水合物钻井模拟系统以及模拟方法与流程

本发明涉及天然气水合物应用领域，具体地涉及一种水合物钻井模拟系统以及模拟方法。

背景技术：

天然气水合物是一种储量丰富的能源，主要存在于高纬度地区的极地冻土带及全球范围内的深海海底、陆坡、陆基及海沟中。目前水合物的开采方法主要包括热激法、降压法、注化学剂法以及co2置换法，但尚未实现大规模商业开采的价值。由于水合物对外界温、压场分布较为敏感，在钻采开发过程中，人工作业产生的环境扰动会致使孔隙内的水合物分解或二次生成，引起地层局部能量与压力的骤变，从而破坏原本稳定的地层结构，影响正常生产，甚至引发滑坡、坍塌、井喷等灾害。因此，研究水合物在不同环境条件下的相平衡规律及井筒-含水合物地层之间的传热传质规律，能够为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

目前用于研究水合物相平衡及其在多孔介质内传热传质的实验手段主要集中为宏观装置，能够反映在大尺度环境内各种气体在不同工况下的相变规律，但以填砂模拟储层的方式不能直接获取反应过程中的各项数据，难以解释相关实验现象背后的反应机理。而利用微流控技术研究天然气水合物虽然能直观地观察相变过程，但受到尺寸限制，多用于模拟近似二维的平面多相流/多相渗流，而与现场作业中的井眼等大尺度环境相差较远。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的没有适当的方式对天然气水合物的开采进行研究的问题，提供一种水合物钻井模拟系统

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种水合物钻井模拟系统，该水合物钻井模拟系统包括供应机构、钻井模拟机构、井壁及地层模拟机构和传感分析机构，所述井壁及地层模拟机构包括井筒腔室和能够连通所述井筒腔室的地层模拟装置，所述供应机构用于向所述地层模拟机构供应用于生成水合物的气体和液体以在所述地层模拟装置中形成水合物，所述地层模拟装置能够在与所述井筒腔室连通的连通状态和与所述井筒腔室分隔的分隔状态之间切换，所述钻井模拟机构用于在所述井筒腔室中模拟钻井过程中的泥浆循环和钻头旋转，所述传感分析机构连接所述地层模拟装置以在所述钻井模拟机构运行的过程中对所述地层模拟装置进行监测。

优选地，所述地层模拟装置包括二维地层模拟组件，所述二维地层模拟组件包括透明的刻蚀玻璃片和透明的装载片，所述刻蚀玻璃片的表面上刻蚀有用于模拟容纳水合物的通道的纹路，所述装载片用于设置所述刻蚀玻璃片。

优选地，所述地层模拟装置包括三维地层模拟组件，其中，所述三维地层模拟组件包括刻蚀玻璃块，所述刻蚀玻璃块的内部刻蚀有用于模拟容纳水合物的通道的纹路；或者，三维地层模拟组件(30)包括内部充填有砂砾的容器。

优选地，所述井壁及地层模拟机构包括模拟底盖、模拟上盖和模拟井壁，所述模拟井壁、所述模拟底盖和所述模拟上盖共同限定所述井筒腔室，所述模拟井壁包括内部套筒和套设在所述内部套筒外侧的外部套筒，所述外部套筒上设置有用于设置所述地层模拟装置的插槽，所述内部套筒上设置有通孔以及可移动的滑片，所述插槽的两端贯通且所述通孔对应于所述插槽设置以使得插槽和所述井筒腔室连通，所述滑片能够在封闭所述通孔的位置和开启所述通孔的位置之间移动以使得所述地层模拟装置在所述连通状态和所述分隔状态之间切换。

优选地，所述内部套筒上设置有滑槽，所述滑片能够在所述滑槽上移动以在封闭所述通孔的位置和开启所述通孔的位置之间移动。

优选地，所述外部套筒的横截面为矩形，所述插槽包括用于设置所述装载片的二维组件插槽和用于设置所述刻蚀玻璃块的三维组件插槽，所述二维组件插槽置在所述外部套筒的两个相对的表面上，所述三维组件插槽设置在所述外部套筒的其余两个相对的表面上；其中，所述二维组件插槽可旋转地设置在所述外部套筒上以使所述装载片能够以不同的角度与所述井筒腔室连通。

