CN207554023U - 水合物开采井管内砾石充填仿真系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；根据实际井身结构安装井筒管柱，进行充填作业仿真及充填质量检测，不仅可以对实际天然气水合物开采井储层特点、井身结构限制下的管内砾石充填作业进行全尺寸仿真，还可以对充填作业的施工质量、长期水合物生成条件下的充填作业适应性进行全程监测与评价，从而达到优化施工参数和工艺设计参数的目的，结合径向流分流器、定点压力计及声波成像测井系统的引入，使测量效果真实可靠、仿真结果更接近相差施工，可参考性强，适用于不同井身结构的管内砾石充填过程及其效果监测仿真，不仅为海洋浅层天然气水合物开采井砾石充填作业适应性评价提供了新的思路，还可以为砾石充填作业的最佳施工方案和最佳工艺参数提供依据。

Description

水合物开采井管内砾石充填仿真系统

技术领域

本实用新型涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域,具体涉及一种能够进行水合物开采井管内砾石充填过程仿真及其效果评价的一体化仿真系统。

背景技术

天然气水合物资源是一种分布广、能源密度高的非常规天然气资源，天然气水合物是未来全球能源发展的战略制高点，美国、日本、德国、印度、加拿大、韩国先后制订了天然气水合物研究开发计划。我国在南海的成功试采无疑是在全球天然气水合物资源勘探开发的竞争中走在了世界的前列。我国目前已经加快推进天然气水合物产业化开采步伐，争取在国际天然气水合物竞争中占据优势。

一般而言，天然气水合物资源储层本身埋深浅、胶结差，水合物分解作用导致地层胶结强度进一步降低，原始弱固结储层甚至可能完全转化为流砂地层，因此天然气水合物开采过程不可避免的会发生出砂，为了维持生产的持续，不能完全按照常规天然气石油行业防砂的观点对地层砂进行严格的阻挡。针对我国南海泥质粉砂天然气储层而言，防砂方式首先必须保证地层大量的泥质颗粒能够顺利排出至井筒，排入井筒的泥质细颗粒通过井筒补液的方式携带至井口，因此，井底防砂介质是连接地层出砂与井筒携砂过程的桥梁。由此可见，防砂介质施工作业过程仿真研究及施工作业效果评价对于实际天然气水合物开采井防砂作业施工设计至关重要。

砾石充填是典型的井底防砂手段，主要包括管内砾石充填和管外砾石充填。日本Nankai Trough 2013天然气水合物试采项目采用裸眼管外砾石充填作业，取得了试采6d、12万方的试采成果。但是裸眼管外砾石充填最大的问题是：在原始地层中，水合物作为胶结物存在，占据很大的体积空间。随着水合物的分解，原先有水合物占据的体积会逐渐出现亏空，这种亏空由裸眼井壁逐渐向地层内部延伸。再此条件下，与裸眼井壁相接处的充填砾石层会发生一定的蠕动和沉降过程，随着沉降过程的持续，会在充填段地层的上部出现大的充填亏空，导致防砂筛管直接暴露在气、液、砂流动空间内，很快就会发生筛管冲蚀，导致防砂失效。综上所述，如何防止砾石充填颗粒的蠕动是解决上述问题的关键之一，其中管内砾石充填、预充填筛管或涂覆砂胶结筛管(以Geoform为例)是解决砾石蠕动沉降的手段之一。

但目前管内砾石充填尚未有在天然气水合物试采工程中成功应用的范例，仅预充填筛管或涂覆砂胶结筛管得到了部分试采验证。与常规油气储层相比，天然气水合物储层的一个典型特点是埋深浅，地层破裂压力极低，砾石充填作业必然面临与常规深层油气不同的挑战。砾石充填作业的最终使用效果取决于工艺参数和施工作业参数两大类关键数据，为了验证天然气水合物开采过程中管内砾石充填施工作业的适应性，有必要进行大尺度管内砾石充填过程仿真，并通过一定的实验手段验证砾石充填效果(含施工质量及长期生产条件下的控砂效果两方面)，从而为解决海域浅层天然气出砂管理方面存在的严峻挑战提供支撑。

