CN215213488U - 一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，该模拟实验装置包括透明内管、套设于该透明内管外并与该透明内管夹设形成环空区域的透明外管、与该透明内管第一端连通的注热输入管线、与该透明内管第二端连通的注热输出管线、与该环空区域第一端连通的水合物输出管线、与该环空区域第二端连通的水合物输入管线、与该注热输入管线和注热输出管线分别连通的恒温液罐、以及与该水合物输入管线和水合物输出管线分别连通的气液固混合器，该透明内管和透明外管第一端固设有第一密封盖，该透明内管和透明外管第二端固设有第二密封盖，该注热输入管线和水合物输出管线分别穿过该第一密封盖并分别插入至该透明内管和环空区域内。

Description

一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及天然气水合物开采模拟实验技术领域，更具体地说，涉及一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置。

背景技术

水合物主要由天然气分子与水分子在符合相平衡的特定的压力和温度条件下形成的冰雪结晶状固体化合物，主要分布在海洋深水沉积地层和陆地高纬度永久冻土层。水合物的能源密度很高，当天然气开始从水合物中分解出来，每单位体积的水合物可以释放出164单位体积的天然气和0.8单位体积的水。水合物绿色无污染的燃烧特征，让其被誉为21世纪最有开发价值和前景的清洁能源，有望改善目前非清洁能源占据市场主导的能源架构。在当前全球快速发展，能源消耗巨大的时代，对世界各国而言都是极具吸引力的战略资源。

目前对水合物开采的实验和模拟仿真研究都发现，在水合物开采分解过程中都会伴随着水合物二次生成的现象。这是由于水合物在分解过程中需要吸收大量的热量，从而导致地层局部区域温度降低。根据焦耳-汤姆逊效应影响分析，甲烷气和地层水在符合水合物相平衡条件的低温高压区域又会再次形成水合物结晶，该现象即为水合物二次生成现象。二次生成的水合物会堵塞流通管道，影响井筒内流体的流动和携砂效果。

因此，研究发现水合物二次生成情况下，井筒内存在障碍或气体运移通道中出现变径时，气液固三相的运移形态和堆积过程，以及水合物注热解堵规律等问题的研究至关重要。目前，研究学者已对水合物二次生成进行了大量的研究，如现有设计的现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟实验系统，可以实现多相流流动监测、水合物形成富集模式以及流动堵塞情况、测试不同抑制剂对井筒捏水合物形成的影响等；以及现有设计的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置及方法，可以模拟水合物生成的动态过程，实时观察水合物沉积附着至堵塞过程，获取水合物层厚度沿着井筒轴向的分布规律等；还有现有设计的海洋天然气水合物生产井井筒携砂规律仿真系统及方法，可以设计出符合水合物开采过程中地层环境的试验井子系统，在不同气水比下的高压流动过程进行模拟实验，分析砂粒在井筒中的运移、沉降规律。

但是，上述现有的实验装置多数只单一研究管道中水合物二次生成规律或井筒携砂规律，关于全面研究井筒携砂过程中水合物二次生成的规律、生成的水合物的分布及流动规律、注热解堵规律等内容的较少。在现阶段的水合物研究基础下，主要以降压法为主要的开采方法，其通过调节压力来控制水合物的分解效率，操作相对简便，不需要昂贵的激发工序，被公认为目前最具经济价值的开采方式。但是降压法存在的最大问题就是地层压力降低后促使水合物开始分解，而水合物分解过程中会吸收大量的热量，导致地层温度迅速降低，从而发生水合物二次生成，堵塞生产通道。为解决该问题，需要对地层进行热量补充，注入化学抑制剂具有成本高，环境污染严重等缺点，故常选择注热法来进行补热，解堵水合物二次生成现象。

