学性质及强度变化进行测试，模拟深海海底天然气水合物钻井循环动态过程，有利于进行深海天然气水合物钻井过程分析及安全评估。

附图说明

图1为实施例1的天然气水合物钻井循环模拟实验装置结构示意图。

图2为实施例1的双层循环管系统与载荷位移测量系统的结构示意图。

图3为现场使用中钻井液循环过程的示意图。

符号说明

表层导管1，内管2，钻井液循环系统3，低温恒温水浴4，进气口5，载荷位移测量系统6，内管提升机构7，防砂筛网8，反应釜9，温压传感器接口10；水下井口11，表层导管12，钻头13。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种天然气水合物钻井循环模拟实验装置，如图1所示，该模拟实验装置包括反应釜9、控温系统、双层循环管系统、钻井液循环系统3、万能试验机、内管2提升机构、温度压力传感器、滑动轨道。

反应釜9包括釜盖和釜体。釜盖设有法兰，釜体中部设有内腔、内腔用于容纳模拟土样以及进行模拟实验。釜盖与釜体结合后内腔为密封空间。釜体的底部设有进气口5和温压传感器接口10，进气口5与温压传感接口通过橡胶实现滑动密封。进气口5一般与气瓶、气体增压泵等供气装置连接，用于向反应釜9内腔输入气体。温压传感器接口10用于固定温度压力传感器。

本实施例所用的控温系统为低温恒温水浴4，用于调节反应釜9内腔的环境温度、进而调节实验温度。低温恒温水浴4的水浴温度范围是零下10℃至零上80℃。反应釜9位于低温恒温水浴4内，具体可以是反应釜9的内腔对应的位置位于低温恒温水浴4的内部。

如图2所示，双层循环管系统包括表层导管1和内管2，内管2位于表层导管1的内部。表层导管1和内管2由外至内贯穿高温高压反应釜9的釜盖并插入反应釜9的内腔，表层导管1、内管2与釜盖之间通过橡胶实现滑动连接。表层导管1的顶部设有钻井液出口，表层导管1的底端开口。表层导管1的底端开口处设有防砂筛网8，防砂筛网8可以防止模拟土样进入堵塞表层导管1与内管2之间的环空。内管2可以看作模拟钻杆，内管2的顶部设有钻井液入口，且钻井液入口位于钻井液出口的下方。内管2的底端连接有钻头，钻头设有钻井液喷射口。如图2所示，在实验过程中，可以由钻井液入口注入钻井液等流体，流体在内管2中由上至下流向钻头，然后由钻井液喷射口喷出、冲刷地层，再经由内管2与表层导管1之间的环空由下至上流动，最后由钻井液出口排出，形成流体循环。

在具体实施方案中，表层导管1、内管2的长度一般大于反应釜9的高度，以保证表层导管1、内管2插入反应釜9内腔后还有位于反应釜9外部的管体。表层导管1和内管2的尺寸、以及钻井液入口和钻井液的出口的位置可以根据实际需要确定，在本实施例中，表层导管1、内管2的长度分别为反应釜9高度的1.2-1.5倍。表层导管长800mm、内径为25mm、管壁厚度为1mm，钻井液出口距离表层导管1的顶端的垂直距离为300mm；内管2的内径为10mm、管壁厚度为1mm。

万能实验机包括第一电机、加载系统和载荷位移测量系统6。第一电机与表层导管1的顶部连接，用于控制表层导管1沿竖直方向的运动。加载系统与表层导管1的顶部连接，用于向表层导管1施加载荷。载荷位移测量系统6与表层导管1连接，用于测量表层导管1的位移和受力情况。载荷位移测量系统6中包含若干应变片连接，应变片位于表层导管1的底部管体的侧面、每隔一定距离(管体长度的10％)设置一个应变片，用于测量表层导管1的测面受力情况。

内管提升机构7(井筒提升机构)包括第二电机，第二电机与内管2的顶部连接，用于控制内管2旋转运动以及在竖直方向的运动。

轨道系统包括滑动轨道和两个横臂。滑动轨道竖直设于反应釜釜盖的外部上方，横臂固定于滑动轨道、可以沿轨道上下运动。表层导管1的顶部、内管2的顶部分别连接独立的横臂。滑动轨道系统可以保证表层导管1与内管2沿竖直方向移动，避免偏移。