为此，为满足我国粉砂质储层天然气水合物资源的开发需求，为我国海域天然气水合物试采工程出砂管理提供一定的支撑，亟待提供一种能够进行管内砾石充填防砂作业施工过程仿真的仿真系统。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对目前天然气水合物开采对井筒出砂控制的迫切需求，提出一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，能够进行全尺寸管内砾石充填作业过程仿真及其效果监测，为海洋浅层天然气水合物开采井砾石充填作业适应性评价提供新思路，并可为砾石充填作业的最佳施工方案和最佳工艺参数提供依据。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：

一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，与实际砾石充填工具为1:1对应关系，满足全尺寸砾石充填工具下入和天然气水合物储层深度条件，模拟结果可靠性高、工程实践性强，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；

所述试验井子系统包括模拟井筒、模拟套管、模拟油管、三相注入管线和机械筛管，模拟井筒的井口处设置有井口防喷闸板；井口防喷闸板上安装三相注入管路接口、气体产出管路接口、水砂产出/注入管路接口和渣浆返出管路接口，且各管路接口安装有对应的闸阀；模拟套管设置在模拟井筒内，模拟井筒和模拟套管之间的环空还设置有油管穿越封隔器，具有油管穿越功能，且三相注入管线穿过所述油管穿越封隔器与固定设置在模拟井筒底部的径向流分流器相连；模拟油管和机械筛管设置在模拟套管内；模拟油管与机械筛管相连且位于机械筛管的上部，且在模拟套管的生产层段按照实际井底射孔参数预设有模拟射孔孔眼，模拟射孔孔眼段长度与机械筛管长度一致；模拟套管与模拟油管之间的环空安装有油套环空封隔器，油套环空封隔器位于模拟射孔孔眼的上方；机械筛管的外保护罩与模拟套管内壁、油套环空封隔器及井底之间所形成的空间为管内砾石填充空间；在砾石充填过程仿真阶段，三相注入管线穿过油管穿越封隔器向井内注入气、水、泥砂三相混合物，在充填效果监测阶段，三相注入管线的阀门处于关闭状态；

所述模拟充填子系统包括设置在模拟井筒内的充填管柱组合以及设置在地面上的高压气瓶组、水箱、砾石混砂箱、三相混合器和渣浆回收罐，充填管柱组合包括充填管路、充填封隔器和充填喷头，充填管路设置在模拟油管内，充填喷头设置在充填管路的下端，充填封隔器安装在充填喷头的上方与机械筛管内壁之间，砾石混砂箱是砾石充填过程仿真的关键部件，包括砾石、携砂液混合搅拌器和注入泵，与水砂产出/注入管路接口相连，实际砾石充填过程仿真中，通过砾石混砂箱中砂比和泵排量、泵出口压力的控制，可实现不同施工参数情况下充填过程仿真的目的；所述高压气瓶组的入口端通过管路与油套环空气体产出回路相连，高压气瓶组的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，所述油套环空气体产出回路为模拟套管和模拟油管之间形成的环空，用于向三相混合器补给气体并回收由井底分离产出的气体；所述水箱的入口端通过管路与模拟油管内的举升管柱相连，水箱的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，用于向三相混合器中补给水、泥砂混合液并回收从井底产出的水、泥砂混合物，气、水补给量与实际天然气水合物储层产出气水比一致；三相混合器包括气-水-泥砂混合搅拌器和三相注入泵，为密封高压装置，三相混合器的出口端通过管路与三相注入管路接口相连，能够实现三相的实时快速混合和注入，实际砾石充填效果仿真过程中，通过控制三相注入泵的排量和泥砂比例、粒径，来模拟不同出砂情况下井底砾石充填层的变化情况；所述渣浆回收罐通过管路与井筒携砂液返出环空连接，所述井筒携砂液返出环空为充填管路与模拟油管之间的环空，渣浆回收罐内设置携砂液过滤装置，实现充填携砂液的过滤与存放；

