天然气水合物钻探取样模拟井实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种天然气水合物钻探取样模拟井实验装置，尤其适用于孔内温压场 对天然气水合物钻探取样过程的影响测试实验。
【背景技术】
[0002] 天然气水合物燃烧后产生二氧化碳和水，是一种清洁能源，其储量丰富，在未来成 为煤、石油、天然气等常规能源的替代能源也被人类所共识。天然气水合物形成和赋存在高 压低温的环境下。根据天然气水合物稳压特性曲线，如果温度或者压力条件变化超过平衡 条件，就会导致天然气水合物分解，因此对钻探取屯、工作提出了很高的要求。目前国内外的 天然气水合物取样器主要由两种设计思路：一种是保温保压取样器，一种是孔底冷冻取样 器。保温保压取样器的保压方法是当水合物岩屯、进入保压岩屯、室后，通过球阀关闭岩屯、管 底部使岩屯、保持初始压力，并利用压力补偿装置控制压力，W确保岩屯、压力在提离孔底的 整个过程中保持不变，提到地表后再进行冷冻保存；孔内岩屯、的保温方法主要是采用保温 材料实现被动式保温方法。天然气水合物孔底冷冻取样方法通过外部冷源在孔底直接冷冻 天然气水合物岩屯、，将天然气水合物岩屯、温度降低至平衡温度W下来抑制水合物的分解， 从而获得水合物保真样品。由于钻孔内的温度和压力不是定值，通常是随深度的增加而不 同程度地增加的，不同孔深的温度和压力作用对于天然气水合物钻探取样过程的影响是不 容忽视的。因此需要研究在钻孔内温度场、压力场和钻井液流场等多场禪合条件和在其作 用下对天然气水合物钻探取样的影响机理。但目前尚没有相应的实验装置。
【发明内容】
[0003] 本发明针对上述现有技术的不足，提出一种能够模拟实际钻进过程中孔内温度和 压力的模拟井实验装置。通过模拟井试验装置对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行 控制，并在孔内进行天然气水合物钻探取样方法测试实验，研究钻孔内温压场对天然气水 合物钻探取样过程影响机理。
[0004] 本发明所述的天然气水合物钻探取样模拟井实验装置是由地表操作系统、钻井液 循环系统、压力控制及监测系统和温度控制及检测系统组成，试验井可根据水合物的不同 赋存条件对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制，为实验设置初始条件。
[0005] 地表操作系统是由钻塔、卷扬机、钻杆、天然气水合物取样器和试验孔组成；卷扬 机安装在钻塔上部，天然气水合物取样器置于试验孔的钻杆内部。在实验开始时通过卷扬 机带动钻杆将天然气水合物取样器下放至试验孔内，然后开始试验；在实验结束时再将天 然气水合物取样器从试验孔内提出。模拟孔最外层为直径400mm的PVC管，内层为直径 273mm的钢管，钢管底部密封，PVC与钢管之间为己二醇溶液。
[0006] 钻井液循环系统包括有泥浆累、高压胶管、泥浆池、孔口密封装置、钻杆和水龙头； 泥浆累与高压胶管通过螺纹连接，高压胶管与水龙头连接，水龙头通过螺纹与钻杆连接；孔 口密封装置位于试验孔的孔口通过高压胶管与压力控制阀连接，压力控制阀通过高压胶管 与泥浆池相连。泥浆累将泥浆从泥浆池内抽出，经过高压胶管将泥浆累送至水龙头；泥浆从 水笼头经过钻杆进入试验孔内，泥浆经天然气水合物取样器与钻杆之间的间隙流出，并由 钻杆与273mm钢管之间的间隙向上流动通过井口密封装置流出试验孔。泥浆流出试验孔通 过压力控制阀流入泥浆池中，形成钻井液循环。
[0007] 压力控制和监测系统由泥浆累、压力控制阀、孔口密封装置和压力检测装置组成， 泥浆累通过高压胶管将泥浆累送至试验孔内，通过调节泥浆累的压力和流量可W控制泥浆 进入试验孔时的初始压力；孔口密封装置位于试验孔的孔口位置，通过机械密封的方式实 现对试验孔和钻杆的密封，确保整个试验孔系统是封闭的；孔口密封装置通过高压胶管与 压力控制阀连接，通过调节压力控制阀可W控制泥浆流出试验孔时的出口压力；泥浆累、压 力控制阀和孔口密封装置共同实现对孔内压力的控制。压力检测装置安装在压力控制系统 中，能够实时反映试验孔系统的进出口压力，通过监测试验孔系统的压力可随时对实验过 程中的压力进行调整，确保孔内压力维持在实验要求的范围内。
[0008] 温度控制和监测系统包括温度控制装置、温度检测装置、水箱、水累和己二醇腔组 成。其中水箱与试验孔上部通过胶管连接，水箱与水累连接，水累将己二醇溶液从己二醇腔 内抽出，己二醇溶液进入到水箱内；水累与温度控制装置相连接，水累将己二醇自水箱内抽 出进入到温度控制装置中，温度控制装置可按照实际要求对己二醇溶液进行加热或冷却， 使己二醇达到实验要求的温度；通过水累将达到要求温度的己二醇溶液累送至试验孔的底 部，使己二醇溶液在273钢管和PVC管之间的己二醇腔内形成循环，通过己二醇溶液循环与 孔壁之间进行对流换热和控制冲洗液的温度实现孔内温度控制。
