CN213419092U

CN213419092U - 一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置

Info

Publication number: CN213419092U
Application number: CN202021662222.7U
Authority: CN
Inventors: 何计彬; 叶成明; 李小杰; 解伟; 冯建月; 李梦
Original assignee: Hydrogeological And Environmental Geological Survey Center Of China Geological Survey
Current assignee: Hydrogeological And Environmental Geological Survey Center Of China Geological Survey; Center for Hydrogeology and Environmental Geology CGS
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2030-08-11

Abstract

本实用新型公开了一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置，包括恒速恒压柱塞泵、活塞加压储砂液容器、气体稳压装置、防砂试验反应釜、固液分离装置、称量装置和数据采集模块；活塞加压储砂液容器容纳混砂液，在活塞加压储砂液容器的底端侧壁开设有混砂液的输出口；气体稳压装置和混砂液的输出口与反应釜的注入口连通，出砂管的出口端对应有固液分离装置。结构简单、其结构设计与实际开采完井结构一致，可模拟不同完井方式与防砂参数下的防砂效果，满足实现模拟动态压差作用下，水平井三维径向流条件下防砂工艺的缓慢出砂过程，以此来研究防砂工艺及防砂管材的渗透性、阻砂能力等防砂效果情况及出砂量参数，加工成本低且试验周期短。

Description

一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种低渗透储层海域天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置。

背景技术

天然气水合物，一种由甲烷等气体和水分子在高压低温条件下形成的类冰状固体，作为新世纪最理想的潜在替代能源正日益引起世界各国高度重视。天然气水合物赋存于极地多年冻土带以及水深500米或更深的海底以下数百米的沉积层中，其在低温和高压环境中呈稳定状态。目前国内外基于天然气水合物的合成、分解及开采工艺方法进行了较多研究，大部分的实验研究还处于天然气水合物相平衡和动力学的基础理论领域。近年来，国外实施了多次水合物试采工程，几乎每一次天然气水合物试采都因为出砂严重而被迫终止，因此，水合物储层的出砂问题已成为制约天然气水合物有效安全开发的关键因素。

目前，油气井领域针对颗粒粒径40um以上中、粗砂储层使用的防砂方式与开展的防砂试验装置研究较多，主要为液、固或气、固两相流状态，但每种防砂试验装置都有各自的特点及其适应性，对于天然气水合物开采储层岩性为胶结强度较差的泥质粉细砂地层以及水平井开采过程中涉及高压条件下气、液、固三相流耦合而言, 尚无任何防砂工艺试验装置可供借鉴。动态压差作用下天然气水合物水平井开采过程的出砂量与产能不仅与防砂方式、挡砂精度密切相关，还与砂粒粒径、泥质含量、泥质中粘土矿物组份以及流体粘度、流速、生产压差、压差的变化梯度等一系列因素相关，因此是非常复杂的一个相互关联影响过程。因此只有结合具体储层或开采站位的实际条件，才能准确、真实地评价出适合该开采井或站位储层的防砂工艺效果，从而确定防砂介质的规格及参数。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述技术问题提供一种能够真实、准确、可靠地进行模拟的天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置。

为达成上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种天然气水合物水平井开采防砂试模拟验装置，包括恒速恒压柱塞泵、活塞加压储砂液容器、气体稳压装置、防砂试验反应釜、固液分离装置、称量装置和数据采集模块；

所述活塞加压储砂液容器为上端开口、下端封闭的筒体结构，在其开口处盖设有盖体，该活塞的杆部经盖体的穿孔伸出，该活塞的头部匹配地位于储砂液容器的内腔中，在活塞头部下方的活塞加压储砂液容器中装有混砂液，在该盖体上还开设加压孔，该加压孔与恒速恒压柱塞泵连接，通过加压孔泵入的液体驱动活塞沿着内腔向下移动给混砂液传递压力；在该内腔的底部安装有搅拌叶片，该搅拌叶片的转轴经活塞加压储砂液容器的底板孔伸出并与电磁搅拌电机连接；在活塞加压储砂液容器的底端侧壁开设有混砂液的输出口；

