天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置的製作方法
2023-11-10 16:58:52 2
專利名稱：天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及天然氣水合物開採領域，尤其涉及的是一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置。
背景技術：
天然氣水合物是指天然氣與水在一定溫度和壓力下生成的一種籠狀晶體物質，其遇火即可燃燒，俗稱「可燃冰」。隨著人們對水合物研究的不斷深入，水合物的特性及對環境的影響越來越為人類認識，更重要的是其作為一種有效的替代能源的價值也益顯突出。天然氣水合物可以以多種方式存在於自然界中，基於天然氣水合物的特點，它與常規傳統型能源的開發不同。表現在水合物在洋底埋藏是固體，在開採過程中分子構造發生變化，從固體變為氣體。也就是說，水合物在開採過程中發生相變。目前大多數有關天然氣水合物的開發思路基本上都是首先考慮如何將蘊藏在沉積物中的天然氣水合物進行分解，然後再將天然氣開採至地面。一般來說，人為地打破天然氣水合物穩定存在的溫度壓力條件，造成其分解，是目前開發天然氣水合物中甲烷資源量的主要方法。現有的開採方法大體上可分為以下三種第一種、熱力開採法，以方法主要是將蒸氣、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入天然氣水合物儲層，或採用火驅法、電極原位加熱等諸多方法促使儲層溫度上升而達到水合物分解的目的。第二種、降壓開採法，以方法主要是通過降低壓力而引起天然氣水合物穩定的相平衡曲線的移動，從而促使天然氣水合物分解，開採水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的一種有效方法。第三種、化學劑開採法，以方法主要是利用某些化學劑，諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等來改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩定溫度，以達到分解的目的。降壓開採法與熱力開採法、化學劑開採法相結合的開採，可能成為今後大規模開採天然氣水合物的有效方法之一。而在實際開採中，一口井是遠遠不夠的，其開採效率無法提尚。目前，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。因此，現有技術還有待於改進和發展。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，提供了一種可以綜合研究各種開採機理、開採動態、並對各種開採方法進行優化的天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，該實驗裝置通過實驗實現對水合物多井開採的模擬，從而使三維模擬實驗得到擴展，為使現實中利用多井聯合開採的方式提高開採效率提供實驗基礎和依據。本實用新型解決技術問題所採用的技術方案如下一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中，包括三維高壓反應釜、進口控制單元、出口控制單元、數據處理單元；所述三維高壓反應釜分別與進口控制單元、出口控制單元、數據處理單元連接；所述進口控制單元、出口控制單元內的感應元件均通過信號線和數據線與數據處理單元連接；三維高壓反應釜內為密封的模擬腔，模擬腔內填充有多孔介質，用於模擬海底環境，並在模擬腔中布置用於模擬開採的井網；進口控制單元用於向三維高壓反應釜內輸入水、天然氣，並控制輸入的天然氣的壓力；出口控制單元用於控制模擬開採之後的天然氣、水的輸出壓力；數據處理單元用於採集和處理各感應元件的感應信號；其中，所述三維高壓反應釜上設有若干伸入模擬腔內部的井，包括一個中心垂直井和若干垂直旁側井；將模擬腔沿垂直方向分為η個水平層面，各垂直井管分別伸入至模擬腔內的不同深度的水平層面上。所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中，所述三維高壓反應釜中布置用以監控開採過程變化的壓力傳感器和溫度傳感器；所述高壓反應釜置於恆溫室中，用以保持恆定的溫度；所述進口控制單元內包括依次連接的溶液罐、注液泵、加熱罐，及依次連接的氣源裝置、氣體流量計；溶液依次經由溶液罐、注液泵、和加熱罐注入三維高壓反應釜；氣體經由氣源裝置和氣體流量計注入三維高壓反應釜；所述出口控制單元包括電子天平、及依次連接的回壓閥、氣液分離器、氣體流量計，所述電子天平連接至氣液分離器；天然氣和水經由回壓閥流出，通過氣液分離器，分為分解氣和分解水，分解氣由氣體流量計計量，分解水由電子天平計量。