CN205786187U - 一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，包括金属管模块，金属管模块通过导线分别连接有供液模块、反压模块、液固分离模块和数据采集模块。本装置能够模拟饱和砂土在压差水流作用下的砂土颗粒运移聚集过程，能够实时监测出砂量、出砂速率和出砂粒径等参数，实验结束之后便于测量砂土粒径级配的变化。

Description

一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置

技术领域

本实用新型属于石油天然气技术领域，具体涉及一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置。

背景技术

水合物资源具有资源量大、能源密度高、储层埋深浅等特点。因此，欧美、日本、印度、韩国、中国等地区和国家都进行了大量的基础研究并形成了一些列的水合物资源开采方法。目前形成的天然气水合物资源开发方式主要有热激法开采、减压开采、化学试剂注入开采、置换开采和固体开采等。从已有的试采经验和理论研究文献来看，这些水合物资源开采方法面临着共同的难题：出砂给水合物的有效开发带来严重制约。

因此，要实现水合物资源的高效开采，必须攻克出砂问题带来的困扰。与常规油气藏开发过程中的出砂问题相比，水合物藏开发过程中存在相变，其出砂与防砂面临更大的挑战，因此需要深入分析影响水合物出砂的控制因素和控制机理。目前我国政府对于天然气水合物的研发加大投入，并计划于2017年在南海首次试开采。为此，建立一套能实时监测和评价水合物井开采过程中地层砂微粒运移规律和出砂动态的实验装置，将为天然气水合物开发与研究提供技术参数，是十分必要和迫切的。

目前国内外已有大量的关于水合物资源开发模拟方面的实验系统，美国有包括美国能源部下属的国家能源技术研究室(NETL)、西北太平洋国家实验室(PNL)、橡树岭国家实验室(ORNL)、布鲁克海文国家实验室(BNL)、 劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(LLNL)、科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)的水合物研究中心和佐治亚理工学院(Georgia Tech)水合物项目组等都建立了各种水合物试验模拟装置。另外，英国赫里奥·瓦特大学(Heriot-Watt Uvinersity)水合物研究中心、韩国汉阳大学、日本山口大学、日本产业技术综合研究所天然气水合物研究中心等都建立了水合物模拟实验装置。国内方面，水合物开采相关的模拟实验设备及模拟方法主要有：青岛海洋地质研究所天然气水合物模拟开采实验装置(公开号：CN201747338U、CN102052065A)，广州能源所建立的开采天然气水合物模拟系统(公开号：CN101761326A、CN101550816、CN101046146)，中国海洋石油总公司天然气水合物固态开采实验模拟装置(公开号：CN101392638)，中国石油大学(北京)搭建的水合物模拟实验系统(公开号：CN101575964)，中国石油大学(华东)的水合物开采模拟实验平台(公开号：CN103410488A)等，这些实验系统和测试方法都为水合物资源的开发提供了有力的支撑。然而，这些实验装置大部分集中在水合物基本物理化学性能或开采过程中其他参数的测试方面，目前这些实验设备或实验平台均不涉及水合物生产井出砂过程的模拟和监测实验。

专利公开号CN202494617U提出了一种缝内液体携砂模拟实验装置，该装置为具有平行板裂缝的透明平行板裂缝模型，可以模拟支撑剂在裂缝内的沉降过程；公开号CN202900235U公开了一种大斜度井携砂效果模拟评价装置，描述井中岩屑颗粒运移规律的研究模型。由于这些模型都是针对常规油气开采过程中的砂粒运移情况设计的，只能模拟纯液体携砂规律，不能模拟饱和气的水对地层砂的携带规律，由于水合物分解产出物为水、气混合物，其液相饱和气，因此常规设备无法满足对水合物地层携砂规律的模拟；另外， 目前常规砂粒运移实验装置均为低压系统，而水合物原位分解过程中地层处于高压条件下，因此目前常规设备无法模拟水合物分解条件下的原位砂粒运移过程。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，能够模拟饱和砂土在压差水流作用下的砂土颗粒运移聚集过程，能够实时监测出砂量、出砂速率和出砂粒径等参数，实验结束之后便于测量砂土粒径级配的变化。本发明主要用于探究在各种地质、工艺、开采条件下，颗粒运移在轴向的聚集规律，从而为天然气水合物开采出砂问题的研究提供一定的实验基础。

