一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置的制作方法

本发明公开了一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置，涉及天然气水合物开发领域，具体是用于模拟天然气水合物压裂作业的一种室内实验装置。

背景技术：

天然气水合物(naturalgashydrate，简称ngh)，是天然气在一定的低温、高压下与水形成的非化学计量笼形化合物，也被称为“可燃冰”。1m³天然气水合物可含164m³甲烷气和0.8m³的水。“可燃冰”是天然气的附生产品，应用范围与天然气大致相同，是一种典型的石油替代品。“可燃冰”极易燃烧，在同等条件下，“可燃冰”燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要高出数十倍，被誉为“属于末来的超级能源”。

我国的可燃冰储量十分丰富，根据调查研究，我国的天然气水合物主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带。

目前天然气水合物开采技术仍处于摸索阶段，世界各国对天然气水合物的开发尚未制定出一套成型的标准，室内实验研究的方法仍是可燃冰开采技术研究的主体，常用的检测天然气水合物的方法有光学方法、声学方法和电学方法等。例如，天然气水合物在纯水中的生成和分解可以根据光通率的变化进行判断，在一定压力下降低温度，水合物大量生成时光通率突然降低，随后慢慢升温，水合物分解时光通率又突然上升。但是为了模拟海洋天然气水合物，需采用水、砂、天然气等混合物，因其不透明，光通率检测方法的效果不明显。其他监测方法，如超声监测方法、时域反射(tdr)技术和成像(ct)技术等，也可以直观、准确、定量观察和计算天然气水合物的生成和分解。

cn103206210b公布一种热流体压裂开采天然气水合物藏的实验装置，通过水合物岩芯三轴压裂系统、压裂注水系统、天然气开采系统和声发射监测系统实施天然气水合物模拟实验。但其压裂液注入管线入口连接于三轴仪上部的压力板，难以模拟实际生产中井筒压裂的方法，对实验结果精度会有一定的影响，且观察压裂效果时采用声发射监测系统，对实验结果的精度也会有一定的影响。有鉴于此，本发明人提出一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置，以满足目前三维模拟实验装置的要求，可模拟天然气水合物藏及水平井布井方式，本发明实验装置采用三维可视化方式对开采天然气水合物实施模拟压裂，并通过x射线成像对压裂裂缝参数实施采集，本发明对天然气水合物压裂机理研究有一定的指导作用。

技术实现要素：

本发明公开了一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置，装置包括供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统、压裂系统以及监控系统，本发明采用填砂箱作为模拟系统的主体，用以模拟天然气水合物藏及水平井布井方式，通过供气系统、供液系统向模拟系统中供给天然气和水形成天然气水合物，通过生产系统对模拟储藏实施降压开采，通过压裂系统对模拟天然气水合物储藏实施压裂作业，通过监控系统对实验过程实施全程监控，本发明实验装置采用三维可视化方式对开采天然气水合物实施模拟压裂，并通过x射线成像对压裂裂缝参数实施采集，本发明对天然气水合物压裂机理研究有一定的指导作用。

其中所述供气系统与模拟系统相连接，所述供液系统与模拟系统相连接，所述生产系统与模拟系统相连接，所述压裂系统与模拟系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统、压裂系统相连接。

所述供气系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供水；所述生产系统用于模拟降压法开采，采出所述模拟系统中产生的天然气和水，并分析所述天然气产量、水产量；所述压裂系统用于对模拟系统实施压裂作业；所述模拟系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，并模拟天然气水合物藏中水平井布井方式，并通过x射线成像对压裂裂缝参数实施采集；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统、压裂系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

优选的，本发明的供气系统包括天然气瓶、调节阀门、增压装置、气体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；天然气瓶出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于天然气瓶和增压装置之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，气体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述模拟系统相连接。

所述供气系统中天然气瓶为常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述气体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组。

优选的，本发明的供液系统包括储水装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、分接阀门；储水装置出口通过高压管线连接于增压装置入口，调节阀门位于储水装置和增压装置之间，起到调节水供给速度作用，增压装置出口通过高压管线连接于分接阀门入口，液体流量计、压力传感器、温度传感器位于增压装置与分接阀门之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门出口与所述模拟系统相连接。

