一種研究天然氣水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的關係的實驗裝置及方法與流程

2023-04-30 21:42:02 1

本發明涉及天然氣水合物開採領域，具體涉及一種研究天然氣水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的關係的實驗裝置及方法。

背景技術：

天然氣水合物(naturalgashydrate，ngh)是一種在低溫高壓下由天然氣和水生成的一種籠形結晶化合物，其外形如冰雪狀，遇火既燃，俗稱「可燃冰」。自然界的天然氣水合物中的天然氣成分主要是甲烷(>90％)，在常溫常壓下1m3的天然氣水合物分解釋放約160m3天然氣，所以天然氣水合物具有極高的能量密度。自然界中的天然氣水合物主要存在於海洋大陸架的沉積物層和陸地凍土帶。1964年，科學家在西伯利亞凍土帶首次發現了自然存在的天然氣水合物，不久之後，在黑海也發現了賦存於海底沉積物中的天然氣水合物。到上世紀90年代，業內學者一致認為，全球天然氣水合物所儲藏的能量超過所有石油、煤及天然氣所儲藏能量的總和。在過去的20年中，全球範圍內展開包括深海鑽探計劃(dsdp)、大洋鑽探計劃(odp)和綜合大洋鑽探計劃(iodp)，對天然氣水合物的礦藏資源進行調研。目前全球天然氣水合物總量的估計約1015～1018標準立方米，所以，天然氣水合物被認為是21世紀石油天然氣最具潛力的替代能源。資源調查顯示，我國南海、東海陸坡－衝繩海、青藏高原凍土帶都蘊藏著天然氣水合物。因此，研究出天然氣水合物有效、快速、經濟的開採方法，為大規模開採天然氣水合物提供實驗基礎和依據，是緩解與日俱增的能源壓力的有效途徑。

天然氣水合物開採技術是實現天然氣水合物資源開發利用的關鍵環節之一。與常規化石能源不同，天然氣水合物以固體形態存在於多孔介質中。其開採的基本思路是：通過改變天然氣水合物穩定存在的溫-壓環境，即水合物相平衡條件，造成固體水合物在儲層原位分解成天然氣和水後再將天然氣採出。據此，科學家提出了幾種常規開採技術，如：降壓法、熱激法以及化學試劑法。由於水合物礦藏地質環境複雜，賦存形式多樣，並且開採過程包含了複雜的天然氣-水-沉積物-水合物-冰組成的多相體系的相變過程及多相滲流過程，水合物開採過程中伴隨水合物分解的多孔介質骨架變化是目前水合物開採中所遇到的最大問題之一。由於固態賦存的天然氣水合物變為流動的水和氣，原先的水合物礦藏地質特性會發生巨大變化，例如滲透率、孔隙度、力學性質和孔隙壓力都發生強烈變化，從而導致多孔介質變形，引起氣固液三相混合流動場，最終可能導致地層變形。所以研究天然氣水合物分解過程中產沙對多孔介質變形的影響，對於水合物開採技術是否能夠順利完成以及水合物開採技術的安全性有著重要的作用。

當前世界上較為先進的天然氣水合物開採研究，其研究重點在不同的開採方法對水合物相變分解的效果，以及水合物分解過程中熱量的消耗傳遞，對於真實條件下，水合物分解過程的複雜相變滲流機理的認識還處於模糊的狀態。在水合物開採模擬實驗中幾乎全部忽略水合物開採過程中產沙與多孔介質形變之間的關係，在以往的模擬實驗中利用大顆粒組成多孔介質(粒徑>100um)，令水合物分解過程中的多孔介質骨架無法變化，但實際水合物礦藏中的多孔介質粒徑是由0.01um的微顆粒至500um的大顆粒共同組成的，並且在水合物開採過程中產沙和形變是不可避免的。尤其是在井周圍的多孔介質徑向形變，可能是導致井壁坍塌和產沙的主要因素，而目前缺乏有效的實驗手段對水合物分解引起的徑向形變進行測量。目前天然氣水合物開採實驗裝置已趨於更精確測量、貼近野外實際的樣式發展，但具體工程實施仍面臨著巨大的挑戰，現有實驗室裝置研究成果尚不能完全滿足安全經濟的實地水合物開採技術的需要，需進一步研究開發可實現更精確反演海底實際水合物藏開採變化和開採設備運行情況的先進實驗裝備和平臺，為實現安全可靠開採奠定堅實的基礎。

