CN202204755U - 研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、岩芯转移机构、取样机构和工控机；实验箱内设滑轮轨道、红外相机和物理模型机构，物理模型机构上部设有取样点，内部设岩芯夹持器放置测试岩芯，岩芯夹持器轴向上均布10站位测点；物理模型机构由上、下部和端部管线与各机构相连；工控机对压力、温度、电阻率等数据采集处理及控制各机构运行。本装置可研究天然气水合物地层对钻井液侵入的响应特性，掌握钻井液侵入对水合物地层物性影响规律，为今后水合物地层钻井安全和测井准确解释提供依据。

Description

研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置

技术领域

本实用新型涉及天然气水合物勘探与开发领域，具体地说是涉及一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置。

背景技术

天然气水合物是由水分子与碳氢气体分子在低温高压条件下形成的一种具有笼状结构的似冰雪状结晶化合物。自从上世纪60年代和80年代分别在永久冻土带和海洋区域发现天然气水合物，其在资源、环境和全球气候变化中的重要意义引起了各国政府、各大油气公司和各类学术研究机构的极大关注。21世纪以来，随着油气资源可采量的减少和消耗量的增加，天然气水合物作为能源资源的勘探和开发越来越受到世界各国的重视。

天然气水合物勘探开发离不开钻井。由于海域水合物地层压实固结程度较差，若采用欠平衡钻井方式，不利于井壁力学平衡。而且水合物还会在减压下分解，导致地层力学强度急剧降低，更不利于井壁稳定和井内安全。因此，维持孔内压力大于地层孔隙压力（但不高于破裂压力）是水合物钻井比较可取的安全方式。在此条件下，钻井液（这里指水基钻井液）在水力压差的作用下驱走井壁周围地层孔隙中的原生流体（气、水）而侵入地层。钻井实践证明，钻井液侵入会改变井壁围岩特性，比如岩石强度、孔隙压力等。与钻井液侵入常规油气地层所不同的是，受钻具摩擦生热以及钻井液温度影响，钻井液侵入含水合物地层过程中还可能伴随有水合物的分解，从而加速井壁失稳。此外，在众多的地球物理测井属性中，电阻率和波速受水合物的影响最突出。由于海洋区域水合物赋存在固结不好的沉积物中，而声波受压实系数的影响较重，因而电阻率测井又比声波测井和其他测井方法更稳定可靠。但是，钻井过程中钻井液循环和侵入却对电阻率测井有着显著的影响。当高矿化度钻井液滤液侵入时会严重影响储层特征和电阻率测井准确性。而且盐是热力学抑制剂，其随钻井液侵入会使水合物相平衡曲线向左迁移，导致地层中水合物分解，进一步影响测井识别评价、井周地层稳定和井内安全。因此，研究耦合有水合物分解的水基钻井液侵入含水合物地层的特性及其对地层的影响规律对今后水合物地层测井响应识别、储层评价、井壁稳定评估、水合物区域资源和环境评价以及大洋综合钻探计划（IODP）孔内水合物动态观测系统实施都具有重要意义和应用价值。由于目前野外水合物实际钻井活动少，且操作难度大，成本高，因而勘探与开发先期，先在室内进行充分的实验研究则是一种很好的选择。但至今水合物相关实验研究装置资料较少，已公开的有如：国家知识产权局在2011年2月公开了专利号为201020253020.7 的“天然气水合物渗透率模拟实验装置”，还有专利申请号为201010282443.6的“天然气水合物的电阻的测定方法及其专用装置”，这些装置的不足之处在于仅仅可用于天然气水合物单一物性参数实验研究，测试参数单一，尤其与野外实际的复杂情况相比，其可进行模拟研究的实验条件较为简化，与研究实际钻井活动中钻井液侵入影响的需求也还有一段距离。而综合研究钻井液侵入含水合物地层的实验装置在国内还是空白。据此，有必要开发一种能用于水合物地层多种物性参数研究，尤其是用于各种参数间相互关联性，以及在钻井液侵入条件下水合物地层动态响应特性研究的先进实验装置，来评价水合物地层对钻井液侵入的响应特性，为今后水合物安全高效的勘探与开发奠定基础。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，在对含水合物地层渗透性能测试的基础上，实现钻井液对水合物地层的侵入，结合侵入过程中温度、压力和电阻率的测试及动态观察，研究钻井液侵入对水合物地层的物性影响，掌握钻井液侵入程度的主要控制因素，为今后水合物地层勘探开发钻井，测井解释与评价及岩芯后处理等提供基础。