所述供液系统中储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备，所述储水装置内部液体包括地层水、海水、模拟地层水及其他实验用水，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述液体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述分接阀门为具有分流功能的常规室内实验设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组。

优选的，本发明的压裂系统包括储水装置、搅拌装置、调节阀门、增压装置、液体流量计、压力传感器、温度传感器、高压管线、止回阀、模拟井口连接装置；储水装置出口通过高压管线连接于搅拌装置入口，用于将储水装置内部配液水供入搅拌装置，并在搅拌装置中混合配液水和添加剂形成压裂液，搅拌装置出口通过高压管线连接增压装置入口，调节阀门位于搅拌装置和增压装置之间，增压装置出口通过高压管线连接于模拟井口连接装置，液体流量计、压力传感器、温度传感器、止回阀位于增压装置与模拟井口连接装置之间，起到监测压裂液流量、压力、温度的作用，并防止压裂液回流，模拟井口连接装置与所述模拟系统相连接。

所述压裂系统中储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备，所述储水装置内部液体包括适用于配置压裂液的实验用水，所述搅拌装置为具有搅拌功能的常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述增压装置可以是恒速泵组、恒流泵组、恒压泵组以及其他应用于室内实验的泵组，所述液体流量计、压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述止回阀为具有单项流通功能的常规室内实验设备，所述模拟井口连接装置为具有连接模拟井口及密封功能的常规室内实验设备。

优选的，本发明的生产系统包括模拟井口连接装置、调节阀门、压力传感器、温度传感器、高压管线、回压阀、气液分离器、储水装置、气体中间容器；回压阀入口与模拟井口连接装置通过高压管线连接，调节阀门、压力传感器、温度传感器位于模拟井口连接装置与回压阀之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀起到模拟地层压力作用，所述回压阀出口与气液分离器相连接，气液分离器将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置，产出气供入气体中间容器；模拟井口连接装置与模拟系统相连接，模拟系统工作产生的产出物通过模拟井口连接装置进入生产系统。

所述生产系统中模拟井口连接装置为具有连接模拟井口及密封功能的常规室内实验设备，所述调节阀门为具有信号传输及远程控制功能的常规调节阀门设备，所述压力传感器、温度传感器为具有信号传输功能的常规室内实验设备，所述回压阀为具有回压功能的常规室内实验设备，所述气液分离器为具有气液分离功能的常规室内实验设备，所述储水装置包括水瓶、中间容器、烧杯及其他具有储水功能的常规室内实验设备。

优选的，本发明的模拟系统包括恒温箱、反应容器、模拟井口、供气入口、供液入口、压力传感器、温度传感器、螺栓孔、上盖板、模拟井筒、模拟砂体、x射线发生器、x射线检出器；反应容器为长方体钢化玻璃，所述上盖板位于所述反应容器上部，由螺栓孔用螺栓密封形成的长方体密闭空间，模拟井口、压力传感器、温度传感器均位于上盖板表面，所述供气入口、供液入口位于反应容器表面，模拟砂体位于反应容器内部，模拟井筒位于模拟砂体内部，所述x射线发生器、x射线检出器位于反应容器两侧，所述反应容器、模拟井口、供气入口、供液入口、压力传感器、温度传感器、螺栓孔、上盖板、模拟井筒、模拟砂体、x射线发生器、x射线检出器均位于恒温箱内。

所述反应容器为凹槽型长方体钢化玻璃，其高度、宽度范围为20-50cm，长度范围为0.5-1m，厚度范围为3-10cm，最高模拟储藏压力35mpa，所述反应容器与上盖板接触面设有密封环，用于增加模拟系统密封性，所述密封环材质为耐高压橡胶，所述温度传感器为具有温度监测功能及信号传输功能的常规室内实验设备，所述压力传感器为具有压力监测功能及信号传输功能的常规室内实验设备，所述模拟砂体包括石英砂、岩心粉末及其他常规模拟储藏砂体。

