现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟实验系统的制作方法

本实用新型涉及石油、天然气等非常规能源开发工程技术领域，具体涉及一种现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟实验系统。

背景技术：

天然气水合物作为一种笼型化合物，是甲烷气与水在低温、高压条件下形成的固体化合物。在实际的水合物开采过程中，无论利用降压法、注热法抑或新型开采方法，产物气体与水通常都是经过分离后，分别由气体、水各自管线产出。然而，往往由于气、水分离效率有限，通常在产气油管或产水管线内又参杂少量游离水或气体，在产物从井下运输至地面过程中，当井筒内遇到合适温度、压力条件时又容易导致二次水合物的生成。在实际开采中，水合物是否会生成？在什么条件下生成？以及生成二次水合物后是直接附着在管壁还是随着流体一起流动？在不采取任何措施条件下，形成的二次水合物最终是否会堵塞井筒，造成水合物开采的安全隐患？这些都是在实际海域水合物开采过程中需要注意的问题，也是保证水合物有效开采的关键。

因此，本实用新型在实际井筒内设计模拟真实水合物开采过程中产物输送管道流动，在现场尺度揭示井筒内水合物的形成富集模式以及流动堵塞情况，以期为井筒安全防治方案设计提供参考，更好地为海域水合物开采提供技术支撑，具有现实和科学意义。

技术实现要素：

为了设计模拟真实水合物开采过程中产物输送管道流动，揭示井筒内水合物的形成富集模式以及流动堵塞情况，本实用新型提供一种现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟实验系统，在现场尺度下揭示井筒内水合物的形成富集模式以及流动堵塞情况，以期为井筒安全防治方案设计提供参考，更好地为海域水合物开采提供技术支撑，具有现实和科学意义

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟实验系统，包括试验井、水砂注入系统、气注入系统和数据采集与处理系统；

所述试验井内设置有油管、电潜泵机组和气液分离器，所述试验井的井口通过密封板密封，所述试验井内部中心处设置有油管，所述油管与试验井的内壁之间形成环空，所述油管的下端与电潜泵机组的出口相连，所述油管的上端与密封板密封连接，并通过穿设在密封板上的三相流产出管线与地面上的气水砂分离器相连，所述电潜泵机组的入口与气液分离器相连；所述环空上方的密封板上穿设有排气管线，所述排气管线连接到气体收集器；

所述水砂注入系统包括水砂注入油管，所述气注入系统包括气注入油管，所述水砂注入油管和气注入油管通入到试验井的环空内；

所述数据采集与处理系统包括DTS系统，所述DTS系统包括两根DTS电缆，两根DTS电缆分别穿过密封板进入到油管内以及环空内，DTS电缆的外侧均匀设置有探测点，探测点上设置有探头。

进一步地，所述试验井的井口半径为50cm，深200m。

进一步地，所述油管为加厚油管。

进一步地，所述水砂注入系统包括水冷系统、砂配注器和水砂混合箱，所述水冷系统包括水冷管，所述水冷管的出口和砂配注器分别连接到水砂混合箱，所述水砂混合箱通过水砂注入油管通入到试验井的环空内，所述水砂注入油管上设置有渣浆泵。

进一步地，所述水冷系统还包括水浴箱，所述水冷管盘绕在水浴箱内，所述水浴箱内，水冷管的外侧充满了冷却液，冷却液由制冷机制冷。

进一步地，所述气注入系统包括储气罐，所述储气罐通过气注入油管通入到试验井的环空内，所述气注入油管上设置有气体增压泵。

进一步地，所述气液分离器为两级分离器。

进一步地，所述排气管线的拐角处和三相流产出管线的拐角处均设置有可视窗，所述可视窗包括垂直拐角型和弧形拐角型，可视窗包括一直角金属块，所述金属块的内部分别设置成垂直拐角管路或弧形拐角管路，所述金属块的侧部设置有与拐角管路相连通的窗口，所述窗口上密封设置有玻璃。