本实用新型所采用的技术方案是，一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，包括金属管模块，金属管模块通过导线分别连接有供液模块、反压模块、液固分离模块和数据采集模块。

进一步地，金属管模块由四根金属管依次首尾连接而成，相邻的金属管通过法兰连接；金属管沿轴向间隔500mm设置有2个取样孔，其中一个取样孔设置于金属管的底部，另一个取样孔，设置于金属管的侧面，两个取样孔垂直设置；取样孔处设置有堵头，取样孔处设置有数据采集模块，金属管模块下方设置有可移动支撑座。

进一步地，供液模块包括混合液罐和供液泵，金属管模块的一端通过管道依次连接有供液泵和混合液罐，混合液罐和供液泵之间以及供液泵和金属管模块之间均设置有第一截止阀。

进一步地，供液泵采用精密驱替泵，流量250ml/min。

进一步地，液固分离模块包括第一固液分离罐、第二固液分离罐、液体 流量计，背压阀、高速摄像头，金属管模块的另一端通过管道连接有第二截止阀，第二截止阀分别通过管道连接有第一固液分离罐和第二固液分离罐；第一固液分离罐和第二固液分离罐的另一端均与第三截止阀相连接，第三截止阀通过管道依次连接有液体流量计和背压阀；第一固液分离罐与第二截止阀之间、第一固液分离罐与第三截止阀之间、第二固液分离罐与第二截止阀之间、第二固液分离罐与第三截止阀之间均设置有第四截止阀。

进一步地，反压模块包括高压氮气瓶，高压氮气瓶与背压阀相连接。

进一步地，数据采集模块包括压力传感器、计算机、数据采集箱、激光粒度仪和高速摄像头，压力传感器、激光粒度仪和高速摄像头均与数据采集箱相连接，数据采集箱上还分别连接有液体流量计和计算机相连接，压力传感器设置于取样孔处，压力传感器与取样孔一一对应；激光粒度仪设置于金属管上且靠近第一固液分离罐的一端，高速摄像头设置于第一固液分离罐和第二固液分离罐处。

本实用新型的有益效果是：本实用新型将建立一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟实验装置法，特别是针对不同地质、工艺、开采条件下水合物储层出砂颗粒轴向聚集规律的一维水平观测分析设备，能够模拟饱和砂土在压差水流作用下的砂土颗粒运移聚集过程，能够实时监测出砂量、出砂速率和出砂粒径等参数，实验结束之后便于测量砂土粒径级配的变化。本发明主要用于探究在各种地质、工艺、开采条件下，颗粒运移在轴向的聚集规律，从而为天然气水合物开采出砂问题的研究提供一定的实验基础。

附图说明

图1是本实用新型天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置的结构框图；

图2是本实用新型天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置的结构示意图；

图3是本实用新型天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟模拟测控流程图。

图中，1.金属管；2.混合液罐；3.供液泵；4.计算机；5.数据采集箱；6-1.第一固液分离罐，6-2.第二固液分离罐；7.液体流量计；8.背压阀；9.高速摄像头；10.激光粒度仪；11.取样孔；12.压力传感器；13-1.第一截止阀；13-2.第二截止阀；13-3.第三截止阀；13-4.第四截止阀；14.金属管模块；15.供液模块；16.反压模块；17.液固分离模块；18.数据采集模块；19.堵头；20.可移动支撑座，21.高压氮气瓶。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型公开了一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，如图1所示，包括金属管模块14，金属管模块14通过导线分别连接有供液模块15、反压模块16、液固分离模块17和数据采集模块18。

如图2所示，金属管模块14由四根金属管1依次首尾连接而成，相邻的金属管1通过法兰连接；所述金属管1沿轴向间隔500mm设置有2个取样孔11，其中一个取样孔11设置于金属管1的底部，另一个取样孔11，设置于金属管1的侧面，两个取样孔11垂直设置；取样孔11处设置有堵头19，取样孔11处设置有数据采集模块18，金属管模块14下方设置有可移动支撑座20。

供液模块15包括混合液罐2和供液泵3，金属管模块14的一端通过管道依次连接有供液泵3和混合液罐2，混合液罐2和供液泵3之间以及供液 泵3和金属管模块14之间均设置有截止阀13-1。