因此，为了能够更为准确的模拟水合物开采过程中生产井井筒的真实情况，应该发明一种实验装置，根据相似性准则不仅可以分析生产井井筒环空下不同气液比、不同流速条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律，而且可以分析水合物二次生成的温压条件、水合物结晶的赋存状态和流动特性规律，并且可以分析在水合物二次生成导致流通尺寸变径的状态下井筒环空内气液固三相流型和携砂规律、注热解堵水合物过程下井筒环空内气液固三相流型和携砂规律。从而，为天然气水合物开采的流动保障提供更为准确，且符合实际工况的实验依据。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的上述缺陷，提供一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，该模拟实验装置包括透明内管、套设于该透明内管外并与该透明内管夹设形成环空区域的透明外管、与该透明内管第一端连通的注热输入管线、与该透明内管第二端连通的注热输出管线、与该环空区域第一端连通的水合物输出管线、与该环空区域第二端连通的水合物输入管线、与该注热输入管线和注热输出管线分别连通的恒温液罐、以及与该水合物输入管线和水合物输出管线分别连通的气液固混合器，该透明内管和透明外管第一端固设有第一密封盖，该透明内管和透明外管第二端固设有第二密封盖，该注热输入管线和水合物输出管线分别穿过该第一密封盖并分别插入至该透明内管和环空区域内，该注热输出管线和水合物输入管线分别穿过该第二密封盖并分别插入至该透明内管和环空区域内，该模拟实验装置还包括固设于该透明内管外壁上的至少三个三相流检测器、固设于该透明外管外壁上的至少五个控温器、以及固定架设于该透明外管外侧并用于拍摄透明内管和透明外管内水合物状态的至少三个高速摄像机。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该模拟实验装置还包括加砂罐、储液罐、高压气瓶、以及与该加砂罐和储液罐连通的泥浆泵，该泥浆泵及该高压气瓶均与该气液固混合器连通。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该加砂罐与该泥浆泵通过第一管线连通，该储液罐与该泥浆泵通过第二管线连通，该泥浆泵与该气液固混合器通过第三管线连通，该高压气瓶与该气液固混合器通过第四管线连通。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该第一管线上设有控制该加砂罐内的砂单向进入泥浆泵的第一单向阀；

该第二管线上设有控制该储液罐内的液体单向进入泥浆泵的第二单向阀、用于检测液体流量的第一液流量计、以及用于检测第二管线内温度和压力的第一温压传感器；

该第三管线上设有用于控制该第三管线的第一控制阀；

该第四管线上设有控制该高压气瓶内的气体单向进入气液固混合器的第三单向阀、用于检测气体流量的第一气流量计、以及用于检测第四管线内温度和压力的第二温压传感器。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该第三管线和第四管线通过第五管线与气液固混合器连通，该第五管线上设有用于控制该第五管线的第二控制阀。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该水合物输出管线包括与该环空区域连通的第六管线、与气液固混合器连通的第七管线、以及连通于该第六管线和第七管线之间的反应釜，该第六管线上设有用于检测第六管线内水合物温度和压力的第三温压传感器；

该第七管线上设有用于检测第七管线内气体流量的第二气流量计、用于检测第七管线内液体流量的第二液流量计、以及用于控制该第七管线的第三控制阀。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该水合物输入管线上设有用于检测水合物输入管线内温度和压力的第四温压传感器、以及控制该水合物输入管线的第四控制阀。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该注热输入管线上设有用于控制该注热输入管线的第五控制阀、用于检测注热输入管线内流量的第三液流量计、用于检测注热输入管内温度和压力的第五温压传感器、以及用于将恒温液罐内的液体泵入透明内管的液泵。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该模拟实验装置还包括可移动设置于该透明外管外侧并用于拍摄透明内管和透明外管内水合物状态的移动式摄像机。

在本实用新型所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置中，该至少三个三相流检测器包括三个三相流检测器，该三个三相流检测器分别设置于该透明内管外壁第一端、透明内管外壁第二端和透明内管外壁中部；

