一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置及方法与流程

本发明涉及一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置及方法，属于深水天然气水合物开发技术领域。

背景技术：

天然气水合物，又称“可燃冰”，在全球分布广泛，被认为是21世纪最有潜力的非常规接替能源之一。深水天然气水合物一般采用降压、注热、co2置换等开采技术，深水钻井作业环境复杂，天然气水合物储层多表现为埋藏浅、弱胶结、形态多样、非成岩等特点，开采作业过程中水合物受热易分解导致地层结构发生破坏，海底浅部地层强度降低、海底浅层土下陷，井口作为深水钻井系统的关键装备，其上连防喷器组及隔水管，下接导管，水合物分解易导致井口发生倾斜或下沉，使井口稳定性遭到破坏。

目前，国内外研究多是针对常规深水井口力学稳定性开展的计算机仿真分析和实验模拟，缺乏针对水合物开采井口稳定性的监测实验装置。深水钻井作业风险高，再加上水合物受热分解过程复杂、机理认识不清、开采技术不成熟，井口稳定性依然是水合物开采面临的主要技术难题之一。为满足国内对天然气水合物开采的技术水平要求，提供一套深水天然气水合物开采井口稳定性的实验装置及方法，对于揭示深水天然气水合物开采过程中井口稳定性的变化规律具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置，用以解决目前水合物开采技术不成熟的问题。

本发明还提供一种利用上述天然气水合物井口稳定性实验装置的实验方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种监测深水天然气水合物井口稳定性的实验装置，包括平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物储层模拟子系统以及用于对上述子系统进行控制和数据采集的数据处理及控制子系统；

所述平台运动模拟子系统包括伺服电机、导轨、滑块和张紧器，伺服电机固定在导轨的一端，滑块与导轨之间滑动连接，滑块下端连接张紧器，平台运动模拟子系统底端连接隔水管子系统，平台运动模拟子系统用于水合物开采过程中钻井平台运动的模拟；

所述隔水管子系统包括三分力仪、上部挠性接头、夹具、隔水管、下部挠性接头和防喷器，三分力仪上端连接张紧器，三分力仪下端与上部挠性接头连接，上部挠性接头连接夹具，夹具与隔水管螺栓紧固连接，隔水管底端与防喷器通过下部挠性接头连接，隔水管子系统下端连接井口组合子系统，隔水管子系统用于模拟水合物试采过程中的隔水管系统和施加在井口的作用载荷；

所述井口组合子系统包括井口、导管和筛沙器，防喷器与井口通过螺栓连接，井口下端与导管螺纹连接，筛沙器用于过滤水合物中的泥沙，井口组合子系统放置在水合物模拟子系统中，井口组合系统用于模拟水合物开采过程中的井口和导管，是本发明装置监测的主体；

所述水合物模拟子系统包括实验土箱、土壤、水合物层、循环制冷机、加热器，实验土箱为长方体无盖容器，实验土箱底部放置土壤，实验土箱中部放置模拟水合物层，水合物层的上部均布温度传感器，水合物层的底部布设加热棒，加热棒与加热器连接由加热器进行控制，水合物层的上部放置土壤，导管埋在实验土箱中的上部土壤中，循环制冷机和加热器放置在实验土箱的外侧，水合物储层模拟子系统用于模拟合成的水合物层，并通过加热水合物层模拟水合物受热分解过程；

所述的数据采集处理及控制子系统分别与平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物模拟子系统连接，数据采集处理及控制子系统包括拉线位移传感器、动态倾角仪、光纤光栅应变传感器、温度传感器、循环制冷机和信号采集处理系统。

优选的，本发明的平台运动模拟子系统用于水合物开采过程中钻井平台运动的模拟，其中滑块套在水平导轨上，滑块与导轨之间滑动连接，滑块由伺服电机进行控制，伺服电机固定在水平导轨上，伺服电机可精确控制滑块的速度和位置精度，滑块的下端安装张紧器，张紧器可以改变作用在隔水管上的张紧力，准确的模拟钻井平台的运动。

优选的，本发明的水合物模拟子系统用于模拟合成的水合物层，并通过加热水合物层模拟水合物受热分解过程，填入实验土箱中的土壤是根据目标水合物海底浅层土样的粒径、密度、成分等制备，保证实验土样类型与原状土接近，水合物层采用与天然气水合物具有相似的热物理性质的四氢呋喃和水来制备，水合物层的底部布设加热棒由加热器控制，实验土箱与循环制冷机连接，通过循环制冷降低水合物层的温度；