所述充填质量检测子系统包括气体分离器、举升管柱和定点压力计以及声波成像测井系统；气体分离器仅在砾石充填效果仿真监测过程中使用，气体分离器和举升管柱均设置在模拟油管内，且气体分离器的出口与油套环空气体产出回路连通，与实际天然气水合物开采井一致，气体分离器的主要作用是从储层产出的气、水、泥砂三相混合流体中分离气体，分离之后的水、泥砂混合物则通过模拟油管内部的举升管柱举升到地面；所述定点压力计包括安装在机械筛管内壁上、下两端的定点压力计P3和定点压力计P2，以及安装在模拟套管的充填部位管外上、下两端的定点压力计P4和定点压力计P1；所述充填质量检测子系统为常规井下声波成像测井系统，能够测量筛管外充填层的灰度值，根据灰度值的连续性和大小绝对值判断管内砾石充填施工是否成功。

进一步的，所述径向流分流器的内部入口处设置有旋流导流片，旋流导流片的设计能够使注入的气、液、泥砂旋喷到径向流分流器的环形空间中去，使模拟更接近实际井筒的流动条件。

进一步的，所述旋流导流片的下端衔接环形多孔板，环形多孔板位于径向分流器内壁和外壁之间，通过环形多孔板使气液充分混合。

进一步的，所述径向分流器内壁上设置有外小内大的楔形孔，保证三相混合流体以径向流的方式流入井底。

进一步的，所述模拟井筒满足全尺寸砾石充填工具下入和天然气水合物储层深度条件，深度为200m，模拟结果可靠性和工程实践性强。

进一步的，所述渣浆回收罐内设置携砂液过滤装置，实现充填携砂液的过滤与存放。

进一步的，所述井口防喷闸板是连接试验井子系统、模拟充填子系统之间的桥梁，是试验井维持高压系统的主要部件，耐压15Mpa。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本方案所述的试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统均为全尺寸参数仿真，试验井深度范围能够涵盖目前我国海洋天然气水合物储层的基本深度范围，仿真结果更接近相差施工，仿真可参考性强；并且径向流分流器的入口处设计旋流导流片，能够使注入的气、液、泥砂能够旋喷到径向流分流器的环形空间中去，结合内侧环形多孔板及内壁上楔形孔的设计，保证三相混合流体以径向流的方式流入井底，仿真过程更接近实际地层生产过程的径向流动过程，并且防止泥砂在多孔板上的堆积堵塞；

另外，分别在机械筛管内壁、模拟套管外壁上、下端各安装定点压力计，实时检测测压参数，在充填仿真阶段，能够通过数据实时传输，保证充填仿真过程中井底压力小于天然气水合物地层的破裂压力，达到优化施工参数的目的；在砾石充填效果监测阶段，能够对模拟生产过程中砾石层的堵塞或者蠕动变形过程进行实时描述，判断砾石充填有效期，优化砾石充填层的砾石尺寸，另将现场实际使用的声波成像测井系统引入到砾石充填效果测量，测量效果真实可靠；

通过仿真优化得到的施工参数结果与现场施工参数为1:1对应关系，仿真结果可以直接用于浅层天然气水合物储层砾石充填施工，而且通过仿真能同步检测砾石充填施工本身的质量及长期生产条件下砾石层可能发生的堵塞过程，而且可以根据实际情况调整管内管柱组合，适用于不同井身结构的直径管内砾石充填过程及其效果监测仿真。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中仿真系统充填过程结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中仿真系统充填效果监测过程结构示意图；

图3为本实用新型实施例1所述径向分流器示意图；

图4为图3所述径向分流器内壁的横截面结构示意图；

图5为本实用新型实施例2所述仿真方法流程示意图；

其中，1、模拟井筒；2、模拟套管；3、模拟油管；4、径向流分流器；5、井口防喷闸板；6、高压气瓶组；7、气体分离器；8、三相注入管线；9、三相混合器；10、水箱；11、油管穿越封隔器；12、油套环空封隔器；13、充填封隔器；14、充填喷头；15、砾石混砂箱；16、渣浆回收罐；17、砾石充填层；18、机械筛管；19、模拟射孔孔眼；20、充填管路；21、径向分流器外壁；22、径向分流器内壁；23、楔形孔；24、旋流导流片；25、环形多孔板；F1-F7：高压阀门；P1-P4：定点压力计。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1、一种水合物开采井管内砾石充填仿真系统，与实际砾石充填工具为1:1对应关系，满足全尺寸砾石充填工具下入和天然气水合物储层深度条件，模拟结果可靠性高、工程实践性强，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统。