技術實現要素：

針對現有技術的上述缺陷，本發明的目的之一在於提供一種研究天然氣水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的關係的實驗裝置，通過搭載真實尺寸的開採井筒，以及可更換的射孔轉接頭，真實模擬水合物在開採過程中的產沙行為以及氣液固在井筒內的流動行為，獲取水合物開採過程中產沙以及多孔介質徑向形變數據，從而找出產沙行為與多孔介質徑向形變之間的關係，為水合物開採技術提供基礎實驗數據及理論依據。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種研究天然氣水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的關係的實驗裝置，包括高壓反應釜、水合物樣品腔、模擬井筒、形變測量單元、環境溫度控制單元、出口控制單元、進口控制單元以及數據處理單元；

所述高壓反應釜置於環境溫度控制單元中，用於提供模擬實際地質條件的圍壓，其包括上釜蓋、釜體和下釜蓋；

所述高壓反應釜內還設有柔性橡膠套，所述柔性橡膠套、上釜蓋和下釜蓋圍成水合物樣品腔，所述水合物樣品腔填充有粒徑小於100um多孔介質，所述柔性橡膠套、釜體以及上釜蓋和下釜蓋之間圍成圍壓腔；

所述模擬井筒為側壁設有射孔的中空圓柱結構，其位於水合物樣品腔內，用以模擬水合物開採過程的產沙行為；

所述形變測量單元包括一組徑向形變測量單元，所述徑向形變單元包括多個沿柔性橡膠套徑向均布的硬連接杆，所述硬連接杆的一端與柔性橡膠套外壁連接，所述硬連接杆的另一端穿出高壓反應釜釜體外壁，並與位移傳感器連接，所述位移傳感器通過測量硬連接杆的移動以獲取水合物樣品腔中多孔介質的徑向變形量；

所述環境溫度控制單元用於控制高壓反應釜中的水合物生成過程、分解過程以及取樣過程的溫度；

所述進口控制單元用於向水合物樣品腔中注入水和天然氣；

所述出口控制單元用於控制水合物開採過程中模擬井筒的出口壓力，並進行出口產出物的分離及數據計量；

所述高壓反應釜、形變測量單元、環境溫度控制單元、出口控制單元、進口控制單元的感應元件均通過信號線與數據處理單元電連接，該數據處理單元用以採集和處理各感應元件的感應信號。

所述出口控制單元包括依次連通的流固分離器、出口壓力控制器和氣液分離器，所述流固分離器安裝在模擬井筒的出口處。

所述徑向形變測量單元為多組，且沿柔性橡膠套軸向均布，用於測量多孔介質在軸向方向的徑向變形情況。

所述模擬井筒的尺寸與實際鑽井井筒的尺寸一致，所述模擬井筒的射孔上還設有用於改變射孔大小的轉接頭，所述轉接頭可拆卸地安裝在射孔上。

所述轉接頭上還設置有用於模擬防沙的防沙網或/和用於模擬堵塞狀態的死堵。

所述模擬井筒內還設置有傳感器和內窺鏡，用於直接測量和觀察模擬井筒內產沙情況以及井內流動情況。

所述高壓反應釜的上釜蓋和下釜蓋與釜體均採用卡箍固定結構，通過橡膠圈密封使得高壓反應釜可提供最高25mpa的圍壓。

本發明的另一目的在於提供一種研究天然氣水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的關係的實驗方法，通過真實模擬水合物在開採過程中的產沙行為以及氣液固在井筒內的流動行為，獲取水合物開採過程中產沙以及多孔介質徑向形變數據，從而找出產沙行為與多孔介質徑向形變之間的關係，為水合物開採技術提供基礎實驗數據及理論依據，該實驗方法包括以下步驟：