该至少五个控温器等间距设置于该透明外管外壁上。

实施本实用新型的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，具有以下有益效果：使用本实用新型的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置时，使用透明内管和透明外管分别模拟生产管柱和井筒，可根据需要将砂、水和天然气按各自所需比例注入气液固混合器进行混合，形成水合物，然后将水合物通过水合物输入管线注入至环空区域第二端内，用于模拟水合物开采井筒中的三相流动和携砂状态。在实验过程中，由水合物输出管线抽出的水合物则可进入气液固混合器内进行再次循环利用。进一步的，恒温液罐可对水进行加热，并将加热水通过注热管线注入透明内管内，流经透明内管后从注热输出管线重新流回恒温液罐，并保存持续的注热循环，用于进行水合物二次生成解堵规律实验。通过设置三相流检测器，可以实时测量整个井筒各段位置的瞬间流过的气液固三相的比例值。由于透明内管和透明外管均为透明材质制成，高速摄像机可用于监测透明内管和透明外管不同位置的气液固三相流型变化、砂粒移动情况和水合物二次生成及解堵过程，从而达到模拟实验效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，在本实用新型的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置第一实施例中，该模拟实验装置10包括透明内管11、套设于该透明内管11外并与该透明内管11夹设形成环空区域21的透明外管12、与该透明内管11第一端连通的注热输入管线13、与该透明内管11第二端连通的注热输出管线14、与该环空区域21第一端连通的水合物输出管线15、与该环空区域21第二端连通的水合物输入管线16、与该注热输入管线13和注热输出管线14分别连通的恒温液罐17、以及与该水合物输入管线16和水合物输出管线15分别连通的气液固混合器18，该透明内管11和透明外管12第一端固设有第一密封盖19，该透明内管11和透明外管12第二端固设有第二密封盖20，该注热输入管线13和水合物输出管线15分别穿过该第一密封盖19并分别插入至该透明内管11和环空区域21内，该注热输出管线14和水合物输入管线16分别穿过该第二密封盖20并分别插入至该透明内管11和环空区域21内，该模拟实验装置10还包括固设于该透明内管11外壁上的至少三个三相流检测器22、固设于该透明外管12外壁上的至少五个控温器23、以及固定架设于该透明外管12外侧并用于拍摄透明内管11和透明外管12内水合物状态的至少三个高速摄像机24。

使用本实用新型的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置10时，使用透明内管11和透明外管12分别模拟生产管柱和井筒，可根据需要将砂、水和天然气按各自所需比例注入气液固混合器18进行混合，形成水合物，然后将水合物通过水合物输入管线16注入至环空区域21第二端内，用于模拟水合物开采井筒中的三相流动和携砂状态。在实验过程中，由水合物输出管线15抽出的水合物则可进入气液固混合器18内进行再次循环利用。进一步的，恒温液罐17可对水进行加热，并将加热水通过注热管线注入透明内管11内，流经透明内管11后从注热输出管线14重新流回恒温液罐17，并保存持续的注热循环，用于进行水合物二次生成解堵规律实验。通过设置三相流检测器22，可以实时测量整个井筒各段位置的瞬间流过的气液固三相的比例值。由于透明内管11和透明外管12均为透明材质制成，高速摄像机24可用于监测透明内管11和透明外管12不同位置的气液固三相流型变化、砂粒移动情况和水合物二次生成及解堵过程，从而达到模拟实验效果。

在本实施方式中，该模拟实验装置10还包括加砂罐25、储液罐26、高压气瓶27、以及与该加砂罐25和储液罐26连通的泥浆泵28，该泥浆泵28及该高压气瓶27均与该气液固混合器18连通。

具体的，该加砂罐25与该泥浆泵28通过第一管线29连通，该储液罐26与该泥浆泵28通过第二管线30连通，该泥浆泵28与该气液固混合器18通过第三管线31连通，该高压气瓶27与该气液固混合器18通过第四管线32连通。该第一管线29上设有控制该加砂罐25内的砂单向进入泥浆泵28的第一单向阀33；该第二管线30上设有控制该储液罐26内的液体单向进入泥浆泵28的第二单向阀34、用于检测液体流量的第一液流量计35、以及用于检测第二管线30内温度和压力的第一温压传感器36；该第三管线31上设有用于控制该第三管线31的第一控制阀37；该第四管线32上设有控制该高压气瓶27内的气体单向进入气液固混合器18的第三单向阀38、用于检测气体流量的第一气流量计39、以及用于检测第四管线32内温度和压力的第二温压传感器40。

