一种用于对天然气水合物钻井液进行多相分离的实验装置及方法与流程

本发明涉及天然气水合物多相分离技术领域，具体涉及一种用于对天然气水合物钻井液多相分离计量的系统及方法。

背景技术：

天然气水合物俗称“可燃冰”，在自然界广泛分布于大陆永久冻土区、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起带和一些内陆湖的深水环境。由于天然气水合物形成与赋存条件的特殊性，迄今为止除了海底钻探和海底沉积物取样作业获得少量天然气水合物样品外，全球绝大多数天然气水合物的分布是通过物探调查获得的证据间接确认的。虽然人们对天然气水合物的赋存、分布和特征的理解取得了巨大的进步，但是为了进一步加强水合物在能源资源、地质灾害和对气候变化的影响方面的认识，还需要进行更多的科学钻探和井孔测试，但是在这之前还需要解决一系列重要的科学性问题和技术性挑战。

天然气水合物的形成和稳定需要非常特殊的高压低温环境，在进行天然气水合物钻井过程中，钻头切削岩石的过程、井底钻具与井壁和岩心的摩擦会产生大量的热能，以及井壁和井底附近地层应力释放，这些都会造成天然气水合物分解产生气体和分解水，大大降低沉积物的地质力学稳定性。由于天然气水合物矿藏特别是海域的天然气水合物通常赋存于相对较浅的深度，相对于传统油气藏，在天然气水合物的钻采过程中更容易出现气渗出、气泄漏和套管坍塌等风险。

针对天然气水合物矿藏钻井过程中可预见的风险，需要对各类性质天然气水合物钻井过程有关的全部地质灾害产生机理与控制方法展开研究。国际上展开的有限的几次水合物试采中，均对钻井过程可能引起的地质变化与危害作为重点研究内容。例如，成立于2001年的墨西哥湾天然气水合物联合产业项目，部分研究任务就是在水合物沉积层钻井所带来的有关危害。然而，由于现场试验耗资巨大，成本高昂，且只适合于已发现天然气水合物实物样品的国家。因而通过在实验室建立实验模拟仪器及设备，模拟自然界天然气水合物成藏环境，并研究钻井过程的规律和影响机制是降低钻采风险的有效途径与必要手段。由于实验模拟研究成本较低，且是其它研究的基础，因此，天然气水合物钻井实验模拟研究就成为当前天然气水合物钻井技术研究最为可行的研究方法。

在实验室模拟过程中，在向模拟地层钻井眼时，通常钻井液沿空心钻柱向下泵送到钻头，钻井液用于从钻进的井下位置向外传送由钻井过程产生的固体颗粒物。与传统钻井不同，天然气水合物钻井过程返回的钻井液混合物会携带大量气体与未分解的水合物。为了准确的了解井下钻井过程，需要对钻井液的气体携带量与产水量进行实时的测量。由于水合物地层模拟过程中，需要保持高压低温状态，这就需要在高压下对钻井液混合物进行多相分离，以便测定。同时还要保证防止分离过程中气体与液体发生反应形成新的水合物，避免导致设备的堵塞与测量的不准确。

因此，需要提供一种设备对高压高流速的天然气水合物钻井液进行分离，确保钻井过程产生的干研磨性小颗粒从钻井液中分离，并对其携带的气体与液体实时分离计量。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种天然气水合物钻井液多相分离系统，适用于从天然气水合物钻井液中除去固体并可以实时对产气与产水量进行计量，为准确了解水合物井下钻井过程提供实验数据及理论依据。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于对天然气水合物钻井液进行多相分离的实验装置，包括固相分离器、注液模块、注气模块和气液分离器，其中：

所述固相分离器包括筒体、位于筒体上端的上堵头以及位于筒体下端的下堵头，所述上堵头、下堵头和筒体之间气密连接形成一密闭腔体，所述下堵头设有与密闭腔体连通的固相分离器入口，所述筒体上侧壁设有与密闭腔体连通的固相分离器出口，在位于固相分离器入口与固相分离器出口之间的密闭腔体内还设置有第一过滤装置和第二过滤装置；