s1、將高壓反應釜置於環境溫度控制單元中，將模擬井筒置於水合物樣品腔中，在水合物樣品腔內填充粒徑小於100um的多孔介質；

s2、設定實驗環境溫度，設定高壓反應釜的實驗圍壓，通過進口控制單元向水合物樣品腔中注入水和天然氣，生成天然氣水合物樣品；

s3、當天然氣水合物生成完成後，保持高壓反應釜圍壓不變，通過環境溫度控制單元控制分解溫度，對天然氣水合物樣品進行分解；

s4、通過出口控制單元控制模擬井筒出口壓力，通過出口控制單元實時計量模擬井筒的氣、水、沙產出量；

s5、通過形變測量單元測量水合物樣品腔中多孔介質的變形量；

s6、分析計算多孔介質的變形量、模擬井筒的產氣量、產水量、產沙量，獲取水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的關係。

所述通過出口控制單元控制模擬井筒出口壓力的方法是：首先將出口控制單元的流固分離器中注滿水並保持流固分離器中壓力與高壓反應釜內相同，然後打開模擬井筒出口閥門，通過出口壓力控制閥控制模擬井筒出口壓力。

所述通過出口控制單元實時計量模擬井筒的氣、水、沙產出量的方法是：首先通過流固分離器將沙分離，稱量流固分離器中的篩網除砂器的重量變化實時計量沙的產出量，從流固分離器流出的流體再經過氣液分離器分離成水和氣，通過電子天平實時計量水的產出量，通過氣體流量計實時計量氣的產出量。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、通過設置在柔性橡膠套上的一組徑向形變測量單元，實現對多孔介質在其一圓周截面的徑向形變的測量，通過沿柔性橡膠套軸向設置多組徑向形變測量單元，實現對多孔介質從上到下的多個圓周截面的徑向形變的測量，從而得出多孔介質整體徑向形變狀況，採用硬連接杆和柔性橡膠套相結合的測量方式，克服了高壓反應釜內無法測量多孔介質徑向形變的缺點，傳統測量方式通過軸向活塞杆移動僅能測量軸向形變，而本發明能夠準確測量天然氣水合物在開採過程中多孔介質的徑向形變，並且柔性外套與硬連接杆連接的測量方式不會影響多孔介質本身的形變和產沙的過程，具有結構簡單，測量效果好的優點。

2、通過出口控制單元實時計量模擬井筒的氣、水、沙產出量，通過數據處理單元對氣、水、沙產出量以及多孔介質徑向形變量進行分析，找出它們之間的關係，為水合物開採技術提供基礎實驗數據及理論依據。

3、採用真實尺寸的模擬井筒，其尺寸大小與實際井筒一致，能夠更加真實的模擬天然氣水合物開採過程中可能出現的產沙問題，採用轉接頭調節射孔的大小，在不更換模擬井筒的情況下，就能實現不同的測試，通過在轉接頭上設置防沙網或死堵，能夠更加真實的模擬天然氣水合物開採過程氣液固井內流動問題。

4、通過在模擬井筒內設置傳感器和內窺鏡，可直接測量和觀察模擬井筒內產沙情況以及井內流動情況。

附圖說明

圖1是本發明的實驗裝置的方框圖；

圖2是本發明的實驗裝置結構示意圖；

圖3是本發明的模擬井筒和轉接頭的結構示意圖；

附圖標記說明：1-上釜蓋；2-釜體；3-下釜蓋；4-柔性橡膠套；5-模擬井筒；6-射孔；7-轉接頭；71-防沙網；72-死堵；8-內窺鏡顯示屏；9-數據處理單元；10-硬連接杆；11-位移傳感器；12-恆溫水浴；13-增壓泵；14-平流泵；15-流固分離器；16-出口壓力控制器；17-氣液分離器；18-電子天平；19-氣體流量計。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明的內容做進一步詳細說明。

實施例：

如圖1和圖2所示，一種研究天然氣水合物開採過程中產沙行為及多孔介質形變的實驗裝置，包括高壓反應釜、水合物樣品腔、模擬井筒5、形變測量單元、環境溫度控制單元、出口控制單元、進口控制單元以及數據處理單元9。

