砾石充填层中水合物生成堵塞规律的模拟装置的制作方法

本实用新型涉及天然气水合物开采模拟实验装置，具体涉及一种砾石充填层中水合物生成堵塞规律的模拟装置。

背景技术：

天然气水合物是一种分布广、能源密度高的非常规能源，对其进行开发利用是未来一段时间重要的研究课题。随着我国2017年首次海域天然气水合物试采的成功，与海域天然气水合物资源试采相关的技术进入蓬勃发展阶段。然而，对于我国南海海域普遍存在的泥质粉砂型天然气水合物储层，无论常规的降压法开采或基于三相控制理论的地层流体抽取法，都不可避免的涉及到地层细颗粒，尤其是泥质颗粒的运移产出。有效的控砂措施是保证泥质颗粒顺利排出同时反之有孔虫壳体等大颗粒排出以维持储层稳定的必要手段。因此，无论采取何种开采方式，天然气水合物开采井都无可避免的需要一定的控砂措施，在井底安装控砂介质，以缓解地层泥砂产出对整个生产系统造成的工程风险。

2013年日本在Nankai Trough开展全球首次海域天然气水合物试采中，采用裸眼砾石充填控砂措施。2017年日本在Nankai Trough开展其第二次海域天然气水合物试采作业时，采用基管+涂覆砂形成的Geoform防砂筛管进行控砂作业。中国于2017年5月18日宣布实现了全球首次在泥质粉砂天然气水合物储层成功试采的消息，本次试采采用新型预充填筛管进行控砂。综上，无论是管外砾石充填，抑或是Geoform筛管或者新型预充填筛管，其中最关键的控砂单元就是砾石充填层。

目前，全球历次天然气水合物试采过程中由于井底水合物二次生成造成砾石充填层渗透率下降甚至完全堵塞的现象尚不明显。然而，在实际天然气水合物开采过程中，作为挡砂介质的砾石充填层可能完全暴露于水合物稳定域内，客观存在水合物在砾石充填层中的二次形成及堵塞风险。水合物在砾石充填层中二次生成对水合物井产能的影响类似于泥质成分运移、堵塞的影响。都会造成砾石充填层附加表皮系数的增大，严重影响天然气水合物的产能。因此砾石充填层工况评价除了常规的冲蚀、腐蚀，在水合物开采井中面临的更大的问题是砾石充填层中由于泥质堆积和水合物二次生成造成的堵塞。专利公开号CN106932170A公布了一种泥砂细颗粒在砾石充填层中的运移堵塞规律的评价装置及评价方法，为水合物层产出泥质等细颗粒在砾石充填层中堆积堵塞造成产能下降评价提供了思路，但是目前尚没有专门针对砾石充填层中水合物二次生成规律及其对控砂措施附加表皮系数影响规律的模拟装置。专利公开号CN205643176U提供了一种常规等径开采井管中水合物二次生成风险评价的可视化实验装置，为不同工况下水合物二次生成堵塞规律评价提供了一定的借鉴，但是该装置无法满足专门针对砾石充填层堵塞风险评价的需求。因此，在实际天然气水合物试采工程中，关于砾石充填层对水合物储层产能影响规律的评价方法实际上目前完全没有考虑水合物二次生成的影响，水合物在砾石层中二次生成对储层产能的影响评价装置及方法处于空白状态。

综上所述，在保证砾石充填层控砂不失效前提下，砾石充填层对水合物开采井产能的影响主要表现在泥质堵塞和水合物二次生成堵塞两方面。研究不同砾石充填层内部水合物的生成规律对于优选砾石充填层材质类型、评价砾石充填层对产能的影响都有至关重要的作用。另外，摸清水合物在砾石层中生成富集规律，对于精确制定天然气水合物开采井降压方案，保证试采过程中不会因为控砂介质堵塞影响水合物产能具有重要的指示意义。

技术实现要素：

为了研究砾石填充层中天然气水合物二次生成堵塞规律，本实用新型提供一种砾石充填层中水合物生成堵塞规律的模拟装置，该模拟装置能够在可视化条件下，实时观察砾石层中水合物二次生成、富集及堵塞规律，从而为天然气水合物试采井中砾石充填层材质优选、砾石充填层附加表皮系数评价及精准降压方案的制定提供基础数据，从而为天然气水合物开采井的持续稳产提供保障。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：砾石充填层中水合物生成堵塞规律的模拟装置，其包括砾石充填层模拟模块、混输模块、温控模块和供给模块，所述砾石充填层模拟模块和混输模块均设置在温控模块中，并且所述砾石充填层模拟模块和混输模块之间通过管道连通组成回路，所述供给模块通过管道连接到混输模块；其还包括用于采集砾石充填层模拟模块的压力数据、温度数据和图像数据的数据采集测量模块。