优选地，所述供应机构包括气体储存容器、溶液储存容器和泵件，所述装载片上设置有连通所述刻蚀玻璃片的注气口和注液口，所述气体储存容器通过所述泵件经由所述注气口向所述装载片通入气体，所述溶液储存容器通过所述注液口向所述装载片通入液体。

优选地，所述传感分析机构包括显微观察装置和核磁共振装置，所述显微观察装置用于观察所述二维地层模拟组件中水合物的微观状态变化，所述核磁共振装置用于监测所述三维地层模拟组件中水合物的变化过程。

优选地，所述传感分析机构包括连通所述井壁及地层模拟机构的压力传感器和温度传感器。

本发明第二方面提供一种水合物钻井模拟方法，所述水合物钻井模拟方法利用如上所述的水合物钻井模拟系统，该方法包括：s1：将所述地层模拟装置设置成与所述井筒腔室分隔的所述分隔状态；s2：利用所述供应机构向所述地层模拟装置供应液体和气体以在所述地层模拟装置中生成水合物；s3：启动所述钻井模拟机构并将所述地层模拟装置设置成玉所述井筒腔室连通的连通状态；s4：利用所述传感分析机构监测在所述钻井模拟机构运行期间所述地层模拟装置中的水合物的变化过程，并对监测数据进行分析。

通过上述技术方案，利用本申请提供的水合物钻井模拟系统，操作人员首先将地层模拟装置设置为与井筒腔室分隔的分隔状态，使得井筒腔室和地层模拟装置中的温度和压力互不干扰，然后通过供应机构向地层模拟装置中供应液体和气体，以使得这些液体和气体在地层模拟装置中生成水合物，从而使得地层模拟装置模拟在自然条件下在地层中蕴藏有水合物的情形，由于井壁及地层模拟机构能够形成模拟钻井过程中钻井空间的井筒腔室，钻井模拟机构能够在井筒腔室中模拟钻井过程中的泥浆循环和钻头旋转，因此将内部具有水合物的地层模拟装置设置为与井筒腔室连通，启动钻井模拟机构就能够模拟出在蕴含有水合物的地层中进行钻井的情形，操作人员可以通过传感分析机构在钻井模拟机构运行的过程中对地层模拟装置进行监测，从而研究在钻井过程中地层模拟装置中的水合物的相变规律，以便于为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

附图说明

图1是本发明优选实施方式的水合物钻井模拟系统的示意图；

图2是图1的系统的内部套筒的对应于三维地层模拟组件的一面的示意图；

图3是图2的内部套筒的对应于二维地层模拟组件的一面的示意图；

图4是图2的内部套筒的俯视图；

图5是图1的系统的外部套筒的对应于三维地层模拟组件的一面的示意图；

图6是图5的外部套筒的俯视图。

附图标记说明

10-井筒腔室11-模拟底盖12-模拟上盖

20-二维地层模拟组件30-三维地层模拟组件

40-内部套筒41-通孔42-滑片43-操作杆

50-外部套筒51-二维组件插槽52-三维组件插槽

61-气体储存容器62-溶液储存容器63-泵件

71-电动马达72-转速控制器73-叶轮74-钻井液泵75-钻井液供应池76-循环管路

81-温度传感器82-压力传感器

90-数据综合分析处理装置

具体实施方式

本申请提供一种水合物钻井模拟系统，该水合物钻井模拟系统包括供应机构、钻井模拟机构、井壁及地层模拟机构和传感分析机构，井壁及地层模拟机构包括井筒腔室和能够连通井筒腔室10的地层模拟装置，供应机构用于向地层模拟机构供应用于生成水合物的气体和液体以在地层模拟装置中形成水合物，地层模拟装置能够在与井筒腔室连通的连通状态和与井筒腔室10分隔的分隔状态之间切换，钻井模拟机构用于在井筒腔室10中模拟钻井过程中的泥浆循环和钻头旋转，传感分析机构连接地层模拟装置以在钻井模拟机构运行的过程中对地层模拟装置进行监测。