所述防砂试验反应釜它包括呈水平状的釜体，在该釜体内同轴设置有整流管、外防砂网管和内防砂网管，该釜体包括釜筒，在该釜筒两开口端分别密封有左釜盖、右釜盖，在该釜筒的侧壁上均匀环设数个与该釜筒的腔体相通的注入口，在该左釜盖的内侧中部设有左安装槽，在该右釜盖的内侧中部设有与该左安装槽对应的右安装槽，该内防砂网管的两端分别插固在该左、右安装槽中，该外防砂网管的两端分别设有端堵，两该端堵的中心部位设有对应的穿孔，通过两该穿孔实现该外防砂网管套固在该内防砂网管的两端，两该端堵分别抵顶在对应的左、右安装槽的槽口端面上，该外防砂网管的内侧壁与该内防砂网管的外侧壁之间形成第一环形空间，该第一环形空间中填充有挡砂介质，在该釜筒的内壁与该外防砂网的外侧壁之间设置整流管，该整流管的两端分别抵在左、右釜盖，该整流管的内壁与该外防砂网管的外壁之间形成第二环形空间，该第二环形空间用于容纳试验储层砂或仿真储层砂，该整流管的外壁与该釜筒的内壁之间形成第三环形空间，该第三环形空间用于容纳模拟天然气水合物储层气水流动特性的气、液两相流，在该右釜盖对应内防砂网管的轴线位置开设与该右安装槽连通的安装孔，该安装孔中安装有出砂管，该出砂管与该内防砂网管相通，该出砂管的出口端对应有固液分离装置，所述称量装置用来称量该固液分离装置分离出的出砂量；

所述混砂液的输出口、所述气体稳压装置均与所述注入口连通；在混砂液的输出口处的管路上设置阀门、流量传感器和压力传感器，在气体稳压装置的出口处的管路上设置阀门、流量传感器和压力传感器，在各所述注入口处设置阀门和压力传感器；在所述釜筒侧壁安装与第三环形空间C相通的温度传感器和压力传感器，在所述釜筒的右釜盖安装与第二环形空间B相通的压力传感器和温度传感器，在所述出砂管上设置定压开启阀门控制，所述各阀门、压力传感器和流量传感器均与所述数据采集模块控制连接。

优选地，所述混砂液是用高分子增粘剂与蒸馏水及氯化钠溶液配制成相似地层流体，相似流体的粘度与实际水平井开采天然气水合物储层的地层流体粘度、密度相同，在相似流体中加入粒度中值为9-15um的储层砂配制成含砂量为0.1％-1％的混砂液，储层砂粒径规格为40目-50目、50目-60目或40目-60目的防砂介质，防砂介质充填厚度30-50mm之间，所述反应釜的注入口和出砂管出口端的动态压差为 5-10MPa、气水比保持165：1。

优选地，防砂介质的粒径规格为40目-60目，充填厚度为35mm，气水比保持60： 1。

优选地，所述注入口的个数至少为八个，均匀间隔环设。

优选地，所述分流罩外侧可覆盖筛网。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型更加明显的反应出动态压差作用下天然气水合物在水平井开采过程的不同阶段，涉及的气、液、固三相流耦合作用的出砂规律、防砂介质的响应机理与防砂效果评价试验；可通过调节釜筒外侧液、气注入端口与釜筒右端出砂管的压差、流量，气体、混砂液体经分流罩分流作用后均匀渗入试验模拟储层内，实现天然气水合物水平井开采过程中一定砂比的携砂流体从远井储层向进井地带渗流过程；携砂流体携带的微小砂粒径向流入防砂介质，在防砂介质及内外防砂网管共同阻挡筛选作用下，携砂流体在防砂介质中渗流析出的同时微小砂粒部分被阻挡在防砂介质外侧或者嵌入防砂介质孔隙吼道形成堵塞，部分通过防砂介质孔隙吼道从出砂管流出进入固液分离装置。实现模拟不同压差、注入流量，不同防砂介质规格、充填厚度、颗粒均匀系数等参数条件下，气、液渗流析出时携带出的储层砂颗粒粒径和质量及气、液累计流量，模拟天然气水合物水平井实际开采过程中，不同降压方案与不同完井防砂方式下的出砂量、出砂规律与产能预测。