供液泵3采用精密驱替泵，流量250ml/min。

反压模块16包括高压氮气瓶21；主要用于保证实验过程中回压可调，保证出口流动状态的稳定性。通过计算机设定试验压力，氮气自动注入背压调节，满足不同压力条件下开采水合物需要，解决温度变化造成的高压实验系统出口流动状态不稳定的问题。

液固分离模块17包括第一固液分离罐6-1、第二固液分离罐6-2、液体流量计7，背压阀8、高速摄像头9，金属管模块14的另一端通过管道连接有第二截止阀13-2，第二截止阀13-2分别通过管道连接有第一固液分离罐6-1和第二固液分离罐6-2；第一固液分离罐6-1和第二固液分离罐6-2的另一端均与第三截止阀13-3相连接，第三截止阀13-3通过管道依次连接有液体流量计7和背压阀8；第一固液分离罐6-1与第二截止阀13-2之间、第一固液分离罐6-1与第三截止阀13-3之间、第二固液分离罐6-2与第二截止阀13-2之间、第二固液分离罐6-2与第三截止阀13-3之间均设置有第四截止阀13-4。

数据采集模块18包括压力传感器12、计算机4、数据采集箱5、激光粒度仪10和高速摄像头9，压力传感器12、激光粒度仪10和高速摄像头9均与数据采集箱5相连接，数据采集箱5上还分别连接有液体流量计7和计算机4相连接，压力传感器12设置于取样孔11处，压力传感器12与取样孔11一一对应；激光粒度仪10设置于设置于金属管1上且靠近第一固液分离罐6-1的一端，高速摄像头9设置于第一固液分离罐6-1和第二固液分离罐6-2处。

本装置的使用方法如下：如图3所示。其基本测量原理：将饱和砂土填 装在主体金属管内部，用压实设备将砂土压实。通过供液模块向金属管内部供给饱和了气体的液体，在金属管内部压差的作用下，金属管内部砂土颗粒运移和聚集。通过流程尾部的固液分离器观察判断实验过程中砂土流出状况，利用液体流量计计算注入金属管内部液体的体积。利用反压控制模块跟踪控制金属管出口的压力，避免因内部压力变化过快对金属管等实验设备造成的损坏。

具体而言，天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟实施过程如下：

(1)填砂工艺

由于该发明要求的填砂管是由4根长度为1.5m的金属管通过法兰密封连接而成，总长度达到6m，无法实现人工填砂和压实，因此为了填砂方便，应先分段填砂压实之后再把四段填砂管密封，连接。分段填砂的操作流程如下：

a)将洁净的金属管和所需目数的砂样放入恒温干燥箱中处理12—24h，温度105℃；

b)取出金属管1和砂样，自然冷却至室温；

c)将金属管1一端密封固定，同时还需要将金属管1罐体上所有的取样孔密封好，防止砂样从取样孔漏出；

d)用洁净的烧杯装满石英砂，并用电子天平称量砂样质量，缓慢填入到金属管中，按设计的压力逐段填满整个金属管，然后密封固定；在端部加上一定目数的滤网，以免沙土流失；

e)用同样的填砂、压实方法分别将四段金属管都装填好；

f)通过法兰，将四段填砂管连接，密封。

(2)设备安装流程

a)安装混合液罐2，安装供液泵3(精密驱替泵)；

b)安装填好砂的金属管1；

c)安装压力传感器12；

d)安装可视化高压液固分离装置(第一固液分离罐6-1和第二固液分离罐6-2)；

e)安装流量计；

f)安装回压系统；

g)安装电子天平；

h)安装电子控制线路。

(3)实验检测过程

a)准备饱和天然气的盐水，将饱和好的盐水泵放入设计好的混合液罐2之中，以备驱替使用；

b)系统检漏：将填砂管(金属管1)出口的阀门关闭，向填砂管中注水使其中的压力达到10MPa，关闭填砂管入口阀门，过12小时之后，如果填砂管中的压力基本不变，证明系统不漏，否则应立即检漏。

c)打开精密驱替泵排出系统中的空气，至出液口流速稳定为止，关闭驱替泵，准备实验；

d)开启精密驱替泵，将饱和天然气的盐水按一定的速率进行驱替；

e)驱替过程中通过取样孔11中安装的压力传感器12实时监测金属管1内填砂模型的各处的压力变化；

f)随着实验的进行，模拟金属管可能出砂，按照预定的时间间隔，对分离器(第一固液分离罐6-1和第二固液分离罐6-2)中分离出来的砂土进行测量和分析，包括用电子天平测量质量，用粒度分析仪分析粒径等；通过 对高压多级固液分离器中砂样的分析和检测以及金属管取样口的取样分析，总结天然气水合物水平一维开采的出砂规律，达到检测目的。