参考图1，所述试验井子系统包括模拟井筒1、模拟套管2、模拟油管3、三相注入管线8和机械筛管18，模拟井筒1的井口处设置有井口防喷闸板5；模拟井筒的深度为200m，井口防喷闸板是连接试验井子系统、模拟充填子系统之间的桥梁，是试验井维持高压系统的主要部件，耐压15Mpa，井口防喷闸板5上安装三相注入管路接口、气体产出管路接口、水砂产出/注入管路接口和渣浆返出管路接口，且各管路接口安装有对应的闸阀(F2，F4，F3，F7)，所述闸阀为高压球阀；模拟套管2设置在模拟井筒1内，模拟井筒1和模拟套管2之间的环空还设置有油管穿越封隔器11，具有油管穿越功能，且三相注入管线8穿过所述油管穿越封隔器11与固定设置在模拟井筒1底部的径向流分流器4相连，如图3所示，径向流分流器4内部入口处设置有旋流导流片24，旋流导流片24下端衔接环形多孔板25，环形多孔板25位于径向分流器内壁22和外壁21之间，使气液充分混合；参考图4，径向分流器的内壁22上设置有外小内大的楔形孔23，旋流导流片24的设计能够使注入的气、液、泥砂旋喷到径向流分流器的环形空间中去，结合其内侧环形多孔板25及内壁楔形孔23的设计，保证三相混合流体以径向流的方式流入井底，使模拟更接近实际井筒的流动条件；并且可防止泥砂在多孔板上的堆积堵塞，可根据实际天然气水合物开采井的井身结构调整仿真管柱组合，通过井底径向流分流器实现注入混合物从单向流向径向流的转换。

模拟油管3和机械筛管18设置在模拟套管2内；模拟油管3与机械筛管18相连且位于机械筛管18的上部，模拟油管3和机械筛管18都可以按照实际天然气水合物试采井的井深结构进行调整，机械筛管18为实际天然气水合物试采井所用的筛管样品；另外在模拟套管2的生产层段按照实际井底射孔参数(孔径、孔密)预设有模拟射孔孔眼19，模拟射孔孔段的长度与机械筛管18长度一致；模拟套管2与模拟油管3之间的环空安装有油套环空封隔器12，油套环空封隔器12位于模拟射孔孔眼19的上方(即在模拟油管3和机械筛管18的连接部位处)；机械筛管18的外保护罩与模拟套管2内壁、油套环空封隔器12及井底之间所形成的空间为管内砾石填充空间，其内填充有砾石充填层17；在砾石充填过程仿真阶段，三相注入管线8穿过油管穿越封隔器11向井内注入气、水、泥砂三相混合物，在充填效果监测阶段，三相注入管线8的阀门(F2)处于关闭状态。