进一步地，所述温控模块为步进式低温恒温模块。

进一步地，所述砾石充填层模块包括透明高压管，所述高压管内填充有颗粒材料，高压管的入口端安装有分流器，出口端安装有多孔网板；所述高压管的两端均设置有端盖，高压管两侧的端盖通过连接箍连接扣紧；所述高压管的入口端和出口端均通过高压软管连接到混输模块；所述高压管设置在旋转支架上。

进一步地，所述高压管为蓝宝石透明高压管。

进一步地，所述多孔网板的孔径小于颗粒材料的尺寸。

进一步地，所述高压管和端盖相接触的侧壁和端面上均设置有高压密封圈。

进一步地，所述混输模块包括气液混合器、磁力搅拌仪、高压盘管、循环泵和真空泵，所述磁力搅拌仪设置在气液混合器的下方，所述高压盘管设置在气液混合器内部上方，其上设置有孔，与气液混合器的内部相连通，所述高压盘管的出口通过循环泵连接到砾石充填层模拟模块的入口端，所述高压盘管的入口连接到砾石充填层模拟模块出口端；所述高压盘管上还连接有真空泵。

进一步地，所述供给模块包括高压气瓶组、供水箱和自动跟踪活塞容器，所述高压气瓶组和供水箱分别通过管道与气液混合器相连，所述自动跟踪活塞容器与气液混合器相连通。

进一步地，所述数据采集测量模块包括差压传感器、压力传感器、温度传感器、光学摄像头和高速摄像机，所述差压传感器用于采集砾石充填层两端的压差，所述压力传感器用于采集砾石充填层模拟模块的入口和出口处的压力值，所述温度传感器用于采集砾石充填层模拟模块的入口和出口处的温度值，所述光学摄像头用于定点捕捉某一时刻天然气水合物在砾石充填层中的形成形态，所述高速摄像机用于实时采集气液两相在砾石充填层中流动时，天然气水合物的实时瞬间生成情况。

本实用新型的砾石充填层中水合物生成堵塞规律的模拟装置，能够在可视化条件下，实时观察砾石充填层中天然气水合物二次生成、富集及堵塞规律，从而为天然气水合物试采井中砾石充填层材质优选、砾石充填层附加表皮系数评价及精准降压方案的制定提供基础数据，从而为天然气水合物开采井的持续稳产提供保障。并且对实际天然气水合物试采井中砾石充填层材质对水合物二次生成堵塞规律敏感性评价，水合物二次生成风险条件下砾石充填层对产能的不利影响程度及考虑天然气水合物在砾石充填层中二次生成工程风险的降压方案制定提供依据。

此外，本实用新型的模拟装置，还具有以下优点：

(1)所述砾石充填层模拟模块通过旋转支架的调节和高压软管的配合，能够模拟不同渗流方向条件下砾石充填层中水合物的生成、富集与堵塞规律，对应于实际水合物试采井，可以实现垂直井、斜井、水平井等多种井型条件下采用砾石充填型控砂作业时，砾石层中水合物生成堵塞规律的评价；

(2)所述砾石充填层模拟模块采用蓝宝石透明管作为模拟砾石层腔体，配合差压传感器测量，可以从定性和定量两个角度分析水合物在砾石层中的生成情况对砾石充填型控砂措施附加表皮系数的响应程度，特别是可以通过高速摄像机观察水合物在砾石层中的瞬态堆积、堵塞过程；

(3)整个系统耐压15MPa，能够满足模拟实际天然气水合物试采井井底压力工况的需求，满足1:1实验模拟，增强模拟结果对现场施工的指导意义；

(4)本发明所述的高压软管表层含保温层，防止降温过程中水合物优先在输送管道中生成，影响砾石层中水合物堵塞规律的评价。

附图说明

图1为本实用新型的模块结构示意图；

图2为砾石充填层模拟模块的结构示意图；

图3为混输模块和供给模块的结构示意图。

图中:1-砾石充填层模拟模块；2-温控模块；3-混输模块；4-供给模块；5-数据采集测量模块；6-高压管；7-端盖；8-连接箍；9-分流器；10-高压密封圈；11-模拟充填砾石层； 12-多孔挡板；13-高压软管；14-旋转支架；15-循环泵；16-真空泵；17-自动跟踪活塞容器； 18-高压盘管；19-高压气瓶组；20-供水箱；21-气液混合器；22-磁力搅拌仪。