进一步地，所述探测点在DTS电缆的外侧每隔0.5m设置一个。

本实用新型的另一个目的在于提供一种现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟方法，包括如下步骤：

S1.关闭各管线，向系统内注入5MPa气体，分段检查系统各组件的密封性，各组件密封性判断标准为整个系统内部压力稳定12小时以上；

S2.向水冷管内注满水，开启制冷机进行制冷，冷却时间至少维持24小时；

S3.打开水砂注入油管和气体注入油管，将水冷管内的冷却水注入到水砂混合箱内，打开砂配注器，匀速向冷却水中加入设定粒径的石英颗粒砂，将水砂混合物注入到试验井中；同时，打开储气罐，通过增压泵增压至5MPa后，将压力气体注入到试验井中，使水砂混合液与气体在井底混合；

S4.关闭水砂注入油管和气体注入油管，打开三相流产出管线和排气管线，调节电潜泵机组至设定流量与压力，将三相混合流体举升至地面，多相流在举升过程中DST系统全程记录油管内与环空内温度、压力、黏度变化；

S5.分别在排气管线和三相流产出管线的拐角处安装垂直拐角型可视窗和弧形拐角型可视窗，重点检查排气管线拐角处的可视窗的密封性、可视性，必要时对排气管线拐角处进行清洗后再组装，然后调节电潜泵机组至设定流量与压力，将三相混合流体举升至地面，多相流在举升过程中DST系统全程记录油管内与环空内温度、压力、黏度变化；

S6.在注水时向水中加入不同的抑制剂，通过在相同举升条件下进行对比测试，多相流在举升过程中DST系统全程记录油管内与环空内温度、压力、黏度变化。

本实用新型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，能实现真实人工举升分离后的多相流流动监测，在现场尺度下揭示井筒内水合物的形成富集模式以及流动堵塞情况，能够测试实现不同抑制剂对井筒内水合物形成的影响以及不同曲率拐角对水合物形成与堵塞的影响，可以有效地为实地水合物开采流动安全保障提供有效的设计方案，为井筒安全防治方案设计提供参考，更好地为海域水合物开采提供技术支撑，具有现实和科学意义。

附图说明

图1为本实用新型的系统的结构组成示意图；

图2为垂直拐角型可视窗结构示意图；

图3为弧形拐角型可视窗结构示意图；

上述图中：1-试验井；2-水冷系统；3-水砂混合箱；4-砂配注器；5-储气罐；6-气体增压泵；7-水砂注入油管；8-气体注入油管；9-气液分离器；10-电潜泵机组；11-油管；12-渣浆泵；13-环空；14-可视窗；15-气体收集器；16-气水砂分离器；17-数据采集与处理系统；18-排气管线；19-三相流产出管线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟实验系统，包括试验井1、水砂注入系统、气注入系统和数据采集与处理系统17；

所述试验井1的井口半径为50cm，深200m。所述试验井内设置有油管11、电潜泵机组10和气液分离器9。所述试验井1的井口通过密封板密封，所述试验井1内部中心处设置有油管11，所述油管11为加厚油管，采用型号为2-7/8”的油管，内径为62mm，外径为73mm。所述油管11与试验井1的内壁之间形成环空13，所述油管11的下端与电潜泵机组10的出口相连，所述油管11的上端与密封板密封连接，并通过穿设在密封板上的三相流产出管线19与地面上的气水砂分离器16相连，所述电潜泵机组10的入口与气液分离器9相连；所述环空上方的密封板上穿设有排气管线18，所述排气管线18连接到气体收集器15；