利用本申请提供的水合物钻井模拟系统，操作人员首先将地层模拟装置设置为与井筒腔室10分隔的分隔状态，使得井筒腔室10和地层模拟装置中的温度和压力互不干扰，然后通过供应机构向地层模拟装置中供应液体和气体，以使得这些液体和气体在地层模拟装置中生成水合物，从而使得地层模拟装置模拟在自然条件下在地层中蕴藏有水合物的情形，由于井壁及地层模拟机构能够形成模拟钻井过程中钻井空间的井筒腔室10，钻井模拟机构能够在井筒腔室中能够模拟钻井过程中的泥浆循环和钻头旋转，因此将内部具有水合物的地层模拟装置设置为与井筒腔室10连通，启动钻井模拟机构就能够模拟出在蕴含有水合物的地层中进行钻井的情形，操作人员可以通过传感分析机构在钻井模拟机构运行的过程中对地层模拟装置进行监测，从而研究在钻井过程中地层模拟装置中的水合物的相变规律，以便于为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

其中，地层模拟装置包括二维地层模拟组件20和三维地层模拟组件30，三维地层模拟组件30用于模拟一整块地层的区域蕴藏有水合物的情形从而示出这块区域中的水合物在钻井过程中的相变规律，而二维地层模拟组件20用于示出一整块地层的某个特定截面上的水合物在钻井过程中的相变规律。

具体地，三维地层模拟组件30包括刻蚀玻璃块，该刻蚀玻璃块的内部刻蚀有用于模拟容纳水合物的纹路，该纹路的走向以及通径等参数可以参考真实地层中可能出现的实际情况设置，只要保证刻蚀玻璃块内部的纹路在朝向井筒腔室10的一侧敞开以能够和井筒腔室10连通即可。二维地层模拟组件20包括透明的刻蚀玻璃片和透明的装载片，刻蚀玻璃片设置在装载片中且刻蚀玻璃片的表面上刻蚀有用于模拟容纳水合物的通道的纹路，刻蚀玻璃片上的纹路可以形成在刻蚀玻璃片的表面，装载片的朝向井筒腔室10的一端敞开，以使装载片和井筒腔室10之间形成通路。

此外，本申请提供的三维地层模拟组件30还可以选用其他形式，具体地，可以通过在容器中填充不同类型的砂砾，其中容器朝向井筒腔室10的一端敞开并设置纱网，以防止砂砾泄露，砂砾之间的缝隙同样可以模拟一整块地层的区域蕴藏有水合物的情形。

需要说明的是，本申请所指的刻蚀玻璃片和刻蚀玻璃块除了厚度有着明显的差异外，刻蚀玻璃块中的纹路构成的容纳水合物的通路全部位于刻蚀玻璃块的内部，刻蚀玻璃块中没有通路暴露在刻蚀玻璃块的外部；而刻蚀玻璃片的纹路主要形成在刻蚀玻璃片的表面上，刻蚀玻璃片必须和装载片共同构成容纳水合物的通路，当然刻蚀玻璃片的内部也可以形成不暴露在外的纹路。通过选用透明的刻蚀玻璃片和装载片，使得在模拟钻井的过程中，可以从微观角度上观察二维地层模拟组件中的相变，具体地，本申请的传感分析机构包括显微观察装置，该显微观察装置用于观察二维地层模拟组件中水合物的微观状态变化，优选地该显微观察装置包括电学显微镜或者光学显微镜从而进行观察。此外，传感分析机构还包括核磁共振装置，核磁共振装置用于监测三维地层模拟组件30中水合物的变化过程，核磁共振装置用于测量三维模拟组件30中的水合物的饱和度以及水合物的分布。

为了构成井筒腔室，如图1所示，井壁及地层模拟机构包括模拟底盖11、模拟上盖12和模拟井壁，模拟井壁、模拟底盖11和模拟上盖12共同形成井筒腔室10，其中，模拟井壁包括内部套筒40和外部套筒50，其中，内部套筒40用于和模拟底盖11、模拟上盖12共同构成井筒腔室10。

地层模拟装置安装在外部套筒上50，具体地，参考图2-图6所示的结构，外部套筒50的外壁面上设置有用于安装地层模拟装置的插槽且插槽的两端贯通，内部套筒40上设置有对应于插槽的通孔41，当装载片或者刻蚀玻璃块安装在插槽中时，装载片敞开的一端或者刻蚀玻璃块上的纹路敞开的一端朝向内部套筒40上的通孔41，从而使得装载片和井筒腔室10连通。

为了使得地层模拟装置能够在分隔状态和连接状态之间切换，内部套筒40上设置有可移动的滑片42，该滑片42能够在封闭通孔41的位置和开启通孔41的位置之间移动，当滑片42位于封闭通孔41的位置时，通孔封闭使得地层模拟装置和井筒腔室10之间的连接断开，当滑片42位于开启通孔41的位置时，通孔41敞开使得地层模拟装置和井筒腔室10之间贯通。当为了在地层模拟装置中生成水合物时，通过滑片42封闭通孔41；在进行钻井模拟时即在钻井模拟机构运行时，通过滑片42开启通孔41。