所述高壓反應釜置於環境溫度控制單元中，用於提供模擬實際地質條件的圍壓，其包括上釜蓋1、釜體2和下釜蓋3，所述上釜蓋1和下釜蓋3與釜體2可以採用如圖2的螺栓固定方式，也可採用卡箍固定結構，通過橡膠圈密封，使得高壓反應釜能夠提供最高25mpa的圍壓。

所述高壓反應釜內還設有柔性橡膠套4，所述柔性橡膠套4、上釜蓋1和下釜3蓋圍成水合物樣品腔，水合物樣品腔內部填充有粒徑小於100um多孔介質，並在多孔介質中生成水合物，所述柔性橡膠套4、釜體2以及上釜蓋1和下釜蓋3之間圍成圍壓腔。本實施例中，水合物樣品腔為圓柱形，內部填充的多孔介質優選實際沉積物樣品。在以往的模擬實驗中利用大顆粒組成多孔介質(粒徑>100um)，令水合物分解過程中的多孔介質骨架無法變化，本發明的多孔介質粒徑小於100um，能夠直觀觀察到由於水合物分解引起的多孔介質骨架變化。

如圖2和圖3所示，所述模擬井筒5為側壁設有射孔6的中空圓柱結構，其位於水合物樣品腔內，用以模擬水合物開採過程的產沙行為，所述模擬井筒的尺寸5與實際鑽井井筒的尺寸一致，能夠更加真實的模擬天然氣水合物開採過程中可能出現的產沙問題。所述模擬井筒5的射孔6上還設有用於改變射孔6大小的轉接頭7，所述轉接頭7可拆卸地安裝在射孔6上，轉接頭7位於模擬井筒5外部的一端設置有用於模擬防沙的防沙網71或/和用於模擬堵塞狀態的死堵72，用以研究水合物出沙及防沙手段，所述模擬井筒5內還設置有傳感器和內窺鏡(圖中未示出)，傳感器與數據處理單元9連接，內窺鏡通過內窺鏡顯示屏8與數據處理單元9連接，可直接測量和觀察模擬井筒5內產沙情況以及井內流動情況。

所述形變測量單元包括至少一組徑向形變測量單元，該徑向形變測量單元包括多個沿柔性橡膠套4徑向均布的硬連接杆10，所述硬連接杆10為不鏽鋼杆，其一端與柔性橡膠套4外壁連接，另一端穿出高壓反應釜的釜體2外壁，並與位移傳感器11連接，位移傳感器11與數據處理單元9電連接，所述位移傳感器11通過測量硬連接杆10的移動以獲取水合物樣品腔中多孔介質的徑向變形量。

徑向形變測量單元能夠對柔性橡膠套4的一個圓周截面的徑向形變進行測量，本實施例的徑向形變測量單元包括2套硬連接杆10和位移傳感器11，其分別設置在柔性橡膠套4的左右兩側，當然為了測量的更加準確，還可以設置為4套或更多套。為了對整個柔性橡膠套4內的多孔介質的徑向形變進行測量，本實施例沿柔性橡膠套4軸向從上往下依次設置有4組徑向形變測量單元，從而能夠精確測量水合物樣品腔中的多孔介質整體變形情況。

所述環境溫度控制單元採用恆溫水浴12，用於精準控制高壓反應釜中的水合物生成過程、分解過程以及取樣過程的溫度。

所述進口控制單元通過增壓泵13向水合物樣品腔中注入設定量的天然氣，通過平流泵14向水合物樣品腔中注入設定量的水。

所述出口控制單元連接在模擬井筒5出口處，用於控制水合物開採過程中模擬井筒5的出口壓力，並進行出口產出物的分離及氣液固數據計量，包括依次連通的流固分離器15、出口壓力控制器16和氣液分離器17，流固分離器15安裝在模擬井筒5的出口處，這樣設計目的是防止模擬井筒5產出的沙將出口壓力控制器16堵塞，導致出口壓力無法控制，同時為防止流固分離器15對高壓反應釜內部壓力的影響，流固分離器15在實驗開始前需要填充水達到與高壓反應釜內部壓力相同，再將流固分離器15與高壓反應釜連通，然後打開模擬井筒出口閥門，通過出口壓力控制閥16控制模擬井筒5出口壓力。