g)液体流量计7会将测出来的液体流量数据实时传输至计算机4终端；

h)驱替完毕之后，泄压，然后将取样孔中的压力传感器逐个取出，并对取出的样品进行分析，测量实验结束，仪器拆卸，清洗，整理：

i)实验结束后，关好各个阀门，有序的逐个拆卸。拆完之后需要对容器，管汇，阀门，金属管体等进行清洗和干燥，做好防腐蚀措施以备下次再使用。

其中，本发明能较准确地模拟饱和砂土在压差水流作用下的砂土颗粒运移聚集过程；能实时监测模型出砂量、出砂速率和出砂粒径等参数；取样孔和压力传感器设计为同等规格，实现“一孔多用”，简单，高效；配备有可视化高压多级分离器若干，可实时观测出口端固液分离情况，并实现连续在线分析和测量；配备有专门的取砂土工艺，并设计了一整套完善的取砂样，填砂工艺流程。主要包括五个部分：(1)金属管模块；(2)供液模块；(3)反压控制模块；(4)液-固分离模块；(5)数据测量采集模。具体如下：

(1)金属管模块

金属管模块为水合物轴向出砂一维物理模拟主体模块，该模块由4根长度为1.5m，内径为80mm的金属管组成，模块主要特色如下：

金属管1之间采用法兰连接，不锈钢材料，内部打毛，设计压力达到15MPa，充分满足使用要求。法兰连接便于在拆卸过程中将样品垂直切开，便于观察管路连接位置砂石运移情况。金属管尾部采用装有金属防砂网的法兰结构，金属网便于拆卸；

每根金属管沿轴向间隔500mm布置取样孔11两个，为保证取样的完整性，布置了水平和竖直两个取样孔，充分测试砂土在差压条件下的运移情况；

金属管配有取样孔11，便于实验结束后对砂土样品的截取，便于样品取出后对样品整体进行观察及取样测试，便于在特定位置选取样品进行测量。具有刻度尺，便于计算取样量。

取样孔11处安装堵头19，避免在砂土填装过程中在取样口处砂土填装不致密的情况；

为实现压力的在线观测，在每个取样口处安装压力传感器12，实现管道内部压力的实时监测。压力传感器12部分为避免压力传感器管道堵塞，在堵头位置安装双层过滤网结构；

密封位置采用O型圈设计，以保证管路的密封性能。

采用可移动支撑座20对金属管模块14进行支撑，便于管线的拆装及移动。

(2)供液模块

该模块由混合液罐2、供液泵3、第一截止阀13-1组成。混合液罐2内部安装有搅拌容器，搅拌使气液充分混合，从混合液罐2到主体金属管的整个管线连接均为高压管线。

所述的搅拌容器容积20L，能够制备饱和气的水，能够承受15MPa压力，工作温度-10/100℃；下部安装多孔板，便于下部气体均匀进入容器与水充分混合。具有搅拌装置，便于气体充分混入水中。上下部开有供气体循环的接口，下部开有液体取样口，便于供液泵吸取液体。

供液泵采用精密驱替泵3，流量250ml/min。

(3)反压模块16

所述的反压控制模块16主要用于保证实验过程中回压可调，保证出口流动状态的稳定性。通过计算机设定试验压力，氮气自动注入背压调节， 满足不同压力条件下开采水合物需要，解决温度变化造成的高压实验系统出口流动状态不稳定的问题。

(4)液固分离模块17

所述的固液分离模块17采用全可视化透明耐压玻璃作为主体，两套分离罐串联使用，耐压11MPa，容积300ml，金属管模块14与第一固液分离罐6-1和第二固液分离罐6-2的中间接口连接，砂土利用重力沉降作用沉积在容器底部，利用球阀导出，液体在上部出口流出。为避免砂土在水流作用下随水流出，固液分离主体筒中间安装过滤网，过滤网通过连杆与上部端盖连接。背压阀8为全自动回压控制阀，采用精密反压阀，精确度为±0.1MPa，最大量程为15MPa。