(2)活塞加压储砂液容器及防砂试验反应釜设置有若干个温度、压力、流量传感器探头口，可以对动态压差作用下水平井开采过程的三维径向流的防砂、渗透性测试、出砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物水平井开采防砂试验各个阶段的压力变化及对应的渗流规律。

(3)本实用新型结构简单、其结构设计与实际开采完井结构一致，可模拟不同完井方式与防砂参数下的防砂效果评价试验(完井方式包括：裸眼筛管完井、裸眼砾石充填完井、裸眼预充填完井、套管内筛管完井、套管内砾石充填完井；筛管类型包括：割缝、绕丝、金属网以及金属棉等优质筛管。)，满足实现模拟动态压差作用下，水平井三维径向流条件下防砂工艺的缓慢出砂过程，以此来研究防砂工艺及防砂管材的渗透性、阻砂能力等防砂效果情况及出砂量参数，其加工成本低且试验周期短等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例，下面将结合附图对本实施例进行描述。

图1为天然气水合物水平井开采防砂试验装置流程图。

图2为天然气水合物水平井开采防砂试验装置活塞加压储砂液容器剖视图。

图3为天然气水合物水平井开采防砂试验装置反应釜筒体剖视图。

具体实施方式

以下仅以实施例说明本实用新型可能的实施态样，然并非用以限制本实用新型所欲保护的范畴，合先叙明。

下面结合附图对本实用新型的优选实施方式进行具体说明。请参阅图1、图2、图3所示，本实用新型的一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置，包括恒速恒压柱塞泵1、活塞加压储砂液容器2、气体稳压装置3、防砂试验反应釜4、固液分离装置5、称量装置7和数据采集模块6；

所述活塞加压储砂液2容器为上端开口、下端封闭的圆柱筒体结构，在其开口处盖设有盖体21，该盖体通过螺钉与筒体固连，该活塞22的杆部经盖体21的筒体轴线穿孔伸出，该活塞22的头部匹配地位于储砂液容器的内腔中，在活塞头部下方的活塞加压储砂液容器中装有混砂液，在该盖体上还开设加压孔，该加压孔与恒速恒压柱塞泵连接，通过加压孔泵入的液体驱动活塞沿着内腔向下移动给混砂液传递压力；在该内腔的底部轴线处安装有电磁搅拌装置2A的搅拌叶片20，该搅拌叶片20的转轴经活塞加压储砂液容器的底板孔伸出并与电磁搅拌装置的电磁搅拌电机连接；在活塞加压储砂液容器2的底端侧壁开设有混砂液的输出口21；

