天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法

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天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法
技术领域
[0001] 本发明涉及天然气水合物开发领域，一套针对不同工况环境下进行相关模拟研究的实验装置与技术，特别是涉及一种天然气水合物开采全过程模拟实验系统及模拟方法，具体适用于天然气水合物成藏模拟，高压水合物地层钻井模拟，多种方法开采过程模拟，开采后期气体分离收集。
背景技术
[0002] 天然气水合物具有储量大、分布广、能量密度高、清洁环保等优点，近十年来天然气水合物的基础研究方面取得了较大的进展，并在世界各地的海底沉积物与冻土区发现了丰富的天然气水合物分布。若能进行科学合理开发利用天然气水合物，对于改善能源结构、保护环境，促进经济社会的可持续发展具有重大战略意义。
[0003] 天然气水合物藏通常具有渗透率低、埋藏深、气体组分复杂等特点。同时，水合物开发与深水技术密切相关，目前世界上只有少数国家掌握这一技术，天然气水合物的开发模拟研究，必然从侧面积极推动深水技术的迅速发展，对深水石油天然气等资源的开发起到重要的作用。由于水合物开采过程的隐蔽性和复杂性，通常开采现场试验只能测得多重工艺参数的综合效果，而且目前对井下地层参数还不能直接测定。因而，现场试验并不是完全理想的、经济的和科学的试验方法。对天然气水合物藏的描述只涉及水合物产状、储量估算等方面，还不能进行定量的精细描述；已经提出的天然气水合物藏的开采模式基本上都是实验室模拟，对开采机理和开采动态的认识还比较粗浅。基于天然气水合物特殊的温度较低、压力较高和分解相变过程复杂等特点，天然气水合物的开采与传统的油气开采有很大的不同，技术难度更大，涉及到天然气水合物藏的原位合成与精细描述，含水合物地层的钻井技术与安全控制，经济可靠的水合物开采技术以及产气产水的处理与收集。这几个过程是开发安全高效的水合物开采技术密不可分的重要组成部分，是一个连续的过程。现有的天然气水合物实验模拟装置主要涉及到水合物的成藏与分解两个方面，缺少钻井过程与产气收集处理方面的研究。同时，水合物的原位合成、钻进过程、开采过程与产气收集过程是水合物开采模拟过程中一个连续并密不可分的过程，将这几个过程简单的割裂开来单独研究难以满足对开发经济高效的水合物开采技术的研究需求。
发明内容
[0004] 针对以上不足，本发明的目的之一在于提供一种天然气水合物开采全过程模拟系统，其可以真实的模拟外部环境，对水合物的成藏，水合物地层钻井，水合物开采，开采气收集四个过程进行连续的、整体的模拟，从而更加真是对开采过程、开采效果进行综合评估，为天然气水合物开采提供指导。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的方案是：
[0006] 一种天然气水合物开采全过程模拟系统，所述天然气水合物全开采过程模拟系统包括水合物成藏模拟子系统、水合物地层钻井模拟子系统、水合物开采模拟子系统、产气收集处理模拟子系统，用于分别模拟水合物成藏过程、水合物地层钻井过程、水合物分解产气过程、产气收集处理过程。
[0007] 所述水合物成藏模拟子系统包括高压反应釜、水合物岩心、第一高压气瓶、减压阀、过滤器、平衡釜、第一压力控制阀、第一电子天平、平流泵、恒温水浴；其中，所述第一高压气瓶依次经减压阀、过滤器、平衡釜、第一压力控制阀连接至气液入口，用于存放去离子水的第一储液罐放置于第一电子天平中，该第一储液罐通过平流泵连接于气液入口，在气液入口和平流泵之间设置一第一截止阀，所述平衡釜和高压反应釜均放置于恒温水浴中。
[0008] 所述水合物地层钻井模拟子系统包括伺服电机、连接齿轮、液压泵、钻柱、钻杆、钻头、开采液入口、气液出口、泥浆罐、第一泥浆泵、第二泥浆泵、加热器、溢流阀、钻井液流量计、液体流量计；其中：
[0009] 所述钻柱固定于高压反应釜上侧，钻杆穿于钻柱中并延伸至高压反应釜内，所述钻头位于钻杆的底部；
