筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价系统及方法与流程

本发明属于天然气水合物开采领域，涉及海洋水合物开采过程中井底机械筛管类介质堵塞造成水合物井产能下降程度评价技术方向，具体涉及一种实际开采条件下筛管网片中水合物二次生成堵塞规律的评价系统及方法。

背景技术：

我国周边海域赋存大量的天然气水合物资源，成功开采天然气水合物资源将有助于改善我国能源结构。2017年我国在南海神狐海域的泥质粉砂型储层中开展了为期60d的首次海域天然气水合物试采，获得了30.9万方的累产气量，获得了产气时长和累产气量两项实际记录，使我国在天然气水合物资源开发国际竞争中处于领先地位。

随着试采的不断开展和对试采现象认识的不断深入，申请人发现一些原先没有考虑到的工程地质现象，已然对天然气水合物的产业化进程造成了极大困扰。比如控砂介质的工况分析、地层及管路中水合物的二次生成等。申请人更进一步地研究发现：天然气水合物开采过程中控砂筛管附加表皮系数的增大，不仅仅是由于泥质颗粒的堵塞，更重要的是在一定压降、产气产水和井底温度条件下，控砂筛管表面特别是筛网表面水合物二次生成导致的附加压降的升高。

常规的关于控砂介质造成产能影响的评价方法，主要考虑泥质颗粒的堵塞，此法已完全无法满足天然气水合物开采井风险评估的需求；水合物开采井中筛管堵塞风险、堵塞规律及其对产能影响的评价必须综合考虑泥质堵塞和水合物二次生成堵塞两方面的叠加效应。其中前者可以借鉴常规油气中泥质堵塞的评价方法，但后者为天然气水合物开采井独有的新问题，目前国内外对此的研究均为空白。因此，本发明的目的就是提出一种筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价装置及方法，以解决目前天然气水合物开采井井底筛管评价所面临的瓶颈。

技术实现要素：

本发明针对目前常规的关于控砂介质造成产能影响的评价方法无法满足天然气水合物开采井风险评估的需求，提供一种可视化的、用于实时观察控砂筛管筛网网片两侧水合物二次生成、富集及堵塞规律的实验装置与方法，从而为天然气水合物开采井不同井身结构条件下(垂直井、水平井或多分支孔)井底筛网控砂附加表皮系数计算及精准降压控温方案的制定提供基础数据，为天然气水合物开采井的出砂管理体系提供有力的支撑。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

本发明提出一种筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价系统，包括：反应釜，安装在低温恒温箱内旋转支架上，包括蓝宝石釜体、位于釜体内筛网组件及安装在釜体两端的出口端盖和入口端盖，两端盖外侧均连接高压金属管；气液混输盘管，其入口端通过循环泵连接至反应釜出口端盖，中部连接供水泵和甲烷气瓶，出口端连接真空泵及反应釜的入口端盖，气液混输盘管安装在密闭低温水浴箱内，高速摄像机安装在低温恒温箱内部正对反应釜的位置，用以捕获蓝宝石釜体内视频数据，获取筛网中水合物二次生成堵塞发生时筛网周围的流动型态变化情况；数据采集处理模块，用以采集循环泵泵速数据、气液比、系统温度、压力及高速摄像机视频数据并处理。

进一步地，所述筛网组件包括筛网网片、筛网网片支架，所述筛网网片为实际井底筛管所用的筛网，筛网网片安装在筛网网片支架上，呈长筒状，整体横置，所述筛网网片支架包括圆形筛网支架底板、筛网支架接头以及位于同一圆柱面的6-10条肋条，所述肋条一端固定在圆形筛网支架底板上，另一段固定在筛网支架接头上，所述筛网支架底板的直径等同出口端盖外侧高压金属管的直径。

进一步地，所述反应釜入口端盖的内侧连接喇叭入流口，该入流口包括喇叭外衬与喇叭内衬，之间采用密封轴承连接，轴承外缘与外衬内缘过盈配合，轴承内缘固定有连接旋塞，所述连接旋塞为一锥面钢块，连接旋塞与喇叭内衬上部焊接，连接旋塞内部设有螺旋分布的流道，流道出口在连接旋塞侧壁，入口在连接旋塞上方。