從模擬井筒5出來的產出物首先通過流固分離器15將沙分離，通過稱量流固分離器15中的篩網除砂器的重量變化實時計量沙的產出量，從流固分離器15流出的流體再通過氣液分離器17分離成氣和水，再分別通過電子天平18實時計量水的產出量，通過氣體流量計19實時計量氣的產出量。

所述高壓反應釜、形變測量單元、環境溫度控制單元、出口控制單元、進口控制單元的感應元件均通過信號線與數據處理單元9電連接，該數據處理單元9用以採集和處理各感應元件的感應信號。

本發明實施例的一種採用上述研究天然氣水合物開採過程中產沙行為及多孔介質形變的實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟：

s1、將高壓反應釜置於環境溫度控制單元中，將模擬井筒5置於水合物樣品腔中，在水合物樣品腔內填充粒徑小於100um的多孔介質；

s2、設定實驗環境溫度，設定高壓反應釜的實驗圍壓，通過進口控制單元向水合物樣品腔中注入水和天然氣，生成天然氣水合物樣品；

s3、當天然氣水合物生成完成後，保持高壓反應釜圍壓不變，通過環境溫度控制單元控制分解溫度，對天然氣水合物樣品進行分解；

s4、通過出口控制單元控制模擬井筒5出口壓力，通過出口控制單元實時計量模擬井筒5的氣、水、沙產出量；

s5、通過形變測量單元測量水合物樣品腔中多孔介質的變形量；

s6、分析計算多孔介質的變形量、模擬井筒的產氣量、產水量、產沙量，獲取水合物開採過程中產沙行為與多孔介質形變的關係。

所述通過出口控制單元控制模擬井筒5出口壓力的方法是：首先將出口控制單元的流固分離器15中注滿水並保持流固分離器15中壓力與高壓反應釜內相同，然後打開模擬井筒5出口閥門，通過出口壓力控制閥16控制模擬井筒5的出口壓力。

所述通過出口控制單元實時計量氣、水、沙產出量的方法是：首先通過流固分離器15將沙分離，稱量流固分離器15中的篩網除砂器的重量變化實時計量沙的產出量，從流固分離器15流出的流體再經過氣液分離器17分離成水和氣，通過電子天平18實時計量水的產出量，通過氣體流量計19實時計量氣的產出量。

本發明所提供的研究天然氣水合物開採過程中產沙行為與多孔介質徑向形變的實驗裝置，與現有的實驗裝置相比，具有明顯的優勢：

(1)通過設置在柔性橡膠套上的一組徑向形變測量單元，實現對多孔介質在其一圓周截面的徑向形變的測量，通過沿柔性橡膠套軸向設置的多組徑向形變測量單元，實現對多孔介質從上到下的多個圓周截面的徑向形變的測量，從而得出多孔介質整體徑向形變狀況，採用硬連接杆和柔性橡膠套相結合的測量方式，能夠準確測量天然氣水合物在開採過程中多孔介質的徑向形變，具有結構簡單，測量效果好的優點。

(2)通過出口控制單元實時計量模擬井筒的氣、水、沙產出量，通過數據處理單元對氣、水、沙產出量以及多孔介質徑向形變量進行分析，找出它們之間的關係，為水合物開採技術提供基礎實驗數據及理論依據。

(3)採用真實尺寸的模擬井筒，其尺寸大小與實際井筒一致，能夠更加真實的模擬天然氣水合物開採過程中可能出現的產沙問題，採用轉接頭調節射孔的大小，在不更換模擬井筒的情況下，就能實現不同的測試，通過在轉接頭上設置防沙網或死堵，能夠更加真實的模擬天然氣水合物開採過程氣液固井內流動問題。

(4)通過在模擬井筒內設置傳感器和內窺鏡，可直接測量和觀察模擬井筒內產沙情況以及井內流動情況。

上述實施例只是為了說明本發明的技術構思及特點，其目的是在於讓本領域內的普通技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡是根據本發明內容的實質所做出的等效的變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。