所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中，所述三維高壓反應釜包括釜體和釜體蓋板，釜體蓋板與釜體之間固定密封；釜體與釜體蓋板之間的密封腔構成所述模擬腔，釜體的內壁為平面壁面，構成不滲透直線邊界，釜體的四周的內壁上設置有絕熱層。所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中，伸入模擬腔內部設置的垂直井為5組或9組；當設置為5組時，其中4組作為垂直旁側井、分別為第一垂直旁側井VI、第三垂直旁側井V3、第七垂直旁側井V7和第九垂直旁側井V9，另一組作為中心垂直井，為垂直中心井V5 ；當設置為9組時，其中8組作為垂直旁側井，分別為第一垂直旁側井VI、第二垂直旁側井V2、第三垂直旁側井V3、第四垂直旁側井V4、第六垂直旁側井V6、第七垂直旁側井 V7、第八垂直旁側井V8和第九垂直旁側井V9，另一組垂直中心井V5作為中心垂直井；其中4組或8組垂直旁側井呈正方形分布，並緊貼模擬腔內壁面，而作為垂直中心井的另一組，設在垂直旁側井的正中央，即模擬腔垂直方向上的中心。[0027]所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中、所述垂直中心井伸入至最底層水平層，垂直旁側井伸入至最頂層水平層。所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中、每根井管上均勻刻槽4條， 長度與水平層的厚度相同，用以模擬垂直井射孔。所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中，所述釜體的外壁為正方體或圓柱體，模擬腔為正方體。所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其中，所述三維高壓反應釜的耐壓範圍為0 40MPa ；所述模擬腔的體積為0. IL 500L。一種基於上述所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置的三維模擬實驗方法，其中，包括步驟通過調節恆溫室溫度控制部分的溫度以設定實驗環境溫度；通過進口控制單元向三維高壓反應釜內注入天然氣和水，控制壓力，模擬天然氣水合物的生成過程；當天然氣水合物生成完成後，通過控制進口控制單元與出口控制單元，模擬天然氣水合物的開採過程；通過出口控制單元控制模擬開採之後的天然氣、水的輸出壓力；並通過數據處理單元採集和處理各感應元件的感應信號，其中，模擬開採之前的溶液依次經由進口控制單元的溶液罐、注液泵、和加熱罐注入三維高壓反應釜；氣體經由進口控制單元的氣源裝置和氣體流量計注入三維高壓反應
^fe 模擬開採之後的天然氣和水經由回壓閥流出，通過氣液分離器，分為分解氣和分解水，分解氣由氣體流量計計量，分解水由電子天平計量。所述的三維模擬實驗方法，其中，當實驗需要模擬五點法井網時，打開垂直旁側井的第一垂直旁側井VI，第三垂直旁側井V3，第七垂直旁側井V7和第九垂直旁側井V9的井口作為採出井，以垂直中心井V5作為注入井；當實驗需要模擬七點法井網時，打開垂直旁側井的第一垂直旁側井VI、第二垂直旁側井V2、第三垂直旁側井V3、第七垂直旁側井V7、第八垂直旁側井V8和第九垂直旁側井 V9的井口作為採出井，以垂直中心井V5作為注入井；當實驗需要模擬九點法井網時，打開垂直旁側井的第一垂直旁側井VI、第二垂直旁側井V2、第三垂直旁側井V3、第四垂直旁側井V4、第六垂直旁側井V6、第七垂直旁側井 V7、第八垂直旁側井V8和第九垂直旁側井V9的井口作為採出井，以垂直中心井V5作為注入井。本實用新型的有益效果是本實用新型所提供的天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，可以模擬多井聯合開採水合物；適用於各種大小的三維高壓反應釜；可以讓三維水合物物理模擬裝置由受局限的實驗室尺度，放大到無限大地層上去，其可以綜合研究各種開採機理、開採動態、並對各種開採方法進行優化和綜合評價；為大規模開採天然氣水合物提供實驗基礎和依據。