进一步地，所述喇叭内衬下缘外径与筛网支架底板的直径相同，所述入口端盖和出口端盖外的高压金属管上分别开有测压孔，两者之间连接差压计，入口端盖上的测压孔通过引压管深入到反应釜中部，所述气液混输盘管出口端通过三向转换阀门连接真空泵，另外，还包括水浴制冷柜用以给所述密闭低温水浴箱降温。

进一步地，所述的蓝宝石釜体内径30mm，长度为150mm；所述筛网网片长度为100mm，筛网支架底板直径为20mm；所述气液混输盘管在闭低温水浴箱内的有效长度为30m。

本发明另外还提出一种筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价方法，包括如下步骤：

(1)确定模拟井型，根据实际需要模拟的井型(垂直井、水平井或斜井)，确定筛网中水合物堵塞模拟评价实验所需的反应釜倾角，依次连接反应釜、真空泵、气液混输盘管、甲烷气瓶、供水泵、循环泵、水浴制冷柜及数据采集模块；

(2)抽真空，对整个系统抽真空；

(3)气液混输盘管增压，按照设定的气水比向盘管中注入定量的甲烷气和定量的水，并增压至设定压力值；

(4)倒吸循环，使气液混输盘管中的气水混合物在负压作用下吸入反应釜，然后开启循环泵，定泵频循环；

(5)启动采集，降温模拟：与步骤(4)同步地，定泵频循环过程中实时采集高速摄像机视频图像、压差、温度、压力随时间的变化；启动水浴制冷柜和低温恒温箱，设定相同的温度值，缓慢对系统降温，观察筛网表面水合物开始富集形成的临界温度条件值；

(6)选择降温模式，堵塞模拟：与步骤(4)同步地，向气液混输盘管中按比例注入甲烷气体和水，维持压力在预设值，当温度条件达到筛网表面水合物开始富集形成的临界温度条件值时，根据实际需求选择定温持续循环和持续缓慢降温循环两种模式，观察恒定温度条件下筛网中水合物堵塞规律随时间的变化规律或温度持续降低环境下筛网中水合物富集堵塞规律；

(7)调整预设压力值和气液比，循环模拟：调整系统的预设压力值或气液比条件，重复步骤(2)至步骤(6)，通过多次试验获得以温度、压力、气水比分别为坐标轴的筛网中水合物二次生成临界条件三维分布图版和筛网中水合物富集堵塞到一定程度的临界条件三维分布图版；

(8)停止模拟：当筛网两侧的压力差提升高初始压力差值的10倍以上时，停止实验。

进一步地，所述步骤(3)中定泵频循环至整个管路中的流型稳定时，继续向气液混输盘管中注甲烷气、注水，弥补由于反应釜倒吸造成的气液混输盘管压力降低。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明能够可视化观察筛网介质中不同温压-流动工况下天然气水合物的生成、富集情况，并可以通过进行室内模拟实验建立水合物二次生成造成井底控砂介质附加表皮系数响应规律的计算模型，为天然气水合物开采井控砂介质产能影响规律评价提供依据，为以防止筛管中水合物二次生成为优化目标之一的天然气水合物开采井井底降压方案的制定提供帮助。

本发明通过筛网网片的多层结构设计和筛网网片支架底板与反应釜出口端盖上的高压金属管之间的等直径设计，使实验过程中测量得到的反应釜入口-出口的压力差可以近似认为是实测的筛网网片两侧的压差，有效避免了在蓝宝石釜体表面钻孔测压的难点。

本发明喇叭入流口的结构设计，一方面避免流入的气液两相流体对筛网网片支架的直接冲击，有效保护反应釜与筛网网片支架间的密封，另一反面更重要的是促进气液两相流垂直于筛网网片流入筛网内部，形成模拟径向流，尽可能模拟真实井底流动情况。