(5)数据采集模块18

所述测控系统中，采用液体流量计7进行出口液体的计量，采用传感器12测量金属管内部压力，实时检测并记录实验过程中的动态数据，并显示在计算机4上。

所述的硬件设备具有如下独特特点：压力传感器12采用输出电流型传感器，量程在15MPa以上，金属管1的测压点设计为8个；两个两相(液相、固相)分离器之间安装一个高速摄像头9能够实时监控出砂量；两相(液相、固相)分离器的进、出口端分别安装两个三通阀，可以使分离器交替使用；分离器之后有一个数显液体流量计7，可以实时显示瞬时流量变化，量程为250mL/min；电子天平用于测量采出砂土的质量，量程为2000g，精度为0.1g；激光粒度仪用于分析砂土粒径的变化。采集箱尺寸为：450mm×350mm×100mm，前面板设计一个电源开关，后面板设计2个16针脚即插即拔接头，一个电源线孔。

所述的数据采集模块采用2个电流模拟量输入类型的采集卡，实现和硬件的更好的兼容；为能够实现三通阀的切换，数据采集模块中设计了1个8路继电模块。摄像机通过双绞线和电脑连接，数据采集模块都能够支持RS854通信，最长通信距离为100米。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。

Claims (7)

1.一种天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，包括金属管模块(14)，所述金属管模块(14)通过导线分别连接有供液模块(15)、反压模块(16)、液固分离模块(17)和数据采集模块(18)。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，所述金属管模块(14)由四根金属管(1)依次首尾连接而成，相邻的金属管(1)通过法兰连接；所述金属管(1)沿轴向间隔500mm设置有2个取样孔(11)，其中一个取样孔(11)设置于金属管(1)的底部，另一个取样孔(11)，设置于金属管(1)的侧面，两个取样孔(11)垂直设置；所述取样孔(11)处设置有堵头(19)，所述取样孔(11)处设置有数据采集模块(18)，所述金属管模块(14)下方设置有可移动支撑座(20)。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，所述供液模块(15)包括混合液罐(2)和供液泵(3)，所述金属管模块(14)的一端通过管道依次连接有供液泵(3)和混合液罐(2)，所述混合液罐(2)和供液泵(3)之间以及供液泵(3)和金属管模块(14)之间均设置有第一截止阀(13-1)。

4.根据权利要求3所述的天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，所述供液泵(3)采用精密驱替泵，流量250ml/min。

5.根据权利要求4所述的天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，所述液固分离模块(17)包括第一固液分离 罐(6-1)、第二固液分离罐(6-2)、液体流量计(7)，背压阀(8)、高速摄像头(9)，所述金属管模块(14)的另一端通过管道连接有第二截止阀(13-2)，所述第二截止阀(13-2)分别通过管道连接有第一固液分离罐(6-1)和第二固液分离罐(6-2)；第一固液分离罐(6-1)和第二固液分离罐(6-2)的另一端均与第三截止阀(13-3)相连接，所述第三截止阀(13-3)通过管道依次连接有液体流量计(7)和背压阀(8)；所述第一固液分离罐(6-1)与第二截止阀(13-2)之间、第一固液分离罐(6-1)与第三截止阀(13-3)之间、第二固液分离罐(6-2)与第二截止阀(13-2)之间、第二固液分离罐(6-2)与第三截止阀(13-3)之间均设置有第四截止阀(13-4)。

6.根据权利要求5所述的天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，所述反压模块(16)包括高压氮气瓶(21)，所述高压氮气瓶(21)与背压阀(8)相连接。

7.根据权利要求6所述的天然气水合物井轴向出砂一维物理模拟装置，其特征在于，所述数据采集模块(18)包括压力传感器(12)、计算机(4)、数据采集箱(5)、激光粒度仪(10)和高速摄像头(9)，所述压力传感器(12)、激光粒度仪(10)和高速摄像头(9)均与数据采集箱(5)相连接，所述数据采集箱(5)上还分别连接有液体流量计(7)和计算机(4)相连接，所述压力传感器(12)设置于取样孔(11)处，所述压力传感器(12)与取样孔(11)一一对应；所述激光粒度仪(10)设置于金属管(1)上且靠近第一固液分离罐(6-1)的一端，所述高速摄像头(9)设置于第一固液分离罐(6-1)和第二 固液分离罐(6-2)处。