优选的，本发明的数据采集处理及控制系统用于实时控制钻井平台的运动过程、水合物层的温度变化，同时对井口稳定变化的数据进行实时监测，并将监测结果发送到数据采集及处理系统。加热器通过控制加热线圈模拟水合物分解过程；防喷器的上端安装动态倾角仪，动态倾角仪应用惯导技术精确的监测井口的动态横滚角，实现井口倾斜角度的实时监测，防喷器的周向安装两个垂直拉线位移传感器，监测水平方向井口的水平位移，防喷器的上端安装一个拉线位移传感器，监测井口的下沉量；光纤光栅应变传感器沿管长方向布置在导管和井口外壁，利用光纤光栅应变传感器固有的应变敏感特性监测导管和井口的微位移和应变，实时监测井口的稳定性数据。

一种利用上述天然气水合物井口稳定性实验装置的实验方法，具体步骤如下：

第一步：模拟制作深水天然气水合物海底浅层土样，模拟水合物层；

第二步：将光纤光栅应变传感器沿导管方向布设在井口导管表面，将拉线位移传感器和动态倾角仪安装在防喷器上；

第三步：将配制的海底浅层土壤填在实验土箱底层，同时将加热棒布置在底层土样的上端，填入水合物层的同时布置温度传感器，循环制冷机连接实验土箱；

第四步：在水合物层上部铺设土壤，将筛沙器安装在导管端部，并将布设应变传感器的井口与导管埋入上部土壤层；

第五步：将滑块沿着水平导轨移动至井口系统的正上方，在水平滑块上安装张紧器，张紧器底端连接三分力仪，三分力仪与固定夹具通过挠性接头连接，固定夹具与隔水管螺栓紧固连接；

第六步：调节水平导轨的高度并固定位置，通过下部挠性接头连接隔水管与防喷器；

第七步：改变张紧器的张力和滑块的水平位移模拟钻井平台的运动，同时控制加热器调节水合物层的温度，模拟水合物试采过程中地层的温度变化；实时采集井口的倾斜角度、下沉量、水平位移；

第八步：将采集的数据输入到数据采集处理系统，对获取的数据进行分析和处理。

本发明的优点是：本发明采取以上技术方案，可以准确地模拟天然气水合物分解过程中井口的力学响应、动态演化过程以及稳定性失效条件等，揭示复杂环境载荷下水合物开采过程中井口力学稳定性变化规律和敏感性，主要表现在：

1.通过加热器加热棒稳定控制水合物层的温度和水合物的分解速率，可较真实的反映天然气水合物开采过程中的温度变化对井口稳定性的影响，确定水合物分解时井口稳定性变化规律和敏感性，为现场作业具有重要指导意义。

2.通过调节张紧器的张紧力和水平滑块的运动较真实的模拟复杂作业环境下平台的运动，更加接近水合物的实际开采情况。

3.通过数据采集处理及控制子系统可以实现井口的力学特性、动态演化过程和稳定性失效的实时监测，准确的分析水合物分解对井口力学稳定性变化的影响。

总之，本发明为深水天然气水合物开发的开发工程提供技术支持，避免深水天然气水合物开采过程中井口稳定性失效事故的发生，为降低深水水合物钻井作业的风险提供指导。

附图说明

图1是天然气水合物井口稳定性实验装置结构示意图；

图2是水合物井口加载装置结构示意图；

图3是上挠性接头结构连接示意图；

图4是水合物井口连接结构示意图。

图例说明，1伺服电机，2导轨，3滑块，4张紧器，5三分力仪，6上部挠性接头，7夹具，8隔水管，9下部挠性接头，10拉线位移传感器，11防喷器，12井口，13导管，14实验土箱，15土壤，16光纤光栅应变传感器，17温度传感器，18水合物层，19筛沙器，20加热棒，21加热器，22循环制冷机，23数据采集处理系统，24动态倾角仪。

具体实施方式

一种深水天然气水合物井口稳定性实验装置，如图1所示，包括平台运动模拟子系统、隔水管子系统、井口组合子系统、水合物模拟子系统以及用于对上述子系统进行控制和数据采集的数据处理及控制子系统。

具体而言，本实施例所述的所述平台运动模拟子系统用于对水合物开采过程中钻井平台运动的模拟，平台运动模拟子系统中的滑块3与导轨2之间滑动连接，滑块3由伺服电机1进行控制，伺服电机1可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动滑块，伺服电机1固定在水平导轨2上，伺服电机1可精确控制滑块3的速度和位置精度，滑块3的下端安装张紧器4，准确的模拟钻井平台的运动；