[0010] 所述伺服电机驱动与钻杆啮合的连接齿轮旋转以带动钻杆的转动；所述液压泵连接于钻杆上以提供钻杆所需的下压力；
[0011] 所述开采液入口、气液出口位于钻柱两侧；
[0012] 所述第一泥浆泵和第二泥浆泵的入口管线均与泥浆罐连接，第二泥浆泵的出口管线与加热器相连，第一泥浆泵出口管线与加热器出口管线通过三通接头汇合，三通接头出口设有温度传感器用于测量泥浆温度；混合后的泥浆连接后通过三通接头分成两路，一路通过管路经钻井液流量计与泥浆入口相连，一路通过溢流阀与泥浆罐相连；所述泥浆罐带有泥浆冷却装置、搅拌装置。实验时首先启动第二泥浆泵，提供输入泥浆压力和泥浆流量两个参数；其次调节溢流阀开度，控制模拟井底压力值。钻井液通过第一泥浆泵与第二泥浆泵注入到钻杆的中从钻头流出，再从钻杆与井眼间的环空由泥浆出口流出，通过高压除砂器、背压阀、气液分离器、经由液体流量计计量后返回到泥浆罐中，钻井过程产生的气体通过气体流量计计量。实验过程中，利用第一泥浆泵与溢流阀控制泥浆流量，通过第二流量泵与加热器控制泥浆温度。
[0013] 所述水合物开采模拟子系统主要由活塞容器、加热罐、背压阀、气液分离器、第二储液罐、第二电子天平组成。活塞容器入口与平流泵相连，出口通过管线与加热罐、截止阀与高压反应釜的开采液入口相连，在开采液入口与加热罐之间设置一第二截止阀；其中，所述气液出口设置于钻柱上并与钻头连通，所述背压阀入口通过管线与气液出口相连，出口连接至气液分离器的入口，所述气液分离器的气体出口侧连接至产气收集处理模拟子系统，所述气液分离器的液体出口侧与放置于第二电子天平上的第二储液罐相连通，且在所述气液分离器与第二储液罐之间设置第三截止阀。
[0014] 所述产气收集处理模拟子系统包括干燥器、气体流量计、储气罐、第二压力控制阀、增压泵、第二高压气瓶。其中，气液分离器的气体出口侧依次经干燥器、储气罐、第二压力控制阀、增压泵连接至第二高压气瓶，所述气体流量计设置于干燥器和储气罐之间的管路上。
[0015] 高压反应釜内布置有温度传感器与压力传感器。
[0016] 本发明的另一目的在于提供一种模拟天然气水合物开采全过程的实验方法，其通过对水合物的成藏，水合物地层钻井，水合物开采，开采气收集四个过程进行连续的、整体的模拟，从而更加真是对开采过程、开采效果进行综合评估，为天然气水合物开采提供指导。
[0017] 为实现上述目的，本发明采取的方案是：
[0018] 一种模拟天然气水合物开采全过程的实验方法，其包括以下步骤：
[0019] a.对天然气水合物成藏过程进行模拟：首先将水合物岩心填充到高压反应釜中，通过第一高压气瓶向高压反应釜中注入气体，检查系统的气密性；然后通过平流泵向高压反应釜中注入去离子水；通过第一高压气瓶向平衡釜中注入气体，然后通过第一压力控制阀向高压反应釜中注入气体到达预定的生成压力，同时设定恒温水浴温度达到预定的生成温度，开始形成水合物，通过平衡釜的压力变化获得注入气体量，通过高压反应釜中温度与压力的变化观察水合物的生成速度与生成过程；
[0020] b.对水合物地层钻井过程进行模拟：保持高压反应釜内温度不变，首先启动泥浆泵，提供输入泥浆压力和泥浆流量两个参数；其次调节溢流阀开度，控制模拟井底压力值。
钻井液通过第一泥浆泵与第二泥浆泵注入到钻杆中从钻头流出，从钻杆与井眼间的环空由气液出口流出，通过高压除砂器、背压阀、气液分离器，钻井液经由液体流量计计量后返回到泥浆罐中，钻井过程产生的气体通过气体流量计计量。实验过程中，利用第一泥浆泵与溢流阀控制泥浆流量，通过第二泥浆泵与加热器控制泥浆温度；设定液压泵的压力给钻杆提供钻进所需的下压力，启动伺服电机并设定钻速带动钻杆与钻头旋转，实现旋转钻进过程；
[0021] c.对水合物开采过程进行模拟，当钻头钻进到岩心中一定深度之后，停止伺服电机与泥浆泵，降低液压泵压力，提起钻头与钻杆，控制背压阀压力到预定的水合物开采压力；当采用降压法进行水合物开采时，控制背压阀压力低于水合物分解压力进行水合物分解；当采用注热或注化学剂开采时，水溶液或化学药剂通过平流泵、活塞容器、加热罐、开采液入口注入到钻井过程产生的钻孔中。水合物岩心中的水合物开始分解，分解产生的气水混合物通过气液出口与背压阀，然后通过气液分离器分离，产生的分解水通过第二电子天平测量，产生的气体通过气体流量计计量。