另外，继续参考图1和图2，所述模拟充填子系统包括设置在模拟井筒1内的充填管柱组合以及设置在地面上的高压气瓶组6、水箱10、砾石混砂箱15、三相混合器9和渣浆回收罐16，充填管柱组合包括充填管路20、充填封隔器13和充填喷头14，充填管路20设置在模拟油管3内，充填喷头14设置在充填管路20的下端，充填喷头14可以为不同类型的井下管内砾石充填工具，充填封隔器13安装在充填喷头14的上方与机械筛管18内壁之间，充填封隔器13的主要作用是：仿真砾石充填过程中形成流体回路，流体携带砾石充填到上述砾石填充空间，液体则通过机械筛管返回到充填管柱与模拟油管形成的环形空间中并排出地面；砾石混砂箱15是砾石充填过程仿真的关键部件，包括砾石、携砂液混合搅拌器和注入泵，与水砂产出/注入管路接口相连，实际砾石充填过程仿真中，通过砾石混砂箱15中砂比和泵排量、泵出口压力的控制，可实现不同施工参数情况下充填过程仿真的目的；所述高压气瓶组6的入口端通过管路与油套环空气体产出回路相连，高压气瓶组6的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，所述油套环空气体产出回路为模拟套管2和模拟油管3之间形成的环空，用于向三相混合器9补给气体并回收由井底分离产出的气体；所述水箱10的入口端通过管路与模拟油管3内的举升管柱相连，水箱10的出口端通过管路与三相混合器9的入口端相连，用于向三相混合器9中补给水、泥砂混合液并回收从井底产出的水、泥砂混合物，气、水补给量与实际天然气水合物储层产出气水比一致；三相混合器9包括气-水-泥砂混合搅拌器和三相注入泵，为密封高压装置，三相混合器9的出口端通过管路与三相注入管路接口相连，能够实现三相的实时快速混合和注入，实际砾石充填效果仿真过程中，通过控制三相注入泵的排量和泥砂比例、粒径，来模拟不同出砂情况下井底砾石充填层的变化情况；所述渣浆回收罐16通过管路与井筒携砂液返出环空连接，所述井筒携砂液返出环空为充填管路20与模拟油管3之间的环空，渣浆回收罐16内设置携砂液过滤装置，实现充填携砂液的过滤与存放。

所述充填质量检测子系统包括气体分离器7、举升管柱和定点压力计以及声波成像测井系统；如图2所示，气体分离器7仅在砾石充填效果仿真监测过程中使用，气体分离器7和举升管柱均设置在模拟油管3内，且气体分离器7的出口(位于油套环空封隔器12之上)与油套环空气体产出回路连通，与实际天然气水合物开采井一致，气体分离器7的主要作用是从储层产出的气、水、泥砂三相混合流体中分离气体，分离之后的水、泥砂混合物则通过模拟油管内部的举升管柱举升到地面；所述定点压力计包括安装在机械筛管18内壁上、下两端的定点压力计P3和定点压力计P2，以及安装在模拟套管2的充填部位处管外上、下两端的定点压力计P4和定点压力计P1；所述充填质量检测子系统为常规井下声波成像测井系统，能够测量筛管外充填层的灰度值，根据灰度值的连续性和大小绝对值判断管内砾石充填施工是否成功。

本实施例所述仿真系统均为全尺寸参数仿真，试验井深度范围能够涵盖目前我国海洋天然气水合物储层的基本深度范围，仿真结果更接近相差施工，仿真可参考性强；并且径向流分流器的入口处设计旋流导流片，能够使注入的气、液、泥砂能够旋喷到径向流分流器的环形空间中去，结合内侧多孔板及楔形孔的设计，仿真过程更接近实际地层生产过程的径向流动过程；另外，通过分别在机械筛管内壁、模拟套管外壁上、下端各安装定点压力计，实时检测测压参数，在充填仿真阶段，能够通过数据实时传输，保证充填仿真过程中井底压力小于天然气水合物地层的破裂压力，达到优化施工参数的目的；在砾石充填效果监测阶段，能够对模拟生产过程中砾石层的堵塞或者蠕动变形过程进行实时描述，判断砾石充填有效期，优化砾石充填层的砾石尺寸，另将现场实际使用的声波成像测井系统引入到砾石充填效果测量，保证测量效果真实可靠。

实施例2，基于实施例1所述的仿真系统，本实施例另外还提出一种水合物开采井管内砾石充填仿真方法，参考图5，包括以下步骤：

A、根据实际井身结构安装井筒管柱，检查各密封位置的密封性，下充填模拟子系统并进行充填作业仿真；

B、下充填质量检测子系统监测充填质量，并判断充填质量是否合格，若不合格，则重新进行充填作业仿真；若合格，则混合注入气、液、泥砂模拟生产过程，并实时监测出砂情况；

C、判断控砂效果是否合格，若控砂效果不合格，则调整充填工艺参数，重新进行充填作业仿真；若控砂效果合格，则得到最佳充填工艺参数和充填施工参数，完成仿真；

所述充填施工参数包括通过砾石混砂箱控制的砂比、泵排量、泵出口压力、携砂液类型及其相关流体力学参数；所述充填工艺参数包括充填砾石层的粒径、充填层厚度、砾石类型(陶粒、石英砂、核桃壳等)等及其相互组合。