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。

本实用新型的砾石充填层中水合物生成堵塞规律的模拟装置，如图1所示，包括砾石充填层模拟模块1、混输模块3、温控模块2、供给模块4和数据采集测量模块5。其中，温控模块2为步进式低温恒温箱，为砾石充填层模拟模块1和混输模块3提供低温恒温环境。所述砾石充填层模拟模块1和混输模块3均设置在温控模块2中，并且所述砾石充填层模拟模块1和混输模块3之间通过管道连通组成回路。所述供给模块4通过管道连接到混输模块3，用于向混输模块3内供应高压甲烷气体和水。所述数据采集测量模块5用于采集砾石充填层模拟模块1的压力数据、温度数据和图像数据。

如图2所示，所述砾石充填层模拟模块1包括透明高压管6，所述高压管6为蓝宝石透明高压管，耐压为15MPa，内径为20mm，长度为40-80mm，具体长度可根据实际试验需要进行选择。所述高压管6内填充有颗粒材料，形成模拟砾石充填层11。颗粒材料可以是常规的石英砂、烧结陶粒、核桃壳或各种不同类型的涂覆砂(含Geoform固结砂)。高压管6的入口端安装有分流器9，出口端安装有多孔挡板12，多孔挡板12的孔径小于颗粒材料的尺寸。所述高压管6的两端均设置有端盖7，一般选用金属端盖，高压管6两侧的端盖7通过连接箍8连接扣紧，所述高压管6的入口端和出口端均通过高压软管13连接到混输模块3。所述高压管6和端盖7相接触的侧壁和端面上均设置有高压密封圈10，形成密封双保险。高压管 6设置在旋转支架14上，旋转支架14用于固定和旋转高压管6，使之能够模拟水平流动、垂直流动或任意倾斜流动条件下砾石层中水合物的二次生成、富集、堵塞规律。

所述混输模块3的主要作用是实验前对砾石充填层模拟模块1抽真空、向砾石充填层模拟模块1注入甲烷、水混合流体，提供模拟实验所用的压力环境、气液比环境。如图3所示，所述混输模块3包括气液混合器21、磁力搅拌仪22、高压盘管18、循环泵15和真空泵16 以及相应的阀门构成。所述磁力搅拌仪22设置在气液混合器21的下方，通过磁力搅拌仪22 的旋转使气液混合器21内的高压甲烷气体和水充分混合。所述高压盘管18设置在气液混合器21内部上方，其上设置有孔，与气液混合器21的内部相连通，吸入气液混合器21中经过混合均匀的气液混合流体；所述高压盘管18的出口通过循环泵15连接到砾石充填层模拟模块1的入口端，通过循环泵15控制混合流体流速，使混合流体流入砾石充填层模拟模块1。所述高压盘管18的入口连接到砾石充填层模拟模块1出口端，形成流动回路。所述高压盘管 18上还连接有真空泵16，用于实验前对砾石充填层模拟模块1抽真空。

如图3所示，所述供给模块4包括高压气瓶组19和供水箱20，所述高压气瓶组19和供水箱20分别通过管道与气液混合器21相连，向气液混合器21内供气、供水。所述自动跟踪活塞容器17与气液混合器21相连通，实验过程中由于砾石充填层模拟模块1中水合物的二次生成，可能导致系统的压力降低，为了维持系统压力不变，通过自动跟踪活塞容器17保证系统内部压力恒定不变。

所述数据采集测量模块5包括差压传感器、压力传感器、温度传感器、光学摄像头和高速摄像机及相应的数据、视频采集软件。所述差压传感器用于采集砾石充填层两端的压差，一般，压差传感器上下游端安装在模拟砾石充填层11的两端，用于测量水合物在砾石层中形成、富集、堵塞过程中压差的变化。所述压力传感器用于采集砾石充填层模拟模块1的入口和出口处的压力值，所述温度传感器用于采集砾石充填层模拟模块1的入口和出口处的温度值，一般，压力传感器、温度传感器分别安装在砾石充填层模拟模块1上下游对应位置，用于观察砾石层中水合物形成、富集、堵塞条件发生的临界温压条件，从而为天然气水合物试采井精细降压方案的制定提供临界风险点。所述光学摄像头用于定点捕捉某一时刻天然气水合物在砾石充填层中的形成形态，所述高速摄像机用于实时采集气液两相在砾石充填层中流动时，天然气水合物的实时瞬间生成情况。