所述模拟井筒包括不锈钢管、密封原件及可抽取式填充物，通过密封原件将模拟井筒固定于上盖板表面，不锈钢管包括模拟直井段、模拟水平段及模拟射孔，用以模拟天然气水合物储藏中的水平井，所述可抽取式填充物包括橡胶棒、尼龙棒，及其他具有耐低温、具有形变功能、具有一定强度的填充物。

所述模拟井筒具体使用方法为：在反应容器中加入模拟砂体时，将模拟井筒放置于模拟砂体中，可抽取式填充物放置于不锈钢管内部，向反应容器中供入天然气和水并保持低温高压，模拟砂体内部形成天然气水合物并保持稳定后，将可抽取式填充物取出，并将密封原件调制闭合状态。

所述供气系统中分接阀门通过高压管线与供气入口相连接，所述供液系统所中分接阀门通过高压管线与供液入口相连接，所述压裂系统中模拟井口连接装置与模拟井口相连接，所述生产系统中模拟井口连接装置与模拟井口相连接。

所述x射线发生器、x射线检出器与监控系统中计算机相连接，发出并接收x射线信号，利用不同密度物质对x射线的吸收与透过率不同，通过计算机对数据进行处理后，可以得到模拟系统内部模拟砂体的三维立体图像，可对天然气水合物储藏压裂裂缝的长度、宽度、方向及其他压裂参数进行直观观察。

优选的，本发明的监控系统包括计算机和传输电缆，所述供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、x射线成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。

本发明实施例的一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置有益效果为：

1)本发明中供气系统与供液系统相互独立，在反应容器表面有多个供气入口及供液入口，使注入反应容器内部的天然气和水分部更为均匀，且相互独立的供给管路在向模拟系统中注入天然气和水时注入精度较高，通过控制供气系统及供液系统注入量，可模拟不同天然气水合物饱和度储藏。

2)本发明模拟系统中反应容器主体钢化玻璃为透明的，可以观察到天然气水合物生成及分解时不同时间段模拟砂体的变化，对天然气水合物物性研究有一定的指导作用。

3)基于监控系统的应用，可有效采集试验中不同时间区段中温度、压力及其他实验数据，可实时录入计算机中进行数模分析，用于将物理模拟实验结果与数值模拟实验结果相结合。

4)基于模拟井筒的使用，可有效模拟天然气水合物储藏中井筒及射孔段，射孔段位置可根据实验参数进行调节，模拟井筒的使用可提高模拟压裂实验精度。

5)基于压裂系统及x射线发生器、x射线检出器的应用，可以有效对模拟天然气水合物储藏实施压裂作业，并通过x射线发生器、x射线检出器对压裂裂缝的长度、方向实施三维同步可视化显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实验装置的结构示意图。

图2为供气系统详细结构示意图。

图3为供液系统详细结构示意图。

图4为压裂系统详细结构示意图。

图5为生产系统详细结构示意图。

图6为模拟系统详细结构示意图。

图7为模拟系统侧视图。

图8为上盖板布置示意图。

图9为模拟井筒结构示意图。

附图标号：1、天然气瓶2、调节阀门3、增压装置4、气体流量计5、压力传感器6、温度传感器7、高压管线8、分接阀门9、储水装置10、液体流量计11、搅拌装置12、止回阀13、模拟井口连接装置14、回压阀15、气液分离器16、气体中间容器17、恒温箱18、反应容器19、螺栓孔20、上盖板21、供气入口22、供液入口23、模拟井筒24、模拟砂体25、模拟井口26、x射线发生器27、x射线检出器28、可抽取式填充物29、密封原件30、不锈钢管31、模拟射孔32、模拟直井段33、模拟水平段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置的结构示意图，包括供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统、压裂系统以及监控系统；其中所述供气系统与模拟系统相连接，所述供液系统与模拟系统相连接，所述生产系统与模拟系统相连接，所述压裂系统与模拟系统相连接，所述监控系统分别与所述供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统、压裂系统相连接。