比如，以我国南海某天然气水合物基本地层破裂压力为例进行介绍，以实际天然气水合物地层砂粒度分布及泥质组分为基本模拟介质，分别选用40目-70目的石英砂、30目-50目的石英砂和70目-100目的石英砂仿真并进行充填效果监测，具体步骤如下：

(1)断开模拟充填子系统与井口防喷闸板之间的连接管路，向井中注入压力15MPa，验证井口防喷闸板5与模拟井筒1之间的密封、井口防喷闸板5与三相注入管线8之间的密封、井口防喷闸板5与充填注入管路20之间的密封、井口防喷闸板5与模拟套管2之间的密封以及井口防喷闸板5与模拟油管3之间的密封；

(2)通过模拟计算，得到我国南海某天然气水合物储层地层破裂压力梯度为1.1ppg，因此选用携砂液为含有刮胶添加剂的轻质携砂液，首次仿真选用40目-70目的石英砂；

(3)根据我国南海某天然气水合物拟采用的开采井管柱组合，模拟套管2的尺寸为131/2”，模拟油管3及机械筛管18的尺寸为83/4”，产层厚度为26m，机械筛管单根尺寸9m，共计下入筛管3根；砾石充填层17的理想充填层位厚度是27m，径向充填层厚度为模拟套管内径与机械筛管外径之差；在模拟套管2外侧接近产层上、下端分别安装定点压力计P4、P1，下入模拟套管2和油管穿越封隔器11并座封；在机械筛管18内壁接近产层上下端分别安装定点压力计P3、P2，连接机械筛管18和模拟油管3，下入上述管柱组合及油套环空封隔器12，座封；

(4)下入砾石充填管路20和充填喷头14，座封充填封隔器13，关闭与井口防喷闸板5相连接的阀门F2、F4，接通阀门F3、F7，分别连接砾石混砂箱15和渣浆回收罐16，设置砾石混砂箱中的砂比为20％，泵排量为10m³/h；

(5)启动砾石混砂箱15中的注入泵，循环充填，充填管柱与模拟油管之间的携砂液流入渣浆罐16待后续处理。实时采集注入泵排量、压力、砂比数据及井底定点压力计P1、P4的回传压力数据，保证P1小于根据地层破裂压力梯度计算得到的地层破裂压力；充填过程中如果观察泵压变化情况，如果P1持续上升，则减小泵排量，反之，则稍微提高泵排量；实时观察砾石混砂箱15中充填泵泵压，如果排量持续减小情况下泵压突然升高，表明充填结束，转入步骤(6)；

(6)停止充填仿真，解封充填封隔器13，起出砾石充填管柱20和充填喷头14，下入充填质量检测子系统至人工井底，然后缓慢上提，上提速度与常规声波成像测井上提速度一致，上提过程中测试充填层段的声波成像数据并做反演处理，如果声波成像系统的测量灰度值分布均匀，灰度较强，说明充填密实程度高、充填均匀，充填质量合格。反之，解封油套环空封隔器12，通过三相注入管路8注入清水或携砂液，冲出砾石充填层17，返回步骤(4)，调整砂比或泵排量，进行重新充填，直到充填质量合格，所得施工参数组合即为实际天然气水合物开采井所需的最佳砾石充填施工参数组合；

(7)起出充填质量检测子系统，下入气体分离器7及井筒举升管柱，拆卸砾石混砂箱15和渣浆回收罐16，安装高压气瓶组6、水箱10和三相混合器9，接通阀门F1、F2、F3、F4、F5、F6，在水箱中搅拌生成泥砂浓度为5％的水砂混合流体并输送到三相混合器9，启动三相混合器9中的三相注入泵，将气-水-泥砂输送到井筒中的三相注入管路8；