本实用新型为了达到上述目的，所采取的技术方案是：提供一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，包括有钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构、岩芯转移机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、取样机构和工控机；

所述的钻井液循环机构由钻井液贮罐、温控仪、钻井液循环泵和物理模型机构的井口环空腔构成，温控仪、钻井液循环泵与钻井液贮罐连接，并通过管路与物理模型机构的井口环空腔连接成一个循环回路；

所述的高低温恒温实验箱为一个工控机控制的可编程恒温实验箱，实验箱内设有物理模型机构和红外相机，在物理模型机构左端设有钻井液井口环空腔，物理模型机构上部设有一个取样点，在物理模型机构内设有岩芯夹持器；岩芯夹持器左右两侧设左端盖和右端盖，测试岩芯放在岩芯夹持器内，在岩芯夹持器的轴向上均匀布置有10个站位电阻率、压力、温度的测点；物理模型机构通过其上部、下部和端部的高压管线与控制压力的阀、压力表与气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构和取样机构相连；物理模型机构上的10站位测点处的传感器分别通过信号线和高压管路与测量机构和工控机相连；

所述的工控机在Windows 2000或XP环境下运行，采用VB编程，适时对各种压力、温度、电阻率、气体体积、液体体积数值的采集和处理，控制各机构的运行。

本实验装置所述的岩芯夹持器在其轴向上均匀布置有10个站位测点，分别安装有10个压力传感器C，10个温度传感器和10个电阻率传感器。

本实验装置所述的岩芯夹持器规格为φ50mm，长度1200mm，测试岩芯φ50mm, 长度500～1200mm，测试岩芯长度不足1200mm时通过假岩芯补长，测试岩芯可采用天然岩芯、人造岩芯或填砂模型。所述的假岩芯补长是指当测试岩芯长度不能填满整个岩芯夹持器时，利用假岩芯将岩芯夹持器内测试岩芯补长至1200mm以填满整个岩芯夹持器。所述的假岩芯采用空心的不锈钢圆柱体。

本实验装置所述的在实验箱内放置红外相机，红外相机安装在实验箱内部的滑轮轨道上，与物理模型机构的轴线对准，且可左右移动。

本实验装置所述的气测渗透率机构含有三套不同渗透压力的氮气管路，分别测试高、中、低三种渗透率水合物沉积物的渗透性。

本实验装置所述的水/气注入机构包括液体水注入机构和天然气注入机构，液体水注入机构由平流泵和活塞容器组成；天然气注入机构包括天然气瓶、减压阀、气体增压泵和气体流量计，通过气体流量计控制进入物理模型机构的天然气量，实现岩芯夹持器中不同饱和度水合物沉积物的合成。

本实验装置所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵和压力传感器组成，跟踪物理模型机构中环压腔与岩芯夹持器内腔中的压力差。所述的回压机构由回压阀、回压缓冲容器和回压泵组成。

本实验装置所述检测机构含有压力测量机构、电阻率测量机构、流量检测、温度控制与检测机构。

本实验装置所述的出口计量机构由气液分离器、气体质量流量计和电子天平组成；所述的取样机构有手动泵和活塞式取样器构成，取样时在活塞式取样器的活塞左端预增入一与物理模型机构内同等的压力，再通过退泵实现等压取样。

本实验装置所述的岩芯保真转移机构由外腔体、内腔体、活塞、手动泵、环状腔、温度控制仪、压力控制仪、封隔板和接头组成，外腔体内含有内腔体，内腔体一端安装有活塞，另一端安装有封隔板，接头装在封隔板外侧，压力控制仪与内腔体连接，温度控制仪与环状腔连接。

本实用新型的实验装置具有如下效果：

（1）本装置可以实现不同饱和度水合物沉积物的形成，并对其渗透性进行测试。

（2）本装置通过对水合物沉积物电阻率的测试，可建立水合物饱和度与地层电阻率之间的函数关系。

（3）本装置可模拟实际钻井中钻井液对水合物地层的侵入，并对钻井液侵入条件下水合物地层的温度、压力、渗透性和电阻率进行测试，分析钻井液侵入对水合物地层渗透率、电阻率等物性参数的影响以及影响侵入程度和深度的主要因素。

（4）本装置可通过红外相机观察钻井液对水合物地层的动态侵入过程和水合物分解区域，将直观观察与数据测试相结合分析含水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性。