在本申请的实施方式中，内部套筒40上设置有滑槽，滑片42能够在滑槽上移动从而在封闭通孔41的位置和开启通孔41的位置之间移动。优选地，滑槽设置在内部套筒40的位于内部套筒40和外部套筒50之间的壁面上，参考图3示出的内部套筒对应于二维地层模拟组件的表面，滑槽沿水平方向设置，使得滑片42能够自由地在滑槽上移动且能够停在滑槽上的任意位置，此外滑槽的长度还应大于通孔的长度使得滑片42能够移动到完全不遮挡通孔41而使得通孔41开启的位置，为了便于操作人员操作滑片42移动，滑片上设置有操作杆43，操作杆43从内部套筒40和外部套筒50之间的缝隙向上延伸至高于井壁的位置。参考图2示出的内部套筒对应于三维地层模拟组件的表面，由于刻蚀玻璃块的尺寸较大，如果将滑槽沿水平方向设置，在需要将通孔敞开时滑槽的尺寸可能不够从而造成滑片42无法完全脱离通孔41所在的位置，因此将滑槽沿竖直方向设置，使得滑片42能够在竖直方向上移动，保证滑片42能够移动到完全脱离通孔41所在位置的距离。

需要说明的是，在地层模拟装置中生成水合物时，地层模拟装置应当保证足够的密封性，从图中可以看出，内部套筒40和外部套筒50之间具有一定的间隙，为了尽可能保证地层模拟装置的密封性，当滑片42位于封闭通孔41的位置时，滑片42和装载片敞开的一端或者刻蚀玻璃块上的纹路敞开的一端之间的间距非常小，使得地层模拟装置中水合物的生成基本上不受影响，当水合物生成的量足够进行实验时，立即启动钻井模拟机构的同时移动滑片打开通孔，使得地层模拟装置和井筒腔室连通。

在本申请的实施方式中，参考图4和图6所示的结构，外部套筒50和内部套筒40的横截面优选为矩形，插槽包括用于设置装载片的二维组件插槽和用于设置刻蚀玻璃块的三维组件插槽，至少两个二维组件插槽设置在外部套筒50的两个相对的表面上，至少两个三维组件插槽设置在外部套筒50的其余两个相对的表面上。在图中所示的结构中，在外部套筒50的设置有二维组件插槽的其中一个面上沿外部套筒高度方向依次设置有3个二维组件插槽，在外部套筒50的与该表面相对的表面上设置有对应的3个二维组件插槽。

其中，安装在二维组件插槽中的装载片与外部套筒的表面垂直，且将二维组件插槽设置绕垂直于外部套筒的表面的轴线旋转，以使得装载片以不同的角度与井筒腔室连通。具体地，二维组件插槽可以设置在一个具有圆形凸缘的旋转块上，旋转块的凸缘伸入到外部套筒50上设置的容纳槽中，在容纳槽中的凸缘的前后两侧均被限制，因此凸缘只能在容纳槽中转动，从而带动二维组件插槽转动，但是本申请并不以此为限制。

其中，为了使得地层模拟装置稳定地设置在插槽中，装载片和刻蚀玻璃块的远离井筒腔室10的一侧设置有向外凸出的键，相应的二维组件插槽和三位组件插槽上设置有用于容纳这些键的键槽，当地层模拟装置设置在插槽中时，地层模拟装置上的键卡在插槽中，从而防止地层模拟装置向内或者向外滑落。

本申请的钻井模拟机构包括钻井液循环组件以及钻头模拟组件，钻井液循环组件包括钻井液泵74、循环管路76以及钻井液供应池75，本申请通过储藏有泥浆的泥浆池作为钻井液供应池75来调配钻井液，通过调配控制钻井液的黏度、密度等性质，还可以通过加热或冷却的方式控制钻井液温度。泥浆池中的泥浆通过钻井液泵74从循环管路76进入内部套筒40，到达井筒腔室10的底部后通过循环管路76重新返回泥浆池，钻井液泵74可以用于控制井筒腔室内的压力。