6[0043]圖1為本實用新型實施例的天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置結構示意圖。圖2為圖1中三維反應釜內部井布置結構示意圖。圖3為圖2中三維反應釜內部井的詳細構結構示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。物理模型實驗目的是模擬實際水合物藏相對無限大地層動態參數變化情況，但是實驗反應釜是有邊界存在的，邊界的存在對滲流場的等勢線分布、流線分布和井的產量都會產生影響，通常稱這種影響為「邊界效應」。為了處理滲流場的「邊界效應」，根據直線不滲透邊界的匯點反應法，不滲透邊界可以當作鏡面，在其另一側的對稱位置上反映一口等強度的虛擬生產井(如果有邊界則同時在對。稱位置上反映同類型邊界)，這時形成的滲流場和邊界對井的影響形成的滲流場完全相同，稱之為「鏡面效應」，因此解決了邊界效應對滲流場的影響。當水合物三維實驗物理模型需要擴展到無限大地層中，須形成四壁的滲流場的不滲透直線邊界及溫度場的絕熱邊界。五點井網法、七點井網法和九點井網法是傳統用於開採石油天然氣的布井法。五點井網法指的是注入井與產出井交替排布，每個注入井周圍有四個產出井，同樣的每個產出井周圍有四個注入井，產注比為1 1 ；七點井網法指的是每個注入井周圍有六個產出井但每個產出井周圍有兩個或四個注入井，產注比為2 1 ；九點井網法指的是每個注入井周圍有八個產出井但每個產出井周圍有兩個或四個注入井，產注比為3 1。由於本實驗溫度邊界條件可以認為是絕熱邊界條件，滲流場邊界條件是直線不滲透邊界。根據邊界的「鏡面效應」本實驗的井網設置可以滿足擴展到無限大地層中去，符合無限大地層中五點法，七點法和九點法井網排布的規則。由於甲烷水合物的開採的特殊性，井的鑽入深度不相同，注入井需要鑽入水合物藏底層，用以加熱水合物藏，分解水合物；開採井只需要鑽入水合物藏頂層即可，由於水合物分解產生的甲烷氣向上運動，開採井置於頂層有利於開採的開展。本實用新型的目的就是提供一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，該實驗裝置通過實驗實現對水合物多井開採的模擬，從而使三維模擬實驗得到擴展。如圖1所示，本實用新型實施例的一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，包括三維高壓反應釜3、進口控制單元200、出口控制單元300、數據處理單元400。所述三維高壓反應釜3分別與進口控制單元200、出口控制單元300、數據處理單元400連接；所述進口控制單元200、出口控制單元300內的感應元件均通過信號線和數據線與數據處理單元400連接。三維高壓反應釜3內為密封的模擬腔101，並在模擬腔中布置井網4，所述井網4 為伸入模擬腔101內部的井。三維高壓反應釜3中布置壓力傳感器6和溫度傳感器7，用以監控開採過程的變化。整個三維高壓反應釜3置於恆溫室5中，用以保持恆定的溫度。該三維高壓反應釜3上設置有進口控制單元200與出口控制單元用以控制天然氣水合物的生成與開採。模擬腔101內填充有多孔介質，作為水合物生成的空間，用於模擬海底環境。如圖1所示，進口控制單元200用於向三維高壓反應釜3內輸入水、天然氣，並控制輸入的天然氣的壓力，該進口控制單元200包括依次連接的溶液罐8、注液泵9、加熱罐 10，及依次連接的氣源裝置1、氣體流量計2。氣體經由氣源裝置1和氣體流量計2注入三維高壓反應釜3，溶液經由溶液罐8，注液泵9和加熱罐10注入三維高壓反應釜3。出口控制單元300用於控制模擬開採之後的天然氣、水的輸出壓力，並計量輸出的天然氣和水，該出口控制單元包括電子天平13、及依次連接的回壓閥11、氣液分離器12、 氣體流量計2，所述電子天平13連接至氣液分離器12。天然氣和水經由回壓閥11流出，通過氣液分離器12，分為分解氣15和分解水14，分解氣由氣體流量計2計量，分解水由電子天平13計量。數據處理單元400用於採集和處理各感應元件的感應信號，數據處理單元400可以採用數據採集箱16和計算機17實現。其中，所述三維高壓反應釜3包括釜體和釜體蓋板，釜體蓋板與釜體之間固定密封；釜體與釜體蓋板之間的密封腔構成所述模擬腔101，釜體的內壁為平面壁面，構成不滲透直線邊界，釜體的四周的內壁上設置有絕熱層。較佳地，所述釜體的外壁為正方體或圓柱體，模擬腔為正方體。本實用新型實施例中，三維高壓釜3、進口控制單元200、出口控制單元300、數據處理單元400均採用現有三維水合物開採物理模擬技術，以下詳細說明三維高壓反應釜內的多井布井。本實施例中採用所述三維高壓反應釜的耐壓範圍為0 40MPa ；所述模擬腔的體積為0. IL 500L。請參閱圖2，三維高壓反應釜3上設有若干伸入模擬腔101內部的井，包括一個中心垂直井和若干垂直旁側井。