进一步的，该第三管线31和第四管线32通过第五管线41与气液固混合器18连通，该第五管线41上设有用于控制该第五管线41的第二控制阀42。

在向气液固混合器18内注入砂、水和天然气进行混合时，先开启第一单向阀33和第二单向阀34，将砂和水分别注入泥浆泵28内进行搅拌混合，然后开启第一控制阀37和第二控制阀42，将泥浆泵28内的固液混合物注入至气液固混合器18内，之后开启第三单向阀38，将高压气瓶27内的天然气注入气液固混合器18与固液混合物进行充分混合，形成水合物。

在此过程中，第一液流量计35和第一气流量计39分别检测气液流量并上报，第一温压传感器36和第二温压传感器40分别检测温度和压力并上报，达到计量控制和实时监测的目的。

进一步的，该水合物输出管线15包括与该环空区域21连通的第六管线43、与气液固混合器18连通的第七管线44、以及连通于该第六管线43和第七管线44之间的反应釜45，该第六管线43上设有用于检测第六管线43内水合物温度和压力的第三温压传感器46。

该第七管线44上设有用于检测第七管线44内气体流量的第二气流量计47、用于检测第七管线44内液体流量的第二液流量计48、以及用于控制该第七管线44的第三控制阀49。

由水合物输出管线15抽取出来的水合物首先进入反应釜45内，如水合物中存在二次生成的水合物颗粒，则可在反应釜45中进行分解，之后再将混合物注入气液固混合器18，重新进行循环实验。

进一步的，该水合物输入管线16上设有用于检测水合物输入管线16内温度和压力的第四温压传感器51、以及控制该水合物输入管线16的第四控制阀50。

进一步的，该注热输入管线13上设有用于控制该注热输入管线13的第五控制阀52、用于检测注热输入管线13内流量的第三液流量计53、用于检测注热输入管内温度和压力的第五温压传感器54、以及用于将恒温液罐17内的液体泵入透明内管11的液泵55。

优选的，该恒温液罐17上设有用于对恒温液罐17内的液体加热的加热电机57。

进一步的，该模拟实验装置10还包括可移动设置于该透明外管12外侧并用于拍摄透明内管11和透明外管12内水合物状态的移动式摄像机。通过设置移动式摄像机，可移动观测透明内管11和透明外管12的整体情况。

在本实施方式中，优选的，该至少三个三相流检测器22包括三个三相流检测器22，该三个三相流检测器22分别设置于该透明内管11外壁第一端、透明内管11外壁第二端和透明内管11外壁中部。该至少三个控温器23等间距设置于该透明外管12外壁上。该三相流检测器22用于实时测量整个井筒各段位置的瞬间流过的气液固三相的比例值，该控温器23用于通过温度变化来进行井筒温度控制。实验在该设定压力下，井筒内水合物晶体出现的温度条件。

在本实施方式中，该模拟实验装置10还包括与上述各气流量计、液流量计、温压传感器、高度摄像机、移动摄像机56控温器23、三相流检测器22电连接或信号连接的检测平台58。

具体的，透明内管11和透明外管12为耐高压可视化玻璃管，材质为耐压耐温的有机玻璃，最高耐压为30MPa，可承受的温度范围为-20～40°。该高压气瓶27中存储压缩甲烷气体，耐压30MPa，工作温度-40～60°。

相比于其他井筒携砂规律实验装置，本实用新型为了能够更为准确的模拟水合物开采过程中发生水合物二次生成现象的生产井井筒的真实情况，设计该模拟实验装置10不仅可以进行不同规格的环空井筒在不同气液比、不同流速条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律，而且可以对水合物二次生成温压规律进行分析，并在存在水合物二次生成的情况下，对不同规格的环空井筒在不同气液比、不同流速条件下的气液固三相流型和井筒携砂规律进行研究。此外，还可以对注热解堵水合物的温度和水合物分解规律进行研究，模拟实际水合物降压开采过程中水合物二次生成和注热进行解堵水合物二次生成等实际工况作业，为天然气水合物生产井井筒的流动保障注水方案提供更为准确，且符合实际工况的实验依据。