钻头模拟组件包括电动马达71、传动轴、转速控制器72和叶轮73，其中电动马达71用于提供动力，传动轴用于传递扭矩，叶轮73通过旋转模拟钻头。转速控制器72可以控制叶轮73的转速实现模拟不同转速的钻头转动。

供应机构包括气体储存容器61、溶液储存容器62和泵件63，装载片上设置有连通刻蚀玻璃片的注气口和注液口，气体储存容器通过泵件63经由注气口向所述装载片通入气体，溶液储存容器62通过注液口向装载片通入液体，以在二维地层模拟组件中生成水合物。相应地，通过上述结构同样能够向三维地层模拟组件中供应液体和气体，并在三维地层模拟装置中生成水合物。

传感分析机构还包括连通井壁及地层模拟机构的压力传感器82和温度传感器81以及记载叶轮转速的转速传感器，温度传感器81测量并记录地层模拟装置和井筒腔室10中的温度；压力传感器82测量并记录地层模拟装置和井筒腔室10中的压力；转速传感器记录叶轮的转速；显微观测装置观察地层模拟装置中的微观现象。此外，传感分析机构还包括数据综合分析处理装置90，上述传感器收集到的各项数据最终汇总到该数据综合分析处理装置90上，研究人员结合这些数据研究在钻井过程中地层模拟装置中的水合物的相变规律，以便于为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

本申请第二方面提供一种水合物钻井模拟方法，该方法利用如上所述的水合物钻井模拟系统，该方法包括：s1：将所述地层模拟装置设置成与所述井筒腔室分隔的所述分隔状态；s2：利用所述供应机构向所述地层模拟装置供应液体和气体以在所述地层模拟装置中生成水合物；s3：启动所述钻井模拟机构并将所述地层模拟装置设置成与所述井筒腔室连通的连通状态；s4：利用所述传感分析机构监测在所述钻井模拟机构运行期间所述地层模拟装置中的水合物的变化过程，并对监测数据进行分析。

具体地，利用上述的模拟系统进行操作的步骤包括：

1、操作人员先根据模拟实验的需求，选用所需孔隙度的刻蚀玻璃片装入装载片作为二维地层模拟组件20，同时选用所需孔隙度的刻蚀玻璃块作为三维地层模拟组件30，并开启溶液储存容器62的冷却系统将溶液冷却至所需温度，具体地，溶液储存容器62具有冷却功能，进入二维地层模拟组件20或者三维地层模拟组件30中的溶液的温度决定了二维地层模拟组件20或者三维地层模拟组件30的温度，因此为了能够地层模拟装置中的温度控制在能够发生形成水合物的反应的温度，需要事先将溶液储存容器62中的溶液冷却至所需温度；

2、移动内部套筒40上的滑片42，使得滑片42封闭内部套筒40上的通孔41，将二维地层模拟组件20以及三位地层模拟组件30装入外部套筒50上的相应的插槽中；

3、通过供应机构向二维地层模拟组件20和三维地层模拟组件30中供应气体和液体，其中通过供应机构的恒温恒压泵调整二维地层模拟组件20和三位地层模拟组件30中的压力保持在水合物生成所需的值，并等待水合物的生成，具体地，通过在供应机构和地层模拟装置之间设置回压阀，对回压阀设定特定的压力值，使得供应机构中的气体的压力不低于该压力值时才能够进入到地层模拟装置中，从而保证气体能够以发生水合物相变所需的压力进入到地层模拟装置中；

4、启动钻井模拟机构的钻井液泵在井筒腔室中通过循环管路进行钻井液的循环，调节井筒腔室10中的压力和温度至所需的值，开启电动马达71，通过转速控制器72控制叶轮73保持在所需的转速下；

5、移动滑片42开启内部套筒40上的通孔41，使得二维地层模拟组件20和三维地层模拟组件30与井筒腔室10连通；

6、通过显微观察装置的电学显微镜或者光学显微镜观察二维地层模拟组件10中的水合物的微观变化过程；通过核磁共振装置监测三维地层模拟组件30中的水合物的变化过程。

通过显微观察装置对二维地层模拟组件的观察以及核磁共振装置对三维地层模拟组件的观察所得到的在钻井过程中地层模拟装置中的水合物的相变规律，研究人员可以利用所得到的水合物的相变规律结合传感分析机构的各个传感器所得到的数据进行分析，以便于为涉及到天然气水合物相变的生产作业提供可靠的理论依据与优化设计方案。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。