所述防砂试验反应釜3它包括呈水平状的釜体，在该釜体内同轴设置有整流管31、外防砂网管32和内防砂网管33，该釜体包括釜筒301，在该釜筒两开口端分别密封有左釜盖302、右釜盖303，在该釜筒301的侧壁上均匀环设至少八个与该釜筒的腔体相通的注入口3011，注入口3011分别通过高压尼龙管线或不锈钢耐压管路与气体稳压装置4和活塞加压储砂液容器2的输出口21连通,可同时进气、液，也可有选择的进气、液，只需打开釜筒侧壁相应注入口的阀门即可；在该左釜盖的内侧中部设有圆形左安装槽，在该右釜盖的内侧中部设有与该左安装槽对应的右安装槽，该内防砂网管33的两端分别插固在该左、右安装槽中，该内防砂网管33用来模拟水平井开采筛管或预充填筛管的内壁孔或缝隙，该外防砂网管32的两端分别设有端堵，两该端堵的中心部位设有对应的穿孔，该外防砂网管用来模拟水平井开采预充填筛管的外壁孔或缝隙，通过两该穿孔实现该外防砂网管32套固在该内防砂网管33 的两端，两该端堵分别抵顶在对应的左、右安装槽的槽口端面上，该外防砂网管32 的内侧壁与该内防砂网管33的外侧壁之间形成第一环形空间，该第一环形空间中填充有挡砂介质(石英砂、陶粒等散体颗粒)，在该釜筒的内壁与该外防砂网的外侧壁之间设置整流管31，该整流管31的两端分别抵在左、右釜盖，该整流管31用来模拟远井地带的水合物储层分解后生产的气、水流体向近水平井地带储层流动、传导特性；该整流管31的内壁与该外防砂网管的外壁之间形成第二环形空间，该第二环形空间用于容纳模拟水平井近井周围的试验储层或仿真储层(依据拟开采储层粒度分布、分选系数、孔隙度、泥质含量、饱和度等岩土力学参数配置)；该整流管31 的外壁与该釜筒的内壁之间形成第三环形空间，所述釜筒内壁面与该整流管31外壁之间的距离不小于8mm，该第三环形空间容纳用于模拟一定砂比的气液携砂流体从远井储层流入近井地层的过程，该气、液两相流量根据流速等效原则计算折合(气、液流量比约为165：1，自然界及试验开采中1m³的天然气水合物分解产出165m³的甲烷气体和1m³的水，为充分模拟天然气水合物储层水平井开采过程的气水流动条件，按照储层厚度50m，产水量500m³/天、产气量8*104m³/天，根据流速等效原则折合试验所需参数为：液相流量1000L/h，气相流量60m³/h，试验流量远高于实际预测产量以保证覆盖满足实际开采条件)；在该右釜盖对应内防砂网管的轴线位置开设与该右安装槽连通的安装孔，该安装孔中安装有出砂管34，该出砂管34与该内防砂网管33相通，该出砂管34的出口端对应有固液分离装置5；称量装置7对从固液分离装置分离出来的砂的进行称量，该称量装置7与所述数据采集模块控制连接。

所述整流管31为圆筒型，其侧壁均匀布满小孔或条缝，根据试验需要整流管的外侧可覆盖一定目数规格的筛网；该整流管具有气液渗透性且可阻止第三空间C内的试验储层或仿真储层的砂滤出。

所述混砂液的输出口、所述气体稳压装置均与所述注入口连通；为了对防砂、出砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物水平井开采防砂试验各个阶段的试验参数变化；在混砂液的输出口处的管路上设置阀门、流量传感器和压力传感器，在气体稳压装置的出口处的管路上设置阀门、流量传感器和压力传感器，在各所述注入口处设置阀门和压力传感器；在所述釜筒侧壁安装与第三环形空间C相通的温度传感器和压力传感器，在所述釜筒的右釜盖安装与第二环形空间B相通的压力传感器和温度传感器，在所述出砂管上设置定压开启阀门控制，所述各阀门、压力传感器和流量传感器均与所述数据采集模块6控制连接。

本实用新型更加明显的反应出动态压差作用下天然气水合物在水平井开采过程的不同阶段，涉及的气、液、固三相流耦合作用的出砂规律、防砂介质的响应机理与防砂效果评价试验；可通过调节釜筒外侧液、气注入端口与釜筒右端出砂管的压差、流量，气体、混砂液体经分流罩分流作用后均匀渗入试验模拟储层内，实现天然气水合物水平井开采过程中一定砂比的携砂流体从远井储层向进井地带渗流过程；携砂流体携带的微小砂粒径向流入防砂介质，在防砂介质及内外防砂网管共同阻挡筛选作用下，携砂流体在防砂介质中渗流析出的同时微小砂粒部分被阻挡在防砂介质外侧或者嵌入防砂介质孔隙吼道形成堵塞，部分通过防砂介质孔隙吼道从出砂管流出进入固液分离装置。实现模拟不同压差、注入流量，不同防砂介质规格、充填厚度、颗粒均匀系数等参数条件下，气、液渗流析出时携带出的储层砂颗粒粒径和质量及气、液累计流量，模拟天然气水合物水平井实际开采过程中，不同降压方案与不同完井防砂方式下的出砂量、出砂规律与产能预测。通过大量的实验证明：压差5-10MPa；液相流量1000L/h、气体流量1m³/min，气水比保持60；1；粒径规格为 40目-50目(0.40-0.30mm)、40目-60目(0.40-0.25mm)或50目-60目(0.30-0.25mm) 的防砂介质，优选40目-60目的防砂介质，防砂介质充填厚度30-50mm之间，优选 35mm，得到的结果是出砂率约4.4％(每100g储层砂出砂4.4g,)；试验前后防砂介质渗透率比约为57％(试验前初始渗透率36um²、试验后防砂介质整体渗透率约为20 um²)，即能阻砂，又有渗透性。