附图说明

图1为本发明实施例所述筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价装置示意图；

图2为本发明实施例所述筛网水合物堵塞模拟反应釜示意图；

图3为本发明实施例所述筛网组件结构示意图；

图4为本发明实施例所述筛网组件侧向结构示意图；

图5为本发明实施例所述喇叭入流口结构示意图；

图6为本发明实施例所述喇叭入流口俯视结构示意图；

图7为本发明实施例所述连接旋塞结构示意图；

图8本发明实施例所述的筛网中水合物生成堵塞规律模拟方法流程图。

以上各图中：1、筛网水合物堵塞模拟反应釜；2、低温恒温箱；3、真空泵；4、密闭低温水浴箱；5、气液混输盘管；6、甲烷气瓶；7、水浴制冷柜；8、供水泵；9、循环泵；10、高速摄像机；11、数据采集模块；12、反应釜入口端盖；13、蓝宝石釜体；14、连接卡箍；15、反应釜出口端盖；16、高压金属管；17、高压软管；18、旋转支架；19、喇叭入流口；20、筛网网片；21、密封胶圈；22、筛网网片支架肋条；23、筛网支架底板；24、筛网支架接头；25、连接旋塞；26、引压管；19-1、喇叭入流口连接螺纹；19-2、喇叭外衬；19-3、喇叭内衬；19-3-1、喇叭内衬导流流道；19-3-2、喇叭内衬下缘；19-3-3—喇叭内衬上部轴承；20-1、连接旋塞内部流道；25-1、连接旋塞内部流道；F1、F2、F3、F4、高压球阀；FC1、三向转换球阀；T1、温度测点；P1、P2、压力测点。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

实施例一，本实施例提出一种筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价系统，参考图1，包括反应釜1、真空泵3、气液混输盘管5、甲烷气瓶6、供水泵8、循环泵9、水浴制冷柜7、高速摄像机10以及数据采集模块11。

参考图2及图3，反应釜包括：蓝宝石釜体13、反应釜入口端盖12、连接卡箍14、反应釜出口端盖15、旋转支架18、喇叭入流口19、筛网组件、密封胶圈21、筛网网片支架及与之相连接的高压金属管16和高压软管17。蓝宝石釜体13与反应釜入口端盖12、出口端盖15采用端部密封胶圈和侧壁密封胶圈的双重密封，反应釜入口端盖12和出口端盖15通过金属拉杆式连接卡箍14连接并固定；反应釜入口端盖12外侧用卡套压帽连接高压金属管16，内侧连接喇叭入流口19；反应釜出口端盖15外侧通过密封胶圈连接高压金属管16，反应釜出口端盖15内侧连接与高压金属管等直径的筛网网片支架，筛网网片支架外围包裹一层或多层筛网网片；整个反应釜安装在旋转支架上，旋转支架可以根据实际需求调整反应釜的角度，使之在任意倾斜角度都可以进行模拟实验。

气液混输盘管5的入口端通过高压软管17依次连接循环泵9及反应釜出口端盖15上的高压金属管16，气液混输盘管5的中部分别通过高压球阀连接供水泵8和甲烷气瓶6，气液混输盘管5的出口端通过三向转换球阀FC1连接真空泵3及反应釜的入口端盖12上的高压金属管16，气液混输盘管5安装在密闭低温水浴箱4内。

如图1所示，高速摄像机10安装在低温恒温箱2内部正对反应釜的位置，用以捕获蓝宝石釜体内视频数据。数据采集处理模块11，用以采集循环泵泵速数据、气液比、系统温度T1、压力P1、P2及高速摄像机视频数据并处理。

本实施例筛网组件如图3及图4所示，包括筛网网片20，该筛网网片20安装在筛网网片支架上呈长筒状，整体横置，筛网网片支架包括圆形筛网支架底板23、筛网支架接头24以及位于同一圆柱面的6条肋条22(具体条数根据实际需要定)，肋条22一端固定在圆形筛网支架底板23上，另一段固定在筛网支架接头24上，筛网支架底板23的直径等同出口端盖外侧高压金属管16的直径。其中筛网支架底板23为钢制薄板，筛网支架接头24为与筛网支架底板23等直径的钢圈，与反应釜出口端盖15连接。筛网网片支架上缠绕筛网网片20，筛网网片20在筛网网片支架上的缠绕圈数根据实际水合物开采井中使用的筛管层数确定。本实施例筛网支架底板23与出口端盖外侧高压金属管16等径设计，使得气液混合物在流动过程中减少了变径节流效应，因此减少了气液从筛网网片支架内部流向高压金属管时的流动阻力，同时避免了出口端盖伸入引压管到筛网网片支架内部时对狭窄空间内的流动造成的不利影响，因此可以近似认为反应釜出口端的压力等同筛网网片支架内部的平均压力，而筛网网片外侧的压力近似等于反应釜入口端盖内部的压力。因此，采用该原理将长筒状安装的筛网组件两侧的压差转化为反应釜出入口两端的压差，有效的降低了常规设计中测量压差与实际筛网两侧真实压差之间的误差。