上述实验装置的实验步骤为：

(1)选择充填砾石层并安装装置：选择需要进行模拟使用的模拟砾石层材料，填装进蓝宝石透明高压管6内，并依次安装分流器9、多孔挡板12、金端盖7、连接箍8，通过高压软管13和阀门连接上述的砾石充填层模拟模块1、混输模块3及供给模块4，接通数据采集测量模块5并开启温控模块2；

(2)抽真空与气液补给：关闭供给模块4与混输模块3之间的阀门，接通砾石充填层模拟模块1与混输模块3，开启混输模块3中的真空泵16，对循环系统抽真空处理；开启供给模块4与混输模块3之间的阀门，关闭砾石充填层模拟模块1与混输模块3之间的阀门，向混输模块3中按一定的比例注入气、液，使系统压力达到设定的实验压力，然后关闭供给模块4。

(3)模拟气液混输：启动混输模块3的磁力搅拌仪22，使气液充分混合。接通砾石充填层模拟模块1与混输模块3，设定循环泵15泵速，起泵循环。与此同时，开启温控模块2，设定温度值(如2℃)，对整个系统降温；如果在此过程中有天然气水合物在砾石层中的生成，则导致系统压力的降低，自动跟踪活塞容器17通过跟踪系统压力，根据实验需求选择维持整个实验过程中气液混合器21中的压力恒定或压力随着水合物的生成自动衰减；

(4)数据采集与识别：步骤(3)过程中，实施采集循环系统中的压力、压差、温度及图像、视频数据。

特别地，本装置涉及的判断模拟实验结束的标志有以下三种：①当模拟砾石充填层11两侧的压差增大到起始压差的5倍及以上时，表明由于水合物在砾石层中的生成，已经造成了严重的堵塞，停止实验；②当由于水合物在砾石充填层中形成导致循环泵15驱替压力上升，整个系统压力值达到14MPa时，接近系统安全耐压，停止实验；③当根据实验需求，选择自动跟踪活塞容器17维持系统压力恒定模式工作时，水合物生成量足够多导致活塞容器不足以维持系统压力时(活塞容器活塞顶到头)，表明系统气、水量不足以造成砾石层水合物生成堵塞，停止实验。

基于上述实验装置和方法，本发明可以实现如下功能：

(1)通过模拟相同粒径分布的不同砾石充填材料在一定条件下水合物二次生成临界条件及水合物富集堵塞程度的差异，优选适用于实际天然气水合物开采井的砾石充填材质。如相同粒径的A、B两种充填材料，如果通过模拟实验证明A材料中水合物二次生成临界条件低于 B，并且由于水合物二次生成导致后期A充填层两侧的压差上升速率大于B，说明A不利于维持水合物开采井的产能且更容易导致试采工程风险，则优选B作为实际天然气水合物试采井的砾石充填层材料；

(2)随着水合物在砾石层中的生成量的增大，砾石层渗透率会降低，表现在实验参数上即为模拟砾石充填层11两侧压降的增大。因此，本发明可以通过实时记录水合物二次生成条件下砾石充填层附加压降的变化，建立考虑水合物在控砂介质中二次生成对水合物开采井产能影响的评价方法；

(3)实际水合物试采中，降压方案的制定需要综合考虑一定水合物产出规律条件下井底的流动保障条件。本发明可以通过模拟相同材质不同尺寸的砾石充填层中水合物的二次生成、富集及堵塞规律，判断不同砾石充填条件下水合物二次生成堵塞的临界温度值和压力值，对降压方案的制定提供临界风险提示点。如粒径为C的砾石充填层，通过模拟实验证明当井底压力为XMPa、Y℃时，水合物二次生成导致附加压降升高量为50％，说明该温度压力条件下极有可能导致水合物生产井产能降低，因此在制定降压方案时，必须保证井底的实时温度高于 Y℃或实时压力小于XMPa。

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。