所述注气模块包括气瓶、减压阀、增压泵、气体流量计和第二截止阀，所述气瓶通过管路依次经减压阀、增压泵、气体流量计和第二截止阀与固相分离器出口连通；

所述注液模块包括储液天平、加热器、平流泵和第四截止阀，所述储液天平中通过管路依次经加热器、平流泵和第四截止阀与固相分离器入口连通；

所述气液分离器通过管路依次经压力控制阀和第三截止阀与固相分离器出口连通，所述气液分离器上部设有气体出口，下部设有液体出口；

所述天然气水合物钻井液通过管路经第一截止阀与固相分离器入口连通。

进一步地，所述第一过滤装置包括底座、压环、过滤片和垫片，所述底座为中空圆柱结构，所述压环、过滤片和垫片固定在底座内壁，且过滤片位于压环和垫片之间，所述底座固定在筒体内壁，且二者之间气密连接。

进一步地，所述第二过滤装置包括滤网筒、过滤网、接头和导管，所述滤网筒为侧壁设有过滤孔的中空圆柱结构，所述过滤网包裹住滤网筒的侧壁，所述滤网筒的上端封闭，下端通过接头与导管连接，所述导管的上端伸入到滤网筒内，所述导管的下端与固相分离器入口相连通。

进一步地，所述固相分离器还包括支架、上压帽和下压帽，所述筒体安装在支架上，所述上压帽与筒体上端螺纹连接，用于将上堵头固定在筒体的上端，所述下压帽与筒体下端螺纹连接，用于将下堵头固定在筒体的下端，所述筒体最大承受压力为25Mpa。

进一步地，所述气液分离器的气体出口连接有气体计量器，所述气液分离器的液体出口连接有液体计量器。

本发明的另一目的在于提供一种天然气水合物钻井液多相分离方法，适用于从天然气水合物钻井液中除去固体并可以实时对产气与产水量进行计量，为准确了解水合物井下钻井过程提供实验数据及理论依据，该实验方法包括以下步骤：

(1)注气：打开第二截止阀和气瓶，通过减压阀与增压泵向固相分离器出口注入气体，当固相分离器中的气体压力达到预定值时，关闭第二截止阀和气瓶；

(2)注水：设定压力控制阀的压力，设定加热器温度，打开第三截止阀和第四截止阀，通过平流泵向固相分离器入口注入热水，通过注入的热水将固相分离器中的气体逐渐排出；当固相分离器中的液面达到固相分离器出口时，固相分离器中的气体将停止排出，注入的热水通过固相分离器出口排出进入气液分离器；

(3)注钻井液：关闭第四截止阀，打开第一截止阀，需要处理的高压天然气水合物钻井液通过第一截止阀、固相分离器入口进入固相分离器，分离后的气体与液体通过固相分离器出口流出，经压力控制阀进入气液分离器器，气体从气液分离器的气体出口流出，液体从气液分离器的液体出口流出，对分离出的气体和液体分别进行实时计量采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过设置在固相分离器中上部的出口，以及注液模块和注气模块相结合，使得固相分离器的密闭腔体始终处于气液混合的高压状态，从而实现在高压下对天然气水合物钻井液进行多相分离的同时，避免钻井液在分离过程中生成新的水合物；

2、通过在固相分离器中依次设置的过滤筒和过滤片，横向过滤与纵向过滤相结合，能够有效去除钻井液中的固体颗粒，防止设备出现堵塞及计量偏差。

附图说明

图1是本发明的多相分离实验装置的整体结构示意图；

图2是本发明的固相分离器的剖面结构示意图；

附图标记说明：1-固相分离器；2-固相分离器入口；3-第一截止阀；4-固相分离器出口；5-气瓶；6-减压阀；7-增压泵；8-气体流量计；9-第二截止阀；10-第三截止阀；11-压力控制阀；12-气液分离器；13-气体出口；14-液体出口；15-第四截止阀；16-平流泵；17-加热器；18-储液天平；19-支架；20-筒体；21-下堵头，22-下压帽；23-上堵头；24-上压帽；25-底座；26-压环；27-过滤片；28-垫片；29-滤网筒；30-过滤网；31-接头；32-导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1和图2所示，一种用于对天然气水合物钻井液进行多相分离的实验装置，包括固相分离器1、注液模块、注气模块和气液分离器12。