[0009] 温度监测系统可对钻井液进口温度监测点、钻井液出口温度监测点，己二醇进口 温度监测点、己二醇出口温度监测点和取样过程中各关键点的取样过程温度监测点参数进 行监测。
[0010] 本发明所述的天然气水合物钻探取样模拟井实验方法包括W下步骤： ①安装好孔口密封装置，通过钻塔和卷扬机将绳索取屯、钻杆放入试验孔内。
[0011] @打开水累将己二醇溶液自水箱内抽出累送至温度控制装置内对己二醇溶液控 制在实验要求的温度，己二醇溶液进入钢管和PVC管之间与钢管之间进行对流换热，对试 验孔内温度进行控制。
[0012] 运1开启泥浆累将泥浆从泥浆池内抽出并注入到试验孔内，泥浆经压力控制阀流 出孔外进入到泥浆池中，形成泥浆循环，通过调节压力控制阀和泥浆累的控制压力使试验 孔内压力保持在实验要求的值。
[0013] 感当压力检测装置和温度监测系统现示孔内的温度和压力达到实验要求的温压 条件后，将天然气水合物取样器投入试验孔中，进行天然气水合物取样模拟实验。
[0014] i)实验过程中根据压力和温度监测系统的实时参数，随时对整个装置的温度和 压力进行调整；并通过温度和压力检测装置对天然气水合物取样模拟实验过程中关键技术 参数进行监测。
[0015] 本发明的有益效果： 通过模拟井试验装置对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制，并在孔内进行 天然气水合物取样方法实验，研究钻孔内温度和压力对天然气水合物取样的影响机理，减 少了野外试验的工作量；避免了野外试验中由于试验参数的不可控性对实验的影响，可实 现对个数据的定量和定性的分析；更有利于分析钻孔内温压场对天然气水合物取样过程的 影响机理。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的天然气水合物钻探取样模拟井实验装置示意图。
[0017] 其中；1.钻塔，2.卷扬机，3.水龙头，4.钻化5.孔口密封装置，6.孔底冷冻取样 器，7.试验孔，8.。273钢管，9.己二醇腔，10.PVC管，11.压力控制阀，12.泥浆池，13.泥浆 累，14.高压胶管，15.压力监测系统，16.水箱，17.水累，18.温度监测系统，19.温度控制 系统，20.胶管。
[0018] a.钻井液进口温度监测点，b.钻井液出口温度监测点，C.己二醇进口温度监测 点，d.己二醇出口温度监测点，e.取样过程温度监测点。
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示，本发明所述的天然气水合物钻探取样模拟井实验装置是由地表操作 系统、钻井液循环系统、压力控制及监测系统和温度控制及检测系统组成，试验井可根据水 合物的不同赋存条件对井内的压力场、温度场和钻井液流场进行控制，为实验设置初始条 件。
[0020] 地表操作系统是由钻塔（1)、卷扬机（2 )、水龙头（3 )、钻杆（4 )、孔口密封装置（5 )、 天然气水合物取样器（6)和试验孔（7)组成；卷扬机（2)安装在钻塔（1)上部，天然气水合 物取样器（6 )置于试验孔（7 )的钻杆（4 )内部。在实验开始时通过卷扬机（2 )带动钻杆（4 ) 将天然气水合物取样器（6 )下放至试验孔（7 )内，然后开始试验；在实验结束时再将天然气 水合物取样器（6)从试验孔（7)内提出。孔口密封装置（5)安装在试验孔（7)的上部使试 验孔内部是密封的。试验孔（7)最外层为直径400mm的PVC管（10)，内层为直径273mm的 钢管（8)，钢管（8)底部密封，PVC管（10)与钢管（8)之间为己二醇腔（9)，腔内充满己二醇 溶液。
[0021] 钻井液循环系统包括由水龙头（3)、钻杆（4)、孔口密封装置（5)、泥浆池（12)、泥 浆累（13)和高压胶管（14);泥浆累（13)与高压胶管（14)通过螺纹连接，高压胶管（14)与 水龙头（3)连接，水龙头（3)通过螺纹与钻杆（4)连接；孔口密封装置（5)位于试验孔（7) 的孔口通过高压胶管（14)与压力控制阀（11)连接，压力控制阀（11)通过高压胶管（14)与 泥浆池（12)相连。泥浆累（13)将泥浆从泥浆池（12)内抽出，经过高压胶管（14)将泥浆送 至水龙头；泥浆从水笼头（3)经过钻杆（4)进入试验孔（7)内，泥浆经天然气水合物取样器 (6) 与钻杆（4)之间的间隙流出，并由钻杆（4)与273mm钢管（8)之间的间隙向上流动通过 井口密封装置（5 )流出试验孔（7 )。泥浆流出试验孔（7 )通过压力控制阀（11)流入泥浆池 中，形成钻井液循环。
[0022] 压力控制和监测系统由孔口密封装置（5)、压力控制阀（11 )、泥浆累（13)、高压胶 管（14)和压力检测装置（15)组成，泥浆累（13)通过高压胶管