本实用新型的天然气水合物开采防砂试验反应釜的工作原理是：首先，将不同粒径规格及不同厚度的挡砂介质装入第一环形空间内，即内防砂网与外防砂网之间，并充分振动压实，用以模拟天然气水合物水平井开采的挡砂介质充填层；之后，拟开采区域天然气水合物储层或仿真储层充分搅拌后，装入第二环形空间内，即外防砂网与分流罩之间，用以模拟近水平井井眼周围地层；上述操作完成后，配置在活塞加压储砂液容器中的固液两相混砂液，经搅拌电机充分搅拌后，一是防止固、液分层，固相颗粒堵塞活塞加压储砂液容器底端的注入端口，二是保证混砂液容器内固相颗粒的分散度，确保试验过程中注入防砂反应釜内的混砂液固相颗粒粒度分布的一致，避免出现试验前期注入混砂液的较小粒度颗粒、试验后期注入的混砂液中较大的固相颗粒，影响试验准确性。由恒速恒压柱塞泵通过加压活塞加压驱动，经底端侧方输出口输出，同时，经气体稳压装置输出的高压气体(该气、液两相流量根据流速等效原则计算折合气、液流量比约为60：1)分别注入防砂反应釜通过釜筒的侧壁注入口均匀注入反应釜第三环形空间内，即釜筒11内侧与分流罩之间的环形空间，用于模拟一定砂比的气液携砂流体从远井储层流入近井地层的过程；通过调节安装在反应釜注入口处气液两相流管路的阀门，控制反应釜筒内气液固三相流与右釜盖的出砂管的压差(模拟实际开采压降)；通过测定反应釜注入口、釜筒环形空间及反应釜右端出砂管所设置温度、压力、流量传感器数据，可以对水平井径向流防砂、出砂试验过程实施动态监测，分析天然气水合物水平井开采径向流防砂试验各个阶段的试验参数变化；通过对反应釜右端的出砂管流体排出所携带出的砂粒进行粒度分析、质量称重(或测量体积)，计算出砂量、产气量与产水量，分析挡砂砾石的挡砂精度及预测实际开采井产能，为水平井开采防砂方案的制定提供支撑。设置温度传感器以监测温度变化对流体粘度的影响及储层砂颗粒在防砂介质孔隙内运移、堵塞及随流体携带从出砂管排出的试验规律。

本实用新型依据驱替机理和相似原理，通过自动控制、测试手段(温度、压力、流量传感器)，考虑储层孔渗特性条件下，使用拟采区域储层天然气水合物岩土力学参数与流体特性配制的模拟储层与开采实际流体黏度相同的试验流体，依据现场的降压开采要求(压差和降压梯度)，以及模拟一定砂比的携砂气、液流体从远井储层流入近井储层开采过程，可真实模拟动态压差作用下，水平井三维径向流条件下防砂工艺的缓慢出砂过程，以此研究防砂工艺及防砂管材的渗透性、阻砂能力、渗透淤塞机理等防砂效果情况及出砂量参数，进一步提高了试验结果的真实性和可信度，通过适时调整防砂模拟试验，优化防砂工艺参数，评价防砂效果，便于分析计算不同的压降一产能一出砂量的变化规律及其特征。

Claims

1.一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置，其特征在于：包括恒速恒压柱塞泵、活塞加压储砂液容器、气体稳压装置、防砂试验反应釜、固液分离装置、称量装置和数据采集模块；

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置，其特征在于：所述注入口的个数至少为八个，均匀间隔环设。

3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物水平井开采防砂模拟试验装置，其特征在于：所述整流管外侧可覆盖筛网。