(8)流经三相注入管路8的混合物经过径向流分流器4的作用，转换流向和流型，变为径向流，进入模拟射孔孔眼19、砾石充填层17、机械筛管18，被阻挡的地层砂则堆积在径向流分流器4与模拟套管2形成的环形空间；当气-水-泥砂混合物流入机械筛管18内部以后，经过气体分离器7的作用，气体通过由模拟套管2和模拟生产油管3形成的环空上返并流入高压气瓶组6回收，水-泥砂混合物则经过生产油管3内部的举升管柱的举升作用，回流到水箱10并进行固液分离；

(9)步骤(7)、(8)过程中，实时记录定点压力计P1、P2、P3、P4的回传数据，根据P1、P2的差值随时间的变化规律评价砾石充填底部位置处，由于砾石充填造成的附加表皮系数，反推砾石充填底部位置处地层砂在砾石层中的堆积、堵塞规律；根据P3、P4的差值随时间的变化规律评价砾石充填顶部位置处，由于砾石充填造成的附加表皮系数，反推砾石充填顶部位置处地层砂在砾石层中的堆积、堵塞规律。对比研究水合物开采井砾石充填作业最先发生堵塞的位置或最先发生蠕动破坏导致防砂失效的位置；

(10)步骤(7)～(9)过程中，实时观察通过阀门F3的水-泥砂混合物中的含砂浓度及砂粒粒径，如果产出液中的含砂浓度与水箱中混合注入的泥砂浓度相差不大，产出液中的出砂粒径与水箱中混合注入的地层砂粒径分布一致，则说明当前砾石充填工艺参数不适应于当前水合物开采储层，需要适当减小充填层砾石的尺寸，采用70目-100目的石英砂，返回步骤(3)；反之，则说明砾石充填工艺参数设计偏保守，并且如果在该条件下定点压力计压差上升过快，说明砾石尺寸过小或充填厚度过大，虽然有利于防砂当既不利于维持水合物开采井的产能，则需要调整为30目-50目的石英砂，返回步骤(3)。

为了方便理解，需要说明的是：

上述所述的基于充填层内外定点压力计读数差值评价地层泥砂在充填砾石层中的堆积、堵塞过程，其基本监测原理为：随着细颗粒泥砂在砾石层中的堆积，造成砾石充填层渗透率逐渐降低，渗透率的降低反应在测量数据上即为充填砾石层内外的压差逐渐会变大。在相同地层出气、出水条件下，砾石层内外压差上升越快，表明砾石层发生堵塞越容易，反之亦然。如果有两组及以上砾石充填工艺参数不同的平行试验进行对比，则可以通过砾石充填层发生堵塞的时间或内外压差上升速率的快慢优选出较优的砾石充填工艺参数。

利用井口产出液中出砂情况评价砾石充填效果的具体评价参数为产出液中的含砂浓度、产出液中的砂粒径，通过井口产出液中出砂情况评价砾石层充填效果的基本原理是：如果砾石层充填工艺参数与地层砂参数不匹配，则可能导致充填层不具备挡砂作用，此时会有大量的注入地层砂产出，在井口产出液中的表现为：产出液中的含砂浓度与水箱中混合注入的泥砂浓度相差不大，产出液中的出砂粒径与水箱中混合注入的地层砂粒径分布一致；反之，如果砾石充填工艺参数设计偏保守，则井口产出液中含砂浓度极小或产出液中的地层砂粒径很小，这种情况下虽然有利于防砂，但不利于地层产能的维持，此时需要结合定点压力计差值，综合考虑产能情况来优选最佳砾石充填工艺参数。

通过本实施例的上述砾石充填效果监测方法的实施，最根本的目的是：使井口产出液中的泥砂浓度和粒径分布处于可控区间，适当阻挡地层泥砂，维持地层的正常生产，即达到“防排结合，以排为主”的出砂管理效果。并且可验证不同的砾石充填施工参数的最终管内砾石充填质量，优化最佳充填施工参数组合；优化砾石充填工艺参数，优选最佳充填砾石层尺寸、厚度等工艺参数；评价长期开采条件下泥质粉砂水合物储层产出物在砾石中的堆积、穿透过程；模拟水合物储层破裂压力条件限制下管内砾石充填对水合物开采井的适应性；验证一定的砾石充填工艺参数的适应出砂浓度范围，为水合物开采井降压方案的控制提供依据。