此外，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验装置包括透明内管、套设于所述透明内管外并与所述透明内管夹设形成环空区域的透明外管、与所述透明内管第一端连通的注热输入管线、与所述透明内管第二端连通的注热输出管线、与所述环空区域第一端连通的水合物输出管线、与所述环空区域第二端连通的水合物输入管线、与所述注热输入管线和注热输出管线分别连通的恒温液罐、以及与所述水合物输入管线和水合物输出管线分别连通的气液固混合器，所述透明内管和透明外管第一端固设有第一密封盖，所述透明内管和透明外管第二端固设有第二密封盖，所述注热输入管线和水合物输出管线分别穿过所述第一密封盖并分别插入至所述透明内管和环空区域内，所述注热输出管线和水合物输入管线分别穿过所述第二密封盖并分别插入至所述透明内管和环空区域内，所述模拟实验装置还包括固设于所述透明内管外壁上的至少三个三相流检测器、固设于所述透明外管外壁上的至少五个控温器、以及固定架设于所述透明外管外侧并用于拍摄透明内管和透明外管内水合物状态的至少三个高速摄像机。

2.根据权利要求1所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验装置还包括加砂罐、储液罐、高压气瓶、以及与所述加砂罐和储液罐连通的泥浆泵，所述泥浆泵及所述高压气瓶均与所述气液固混合器连通。

3.根据权利要求2所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述加砂罐与所述泥浆泵通过第一管线连通，所述储液罐与所述泥浆泵通过第二管线连通，所述泥浆泵与所述气液固混合器通过第三管线连通，所述高压气瓶与所述气液固混合器通过第四管线连通。

4.根据权利要求3所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述第一管线上设有控制所述加砂罐内的砂单向进入泥浆泵的第一单向阀；

所述第二管线上设有控制所述储液罐内的液体单向进入泥浆泵的第二单向阀、用于检测液体流量的第一液流量计、以及用于检测第二管线内温度和压力的第一温压传感器；

所述第三管线上设有用于控制所述第三管线的第一控制阀；

所述第四管线上设有控制所述高压气瓶内的气体单向进入气液固混合器的第三单向阀、用于检测气体流量的第一气流量计、以及用于检测第四管线内温度和压力的第二温压传感器。

5.根据权利要求4所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述第三管线和第四管线通过第五管线与气液固混合器连通，所述第五管线上设有用于控制所述第五管线的第二控制阀。

6.根据权利要求1所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述水合物输出管线包括与所述环空区域连通的第六管线、与气液固混合器连通的第七管线、以及连通于所述第六管线和第七管线之间的反应釜，所述第六管线上设有用于检测第六管线内水合物温度和压力的第三温压传感器；

所述第七管线上设有用于检测第七管线内气体流量的第二气流量计、用于检测第七管线内液体流量的第二液流量计、以及用于控制所述第七管线的第三控制阀。

7.根据权利要求1所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述水合物输入管线上设有用于检测水合物输入管线内温度和压力的第四温压传感器、以及控制所述水合物输入管线的第四控制阀。

8.根据权利要求1所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述注热输入管线上设有用于控制所述注热输入管线的第五控制阀、用于检测注热输入管线内流量的第三液流量计、用于检测注热输入管内温度和压力的第五温压传感器、以及用于将恒温液罐内的液体泵入透明内管的液泵。

9.根据权利要求1所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验装置还包括可移动设置于所述透明外管外侧并用于拍摄透明内管和透明外管内水合物状态的移动式摄像机。

10.根据权利要求1所述的水合物二次生成及井筒携砂规律的模拟实验装置，其特征在于，所述至少三个三相流检测器包括三个三相流检测器，所述三个三相流检测器分别设置于所述透明内管外壁第一端、透明内管外壁第二端和透明内管外壁中部；

所述至少五个控温器等间距设置于所述透明外管外壁上。

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