参考图5至图7，本实施例喇叭入流口19为一典型的“二层楼”式结构，在形状上像两个叠起来放置的喇叭。包括喇叭外衬19-2与喇叭内衬19-3，喇叭内衬下缘19-3-2外径与筛网支架底板23的直径相同，喇叭外衬19-2与喇叭内衬19-3之间采用密封轴承19-3-3连接，轴承外缘与外衬内缘过盈配合并固定，轴承内缘与连接旋塞25固定，连接旋塞25为一锥面钢块，连接旋塞25与内衬上部焊接连接，连接旋塞内部含有与螺旋分布的内部流道25-1，流道出口在连接旋塞侧壁，入口在连接旋塞正上方。喇叭内衬上设置从上而下螺旋分布的导流流道19-3-1。当上部高压金属管16中的流体进入连接旋塞内部流道25-1后，在离心力作用下带动喇叭内衬19-9发生旋转，流体从内部流道25-1流出后被甩入导流流道19-3-1，然后再被甩向反应釜内部边缘。本实施例连接轴承为锥面轴承19-3-3，与喇叭外衬19-2过盈配合。实际实验过程中，当气液两相流经高压金属管进入反应釜内部时，首先进入连接旋塞25，由于连接旋塞25和喇叭内衬19-3含有方向相反的螺旋分布流道，因此高速气液混合流会带动轴承19-3-3内缘、连接旋塞25及喇叭内衬19-3高速旋转，但是喇叭外衬19-2与轴承外缘则处于静止状态，通过旋转使气液充分混合并被甩向反应釜内部外缘，甩向反应釜内部外缘的混合流体再沿径向向处于反应釜中心的筛网网品组件流动时，自然就形成了模拟径向流。因此，喇叭入流口的特殊设计及专用连接结构保证了气液充分混合以及筛管外围径向流流动的模拟。

测压时，反应釜入口端的喇叭入流口旋转作用下，实际反应釜入口端的压力不稳定，不能代表实际筛网网片外部的真实平均压力。参考图2，本实施例在入口端盖12和出口端盖15外的高压金属管16上分别开有测压孔，两者之间连接差压计，对于入口端盖，增加一个金属管作为引压管26至反应釜中部，形成压力测压点P2，直接测量筛网外侧中部的压力值，可以近似的认为该值是筛网外侧压力的平均值，由于筛网外部空间较大，为360°全方位流入，因此不用担心引压管对气液流动造成的影响。但是对于筛网内部，由于本身筛网卷成一个圆柱筒之后内径较小，如果再加入一根引压管，引压管的最小直径是3mm，这样也会对筛网内部的流动产生扰动。因此，为了尽量减少扰动，将出口测压点P1设置在筛网以外的管路中，即在出口端盖15外的高压金属管16上开有测压孔。本实施例模拟实验系统，设计耐压15MPa，控温范围0℃-30℃，满足实际天然气水合物试采井井底的温压条件模拟；所述的蓝宝石釜体内径30mm，长度为150mm；所述的筛网网片有效实验长度为100mm，筛网网片支架底板直径为20mm；所述的气液混输盘管在闭低温水浴箱内的有效长度为30m。