通过上述步骤，可以优选得到水合物开采井的最佳砾石充填施工参数和工艺设计参数，为我国海域天然气水合物开采防砂完井设计提供依据。但必须指出的是，上述实施案例中设计到的工艺参数、充填参数并非实际施工数据，也并不因为以上数据的罗列限制本专利的保护范围，以上数据仅是为了便于案例分析描述，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，与现场实际施工工具为1:1对应关系，包括试验井子系统、模拟充填子系统和充填质量检测子系统；

所述试验井子系统包括模拟井筒、模拟套管、模拟油管、三相注入管线和机械筛管，模拟井筒的井口处设置有井口防喷闸板；井口防喷闸板上安装三相注入管路接口、气体产出管路接口、水砂产出/注入管路接口和渣浆返出管路接口，且各管路接口处均安装有对应的闸阀；模拟套管设置在模拟井筒内，模拟井筒和模拟套管之间的环空还设置有油管穿越封隔器，且三相注入管线穿过所述油管穿越封隔器与固定设置在模拟井筒底部的径向流分流器相连；模拟油管和机械筛管设置在模拟套管内，模拟油管与机械筛管相连且位于机械筛管的上部；且在模拟套管的生产层段按照实际井底射孔参数预设有模拟射孔孔眼，模拟射孔孔眼段长度与机械筛管长度一致；模拟套管与模拟油管之间的环空还安装有油套环空封隔器，油套环空封隔器位于模拟射孔孔眼的上方；机械筛管的外保护罩与模拟套管内壁、油套环空封隔器及井底之间所形成的空间为管内砾石填充空间；

所述模拟充填子系统包括设置在模拟井筒内的充填管柱组合以及设置在地面上的高压气瓶组、水箱、砾石混砂箱、三相混合器和渣浆回收罐，充填管柱组合包括充填管路、充填封隔器和充填喷头，充填管路设置在模拟油管内，充填喷头设置在充填管路的下端，充填封隔器安装在充填喷头的上方与机械筛管内壁之间；砾石混砂箱包括混合搅拌器和注入泵，与水砂产出/注入管路接口相连；所述高压气瓶组的入口端通过管路与油套环空气体产出回路相连，高压气瓶组的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连，所述油套环空气体产出回路为模拟套管和模拟油管之间形成的环空；所述水箱的入口端通过管路与模拟油管内的举升管柱相连，水箱的出口端通过管路与三相混合器的入口端相连；三相混合器包括气-水-泥砂混合搅拌器和三相注入泵，三相混合器的出口端通过管路与三相注入管路接口相连；所述渣浆回收罐通过管路与井筒携砂液返出环空连接，所述井筒携砂液返出环空为充填管路与模拟油管之间的环空，渣浆回收罐内设置携砂液过滤装置；

所述充填质量检测子系统包括气体分离器、举升管柱和定点压力计以及声波成像测井系统；气体分离器仅在砾石充填效果仿真监测过程中使用，气体分离器和举升管柱均设置在模拟油管内，且气体分离器的出口与油套环空气体产出回路连通；所述定点压力计包括安装在机械筛管内壁上、下两端的定点压力计P3和P2，以及安装在模拟套管的充填部位管外上、下两端的定点压力计P4和P1；所述充填质量检测子系统为常规井下声波成像测井系统。

2.根据权利要求1所述的水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，所述径向流分流器的内部入口处设置有旋流导流片。

3.根据权利要求2所述的水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，所述旋流导流片的下端衔接环形多孔板，环形多孔板位于径向分流器内壁和外壁之间。

4.根据权利要求3所述的水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，径向分流器内壁上设置有楔形孔。

5.根据权利要求1-4任一项所述的水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，所述模拟井筒满足全尺寸砾石充填工具下入和天然气水合物储层深度条件，深度为200m。

6.根据权利要求5所述的水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，所述渣浆回收罐内设置携砂液过滤装置。

7.根据权利要求6所述的水合物开采井管内砾石充填仿真系统，其特征在于，所述井口防喷闸板耐压15Mpa。