钻井液循环系统3包括液体泵和泥浆池，液体泵与内管2的钻井液入口连接、用于向内管2泵入钻井液；泥浆池与表层导管1的钻井液出口连接、用于接收表层导管1排出的钻井液。

温度压力传感器通过温压传感器接口10进入反应釜9的内腔，用于监测反应釜9内腔的温度和压力。在具体实施方案中，温度压力传感器可以是以多个探针的形式插入反应釜9的内腔，在每个探针上设置多个温度传感器、压力传感器。在实验状态下，温度传感器和压力传感器一般位于模拟土样中。

实施例2

本实施例提供了一种天然气水合物钻井循环模拟实验方法，其是在实施例1提供的模拟实验装置中进行的，该模拟实验方法可以测试水合物层的承载力，具体包括以下步骤：

1、检测装置密闭性：将反应釜密封后由进气口注入氮气试压，测试压力为20MPa；同时在表层导管的固定件与釜盖的连接处洒涂少量肥皂水，观察是否有气泡泄漏，确定装置密封性良好时(无气泡泄漏)卸压，进行下步操作。

2、将1250目高岭土和海底软黏土加水混合均匀形成模拟土样，然后打开反应釜釜盖，将模拟土样分为十层、逐层压实填入反应釜内腔的底部，填土完毕后关闭釜盖密封，通过万能试验机控制表层导管下降，使表层导管插入模拟土样中，插入深度为模拟土样总深度的1/5至1/4。

3、将反应釜底部的进气口与气体增压泵和甲烷气瓶连接，使用气体增压泵通过进气口向反应釜的内部注入甲烷气体(纯度99.99％)进行增压，直至反应釜内腔的压力达到水合物合成所需压力，所用的甲烷气瓶压力为12MPa，容积为40L，注入完毕后反应釜内腔压力为8MPa；

注气增压结束后，将低温恒温水浴温度设为1.6℃，30min后低温恒温水浴温度由室温降低至2℃，然后在恒温低温水浴系统开启水浴循环12h，使反应釜的内腔温度降低至5至6℃，随着温度降低，水合物开始生成，形成水合物模拟地层。

在水合物生成过程中，当压力传感器检测到反应釜的内腔压力降低时，通过外部供气保证反应釜内的压力恒定，具体可以是利用气体增压泵由反应釜的进气口注入甲烷气体，当反应釜的内腔压力不再降低时停止注气。

4、钻井模拟过程：当反应釜内腔的温度和压力稳定后，利用内管提升机构的第二电机控制内管和钻头向下匀速运动，进一步地，也可以使内管和钻头在下降同时旋转；当钻头接触釜内生成的水合物层后(此时模拟土样中的压力传感器有明显的数值变化)，在内管与表层导管之间的环空循环钻井液，当钻头在水合物模拟地层预设位置时停止运动；

如图2所示，上述循环钻井液的具体过程包括：利用钻井液循环系统的液体泵由钻井液入口向内管注入钻井液等流体，流体在内管中由上至下流向钻头，然后由钻井液喷射口喷出冲刷地表，再经由内管与表层导管之间的环空由下至上流动，最后由钻井液出口排出至泥浆池中收集起来，形成流体循环。

上述钻井模拟实验可以模拟图3所示的实际钻井施工过程。如图3所示，在实施施工中，通常是表层导管12和钻头13由水下井口11插入模拟地层中循环钻井液进行钻井施工。

5、水合物承载力测试：

在完成步骤4的钻井模拟过程后，利用万能电子试验机的加载系统向表层导管施加载荷(载荷大小可根据现场作业的井口载荷确定)以模拟实际钻井施工中井口载荷和重量，再通过第一电机控制表层导管匀速下降，当表层导管在模拟地层中达到指定深度时停止下降；然后控制万能电子试验机的第一电机将表层导管上提至不与模拟地层接触，记录表层导管下降和上升过程中载荷位移测量系统通过应变片测得的表层导管的侧面受力情况，根据表层导管侧面受力和表层导管顶部施加载荷计算水合物层与表层导管之间的侧向摩阻力，侧向摩阻力近似等于水合物承载力，因此可得到水合物承载力测试结果。