將模擬腔沿垂直方向分為η個水平層面，優選4層，如圖2所示的從頂層102開始，102到A-A層為第一層Hl，A-A層到B-B層為第二層Η2，Β_Β層到C-C 層為第三層Η3，C-C層到底層103為第四層Η4，各根垂直井管分別伸入至模擬腔內的不同深度的水平層面上。伸入模擬腔101內部的垂直井有5組或9組(優選9組)在9組的情形下，其中 8組作為垂直旁側井，分別為第一垂直旁側井VI、第二垂直旁側井V2、第三垂直旁側井V3、 第四垂直旁側井V4、第六垂直旁側井V6、第七垂直旁側井V7、第八垂直旁側井V8和第九垂直旁側井V9，另一組垂直中心井V5作為中心垂直井。當設置為5組時，其中4組作為垂直旁側井、分別為第一垂直旁側井VI，第三垂直旁側井V3，第七垂直旁側井V7和第九垂直旁側井V9，另一組作為中心垂直井，為垂直中心井V5。4組或8組垂直旁側井呈正方形分布，並緊貼三維模型模擬腔內壁面(在模擬腔的內壁側設有絕熱板時，各組垂直旁側井緊貼絕熱板)。而剩餘的1組(如圖2所示的V5) 作為垂直中心井，設在垂直旁側井的正中央，即模擬腔垂直方向上的中心。其中，垂直中心井23伸入至最底層103水平層，垂直旁側井(19、20、21、22，24、25、 26,27)伸入至最高層水平層的A-A層。[0065]本實用新型中在每根井管100的井壁上均勻刻有槽104，如圖3所示的實施例，在進壁上刻有4條槽104，長度與水平層的厚度相同，用以模擬垂直井射孔。以下對本實用新型實施例的天然氣水合物三維多井聯合實驗裝置的工作原理做詳細說明採用上述天然氣水合物三維多井聯合實驗裝置進行三維多井模擬實驗時，如圖1 所示，通過調節恆溫室5以設定實驗環境溫度；通過進口控制單元200注入天然氣和水，控制壓力，模擬天然氣水合物的生成過程；當天然氣水合物生成完成後，通過控制進口控制單元200與出口控制單元300，模擬天然氣水合物的開採過程；實驗完成後通過數據處理單元 400處理數據。基於上述實施例，本實用新型實施例還提供了一種基於上述所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置的三維模擬實驗方法，主要包括以下步驟通過調節恆溫室溫度控制部分的溫度以設定實驗環境溫度；通過進口控制單元向三維高壓反應釜內注入天然氣和水，控制壓力，模擬天然氣水合物的生成過程；當天然氣水合物生成完成後，通過控制進口控制單元與出口控制單元，模擬天然氣水合物的開採過程；通過出口控制單元控制模擬開採之後的天然氣、水的輸出壓力；並通過數據處理單元採集和處理各感應元件的感應信號，其中，模擬開採之前的溶液依次經由進口控制單元的溶液罐、注液泵、和加熱罐注入三維高壓反應釜；氣體經由進口控制單元的氣源裝置和氣體流量計注入三維高壓反應
^fe 模擬開採之後的天然氣和水經由回壓閥流出，通過氣液分離器，分為分解氣和分解水，分解氣由氣體流量計計量，分解水由電子天平計量，具體如上所述。如圖3所示，所述三維模擬實驗方法，其中，當實驗需要模擬五點法井網時，打開垂直旁側井的Vl 19，V3 21，V7 25和V9 27井口作為採出井，以垂直中心井V5 23作為注入井；當實驗需要模擬七點法井網時，打開垂直旁側井的Vl 19，V2 20，V3 21，V7 25，V8 沈和￥9 27井口作為採出井，以垂直中心井V5 23作為注入井；當實驗需要模擬九點法井網時，打開垂直旁側井的 Vl 19，V2 20，V3 21，V4 22，V6 24，V7 25，V8 26 和 V9 27 井口作為採出井，以垂直中心井V5 23作為注入井。通過控制進口控制單元200與出口控制單元300，模擬天然氣水合物的開採過程。 實驗完成後通過數據處理單元400處理數據。綜上所述，本實用新型所提供的天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置及其實驗方法，可以模擬多井聯合開採水合物；適用於各種大小的三維高壓反應釜；可以讓三維水合物物理模擬裝置由受局限的實驗室尺度，放大到無限大地層上去，其可以綜合研究各種開採機理、開採動態、並對各種開採方法進行優化和綜合評價；為大規模開採天然氣水合物提供實驗基礎和依據。應當理解的是，本實用新型的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本實用新型所附權利要求的保護範圍。