所述供气系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供天然气；所述供液系统用于为所述模拟系统内部合成天然气水合物提供水；所述生产系统用于模拟降压法开采，采出所述模拟系统中产生的天然气和水，并分析所述天然气产量、水产量；所述压裂系统用于对模拟系统实施压裂作业；所述模拟系统用于模拟天然气水合物藏压力、温度、饱和度、渗透率及常规地层参数，并模拟天然气水合物藏中水平井布井方式，并通过x射线成像对压裂裂缝参数实施采集；所述监控系统用于实时收集所述供气系统、供液系统、模拟系统、生产系统、压裂系统工作参数，记录工作参数所产生的数据，并通过监控系统控制实验操作。

下面对上述的一种天然气水合物水平井压裂模拟的实验装置进行进一步的描述：

如图2所示，本实施例中，供气系统包括天然气瓶1、调节阀门2、增压装置3、气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、分接阀门8。

天然气瓶1出口通过高压管线7连接于增压装置3入口，调节阀门2位于天然气瓶1和增压装置3之间，起到调节天然气供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8入口，气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测气体流量、压力、温度的作用，分接阀门8出口与所述模拟系统相连接，用作向模拟系统供应天然气。

如图3所示，本实施例中，供液系统包括储水装置9、调节阀门2、增压装置3、液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、分接阀门8。

储水装置9出口通过高压管线7连接于增压装置3入口，调节阀门2位于储水装置9和增压装置3之间，起到调节水供给速度作用，增压装置3出口通过高压管线7连接于分接阀门8入口，液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6位于增压装置3与分接阀门8之间，起到监测液体流量、压力、温度的作用，分接阀门8出口与所述模拟系统相连接，用作向模拟系统供应水。

如图4所示，本实施例中，压裂系统包括储水装置9、搅拌装置11、调节阀门2、增压装置3、液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、止回阀12、模拟井口连接装置13。

储水装置9出口通过高压管线7连接于搅拌装置11入口，用于将储水装置9内部配液水供入搅拌装置11，并在搅拌装置11中混合配液水和添加剂形成压裂液，搅拌装置11出口通过高压管线7连接增压装置3入口，调节阀门2位于搅拌装置11和增压装置3之间，增压装置3出口通过高压管线7连接于模拟井口连接装置13，液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6、止回阀12位于增压装置3与模拟井口连接装置13之间，起到监测压裂液流量、压力、温度的作用，并防止压裂液回流，模拟井口连接装置13与所述模拟系统相连接。

如图5所示，本实施例中，生产系统包括模拟井口连接装置13、调节阀门2、压力传感器5、温度传感器6、高压管线7、回压阀14、气液分离器15、储水装置9、气体中间容器16。

回压阀14入口与模拟井口连接装置13通过高压管线7连接，调节阀门2、压力传感器5、温度传感器6位于模拟井口连接装置13与回压阀14之间，起到监测产出物压力、温度的作用，回压阀14起到模拟地层压力作用，所述回压阀14出口与气液分离器15相连接，气液分离器15将产出物实施气液分离，并将产出水供入储水装置9，产出气供入气体中间容器16，模拟井口连接装置13与模拟系统相连接，模拟系统工作产生的产出物通过模拟井口连接装置13进入生产系统。

如图6、7、8所示，本实施例中，模拟系统包括恒温箱17、反应容器18、模拟井口25、供气入口21、供液入口22、压力传感器5、温度传感器6、螺栓孔19、上盖板20、模拟井筒23、模拟砂体24、x射线发生器26、x射线检出器27。

反应容器18为长方体钢化玻璃，上盖板20位于反应容器18上部，由螺栓孔19用螺栓密封形成的长方体密闭空间，模拟井口25、压力传感器5、温度传感器6均位于上盖板20表面，所述供气入口21、供液入口22位于反应容器18表面，模拟砂体24位于反应容器18内部，模拟井筒23位于模拟砂体24内部，所述x射线发生器26、x射线检出器27位于反应容器18两侧，反应容器18、模拟井口25、供气入口21、供液入口22、压力传感器5、温度传感器6、螺栓孔19、上盖板20、模拟井筒23、模拟砂体24、x射线发生器26、x射线检出器27均位于恒温箱17内。