上述方法中，对表层导管顶部施加的载荷大小、表层导管下降和上升的速度均可根据实际测量需要确定。

在上述方法中，可以通过改变步骤4中循环的钻井液温度，以测试不同温度条件时的水合物承载力；可以通过改变步骤4中在内管与表层导管环空之间循环钻井液的时间，以测试不同钻井液循环时间的水合物承载力；可以改变步骤4中循环的钻井液组成(例如所含颗粒的成分、等级等)，以测试不同种类的钻井液条件下水合物的承载力；可以改变步骤2中所用的模拟土样的组成和种类，以测试不同水合物层性质条件下水合物的承载力。

例如，改变步骤4中表层导管与内管环空之间循环的钻井液的初始饱和度(10％、20％、30％)，钻井液中不同颗粒等级(砂土、粘土)，以及循环钻井液温度(5℃、15℃、30℃)来模拟不同钻井液条件时水合物层承载力的情况。

该结果与实际勘探数据相比，误差小于10％，证明本发明提供的天然气水合物钻井循环模拟实验方法能够模拟深海海底成岩及非成岩天然气水合物的赋存环境深海海底天然气水合物钻井循环动态过程，有利于进行深海天然气水合物钻井过程分析及安全评估。

实施例3

本实施例提供了一种天然气水合物钻井循环模拟实验方法，其是在实施例1提供的模拟实验装置中进行的，该模拟实验方法可以测试水合物层的沉降位移，具体包括以下步骤：

1、检测装置密闭性：将反应釜密封后由进气口注入氮气试压，测试压力为20MPa；同时在表层导管的固定件与釜盖的连接处洒涂少量肥皂水，观察是否有气泡泄漏，确定装置密封性良好时(无气泡泄漏)卸压，进行下步操作。

2、将1250目高岭土和海底软黏土加水混合均匀形成模拟土样，然后打开反应釜釜盖，将模拟土样分为十层、逐层压实填入反应釜内腔的底部，填土完毕后关闭釜盖密封，通过万能试验机控制表层导管下降，使表层导管插入模拟土样中，插入深度为模拟土样总深度的1/5至1/4，对表层导管施加载荷。

3、将反应釜底部的进气口与气体增压泵和甲烷气瓶连接，使用气体增压泵通过进气口向反应釜的内部注入甲烷气体(纯度99.99％)进行增压，直至反应釜内腔的压力达到水合物合成所需压力；

注气增压结束后，将低温恒温水浴温度设为1.6℃，30min后低温恒温水浴温度由室温降低至2℃，然后在恒温低温水浴系统开启水浴循环12h，使反应釜的内腔温度降低至5至6℃，随着温度降低，水合物开始生成，形成水合物模拟地层。

在水合物生成过程中，当压力传感器检测到反应釜的内腔压力降低时，通过外部供气保证反应釜内的压力恒定，具体可以是利用气体增压泵由反应釜的进气口注入甲烷气体，当反应釜的内腔压力不再降低时停止注气。

4、钻井模拟过程和水合物地表沉降位移：当反应釜内腔的温度和压力稳定后，保持表层导管在模拟地层中的插入深度不变(即表层导管不发生运动)，利用内管提升机构的第二电机控制内管和钻头向下匀速运动，进一步地，也可以使内管和钻头在下降同时旋转；当钻头接触釜内生成的水合物层后(此时模拟土样中的压力传感器有明显的数值变化)，在内管与表层导管之间的环空循环钻井液，当钻头在水合物模拟地层预设位置时停止运动。

5、按照实施例2中的步骤5进行水合物承载力测试。

6、进行水合物地表沉降位移测量：保持表层导管插入模拟地层不动，在内管与表层导管之间的环空循环50-90℃的高温钻井液，在高温钻井液作用下，模拟地层中水合物开始分解，模拟地层的高度下降、表层导管随模拟地层一同下降，当模拟地层中的水合物全部分解时(压力达到常压)，测量表层导管在水合物分解过程中的位移情况，确定水合物地表的最终沉降位移。

Claims (10)

1.一种天然气水合物钻井循环模拟实验装置，其包括：反应釜，控温系统，双层循环管系统，万能试验机，内管提升机构，温度压力传感器；

所述反应釜的内腔用于容纳模拟土样，所述反应釜的釜体底部设有进气口和传感器接口；

所述控温系统用于调节所述反应釜的釜体内腔的温度，所述反应釜的釜体位于所述控温系统内；

所述双层循环管系统包括表层导管以及位于表层导管内部的内管，所述表层导管和内管由外至内贯穿所述反应釜的釜盖，所述表层导管和所述内管可以独立运动；所述表层导管的底端开口，所述表层导管的顶部设有钻井液出口；所述内管的顶部设有钻井液入口，所述内管的底端连接有钻头、该钻头设有钻井液喷射口；