具体的，本实施例所述的所述隔水管子系统用于模拟水合物试采过程中的隔水管系统，平台运动模拟子系统和隔水管子系统共同组成水合物井口加载装置(见图2)，模拟平台运动及施加在井口的载荷，隔水管子系统包括三分力仪5、上部挠性接头6、夹具7、隔水管8、下部挠性接头9和防喷器11，三分力仪5上端连接张紧器4，三分力仪5下端与上部挠性接头6连接，上部挠性接头6连接夹具7，夹具7与隔水管8螺栓紧固连接(见图3)，隔水管8底端与防喷器11通过下部挠性接头9连接，防喷器11的上端安装动态倾角仪24，动态倾角仪24应用惯导技术精确的监测井口12的动态横滚角，实现井口倾斜角度的实时监测，防喷器11的周向安装两个垂直拉线位移传感器10，监测水平方向井口12的水平位移，防喷器的上端安装一个拉线位移传感器10，监测井口12的下沉量。

具体的，本实施例所述的井口组合子系统用于模拟水合物开采过程中的井口和导管，是本发明装置监测的主体(见图4)，井口组合子系统包括井口12、导管13和筛沙器19，防喷器11与井口12通过螺栓连接；井口12下端与导管13螺纹连接，防喷器11侧向和上端安装拉线位移传感器10，防喷器上端水平安装动态倾角仪24，光纤光栅应变传感器16沿管长方向布置在导管13和井口12外壁，利用光纤光栅应变传感器16固有的应变敏感特性监测导管13和井口12的微位移和应变；

具体的，本实施例所述的水合物模拟子系统用于模拟合成的水合物层，并通过加热水合物层模拟水合物受热分解过程，水合物模拟子系统包括实验土箱14、土壤15、水合物层18、循环制冷机22、加热器21；填入实验土箱14中的土壤15是根据目标水合物海底浅层土样的粒径、密度、成分等制备，保证实验土样类型与原状土接近，导管13埋在实验土箱14中的上部土壤15中，实验土箱14中部放置模拟水合物层18，水合物层18采用与天然气水合物具有相似的热物理性质的四氢呋喃和水来制备，人工合成相对容易、安全、经济，实验土箱14底部放置土壤15，水合物层18的上部均布温度传感器17，水合物层18的底部布设加热线圈19由加热器21控制，实验土箱14与循环制冷机22连接，通过循环制冷降低水合物层18的温度；

进一步的，所述的数据采集处理及控制系统用于实时控制钻井平台的运动过程、水合物层的温度变化，同时对井口稳定变化的数据进行实时监测，并将监测结果传送到数据采集及处理系统，数据采集处理及控制子系统包括拉线位移传感器10、动态倾角仪24、光纤光栅应变传感器16、温度传感器17、循环制冷机22均与信号采集处理系统22通过信号线路连接，通过控制加热线圈19模拟水合物分解过程，实时监测井口12的稳定性数据。

上述天然气水合物井口稳定性实验装置的实验方法，具体步骤如下：

第一步：根据深水天然气水合物海底浅层土样模拟制作土壤15，利用四氢呋喃模拟制作天然气水合物层18；

第二步：将光纤光栅应变传感器16沿管长方向布设在井口12和导管13外壁，将拉线位移传感器10和动态倾角仪24分别安装在防喷器11上；

第三步：将配制的海底浅层土壤13填入实验土箱14底层，同时将加热线圈19布置在水合物层18的底端，同时在填入水合物层18布置温度传感器17；

第四步：铺设实验土箱14的上部土壤15，将筛沙器19安装在导管13端部，并将布设光纤光栅应变传感器16的井口12和导管13埋入上部土壤15；

第五步：将滑块3沿着水平导轨2移动至井口12的正上方，在滑块3上安装张紧器4，张紧器4的底端连接三分力仪5，三分力仪5与固定夹具7通过上部挠性接头6连接，夹具7与隔水管8螺栓紧固连接；

第六步：调节水平导轨2的高度并固定位置，通过下部挠性接头9将隔水管下端8与防喷器上端11连接；

第七步：控制循环制冷机22，将水合物层18的温度降低至-10℃完全形成水合物沉积物，控制加热器的功率逐渐增加水合物层18的温度，改变张紧器4的张力和滑块的水平位移模拟钻井平台的运动，监测不同温度下井口的倾斜角、水平位移和下沉量；

第八步：将采集的数据输入到数据采集处理系统23，对获取的数据进行分析和处理。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。