（5）本装置利用岩芯转移机构可实现水合物沉积物岩芯的保真转移，为水合物沉积物岩芯后续实验测试提供试样。

附图说明

图1为本实用新型实验装置结构示意图。

图2为本实用新型物理模型机构结构示意图。

图3为本实用新型岩芯保真转移机构结构示意图。

上述图中：1-温控仪、2-钻井液储罐、3-阀⑦、4-高压调压阀B、5-阀①、6-氮气瓶A、7-低流量计、8-压力表E、9-压力表A、10-高压调压阀A、11-阀②、12-氮气瓶B、 13-中压调压阀、14-压力表B、15-阀③、16-阀④、17-低压调压阀、18-压力表C、19-阀⑥、20-阀⑧、 21-气体增压泵、22-压力表D、23-阀⑤、24-天然气瓶、25-减压阀、26-阀⑩、27-中流量计、28-高流量计、29-阀⑨、30-阀                                                

、31-液体水储存容器、32-平流泵、33-活塞容器A、 34-左端盖、35-岩芯夹持器、36-环压腔、37-测试岩芯、38-电阻率传感器、39-压力传感器A、40-高低温恒温实验箱（简称实验箱）、41-环压跟踪泵、42-物理模型机构、43-电子天平、44-右端盖、45-气液分离器、46-气体质量流量计、47-压力传感器B、48-手摇泵A、49-回压阀、50-回压缓冲容器、51-压力表G、52-压力表F、53-压力传感器C、54-温度传感器、55-红外相机、56-手摇泵B、57-活塞容器B、58-取样口、59-井口环空腔、60-滑轮轨道、61-钻井液循环泵、62-外腔体、63-温度控制仪、64-内腔体、 65-活塞 、66-手动泵、 67-环状腔、 68-压力控制仪、 69-封隔板、70-接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详述。

实施例1：本实用新型的一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其结构如图1所示。包括钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、岩芯转移机构、气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、取样机构和工控机；

所述的钻井液循环机构，包括温控仪1、钻井液储罐2和钻井液循环泵61和物理模型机构42的井口环空腔59，其中钻井液贮罐2容积1000mL，钻井液温度在0到50℃之间可控可调，钻井液循环泵61的注入最大压力25MPa，流量范围控制在0.5～10ml/min；

所述的高低温恒温实验箱40,参见图2,在实验箱内设有物理模型机构42、滑轮轨道60和红外相机55：物理模型机构内设有岩芯夹持器35、环压腔36、左端盖34、右端盖44、井口环空腔59，取样口58设在物理模型机构上部；测试岩芯37放在岩芯夹持器35内，岩芯夹持器35长度为1200mm，可在25MPa下安全工作且耐腐蚀，此外还可方便地取出岩芯。测试岩芯37采用人造岩芯，规格φ50mm，长度1200mm；红外相机55安装在高低温恒温实验箱40内部滑轮轨道60上，其与物理模型机构轴线对准，并可在滑轮轨道上左右移动，通过运行安装于工控机内部的红外相机关联程序获取红外相机存储卡内数据信息，并进行分析处理得到温度分布图像价钻井液对水合物地层的动态侵入过程和水合物分解区域，将直观观察与数据测试相结合分析含水合物地层对钻井液侵入的动态响应特性；

所述的工控机是一个数据采集处理系统，软件在Windows 2000或XP环境下运行，通过工控机与各个机构连接，适时采集压力、温度、电阻率、气体和液体流量等数值并进行数据处理，可实时显示各点参数，实现人机对话，操作人员设定好参数后可实现无人值守，工控机自动采集所有参数并自动控制装置的运行。工控机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表和曲线图，同时生成数据库文件格式，以便后续数据处理和分析使用。

参见图1，本实验装置的气测渗透率机构，包括氮气瓶A6、氮气瓶B12、高压调压阀B4和高压调压阀A 10、中压调压阀13、低压调压阀17、低流量计7、中流量计27和高流量计28，以及阀①5、阀②11、阀③15、阀④16、阀⑤23、阀⑥19、阀⑦3、阀⑧20、阀⑨29、阀⑩26、阀

30所组成的三种不同渗透压力的管路，分别测试高、中、低三种渗透率的测试岩芯的水合物沉积物渗透性。其中高压调压阀B4和高压调压阀A10的调压范围10～4MPa，中压调压阀13的调压范围4～0.6MPa，低压调压阀17的调压范围0.6～0.2MPa，低流量计7的流量范围30ml/min，中流量计27的流量范围300ml/min，高流量计28的流量范围3000ml/min。