所述万能试验机与所述表层导管的顶部连接，所述万能实验机用于控制所述表层导管的位移、向所述表层导管施加载荷、测量表层导管的位移以及受力情况；

所述内管提升机构与所述内管的顶部连接、用于控制所述内管的运动；

所述温度压力传感器通过反应釜的传感器接口伸入反应釜的内腔。

2.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其中，所述表层导管、内管与所述反应釜釜盖之间密封连接；

优选地，所述表层导管的长度和/或所述内管的长度为所述反应釜高度的1.2-1.5倍。

3.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其中，所述表层导管的底端设有防砂筛网。

4.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其中，所述万能试验机包括分别与表层导管顶部连接的第一电机、加载系统和载荷位移测量系统，所述第一电机用于控制所述表层导管的位移，所述加载系统用于向所述表层导管施加载荷，所述载荷位移测量系统用于测量表层导管的位移以及受力情况；

优选地，所述载荷位移测量系统包括应变片，所述应变片固定于所述表层导管底部的侧面。

5.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其中，所述内管提升机构包括第二电机；所述第二电机能够控制所述内管沿竖直方向运动并能够控制所述内管旋转。

6.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其中，所述模拟实验装置还包括钻井液循环系统，所述钻井液循环系统用于向所述钻井液入口输送钻井液，并收集所述钻井液出口排出的钻井液；

优选地，所述钻井液循环系统包括钻井液输出装置和钻井液收集装置，所述钻井液输出装置与所述钻井液入口连通，所述钻井液收集装置与所述钻井液出口连通；

更优选地，所述钻井液输出装置包括液体泵，所述钻井液输出装置包括泥浆池。

7.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其中，所述控温系统的控温范围为零下10℃至零上80℃。

8.一种天然气水合物钻井循环模拟实验方法，其是在权利要求1-7任一项所述的模拟实验装置中进行的，该实验方法包括：

S1、将模拟土样装入反应釜的内腔中形成水合物模拟地层，将表层导管插入水合物模拟地层中，向反应釜的内腔注入气体直至内腔压力达到预定模拟压力、同时对反应釜进行降温直至反应釜的内腔温度达到预定模拟温度，保持反应釜内腔的温度和压力恒定，形成水合物模拟地层；

S3、在形成水合物模拟地层之后，进行钻井模拟实验，所述钻井模拟实验包括：使内管向下运动插入水合物模拟地层中，在内管与表层导管之间的环空循环钻井液，当钻头达到水合物模拟地层的底部时停止运动，完成钻井模拟实验；

S5、在钻头停止运动后，进行水合物承载力测试，该测试包括：向表层导管施加载荷，控制表层导管在水合物模拟地层中下降，当表层导管达到指定深度时停止下降；然后控制表层导管上提，直至表层导管不与模拟地层的地表接触，记录表层导管在下降和上提过程中的侧面受力情况，根据表层导管侧面受力结果和对表层导管施加的载荷计算水合物层与表层导管之间的侧向摩阻力，得到水合物承载力的测试结果。

9.根据权利要求8所述的模拟实验方法，其中，上述模拟实验方法进一步包括：在钻头停止运动后，进行水合物地表沉降位移的测量，该测量包括：保持表层导管插入到模拟地层中不动，在内管与表层导管之间的环空循环30-90℃的高温钻井液使水合物分解，表层导管在反应釜中的高度随之下降，当模拟地层的水合物全部分解时，根据表层导管在水合物分解过程中的位移情况确定水合物地表的沉降位移。

10.根据权利要求8所述的模拟实验方法，其中，S1中，所述模拟土样包括高岭土和海底软黏土，

优选地，S1中，所述表层导管在模拟土样中的插入深度为模拟土样总深度的1/5至1/4；

优选地，S1中，所述注入的气体包括甲烷；

优选地，S1中，所述预定模拟压力为水合物合成所需压力；更优选地，所述预定模拟压力为8MPa以上；

优选地，S1中，所述预定模拟温度为水合物合成所需温度；更优选地，所述预定模拟温度为5-6℃。

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