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權利要求1.一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，包括三維高壓反應釜、 進口控制單元、出口控制單元、數據處理單元；所述三維高壓反應釜分別與進口控制單元、出口控制單元、數據處理單元連接；所述進口控制單元、出口控制單元內的感應元件均通過信號線和數據線與數據處理單元連接；三維高壓反應釜內為密封的模擬腔，模擬腔內填充有多孔介質，用於模擬海底環境，並在模擬腔中布置用於模擬開採的井網；進口控制單元用於向三維高壓反應釜內輸入水、天然氣，並控制輸入的天然氣的壓力；出口控制單元用於控制模擬開採之後的天然氣、水的輸出壓力；數據處理單元用於採集和處理各感應元件的感應信號；其中，所述三維高壓反應釜上設有若干伸入模擬腔內部的井，包括一個中心垂直井和若干垂直旁側井；將模擬腔沿垂直方向分為η個水平層面，各垂直井管分別伸入至模擬腔內的不同深度的水平層面上。
2.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，所述三維高壓反應釜中布置用以監控開採過程變化的壓力傳感器和溫度傳感器；所述高壓反應釜置於恆溫室中，用以保持恆定的溫度；所述進口控制單元內包括依次連接的溶液罐、注液泵、加熱罐，及依次連接的氣源裝置、氣體流量計；溶液依次經由溶液罐、注液泵、和加熱罐注入三維高壓反應釜；氣體經由氣源裝置和氣體流量計注入三維高壓反應釜；所述出口控制單元包括電子天平、及依次連接的回壓閥、氣液分離器、氣體流量計，所述電子天平連接至氣液分離器；天然氣和水經由回壓閥流出，通過氣液分離器，分為分解氣和分解水，分解氣由氣體流量計計量，分解水由電子天平計量。
3.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，所述三維高壓反應釜包括釜體和釜體蓋板，釜體蓋板與釜體之間固定密封；釜體與釜體蓋板之間的密封腔構成所述模擬腔，釜體的內壁為平面壁面，構成不滲透直線邊界，釜體的四周上設置有絕熱層。
4.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，伸入模擬腔內部設置的垂直井為5組或9組；當設置為5組時，其中4組作為垂直旁側井、分別為第一垂直旁側井(Vl)，第三垂直旁側井(V3)，第七垂直旁側井(V7)和第九垂直旁側井(V9)，另一組作為中心垂直井，為垂直中心井(V5)；當設置為9組時，其中8組作為垂直旁側井，分別為第一垂直旁側井(Vl)、第二垂直旁側井(^)、第三垂直旁側井(M)、第四垂直旁側井(V4)、第六垂直旁側井(V6)、第七垂直旁側井(V7)、第八垂直旁側井(V8)和第九垂直旁側井(V9)，另一組垂直中心井(％)作為中心垂直井；其中4組或8組垂直旁側井呈正方形分布，並緊貼模擬腔內壁面，而作為垂直中心井的另一組，設在垂直旁側井的正中央，即模擬腔垂直方向上的中心。
5.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，所述垂直中心井伸入至最底層水平層，垂直旁側井伸入至最頂層水平層。
6.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，每根井管上均勻刻槽4條，長度與水平層的厚度相同，用以模擬垂直井射孔。
7.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，所述釜體的外壁為正方體或圓柱體，模擬腔為正方體。
8.根據權利要求1所述天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，其特徵在於，所述三維高壓反應釜的耐壓範圍為0 40MPa ；所述模擬腔的體積為0. IL 500L。專利摘要本實用新型公開了一種天然氣水合物三維多井聯合開採實驗裝置，所述裝置包括三維高壓反應釜、進口控制單元、出口控制單元、數據處理單元，所述三維高壓反應釜上設有若干伸入模擬腔內部的井，包括一個中心垂直井和若干垂直旁側井；將模擬腔沿垂直方向分為n個水平層面，各垂直井管分別伸入至模擬腔內的不同深度的水平層面上。可以模擬多井聯合開採水合物；其可以綜合研究各種開採機理、開採動態、並對各種開採方法進行優化和綜合評價；該實驗裝置通過實驗實現對水合物多井開採的模擬，從而使三維模擬實驗得到擴展，為大規模開採天然氣水合物提供實驗基礎和依據。
文檔編號E21B43/14GK202220587SQ20112033162
公開日2012年5月16日 申請日期2011年9月5日 優先權日2011年9月5日
發明者張鬱, 李剛, 李小森, 王屹, 陳朝陽, 黃寧生 申請人:中國科學院廣州能源研究所