本实施例反应釜本体采用蓝宝石材质，能够用高速摄像机清晰捕捉水合物优先生成的部位，也可以用压力差和系统压力的上升情况或温度跃变值判断筛网整体的堵塞程度，实现了从局部到整体、从肉眼定量到数据定性两方面的联合评估。通过旋转支架、高压金属管与高压软管的配合，方便反应釜的角度调节，使其能方便的模拟不同井型(水平井、垂直井或任意角度的斜井)条件下筛网中的水合物二次生成与堵塞情况。实际运行过程中，数据采集模块采集循环泵泵频、循环泵流量、循环泵压力、气液比、反应釜入口温度、筛网内外侧的压差、高速摄像机捕获的视频数据。利用上述数据，可以从定量和定性两个方面对筛网中水合物二次生成的规律及由于水合物二次生成造成的堵塞程度、堵塞部位做评价。

实施例二，本实施例提出一种筛网中水合物生成堵塞规律可视化评价方法，参考图8，包括如下步骤：

(1)确定模拟井型，安装实验流程：根据实际需要模拟的井型，确定筛网中水合物堵塞模拟评价实验所需的反应釜倾角，调整反应釜并固定。依次连接反应釜、真空泵、气液混输盘管、甲烷气瓶、供水泵、循环泵、水浴制冷柜及数据采集模块；

(2)抽真空：接通回路流程，打开气液混输盘管与反应釜之间、循环泵与反应釜之间及循环泵与气液混输盘管之间的阀门，开启真空泵，对整个系统抽真空；

(3)气液混输盘管增压：关闭气液混输盘管与反应釜之间、循环泵与反应釜之间的阀门，连接甲烷气瓶、供水泵，按照设定的气水比向盘管中注入定量的甲烷气和定量的水，并增压至设定压力值；

(4)倒吸循环：开启气液混输盘管与反应釜之间、循环泵与反应釜之间的阀门，使气液混输盘管中的气水混合物在负压作用下吸入反应釜。然后开启循环泵，定泵频循环，使整个管路中的流型基本恒定。然后继续向气液混输盘管中注甲烷气、注水，弥补由于反应釜倒吸造成的气液混输盘管压力降低；

(5)启动采集，降温模拟：与步骤(4)同步地，向气液混输盘管中按比例注入甲烷气体和水，维持压力在预设值。当步骤(4)过程中从反应釜蓝宝石釜体观察到管路中的流型基本恒定时，筛网网片两侧的压降也趋于稳定。此时，启动采集系统，继续以定泵频循环，循环过程中实时采集高速摄像机视频图像、压差、温度、压力随时间的变化；启动水浴制冷柜和低温恒温箱，设定相同的温度值，缓慢对系统降温，观察筛网表面水合物开始富集形成的临界温度条件值；

(6)选择降温模式，堵塞模拟：与步骤(4)同步地，向气液混输盘管中按比例注入甲烷气体和水，维持压力在预设值。当温度条件达到筛网表面水合物开始富集形成的临界温度条件值时，根据实际需求选择定温持续循环和持续缓慢降温循环两种模式，观察恒定温度条件下筛网网片中水合物堵塞规律随时间的变化规律或温度持续降低环境下筛网网片中水合物富集堵塞规律；

(7)调整预设压力值和气液比，循环模拟：调整系统的预设压力值或气液比条件，重复步骤(2)-(6)，通过多次试验获得以温度、压力、气水比分别为坐标轴的筛网网片中水合物二次生成临界条件三维分布图版和筛网网片中水合物富集堵塞到一定程度的临界条件三维分布图版；

(8)停止模拟：当筛网网片两侧的压力差提升高初始压力差值的10倍以上时，说明由于水合物在筛网网片中的二次生成已经导致筛网发生严重堵塞，在实际水合物生产井中将导致严重的产能降低，停止实验。

通过本方法，可以实现：观察一定井型条件下控砂筛管的筛网网片中水合物富集堵塞发生的临界温度值、临界压力值和临界水气比值，为实际天然气水合物开采井井底降压方案的制定提供风险提示点；观察不同井型条件下控砂筛管的筛网网片中水合物富集堵塞程度，通过对比不同井型条件下筛网网片的堵塞程度，对实际天然气水合物试采井的井型设计或筛管在井底的布局提供建议；形成直观的筛网网片水合物堵塞风险提示图版，供现场试采工程决策使用，为水合物开采井控砂措施导致的产能影响规律评价提供支撑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。