所述水砂注入系统包括水冷系统2、砂配注器4和水砂混合箱3，所述水冷系统包括水冷管和水浴箱，其中，水冷管为一段长30m，内径为5cm的不锈钢管，所述水冷管盘绕在水浴箱内，所述水浴箱内，水冷管的外侧充满了冷却液，冷却液由制冷机制冷，利用冷却液对水冷管内的水进行降温。水冷管的入口连接水源，出口和砂配注器4分别连接到水砂混合箱3，所述水砂混合箱3通过水砂注入油管7通入到试验井1的环空13内，所述水砂注入油管7上设置有渣浆泵12，砂浆泵12用于将水砂混合物注入到试验井1内；另外水砂注入油管7上还可以根据需要设置流量计和控制阀门。

所述气注入系统包括储气罐5，储气罐5内存储有甲烷气，所述储气罐5通过气注入油管8通入到试验井1的环空13内，所述气注入油管8上设置有气体增压泵6，气体增压泵6将气体增压到设定的压力后将气体注入到试验井1中；另外气注入油管8上还可以根据需要设置流量计和控制阀门。

水砂混合箱3将预冷后的冷却水与砂配注器4配注的砂混合均匀后通过水砂注入油管7注入到试验井1内；储气罐5内的甲烷气通过气体增压泵6增压后由气注入油管8到试验井1内，水砂注入油管7和气注入油管8延伸至井底，实现气、水、砂三相混合。然后气水砂三相混合物首先经由气液分离器9分离气体，气液分离器9为两级分离器，分离后的气体由排气管线排出，分离后水砂混合物由电潜泵机组10举升至地面，通过调节电潜泵机组10的功率可实现对试验井1内三相混合物不同举升条件下(排量或者流量)的控制。

所述数据采集与处理系统17包括DTS系统，所述DTS系统包括两根DTS电缆，两根DTS电缆分别分过密封板进入到油管11内以及环空13内，位于油管11内的DTS电缆设置在油管11的内壁上。DTS电缆的外侧均匀设置有探测点，探测点上设置有探头。所述探头分别用于监测油管11以及环空13内的温度、压力和黏度。一般，每隔0.5m设置一个探测点，实现对油管11内外不同高度的温度、压力和黏度的全监测，能够精确反应水合物开采过程中井筒内温度、压力和黏度场的变化。

所述排气管线18的拐角处与三相混合流产出管线19的拐角处均设置有可视窗，所述可视窗包括垂直拐角型和弧形拐角型，所述可视窗包括一直角金属块，所述金属块的内部分别设置成垂直拐角管路或弧形拐角管路，所述金属块的侧部设置有与拐角管路相连通的窗口，所述窗口上设置有厚度为16mm的耐高压圆形硅铝玻璃，硅铝玻璃、金属块以及拐角管路之间通过O型圈进行密封，耐压上限为10MPa。通过更换不同拐角的可视窗，可以测试和观察不同曲率的拐角对水合物形成与堵塞的影响。

本实施例的系统能实现如下功能：(一)监测在油管与井筒环空内二次水合物生成堵塞情况；(二)不同曲率拐角对水合物形成与堵塞的影响；(三)不同抑制剂作用于井筒内对水合物形成与堵塞影响效果差异。

本实用新型的设计能实现真实人工举升分离后的多相流流动情况进行监测，为实验室管道流动实验设计提供参考。此外，该实用新型在设计中可以测试实现不同抑制剂对井筒内水合物形成的影响以及不同曲率拐角对水合物形成与堵塞的影响，可以有效地为实地水合物开采流动安全保障提供有效的设计方案。

实施例2

对应实施例1的装置，实施例2提供一种现场尺度水合物开采井井筒流动安全保障模拟方法，包括如下步骤：

S1.关闭各管线，向系统内注入5MPa惰性气体(或空气)，分段检查系统各组件的密封性，各组件密封性判断标准为整个系统内部压力稳定12小时以上；

S2.向水冷管内注满水，开启制冷机进行制冷，一般情况下，制冷温度设置为0℃，当室温较高时，可将制冷温度设置在-5℃至-10℃，以提高冷却效率，冷却时间至少维持24小时；