其中，固相分离器1包括支架19、筒体20、下堵头21、下压帽22、上堵头23、上压帽24、第一过滤装置和第二过滤装置。筒体20安装在支架19上，下压帽22与筒体20下端螺纹连接，将下堵头21固定在筒体20下端，上压帽24与筒体20上端螺纹连接，将上堵头23固定在筒体20上端。下堵头21和上堵头23均与筒体20内壁通过密封圈气密接触，形成一高350mm，直径68mm的圆柱形密闭腔体，其最高设计压力为25Mpa。下堵头21设有与密闭腔体连通的固相分离器入口2，筒体20上部侧壁设有与密闭腔体连通的固相分离器出口4，第一过滤装置和第二过滤装置均设置密闭腔体中，且位于固相分离器入口2与固相分离器出口4之间。

其中，第一过滤装置包括底座25、压环26、过滤片27和垫片28。底座25为中空圆柱结构，通过螺纹固定在筒体20的内壁上，底座25外壁与筒体20内壁通过密封圈气密接触，压环27与底座25的下端通过螺纹连接，垫片28位于底座25上端内部，通过旋转压环27将过滤片28固定在压环27和垫片28之间，过滤片28直径48为mm。

其中，第二过滤装置包括滤网筒29、过滤网30、接头31和导管32。滤网筒29的侧壁均匀分布有12×28个直径为2mm的过滤孔，过滤网30包裹住滤网筒29的侧壁，滤网筒30的上端封闭，下端与接头31铆接，导管32与接头31通过螺纹连接，导管32上端伸入到滤网筒29内，其下端与固相分离器入口2相连通。

其中，注气模块包括气瓶5、减压阀6、增压泵7、气体流量计8和第二截止阀9。气瓶中5中的气体通过管路依次经减压阀6、增压泵7、气体流量计8、第二截止阀9从固相分离器出口4注入到固相分离器1中。

其中，注液模块包括储液天平18、加热器17、平流泵16和第四截止阀15。所述储液天平18中的液体(在本实施例中为水)通过管路依次经加热器17、平流泵16、第四截止阀15从固相分离器入口2注入到固相分离器1中。

其中，气液分离器12通过管路依次经压力控制阀11和第三截止阀10与固相分离器出口2连通，气液分离器12上部设有气体出口13，下部设有液体出口14，气体出口13连接有气体计量器(图中未示出)，液体出口14连接有液体计量器(图中未示出)。

其中，需要处理的高压天然气水合物钻井液通过管路经第一截止阀3与固相分离器入口2连通。

本发明实施例的一种采用上述用于对天然气水合物钻井液进行多相分离的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)注气：打开第二截止阀和气瓶，通过减压阀与增压泵向固相分离器出口注入气体，当固相分离器中的气体压力达到预定值时，关闭第二截止阀和气瓶；

(2)注水：设定压力控制阀的压力，设定加热器温度，打开第三截止阀和第四截止阀，通过平流泵向固相分离器入口注入热水，通过注入的热水将固相分离器中的气体逐渐排出；当固相分离器中的液面达到固相分离器出口时，固相分离器中的气体将停止排出，注入的热水通过固相分离器出口排出进入气液分离器；

(3)注钻井液：关闭第四截止阀，打开第一截止阀，需要处理的高压天然气水合物钻井液通过第一截止阀、固相分离器入口进入固相分离器，分离后的气体与液体通过固相分离器出口流出，经压力控制阀进入气液分离器器，气体从气液分离器的气体出口流出，液体从气液分离器的液体出口流出，对分离出的气体和液体分别进行实时计量采集。

本发明的多相分离实验装置及分离方法，通过设置在固相分离器中上部的出口，以及注液模块和注气模块相结合，使得固相分离器的密闭腔体始终处于气液混合的高压状态，从而实现在高压下对天然气水合物钻井液进行多相分离的同时，避免钻井液在分离过程中生成新的水合物；通过在固相分离器中依次设置的过滤筒和过滤片，横向过滤与纵向过滤相结合，能够有效去除钻井液中的固体颗粒，防止设备出现堵塞及计量偏差。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。