进行低渗实验时，阀①5、阀⑦3、阀⑥19打开，其它阀门关闭，氮气瓶A6中气体经高压调压阀B4调压至4MPa后进入物理模型机构42，气体渗入压力由压力表E8显示，通过低流量计7测试低渗透性测试岩芯的渗透率；进行中渗实验时，阀②11、阀③15、阀⑧20、阀⑨29打开，其它阀门关闭，氮气瓶B12中气体先经高压调压阀A10调压至4MPa，气体压力由压力表A9显示，再经中压调压阀13调压至0.6MPa，气体压力由压力表B14显示，然后进入物理模型机构42，通过中流量计27测试中渗透性测试岩芯的渗透率；进行高渗实验时，阀②11、阀④16、阀⑩26、阀

30打开，其它阀门关闭，氮气瓶B12中气体经高压调压阀A10调压至4MPa，气体压力由压力表A9显示，经中压调压阀13调压至0.6MPa，气体压力由压力表B14显示，再经低压调压阀17调压至0.2MPa，气体渗入压力由压力表C18显示，进入物理模型机构42，通过高流量计28测试高渗透性测试岩芯的渗透率。

本实验装置的液体水注入机构由液体水储存容器31、平流泵32、活塞容器A33组成，平流泵32的工作压力40MPa，流量0～20ml/min，活塞容器A33体积1000ml，工作压力32MPa。

本实验装置的天然气注入机构主要包括天然气瓶24、减压阀25、气体增压泵21和压力表D22、阀⑤23、阀⑦3、阀⑥19、阀⑧20、阀⑨29、阀⑩26、阀

30、低流量计7、中流量计27和高流量计28构成。当天然气瓶24压力高于实验所需压力时，天然气由减压阀25减压后注入物理模型机构42，当天然气压力低于实验所需压力时，天然气由气体增压泵20增压后注入物理模型机构，注入气体压力由压力表D22显示。对于不同渗透率的测试岩芯，分别根据低流量计7、中流量计27和高流量计28来确定注入天然气量。

本实验装置的环压跟踪机构由环压跟踪泵41、压力传感器A39组成，环压跟踪泵41缸体容积100ml，流量在0.01～30ml/min间可调，最大环压32MPa，实验中可保持环压高于岩芯夹持器35内部压力，保证实验过程中测试岩芯37始终处于被抱紧状态。

本实验装置的回压机构由回压阀49、回压缓冲容器50、手摇泵A48和压力表G51组成，回压阀49回压调节范围0～25MPa，控制波动幅度在±0.1MPa范围内；回压缓冲容器50工作压力16MPa，容积500ml；手摇泵A48最大工作压力32MPa。

本实验装置的温度测量机构和压力测量机构，由沿岩芯夹持器35轴向均布并固定于物理模型机构42上部的10个温度传感器54、10个 压力传感器C53组成，温度传感器精度0.1℃；压力传感器C精度0.25%F.S。

本实验装置的电阻率测量机构，由沿岩芯夹持器35轴向均布并固定于物理模型机构42下部的10个电阻率传感器38组成，电阻率的测量范围为0～15000Ω·m，精度1%。

本实验装置的出口计量机构由压力传感器B47、压力表F52、气液分离器45、气体质量流量计46和电子天平43组成，气液分离器45用于回压阀49出口流出的气、液分离；压力传感器B47和压力表F52用于监测出口处的压力；电子天平43用于出口液体体积计量，量程4200g，精度0.01g；气体质量流量计46用于出口气体体积计量，流量控制范围0～1000ml/min，工作压力10MPa，可控制瞬时流量，显示累积流量。

进行取样操作时用手摇泵B56调节活塞容器B57中的活塞位置，使活塞容器B57左端预增入一定压力，将活塞容器B57的接头接至物理模型机构42的取样接口58，接好后将手摇泵B56退泵处理，将岩芯夹持器中的样品吸入活塞容器B57中。

本实验装置的工控机是一个数据采集处理系统，软件在Windows 2000或XP环境下运行，通过工控机与各个机构连接，适时采集压力、温度、电阻率、气体和液体流量等数值并进行数据处理，可实时显示各点参数，实现人机对话，操作人员设定好参数后可实现无人值守，工控机自动采集所有参数并自动控制装置的运行。工控机采集的数据经处理可生成原始数据报表，分析报表和曲线图，同时生成数据库文件格式，以便后续数据处理和分析使用。

参见图3，所述的岩芯保真转移机构由外腔体62、温度控制仪63、内腔体64、活塞65、手动泵66、环状腔67、压力控制仪68、封隔板69和接头70组成。当需要转移岩芯夹持器中形成的水合物沉积物岩芯时，将物理模型机构42右端盖44卸下，岩芯转移机构的接头70与物理模型机构42右端连接，通过温度控制仪63和压力控制仪68分别调节控制内腔体64的温度和压力，待内腔体64中的温度和压力与岩芯夹持器35内温度和压力完全相同时，打开封隔板69，将水合物沉积物岩芯转入内腔体64中，然后关闭封隔板69，卸下与岩芯夹持器连接的接头70，从而实现水合物沉积物岩芯的保真转移。