[0022] d.对开采产气采集过程进行模拟：水合物开采过程中产生的气体首先通过干燥器干燥，然后通过气体流量计注入储气罐中，当储气罐中的压力达到设定压力时，与储气罐相连的第二压力控制阀打开，同时启动增压泵，将储气罐中的压力加压注入到第二高压气瓶当中，当储气罐压力低于设定压力时，第二压力控制阀关闭；实验完成后，对干燥器中的干燥剂进行称重用于产气含水量的分析；
[0023] f.当气液出口不再产气时，升高恒温水浴温度，将高压反应釜中的水合物完全分解，剩余气体通过产气采集子系统收集到第二高压气瓶中。
[0024] 所述水合物岩心为具有孔隙度的人造或天然岩心。
[0025] 综上，本发明的优点是：本发明所述实验装置可以真实的模拟外部环境，对水合物的成藏，水合物地层钻井，水合物开采，开采气收集四个过程进行连续的、整体的模拟，从而更加真是对开采过程、开采效果进行综合评估，为天然气水合物开采提供指导。该模拟系统的实验过程简单易行，各模拟过程的可操作性强且具有实用价值。
附图说明
[0026] 图1是本发明实施例的结构示意图。
[0027] 附图标记说明：
[0028] 1、高压反应釜；2、水合物岩心；3、第一高压气瓶；4、减压阀；5、过滤器；6、平衡釜；
7、第一压力控制阀；8、第一电子天平；9、平流泵；10、活塞容器；11、加热罐；12、气液入口；
13、恒温水浴；14、伺服电机；15、连接齿轮；16、液压泵；17、钻柱；18、钻杆；19、钻头；20、开采液入口；21、气液出口；22、泥浆罐；23、第一泥浆泵；24、第二泥浆泵；25、加热器；26、溢流阀；
27、钻井液流量计；28、高压除砂器；29、背压阀；30、气液分离器；31、第二电子天平；32、液体流量计；33、干燥器；34、气体流量计；35、储气罐；36、第二压力控制阀；37、增压泵；38、第二高压气瓶。
具体实施方式
[0029] 为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0030] 实施例
[0031] 本发明的天然气水合物开采全过程模拟系统，其结构图如图1所示，它包括水合物成藏模拟子系统，水合物地层钻井模拟子系统，水合物开采模拟子系统、产气收集处理模拟子系统，能够模拟水合物的生成过程、水合物地层钻井过程、水合物分解产气过程、产气收集处理过程。
[0032] 在水合物成藏模拟子系统中，主要由高压反应釜1、水合物岩心2、第一高压气瓶3、减压阀4、过滤器5、平衡釜6、第一压力控制阀7、第一电子天平8、平流泵9、恒温水浴13组成。
平流泵9、第一高压气瓶3、减压阀4、过滤器5、平衡釜6、第一压力控制阀7通过管线与截止阀与高压反应釜1的气液入口12相连；高压反应釜1内布置有温度传感器与压力传感器，并置于恒温水浴13中。
[0033] 在水合物地层钻井模拟子系统中，主要由伺服电机14、连接齿轮15、液压泵16、钻柱17、钻杆18、钻头19、开采液入口20、气液出口21、泥浆罐22、第一泥浆泵23、第二泥浆泵
24、加热器25、溢流阀26、钻井液流量计27、液体流量计32组成。伺服电机14和连接齿轮15组合提供钻杆18旋转的动力。液压泵16提供钻井过程所需的下压力。第一泥浆泵23和第二泥浆泵24的入口管线与泥浆罐22连接，第二泥浆泵24的出口管线与加热器25的入口管线相连。三通接头包括一个入口和二个出口，其中，其入口汇合第二泥浆泵24出口管线与加热器
25出口管线，即泥浆罐22通过第一泥浆泵23和第二泥浆泵24输送的泥浆混合输出给三通接头的入口，混合后的泥浆通过三通接头的二个出口被分成两路，一路通过管路经钻井液流量计27与钻杆18相连，一路通过溢流阀26与泥浆罐22相连。三通接头的出口(当然也可以是三通接头的入口)设有温度传感器用于测量泥浆温度。泥浆罐22带有泥浆冷却装置与搅拌装置。实验时首先启动第一泥浆泵23，提供输入泥浆压力和泥浆流量两个参数；其次调节溢流阀26开度，控制模拟井底压力值。钻井液通过第一泥浆泵23与第二泥浆泵24注入到钻杆