如图7所示，为模拟系统侧视图，在反应容器18表面供气入口21、供液入口22呈错位对齐分部，x射线发生器26、x射线检出器27位于反应容器18两侧，如图8所示，为上盖板布置示意图，模拟井口25、压力传感器5、温度传感器6布置于上盖板20表面，x射线发生器26、x射线检出器27位于反应容器18两侧。

如图9所示，为模拟井筒结构示意图，模拟井筒23包括不锈钢管30、密封原件29及可抽取式填充物28，通过密封原件29将模拟井筒23固定于上盖板20表面，不锈钢管30包括模拟直井段32、模拟水平段33及模拟射孔31，用以模拟天然气水合物储藏中的水平井。

在本实施例中，所述监控系统包括计算机(图中未视)和传输电缆(图中未视)，所述供气系统、供液系统、模拟系统、压裂系统、生产系统通过传输电缆与计算机相连接，用以在实验过程中实时采集温度、压力、产出物流量、x射线成像及其他实验数据，并通过监控系统控制实验操作。

下面基于上述附图对本发明实施例装置工作流程进行如下介绍，本发明实施例工作流程分成以下步骤：

步骤一：通过模拟系统模拟实际天然气水合物储藏，在反应容器18中装填模拟砂体24铺平压实，在装填模拟砂体24过程中下入模拟井筒23，将模拟井口25与上盖板20连接、密封，将压力传感器5、温度传感器6与上盖板20表面连接、密封，通过螺栓孔19及螺栓将反应容器18与上盖板20进行螺栓密封形成模拟地层空间，将模拟系统放入恒温箱17；模拟砂体24用量、模拟井筒23长度及下入深度及其他常规参数根据实际储藏参数进行调整。

通过供气系统、供液系统像模拟系统中供入天然气和水生成天然气水合物，供气系统、供液系统中的增压装置3为模拟系统提供工作压力，将恒温箱17调节至模拟温度，将供气系统中调节阀门2开启，天然气瓶1中天然气进入增压装置3中增压，通过分接阀门8连接模拟系统中供气入口21，开启增压装置3将天然气供入模拟系统中，通过气体流量计4、压力传感器5、温度传感器6实时监测供气参数，供入天然气到达预定量后关闭分接阀门8以形成密闭空间；将供液系统中调节阀门2开启，储水装置9中供给水进入增压装置3中增压，通过分接阀门8连接模拟系统中供液入口22，开启增压装置3将供给水供入模拟系统中，通过液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6实时监测供液参数，供给水到达预定量后关闭分接阀门8以形成密闭空间；待天然气及供给水进入模拟系统后，将模拟系统恒温放置，待生成的天然气水合物物性稳定后进行下一步操作。

步骤二：通过生产系统实施降压开采，将模拟井筒23中可抽取式填充物28抽出；将生产系统中模拟井口连接装置13与模拟井口25连接，将回压阀14调制模拟储藏压力，将调节阀门2开启，实施模拟降压开采，通过气液分离器15对产出物实施气液分离，通过储水装置9对采出水进行收集，通过气体中间容器16对产出气进行收集，通过压力传感器5、温度传感器6实时记录模拟降压开采参数；通过模拟系统中压力传感器5、温度传感器6实时记录降压开采过程中模拟系统中开采参数。

步骤三：通过压裂系统对模拟系统实施压裂作业，将模拟井口25关闭，拆除生产系统，将模拟井口25与压裂系统中模拟井口连接装置13相连接，将储水装置9内部配液水供入搅拌装置11，并在搅拌装置11中混合配液水和添加剂形成压裂液，开启调节阀门2，将搅拌装置11中压裂液供入增压装置3，并经由增压装置3、高压管线7、止回阀12、模拟井口连接装置13将压裂液注入模拟井口25，对模拟系统实施压裂作业，通过液体流量计10、压力传感器5、温度传感器6实时监测注入参数，供入压裂液到达预定量后关闭增压装置3、调节阀门2；压裂作业时通过x射线发生器26、x射线检出器27实时监测压裂裂缝变化数据，并通过监控系统储存。

上述步骤进行过程中，所述监控系统通过压力传感器5、温度传感器6、气体流量计4、液体流量计10进行实时监测，并记录实验各个阶段具体参数，通过连接调节阀门2对实验过程进行操控。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。