实施例2：本实用新型的一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其结构如实施例1。不同的是测试岩芯37材料采用天然岩心，长度500mm，另外700mm长度采用空心的不锈钢圆筒体作为假岩芯补长至1200mm，以填满整个岩芯夹持器。

实施例3：本实用新型的一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其结构如实施例1。不同的是测试岩芯材料采用填砂模型。

本实用新型的实验装置，在天然气水合物勘探与开发和冻土钻井活动研究中应用，可对水合物地层渗透性进行测试，分析水合物饱和度与地层渗透率和电阻率间的函数关系，研究钻井液侵入对水合物地层和冻土地层温度、压力、渗透性和导电性的影响，岩芯转移后处理以及模拟水合物加热、降压和注抑制剂等多种开采方法，为今后水合物勘探开发钻井和岩芯转移后处理等提供依据。

Claims (10)

1.一种研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：包括有钻井液循环机构、高低温恒温实验箱、气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构、检测机构、出口计量机构、取样机构、岩芯转移机构和工控机；

所述的钻井液循环机构由钻井液贮罐、温控仪、钻井液循环泵和物理模型机构的井口环空腔构成，温控仪、钻井液循环泵与钻井液贮罐连接，并通过管道与物理模型机构的井口环空腔连接成一个循环回路；

所述的高低温恒温实验箱为一个工控机控制的可编程恒温实验箱，在实验箱内设有物理模型机构和红外相机，物理模型机构左端设有钻井液井口环空腔，物理模型机构上部设有一个取样点，在物理模型机构内设有岩芯夹持器；岩芯夹持器左右两侧设左端盖和右端盖，测试岩芯放在岩芯夹持器内，在岩芯夹持器的轴向上均匀布置有10个站位电阻率、压力、温度的测点；物理模型机构通过其上部、下部和端部的高压管线与控制压力的阀、压力表与气测渗透率机构、水/气注入机构、环压跟踪机构、回压机构和取样机构相连；物理模型机构上的10站位测点处的传感器分别通过信号线和高压管路与测量机构和工控机相连；

所述的工控机在Windows 2000或XP环境下运行，采用VB编程，适时对各种压力、温度、电阻率、气体体积、液体体积数值的采集和处理，控制各机构的运行。

2.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的岩芯夹持器在其轴向上均匀布置有10个站位测点，分别安装有10个压力传感器C，10个温度传感器和10个电阻率传感器。

3.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的岩芯夹持器为φ50mm，长度1200mm，测试岩芯φ50mm, 长度500～1200mm，测试岩芯长度不足1200mm时通过假岩芯补长，测试岩芯可采用天然岩芯、人造岩芯或填砂模型。

4.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：在实验箱内设有红外相机，红外相机安装在实验箱内的滑轮轨道上，并与物理模型机构轴线对准，且可左右移动。

5.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的气测渗透率机构含有三套不同渗透压力的氮气管路，分别测试高、中、低三种渗透率水合物沉积物的渗透性。

6.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的水/气注入机构包括液体水注入机构和天然气注入机构，液体水注入机构由平流泵和活塞容器组成；天然气注入机构包括天然气瓶、减压阀、气体增压泵和气体流量计，通过气体流量计控制进入物理模型机构的天然气量，实现岩芯夹持器中不同饱和度水合物沉积物的合成。

7.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的环压跟踪机构由环压跟踪泵和压力传感器组成，跟踪物理模型机构中环压腔与岩芯夹持器内腔中的压力差；所述的回压机构由回压阀、回压缓冲容器和回压泵组成。

8.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述检测机构含有压力测量机构、电阻率测量机构、流量检测、温度控制与检测机构。

9.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的出口计量机构由气液分离器、气体质量流量计和电子天平组成；所述的取样机构由手动泵和活塞式取样器构成。

10.根据权利要求1所述的研究天然气水合物地层对钻井液侵入响应特性的实验装置，其特征在于：所述的岩芯保真转移机构由外腔体、内腔体、活塞、手动泵、环状腔、温度控制仪、压力控制仪、封隔板和接头组成，外腔体内含有内腔体，内腔体一端安装有活塞，另一端安装有封隔板，接头装在封隔板外侧，压力控制仪与内腔体连接，温度控制仪与环状腔连接。

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