18的中从钻头19流出，从钻杆18与井眼间的环空由气液出口21流出，通过高压除砂器28、背压阀29、气液分离器30、经由液体流量计32计量后返回到泥浆罐中，钻井过程产生的气体通过气体流量计34计量。实验过程中，利用第一泥浆泵23与溢流阀控制泥浆流量，通过第二泥浆泵24与加热器25控制泥浆温度。
[0034] 水合物开采模拟子系统主要由活塞容器10、加热罐11、高压除砂器28；背压阀29；
气液分离器30、第二电子天平31组成。活塞容器10入口与平流泵9相连，出口通过管线与加热罐11、截止阀与高压反应釜1的开采液入口20相连；气液分离器30、通过管线与截止阀与高压反应釜1的气液出口21相连，第二电子天平31用于测量气液分离器30分离出来的液体重量。
[0035] 产气收集处理模拟子系统，主要由干燥器33、气体流量计34、储气罐35、第二压力控制阀36、增压泵37、第二高压气瓶38组成。气液分离器30出口通过管线与截止阀依次连接干燥器33、气体流量计34、储气罐35、第二压力控制阀36、增压泵37与第二高压气瓶38。
[0036] 本发明中的模拟天然气水合物开采过程的实验方法，其具体过程如下：
[0037] a.对天然气水合物成藏过程进行模拟，首先将具有一定孔隙度的人造或天然岩心填充到高压反应釜1中，将系统各部分及管路连接完成。通过第一高压气瓶3向高压反应釜1中注入一定压力的气体，检查系统的气密性。然后通过平流泵9向高压反应釜1中注入一定质量的去离子水，使水合物岩心2达到一定的水含量。通过第一高压气瓶3向平衡釜6中注入一定压力的气体，然后通过第一压力控制阀7向高压反应釜1中注入气体到达预定的生成压力，同时设定恒温水浴13温度达到预定的生成温度，开始形成水合物。通过平衡釜6的压力变化获得注入气体量，通过高压反应釜1中温度与压力的变化观察水合物的生成速度与生成过程。
[0038] b.对水合物地层钻井过程进行模拟，保持高压反应釜1内温度不变，首先启动第一泥浆泵23，提供输入泥浆压力和泥浆流量两个参数；其次调节溢流阀26开度，控制模拟井底压力值。钻井液通过第一泥浆泵23与第二泥浆泵24注入到钻杆18的中从钻头19流出，从钻杆18与井眼间的环空由气液出口21流出，通过高压除砂器28、背压阀29、气液分离器30，钻井液经由液体流量计32计量后返回到泥浆罐中，钻井过程产生的气体通过气体流量计34计量。实验过程中，利用第一泥浆泵23与溢流阀26控制泥浆流量，通过第二泥浆泵24与加热器
25控制泥浆温度；设定液压泵16的压力给钻杆18提供钻进所需的下压力，启动伺服电机14并设定一定的钻速带动钻杆18与钻头19旋转，实现旋转钻进过程。
[0039] c.对水合物开采过程进行模拟，当钻头19钻进到岩心中一定深度之后，停止伺服电机14与第一泥浆泵23与第二泥浆泵24，降低液压泵16压力，提起钻头19与钻杆18，控制背压阀29压力到预定的水合物开采压力。当采用降压法进行水合物开采时，控制背压阀29压力低于水合物分解压力进行水合物分解。当采用注热或注化学剂开采时，水溶液或化学药剂通过平流泵9、活塞容器10、加热罐11、开采液入口20注入到钻井过程产生的钻孔中。水合物岩心2中的水合物开始分解，分解产生的气水混合物通过气液出口21与背压阀29，然后通过气液分离器30分离，产生的分解水通过第二电子天平31测量，产生的气体通过气体流量计34计量。
[0040] d.对开采产气采集过程进行模拟，水合物开采过程中产生的气体首先通过干燥器
33干燥，然后通过气体流量计34注入储气罐35中，当储气罐35中的压力达到一定压力时，与储气罐35相连的第二压力控制阀36打开，同时启动增压泵37，将储气罐35中的压力加压注入到第二高压气瓶38当中，当储气罐35压力低于一定压力时，第二压力控制阀36关闭。实验完成后，对干燥器33中的干燥剂进行称重用于产气含水量的分析。
[0041] f.当气液出口不再产气时，升高恒温水浴13温度，将高压反应釜1中的水合物完全分解，剩余气体通过产气采集子系统收集到第二高压气瓶38中。取出井下工具并对相关实验数据进行处理，得到不同工况条件下的试验研究结论。
[0042] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。