S3.打开水砂注入油管和气体注入油管，将水冷管内的冷却水注入到水砂混合箱内，打开砂配注器，匀速向冷却水中加入设定粒径的石英颗粒砂，将水砂混合物注入到试验井中；同时，打开储气罐，通过增压泵增压至5MPa后，将压力气体注入到试验井中，使水砂混合液与气体在井底混合；

S4.关闭水砂注入油管和气体注入油管，打开三相流产出管线和排气管线，调节电潜泵机组至设定流量与压力，将三相混合流体举升至地面，多相流在举升过程中DST系统全程记录油管内与环空内温度、压力、黏度变化；

S5.分别在排气管线与三相流产出管线的拐角处安装垂直拐角型可视窗和弧形拐角型可视窗，共有有四种组合，分别为：(1)排气管线与三相产出管线的拐角处均安装弧形拐角型可视窗；(2)排气管线与三相产出管线的拐角处均安装垂直拐角型可视窗；(3)排气管线的拐角处均安装弧形拐角型可视窗，三相产出管线的拐角处均安装垂直拐角型可视窗；(4)三相产出管线的拐角处均安装弧形拐角型可视窗，排气管线的拐角处均安装垂直拐角型可视窗。重点检查排气管线拐角处的可视窗的密封性、可视性，必要时对排气管线拐角处进行清洗后再组装，然后调节电潜泵机组至设定流量与压力，将三相混合流体举升至地面，多相流在举升过程中DST系统全程记录油管内与环空内温度、压力、黏度变化；

S6.在注水时向水中加入不同的抑制剂，通过在相同举升条件下进行对比测试，多相流在举升过程中DST系统全程记录油管内与环空内温度、压力、黏度变化。

本实施例的方法能实现如下功能：(一)监测在油管与井筒环空内二次水合物生成堵塞情况；(二)不同曲率拐角对水合物形成与堵塞的影响；(三)不同抑制剂作用于井筒内对水合物形成与堵塞影响效果差异。

(一)监测在油管内二次水合物生成堵塞情况；

本实用新型装置通过直接与间接手段两种方式监测二次水合物生成与堵塞情况。

直接手段即是通过对产气管路与三相流产出管线拐角处可视窗进行肉眼观察，若观察到白色物质，则证明有水合物生成。

间接手段判断管路内水合物形成标准如下：若井筒环空/油管底部压力增加，但产气量减小则证明产气管线发生堵塞；若井底压力稳定，气、液、固三相流产量稳定，但泵出口压力增加，则证明二级分离后的三相管线流产生堵塞。另外，两根电缆上粘度计测量值若有增加也能辅助井筒内水合物生成的判断。

(二)不同曲率拐角对水合物形成与堵塞的影响；

本实用新型装置在产气管路与三相流产出管线拐角处设计两种不同曲率拐角，一种为垂直拐角型，一种为弧形拐角型，如图2和3所示。通过在不同测试实验组中安装不同拐角，可以研究不同拐角对实验井产气管路与三相流产出管线水合物形成与堵塞的影响。

(三)不同抑制剂作用于井筒内对水合物形成与堵塞影响效果差异；

本实用新型装置在实验过程中若有监测到明显的水合物形成与堵塞，则可以通过在注入水时往系统加入一定量不同抑制剂(通常为KCl、NaCl固体)，通过在相同举升条件下进行对比测试，可以研究不同抑制剂对于井筒内水合物形成与堵塞影响差异性，从而挑选出最有利抑制剂类型，为实地试开采流动安全保障方案设计提供参考。

本实用新型的设计能实现真实人工举升分离后的多相流流动情况进行监测，为实验室管道流动实验设计提供参考。此外，该实用新型在设计中可以测试实现不同抑制剂对井筒内水合物形成的影响以及不同曲率拐角对水合物形成与堵塞的影响，可以有效地为实地水合物开采流动安全保障提供有效的设计方案。

应当理解的是，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，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。